974 Notizen
Beziehungen zwischen chemischer Verschiebung und Ladungsdichte. II
H . Sterk und H. H olzer
Institut für Organische Chemie der K arl Franzens Universität Graz (Z. Naturforsch. 29 a. 9 7 4 -9 7 5 [1974] ;eingegangen am 26. A p ril 1974)
Relations between chemical shift and charge density. 11 It has been shown that the chemical shift of protons in aryl-ortho-diketo compounds is not better represented by adding the electric fieldeffect, proposed by Buckingham, to the charge density calculated by CND O II.
Diskutiert man die Th eorie der chemischen V e r
schiebung, so kann, um die zur Zeit für größere M oleküle unmögliche Absolutberechnung1-3 zu um
gehen, die Verhaltensweise von Protonen als Summe dreier Term e dargestellt werden 4.
0 = °dia + °para + 0 *
Letzterer Term stellt dabei eine Größe dar, welche Anom alien in der chemischen Verschiebung von Molekülen beschreibbar macht. In der vorliegenden A rb eit — vergleiche auch 5 — w ird der Versuch unternommen, diesen Term durch eine Reihe von makroskopischen magnetischen Beiträgen zu ersetzen.
o = a, + ow + ar + oef 5-8 .
Versucht man nun eine möglichst eindeutige N M R - spektroskopische Zuordnung der H-Atom lagen aus gerechneten M O-Daten ( P /(/(-W erten) * * , entspre
chend der Zielsetzu n g9, zu form ulieren, so erhält man aus den W erten (d er Ladungsdichte) eine Beschreibung von ollia 9. opara kann nach P ople für Atom e mit reiner s-Schale <I> gesetzt werden.
Für strukturell ähnliche Verbindungen, die noch dazu alle im selben Lösungsmittel vermessen wer
den, ist zusätzlich die Vernachlässigung von Oj, aw und oT erlaubt, so daß sich vor allem der intram ole
kulare Nachbargruppen-Dipoleffekt oc als ein — die
Sonderdruckanforderungen an UD. Dr. Heinz Sterk, In stitut für Organische Chemie der Universität Graz, A-8010 Graz, Heinrichstraße 28.
* ödia Beitrag des Diamagnetismuses (Lam b-Term ).
Opara Paramagnetischer Term (für # = < ? ) .
o' Effekt der Elektronenbewegung an den anderen Atom en und alle nicht lokalisierbaren Ringströme, ai Beitrag an Lösungsmitteleffekten.
Oyf Einfluß van der Waalscher Wechselwirkung;
fluktuierender Dipol in Zusammenhang mit pola
rem Lösungsmittel.
oT Beitrag des Ringstromeffektes.
ae Beitrag intramolekularer elektrischer Feldeffekte als F olge von vorhandenen Nachbargruppen-Di- polen.
* * P /lß Diagonalelem ent der Dichtematrix, dessen W ert q die Ladungsdichte im /<-ten Atomorbital.
Tab. 1. Aryl-ortho-Diketoverbindungen — gemessene und berechnete chemische Verschiebungen.
^gemessen <7dia + 0e ödia oc t
1. Phthaldialdehyd 7,93 7,91 7,97 0,28
7,81 7,90 7,88 0,04
2. Ninhydrin 7,99 7,85 7,89 0,16
7,94 7,92 7,89 0,03
3. 1,3-Indandion 7,96 7,90 7,91 0,16
7,84 7,87 7,85 0,03
4. Phthalsäure 8,09 8.07 8,00 0.10
anhydrid 8,03 8.00 7,93 0,02
5. Dicyanmethylen- 8,07 7,86 7,88 0,12
indandion-1,3 8,05 7,91 7,88 0,02
6. Phthalim id 7,75 7,87 7,89 0,12
7,75 7,93 7,89 0,02
7. Naphthochinon 8,01 7,93 7.97 0.30
7,70 7,81 7,83 0.04
8. Phthalsäure 7,70 7,92 7,95 0,28
7,58 7,58 7,57 0,04
t D ie 0e-Werte sind auf Naphthalin bezogen.
aus den P /(/<-Werten erhaltenen a-W erte — korrigie
render Faktor anbietet.
Für die in der vorliegenden A rb eit interessie
rende MO-theoretische Beschreibung der chemischen Verschiebung von verschiedenen symmetrischen Aryl-ortho-D iketoverbindungen (siehe Tab. 1) ist demnach versuchsweise zusätzlich zu 0^ ein elek
trischer Feldeffekt * * * der Carbonylgruppe 12 als Abschirmmechanismus form uliert worden. Der m a
gnetische Anisotropieeffekt ist entsprechend dem all
gemeinen Ansatz o = atl|a + o e in oe berücksichtigt.
