Leistungsfähiges Benchtop-NMR-System für ¹⁹F-NMR-Spektroskopie

Fluor ist ein wichtiges Element der industriellen Chemie und wird für die unterschiedlichsten Produkte verwendet: Pharmazeutika, Agrochemikalien, Polymere, Tenside und Lösemittel. Man geht davon aus, dass über 20% aller pharmazeutischen Verbindungen Fluor enthalten. 

Die NMR-Spektroskopie ist eine hilfreiche Technologie zur Unter­su­chung von Stoffen die Fluor enthalten, insbesondere organische Fluor­verbin­dungen. Nach ¹H- und ¹³C-NMR, ist ¹⁹F der am häufigsten mit Hilfe dieser Technologie erforschte Atomkern. ¹⁹F-Kerne haben einen Spin von 1/2 und einen hohen gyromagnetischen Koeffizienten, daher sind sie für NMR-Messungen besonders gut geeignet. Das ¹⁹F-Isotop hat durch seine natürliche Häufigkeit von fast 100 % eine hohe Empfindlichkeit, besonders im Vergleich zu anderen Kernen, die nur in geringer Häufigkeit vorhanden sind. Die Frequenz des ¹⁹F-Isotops im Pulsar-System beträgt 56,76 MHZ, so dass ¹H- und ¹⁹F-Spektren mit dem gleichen Messkopf untersucht werden können.

Das Pulsar ist ein leistungsfähiges Benchtop-NMR-Spektrometer, das ohne externe Kühlung und ohne Druckluft auskommt. Es werden 5 mm große Standard-NMR-Röhrchen verwendet, mit denen sich innerhalb nur weniger Minuten die gewünschten Spektren erstellen lassen.

Das in Abb. 1 gezeigte Spektrum ist eine Mischung aus zwei Fluor enthaltenden Chemikalien: Trifluortoluol und Trifluorethanol. Trifluortoluol wird häufig als Referenzmaterial für ¹⁹F-Spektren verwendet. Es erscheint hier als einzelner starker Peak bei einer chemischen Verschiebung von -63,72 ppm gegen CFCl₃. Es handelt sich um einen einzelnen Peak, da die Struktur aus drei äquivalenten 19F-Kernen besteht, die völlig isoliert von anderen Kernen sind, die mit ihnen koppeln könnten. Der Peak des Spektrums der auf Trifluorethanol zurückgeht, ist dreigeteilt. Das liegt daran, dass der ¹⁹F-Kern mit den ¹H-Kernen an benachbarten Kohlenstoffatomen innerhalb des Moleküls koppelt, so wie auch ¹H-Kerne mit benachbarten ¹H-Kernen innerhalb des Moleküls koppeln würden.

Abbildung 2 zeigt das ¹⁹F Spektrum von Perflunafen (Perfluorodecalin). Dieses Spektrum ist komplexer, da sich hier viele ¹⁹F-Kerne in unterschiedlichen chemischen Umgebungen befinden.

Am Schluss werden die ¹⁹F-Spektren zweier unterschiedlich positionierter Isomere von Brom-trifluorbenzol miteinander verglichen. Abbildung 3 zeigt die ¹⁹F-Spektren von 5-Brom-1,2,3-trifluorbenzol und 1-Brom-2,4,5-trifluorbenzol.

Wenn man sich das Spektrum von 5-Brom-1,2,3-trifluorbenzol näher ansieht, erkennt man, dass die Struktur der Peaks bei ca. -162,3 ppm aufgrund der Symmetrie innerhalb des Moleküls fast symmetrisch ist. 

Das einzelne F2 koppelt mit den äquivalenten Fluorkernen (F1 und F3) um eine Dreiergruppe zu bilden und mit den zwei chemisch äquivalenten Protonen (H4 und H6). 

Dadurch entsteht ein Signal, welches als drei Dreiergruppen erscheint.

Die hier vorgestellten Daten zeigen, dass unser Benchtop-NMR-Sys­tem sehr gut für die Messung von ¹⁹F-Spektren geeignet ist und viele Informationen über die Fluorchemie liefern kann. 

Im Vergleich zu Hoch­feld-NMR-Systemen sind unsere Bench­topgeräte deutlich günstiger, sowohl in der Anschaffung als auch im Unterhalt.

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