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Anwendungen der NMR-Spektroskopie

Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie (Beispiele)

An zwei Beispielen soll die Anwendung der NMR-Spektroskopie für die Strukturaufklärung demonstriert werden.

1. Untersuchung von Rüstungsaltlasten

Bei der Untersuchung von Rüstungsaltlasten zeigte sich, dass neben chromatographischen Methoden gerade die 1H-NMR ein gut geeignetes Verfahren darstellt, um branchentypische Schadstoffe (vor allem Explosivstoffe und ihre Abbauprodukte, z. B. TNT (Trinitrotoluol), DNT (verschieden substituierte Dinitrotoluole, DNB-Dinitrobenzole) im angereicherten Extrakt wässriger Proben zu identifizieren und auch quantitativ zu erfassen (im Konzentrationsbereich von 1 µg/l bis 10 µg/l).

Im folgenden Beispiel sind die 1H-NMR-Spektren von 1,3-Dinitrobenzol (meta) und 1,4-Dinitrobenzol (para) dargestellt. Beide Isomere (gleiche Summenformel, gleiche Masse!) sind deutlich durch die Anzahl der NMR-Signale, die chemischen Verschiebungen und die Kopplungsmuster zu unterscheiden:

Abb.1

Im Spektrum des 1,3-Dinitrobenzols sind drei Signale erkennbar: ein Singulett bei 8,90 ppm, ein Dublett bei 8,55 ppm und ein Triplett bei 7,85 ppm. Dabei ist das Singulett bei 8,90 ppm dem H(2)-Kern zuzuordnen. Die Kerne H(4) und H(6) sind chemisch und magnetisch äquivalent und ergeben das Signal bei 8,55 ppm, welches durch die vicinale Kopplung mit dem H(5)-Kern (Kopplung über 3 Bindungen) in ein Dublett aufgespalten ist. Der H(5)-Kern koppelt mit H(4) und H(6); aufgrund der Äquivalenz dieser Kerne ergibt sich eine Aufspaltung des Signals bei 7,85 ppm in ein Triplett. Kopplungen über vier (1-3 Hz) und fünf Bindungen (< 1Hz) wurden vernachlässigt.

Dagegen erscheint im Spektrum von 1,4-Dinitrobenzol nur ein Signal bei 8,41 ppm, da durch die Symmetrie der Verbindung alle enthaltenen Protonen chemisch und magnetisch äquivalent sind.

2. Coffein, Theophyllin, Theobromin

Coffein, Theophyllin und Theobromin sind natürlich vorkommende Substanzen, die zu den Methylxantinen zählen. Sie werden auch als Alkaloide bezeichnet, da sie ein basisches Verhalten aufgrund der Anwesenheit von Stickstoff zeigen. Als Naturstoffe sind sie in der Pflanzenwelt weit verbreitet. Coffein kommt vorwiegend in Kaffee, schwarzem Tee, aber auch in geringen Mengen in Kakao vor, Theophyllin in grünem Tee und Kakao und Theobromin in Kakao, in Spuren im Tee und Kaffee. Alle drei Substanzen haben für den Menschen eine anregende und stimulierende Wirkung, die aber abhängig von der jeweiligen Verbindung unterschiedlich ist.

Strukturell sind sich die drei Verbindungen sehr ähnlich, Theophyllin und Theobromin unterscheiden sich nur in der Stellung der Methyl-Gruppe, Coffein besitzt eine Methyl-Gruppe mehr.

Tab.1
Coffein, Theophyllin, Theobromin
Coffein - C8H10N4O2Theophyllin - C7H8N4O2Theobromin - C7H8N4O2
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1H-NMR-Spektren

Schon anhand der 1H-NMR-Spektren lassen sich Coffein, Theophyllin und Theobromin gut voneinander unterscheiden. Coffein besitzt eine CH3-Gruppe mehr als die beiden anderen Verbindungen und somit erscheinen im aliphatischen Bereich des Spektrums drei Signale (11, 10, 12), wogegen Theophyllin und Theobromin nur zwei Signale hervorrufen (11, 10 bzw. 10, 12). Die genaue Zuordnung, welches H zu welchem Signal gehört, kann nur durch ein 2D-NMR-Spektrum geklärt werden (siehe unten). Sehr markant ist im Spektrum von Theophyllin das Signal bei 13,5 ppm, was der NH-Gruppe zuzuorden ist. Coffein besitzt keine NH-Gruppen, und folglich erscheinen im Spektrum keine Signale bei hohen Verschiebungswerten. Die NH-Gruppe vom Theobromin gibt ein Signal bei 11,1 ppm.

