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Übersicht über typische Schwingungen in einem organischen Molekül


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Einleitung

Jedes (nicht lineare) Molekül besitzt 3N-6 Schwingungsfreiheitsgrade (N = Anzahl der Atome im Molekül). Häufig können einzelnen Schwingungen funktionelle Gruppen zugeordnet werden.

Ersetzt man in einem Gedankenexperiment ein beliebiges Atom X durch eine Methylengruppe (CH2-Gruppe), so kommen zwei Atome hinzu. Dies bedeutet nach obiger Formel, dass sechs Schwingungen hinzukommen. Daher findet man sechs Schwingungen, die typisch für Methylengruppen sind.

 

Streckschwingungen in einer Methylengruppe

Streckschwingungen sind Schwingungen, bei denen sich die Bindungslänge ändert. Da eine Methylengruppe zwei Wasserstoffatome trägt, gibt es zwei solcher Streckschwingungen. Diese sind nicht unabhängig, sondern treten stets kombiniert auf. Es existieren symmetrische und asymmetrische Streckschwingungen.

Streckschwingungen werden durch den griechischen Buchstaben ν gekennzeichnet.

symmetrische Streckschwingung

symmetrische Streckschwingung Methylen

νsym

Bei der symmetrischen Streckschwingung strecken und verkürzen sich beide Bindungen gleichzeitig.

asymmetrische Streckschwingung

asymmetrische Streckschwingung Methylen

νasym

Bei der asymmetrischen Streckschwingung streckt sich die eine Bindung, während sich die andere Bindung gleichzeitig verkürzt.

Deformationsschwingungen in einer Methylengruppe

Deformationsschwingungen sind Schwingungen, bei denen das Molekül "deformiert" wird. Genauso, wie es zwei Streckschwingungen gibt, gibt es auch zwei Deformationsschwingungen.

Deformationsschwingungen werden durch den griechischen Buchstaben δ gekennzeichnet.

symmetrische Deformationsschwingung

symmetrische Deformationsschwingung Methylen

δsym

Bei der symmetrischen Deformations­schwingung ändert sich der Bindungswinkel H - C - H. Die beiden Wasserstoffatome nähern sich an und entfernen sich wieder voneinander.

asymmetrische Deformationsschwingung

asymmetrische Deformationsschwingung Methylen

δasym

Bei der asymmetrischen Deformations­schwingung bewegen sich die beiden Wasserstoffatome ähnlich wie bei der symmetrischen Deformationsschwingung in der H - C - H Ebene. Hier bewegen sie sich aber immer in die gleiche Richtung, wohingegen die Bewegungsrichtungen bei der symmetrischen Deformationsschwingung entgegengesetzt sind.

Beugeschwingungen in einer Methylengruppe

Beugeschwingungen sind Schwingungen, bei denen sich die Wasserstoffatome senkrecht zur H - C - H Ebene bewegen.

Beugeschwingungen werden durch den griechischen Buchstaben γ gekennzeichnet.

symmetrische Beugeschwingung

symmetrische Beugeschwingung Methylen

γsym

Wie oben schon gesagt, bewegen sich die beiden Wasserstoffatome bei den Beugeschwingungen senkrecht zur H - C - H Ebene. Bei der symmetrischen Beugeschwingung bewegen sich die beiden Atome dabei in die gleiche Richtung.

asymmetrische Beugeschwingung

asymmetrische beugeschwingung Methylen

γasym

Ebenso, wie bei der symmetrischen Beugeschwingung, bewegen sich die Wasserstoffatome auch bei der asymmetrischen Beugeschwingung senkrecht zur H - C - H Ebene. Hier bewegen sich die beiden Wasserstoffatome aber stets in entgegengesetzte Richtungen.

Streckschwingungen in einer Methylgruppe

Wie oben gezeigt, gibt es in einer Methylengruppe sechs Schwingungen. Dabei handelt es sich um zwei Streckschwingungen, zwei Deformationsschwingungen und zwei Beugeschwingungen.

Analog gibt es in einer Methylgruppe neun Schwingungen. Dabei handelt es sich um drei Streckschwingungen, drei Deformationsschwingungen und drei Beugeschwingungen.

Dies soll exemplarisch an den drei Streckschwingungen gezeigt werden.

symmetrische Streckschwingung

symmetrische Streckschwingung Methyl

νsym

Wie bei der symmetrischen Streckschwingung in einer Methylengruppe erfolgt die Änderung der C - H - Bindungslängen in Phase. Alle drei Bindungen werden zeitgleich gestaucht und gedehnt.

 

 

asymmetrische Streckschwingung I

asymmetrische Streckschwingung Methyl I

νasym I

An dieser Schwingung sind in erster Näherung nur zwei der drei Wasserstoffatome beteiligt. Diese schwingen wie bei der asymmetrischen Streckschwingung der Methylengruppe. Die Bewegungsrichtung der beiden Wasserstoff­atome ist immer gleich.

asymmetrische Streckschwingung II

asymmetrische Streckschwingung Methyl II

νasym II

Vergleicht man diese Schwingung mit der ersten asymmetrischen Schwingung so fällt auf, dass die beiden Wasserstoffatome die sich dort in die gleiche Richtung bewegt haben, sich nun in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Dies bedeutet, dass sich beide Bindungen synchron verkürzen und verlängern. Diesmal ist auch das dritte Wasserstoffatom beteiligt. Immer wenn sich die beiden anderen Bindungen verkürzen, dehnt sich diese Bindung.

Gerüstschwingungen

Neben den Schwingungen die sich einzelnen Fragmenten (Methylen, Methyl, ...) oder funktionellen Gruppen (hier nicht gezeigt) eines Moleküls zuordnen lassen, gibt es auch Schwingungen, die das ganze Molekül oder große Teile des Moleküls beschreiben. Diese sind typisch für ein Molekül und werden auch als "fingerprint" (Fingerabdruck) bezeichnet.

Gerüstschwingung

Geruestschwingung

Ein Beispiel für eine Gerüstschwingung.

 

 


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