Spektroskopie - Medicinal Chemistry · Aufbau eines IR-Spektrometers Zwei Gerätetypen sind...

Spektroskopie

• Allgemeines und Prinzip • Theoretische Grundlagen • IR-Spektroskopie

– Raman-Spektroskopie • UV/Vis-Spektroskopie • Fluoreszenz-Spektroskopie • NMR-Spektroskopie • Massenspektrometrie • Atomabsorptions-Spektroskopie

Einsatzgebiete spektroskopischer Methoden

Identifikation und Nachweis von Stoffen Gehaltsbestimmungen von Verbindungen und

Elementen Charakterisierung von Substanzen Strukturaufklärung von Verbindungen

Einteilung der spektroskopischen Methoden

Atomspektroskopie Molekülspektroskopie Absorptionsspektroskopie Emissionsspektroskopie

Atomabsorptionsspektroskopische Methoden Atomabsorptionsspektroskopie (AAS)

Atomemissionsspektroskopische Methoden Atomemissionsspektroskopie

Molekülabsorptionsspektroskopische Methoden UV/Vis-Spektroskopie, IR-Spektroskopie (NMR-Spektroskopie)

Molekülemissionsspektroskopische Methoden Fluoreszenzspektroskopie (Raman-Spektroskopie)

Übersicht über die spektroskopisch genutzten Strahlungsbereiche

Wellenlänge λ [nm]

Röntgen- und γ-Strahlung

fernes UV nahes UV,

sichtbares Licht

0.01 1 10 100 1000 104 105 106 107 108 109 1010

Wärmestrahlung Mikrowellen Radiowellen

Frequenz ν [Hz]

Rön

tgen

- und

Aug

er-

Spek

trosk

opie

UV/

Vis-

S

pekt

rosk

opie

20

0 -8

00 n

m

IR-S

pekt

rosk

opie

4000

– 4

00 c

m-1

NM

R-S

pekt

rosk

opie

60

– 9

00 M

Hz

ESR

-Spe

ktro

skop

ie

Mik

row

elle

n-

Spek

trosk

opie

3·107 3·109 3·108 3·1011 3·1010

Wellenzahl ν [cm-1]

Energie [J/mol] 0.001 0.01 0.1 1 10 1000 100 104 105 106

NIR

-Spe

ktro

skop

ie

3·1013 3·1012 3·1016 3·1015 3·1014 3·1018 3·1017

108 107

1.2·10-2 1.2·10-1 1.2 12 1.2·102 1.2·103 1.2·104 1.2·105 1.2·106 1.2·107 1.2·108

x

Amplitude (A)

Magnetisches Feld

Elektrisches Feld y = Asin(2πνt)

Elektromagnetische Welle

Absorption

Reflexion

Streuung

Brechung

Streuung

Emission

Wechselwirkungen zwischen Wellen und Materie

elastische Stöße

inelastische Stöße

Grundlagen der Spektroskopie

Es gelten die Beziehungen

E = h · ν = h · c / λ und ν = 1 / λ h: 6.6 · 10-34 Js, Planck-Konstante c: 3 · 108 m/s, Lichtgeschwindigkeit λ: Wellenlänge ν: Frequenz ν: Wellenzahl Die Energieaufnahme bzw. Abgabe gehorcht den

Regeln der Quantenmechanik

Grundlagen der Spektroskopie

Energieübergänge finden aus einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau (Ab-sorption) oder von einem höheren in ein niedrigeres Energieniveau (Emission) statt.

Die Energie eines atomaren bzw. molekularen Systems ergibt sich aus der Lösung der Schrödinger-Gleichung.

Angeregter Zustand

Grundzustand

Absorption Emission

Schrödinger-Gleichung

Die Schrödinger-Gleichung ist eine Eigenwertgleichung, d. h.: Ĥψ = Eψ Die Anwendung des Hamilton-Operators auf die Wellenfunktion ψ ergibt den Energie- Eigenwert E. Der Hamilton-Operator setzt sich zusammen aus den Operatoren der kinetischen und der potentiellen Energie. H = T + V Sinnvolle Lösungen der Schrödinger-Gleichung sind nur für diskrete Werte von E erlaubt → Quantenzahlen!

Die Boltzmann-Gleichung

Die Atome bzw. Moleküle verteilen sich in Abhängigkeit von der Temperatur in die zu Verfügung stehenden Energieniveaus. Es gilt:

N N0

= k‘ · e - ΔE

k · T

N: Teilchen im angeregten Zustand N0: Teilchen im Grundzustand k: Boltzmann-Konstante k‘: systemabhängige Konstante ΔE: Energiedifferenz der beiden Energieniveaus T: absolute Temperatur [K]

Prinzipielle Bestandteile eines Absorptions-Spektrometers

Monochromator Strahlungs- quelle Messzelle Detektor

Datenregistrierung Die Anordnung der einzelnen Bauteile ist bei manchen Geräten verändert. Weitere Bestandteile sind für einige spektroskopischen Methoden not- wendig.

Strahlenbang in einem Prisma

Strahlenbang an einem Gitter

α

G

Das Lambert-Beer‘sche Gesetz

Die Absorption (A) ist proportional zur Konzentration (c) des absorbierten Stoffs und zur durchstrahlten Strecke (d). Es gilt:

A = lg(I0/I) A = k · c A = k’ · d

A = ε · c · d ε: Absorptionskoeffizient

Infrarot-Spektroskopie

Anregung von Schwingungen und Rotationen

Anregungsenergie ca. 5۰104 – 1۰104 J/mol entsprechend 4000 – 600 cm-1

Schwingungen werden nur angeregt, wenn sich während der Schwingung das Dipolmoment ändert.

IR-Spektrum von Acetylsalicylsäure

KBr-Pressling

Molekül-Schwingungen

Valenzschwingungen υ

Deformationsschwingungen δ

symmetrische Valenzschwingung υsy

asymmetrische Valenzschwingung υas

Spreizschwingung δs Pendelschwingung ρ Torsionsschwingung τ

● ○

● Bewegung aus der Bildebene ○ Bewegung hinter die Bildebene Kippschwingung ω

● ●

Valenzschwingung eines zweiatomigen Moleküls

Die zur Anregung einer Schwingung notwendige Energie hängt von der Bindungsstärke und den an der Schwingung beteiligten Massen ab.

Das Modell des harmonischen Oszillators

Wird die Bindung als Feder, die die Massen m1 und m2 verbindet, betrachtet, so gilt:

√ k M

1 2π υ =

m1۰ m2 m1 + m2

mit M = der reduzierten Masse

Die Energie einer Schwingung und damit υ̃ wird größer:

Je stärker die Bindung Je kleiner die reduzierte Masse

Der harmonische Oszillator - quantenmechanisch

Ĥψ = Eψ

2M dx2 ћ2 d2

+ kx2

2 Ĥ = -

d2ψ dx2 +

ћ2 2ME - Mkx2

ћ2 = 0 ( ) ψ

√ k M

h 2π

E = (v + ½) v (Schwingungsquantenzahl) = 0, 1, 2, ...

ψ enthält die Hermiteschen Polynome.

Der harmonische Oszillator υ

r

Gleichgewichtabstand der schwingenden Atome (r0)

v = 0

E = h υ(v +1/2) v: Schwingungsquantenzahl Erlaubte Übergänge: v = ±1

√ k M

1 2π υ =

Der anharmonische Oszillator V

r

Die Abstände der Niveaus sind nicht mehr gleichmäßig. Bei großen Kernabständen nähert sich der entsprechende Parabelast der Dissoziationsenergie. Erlaubte Übergange: ±1, ±2, ±3,……

Das IR-Spektrum von HCl-Gas

Rotationsfeinstruktur von IR-Banden

R-Zweig P-Zweig

Für die Rotationsfeinstruktur Gilt die Auswahlregel ΔJ = ±1; Der R-Zweig entsteht durch ΔJ = +1,

der P-Zweig durch ΔJ = -1.

