KernresonanzspektroskopieKernresonanzspektroskopieKernresonanzspektroskopieKernresonanzspektroskopieSeminar WiSe 2015/2016

PD Dr. Markus Nett

NachwuchsgruppenleiterNachwuchsgruppenleiter

Leibniz‐Institut für Naturstoff‐Forschung und Infektionsbiologie

E‐mail: markus.nett@hki‐jena.de

NMR = nuclear magnetic resonance

Kernmagnetische Resonanz tritt auf, wenn die Kerne (= Nuclei) bestimmter

Atomsorten (1) sich in einem statischen Magnetfeld befinden und (2) einem

zweiten oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt werden.

Voraussetzung für kernmagnetische Resonanz ist, dass

der betreffende Atomkern einen Kernspin ≠ 0 besitzt.

- 2 -

Was versteht man unter Spin?

• engl. to spin = kreiseln

• Der Spin ist ein gequantelter Drehimpuls.

• keine Beschränkung auf ganze Quantenzahlen (I = 0, , 1, , 2, usw.)

• Einzelne Protonen Elektronen und Neutronen besitzen einen Spin von

21

23

1• Einzelne Protonen, Elektronen und Neutronen besitzen einen Spin von .

• Die Richtungen, in die der Spin zeigen kann, sind quantisiert.

2

• Spins können positive oder negative Vorzeichen tragen.

• Elektronen die sich ein Orbital teilen unterscheiden sich in ihrer SpinrichtungElektronen, die sich ein Orbital teilen, unterscheiden sich in ihrer Spinrichtung.

• Zwei oder mehr gepaarte Teilchen mit entgegengerichteten Spins haben keinen

h ß i k S inach außen wirksamen Spin.

- 3 -

Was versteht man unter Spin?

Der Gesamtspin eines Kerns ergibt sich aus der Summe der Spins der Kernbau-steine, d.h. der Protonen und Neutronen (= Nukleonen).

Berechnen Sie den Kernspin der folgenden Atomkerne:

Anz. Protonen Anz. Neutronen Kernspin1H 1 02H 1 1

4He 2 212C 6 612C 6 613C 6 714N 7 715N 7 819F 9 10

- 4 -

Magnetisches Moment

Die Rotation eines geladenen Teilchens induziert ein Magnetfeld.

Teilchen und Atomkerne, die einen Spin besitzen, verhalten sich im MagnetfeldTeilchen und Atomkerne, die einen Spin besitzen, verhalten sich im Magnetfeld als hätten sie ein magnetisches Moment.

Beispiel: der WasserstoffkernBeispiel: der Wasserstoffkern

Ausrichtung in einem externen Magnetfeld:Ausrichtung in einem externen Magnetfeld:

≡

EnergieEnergie

- 5 -

Magnetresonanz

Ein Übergang zwischen den beiden Energiezuständen ist möglich durch Absorption eines Photons.

Die Energie des Photons muss dabei genau der Energiedifferenz zwischen den beiden Zuständen entsprechen:

Aufspaltung der beiden Spinzustände eines Kerns in einem äußeren Magnetfeld hE

da folgt:

e

B

BhE

h = Plancksche Konstante

Ene

rgieBhE

= Resonanzfrequenz

= gyromagnetisches VerhältnisMagnetfeldstärke

B = Magnetfeldstärke

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Präzessionsbewegung / Kreiselmodell

Kern-Zeeman-Niveaus

in Richtung des äußeren Feldes entgegen dem äußeren Feld

Präzessionsbewegung

Anstoss

- 7 -

Prinzip der NMR-Messung (vereinfachte Darstellung)

= Relaxation

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Protonenresonanzspektrum

Beispiel: 1H-NMR-Spektrum von Methanol

pann

ung

nger

spul

eδ [ppm] =

Signalfrequenz [Hz]Betriebsfrequenz [MHz]

dukt

ions

sper

Em

pfän

Ind

de

δ [ppm]

Magnetfeldstärke

- 9 -

Chemische Verschiebung

abhängig von: • Art der chemischen Bindung • Umgebung des Kerns

Durch den Einfluss in der Nähe befindlicher Atome, deren Elektronen selbst Magnetfelder

