NMR-Spektroskopie – Grundlagen und die Grobstruktur von NMR-Spektren

Hallo und herzlich willkommen! Das Thema unseres heutigen Videos lautet 'NMR-Spektroskopie'.

Nach dem Video weißt du, auf welchem Prinzip die NMR-Spektroskopie beruht, was die chemische Verschiebung und die Grobstruktur eines NMR-Spektrums sind und welche Einsatzgebiete die NMR-Spektroskopie besitzt. Um das Video zu verstehen, solltest du allerdings bereits wissen: 1. Was Spektroskopie überhaupt ist, 2. Wie ein Atom aufgebaut ist, 3. Was elektromagnetische Strahlung ist und 4. solltest du auch eine Ahnung davon haben, was Magnetismus ist.

Was ist NMR-Spektroskopie? Nun ja, vielleicht gibt uns ja der Name Aufschluss. N, M, R - diese drei Buchstaben stehen für 'nuclear magnetic resonance'. Diese NMR-Spektroskopie muss folglich irgendetwas zu tun haben mit Atomkernen, mit Magnetismus und mit der Reaktion auf irgendeine Einwirkung, und genau so ist es auch. Nun denn, dann schauen wir uns doch mal einen Atomkern genauer an. Wie jeder weiß, bestehen Atomkerne aus neutralen Neutronen und positiv geladenen Protonen. Beide zusammen nennt man auch Nukleonen. Nun ist es so, dass jedes dieser Nukleonen, also egal ob Neutron oder Proton, einen eigenen sogenannten 'Spin' besitzt, das ist ein Drehimpuls. Und zwar besitzt jedes Nukleon, also jedes Neutron oder jedes Proton, einen Spin von genau ½. Aus den einzelnen Spins dieser Nukleonen lässt sich nun der Spin des gesamten Atomkerns berechnen, und zwar ganz einfach, indem man die Einzelspins addiert. Besitzt unser Atomkern nun eine gerade Nukleonenzahl, dann wird sein Gesamtspin eine ganze Zahl sein. Irgendwie logisch, oder? Besitzt unser Atomkern aber eine ungerade Nukleonenzahl, dann haben wir einen halbzahligen Kernspin als Ergebnis, also irgendetwas mit ½ hinten. Und genau solche Atomkerne mit ungerader Nukleonenzahl, also mit halbzahligem Kernspin, interessieren uns hier, denn sie haben eine besondere Eigenschaft.

Kerne mit halbzahligem Kernspin besitzen ein magnetisches Moment - und was kann man sich darunter vorstellen? Nun, das ist so, als wäre jeder einzelne dieser Atomkerne selber ein winzig kleiner Magnet. Schauen wir nun eine Probe an, in der wir mehrere derartige Kerne haben. In der Regel werden all diese kleinen Einzelmagnete verschieden oder statistisch ausgerichtet sein. Das heißt, ihre Magnetfelder sind unterschiedlich orientiert. Legt man aber nun ein äußeres Magnetfeld an diese Probe an, welches natürlich eine bestimmte Richtung aufweist, so werden sich die Magneten an diesem Magnetfeld ausrichten - wie kleine Kompassnadeln. Schauen wir uns nun mal einen dieser Einzelmagneten an und tragen seinen Zustand auf einer Energieskala auf. Nun könnte es ja sein, dass dieser Kern seine Orientierung von 'parallel zum Magnetfeld' auf 'antiparallel' ändern möchte, und das ist natürlich auch erlaubt. Allerdings muss dafür Energie zugeführt werden, denn der antiparallele Zustand ist energiereicher als der parallele Zustand. Den parallelen, energetisch günstigeren, also niedrigeren Zustand nennen wir 'relaxiert', den antiparallelen, energetisch höher stehenden 'angeregt'. Und zwischen diesen beiden Zuständen kann unser Kern hin- und herswitchen, vorausgesetzt, es steht ihm die nötige Energie zur Verfügung.