Bereiche des IR-Spektrums

4000 3000 2000 1000

O-H N-H C-H

C≡C C≡N

X=Y=Z

1600

C=O C=N C=C N=O

„Fingerprint“-Bereich

Valenzschwingungen von Einfachbindungen (C−C, C−O etc. Deformations- schwingungen

ν̃ [cm-1]

δ

δ

δ

Typische Frequenzbereiche von Valenzschwingungen

Bindung Substanzklasse Wellenzahl-Bereich [cm-1]

C−H Alkane 2850 - 3000 C−H Alkene 3000 - 3100 C−H Aromaten 3000 - 3100 C−H Alkine ~ 3300 O−H Alkohole etc. 3200 - 3600 N−H Amine 3300 - 3500 C≡N Nitrile, Isonitrile ~ 2250 C≡C Alkine 2100 - 2250 C=O Ketone, Carbonsäuren etc. 1600 - 1800 C=C Alkene 1600 - 1680 C−O Alkohole, Ether, Ester etc. 1050 - 1300

Intensität von IR-Banden

Die Intensität einer IR-Bande hängt ab: Vom Besetzungsverhältnis der am Übergang beteiligten Energiezustände (Boltzmann). Vom Grad der Änderung des Dipolmoments Es wird beobachtet, dass: C=C-Banden schwächer sind als C=O-Banden, C–C-Banden schwächer sind als C–O bzw. C–N, C–H-Banden schwächer sind als O–H bzw.. N–H.

Anzahl und Intensität von IR-Banden

Ein nicht lineares Molekül besitzt 3N – 6, ein lineares Molekül 3N – 5 Schwingungsfreiheitsgrade.

HO

H HOH

HO

H HO

H HO

H

HO

HIR-aktiv IR-aktiv IR-aktiv

O C O O C O IR-inaktiv

Aufbau eines IR-Spektrometers

Zwei Gerätetypen sind gebräuchlich: Das Zweistrahl-IR-Spektrometer (Klassische Bauweise) Das Fourier-Transform (FT) IR-Spektrometer

Vorteile des FT-IR-Spektrometers: Sehr kurze Messzeit Verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis Möglichkeit der Spektren-Addition bzw. Subtraktion (wichtig zur Hintergrundkompensation)

Das IR-Spektrometer

Nernst-Stift oder Globar

Strahlteiler

Messzelle

Vergleichszelle

Strahlungs- quelle

Prisma oder Gitter

Monochromator

Thermoelement Golay-Detektor Pyroelektrischer Detektor

Detektor

Michelson-Interferometer

Strahlungs- quelle

Strahlteiler

feststehender Spiegel

beweglicher Spiegel

Detektor

Durch die Bewegung des Spiegels kommt es am Strahlteiler zu zeit- Abhängigen Interferenzen. Während der Bewegungwerden alle möglichen Frequenzen erzeugt Das frequenzabhängige Spektrum wird durch Fourier-Transformation erhalten.

Interferenzen

konstruktive Interferenz

destruktive Interferenz

Die Bauteile des IR-Spektrometers

Alle im Strahlengang befindlichen Materialien dürfen IR-Strahlung nicht absorbieren. Sie sind aus NaCl, KBr, LiF, CsF etc. Strahlungsquelle: Beheizte Keramik (Zirkonoxid = Nernst-Stift) oder Siliziumcarbid (Globar). Detektor: Der Pyroelektrische Detektor besteht aus einem mit L-Alanin dotierten Glycinsulfat-Kristall. Die Wärmestrahlung verändert die Abstände der Gitterebenen des Kristalls und induziert dadurch einen Strom, der gemessen wird. Im Golay-Detektor wird die durch Wärme erzeugte Ausdehnung eines Gases gemessen. Im Thermoelement wird die Spannungsdifferenz gemessen, die durch Bestrahlung einer von zwei Verbindungsstellen zweier Drähte entsteht.

Die IR-Probe

Gase und Flüssigkeiten werden als Reinsubstanzen in geeigneten Küvetten mit entsprechenden Schichtdicken gemessen. Feststoffe werden als Lösung, Suspension, Pressling oder Film gemessen. Als Lösungsmittel ist alles geeignet was nicht mit der Probe bzw. den Küvetten- fenstern reagiert und im betrachteten Spektralbereich keine nicht kompensierbare Eigenabsorption besitzt. Suspensionsgrundlage sind zähflüssige Paraffine (Nujol). Presslinge werden aus KBr mit einem Substanzgehalt von 1 – 5% hergestellt. Zur Herstellung eines Substanzfilms wird eine Lösung der Substanz auf einem geeigneten Träger (z. B. NaCl-Platte) verdampft. Polymere können auch direkt zu Folien geeigneter Dicke geformt werden.

IR-Spektren von in verschiedenen Lösungsmitten

IR-Analyse im Praktikum

Aufnahme des IR-Spektrums (Zweistrahl IR-Gerät, KBr-Pressling) Interpretation aller gemessenen Banden im Bereich zwischen 4000 und 1600 cm-1 und Angabe der entsprechenden funktionellen Gruppen. Im Fingerprint-Bereich werden nur die intensiven bzw. besonders relevanten Banden interpretiert (z. B. C−O, aromatische C−H Deformations- Schwingungen).

Aufnahme von IR-Spektren durch abgeschwächte Totalreflektion (ATR)

Die Bandenintensität hängt von der Eindringtiefe der Strahlung in die Probe und damit von der Wellenlänge ab. Bei größeren Wellenlängen – kleineren Wellenzahlen – sind die Banden intensiver.

Detektor Kristall aus Material mit Großem Brechungsindex z. B. ZnSe

Probe

IR-Strahlung

Interpretation von IR-Spektren

Beurteilung von Bandenlage und Intensität Modell des harmonischen Oszillators Zusätzliche Informationen zu charakteristischen Banden; z. B. : zu υ N − H, O − H entsprechende δ N − H, O − H zu υ C=O eventuell υ C−O zu υ C−H oberhalb 3000 cm-1 υ C=C oder out of plane C−H

Interpretation von IR-Spektren Regeln zur Beurteilung von C=O Banden

υ C=O Säure > υ C=O Ester > υ C=O Keton, Aldehyd, Amid

O OO

O

O

O

O

O

OO

NH

O

NH

O

NHO

O

O

O

O

~1710 cm-1 ~1745 cm-1 ~1780 cm-1 ~1670 cm-1

~1720 cm-1 ~1760 cm-1 ~1840 cm-1 ~1775 cm-1 ~1750 cm-1

~1670 cm-1 ~1720 cm-1 ~1750 cm-1

o-Xylol, Substanzfilm

aromatische υ C–H

aliphatische υ C–H

aromatische υ C=C

aliphatische δ C–H

aromatische δoop C–H

m-Xylol, Substanzfilm

Möglichkeit zur Unterscheidung von Substitutionsisomeren

p-Xylol, Substanzfilm

IR-Spektren von o-, m- und p-Xylol

o-Xylol

m-Xylol

p-Xylol p-Xylol

IR-Spektren von Kohlenwasserstoffen

Pentan

1-Penten

1-Pentin

IR-Spektren von Alkoholen

n-Butanol

2-Butanol

t-Butanol

IR-Spektren von Aminen

n-Butylamin

Diethylamin

Dimethylethylamin

υ N−H

υ N−H

δ N−H

ω N−H

δ N−H

δ C−H

ω N−H

IR-Spektren von Ethern und Estern

Diethylether

Ethylacetat

Methylbenzoat

IR-Spektren von Ketonen und Aldehyden

Benzaldehyd

Butyraldehyd

Acetophenon

IR-Spektren von Carbon- und Aminosäuren

Essigsäure

L-Alanin

IR-Spektren von Verbindungen mit N=O- und S=O-Gruppen

N-Methylbenzolsulfonamid

Benzolsulfonamid

o-Nitrotoluol

Bereiche von Valenz- und Deformationsschwingungen

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

υ C−H aliphat.

υ C−H aromat

υ C−H olefin

υ C−H alkin

υ O−H υ C≡C. δ C−H υ C=C.

δ C=H oop

δ ≡C−H oop

υ C=C aromat.

aromatische Kombination δ C=H

υ C−O δ O−H

oop

δ C−H

δ O−H

δ N−H υ N−H δ N−H

υ C=O. υ S=O.

υ N=O.