S ä ä ß ä

Abschirmung

besitzen, kann die Stärke des äußeren Feldes verringert oder verstärkt werden:

g• muss durch Verstärkung des äußeren Feldes kompensiert werden• diamagnetische Verschiebung / Hochfeldverschiebung

Entschirmung

der Kernresonanzsignale zu kleineren δ-Werten

• für die Resonanz muss die äußere Feldstärke verkleinert werden• paramagnetische Verschiebung / Tieffeldverschiebung

der Kernresonanzsignale zu größeren δ Wertender Kernresonanzsignale zu größeren δ-Werten

- 10 -

Chemische Verschiebung und Elektronegativität

Elektronegativität von X nimmt zu

Elektronendichte um HA nimmt ab

chemische Verschiebung von HA nimmt zu

- 11 -

Chemische Verschiebung

Beispiel: 1H-NMR-Spektrum von Methanol

CH

hohes Feldtiefes Feld

CH3

OH

δ [ppm]

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Charakteristische Bereiche 1H chemischer Verschiebungen

δ [ ]

TMS

δ [ppm]

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH3 gesättigtCH2 gesättigtCH gesättigt

CH C XCH3-C-XCH3-C=

CH3-C=OCH3-Aryl3

CH3-S, NHC≡

CH3-O-H C=H2C=HC=

H-AromatischH-Heteroaromatisch

R-CHOR-CO2H

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

δ [ppm]

- 13 -

Magnetische Anisotropie

+Ringstrom der π-Elektronen

– – Entschirmung

+B0 Abschirmung

Signalstärke

Innerhalb eines 1H-NMR-Spektrums verhalten sich die Flächen der Signale

einer Substanz wie die Anzahl der Protonen, die diese Signale verursachen.

CH3

OH3

1

δ [ppm]

- 15 -

Spin-Spin-Kopplung

Aufspaltung der Signale best. Wasserstoffatome in mehrere Linien

Beispiel: 1H-NMR-Spektrum von Ethanolp p

- 16 -

Signal-Aufspaltungen erster Ordnung

Benachbarte Kernspins treten über die Polarisation der Bindungselektronen

miteinander in Wechselwirkung (= indirekte Spin-Spin-Wechselwirkung).

Beispiel:

zwei magnetisch äquivalente Kerne A befinden sich in Nachbarschaft zum Kern Xg q

X

A A

b i X i k d i t hi dli h M tf ldbei X wirken drei unterschiedliche Magnetfelder

Aufspaltung in ein Triplett

Intensitäts erhältnis 1 2 1Intensitätsverhältnis = 1 : 2 : 1

- 17 -

Aufspaltungsregeln für Kerne mit einem Spin von ½

1. Isochrone Kerne koppeln nicht miteinander.

2. Bei Kernen, die drei oder weniger Bindungen entfernt sind, ist üblicherweise eine

Signalaufspaltung aufgrund von skalarer Kopplung zu erwarten.g p g g pp g

3. Der Abstand zwischen den Resonanzlinien heißt Kopplungskonstante J.

4. Bei Kopplung mit n benachbarten Kernen spaltet das Signal in n+1 Linien auf,

deren Intensitäten dem Pascalschen Dreieck entnommen werden können.

- 18 -

Signal-Aufspaltungen erster Ordnung

Multiplizität Bezeichnung Intensitäten

1 Singulett (s) 1

2 Dublett (d) 1 : 12 Dublett (d) 1 : 1

3 Triplett (t) 1 : 2 : 1

4 Quartett (q) 1 : 3 : 3 : 1

5 Quintett 1 : 4 : 6 : 4 : 1

6 Sextett 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1

... ... ...

