FIZYKOCHEMICZNE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH. Witold Danikiewicz

Transkrypt

1 FIZYKOCHEMICZNE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH Witold Danikiewicz Instytut Chemii Organicznej PAN ul. Kasprzaka 44/52, Warszawa

2 Ustalanie budowy związków organicznych ogólne zasady postępowania

3 W jakich sytuacjach napotykamy problem ustalenia lub potwierdzenia budowy związku organicznego? Potwierdzenie stuktury znanego związku otrzymanego np. jako substrat do dalszych reakcji. Potwierdzenie struktury związku nieznanego, otrzymanego w wyniku przeprowadzonej reakcji, dla której oczekiwaliśmy określonego przebiegu. Ustalenie struktury związku, który pojawił się jako nieoczekiwany produkt reakcji (ew. udowodnienie, że taki związek jest już znany). Ustalenie struktury związku wyodrębionego z materiału biologicznego i ew. udowodnienie, że taki związek jest już znany

4 Identyfikacja związków znanych Temperatura topnienia (dla substancji krystalicznych). Porównanie ze związkiem wzorcowym przy pomocy TLC, GC lub HPLC. Porównanie widm badanego związku z widmami znajdującymi się w bazach danych: widma masowe widma IR widma NMR

5 Bazy widm masowych Bazy komercyjne, dostępne w formie oprogramowania do zainstalowania na własnym komputerze baza Wiley a wyd. 8 ok. 400 tys. widm EI, 183 tys. struktur; dużo powtórzeń, trafiają się błędy; w IChO jest Wiley w wersji 7; baza NIST wersja 05 ok. 190 tys. widm EI; prawie bez powtórzeń, dużo wyższa jakość widm; baza Palisades zawiera bazy Wiley a i NIST + pewną ilość własnych widm (łacznie ok. 600 tys.). Bazy internetowe brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy ok widm; ok widm. Bezpłatna baza ok widm masowych, głównie do celów kryminalistycznych, w formacie HP ChemStation:

6 α-pinen (96 %) 2.33 β-pinen (97 %) 3.17 Chromatogram GC/MS olejku cytrynowego. Składniki zidentyfikowano na podstawie biblioteki widm Wiley a sabinen (97 %) mircen 3.33 (96 %) limonen (99 %) γ-terpinen (97 %) 5.82 linalool (97 %) octan linalylu (91 %) α-bergamoten (98 %) β-kariofilen (99 %) p-cymen (97 %) α-terpinolen (98 %) β-bisabolen (95 %) Z-cytral (97 %) α-terpineol (91 %) geranial (96 %) octan geranylu (91 %) min. Liczby w nawiasach określają w procentach współczynnik zgodności widma zmierzonego i bibliotecznego

7 Statystyka procedury porównywania widm Average of to min.: CYTR6.D olejek cytrynowy w heksanie 0.2 ul PBM Search of library d:\database\wiley275.l Name MolWt Formula Qual 1..BETA.-BISABOLENE 204 C15H beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatriene, 204 C15H NEROL 154 C10H18O trans-.beta.-farnesene $$ (E)-.beta.-Far 204 C15H beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H BETA.-BISABOLENE 204 C15H beta. bisabolene $$ BETA-BISABOLENE 204 C15H (Z)-.beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatri 204 C15H BROMO-3-PENTENE $$ 1-Pentene, 5-bromo- 148 C5H9Br CIS-.ALPHA.-BISABOLENE 204 C15H alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H ALPHA.-HUMULENE $$ ALPHA-HUMULENE 204 C15H alpha.-Humulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C15H CIS-.ALPHA.-BISABOLENE 204 C15H beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C15H24 38

8

9

10 Bazy widm IR Bazy internetowe (bezpłatne) brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy NIST Webbok: ok widm IR; Baza danych SDBS: ok widm FT-IR. Katalog odczynników fimy Sigma Aldrich: nie wiadomo dokładnie, ile widm; widma (także NMR) są dostępne dla dużej części odczynników oferowanych przez firmę Sigma-Aldrich.

