Chemische und magnetische Äquivalenz

Chemische Verschiebung sind indirekte Spin-Spin-Kopplung sind zwei wichtige spektrale Parameter der NMR- Spektroskopie im Allgemeinen. Um sie besser abschätzen zu können bedient man sich des Konzeptes der chemischen und magnetischen Äquivalenz.

Grundlegendes Konzept

Chemische Äquivalenz

Chemisch äquivalente Kerne haben die gleiche chemische Verschiebung! Zwei oder mehr Kerne sind genau dann chemisch äuivalent, wenn sie sich in der selben chemischen Umgebung befinden.

Isopropanol

Isopropanol

Als erstes Beispiel betrachten wir das hier abgebildete Isopropanol. Die rot und blau dargestellten Methylgruppen befinden sich in der selben chemischen Umgebung und sind daher chemisch äquivalent. Das bedeutet für die 1H-NMR Spektroskopie das alle 6 Wasserstoffe bei der selben chemischen Verschiebung beobachtet werden. Und in der 13C-NMR Spektroskopie gilt dies auch für die beiden C-Atome der beiden Methylgruppen.
Betrachten wir als weiteres Beispiel Nitrobenzol.

Nitrobenzol

Nitrobenzol

Hier befinden sich die ortho- Protonen in der gleichen chemischen Umgebung. Die meta-Protonen haben eine andere Nachbarschaft und damit auch eine andere chemische Umgebung. Diese ist jedoch für beide meta-Protonen gleich. Und das para- Proton hat wiederum eine von den ortho- und meta Protonen verschiedene chemische Umgebung. Das resultierende 1H-NMR Spektrum sollte unter Vernachlässigung der indirekten Spin-Spin Kopplung genau 3 Signale zeigen, deren Integrale im Verhältnis 2:2:1 stehen. Das zugehörige (simulierte) Spektrum ist nachfolgend abgebildet:

1H-NMR Spektrum von Nitrobenzol, simuliert und ohne J-Kopplungen

1H-NMR Spektrum von Nitrobenzol, simuliert und ohne J-Kopplungen


Achtung- chirales C-Atom
Betrachten wir den unten abgebildeten, hypothetischen Fall (Sie können die Halogenatome durch beliebige unterschidliche Reste gedanklich ersetzen un zu realen Fällen zu kommen) und versuchen die Frage nach der chemischen Äquivalenz von Ha und Hb zu klären. Die Newmann- Projektionen zeigen die drei gestaffelten Konformationen. Und Sie sehen, das in jeder Konformation Ha und Hb in einer anderen chemischen Umgebung vorliegen.

Chemische Äquivalenz und Chiralität

Chemische Äquivalenz und Chiralität

Daraus folgt, das beide H- Atome chemisch nicht äquivalent sind!

Magnetische Äquivalenz

Magnetische Äquivalenz bedeutet, das alle Kerne einer Gruppe chemisch äquivalenter Atome mit allen Kernen einer anderen Gruppe chemische Äquivalenter Kern in der gleichen Art und Weise koppelt. Um Beim Beispiel des Isopropanols zu bleiben, so koppeln die sechs chemisch äquivalenten Wasserstoffatome der Methylgruppen mittels einer 3JHH– Kopplung mit dem Methylenwasserstoff. Das bedeutet, das die sechs Methyl-Wasserstoffatome chemisch und magnetisch Äquivalent sind.
Betrachten wir nun als Gegenbeispiel das Nitrobenzol.

Nitrobenzol

Nitrobenzol

Aus den obigen Ausführungen wissen wir, das die Wasserstoffatome 2a und 6a chemisch äquivalent sind und ebenso die Wasserstoffatome 5a und 3a. Jedoch koppelt zum Beispiel das Wasserstoffatom 6a mit 5a entsprechend einer ortho-Kopplung jedoch mit dem zu 5a chemisch äquivalenten 3a via einer (kleineren) para-Kopplung. Das bedeutet, das die Wasserstoffatome 6a und 2a chemisch äquivalent sind, aber halt nicht magnetisch. Ebenso die Wasserstoffatome 5a und 3a. Und das Ergebnis ist ein komplizierteres 1H-NMR Spektrum als für den Fall der ersten Ordnung. Das daraus resultierende, simulierte Spektrum ist unten abgebildet:
1H-NMR Spektrum von Nitrobenzopl mit Kopplungen

1H-NMR Spektrum von Nitrobenzopl mit Kopplungen

Man kann dieses Konzept nun noch ein wenig verfeinern, wie Sie auf der nächsten Seite sehen können!

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