Und woher könnte die nötige Anregungsenergie kommen? Nun, da bietet sich eine alte Bekannte an, nämlich die elektromagnetische Strahlung. Und was passiert mit der Energie, wenn der Kern wieder relaxiert? Sie wird als Wärme abgegeben, ganz einfach. So weit sind wir also: Wir brauchen elektromagnetische Strahlung, um unsere Kerne anzuregen. Nun ist es so, dass diese beiden Energieniveaus, das relaxierte und das angeregte, sehr eng oder relativ eng beieinanderliegen. Das heißt, wir brauchen eine relativ geringe Energie, um anzuregen, und folglich auch eine relativ niederfrequente elektromagnetische Strahlung. Tatsächlich nimmt man Strahlung im Frequenzbereich zwischen 100 und 900 MHz, was dem Radiobereich entspricht. Also, was passiert nun praktisch bei der NMR-Spektroskopie? Wir legen an die Probe ein äußeres Magnetfeld an, dann bestrahlen wir die Probe mit radiofrequenter Strahlung und dann messen wir die Absorption dieser Strahlung. Je mehr Strahlung absorbiert wurde, desto mehr Kerne wurden angeregt. An dieser Stelle sollte man sich auch daran erinnern, dass man diese Art der Spektroskopie nicht mit allen Stoffen betreiben kann; man ist beschränkt auf Kerne mit halbzahligem Kernspin, also solche, welche ein magnetisches Moment besitzen. In der Praxis ist das im Wesentlichen 1H, also ein Wasserstoffatom oder das relativ seltene Isotop 13C, oder - ebenso selten - 31P oder 19F. Mit Kernen dieser Isotope kann man NMR-Spektroskopie betreiben. Aber schauen wir uns das noch mal genauer an.

Wir haben einen Atomkern, der sich an einem äußeren Magnetfeld ausgerichtet hat. Nun schwebt dieser Kern aber nicht einsam im Universum herum, sondern er ist Teil eines komplexen Moleküls mit einer komplexen räumlichen Struktur. Die Atome, die unserem betrachteten Kern benachbart sind, beeinflussen nun die Art und Weise, wie unser Kern das äußere Magnetfeld wahrnimmt. Man sagt auch: Die chemische Umgebung des betreffenden Kerns schirmt den Kern vom äußeren Magnetfeld mehr oder minder ab. Und was unser Kern dann spürt, ist dann nicht mehr die Stärke des äußeren Magnetfeldes, sondern ein sogenanntes 'effektives' Magnetfeld. Man kann nun also auch konsequenterweise sagen: Aufgrund der Abschirmung durch die unmittelbare chemische Umgebung ist das effektive Magnetfeld geringer als das außen angelegte. Dadurch kann der Kern aber auch schon bei geringerer Energie, sprich Frequenz, angeregt werden. Und daraus ergibt sich dann die Schlussfolgerung: Die exakte Anregungsfrequenz eines Kerns hängt von der unmittelbaren chemischen Umgebung ab, sprich davon, wie stark er abgeschirmt ist. Und daraus wiederum leitet sich ab: Die genaue Lage des Absorbtionssignals liefert Informationen über die chemische Umgebung des Signal gebenden Kerns, und damit eben auch über die Molekülstruktur.

Hatten wir vorhin also gesagt, das Prinzip der NMR-Spektroskopie bestünde darin, dass man zunächst ein äußeres Magnetfeld an eine Probe anlegt, dann die Probe mit radiofrequenter Strahlung bestrahlt und dabei die Absorption dieser Strahlung misst, so muss auf jeden Fall noch hinzugefügt werden, dass die Bestrahlung der Probe mit unterschiedlichen Wellenlängen geschieht - und damit sind wir wieder bei einem typischen Absorptionsspektrum. Wir haben eine y-Achse, auf der die Absorption aufgetragen wird, und dann noch eine x-Achse, auf der wahrscheinlich die Wellenlänge aufgetragen wird, oder die Frequenz, oder z. B. die Wellenzahl, die ja alle ein Synonym für die Energie sind. Tatsächlich wird bei der NMR-Spektroskopie keines dieser Dinge auf die x-Achse aufgetragen. Warum nicht? Tatsächlich ist es ja so, dass die absolute oder die reale Anregungsenergie auch vom außen angelegten Magnetfeld abhängt, und nicht nur von der chemischen Umgebung. Da dieses außen angelegte Magnetfeld aber von Labor zu Labor, von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein kann, hat man es vorgezogen, an dieser Stelle ein relatives Maß einzuführen. Man nennt dieses Maß auch die 'chemische Verschiebung' und bezeichnet es mit dem Buchstaben δ. Ein Wert von 0 auf der x-Achse bedeutet, keine Abschirmung ist vorhanden, und ein Wert links auf der x-Achse bedeutet, eine starke Abschirmung ist vorhanden. Die Einheit für die chemische Verschiebung lautet übrigens 'ppm', also 'parts per million', und zwar ppm der eingestrahlten Frequenz. Wenn ich also eine chemische Verschiebung von 1 ppm habe, dann heißt das, dass ich mit einer Frequenz einstrahle, die 1 ppm geringer ist, also die Frequenz, die ich hätte bei 0. Bei 2 wäre es eben eine Frequenz, die um 2 ppm reduziert ist, und so weiter. Nun ist es ja wie gesagt so, dass diese ppm-Skala, diese Skala der chemischen Verschiebung, ein relatives Maß ist. Deshalb muss immer eine Eichsubstanz verwendet werden, um verschiedene Spektren miteinander vergleichbar zu machen. Bei der 1H-NMR ist diese Eichsubstanz in der Regel sogenanntes TMS, Tetramethylsilan. Das heißt, jedes Mal, wenn auf der Welt ein 1H-NMR-Spektrum aufgenommen wird, dann wird der Probe ein kleines bisschen TMS zugefügt, welches dann das 0-Signal liefert. Die chemische Verschiebung der anderen Signale wird dann relativ zu diesem Signal gemessen.