Raman-Spektroskopie

Wie bei der IR-Spektroskopie werden Schwingungen und Rotationen angeregt. Im Gegensatz zur IR-Spektroskopie hängt die Bandenintensität jedoch nicht von der Änderung des Dipolmoments sondern von der Änderung der Polarisier- barkeit der Bindung ab. Dadurch treten im Raman-Spektrum häufig Banden auf, die im IR-Spektrum nicht beobachtet werden. Es gelten die quantenmechanischen Auswahlregeln der IR-Spektroskopie (Δυ = ±1). Etwa 1% des eingestrahlten Lichts wird unter Abgabe oder Aufnahme von Energie gestreut, das gestreute Licht besitzt also eine größere oder kleinere Wellenlänge als das eingestrahlte Licht (Raman Effekt). Die Differenz der Wellenlängen zwischen eingestrahltem und gestreutem Licht liegt im Bereich der Infrarot-Strahlung.

Prinzip der Raman-Spektroskopie

Strahlungs- quelle

gestreutes Licht

Raman-Streulicht

Detektor für Absorption

Detektor für Streulicht

Das Streulicht wird im 90° Winkel zum Eingangsstrahl gemessen. Die Lichtquelle muss hohe Intensität abstrahlen, es werden Laser eingesetzt. Es kann mit sichtbarem Licht gearbeitet werden; die Bauteile des Spektrometers werden aus Glas gefertigt.

Bau des Raman-Spektrometers

Spiegel La

ser

Monochromator Detektor

Probe

Das Raman-Spektrum In

tens

ität

0 ν̃ [cm-1] -ν̃ [cm-1]

Rayleigh

anti-Stokes-Linie

Stokes-Linie

IR- und Raman-Spektrum von t-Octen

IR

Raman

UV/Vis-Spektroskopie

Die UV/Vis-Spektroskopie ist eine sehr empfindliche (Boltzmann), molekülabsorptionsspektroskopische Methode, die insbesondere zur quantitativen Bestimmung (Lambert-Beer) von Substanzen herangezogen wird.

Es werden Bindungselektronen angeregt.

UV/Vis-Spektroskopie

0

380

0.4

A

200 240 220 260 300 280 340 360 320

0.2

0.6

1.0

0.8

λ [nm]

1 mg Acetylsalicylsäure In 100 ml MeOH

COOH

O

O

CH3

Das UV-Spektrometer UV/Vis-Spektren werden in Lösung gemessen. Lösungs-

mittel und im Strahlengang befindliche Materialien dürfen im interessierenden Bereich keine Eigenabsorption zeigen.

Monochromator Strahlungs- quelle

Messzelle

Detektor

Deuterium- oder Wolframlampe

Prisma oder Gitter

Küvette

Photozelle Photomultiplier

Vergleichszelle

Rotierender Spiegel

Eintritts- und Austrittsspalt

Strahlengang eines Zweistrahl UV/Vis-Spektrometers

Molekülorbitale

1s

2p 2s

1s

2sp3

Atomorbitale des Kohlen- stoffs

1s

2sp2 2p

Hybridisierung

oder

Molekülorbitale

2sp2

1s

2p

1s

2sp2 2p

Molekülorbitale bindend

antibindend

Molekülorbitale und mögliche Übergänge

nicht bindend

σ

σ*

π

π*

σ

σ*

π

π*

n

Übergänge sind nur erlaubt, wenn sich Gesamtspin und Multiplizität nicht ändern, zwischen Orbitalen ungleicher Parität (gerade, ungerade), wenn sich die Orbitale ausreichend überlappen. Es kann immer nur ein Elektron angeregt werden.

HOMO

LUMO

Das Jablonski Termschema

Schwingungsniveaus

Rotationsniveaus

Auswahlregeln: Δn = ± 1 Ausreichende Überlappung

Gleiche Symmetrie

Einfache Chromophore H

H H

H

π - π∗ λmax = 162.5 nm in Heptan

ε = 16000

CH3

CH3

CH3

CH3


ε = 12500

OCH3

CH3

n - π∗ λmax = 279 nm in Heptan

π − π∗

λmax = 188 nm in Heptan ε = 14, 950 CH3 CH3

σ - σ∗ λmax = 135 nm in Heptan

ε = groß

CH3 OH

n - σ∗ λmax = 177 nm in Heptan

ε = 200

CH3 Cln - σ∗

λmax = 173 nm in Hexan ε = 200

CH3 Brn - σ∗

λmax = 208 nm in Hexan ε = 260

CH3 I

n - σ∗ λmax = 259 nm in Hexan

ε = 380

Weitere Beispiele siehe Hesse, Meier, Zeeh

Konjugierte Chromophore

• Auxochrome • Polyene • Konjugierte Carbonylverbindungen • Aromaten

Definitionen

• Bathochromer Effekt (Rotverschiebung) Verschiebung eines Absorptionsmaximums zu größeren Wellenlängen

• Hypsochromer Effekt (Blauverschiebung) Verschiebung eines Absorptionsmaximums zu niedrigeren Wellenlängen

• Hyperchromer Effekt Erhöhung eines Absorptionsmaximums

• Hypochromer Effekt Erniedrigung eines Absorptionsmaximums

Auxochrome

• Funktionelle Gruppen, deren freie Elektronenpaare mit einem einfachen Chromophor konjugiert sind. Die n-Elektronenorbitale überlappen mit anderen Orbitalen.

OR NR2 Hal

OR+

-_OR

Der Einfluss von Auxochromen auf Chromophore

Absenkung der Energiedifferenz zwischen HOMO und LUMO

n π1

π2

π3

σ*

π

π*

σ

HOMO

LUMO

H

H H

H H

H

H

OMe

λmax: 162.5 nm ε: 16000

λmax: 191 nm ε: -

σ

Polyene

0.4

A

200 240 220 260 300 280 340 360 320

0.2

0.6

1.0

0.8

λ [nm]

0

380

2,4,6,8,10-Dodecapentaen

2,4,6,8-Octatetraen

H

H H

H


ε = 16000

Polyene

• Die Spektren von cis- und trans-Verbindungen unterscheiden sich deutlich!

• Je länger die Konjugation, desto größer die Wellenlänge des langwelligsten Maximums

π

π*

σ

σ*

π

π*

σ

UV-Spektrum von cis- und trans-Stilben

aus Hesse, Meier, Zeeh

Regeln zur Abschätzung des langwelligsten Maximums konjugierter Olefine

Ausgangswert für ein heteroannulares bzw. acyclisches Dien: 214 nm Ausgangswert für ein homoannulares Dien: 253 nm Inkrement für einen Alkylsubstituenten: 5 nm Inkrement für eine weitere konjugierte Doppelbindung: 30 nm Inkrement für die exocyclische Lage einer Doppelbindung: 5 nm Inkremente für Auxochrome -O-Alkyl: 6 nm -O-Acyl: 0 nm -Cl, -Br: 5 nm -S-Alkyl: 30 nm -N-(Alkyl)2: 60 nm

Regeln zur Abschätzung des langwelligsten Maximums konjugierter Olefine

Beispiel:

CH2

Ausgangswert: 214 2 x Alkyl: 10 exocycl. Doppelbdg.: 5

berechnet: 229 Beobachtet: 231

Konjugierte Carbonylverbindungen

Die Spektren von Carbonylverbindungen sind stark vom Lösungs-mittel abhängig (z. B. Aceton in Wasser: 265 nm, in Ethanol: 270 nm, in Dioxan: 277 nm, in Hexan: 280 nm).

σ

σ*

π

π*

π

π*

n

σ

Regeln zur Abschätzung des langwelligsten Maximums konjugierter Carbonylverbindungen

Ausgangswert für X = H: 207 nm Ausgangswert für X = alkyl oder 6-Ring: 215 nm Ausgangswert für 5-Ring: 202 nm Ausgangswert für X = OR: 193 nm Inkrement für eine weitere konjugierte Doppelbindung: 30 nm Inkrement für die exocyclische Lage einer Doppelbindung: 5 nm Inkrement für einen Alkylsubstituenten in α -Position: 10 nm Inkrement für einen Alkylsubstituenten in β -Position: 12 nm Inkrement für einen Alkylsubstituenten in γ- oder δ -Position: 18 nm Inkremente für Auxochrome -O-Alkyl in α, β, γ, δ -Position: 35, 30, 17, 31nm -O-Acyl in α, β, γ, δ -Position: 6 nm -Cl in α, β -Position: 15, 12 nm -OH in in α, β, δ -Position: 35, 30, 50 nm -N-(Alkyl)2 in β -Position: 95 nm

X

Oβ

α

δ

γ

nach Woodward bzw. Fieser; Weitere Angaben s. Hesse, Meier, Zeeh

Für Messungen in MeOH bzw EtOH

Regeln zur Abschätzung des langwelligsten Maximums konjugierter Carbonylverbindungen

Beispiel: Ausgangswert (X = Alkyl): 215 2 x Alkylsubstituent in β: 2 x 12 = 24 berechnet: 239 gemessen: 237

O

Das UV-Spektrum von Benzol

Energieniveaus des Benzols

π1

π2 π3

π5* π4

*

π6*

Nach Hückel LCAO

Absorptionsmaxima substituierter Benzole

204 254

OHNO2

244 282

242 280 330

- 269

in Wasser bzw. Ethanol in Hexan

OH O O O O

_

_

_211 270

235 287

NH2 NH3+

230 280

203 254

Konjugierte aromatische Verbindungen

OH

OH

OH

OH

Welche Verbindung hat ihr langwelligstes Maximum bei größter Wellenlänge?