- 19 -

Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren

1. Bestimme die chemische Verschiebung δ aller Signale

i. Protonenresonanzen durchnumerieren

ii. δ-Werte in einer Tabelle anordnenii. δ Werte in einer Tabelle anordnen

iii. δ-Werte auf zwei Dezimalstellen genau angeben

iv bei Multipletts entspricht das arithmetische Mittel aller Resonanzlinieniv. bei Multipletts entspricht das arithmetische Mittel aller Resonanzlinien

der chemischen Verschiebung

2. Bestimme die Multiplizitäten und die J-Werte

3. Bestimme die Signalintensitäten3. Bestimme die Signalintensitäten

4. Kombiniere die strukturellen Informationen

- 20 -

Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren – Beispiel

3

2

1

δ [ppm]

Signal # δ [ppm] M Intensität

1 11.73 Singulett 1

2 2.38 Quartett 2

3 1 16 T i l tt 33 1.16 Triplett 3

- 21 -

Tipps zur Auswertung von 1H-NMR-Spektren – Beispiel

Informationen aus Signal 1:integrale Intensität 1 → 1 Protonintegrale Intensität 1 → 1 ProtonSingulett → keine Protonen in

δ = 11.73 ppm → das kann nur das H-Atomdirekter Nachbarschaft

einer Säurefunktion seineiner Säurefunktion sein

Informationen aus Signal 2:integrale Intensität 2 → 2 Protonen Informationen aus Signal 3:gQuartett → 3 benachbarte Protonen

δ = 2.38 ppm → evtl. CH2-Gruppe(z.B. CH3-Gruppe)

Informationen aus Signal 3:integrale Intensität 3 → 3 ProtonenTriplett → 2 benachbarte Protonen

δ 1 16 tl CH G(z.B. CH2-Gruppe)

Si l # δ [ ] M I t ität

δ = 1.16 ppm → evtl. CH3-Gruppe

Signal # δ [ppm] M Intensität

1 11.73 Singulett 12 2 38 Quartett 22 2.38 Quartett 23 1.16 Triplett 3

Übungsaufgabe 1

Handelt es sich bei dem abgebildeten 1H-NMR-Spektrum um 1-Propanol oder

um Isopropanol? Begründen Sie Ihre Entscheidung!

δ 3.58 ppm δ 0.94 ppm

δ 1.57 ppm

δ 2.26 ppm

δ 1.57 ppm

- 23 -

Übungsaufgabe 2

O d Si d H At d Th l diOrdnen Sie den H-Atomen des Thymols die

jeweils zugehörigen 1H-NMR-Signale zu!

TMS

X

δ [ppm]

- 24 -

Übungsaufgabe 3 – Signalzuordnung Eugenol

TMS

X

δ [ppm]

- 25 -

Substituenteneinflüsse

Steigt die Elektronendichte infolge induktiver oder mesomerer Effekte an, so führt dies zu

einer erhöhten Abschirmung und damit zu einer Hochfeldverschiebung.

"+I"

–I < +M(-)(-)

≡

(-)

Elektronendonatoren an Doppelbindungen erhöhen die Elektronendichte am β-C-Atom

"+I"

und bewirken damit eine Hochfeldverschiebung (Abschirmung).

Elektronenakzeptoren an Doppelbindungen erniedrigen die Elektronendichte am β-C-Atom

und bewirken damit eine Tieffeldverschiebung (Entschirmung).

- 26 -

Inkrement-System zur Abschätzung von 1H-Verschiebungen

Spin-Kopplungen

Atomkerne koppeln (im Normalfall) über chemische Bindungen.

1J = skalare Kopplungen 2J = geminale KopplungenJ geminale Kopplungen3J = vicinale Kopplungen4J = allylische Kopplungen4J = allylische Kopplungen5J = homoallylische Kopplungen

Fernkopplungen

Mit steigendem Bindungsabstand wird die Kopplung i.d.R. schwächer,

d.h. der Betrag von J wird kleiner. Daneben hängt die Größe der Kopplung

auch von sterischen und elektronischen Faktoren ab.

- 28 -

Spin-Kopplungen & Kopplungskonstanten

Signal-Aufspaltungen höherer Ordnung

liegen vor, wenn die Signale der koppelnden 1H-Atome im 1H-NMR-Spektrum

nahe beieinander liegen.

Aufspaltungen erster Ordnung: Δν /J > 10

• Atome werden mit am Anfang und Ende des Alphabets liegenden Buchstaben

bezeichnet, z.B. HA und HX

• Die Zahl der Protonen wird durch Indizes gekennzeichnet.