Also, noch einmal in der Praxis: Wie nehmen wir ein NMR-Spektrum nun auf? Wir lösen die Probe in einem geeigneten Lösungsmittel und fügen etwas Eichsubstanz hinzu, wir legen ein äußeres Magnetfeld an und bestrahlen die Proben mit unterschiedlichen Wellenlängen, die allerdings alle im Radiofrequenzbereich liegen, und dann messen wir bei jeder Wellenlänge die Absorption - und fertig ist das Spektrum. Ich möchte das mal an einem ganz konkreten Beispiel demonstrieren. Schauen wir uns mal das 1H-NMR-Spektrum des Ethanols an. Ethanol besitzt insgesamt 6 Wasserstoffatome, und nur die interessieren uns, denn es geht ja um 1H-NMR-Spektroskopie. Aufgrund des eben Gelernten können wir uns auch denken, dass Kerne mit gleicher chemischer Umgebung auch Signale bei gleicher chemischer Verschiebung ergeben werden. Solche Kerne nennt man dann 'magnetisch äquivalent', das heißt gleichwertig. Man spricht auch von 'Sätzen' magnetisch äquivalenter Kerne. Nun, wo finden wir derartige magnetisch äquivalente Kerne in diesem Molekül? Schauen wir uns mal die drei Wasserstoffatome am linken Kohlenstoffatom an. Alle drei haben offensichtlich dieselbe chemische Nachbarschaft, denn alle drei sind an dasselbe C-Atom gebunden. Folglich sind diese drei Wasserstoffatome magnetisch äquivalent, sie bilden einen Satz magnetisch äquivalenter Kerne. Auch die zwei Wasserstoffatome am nächsten Kohlenstoffatom sind magnetisch äquivalent; auch diese beiden haben eine identische chemische Umgebung, und folglich bilden sie einen weiteren Satz magnetisch äquivalenter Kerne. Nun bleibt nur noch das Wasserstoffatom an der Hydroxylgruppe übrig, und dieses Wasserstoffatom bildet für sich selbst auch wieder einen Satz magnetisch äquivalenter Kerne, bestehend allerdings nur aus einem Wasserstoffatom.

So, nun haben wir drei Sätze gefunden, und folglich erwarten wir auch drei Signale. Und nun wäre es interessant zu wissen, bei welcher chemischen Verschiebung nun welcher Satz erscheint, und da gibt es die Grundregel, dass stark elektronegative Nachbarn eine starke Abschirmung bewirken. Da hier das Sauerstoffatom vor allem der elektronegative Nachbar sein kann, ist das Wasserstoffatom ganz rechts am stärksten davon betroffen. Die drei Wasserstoffatome ganz links dagegen sind am weitesten von diesem Sauerstoffatom entfernt, folglich würde man bei ihnen die schwächste chemische Verschiebung erwarten - und genau so verhält es sich dann auch. Das Signal für den Dreiersatz erscheint ungefähr bei 1, das für den blauen Zweiersatz ungefähr bei 3, und das für die Hydroxylgruppe ungefähr bei 5, bei der stärksten chemischen Verschiebung. Tatsächlich hält unser Spektrum noch mehr Informationen für uns bereit, und zwar werden die drei Peaks auch unterschiedlich groß sein, und zwar dergestalt, dass die Fläche unter der Kurve der Anzahl der beteiligten Wasserstoffatome entspricht. Mit anderen Worten: Der Peak ganz rechts müsste dreimal so groß sein wie der Peak ganz links, da ja am rechten Peak 3 Wasserstoffatome beteiligt sind, am linken Peak nur 1. Häufig findet man in solchen Spektren eine seltsame Terrassenkurve, wie ich sie hier aufgezeichnet habe, die dann auch genau diese Information liefert. Die Stufenhöhe bei jedem Peak entspricht dann genau der Fläche unter der Kurve dieses Peaks. Durch Ausmessen dieser Stufe kann man also eine Aussage treffen, wie viele Protonen an jedem Signal beteiligt sind, in unserem Falle 1, 2 und 3.