COOH COOH204 254

230 273

230 273

Phenolphthalein OH OH

OO

O O

OO

O

COO

O

COO

OO

__

+ 2 OH

-2 H2O

-

farblos

violett

Das Lambert-Beer‘sche Gesetz

Die Absorption (A) ist proportional zur Konzentration (c) des absorbierten Stoffs und zur durchstrahlten Strecke (d). Es gilt:

A = lg(I0/I) A = k · c A = k’ · d

A = ε · c · d ε: Absorptionskoeffizient

Das Lambert-Beer‘sche Gesetz ist Grundlage der quantitativen UV/Vis-Analyse!

c = A ε · d

Quantitative UV/Vis-Spektroskopie

Erstellung einer Eichgeraden mit mindestens 2, besser mehreren Einwaagen

A

Konzentration

Gemessene Absorption

Bestimmte Konzentration

A = ε • c • d

Quantitative Bestimmungen von Mehrkompo-nenten-Gemischen durch UV-Spektroskopie

Substanz 1 Substanz 2

Gemisch aus 1 + 2

λ

1A = 1A1 + 1A2 2A = 2A1 + 2A2

Die UV-Spektren zweier Komponenten sind additiv

Für die Absorptionen bei Wellenlänge 1 (1A) bzw. 2 (2A) gilt: I: 1A = 1ε1c1d + 1ε2c2d und II: 2A = 2ε1c1d + 2ε2c2d

Löst man die Gleichungen I und II nach c1 bzw. c2 auf, so ergeben sich für die Konzentrationen c1 und c2 der beiden im Gemisch enthaltenen Verbindungen die Beziehungen:

1A - 1ε2c2d 1ε1d

III: c1 = 2A - 2ε2c2d

2ε1d IV: c1 =

1A - 1ε1c1d 1ε2d

V: c2 = 2A - 2ε1c1d

2ε2d VI: c2 =

Quantitative Bestimmungen von Mehrkomponenten-Gemischen durch UV-

Spektroskopie

1A: Absorption des Gemischs bei Wellenlänge 1 2A: Absorption des Gemischs bei Wellenlänge 2 nεm: Absorptionskoeffizient der Substanz m bei Wellenlänge n c1: Konzentration der Substanz 1 c2: Konzentration der Substanz 2 d: Schichtdicke der Probe

Aus III und IV bzw.V und VI lassen sich Gleichungen für c2 bzw. c1 herleiten, die nur noch von den aus den Messungen mit den entsprechenden Reinsubstanzen bestimmbaren Größen nεm und den Absorptionen der Analyse bei den Wellen- längen 1 und 2 abhängen.

1A2ε1 – 2A1ε1 (1ε2

2ε1 - 2ε21ε1)d c2 =

Quantitative Bestimmungen von Mehrkomponenten-Gemischen durch UV-

Spektroskopie

1A2ε2 – 2A1ε2 (1ε1

2ε2 - 2ε11ε2)d c1 =

Wird immer mit der selben Küvette gemessen, so dass d zu 1 gesetzt werden kann! ε muss mit Hilfe einer entsprechenden Standardlösung bestimmt werden.

1A: Absorption des Gemischs bei Wellenlänge 1 2A: Absorption des Gemischs bei Wellenlänge 2 nεm: Absorptionskoeffizient der Substanz m bei Wellenlänge n c1: Konzentration der Substanz 1 c2: Konzentration der Substanz 2 d: Schichtdicke der Probe [cm]

Fluoreszenz-Spektroskopie

Fluoreszenz: Die Emission von Licht auf Grund des Übergangs eines Elektrons aus einem angeregten Singulett-Zustand in den Grundzustand.

Die Fluoreszenz-Spektroskopie ist eine emissionsspektroskopische Methode. Es können Atome und Moleküle zur Fluoreszenz angeregt werden.

Phosphoreszenz: Die Emission von Licht auf Grund des Übergangs eines Elektrons aus einem angeregten Triplett-Zustand in den Grundzustand.

Das Jablonski Termschema

Singulett-Zustände Triplett-Zustände

Singulett-Grundzustand

Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Absorption

interne Konversion

Intersystem Crossing

Fluoreszenz

Absorption

Fluoreszenz

interne Konversion

Fluoreszenz

Fluoreszenz

Phosphoreszenz

Absorption

Phosphoreszenz

interne Konversion

Phosphoreszenz

Intersystem Crossing

Phosphoreszenz

interne Konversion

Phosphoreszenz

Phosphores- zenz

Wechselwirkungen von Licht mit Lösungen

I0 I Absorption

Fluoreszenz

Streuung

Das Fluoreszenz-Spektrometer

Absorptions- Detektor


Deuterium bzw. Wolframlampe

Strahlungs- quelle Monochromator

Anregungs- monochromator

Eintritts- und Austrittsspalt

Küvette

Messzelle Monochromator

Absorptions- monochromator

Fluoreszenz- Detektor


Monochromator

Fluoreszenz- monochromator

Absorptions- und Emissionsspektrum von Tryptophan

λ 240 280 320 360 400

I

200

Absorption

Emission

Fluoreszierende Verbindungen

Alle fluoreszierenden Verbindungen sind hoch konjugiert, weitgehend starr und planar gebaut.

O O

Cumarin

O

COOH

OH

Fluorescein

O

O

O

O O

OMe

Aflatoxin B1

IR- und UV-Spektrum von Acetylsalicylsäure

380 200 300

? NIR

NIR near infrared nahes Infrarot Anregung von Schwingungsobertönen und Kombinationsschwingungen

800 – 2500 nm 12500 – 4000cm-1

Vor- und Nachteile der NIR-Spektroskopie

Vorteile: Es können Bauteile aus Quarz verwendet werden – leichte Handhabbarkeit. Verwendung von Lichtleitern ist möglich. Messung ohne besondere Proben- vorbereitung.

Nachteile: Die Banden haben geringe Intensität und überlappen stark – schwierige Kalibrierung.

Die meisten NIR-Spektren werden in Reflektionstechnik gemessen. Beispiel: ATR

Anwendungen der NIR-Spektroskopie

Eingangs- und Prozesskontrolle in der Pharma- und Lebensmittelindustrie. Z. B. Proteingehalt von Getreide Wassergehalt von Hilfsstoffen wie Talkum etc. Quantitative Bestimmung von Wirkstoffen in Anwesenheit der Hilfstoffe.

Die Skalierung

Fragmentionen

Basepeak

Das Massenspektrum Beispiel: Cumol

Molekülion

Isotopenpeak

Spektrum aus: http://riodb01.ibase.aist.jp/sdbs/

Was kann die Massenspektrometrie?

Bestimmung der Molmasse (Molekülion) Bestimmung der Elementarzusammensetzung (Isotopenmuster, hochauf- gelöste Massenspektrometrie) Strukturaufklärung, Hinweise auf funktionelle Gruppen und Partialstrukturen (Zerfallsmuster) Charakterisierung einer Substanz Nachweis und Identifikation einer Substanz (höchste Empfindlichkeit!)

