Chemie · Verstehen und üben

Strukturaufklärung mit IR, NMR und MS

Kombiniere Summenformel und Spektrendaten zu einer begründeten Struktur – mit zwei interaktiven Übungsfällen.

Summenformel + MS + IR + NMR → Strukturvorschlag

Hinweise verbinden · Isomere unterscheiden

Drei Methoden liefern drei Arten von Hinweisen

MS · Welche Masse?

Massenspektrometrie trennt Ionen nach m/z. Ein richtig zugeordnetes Molekülion hilft bei der Molekülmasse; Fragmente liefern Hinweise auf Teilstrukturen.

IR · Welche Gruppen?

Infrarotabsorption regt Molekülschwingungen an. Charakteristische Banden helfen, zum Beispiel O–H- oder C=O-Gruppen zu erkennen.

NMR · Welche Umgebungen?

Die Kernspinresonanz zeigt chemische Umgebungen. Im ¹H-NMR helfen Signallage, Integrale und Aufspaltung bei der Verknüpfung der Bausteine.

Strukturaufklärung bedeutet: Aus Messdaten einen begründeten Strukturvorschlag ableiten. Eine Summenformel verrät die Atomzahlen, aber noch nicht deren Verknüpfung. Erst die zusammenpassenden Hinweise schränken mögliche Isomere ein.

Voraussetzungen: IR, NMR und Massenspektrometrie. Die folgenden Daten sind bewusst vereinfachte, plausible Übungsdaten und keine gemessenen Referenzspektren.

Struktur bestimmen: Masse, DBE, Gruppen und NMR kombinieren

1 · Formel und Masse prüfen

Passt die vorgegebene Summenformel zum Molekülion? Der intensivste Peak ist der Basispeak und muss nicht das Molekülion sein.

2 · Ungesättigtheit bestimmen

Ringe und Mehrfachbindungen verringern die H-Zahl. Ein Doppelbindungsäquivalent entspricht einem Ring oder einer Doppelbindung.

3 · Funktionelle Gruppen finden

IR-Banden eingrenzen: C=O meist etwa 1650–1800 cm⁻¹, Alkohol-OH häufig breit um 3200–3600 cm⁻¹. Die genaue Lage hängt von der Umgebung ab.

4 · NMR-Bausteine verbinden

Integrale zählen relative H-Anzahlen; Signalpositionen zeigen Umgebungen. Aufspaltungen helfen, gekoppelte Nachbargruppen zu erkennen.

DBE =2 C + 2 + N − H − X2

Hier stehen C, N, H und X für die Atomzahlen; X zählt Halogene. Für übliche neutrale organische Verbindungen mit normaler Valenz beeinflussen O-Atome die Rechnung nicht. Eine Dreifachbindung entspricht zwei DBE.

DBE = 1 heißt: zwei H weniger als beim gesättigten Vergleich

DBE steht für double bond equivalent, auf Deutsch Doppelbindungsäquivalent. Bei C₃H₆O hätte eine unverzweigte oder verzweigte gesättigte Verbindung ohne Ring die Formel C₃H₈O. Zwei H fehlen: Das passt zu einer Doppelbindung oder einem Ring. Welche Möglichkeit vorliegt, zeigen erst die Spektren.

Spektren-Werkstatt: Welche Struktur passt?

Wähle einen Fall, untersuche alle drei Datensätze und entscheide dich dann für eine Struktur.

Vorgegebene Summenformel: C₃H₆O · nominale Molekülmasse: 58 u · DBE = 1

Molekülion M⁺• bei m/z 58 (z = +1). Ein starkes Fragment bei m/z 29 ist für sich allein nicht eindeutig.

Ausgewählte Signale: keine vollständigen Spektren. Signalhöhen im NMR-Bild sind keine Integrale; die H-Anzahlen stehen ausdrücklich dabei. t = Triplett, q = Quartett, s = Singulett, m = Multiplett.

Dein Strukturvorschlag

Vergleiche alle Hinweise und wähle einen Vorschlag.

Fall A Schritt für Schritt: Propanal

M(C₃H₆O) ≈ 3 · 12 + 6 · 1 + 16 = 58 g/mol

DBE = (2 · 3 + 2 − 6) / 2 = 1

Das Molekülion bei m/z 58 passt zur vorgegebenen Formel. DBE = 1 erlaubt beispielsweise eine Carbonylgruppe. Das IR-Signal stützt C=O; das ¹H-NMR-Signal um 9,8 ppm mit einem Integral für ein H-Atom spricht für –CHO. Die übrigen 2 H und 3 H passen zu –CH₂–CH₃.

Propanon ist ein Isomer mit derselben Summenformel und ebenfalls einer Carbonylgruppe. Es scheidet durch das NMR aus: Seine sechs H-Atome sind äquivalent und ergeben im einfachen Spektrum ein Singulett. Gleiche Masse und gleiche funktionelle Gruppe reichen nicht zur eindeutigen Identifikation.

Fall B: Die Lage der Ethylgruppe ist entscheidend

C₄H₈O₂: M ≈ 88 g/mol · DBE = (2 · 4 + 2 − 8) / 2 = 1

Ein 3-H-Triplett und ein 2-H-Quartett deuten auf eine Ethylgruppe. Dass das Quartett etwa bei 4,1 ppm liegt, spricht hier für O–CH₂–CH₃. Das zusätzliche 3-H-Singulett um 2,05 ppm passt zu CH₃–C(=O)–. Zusammen ergibt sich Ethylethanoat.

Alternative: CH₃–CH₂–C(=O)–O–CH₃ (Methylpropanoat)

Die Alternative besitzt ebenfalls C₄H₈O₂ und eine Estergruppe, aber andere Protonenumgebungen: O–CH₃ statt O–CH₂. Genau dafür braucht man die chemischen Verschiebungen zusätzlich zu Integralen und Aufspaltungen.

Häufige Fehler vermeiden

Molekülion nicht blind annehmen

Bei Elektronenionisation kann M⁺• schwach sein oder fehlen. Andere Ionisationsmethoden können etwa [M+H]⁺ liefern; dann ist m/z nicht direkt die neutrale Molekülmasse.

n + 1 nicht überall anwenden

Die einfache Regel gilt für passende, annähernd erstordentliche Kopplung zu n äquivalenten Nachbarprotonen. Mehrere Nachbargruppen können komplexere Muster liefern.

Integral ist Fläche, nicht Höhe

Ein 3-H-Signal kann niedriger aussehen als ein 1-H-Signal. OH-Protonen können austauschen; ihre Lage und Kopplung sind besonders variabel.

Einzelne Hinweise sind kein Beweis

Für den Unterricht: Hinweise begründet kombinieren

Einstieg: Isomere mit gleicher Summenformel vergleichen.
Gruppenarbeit: MS, IR und NMR getrennt auswerten und die Hinweise zusammentragen.
Sicherung: Den richtigen Vorschlag begründen und jeden verworfenen Kandidaten mit einem konkreten Widerspruch ausschließen.