Aufspaltungen höherer Ordnung: Δν /J < 10

• Atome werden nur mit am Anfang des Alphabets liegenden Buchstaben

bezeichnet, z.B. HA und HB

- 30 -

Signal-Aufspaltungen höherer Ordnung

AB-Systeme bestehen aus Linien, von

welchen die äußeren weniger intensiv sind g

als die inneren und die symmetrisch

angeordnet sind. => Dacheffekt

Strichspektren eines AB-Systems bei festgehaltener

K l J d i bl V hält i Δ /JKopplung JAB und variablem Verhältnis Δν/J

- 31 -

57

29

8859

4000 3000 2000 1500 1000 500cm-1

Übungsaufgabe 4

Identifizieren Sie die

Verbindung anhand

ihrer Spektren!

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0ppm

Übungsaufgabe 5Übungsaufgabe 5

Identifizieren Sie die Verbindung

Summenformel: C3H7NO2

anhand ihrer Spektren!

4000 3000 2000 1500 1000 500cm-1

3 7 2

Messung in D2O(OH-Gruppen werden nicht detektiert!)

δ [ppm]

Übungsaufgabe 6 + Übungsaufgabe 7

Eine flüchtige Verbindung, C8H14O, besitzt eine starke IR-Absorptionsbande bei 1717 cm-1. Das 1H-NMR-

Spektrum zeigt Signale bei δH 1.65 (3H, s), 1.72 (3H, s), 2.15 (3H, s), 2.40 (4H, m) und 5.20 (1H, t) ppm.

Ozonolyse der Verbindung liefert u.a. Propanon. Die Umsetzung mit Iod im Alkalischen gibt Iodoform.

Welche Rückschlüsse können aus (a) der Summenformel, (b) dem IR-Spektrum, (c) dem 1H-NMR-

Spektrum und (d) den chemischen Reaktionen gezogen werden? (e) Machen Sie anhand Ihrer Ergebnisse ( ) g g ( ) g

einen Strukturvorschlag für die flüchtige Verbindung!

Die Hydrolyse einer Substanz lieferte eine aromatische Verbindung, C9H10O4, die in wäßrigem NaHCO3

löslich ist. Die Verbindung besitzt im IR-Spektrum Absorptionsbanden bei 2700 (breit), 1690 und 1600 cm-1.

Das 1H NMR Spektrum zeigt Resonanzen bei δ 3 85 (6H) 6 62 (1H) und 7 15 ppm (2H) sowie ein breitesDas H-NMR-Spektrum zeigt Resonanzen bei δH 3.85 (6H), 6.62 (1H) und 7.15 ppm (2H) sowie ein breites

Signal bei δH 10.20 ppm (1H). Letzteres verschwand, nachdem die Probe mit D2O versetzt wurde. Eine

genaue Analyse des Signals bei δH 6.62 ppm ergab, dass es sich um ein schmales Triplett handelt (J = 1.5

Hz), während das Signal bei δH 7.15 ppm als Dublett aufgespalten ist (J = 1.5 Hz). Machen Sie basierend

auf den gegebenen Daten einen Strukturvorschlag und erläutern Sie die Signalaufspaltung im 1H-NMR-

Spektrum!

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Übungsaufgabe 8 + Übungsaufgabe 9

Im Rahmen einer Synthese fiel als Nebenprodukt eine Verbindung mit der Summenformel C7H16O an. Das

EI-Massenspektrum der Substanz zeigt zwei deutliche Fragmentionen bei m/z 57 und m/z 45. Signifikante

IR-Absorptionsbanden wurden bei 3363 (breit) und 2958 cm-1 detektiert. Das 1H-NMR-Spektrum zeigt

Resonanzen bei δH 0.96 (9H, s), 1.19 (3H, d, J = 6.2 Hz), 1.34 (1H, dd, J = 14.4 und 3.4 Hz), 1.42 (1H, dd, J

= 14.4 und 7.6 Hz), 1.91 (1H, br s) und 3.96 ppm (1H, m). Welche Rückschlüsse können aus (a) der ), ( , ) pp ( , ) ( )

Summenformel, (b) dem IR-Spektrum und (c) dem 1H-NMR-Spektrum gezogen werden? (d) Machen Sie

einen Strukturvorschlag für die Verbindung! (e) Worauf sind die beiden Fragmentionen zurückzuführen?

