Anzahl der Signalgruppen
Wie viele unterschiedliche H-Umgebungen sind erkennbar? Ein aufgespaltenes Quartett zählt als eine Signalgruppe, nicht als vier verschiedene Umgebungen.
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NMR-Spektroskopie
Ordne Protonengruppen ihren Signalen zu. Verstehe chemische Verschiebung, Integrale und Aufspaltung an gezeichneten Molekülen.
Signalzahl · δ · Integral · Aufspaltung
Strukturaufklärung mit ¹H-NMR
¹H-NMR untersucht die Umgebung von Wasserstoffkernen
Bei der Kernmagnetresonanz-Spektroskopie (NMR) wird eine Probe in ein starkes Magnetfeld gebracht und mit Radiofrequenzimpulsen angeregt. Das gemessene Signal enthält Informationen über bestimmte Atomkerne. Beim ¹H-NMR sind das Wasserstoffkerne, also Protonen.
Elektronen schirmen die Kerne unterschiedlich ab. Deshalb erscheinen H-Atome in verschiedenen chemischen Umgebungen an unterschiedlichen Stellen im Spektrum. Die Farben verbinden hier die Protonengruppen mit ihren Signalen.
Nicht jedes H-Atom erzeugt eine eigene Signalgruppe. Chemisch gleichwertige Protonen tragen zur gleichen Gruppe bei. Unsere Beispiele betrachten einfache Moleküle in achiraler Lösung.
Vier Informationen zusammen auswerten
Lage · chemische Verschiebung δ
Die Position in ppm hilft, die chemische Umgebung einzugrenzen. Höhere ppm-Werte stehen üblicherweise links.
Integral · Fläche
Die integrierte Signalfläche ist unter geeigneten Messbedingungen proportional zur Zahl der zugehörigen H-Atome. Einzelne Peakhöhen reichen dafür nicht.
Aufspaltung · Nachbarschaft
Die Kopplung mit benachbarten, nicht gleichwertigen Protonen kann eine Signalgruppe in mehrere Linien aufteilen.
Chemische Verschiebung: Warum O–CH₃ weiter links liegt
δ =ν − ν(Referenz)ν₀· 10⁶ ppm
Als Referenz wird häufig TMS mit δ = 0 ppm verwendet. Sauerstoff zieht Elektronendichte ab; Protonen an einem benachbarten C-Atom sind häufig stärker entschirmt und erscheinen bei höheren δ-Werten. Die genaue Lage hängt auch von Bindungsart, Lösungsmittel und weiteren Strukturmerkmalen ab.
Alkyl-H · grob 0,5–2 ppm
H an einfachen gesättigten C-Atomen ohne stark entschirmende Nachbargruppen.
H an C neben O · grob 3–4,5 ppm
Zum Beispiel die H-Atome in O–CH₃ oder O–CH₂.
Weitere Bereiche
Alken-H häufig etwa 4,5–6,5 ppm, Aromaten-H etwa 6–8,5 ppm, Aldehyd-H etwa 9–10 ppm.
OH und NH
Lage und Breite sind stark bedingungsabhängig. Durch Protonenaustausch kann ihre Kopplung ausbleiben. Die einfache Nachbarregel ist hier nicht zuverlässig.
Die Bereiche sind Orientierungshilfen und können überlappen. Eine Zuordnung muss zu Integralen, Aufspaltung und restlichen Daten passen.
ppm und Referenzfrequenz verständlich rechnen
ν ist die Resonanzfrequenz des Signals, ν(Referenz) die des Referenzsignals und ν₀ die Bezugsfrequenz des Spektrometers für den betrachteten Kern. TMS bedeutet Tetramethylsilan. „ppm“ heißt Millionstel.
Beispiel am 400-MHz-Gerät:800 Hz400 000 000 Hz· 10⁶ ppm = 2,0 ppm
Ein Abstand von 800 Hz zur Referenz entspricht hier 2,0 ppm. Zähler und Nenner werden vor dem Teilen in derselben Frequenzeinheit eingesetzt.
Triplett und Quartett verraten eine einfache Ethylgruppe
…–O–CH₂–CH₃
Betrachte zuerst CH₃: Auf dem benachbarten C sitzen zwei gleichwertige H-Atome → Triplett.
Betrachte dann CH₂: Auf dem benachbarten C sitzen drei gleichwertige H-Atome → Quartett.
n gleichwertige koppelnde Nachbar-H → n + 1 Linien
Triplett
3 Linien, idealisierte Intensitäten 1 : 2 : 1. Das Integral der gesamten Gruppe gehört hier zu 3 H.
Quartett
4 Linien, idealisierte Intensitäten 1 : 3 : 3 : 1. Das Integral der gesamten Gruppe gehört hier zu 2 H.
Die n+1-Regel gilt für einfache Spektren erster Ordnung mit einer Gruppe gleichwertiger koppelnder Nachbarprotonen. Nicht einfach alle H-Atome im Molekül zählen; mehrere verschiedene Nachbargruppen können komplexere Muster ergeben.
NMR-Linienzahl und H-Anzahl unterscheiden
CH₃-Gruppe
2 Nachbar-H → 3 Linien (Triplett).
Die gesamte Fläche entspricht 3 H.
CH₂-Gruppe
3 Nachbar-H → 4 Linien (Quartett).
Die gesamte Fläche entspricht 2 H.
Linienzahl → Nachbarschaft. Integral → Anzahl der signalgebenden H. Beides beantwortet eine andere Frage.
NMR-Labor: Welche Struktur passt zu den Signalen?