Aufbau eines Massenspektrometers

Ionisator Analysator Detektor

Signal

Datenverarbeitung

Hochvakuum 10-5 – 10-8 torr

Probeneinlass

Probeneinlass

Vakuumschleuse (Schubstange)

GC-MS (Separatoren)

LC-MS (ESI. APCI, APPI)

Ionisationsmethoden

Beschuss der Substanz mit Teilchen oder Wellen Elektronenstoß (EI-MS) Atome (FAB-MS) Ionen (SI-MS) Laserstrahlung (MALDI) Einbringen der Substanz in ein ionisierendes Medium Chemische Ionisation Feldionisation, Felddesorption

Prinzip der Elektronenstoßionisation

Emitter (Kathode)

70 V

Anode

+ + + 2

selten auch Elektroneneinfang

Substanzteilchen (Gas)

Chemische Ionisation

Prinzip:

1. Gas + e- Gas+ + 2e-

2b. Gas+• + M M+• + Gas (Redox-Typ)

2a. Gas+ + M MH+ + Gas - H (Säure-Base-Typ)

Als Reaktand-Gase kommen in Frage: Methan; iso-Butan, Ammoniak, Lachgas, …….

Prinzip der FAB-Ionisation

Ar(Xe)-Atome

Ionisierte Matrix- und Substanzmoleküle

Matrix für FAB und SIMS: Glycerin, DMSO,...... (ausreichende Flüchtigkeit der Matrix)

Prinzip der MALDI-Ionisation Matrix assisted laser desorption ionisation

Laser-Strahlung

Ionisierte Matrix- und Substanzmoleküle

Matrix für MALDI: Benzoesäure- und Zimtsäureester

Analysatoren

Sektorfeld-Analysator

Quadrupol-Analysator

Ionenfalle

Flugzeit-Analysator

Ionencyclotron

Der doppelfokussierende Sektorfeld-Analysator

Ionisator

Detektor

elektrisches Feld

Magnetfeld

Fokussierungs-spalte

Im elektrischen Feld gilt: z • U = mv2 1

2

Im Magnetfeld gilt: m • v

r = z • B

m z = r2 • B2

2U

z: Ionenladung; m: Ionenmasse; v: Ionengeschwindigkeit; r: Ablenkradius; U: Beschleunigungsspannung; B: Magnetfeldstärke

Der Quadrupol-Analysator

+

+ -

- -

- +

+

Ionenquelle Detektor

Trennung im mit einem Radiofrequenzfeld, das von einem Gleichstrom überlagert wird.

Die Ionenfalle Dreidimensionale Variante des Quadrupols

Ionenquelle Detektor

Ringelektrode

Endkappenelektroden

Der Flugzeit-Analysator

Ionenquelle

Reflektor

Detektor

2U m/z = v2

Es müssen alle Ionen die gleiche kinetische Energie besitzen.

U: Beschleunigungsspannung

Interpretation von Massenspektren Allgemeine Regeln

Bei der EI-Ionisation entsteht ein Radikal-Kation Ein Radikal-Kation zerfällt: in ein Kation und ein Radikal in ein Radikal-Kation und ein Neutral-Teilchen Ein einmal gebildetes Kation zerfällt in ein Kation und ein Neutral-Teilchen (nicht in ein Radikal-Kation und ein Radikal!) Zerfälle bei denen sich möglichst stabile Teilchen bilden sind bevorzugt. Massenspektrometrische Zerfälle sind monomolekulare Reaktionen des Typs:

RK + • K + + R •

RK‘ RK + • + N + •

+ K‘ + N K +

Interpretation von Massenspektren Allgemeine Regeln

Welche Zerfälle ablaufen richtet sich ausschließlich nach der freien Aktivierungs- enthalpie. Es wird davon ausgegangen, dass Elektronen aus dem höchsten besetzten Orbital (HOMO) entfernt werden. Die Zerfallsreaktionen sind radikal- oder ladungsinduziert.

Interpretation von Massenspektren Zerfallsmechanismen

Radikalinduzierte Zerfälle

+ •

+ •

R CR2 XR

R CR X

R2C XR

RC X

R +

R +

+

+

•

•

α-Zerfall: Ether, Amine, Ketone, Olefine (= Allyl-Spaltung)

+ • + R CR2 CR CR2 CR2 CR CR2R + •


Ladungsinduzierte Zerfälle

+

+

R X R X R

RX

RRC X

R X R X R

R +

R +

R +

•

•

+

+ •

+ •

+


Umlagerungen Es wird vorwiegend Wasserstoff umgelagert.

•

+ X

RH X

RH+ •

Interpretation von Massenspektren Beispiele

Benzylspaltung CH2R - R.

+

.+

O

R

O

- R.

.+

N RR

.+- R. N

R

OH

- R.H2O

.+.+

+

+

α-Spaltung

Abspaltung von Wasser oder ähnlichen Neutralteilchen

Interpretation von Massenspektren Mechanismus der Wasser-Abspaltung

OHR

R

HO

HR

R

H R

R

+ • + • •

+

Interpretation von Massenspektren Beispiele

McLafferty-Zerfall

X

ORH .+

X

OH .+

R

X

ORH .+

X

OH

R .+

.+ .+

.+ .+

+

+

+

+

Retro-Diels-Alder-Zerfall

•

+

+ •

Interpretation von Massenspektren Mechanismus der McLafferty-Umlagerung

+ •

+

•

OHR

R

OHR

R

R

RO

H

R

OH

R

+

+

Interpretation von Massenspektren Mechanismus der Retro-Diels-Alder-Reaktion

+

+

• • R R

R

R+

+

+ •

+

•

Das Massenspektrum von Butyrophenon

105

120 148

77

51

O

Der massenspektrometrische Zerfall von Butyrophenon

O

OO+.

+.

+

+ +

- C2H4 - C3H7

- C2H2

- CO

-COC3H7

m/z 148

m/z 120

m/z 77

m/z 105

m/z 51

GC-MS

Problem: Überdruck im GC – Hochvakuum im MS Problemlösung: Geeignete Separatoren (Jet-Separator, Watson-Bieman-Separator) Alle Ionisationstechniken die gasförmige Moleküle ionisieren (EI, CI) werden eingesetzt.

Der Jet-Separator

leichte Teilchen (Trägergas)

Zur Vakuumpumpe

vom GC zum MS

Der Watson-Bieman-Separator

vom GC zum MS

poröses Glasrohr

Zur Vakuumpumpe

leichte Teilchen diffundieren verstärkt durch das poröse Glasrohr

LC-MS

Problem: Überdruck in der LC-Anlage – Hochvakuum im MS Problemlösung: Ionenerzeugung bei Normaldruck außerhalb des MS (Atmospheric Pressure Ionization API; z. B.: ESI, APCI, APPI)

Der ESI-Ionisator

Zur Pumpe

MS-Eingang

Trocknungsgas 100 – 400°C

~ 1000 mbar ~ 1 mbar

Eingangspotential ~ -1 bis - 6 kV

Potential der Endcap ~ - 0.5 – 5 kV

Spannungen bei Beobachtung positiver Ionen

Spraygas (N2) LC-Ausgang

Ionenbildung im ESI-Ionisator

Coulomb-Explosion Eingangskapillare

Trocknungsgas

Der APCI-Ionisator

Zur Pumpe

MS-Eingang

Trocknungsgas 100 – 400°C

~ 1000 mbar ~ 1 mbar

Eingangspotential ~ -1 bis - 6 kV

Potential der Endcap ~ - 0.5 – 5 kV

Spannungen bei Beobachtung positiver Ionen

Spraygas (N2) LC-Ausgang

Corona-Nadel ~ 2 – 5 kV

Beheizte Spray- Kapillare

Das Fließmittel verdampft. Es bildet sich ein „Ionen- Plasma“ (s. CI-Ionisation).

Hochauflösende Massenspektrometrie

Die Massen der Ionen werden mit hoher Genauigkeit bestimmt. Nicht alle Analysatoren sind dazu in der Lage. Beispiel: Unterscheidung von Verbindungen gleicher Nominalmassen (m/z 28). 12C: 12.000000 1H: 1.007825 14N: 14.00307 16O: 15.99491 12C=16O: 27.99492, 14N2: 28.00615, 12C2

1H4: 28.03130 Beispiel: Bestimmung der Elementarzusammensetzung. Gemessen wurde eine exakte Masse von 374.2457 Bei einer möglichen Abweichung von ± 5 ppm wurden für Verbindungen, die nur aus C, H, N und O bestehen folgende Elementarzusammensetzungen berechnet: C26H32NO 374.2484 C24H30N4 374.2470 C23H34O4 374.2457 C21H32N3O3 374.2444 C19H30N6O2 374.2430

Isotopenmuster der MS-Peaks Die Verteilung der Isotope eines Elements ist im Massenspektrum erkennbar und wird zur Ermittlung der Elementarzusammensetzung herangezogen. Beispiel: Wie viele Chloratome befinden sich in einem Ion? Chlor besteht aus den Isotopen 35Cl (76%) und 37Cl (24%) entsprechend einem Verhältnis von 1 : 0.32.