Abb.2
1H-NMR-Spektren von Coffein, Theophyllin und Theobromin im Vergleich

13C-NMR-Spektren

Die Auswertung der 13C-NMR-Spektren zwecks der Unterscheidung von Coffein, Theophyllin und Theobromin ist etwas schwieriger als mittels der 1H-NMR-Spektren. Die Signale der Ring-C-Atome (2, 4, 5, 6, 8) aller drei Verbindungen erscheinen bei ähnlichen chemischen Verschiebungen, so dass auf diese Weise keine Identifizierung von Coffein, Theophyllin und Theobromin erfolgen kann. Dies kann daher nur noch über die Signallagen der C-Atomen der CH3-Gruppen geschehen. Coffein besitzt drei CH3-Gruppen, somit ergeben sich im aliphatischen Bereich des Spektrums wieder drei Signale (11, 10, 12), also ein Signal mehr als Theophyllin und Theobromin. Theophyllin und Theobromin unterscheiden sich durch die Lagen der CH3-Signale. Beim Theophyllin liegen die Signale der C-Atome 10 und 11 an der gleichen Stelle wie beim Coffein (27,5 und 29, 4 ppm), beim Theobromin trifft dieser Fall auf Signal 12 zu (33,1 ppm). Die chemische Verschiebung des Signals von C-Atom 10 beim Theobromin (28,5 ppm) liegt zwischen denen der Signale der C-Atome 10 und 11 von Theophyllin und Coffein.

Abb.3
13C-NMR-Spektren von Coffein, Theophyllin und Theobromin im Vergleich

HMBC- und HSQC-Spektren

Um die Entscheidung zu treffen, welches C- bzw. H-Atom welches Signal in den 1D-Spektren ergibt, ist die Auswertung von 2D-NMR-Spektren sehr hilfreich. Im Folgenden ist das HMBC-Spektrum von Coffein dargestellt, hier erkennt man Korrelationen über Bindungen zwischen C und H, wobei die Kopplungen über drei Bindungen meist die intensivsten Signale liefern.Mit Hilfe der Kreuzsignale dieses Spektrums kann festgestellt werden, welches 1D-Signal genau welchem der Ringatome 2,4,6 und 8 bzw. den C-Atomen der drei CH3-Gruppen 10, 11 und 12 zuzordnen ist. Aus der Strukturformel des Coffeins ist zu erkennen, dass ausgehend von H-Atom 12 eine C-H Kopplung über drei Bindungen nur mit den C-Atomen 5 und 8 erfolgen kann, für H-Atom 10 sind nur die C-Atome 2 und 6 in Betracht zu ziehen und H-Atom 11 kann über drei Bindungen nur mit den C-Atomen 2 und 4 koppeln. Im HMBC-Spektrum erscheinen für diesen Bereich genau die erwarteten 6 Signale, die in dieser Anordnung die Zuordnung der Signale in der Reihenfolge 11 - 10 -12 (H-NMR-Spektrum) bzw. 4 - 2 - 6 -8 (H-NMR-Spektrum) fest setzen. Mit Hilfe des HSQC-Spektrums (siehe ganz unten), in dem C-H-Korrelationen über eine Bindung dargestellt sind, konnte festgestellt werden, dass sich die C-Atome der CH3-Gruppen im C-NMR-Spektrum in der gleichen Reihenfolge anordnen wie die Protonen im H-NMR-Spektrum (11 - 10 -12).

Analoge Aussagen aus den 2D-NMR-Spektren gelten für Theophyllin und Theobromin.

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