Durch Wasserdampfdestillation von Anisfrüchten und anschließende Flash-Chromatographie des

gewonnenen ätherischen Öls an Kieselgel wurde eine Verbindung mit der Summenformel C10H12O isoliert.

Das IR-Spektrum zeigt deutliche Absorptionsbanden bei 1609, 1511 und 840 cm-1. Eine 1H-NMR-Messung

liefert Resonanzen bei δH 1.82 (3H, d, J = 6.6 Hz), 3.73 (3H, s), 6.06 (1H, m), 6.32 (1H, d, J = 15.6 Hz), 6.80

(2H d J = 8 6 Hz) und 7 22 ppm (2H d J = 8 6 Hz) Nach Ozonolyse konnte Acetaldehyd identifiziert(2H, d, J 8.6 Hz) und 7.22 ppm (2H, d, J 8.6 Hz). Nach Ozonolyse konnte Acetaldehyd identifiziert

werden. Welche Rückschlüsse können aus (a) der Summenformel, (b) dem IR-Spektrum, (c) dem 1H-NMR-

Spektrum und (d) der chemischen Reaktionen gezogen werden? (e) Machen Sie anhand Ihrer Ergebnisse

einen Strukturvorschlag!

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1313CC NMRNMR SpektroskopieSpektroskopie1313CC--NMRNMR--SpektroskopieSpektroskopie

- 36 -

Allgemeine Grundlagen

geringe natürliche Häufigkeit von 13C (1.1%)

γ(13C) ~ ¼ γ(1H)γ( ) γ( )

Signal-Dispersion aufgrund der heteronuklearen 1H-Kopplung

C – C – C – C ~ 96% aller Moleküle sind NMR-insensitiv (I = 0)

C C C C ~ 1%C – C – C – C ~ 1%

C – C – C – C ~ 1%

C – C – C – C ~ 1%

Diese Isotopomere werden beim

„Standard“-13C NMR-Experiment detektiert.

C – C – C – C ~ 1%

C – C – C – C ~ 0.01%

C – C – C – C ~ 0.01%

......................

C – C – C – C ~ 0.000001%

nur mit speziellen Verfahren messbar

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Steigerung der Empfindlichkeit von 13C NMR-Messungen

Um den Einfluss der Protonen auf die C-Atome auszuschalten, wird ein breites Frequenz-

band in den Protonenkanal des Spektrometers eingestrahlt. Dazu moduliert man die

i t hlt l kt ti h S h i it i d f t R heingestrahlte elektromagnetische Schwingung mit niederfrequentem Rauschen.

Diese Technik nennt man Entkopplung

Das 13C NMR-Spektrum zeigt nur noch einzelne diskrete Linien

Diese Technik nennt man Entkopplung.

für jedes magnetisch nicht-äquivalente C-Atom.

Das Signal-Rausch-Verhältnis nimmt zu, da nJC,H zusammenfällt.

- 38 -

Aufnahme von13C NMR-Spektren über 1H-Breitbandentkopplung

Breitband-entkoppelt

„Standard“-Messung

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13C NMR vs. 1H NMR-Spektroskopie

Besonderheiten von 13C NMR-Spektren

üblicherweise keine Kopplungsinformation

großer chemischer Verschiebungsbereich (0 – 240 ppm)

Signalintensitäten korrelieren i.d.R. nicht mit der Anzahl der

äquivalenten Kerne

Die 13C chemische Verschiebung hängt ab vong g

• dem Hybridisierungsgrad des C-Atoms (sp3, sp2, sp)

• Substituenteneffekten• Substituenteneffekten

• der Elektronendichte

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Einfluss des Hybridisierungsgrades

δ sp2 > δ sp > δ sp3

C=C ~ 90 – 160 ppmC O 150 220

C≡C ~ 50 – 110 ppmC≡N 105 120

Alkyl ~ 0 – 80 ppmC=O ~ 150 – 220 ppmC=S ~ 180 – 240 ppmC=N ~ 110 – 160 ppm

C≡N ~ 105 – 120 ppm

- 41 -

Substituenteneinflüsse

• steigende Alkylsubstitution führt zur Entschirmung

δ Cquartär > δ Ctertiär > δ Csekundär > δ Cprimär > δ CH4quartär tertiär sekundär primär 4