35Cl

37Cl CH2Cl2 CHCl3

2 35Cl

1 35Cl + 1 37Cl

2 37Cl

Beispiel: Bestimmung der Elementarzusammensetzung mit Hilfe der Isotopenpeaks. Aus der relativen Häufigkeit der natürlich vorkommenden Isotope von C, H, N und O können die theoretischen Verhältnisse der Peaks des Molekülionen-Clusters berechnet werden. 12C : 13C = 100 : 1.112; 1H : 2H = 100 : 0.015; 14N : 15N = 100 : 0.367; 16O : 17O :18O = 100 : 0.038 : 0.200 Für Aceton (Nominalmasse 58) ergibt sich M+ : (M+1)+ = 100 : 3.37, für Butan (Nominalmasse 58) ergibt sich M+ : (M+1)+ = 100 : 4.47. Je höher der Anteil an C, desto größer (M+1)+; je höher der Anteil an O, desto größer (M+2)+.

Massenspektren verschiedener Dodekane

Molekülion M+ m/z 170



n-Dodekan

3-Methylundekan

2-Methylundekan

Spektren aus: http://riodb01.ibase.aist.jp/sdbs/

Die Spektren verschiedener Verbindungen unterscheiden sich, auch bei großer struktureller Ähnlichkeit, deutlich. Es wird ein Signal bei der Masse des Moleküls beobachtet. Es treten Molekül-charakteristische Signale auf.

Geschichte der NMR-Spektroskopie

• 1924 W. Pauli postuliert, dass Atomkerne einen Kernspin (I) und damit ein magnetisches Moment µ besitzen.

• 1946 Experimenteller Nachweis des NMR-Prinzips an kondensierter Materie (Wasser, Paraffin) durch F. Bloch und E. M. Purcell (Nobelpreis für Physik, 1952).

• 1951 Das erste hochauflösende 1H NMR-Spektrum wird gemessen (Arnold et al., “Entdeckung der chemischen Verschiebung”).

• 1953 Das erste kommerzielle NMR-Gerät wird von der Firma Varian präsentiert.

• 1957 Das erste 13C NMR-Spektrum wird von P. C. Lauterbur publiziert.

• 1966 R. R. Ernst entwickelt die FT NMR-Spektroskopie (Nobelpreis für Chemie 1991)

• 1973 Ein bilderzeugendes Verfahren auf der Basis der Kernspin- resonanz wird von P. C. Lauterbur (Nobelpreis 2003) präsentiert.

• 1976 R. R. Ernst etabliert die ersten zweidimensionalen NMR- Experimente (ursprünglich schon 1971 von J. Jeener vorgeschlagen).

• 1980 Die multidimensionale NMR-Spektroskopie wird möglich. • 1985 Inverse Detektion erhöht die Empfindlichkeit, gepulste

Feldgradienten verkürzen die Messzeit für die Aufnahme mehrdimensionaler NMR-Spektren.

• Stetige Weiterentwicklung der Magnet- und Aufnahmetechnik führen zu erheblichen Empfindlichkeitssteigerungen.

NMR-Spektroskopie Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy Kernmagnetische Resonanzspektroskopie

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

Zur Strukturaufklärung unbekannter Verbindungen bis zur (absoluten) Konfiguration.

Wichtigste spektroskopische Methode in der organischen Chemie

Zur eindeutigen Charakterisierung von Verbindungen.

Zur Bestimmung intra- und intermolekularer Wechselwirkungen. Zur Ermittlung von Reaktionsgeschwindigkeiten. Zur Beobachtung chemischer Austauschprozesse.

Zur Konformationsanalyse.

Zur Beobachtung chemischer Reaktionen.

Spektren von Haloperidol

IR

UV

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

19.1

3

51.7

6

3.25

19.3

9

6.48

1H NMR

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 ppm

-0.2

00.

000.

20

21.9

835

.58

37.7

138

.98

39.1

439

.31

39.4

839

.64

39.7

439

.81

39.9

039

.98

40.0

748

.80

57.2

069

.43

115.

4011

5.57

126.

6512

7.56

130.

6213

0.73

130.

8113

3.88

133.

90

149.

13

163.

7416

5.74

198.

18

13C NMR

Prinzip der NMR-Spektroskopie

Atomkerne besitzen einen Kernspin und damit verbun- den ein magnetisches Moment, das mit einem externen Magnetfeld in Wechselwirkung treten kann. Diese Wechselwirkungen folgen den Regeln der Quantenmechanik. Für die Kernspins sind nur bestimmte

Einstellungen definierter Energie möglich (für 1H und 13C z. B. nur 2, je einmal parallel bzw. antiparallel zur Feldachse).

Die Energien hängen von der Stärke des Magnetfelds und von

der Art des Kerns ab (E = -m γ h/2π B0). Durch Absorption einer geeigneten Energie können die

Kernspins aus dem Zustand niedrigerer Energie in den Zustand höherer Energie angeregt werden. Zur Anregung werden elektromagnetische Wellen mit Frequenzen zwischen 5 und 1000 MHz eingesetzt.

Theoretische Grundlagen der NMR-Spektroskopie

Der Hamilton-Operator für die Wechselwirkung eines Kernspins I mit einem Magnetfeld B0 lautet: Ĥ = -γ B0Îz

γ, die gyromagnetische Konstante (gyromagnetisches Verhältnis) ist eine für jeden Kern charakteristische Konstante.

Der Operator Îz repräsentiert die Komponente des Kernspins in Richtung des Magnetfelds B0 (z). Îz ist mit der Spinquantenzahl I verknüpft, die die Werte I = 0, 1/2, 1, 3/2,........7 annehmen kann.

Die Lösung der Schrödinger-Gleichung ergibt als Energie-Eigenwerte:

E = -mħγB0

m ist die magnetische Quantenzahl. Sie kann die Werte -I, -I+1 bis +I annehmen.

Theoretische Grundlagen der NMR-Spektroskopie

Für Kerne mit I = 1/2 sind also zwei (+1/2, -1/2), für Kerne mit I = 1 drei (+1, 0, -1) usw. Energiezustände möglich. Die Anregungsenergie (∆E) zwischen zwei Spinzuständen ist abhängig von der Stärke des äußeren Magnetfelds (B0) und der gyromagnetischen Konstante (γ). ∆E = ħγB0 Für 1H (γ = 2.67522 ∙ 108 rad s-1T-1) ergibt sich in einem Magnetfeld von 9.4 Tesla eine Energie von ca. 400 MHz (υ = ω/2π).

1H NMR-Spektren von Ethylacetat bei verschiedenen Feldstärken

PPM 4.4 4.0 3.6 3.2 2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 -0.0

90.130000 90.130360

9.4 Tesla

2.1 Tesla

14.1 Tesla

400.131600 400.130000

600.130000 600.132400

MHz

Magnetische Eigenschaften einiger Kerne

γ [107 rad s-1 T-1] I ∆E bei 11.7467 T Besetzungsverhältnis bei 300 K und 11.7467 T

1H 26.75222 1/2 500.130 MHz 1 : 1.00008

2D 4.10663 1 76.773 MHz

12C 0

13C 6.72829 1/2 125.758 MHz 1 : 1.00002

14N 1.93377 1 36.141 MHz

15N -2.71262 1/2 50.697 MHz 1 : 1.000008

16O 0

19F 25.16233 1/2 470.592 MHz

31P 10.83941 1/2 202.456 MHz

Klassische Beschreibung des NMR-Experiments

Ohne Magnetfeld Die Kernspins sind ungerichtet, ihre magnetischen Momente summieren sich zu null.

