Spin-Spin-Kopplung

Synonym

• Signalaufspaltung

Bemerkungen

• Die erhaltenen Messsignale der Atomkerne spalten sich oft in mehrere Linien auf. 
• Das Aufspaltungsmuster ergibt sich durch Wechselwirkungen mit Nachbarkernen. 
• Die Spin-Orientierung der Nachbarkerne beeinflusst das lokale Magnetfeld und damit auch die Resonanzfrequenz.

Kopplung mit chemisch äquivalenten (magnetisch äquivalenten) Kernen

• Je nach Anzahl der chemisch äquivalenten Kopplungspartner ergeben sich verschiedene Multiplizitäten:
  • Singulett (s)
    • Nur ein einzelner Peak
    • Es ist kein Kopplungspartner vorhanden
  • Dublett (d)
    • Zwei Peaks mit einem relativen Verhältnis von 1:1
    • Es sind zwei Kopplungspartner vorhanden
    • Die Peaks können auch verschiedene Höhen aufweisen, man spricht dann vom "Dacheffekt" oder einem "Dach"
  • Triplett (t)
    • Drei Peaks mit einem relativen Verhältnis von 1:2:1
    • Tripletts entstehen bei der Kopplung mit zwei anderen, chemisch äquivalenten, Kernen
    • Auch hier ist ein "Dach" möglich
  • Quartett (q)
    • Vier Peaks mit einem relativen Verhältnis von 1:3:3:1
    • Entsteht durch Kopplung mit drei chemisch äquivalenten Kernen, z.B. den Wasserstoffen einer Methylgruppe
  • Quintett (quin)
  • Sextett (sex)
  • Septett (sep) 
• Höhere Multiplizitäten werden meist nicht mehr ausgezählt sondern nur noch als Multiplett bezeichnet.
• Die zu erwartende Multiplizität kann mit Hilfe folgender Formel berechnet werden:

x	:	Multiplizität
I	:	Kernspinquantenzahl
n	:	Anzahl koppelnder Atome

• Daraus ergibt sich für Kerne mit einer Kernspinquantenzahl von 0,5 - wie z.B. "normaler" Wasserstoff - die folgende, vielleicht etwa weniger theoretisch klingende Faustregel:

Multiplizität:= Anzahl der chemisch Äquivalenten Kopplungspartner + 1

• Die Kopplung findet über mehrere Bindungen hinweg statt. Von besonderer Bedeutung ist die Kopplung über 3 Bindungen, Kopplungen über 4 oder 5 Bindungen sind nur sehr schwach und können meist vernachlässigt werden. Kopplung über 3 Bindungen bedeutet, dass 3 Bindungen zwischen den koppelnden Atomen liegen.
• Eine Kopplung über Heteroatome hinweg ist meist nicht erkennbar.
• Das relative Verhältnis der Signalhöhen entspricht den Reihen des Pascalschen Dreiecks.

Kopplung mit chemisch nicht äquivalenten Kernen 

• Hierbei kommt es zur Überlagerung der oben genannten Aufspaltungsmuster.
• So koppeln die beiden Wasserstoffe am mittleren Kohlenstoffatom von X₂HC-CH₂-CH₃ zum einen mit dem einzelnen Wasserstoff auf der linken Seite zu einem Dublett, zum anderen aber auch mit den drei Wasserstoffen der Methylgruppe auf der rechten Seite zu einem Quartett. Als Ergebnis entsteht ein "Dublett-Quartett", eine Überlagerung beider Signale.

Kopplungskonstante (J)

Definition

• Die Kopplungskonstante J [Hz] entspricht dem Abstand der Aufspaltungslinien eines Signals.

Bemerkungen

• Da die Kopplungskonstanten der für die Kopplung verantwortlichen Kerne gleich sein müssen, kann man anhand der Kopplungskonstante die Kopplungspartner im Spektrum identifizieren.
• Der Betrag der Kopplungskonstante hängt ab von der Art und Anzahl der Bindungen über die sie erfolgt.
• Die Kopplungskonstante ist umso höher, der Abstand der Peaks also umso größer, je näher die koppelnden Atome zueinander liegen, je größer also die Wechselwirkungen zwischen ihnen sind. 
  • Wertebereiche:
    • geminale Kopplungen 
      • über 2 Bindungen
      • ²J = 0 - 30 Hz
    • vicinale Kopplungen
      • über 3 Bindungen
      • ³J = 0 - 20 Hz
    • Fernkopplungen
      • über 4 oder mehr Bindungen
      • ⁴J < 1 Hz
  • Ausnahmen:
    • Starre W-Anordnung in Bi- und Polycyclen
    • Allylische und homoallylische Kopplungen

Kopplungstyp	koppelnde H-Atome	Kopplungskonstante J [Hz]	Bezeichnung
geminale Kopplungen (2J)	R2CH2	- 30 bis + 6
	R=CH2	-3,5 bis + 7
vicinale Kopplungen (3J)	R2CH-CHR2	2 bis 14
	RCH2-CH2R	7
	RCH=CHR (cis)	6 bis 14	cis-Kopplung
	RCH=CHR (trans)	11 bis 18	trans-Kopplung
	R=CH-CHR2	4 bis 10
	R=CH-CH=R	10 bis 13
	R2CH-CHO	3 bis 7	Aldehyd-Kopplung
	R=CH-CHO	5 bis 8	Aldehyd-Kopplung
	C6H6 (ortho)	7 bis 10	o-Benzol-Kopplung
Fernkopplungen (4J, 5J, etc.)	H-C-C-C-H	0 bis 10	"W-Kopplung"
	R2CH-CR=CHR	-3 bis + 3,5	allylische Kopplung
	R2CH-C=C-CHR2	0 bis 2,5	homoallylische Kopplung
	R2CH-CC-CHR2	0 bis 3	Acetylen-Kopplung
	C6H6 (meta, para)	0 bis 3	m- bzw. p-Benzol-Kopplung

• Bei vicinalen Kopplungen vom Diederwinkel 
  • -> Karplus-Kurve
  • ....

• Siehe auch:
  • Chemische Verschiebung
  • Kernresonanz-Spektroskopie