Strukturaufklärung: NMR-Spektroskopie

Die NMR-Spektroskopie ist ein komplexes Thema, das von aktiven Lernmethoden profitiert. Durch problembasiertes Lernen und praktische Anwendungen können Schülerinnen und Schüler abstrakte Konzepte greifbarer machen und ihre analytischen Fähigkeiten schärfen.

• Klasse 12
• Chemie der Oberstufe: Von der Thermodynamik zur modernen Synthese
• 3 Aktivitäten
• 45 Min.–60 Min.

Problemorientiertes Lernen

⏱ 60 Min.·Kleingruppen

Stationsarbeit: NMR-Spektren analysieren

An verschiedenen Stationen erhalten die Schülerinnen und Schüler Spektren einfacher organischer Moleküle (z.B. Ethanol, Aceton) und müssen die Struktur anhand der chemischen Verschiebungen, der Signalintegration und der Kopplungsmuster ableiten. Eine weitere Station könnte die Zuordnung von Signalen zu bestimmten Protonen im Molekül beinhalten.

Vorbereitung & Details

Welche Information liefert die chemische Verschiebung im NMR-Spektrum?

Moderationstipp: Beim Stationsarbeit-Format sollten Sie sicherstellen, dass die Schwierigkeit der Spektren an den Stationen schrittweise ansteigt, um die Problemlösefähigkeiten der Schülerinnen und Schüler zu fördern.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Recherchequellen

Materials: Dokumentation des Problemszenarios, KWL-Tabelle (Wissen, Wollen, Lernen) oder Inquiry-Framework, Ressourcenpool / Handapparat, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Problemorientiertes Lernen

⏱ 45 Min.·Kleingruppen

Spektren-Puzzle

Jede Gruppe erhält eine Reihe von Molekülstrukturen und eine Reihe von NMR-Spektren. Die Aufgabe ist es, die korrekten Spektren den jeweiligen Strukturen zuzuordnen und die Begründung dafür zu formulieren.

Vorbereitung & Details

Erklären Sie die Bedeutung der Signalintegration und der Spin-Spin-Kopplung.

Moderationstipp: Beim Spektren-Puzzle ist es hilfreich, die Gruppen zu ermutigen, ihre Zuordnungsstrategien zu diskutieren und zu begründen, um das Verständnis für die Zusammenhänge zu vertiefen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Recherchequellen

Materials: Dokumentation des Problemszenarios, KWL-Tabelle (Wissen, Wollen, Lernen) oder Inquiry-Framework, Ressourcenpool / Handapparat, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Problemorientiertes Lernen

⏱ 50 Min.·Einzelarbeit

Simulation am Computer

Nutzung von Online-Tools oder Software, die die Erstellung und Analyse von NMR-Spektren simuliert. Die Schülerinnen und Schüler können so experimentieren, wie sich Änderungen in der Molekülstruktur auf das Spektrum auswirken.

Vorbereitung & Details

Konstruieren Sie eine mögliche Molekülstruktur basierend auf einem gegebenen 1H-NMR-Spektrum.

Moderationstipp: Bei der Computersimulation sollten Sie die Schülerinnen und Schüler anleiten, gezielt Parameter wie die chemische Umgebung zu verändern, um die Auswirkungen auf das Spektrum zu beobachten und die Prinzipien zu verinnerlichen.

Setup: Gruppentische mit Zugang zu Recherchequellen

Materials: Dokumentation des Problemszenarios, KWL-Tabelle (Wissen, Wollen, Lernen) oder Inquiry-Framework, Ressourcenpool / Handapparat, Vorlage für die Ergebnispräsentation

• Analysieren
• Bewerten
• Erschaffen
• Entscheidungsfähigkeit
• Selbststeuerung
• Beziehungsfähigkeit

Dieses Thema unterrichten

Für die Strukturaufklärung mittels NMR-Spektroskopie empfiehlt sich ein schrittweiser Aufbau, der von einfachen zu komplexeren Spektren führt. Vermeiden Sie es, zu viele Informationen auf einmal zu präsentieren; stattdessen sollten Schülerinnen und Schüler durch gezielte Übungen und die Analyse von Beispielen selbstständig Zusammenhänge erkennen. Die Methode des 'Flipped Classroom' kann hier sehr nützlich sein, um die Grundlagen im Vorfeld zu erarbeiten und die Unterrichtszeit für die Anwendung und Vertiefung zu nutzen.

Was Sie erwartet

Erfolgreiche Lernende können NMR-Spektren grundlegender organischer Moleküle interpretieren. Sie verstehen, wie chemische Verschiebungen und Signalintegration Informationen über die Molekülstruktur liefern und können diese Kenntnisse auf neue Spektren anwenden.

Vorsicht vor diesen Fehlvorstellungen

Häufige Fehlvorstellung

Während der Stationsarbeit sollten Sie darauf achten, ob Schülerinnen und Schüler annehmen, dass alle Protonen in einem Molekül das gleiche Signal erzeugen. Weisen Sie darauf hin, dass die chemische Verschiebung von der elektronischen Umgebung abhängt und vergleichen Sie die Spektren von Molekülen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen, um zu verdeutlichen, dass äquivalente Protonen ähnliche und nicht-äquivalente Protonen unterschiedliche Signale erzeugen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Während der Stationsarbeit sollten Sie darauf achten, ob Schülerinnen und Schüler annehmen, dass alle Protonen in einem Molekül das gleiche Signal erzeugen. Weisen Sie darauf hin, dass die chemische Verschiebung von der elektronischen Umgebung abhängt und vergleichen Sie die Spektren von Molekülen mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen, um zu verdeutlichen, dass äquivalente Protonen ähnliche und nicht-äquivalente Protonen unterschiedliche Signale erzeugen.

Häufige Fehlvorstellung

Bei der Computersimulation sollten Sie darauf achten, ob Schülerinnen und Schüler glauben, die Signalintegration gäbe die absolute Anzahl der Protonen an. Leiten Sie sie an, die integrierten Flächen als Verhältnisse zu interpretieren und die Summe der relativen Protonenzahlen mit der bekannten Strukturformel abzugleichen, um die relative Natur der Integration zu verdeutlichen.

Was Sie stattdessen lehren sollten

Bei der Computersimulation sollten Sie darauf achten, ob Schülerinnen und Schüler glauben, die Signalintegration gäbe die absolute Anzahl der Protonen an. Leiten Sie sie an, die integrierten Flächen als Verhältnisse zu interpretieren und die Summe der relativen Protonenzahlen mit der bekannten Strukturformel abzugleichen, um die relative Natur der Integration zu verdeutlichen.

Ideen zur Lernstandserhebung

Kurze Überprüfung

Nach der Stationsarbeit können die Schülerinnen und Schüler ein unbekanntes Spektrum erhalten und die Struktur mithilfe der gelernten Prinzipien aufklären, um ihr Verständnis zu überprüfen.

Gegenseitige Bewertung

Beim Spektren-Puzzle können die Gruppen gegenseitig ihre Zuordnungen bewerten und begründen, welche Struktur zu welchem Spektrum passt, und dabei auf die Korrektheit der Begründungen achten.

Erweiterungen & Unterstützung

• Challenge: Analysieren Sie ein komplexeres Molekül (z.B. ein Isomer) und begründen Sie die Unterschiede in den Spektren.
• Scaffolding: Stellen Sie für die Stationsarbeit zusätzliche Hilfekarten mit Erklärungen zu den einzelnen Peaks zur Verfügung.
• Deeper Exploration: Recherchieren Sie Anwendungen der NMR-Spektroskopie in der pharmazeutischen Forschung oder der Materialwissenschaft.