Mit Magnetfeld Die Kernspins orientieren sich parallel bzw. antiparallel zur Feldrichtung, um die sie mit der Larmor-Frequenz rotieren. Die energetisch günstigere, parallele Anordnung ist stärker besetzt.

z

y x

B0

Es bleibt eine Magnetisierung parallel zur Achse des äußeren Magnetfelds. (longitudinale Magnetisierung)

Vor der Anregung

Klassische Beschreibung des NMR-Experiments

z

y x

B0 Die Magnetisierung wird durch ein elektromagnetisches Feld (Puls) in die x-y-Ebene gedreht, wo sie mit der Larmor-Frequenz um B0 präzediert. Dabei wird in der Empfängerspule ein Strom (FID) induziert.

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

Fourier-Transformation ergibt daraus das NMR-Spektrum

FT

nach der Anregung

Wie ist ein NMR-Spektrometer aufgebaut?

Signal Spektrum

Sender Empfänger

Computer

Wie kommt das NMR-Spektrum zu Stande?

B B

Anregung

Relaxation

FID

Messung

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

Fourier- transformation

Ungeordnete Kernspins

1H NMR-Spektrum von Haloperidol

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

Inhalt des 1H NMR-Spektrums

Integral Signalintensität

Chemische Verschiebung 345 ppm

Multiplizität

ppm


9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

Das Integral im NMR-Spektrum

In der Regel werden nur 1H NMR-Spektren integriert

Die Stufenhöhe ist ein Maß für die Fläche unter dem jeweiligen Signal, diese ist proportional zur Menge der Wasserstoffe, die das Signal erzeugen.

-3-2-112 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm

2 6

1 4

1 6

7

Zur Bestimmung der Anzahl Wasserstoffe im Molekül

Zur Quantifizierung

Zur Abschätzung der Reinheit einer Probe

Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..)

-½ ħγB0

+½ ħγB0

E = hν = -m ħγB0

+½ ν0 [Hz]

-½ ν0 [Hz]

ν0: Larmorfrequenz ν0: = -γB0/2π

Beff = B0 – B0σ

Beff = B0 (1 – σ)

-½ ħγ Beff

+½ ħγ Beff

Die Skala des NMR-Spektrums

υSubst - υStand υStand

δ = 106

Um die in verschiedenen Magneten gemessenen Spektren vergleichen zu können, wird eine relative, frequenzunabhängige Skala definiert.

Der Nullpunkt der Skala wird durch einen internen (oder externen) Standard fest- gelegt.

CH3 SiCH3

CH3CH3Tetramethylsilan (TMS)

Anforderungen an einen internen Standard

chemische Inertheit hohe Signalintensität schmale Signalform geeignete Signallage leichte Entfernbarkeit

Die chemische Verschiebung

Es gilt: Beff = B0 – σ • B0 (σ: Abschirmungskonstante)

Verschiedene Faktoren verändern das Magnetfeld am Ort des Kerns

Für Wasserstoff hängt die chemische Verschiebung im Wesentlichen ab:

B0 Von der Elektronendichte

Von Anisotropie und Ringstromeffekten

Von Substitutionsgrad und Stereochemie

Von Lösungsmittel, Temperatur, pH-Wert und Konzentration

Die chemische Verschiebung Abhängigkeit von der Elektronendichte

0.23 4.27 3.06

HH

HH H

H

HF H

H

HCl H

H

HBr H

H

HI

HH

ClCl

HH

HNH2 H

Cl

ClCl

HH

HOH

2.69 2.16

3.39 5.33

7.26 2.87


NH

HH

OH

H

NH

H

H

OHH

HH

OH

+

-

OH

-

+OH

-

+

7.42

6.37

6.62

6.05

8.60

7.25 7.64

6.70

7.14

6.81


aber!

Cl CH3 Br CH3 I CH3

3.47

1.33

3.37

1.66

3.16

1.88

Die chemische Verschiebung Abhängigkeit von Anisotropie- und Ringstromeffekten

O

H

H

H

HH H

1.80 5.25 7.26

HHHH

H

H

HH

H

H

HHH

H

H

H

HH

HO

OH

(CH2)n

0.22 2.58

9.28

-2.99

8.00

9.33 0.8

+ +

+

+

Die chemische Verschiebung Abhängigkeit von Substitutionsgrad und Stereochemie

HH

HH H

CH3

HH H

CH3

HCH3

HCH3

CH3

CH3

0.23 0.86 1.33 1.50

1.93

1.27

Häq: 1.57 Hax: 0.79

Häq: 1.40 Hax: 1.35

Häq: 1.78 Hax: 1.07

Häq: 1.58 Hax: 1.33

H

CH3

CH3

H

OH

H

H

OH

3.38

3.89

Die chemische Verschiebung von Wasserstoff

elektronenreiche Aromaten

elektronenarme Aromaten

Hochfeldverschiebung, Abschirmung, + Anisotropie

Tieffeldverschiebung, Entschirmung, - Anisotropie

-I, -M-Effekt +I, +M-Effekt

X = O, F, Cl

O TMS

5 10

aliphatische Verbindungen

X-CH COOH, OH, NH O=C-H

H-C≡C

olefinische Verbindungen

aromatische Verbindungen


N

OHCl

F

O

HH

HH

H

H

H

H

H

HH

HH

HH

H

H HH

H

H H

O TMS

5

aliphatische Verbindungen olefinische Verbindungen

aromatische Verbindungen

10

COOH, OH, NH X-CH

O=C-H

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

1H NMR-Spektrum von Haloperidol in DMSO-d6 bzw. CDCl3

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 ppm

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 ppm

in CDCl3

in DMSO-d6


9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

1.51.61.71.81.9 ppm

Die Multiplizität (Aufspaltung) der Signale

Benachbarte Kerne können ein Signal aufspalten (Kopplung).

Für Wasserstoff gilt: Jeder Kopplungspartner erzeugt aus einer Linie zwei. Die Größe der Aufspaltung wird in Hz gemessen (Kopplungs- konstante J). Sie hängt von verschiedenen strukturellen Parametern aber nicht von der Stärke des äußeren Feldes ab.

Die Kopplung wird über die Bindungselektronen vermittelt- nicht durch den Raum

Die Bildung von Multipletts

Singulett

Duplett

Triplett

Quartett J

Singulett

Duplett J1

J2 doppeltes Duplett

Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..) (nicht gekoppelt)

-½ ħγB0 [J]

+½ ħγB0 [J]

E = hν = -m ħγB0

+½ ν0 [Hz]

-½ ν0 [Hz]

ν0: Larmorfrequenz ν0: = -γB0/2π

α

β

E0

α α

β β

αα

βα αβ

ββ

+½ ν0,1 + ½ ν0,2

-½ ν0,1 + ½ ν0,2 +½ ν0,1 - ½ ν0,2

-½ ν0,1 - ½ ν0,2

Energieniveaus zweier I = ½ Kerne (1H..) (gekoppelt)

αα

βα αβ

ββ

+½ ν0,1 + ½ ν0,2

+½ ν0,1 - ½ ν0,2 -½ ν0,1 + ½ ν0,2

-½ ν0,1 - ½ ν0,2

αα

βα αβ

ββ

+½ ν0,1 + ½ ν0,2 + 1/4 J

-½ ν0,1 + ½ ν0,2 - 1/4 J +½ ν0,1 - ½ ν0,2 - 1/4 J

-½ ν0,1 - ½ ν0,2 + 1/4 J

Zwei Linien für rot: ν0,1 + 1/2J ν0,1 – 1/2J

Zwei Linien für grün: ν0,2 + 1/2J ν0,2 – 1/2J

Wovon hängt die Größe der Kopplungskonstante (J) ab?

Da die Kopplungskonstante über die Bindungselektronen vermittelt wird, wird sie von der Elektronendichte und der Überlappung der Orbitale sowie der Entfernung der Kopplungspartner beeinflusst. Besonderen Einfluss haben:

Hybridisierung des Kohlenstoffs

Bindungs und Diederwinkel (Stereochemie!)

Elektronegativität von Substituenten

Sind alle Einflüsse identisch, so werden identische Kopplungskonstanten gemessen.