• elektronegative Substituenten führen zur Entschirmung

CH3F 75 ppm Extrembeispiele: CF4 119 ppm

CH3Cl 25 ppm CI4 -292 ppm

CH3Br 10 ppm

CH3I - 21 ppm → 'Schweratomeffekt' (Hochfeldverschiebung)

• γ-Effekt

Abschirmung des C Atoms in γ Stellung zu X (X = OH Cl CO )Abschirmung des C-Atoms in γ-Stellung zu X (X = OH, Cl, CO,...)

HO CH3

63 26 30 23

α γβ

HO CH333 29 32 14 ppm

α γ

- 42 -

Einfluss der Elektronendichte

Je geringer die Elektronendichte, desto größer die chemische Verschiebung.

156 ppm 128.5 ppm 100 ppm

+ -

- 43 -

Charakteristische Bereiche 13C chemischer Verschiebungen

- 44 -

13C NMR-Spektroskopie – Inkrementberechnungen

Abschätzung der 13C chemischen VerschiebungenAbschätzung der C-chemischen Verschiebungen in substituierten Benzolen Berechnung für m-Kresol

13C NMR-Spektroskopie – Spektrenauswertung

• Anzahl der Signale = Anzahl der magnetisch nicht-äquivalenten C-Atome

• δ -Werte erlauben Rückschlüsse auf die Art der C-Atome

C (aliphatisch) ~ 0 – 40 ppm (CH3 < CH2 < CH < Cquart.)( ) ( 3 2 quart.)

C–N ~ 50 ppm

C–O ~ 60 ppm

C≡C ~ 65 – 85 ppm

C (olefinisch) ~ 100 – 150 ppm

C (aromatisch) 110 150 ppmC (aromatisch) ~ 110 – 150 ppm

C (Ester, Amid, Säure) ~ 160 – 180 ppm

C (Aldehyd, Keton) > 180 ppm( y , ) pp

• Signalgröße kann ein Hinweis auf quarternäre C-Atome sein

- 46 -

1H-entkoppeltes 13C NMR-Spektrum von Hex-1-in

HC≡C-CH2-CH2-CH2-CH3

1 6 65 34HC≡C CH2 CH2 CH2 CH3 1

2

- 47 -

Übungsaufgabe 10

Wie viele Signale erwarten Sie in den 13C NMR-Spektren folgender Verbindungen?

- 48 -

Übungsaufgabe 11

Abgebildet ist das 1H-entkoppelte 13C NMR-Spektrum einer organischen Verbindung (m/z 88).

Um was für eine Substanz handelt es sich?

60.4

14.3

171.121.0

Übungsaufgabe 12

Nach mehrstündigem Erhitzen eines Gemisches aus Essigsäureanhydrid, Salicylaldehyd

(= 2-Hydroxybenzaldehyd) und Natriumacetat wurde eine in Wasser schlecht lösliche

V bi d it h ti G h h lt I IR S kt i d tli hVerbindung mit heuartigem Geruch erhalten. Im IR-Spektrum war eine deutliche

Absorptionsbande bei 1729 cm-1 zu sehen. LC-ESI-MS lieferte ein Pseudomolekülion mit

m/z 147 [M+H]+. Das 1H-NMR-Spektrum zeigte Signale bei δH 6.36 (1H, d, J = 9.6 Hz), [ ] p g g H ( , , ),

7.22 (1H, d, J = 8.4 Hz), 7.23 (1H, t, J = 7.7 und 7.4 Hz), 7.46 (1H, d, J = 7.7 Hz), 7.47

(1H, t, J = 8.4 und 7.4 Hz) und 7.70 ppm (1H, d, J = 9.6 Hz). Im 13C-NMR-Spektrum

wurden neun Resonanzen registriert: bei 116.7, 116.8, 118.9 124.4, 128.0, 131.8, 143.5,

154.1 und 160.6 ppm. Um was für eine Verbindung handelt es sich?

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