Spin-Spin-Kopplung

Die Spin-Spin-Kopplung ist ein Begriff aus der H-NMR-Spektroskopie und erklärt die Wechselwirkungen chemisch nicht äquivalenter Wasserstoffatome untereinander; Das sind die sogenannten Spin-Spin Kopplungseffekte.

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Spin-Spin Kopplungseffekte bei der H-NMR-Spektroskopie

Man stellt sich vor, dass ein H-Kern das Magnetfeld des Nachbarkernes (des Nachbar H-Atoms) wahrnimmt. Das Magnetfeld des Nachbarkernes kann eine parallele oder antiparallele Ausrichtung zum betrachteten H-Kern annehmen. Dies entspricht beim Anliegen eines äußeren Magnetfeldes verschiedenen Energiezuständen und führt somit zu einer Aufspaltung des NMR-Signals (Peak) durch ein einziges Nachbaratom zu einem Dublett. Bei n Nachbaratomen spaltet sich ein Peak in ein Multiplett auf. Die Formel lautet: M = n + 1 Dies gilt nur für äquivalente, d. h. in gleicher Umgebung befindliche, Wasserstoff-Atome. Bei dem betrachteten H-Atom, welches äquivalente H-Atome als Nachbaratome besitzt, werden diese zusammengezählt und führen zu einem Multiplett entsprechend hoher Ordnung.

Beispiel: Propan und Ethanol

Als ein einfaches Beispiel dient Propan (CH3CH2CH3): Die CH2 Gruppe beim Propan hat zwei Methylgruppen als Nachbaratome (CH3), dies entspricht 6 benachbarten, äquivalenten H-Atomen. Das Signal wird also in ein Septett aufgespaltet. Bei nichtäquivalenten H-Atomen werden die Nachbaratome einzeln betrachtet, dabei könnte es zu einer Überlagerung der einzelnen Peaks kommen. Um solche Fälle besser auflösen zu können, wird hierfür vielfach auf mehrdimensionale NMR-Techniken wie COSY zurückgegriffen. Der Abstand der einzelnen Peaks in einem Multiplett wird als Kopplungskonstante J bezeichnet. Sie ist unabhängig von dem außen angelegten Magnetfeld.

Die Intensität der einzelnen Signale innerhalb des Multipletts wird durch das Pascalsches Dreieck vorgegeben.

Erklärungen zum Spektrum von Ethanol:

Die OH-Gruppe bildet nur ein Singulett, wenn das Ethanol in wässriger Lösung vorliegt. Das alkoholische Wasserstoffatom ist acide, und kann deswegen ständig durch Wasserstoffatome aus dem Lösungsmittel ausgetauscht werden. Das führt dazu, dass keine permanenten Spin-Spin-Kopplungseffekte auftreten. In reinem Ethanol würde dort, wegen der CH2-Gruppe wie erwartet (M=n+1), ein Triplett entstehen.