Wähle ein Molekül. Die Farben stimmen in Struktur und Spektrum überein. Die Spektren sind vereinfachte Modelle mit gerundeten Verschiebungen, idealisierten Linien und ohne Lösungsmittel- oder Referenzsignale.
Signalgruppen und Integrale
3 Signalgruppen · Integrale 3 : 2 : 3
Zuordnung
Blau: CH₃–C(=O), Singulett bei etwa 2,1 ppm. Grün: O–CH₂, Quartett bei etwa 4,1 ppm (2 H). Violett: endständiges CH₃, Triplett bei etwa 1,3 ppm (3 H).
Schritt für Schritt: C₄H₈O₂ zuordnen
Gegeben: Summenformel C₄H₈O₂; im IR ein Carbonylsignal; im ¹H-NMR ein Singulett bei etwa 2,1 ppm (3 H), ein Quartett bei etwa 4,1 ppm (2 H) und ein Triplett bei etwa 1,3 ppm (3 H).
3 + 2 + 3 = 8 H → passend zur Summenformel
1. Quartett und Triplett mit Integralen 2:3 passen zu einer Ethylgruppe.
2. Das CH₂ bei etwa 4,1 ppm passt zu einer O–CH₂-Gruppe im Ester.
3. Das 3-H-Singulett bei etwa 2,1 ppm passt zu CH₃–C(=O).
4. Zusammengesetzt ergibt sich ein schlüssiger Vorschlag: Ethansäureethylester (Ethylacetat).
CH₃–C(=O)–O–CH₂–CH₃
Ein Strukturvorschlag muss alle Daten zugleich erklären. Ein einzelnes Triplett allein beweist noch keine bestimmte Verbindung.
¹³C-NMR und andere Spektren ergänzen das Bild
¹³C-NMR
Zeigt unterschiedliche Kohlenstoffumgebungen. Im üblichen breitband-protonenentkoppelten Spektrum erscheinen sie meist ohne C–H-Aufspaltung; Signalhöhen sind nicht einfach proportional zur Zahl der C-Atome.
Gemeinsam auswerten
Massenspektrometrie hilft bei Molekülmasse und Fragmenten, IR bei funktionellen Gruppen, NMR bei Umgebungen und Verknüpfung. Zusammen wird die Strukturzuordnung belastbarer.
Weitere Lernseiten: Massenspektrometrie und IR-Spektroskopie.
Selbstcheck: NMR-Signale und Protonengruppen
1 · Wie viele H-Umgebungen besitzt Propanon im einfachen ¹H-NMR?
Tipp anzeigen
Die beiden Methylgruppen sind symmetrisch gleichwertig.
Lösung anzeigen
Eine Signalgruppe mit einem Integral für insgesamt 6 H.
2 · Warum zählt ein Quartett als eine Signalgruppe?
Tipp anzeigen
Unterscheide chemische Umgebung und Aufspaltung.
Lösung anzeigen
Die vier Linien stammen aus der Kopplung derselben Protonengruppe mit Nachbarprotonen.
3 · Was beschreibt das Integral?
Tipp anzeigen
Fläche oder Höhe?
Lösung anzeigen
Die gesamte integrierte Signalfläche; sie liefert unter geeigneten Bedingungen relative H-Zahlen.
4 · Welche Aufspaltung zeigt CH₃ in einer einfachen CH₃–CH₂-Gruppe?
Tipp anzeigen
Zwei Nachbar-H, n + 1.
Lösung anzeigen
Ein Triplett mit drei Linien.
5 · Welche Aufspaltung zeigt CH₂ neben einer CH₃-Gruppe?
Tipp anzeigen
Drei Nachbar-H, n + 1.
Lösung anzeigen
Ein Quartett mit vier Linien.
6 · Warum liegt O–CH₃ meist bei höheren ppm als eine gewöhnliche Alkyl-CH₃-Gruppe?
Tipp anzeigen
Denke an Elektronendichte und Abschirmung.
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Sauerstoff wirkt elektronenziehend; die Protonen sind meist stärker entschirmt.
7 · Integrale 6:4:6 bei insgesamt 8 H: Welche H-Zahlen ergeben sich?
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Kürze das Verhältnis.
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3:2:3. Die Summe ist 8; deshalb entsprechen die Gruppen 3 H, 2 H und 3 H.
8 · Warum darf ein OH-Proton nicht immer in die n+1-Regel eingesetzt werden?
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Austausch beeinflusst die Kopplung.
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Schneller Protonenaustausch kann die erkennbare Kopplung aufheben; Lage, Breite und Aufspaltung hängen von den Bedingungen ab.
Kurzer Begriffscheck
Vier Linien in einem einfachen Quartett bedeuten …
Wähle eine Antwort.
Für den Unterricht: Farbe, Fläche und Nachbarschaft verbinden
Einstieg: Gleichwertige H-Atome in einer Struktur farbig markieren.
Partnerarbeit: Signalzahl und Aufspaltung vor dem Molekülwechsel vorhersagen.
Sicherung: Die Daten zu C₄H₈O₂ zu einer Struktur zusammensetzen und jede Gruppe begründen.
Kostenlose Materialien zum Weiterüben
Protonen-NMR verstehen – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Direkt passend: Signalgruppen, Integrale und einfache Aufspaltungsmuster.
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Strukturaufklärung mit Spektren – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Vertiefung: Summenformel, IR- und NMR-Daten zu Strukturvorschlägen kombinieren.
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Strukturformeln organischer Moleküle zeichnen – kostenloses Chemie-Arbeitsblatt mit Lösungen (PDF)
Grundlagen: Strukturformeln und funktionelle Gruppen sicher erkennen.
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