NMR Spektroskopie einfach erklärt

Bei der NMR Spektroskopie findet, wie bei allen Arten der Spektroskopie, eine Wechselwirkung zwischen Materie und elektromagnetischer Strahlung statt. In der Chemie dient die NMR Spektroskopie hauptsächlich der Strukturaufklärung organischer Verbindungen.

Einfach gesagt funktioniert die NMR-Spektroskopie so: Magnetisch aktive Atomkerne einer Probe können mit einem elektromagnetischem Feld wechselwirken. Die Wechselwirkung nennst du auch magnetische Kernresonanz.

Voraussetzung für die Kernresonanz ist, dass der sogenannte Kernspin, der durch die Drehung der Bestandteile des Atomkerns (Protonen, Neutronen) entsteht, ungleich null ist.

Die Abkürzung „NMR“ in NMR Spektroskopie steht für nuclear magnetic resonance. Deswegen nennst du die Methode auch Kernresonanzspektroskopie oder Kernspinresonanzspektroskopie.

NMR Spektroskopie Grundlagen

Atomkerne, bestehend aus Protonen und Neutronen, haben genau wie die Elektronen ebenso einen Drehimpuls.  Der Gesamtdrehimpuls der Kernbestandteile heißt Kernspin. Den Kernspin kannst du dir vereinfacht als Drehung vorstellen: wie bei einem Kreisel.

Dabei ist der Kernspin für die magnetischen Eigenschaften der Atomkerne verantwortlich. Denn die bewegten elektrischen Ladungen erzeugen ein magnetisches Moment µ.

Kernspinquantenzahl 

Verschiedene chemische Elemente und deren Isotope besitzen unterschiedliche Kernspins. Denn er wird durch die Anzahl der Protonen und Neutronen sowie deren Verhältnis bestimmt. Den Wert des Kernspins gibt die Kernspinquantenzahl I an. Allgemein kannst du zwischen vier Fällen unterscheiden:

Protonenanzahl

Neutronenanzahl Kernspinquantenzahl I Beispiel(e)
gerade gerade 0 \ce{^{12}_{6}C},\ce{^{16}_{8}O}
ungerade ungerade ganzzahlig \ce{^{2}_{1}H} -> I = 1

gerade

ungerade

ungerade

gerade

halbzahlig

halbzahlig

\ce{^{13}_{6}C} -> I = 1/2

\ce{^{15}_{7}N} -> I = 1/2

Magnetische Kernspinquantenzahl

Die Anzahl der Energiezustände der magnetischen Atomkerne wird auch durch den Kernspin bestimmt. Du kennzeichnest die einzelnen Zustände durch ihre magnetische Kernspinquantenzahl mI. Sie geben die Orientierungen der magnetischen Momente in einem äußerem Magnetfeld an. Die beiden Größen hängen folgendermaßen zusammen: 

mI = I, I-1, … , –I (Anzahl: 2I + 1)

Wenn du die Kernspinquantenzahl I einsetzt, kennst du sowohl die Anzahl der Energiezustände als auch ihre Werte.

Am Beispiel des Wasserstoffatoms erläutern wir dir das genauer:

  • Der Kernspin beträgt I = 1/2.
  • Somit ist die Anzahl der Energiezustände gleich zwei, wenn du I einsetzt.
  • Die Werte der magnetischen Kernspinquantenzahl gehen dabei von -1/2 bis +1/2.
  • Da es nur zwei Zustände gibt, hast du somit auch direkt die Werte gegeben.

Ohne ein äußeres Magnetfeld sind die Energiezustände der magnetischen Kerne jedoch entartet. Das bedeutet, dass sie energetisch gleich sind.

NMR Spektroskopie Prinzip

Betrachten wir nun was passiert, wenn eine Probe (I = 1/2) einem äußeren Magnetfeld ausgesetzt ist. In einem äußeren Magnetfeld wird die Entartung der Energiezustände aufgehoben. Das bedeutet, dass das magnetische Moment zwei verschiedene Energien bzw. Orientierungen einnimmt. Dadurch kommt es zu einer Energiedifferenz (Zeeman-Effekt).