Faktoren, die die Kopplungskonstante beeinflussen

Entfernung der Kopplungspartner

~ -12 Hz ~ 7.5 Hz H

HH

HH

H < 0.5 Hz

H

H

H

H

H

H~ 8 Hz

~ 1.5 Hz < 0.5 Hz

Geminale Kopplung (2J)

Vicinale Kopplung (3J) Fernkopplung (>3J)


Substituenten

HH

HH

OH

~ 7.5 Hz ~ 6.5 Hz

H

H

R

O

OH

H

R~ -7.5 Hz ~ -10 Hz

HH

O

HH

OO

~ -14 Hz ~ -16 Hz


Hybridisierung des Kohlenstoffs

H

H

H

H~ -12 Hz ~ ±1 Hz


Bindungs- und Diederwinkel

H

H

H

HHH

H

H~ 10 Hz

~ 0 Hz ~ 7.5 Hz

~ 12 Hz

H

H

HH

~ 16 Hz ~ 10 Hz


Bindungs- und Diederwinkel – Die Karplus-Beziehung

J

10 Hz

0 Hz

0° 90° 180° Diederwinkel φ

3J = A + B cosφ + C cosφ

Multipletts im Haloperidol-1H NMR

Quintett J = 7 Hz

dreifaches Duplett J1 = J2 = 12.5, J3 = 4.5 Hz

1.51.61.71.81.9 ppm

breites Duplett J = 12.5 Hz

Die Intensitäten der Linien eines Multipletts weichen oft vom theoretischen Verhältnis ab.

Systeme höherer Ordnung

Systeme höherer Ordnung entstehen: Immer wenn die Differenz der chemischen Verschiebung zweier miteinander gekoppelter Kerne nicht wesentlich größer als die Kopplungskonstante ist. ∆δ << ∆J Wenn gekoppelte Kerne zwar chemisch aber nicht magnetisch äquivalent sind. Merkmale: Zusätzliche Linien, unterschiedliche Kopplungskonstanten für ein und dieselbe Kopplung im gleichen Multiplett, Intensitätsverzerrungen.

AX nach AB

AX-System AB-System

δ

Systeme höherer Ordnung AMX

8.02 8.00 7.98

62 7.60 7.58

2.02 2.00 1.98

2.02 2.00 1.98

8.04 8.02 8.00 7.98 7.96 7.94

Systeme höherer Ordnung ABX

Chemische Äquivalenz – magnetische Äquivalenz

Chemisch äquivalente Kerne haben identische Elektronenumgebungen also identische chemische Verschiebungen. Auch bei unterschiedlicher elektronischer Umgebung kann es zu identischer chemischer Verschiebung kommen – Isochronie Beispiele: Protonen von Methylgruppen nicht diastereotope Protonen von Methylengruppen

R

R'

H

H

H

HR R

H H

H H

Chemische Äquivalenz – magnetische Äquivalenz

Magnetisch äquivalente Kerne sind chemisch äquivalent und haben zu allen Kopplungspartnern identische Kopplungskonstanten. Beispiele:

R

R'

H

H

H

HR R

H H

H H

AA‘BB‘ A2MN R enthält keine koppelnden Kerne

RR'

H

HH

H

3.183.193.203.21 ppm

Systeme höherer Ordnung

1.851.861.871.881.891.901.91 ppm

1.952.00 ppm

1.95 (ddddd, J = 11.6, 11.6, 4.4, 4.4, 3.2 Hz)

1.95 (m ?)

7.27.37.47.57.67.77.87.98.0 ppm

8.05, m, 2H

7.42, m, 2H 7.33, m, 2H

7.17, m, 2H

2.35

2.35 (ddd, J = 18.2, 4.0, 3.8 Hz, 1H, H-3)

Maximal 2 Stellen nach dem Komma

3.45 Immer wenn ein Signal eines Kerns beschrieben wird. 3.40 – 3.50 Wenn das überlagerte Signal mehrerer Kerne beschrieben wird.

1H NMR-Spektrum von Acetylsalicylsäure in DMSO-d6

14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 ppm

7.207.257.307.357.407.457.507.557.607.657.707.757.807.857.907.95 ppm

1H NMR-Spektrum von Acetylsalicylsäure in DMSO-d6

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

1H NMR-Spektrum von m-Hydroxyacetophenon in CDCl3

6.906.957.007.057.107.157.207.257.307.357.407.457.507.55 ppm

1H NMR-Spektrum von m-Hydroxyacetophenon in CDCl3

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

6.13.01.010.44.00.5

1H NMR-Spektrum von Ibuprofen in DMSO-d6

1H NMR-Spektrum von Ibuprofen in DMSO-d6

7.2 ppm 3.7 ppm ppm 1.4 ppm 0.9 ppm ppmppm

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

3.21.01.02.01.0

1H NMR-Spektrum von Vanillin in CDCl3

1H NMR-Spektrum von Vanillin in CDCl3

7.057.107.157.207.257.307.357.407.45 ppm

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

3.2

4.1

2.0

2.0

1H NMR-Spektrum von Benzocain in CDCl3

6.76.86.97.07.17.27.37.47.57.67.77.87.9 ppm


4.14.24.3 ppm 1.31.41.5 ppm


9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

6.24.21.02.0

1H NMR-Spektrum von Carbromal in CDCl3

2.12.2 ppm 1.01.1 ppm

NH

NH2

O O

Br

13C NMR-Spektroskopie

Die Signale werden nicht integriert (Signalintensitäten variieren!).

Die Signale besitzen (im Normalfall) keine Multiplizität.

Die Skala umfasst einen mehr als 10-fach größeren Bereich als die der 1H NMR-Spektroskopie.

Unterschiede zur 1H NMR-Spektroskopie

Sehr viel unempfindlicher als 1H NMR nur 1% des natürlichen Kohlenstoffs nur ca.1/4 der gyromagnetischen Konstante des Wasserstoffs

1H NMR-Spektrum von Vanillin (in CDCl3) (Bereich der aromatischen Protonen)

6.906.957.007.057.107.157.207.257.307.357.407.457.507.557.60 pp

13C NMR-Spektren von Haloperidol

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 ppm

115116117 ppm

Breitbandentkopplung zur: Vereinfachung Intensitätssteigerung

Vorteile: Höhere Empfindlichkeit leichtere Interpretation Nachteile:Informationsverlust

Die Chemische Verschiebung von Kohlenstoff

ges. Ketone

Aldehyde

Säuren, Säurederivate

0 TMS

100 200

aliphatische Verbindungen aromatische und olefinische Verbindungen Carbonyl- verbindungen

Alkine

C≡N O-C-O C-O

Die Signallage hängt im Wesentlichen nur von der Hybridisierung und der Elektronendichte ab.

13C NMR-Spektrum von Haloperidol

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 ppm

-0.2

00.

000.

20

21.9

835

.58

37.7

138

.98

39.1

439

.31

39.4

839

.64

39.7

439

.81

39.9

039

.98

40.0

748

.80

57.2

069

.43

115.

4011

5.57

126.

6512

7.56

130.

6213

0.73

130.

8113

3.88

133.

90

149.

13

163.

7416

5.74

198.

18

aromatische und olefinische Verbindungen Carbonyl- verbindungen

aliphatische Verbindungen

C-O O-C-O C≡N

N

OHCl

F

O

HH

HH

H

H

H

H

H

HH

HH

HH

H

H HH

H

H H

Breitbandentkoppeltes 13C NMR-Spektrum von Cholesterinacetat

210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ppm

11.8

618

.75

19.2

821

.08

21.2

122

.82

23.9

624

.30

27.7

827

.97

28.2

631

.87

35.8

636

.26

36.5

437

.05

38.1

539

.55

39.7

942

.30

50.0

856

.27

56.7

161

.12

73.7

8

122.

52

139.

55

169.

95

CH3

CH3

O

O

210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ppm

31.8

735

.86

36.2

636

.54

39.5

542

.31

50.0

8

56.2

756

.71

73.7

8

122.

52

DEPT90 13C NMR-Spektrum von Cholesterinacetat

210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 ppm

11.8

519

.27

20.4

421

.07

21.2

122

.58

22.8

223

.96

24.2

927

.78

27.9

728

.26

31.8

731

.89

35.8

536

.26

37.0

538

.14

39.5

539

.78

42.3

050

.07

56.2

656

.71

73.7

8

122.

52

DEPT135 13C NMR-Spektrum von Cholesterinacetat

ppm

6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

140

120

100

80

60

40

20

0

13C,1H HSQC-Spektrum von Cholesterinacetat

ppm

5 4 3 2 1 0 ppm

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

13C,1H HSQC-Spektrum von Cholesterinacetat

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Spektroskopie - Medicinal Chemistry · Aufbau eines IR-Spektrometers Zwei Gerätetypen sind...

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