D ie chemischen Verschiebungen d er Arylprotonen wurden nach folgen d er Gleichung berechnet:
a = 36,33 - 28,25 q H - 0,05 q C - 0,47 aE * D ie Rechenergebnisse sind in Tab. 1 zusammenge
stellt. In A bb. 1 werden die beobachteten (5-Werte m it den berechneten verglichen. W ie aus Abb. 1 er
sichtlich ist, stellt die Einbeziehung von aus dem elektrischen Feldeffekt keine wesentliche Verbesse
rung in der Beschreibung der chemischen Verschie-
* * * M it H ilfe des elektrischen Feldstärkevektors Eg in Rich
tung der CH-Bindung und der elektrischen Feldstärke E2 setzt man nach der Theorie von Buckingham 5Ab wie folgt a n :
Ad = oe — —k.2-Ez — ks E 2 (p p m ).
Zur Berechnung wurden die Buckingham-Konstanten (k2 = 2,0 und k3 = 1,0) verwendet. Das C = 0-Grup- penmoment entstammt dem Tabellenwerk von Landolt Börnstein 10. Die Buckingham-Konstanten erweisen sich für die hier vermessenen Aryl-substituierten Carbonyl
verbindungen wesentlich günstiger als die von Zürcher11 vorgeschlagenen W erte.
* D ie Ladungsdichtewerte q sind nach der CNDO-Methode beredinet. Die Gleichung stellt eine Ausgleichsgerade zur Vorhersage von ^-Werten aus ^-Werten dar.
<711 = Ladungsdichte am beobachteten H -A to m ;
qG — Ladungsdichte am — zum H-Atom benachbarten — C-Atom.
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ögem.
Abb. 1 Graphische Darstellung der gemessenen chemischen Verschiebungen <5 gegen die aus der Gleichung gerechneten.
Für die Position der Arylprotonen o, m zum Substituenten steht symbolisch o, x. D ie Zahlen neben den Punkten im Diagramm entsprechen der Numerierung der in Tab. 1 an
geführten Verbindungen. D ie vollen Symbole •,► <( stehen für die entsprechenden Punkte, die ohne Berücksichtigung
von o e berechnet wurden.
bung dar. D er Standardfehler beträgt im obigen Fall 0,1345, während bei Nichtberiicksichtigung von
1 N. F. Ramsey, Phys. Rev. 78, 699 [1950] et ibid 86, 243 [1952].
2 J. A . Pople, J. Chem. Phys. 37, 53 [1962] et ibid 37, 60 [1962].
3 A . Saika u. C. P . Slichter, J. Chem. Phys. 22, 26 [1954].
4 M . Karplus u. J. A . Pople, J. Chem. Phys. 38, 2803 [1963].
5 A. D. Buckingham, Canad. J. Chem. 38, 300 [I9 6 0 ].
6 L. Onsager, J. Am er. Chem. Soc. 58, 1486 [1936].
e»E eine Ausgleichsgerade der Form
o= 25,28 — 17,23
g n— 0,05
qo,mit einem Standardfehler von 0,1353 resultiert.
Zur exakteren Voraussage der chemischen Verschie
bung von H -Atom en ist somit eine K orrektur durch Addition des Beitrages aus dem intramolekularen Carbonylgruppen-Dipoleffekt nicht von Bedeutung.
Gleichzeitig erscheint durch dieses Ergebnis die zu
sätzliche Verw endung m olekularer magnetischer Größen w ie oE — zumindest was den Einfluß von Carbonylgruppen betrifft — zur Beschreibung von o in Frage gestellt.
Die NM R-M essungen erfolgten auf einem H A- 100 D Kernresonanzgerät, für dessen Bereitstellung dem Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (P ro je k t N r. 1259) herzlich gedankt wird.
D ie W erte der chemischen Verschiebungen ((5- W erte in ppm ) sind auf T M S als innerer Standard bezogen. W egen der teils vorhandenen Schwerlös
lichkeit w urde D M S O D 6 als Lösungsmittel verw en
det. D ie Bestimmung der -W erte der einzelnen Protonen aus den NM R-Spektren ist mit H ilfe des iterativen Verfahrens L A G C N (Q C P E 111) vo rge
nommen worden, w obei der RM S-Fehler der jew eils letzten Iteration stets W einer als 0,10, die Fehler der Parametersätze stets kleiner als 0,07 waren.
7 A. A . Bother-By u. R. E. Glick, J. Chem. Phys. 26, 1647 [1951].
8 G. G. H all, H. Hardisson u. L. M . Jackmann, Tetrahedron 19, Suppl. 2, 101 [1 963].
9 H. Sterk u. H. Holzer, Org. M ag. Res. im Druck.
10 Landolt Börnstein, 1. Band Atom- und M olekularphysik, 3. T eil, M olekeln II, S. 507 [1951].
11 R. F. Zürcher in Progress in Nuclear M agnetic Resonance Spectroscopy, Bd. 2, S. 205.
12 A. P. Simon, Tetrahedron 26, 119 [1968].