Kernresonanz

Anschaulich bedeuten die beiden Energien, dass die Spins sich entweder parallel oder antiparallel zum äußeren Feld ausrichten.

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Zeeman-Effekt

Die Kernresonanz beruht nun darauf, dass die Kernspins mit einer bestimmten Energie angeregt werden können. Dadurch kommt es zu Übergängen zwischen den Energieniveaus E1 und E2.

Dabei muss die eingestrahlte Energie der Energiedifferenz von E1 und E2 entsprechen. Das ist die sogenannte Resonanzbedingung. Die Formel für die Energiedifferenz lautet:

\Delta E = \hbar \cdot \gamma \cdot B

Du siehst, dass die Energiedifferenz proportional zu der Stärke des äußeren Magnetfeldes ist. Die anderen beiden Faktoren sind das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum (\hbar) und das gyromagnetische Verhältnis (\gamma) des Atomkerns.

Die Anregung des Kernspins erfolgt im NMR-Experiment durch ein hochfrequentes Wechselfeld. Entspricht die Energie des Wechselfeldes der Differenz, tritt der Resonanzfall ein. Dabei verursacht die elektromagnetische Strahlung Übergänge in beide Richtungen:

  • von E2 zu E1 : den Übergang vom energetisch höheren zum niedrigeren Niveau nennst du induzierte Emission
  • von E1 zu E2 : der Übergang vom energetisch niedrigeren zum höheren Niveau heißt Absorption

NMR aktive Kerne

Nicht alle Atomkerne sind NMR-aktiv. Ihre Kernspinquantenzahl I muss ungleich null sein, damit eine Kernresonanz eintreten kann. Weiterhin ist für ein Experiment wichtig, dass die relative Häufigkeit eines Kerns im Vergleich zu seinen Isotopen möglichst hoch ist.

Denn dann ist die Methode zusätzlich empfindlich genug. In der nachfolgenden Tabelle findest du einige Kerne, die in der NMR Spektroskopie gemessen werden können.

Kern Kernspinquantenzahl I relative Häufigkeit
\ce{^{1}H} 1/2 99,9%
\ce{^{11}B} 3/2 80,1%
\ce{^{13}C} 1/2 1,1%
\ce{^{19}F} 1/2 100%
\ce{^{31}P} 1/2 100%

NMR Spektren

Bei der NMR Spektroskopie erhältst du für deine Probe ein NMR Spektrum. Dort findest du verschiedene Signale auf einer horizontalen Achse aufgetragen. Häufig wird für organische Verbindungen die \ce{^{1}H}-NMR-Spektroskopie durchgeführt. Das bedeutet, dass als magnetischer aktiver Kern das Wasserstoffatom verwendet wird.

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1H-NMR-Spektrum von Ethanol

Am Beispiel von Ethanol erklären wir dir, welche Informationen du aus dem Spektrum bekommst und welche Effekte zu berücksichtigen sind.

Chemische Verschiebung

Du siehst im Spektrum unterschiedliche Ausschläge auf der horizontalen Achse. Die Lage auf der Achse gibt die chemische Verschiebung δ in ppm (parts per million) an. Die im Spektrum sichtbaren Ausschläge nennst du auch Signale oder Peaks.

Die unterschiedlichen chemischen Verschiebungen der Signale bedeuten, dass in dem Ethanolmolekül Wasserstoffatome sind, die eine unterschiedliche Umgebung haben. Denn ihre Magnetfelder sind nicht gleich. Das liegt daran, dass die um den Kern kreisenden Elektronen ebenfalls ein Magnetfeld erzeugen.