Und allein schon aufgrund von diesen Aussagen können wir schon sagen, dass dieses Spektrum doch ziemlich plausibel das wiedergibt, was als Molekül vorliegt, nämlich Ethanol. Hier noch einmal als Zusammenfassung, welche Informationen uns dieses Spektrum hier liefert: Zunächst einmal sagt uns dieses Spektrum etwas über die Anzahl magnetisch äquivalenter Kernsätze, entsprechend der Anzahl der Signale. Des Weiteren sagt uns die Lage dieser Signale, also die chemische Verschiebung, etwas über die Abschirmung der einzelnen Kernsätze aus und damit etwas über die chemische Umgebung. Die dritte Information, die uns das Spektrum liefert, betrifft die Größenrelation zwischen den verschiedenen Sätzen. Je größer ein Signal, desto mehr Kerne sind an diesem Signal beteiligt. Ein NMR-Spektrum, das uns diese drei Informationen liefert, nennt man ein 'Grobstruktur-Spektrum', oder auf englisch auch 'low resolution spectrum' genannt. Und das legt die Vermutung nahe, dass es vermutlich auch ein 'Feinstruktur-Spektrum' gibt bzw. ein 'high resolution spectrum'. Und in der Tat ist es so, dass uns ein NMR-Spektrum noch viel, viel mehr Informationen liefern kann also die, die ich jetzt hier dargestellt habe, aber darauf möchte ich jetzt an dieser Stelle nicht eingehen, sondern darüber ein eigenes Video drehen.

Stattdessen möchte ich an dieser Stelle noch auf die Einsatzgebiete der NMR-Spektroskopie eingehen. Wie ihr euch sicher schon gedacht habt, dient die NMR-Spektroskopie vor allem der Strukturaufklärung chemischer Verbindungen, und zwar ist die NMR-Spektroskopie dermaßen vielseitig und dermaßen genau, sodass damit sogar die 3D-Strukturen von Proteinen aufgeklärt werden können, also richtig, richtig, richtig komplizierte Strukturen. Ein weiteres, viel bekannteres Gebiet ist die sogenannte Kernspintomografie. Was passiert dabei genau? Nun, wie ihr ja wisst, besteht der Körper zu einem großen Teil aus Wasser - und dieses Wasser enthält Wasserstoffatome. Nun können die Kerne dieser Wasserstoffatome in der eben beschriebenen Weise angeregt und die Absorption dieser Anregung gemessen werden. Man kann nun Geräte bauen, bei denen diese Anregung lokal im Körper erzeugt werden kann, und zwar auch im lebendigen Körper. Macht man das, dann kann man auf diese Weise wasserreiche und wasserarme Gewebe unterscheiden, und anhand dieser gewonnenen Erkenntnisse eine dreidimensionale Abbildung des Körperinneren konstruieren. Kurzum, die Kernspintomografie ist ein bildgebendes Verfahren in der Medizin.

So, und damit wären wir auch schon am Ende dieses Videos. Wir haben darin gelernt, welches Prinzip der NMR-Spektroskopie zugrunde liegt, was man unter chemischer Verschiebung und Grobstruktur eines NMR-Spektrums versteht und wo die NMR-Spektroskopie Einsatz findet. Und wer sich weiter für dieses Thema interessiert, der möge doch ruhig das Video anschauen, bei dem es um die Feinstruktur-Spektren geht.

Vielen Dank für das Zuschauen, tschüss und bis zum nächsten Mal!