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Spin-Spin-Kopplungen

Spin-Spin-Kopplungen: Einleitung

In vielen Fällen sind experimentell erzeugte NMR-Spektren komplizierter als nach der Anzahl äquivalenter Kerne der jeweiligen Verbindung erwartet.

Es kann ein Aufspalten der Signale in einzelne Linien beobachtet werden.

Die Struktur, die durch das Aufspalten der Signale entstanden ist, wird als Feinstruktur, im Falle der hochauflösenden Flüssigkeits-NMR-Spektroskopie auch als Hyperfeinstruktur der Spektren bezeichnet.

Ursache für die zusätzlichen Aufspaltungen sind Spin-Spin-Kopplungen, d. h. Wechselwirkungen zwischen den magnetischen Momenten der beteiligten Kerne. Als Parameter zur Beschreibung der Wechselwirkungen dient die Kopplungskonstante, ihr Betrag - aber nicht ihr Vorzeichen - kann in vielen Fällen aus dem Linienabstand der aufgespaltenen Signale aus den Spektren entnommen werden.

Beispiel

Beispiel: 1,1,2-Tribromethan Br-CH2-CHBr2

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Abb.1
1,1,2-Tribromethan

Zunächst erwartetes 1H-NMR-Spektrum:

  • Die Methylenprotonen sind chemisch äquivalent und ergeben ein Signal bei 4,10 ppm.
  • Das Signal des Protons der CH-Gruppe erscheint bei 5,67 ppm.

Tatsächliches 1H-NMR-Spektrum:

  • Das Signal der Methylenprotonen ist ein Dublett, da sich in Nachbarschaft eine CH-Gruppe befindet.
  • Das Proton der CH-Gruppe ergibt ein Triplett, hervorgerufen durch die CH2 -Gruppe.
Abb.2
Ausschnitt des 1H-NMR-Spektrums von 1,1,2-Tribromethan

Man unterscheidet zwischen der direkten und der indirekten Spin-Spin-Kopplung.

Direkte Spin-Spin-Kopplung

  • Werden die Wechselwirkungen zwischen den koppelnden Kerndipolen direkt durch den Raum übertragen, so spricht man von direkten oder dipolaren Kopplungen. Diese Kopplungen führen zu breiten Absorptionen im Bereich von kHz.
  • Diese direkten Kopplungen spielen jedoch nur in der Festkörper-NMR-Spektroskopie eine Rolle, da sie in Lösung durch die Brownsche Molekularbewegung ausgemittelt werden.

Die folgenden Betrachtungen beziehen sich ausschließlich auf die

Indirekte Spin-Spin-Kopplung

  • Bei den indirekten oder skalaren Spin-Spin-Kopplungen werden die magnetischen Wechselwirkungen über die an den Bindungen beteiligten Elektronen übertragen.
  • Die auf den ersten Blick durch die Kopplungen erhöhte Kompliziertheit der Spektren führt bei genauer Auswertung zu wertvollen Hinweisen zur Molekülstruktur.
  • In den folgenden Ausführungen wird besonders auf die Kopplungen zwischen Protonen (homonukleare Kopplung) und zwischen Kohlenstoff und Protonen (heteronukleare Kopplung) eingegangen. Es gibt auch Kopplungen mit und zwischen anderen Kernen, z. B. 31P, 19F, die theoretisch auf dem gleichen Wirkprinzip beruhen.
Hinweis
Die Signale der in den folgenden Seiten dargestellten Spektren sind meist etwas gespreizt dargestellt, um die Aufspaltungen besser sichtbar zu machen.
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