NMR und Chemie

Die für den Chemiker interessante Information eines NMR Spektrums ist die chemische Verschiebung, die es gestattet, verschiedene Atome des gleichen Atomtyps in einem Molekülverband zu detektieren. D.h. Atome des gleichen Isotops haben mit unterschiedlicher chemischer Umgebung ebenso unterschiedliche Resonanzfrequenzen.

Wie ist es nun möglich, dass die chemische Umgebung eines Atoms die Kernresonanzfrequenz beeinflusst, wo sie doch als Eigenschaft eines Atomkerns eine quantenmechanisch definierte Fixgröße ist?

Die Elektronen, die die chemischen Bindungen in Molekülen bilden, liefern den Schlüssel zur Beantwortung dieser Frage: diese erzeugen Zusatzfelder, welche – vereinfacht dargestellt – in Abhängigkeit von der chemischen Umgebung und Funktionalität unterschiedlich stark sind und vor allem mit dem oder gegen das von außen angelegte oszillierende „Resonanzmagnetfeld" wirken können.

Diese Entschirmung oder Abschirmung des zu messenden Atoms hat zur Folge, dass die sehr wohl definierte, fixe Resonanzfrequenz der betrachteten Kernsorte für die einzelnen Atome im Molekülverband in Abhängigkeit von deren chemischer Umgebung schon „früher" oder erst „später" erreicht wird, d.h. von außen eine kleinere oder eine größere Frequenz angelegt werden muss, um die quantenmechanisch definierte Resonanzbedingung am Kernort zu erfüllen.

Das Ergebnis ist dann ein NMR-Spektrum der Substanz.

Die Akzeptanz dieser physikalischen Messmethode bei Chemikern ist nicht zuletzt deshalb so groß, weil die chemische Verschiebung, besonders bei der für den Organiker enorm wichtigen ¹H und ¹³C-NMR-Spektroskopie, sehr gut mit den ihm aus Mechanismus- und Reaktivitätsbetrachtungen geläufigen induktiven und mesomeren Effekten (+I, -I, +M, -M) korreliert.

Wertvolle Zusatzinformationen können bei NMR-Spektren noch aus Multiplizitätsanalyse und Frequenzabstand (= Kopplungskonstante J) von Liniengruppen, die durch Wechselwirkung der Kernspins benachbarter Atome (=J-Kopplung) entstanden sind, erhalten werden. Aus solchermaßen ermittelten Konnektivitäten können direkt Teilstrukturen abgeleitet werden.

Geeignet und ergänzend kombiniert liefert diese Methode Konstitutions-, Konfigurations- und Konformationsaussagen, was sie zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Strukturaufklärung und –interpretation werden lässt.