Abschirmung und Entschirmung

Das Magnetfeld der umkreisenden Elektronen kann das Magnetfeld an einem Kern auf zwei Arten verändern:

  • Verstärkung des Magnetfelds, hierbei sprichst du auch von Entschirmung
  • Abschwächung des Magnetfelds, auch Abschirmung genannt

Die Energiedifferenz der Kernspinresonanz ist proportional zum Magnetfeld (siehe Resonanzbedingung). Weil die Magnetfelder aber unterschiedlich sind, sind auch die Energiedifferenzen der einzelnen Kernspins verschieden.

Angabe ppm Bedeutung

Die Differenzen sind jedoch so klein, dass für eine vernünftige Auftragung die Werte mit einer Million (106) multipliziert werden müssen. Deswegen erfolgt die Angabe in parts per Million.

Die unterschiedlichen lokalen Magnetfelder führen also zu verschiedenen Energiedifferenzen. Daraus resultiert eine unterschiedliche chemische Verschiebung der Kerne.

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Unterschiedliche Kerne in Ethanol

Im Beispiel des Ethanolmoleküls findest du drei verschiedene Wasserstoffkerne:

  • Methylgruppe (-CH3)
  • Methylengruppe (-CH2)
  • Hydroxygruppe (-OH)

Feinstruktur

Neben der chemischen Verschiebung kannst du einen weiteren Effekt beobachten. Die Signale unterscheiden sich in ihrer Struktur, das heißt in der Anzahl ihrer Untersignale. Die Bildung von Untersignalen nennst du auch auf Aufspaltung.

Die Aufspaltung der Signale in die sogenannte Feinstruktur entsteht durch Kopplungen der magnetischen Momente der benachbarten Kerne untereinander. Dadurch kannst du Informationen über den nächsten Nachbarn der jeweiligen Atomgruppe erhalten.

Die Anzahl der Signale nennst du auch Multiplizität (M). Zur Berechnung kannst du folgende Formel verwenden.

M = 2 \cdot n \cdot I + 1

n steht für die Anzahl der Kopplungspartner und I für die Kernspinquantenzahl. Schauen wir uns die Formel am Beispiel für Ethanol näher an und ordnen die Signale anhand ihrer Multiplizität, also der Anzahl der Kopplungspartner, zu:

  • Die Protonen der Methylgruppe (CH3) erzeugen zusammen ein Signal.
  • Sie koppeln mit den zwei Protonen der Methylengruppe (CH2).
  • Einsetzen in die Formel (I = 1/2) liefert eine Multiplizität von drei (Triplett)

Wenn du die Formel auf die Kerne der Methylen- und Hydroxygruppe anwendest, erhältst du:

  • Methylengruppe: drei Kopplungspartner, M = 4 (Quartett)
  • Hydroxygruppe: kein Kopplungspartner, M = 1 (Singulett)
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Unterschiedliche Kerne in Ethanol

NMR Technik Anwendung

Neben dem häufigen Einsatz der NMR Spektroskopie in der organischen Chemie wird die Kernspinresonanz auch in der Medizin genutzt.

Magnetresonanztomographie

Die Magnetresonanztomographie (kurz: MRT) gehört zu der medizinischen Diagnostik. Sie ist ein bildgebendes Verfahren und wird eingesetzt, um Gewebe und Organe zu untersuchen.

Mit sehr starken Magnetfeldern können die Wasserstoffkerne im menschlichen Körper angeregt werden. Der Kernspintomograph erzeugt bei dem Verfahren ein Bild, auf dem die Gewebetypen unterschiedlich hell erscheinen.

Dabei ist Helligkeit der Gewebetypen u. a. durch den Gehalt der Wasserstoffatome bzw. des Wassers im Körper bestimmt. Daraus können Mediziner beispielsweise Rückschlüsse auf Erkrankungen und Verletzungen ziehen.

Organische Verbindungen

Du kennst nun die Grundlagen der NMR Spektroskopie. Sie umfasst einen Großteil der Analytik organischer Verbindungen. Wenn du mehr über organische Verbindungen und ihre Eigenschaften wissen willst, schau dir unbedingt unser Video dazu an!

Zum Video: Organische Verbindungen
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