11 Widma IR (-)-mentolu ze strony internetowej firmy Sigma Aldrich oraz bazy danych SDBS

12 Bazy danych widm NMR Bazy komercyjne Bazy danych firmy ACD/Labs: bardzo duże bazy widm 1 H, 13 C, 19 F, 31 P i 15 N NMR dostępne on-line lub off-line; niestety także bardzo drogie. Bazy internetowe (bezpłatne) brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy Baza danych SDBS: ok widm 1 H NMR i widm 13 C NMR Katalog odczynników fimy Sigma Aldrich: nie wiadomo dokładnie, ile widm; widma 1 H i 13 C NMR są dostępne dla dużej części odczynników oferowanych przez firmę Sigma-Aldrich. Baza danych NMRShiftDB: koeln.de/portal/media-type/html/user/anon/page/default.psml/js_pane/p- Home - ok widm 1 H i 13 C NMR, duże możliwości wyszukiwania, opcja przewidywania widm.

13 Widma 1 H i 13 C NMR kamfory z bazy SDBS Assign. Shift(ppm) A 2.36 B C 1.96 D E 1.68 F 1.37 G 1.37 J K L THE SHIFT VALUES WERE OBTAINED AT 400MHZ. ppm Int. Assign ASSIGNED BY C-H COSY.

14 Widma 1 H i 13 C NMR kamfory z katalogu odczynników Sigma - Aldrich

15 Widmo 13 C kamfory z bazy NMRShiftDB Q Q Q S T T D T S S 1 expt-1 expt-0 Intensity Meas. Shift Mult.(coupling const.) Atom No.

16 Kolejność zastosowania metod spektralnych podczas identyfikacji związku organicznego 1. MS masa cząsteczkowa (nominalna). Jeśli trzeba, to dokładny pomiar masy dla potwierdzenia wzoru sumarycznego (do dokumentacji) lub dla wyznaczenia wzoru związku nieznanego. 2. IR grupy funkcyjne w cząsteczce. Widmo IR (podstawowe pasma) może być też potrzebne do dokumentacji. 3. NMR ustalenie wzoru strukturalnego (konstytucyjnego) i ew. konfiguracji cząsteczki (jeśli ma diastereoizomery) a) NMR wstępny (np. na Varianie 200 lub 400 MHz) standardowe widma 1 H i 13 C, ew. 13 C DEPT i COSY. Jeśli to nie wystarczy patrz niżej. b) Pomiary NMR na Varianie 500 lub 600 MHz ew. Brukerze 500 MHz standardowe widmo 1 H, jeśli przy częstotliwości 200 MHz układy spinowe były zbyt złożone do interpretacji, pomiary COSY, HSQC, HMBC, NOE, NOESY w miarę potrzeb. W szczególnych przypadkach inne pomiary specjalne (np. dla innych jąder niż 1 H i 13 C). 4. X-Ray absolutne potwierdzenie struktury cząsteczki. 5. CD ustalenie konfiguracji absolutnej (można też wykorzystać X-Ray ew. korelacje chemiczne).

17 Synteza związku nieznanego Reakcja Wydzielanie i oczyszczanie Więcej produktów Rozdział 1 produkt 1 2 n Wykonanie widm Interpretacja Niejednoznaczne Widma zgodne z założoną strukturą Widma niezgodne z założoną strukturą Ustalenie struktury Koniec Jednoznaczne

18 W jakiej formie otrzymujemy wyniki analiz i jakie ma to konsekwencje praktyczne? Widma IR: wydruk; można też otrzymać widmo w formie rysunku w PowerPoincie lub innym programie graficznym; Widma MS: wydruk; można też otrzymać widmo w formie rysunku w PowerPoincie lub innym programie graficznym; Widma NMR: wydruki FID-y do samodzielnej obróbki Konsekwencje: tylko widma NMR można (i warto!) obrabiać samodzielnie.

19 Format zapisu danych NMR spektrometru Bruker 500 plik z FID-em (dla eksperymentów 2D ma nazwę ser ) ten plik należy wczytać do programu do obróbki widm folder główny serii pomiarów danej próbki foldery poszczególnych pomiarów danej próbki w tym pliku jest nazwa i zwięzły opis typu eksperymentu (sekwencji impulsów)

20 Format zapisu danych NMR spektrometrów Varian plik z FID-em folder pomiaru w tym pliku jest pełny opis eksperymentu (m. in. sekwencji impulsów, rodzaju detekcji itp.) i wiele innych danych

21 Nazwy eksperymentów (sekwencji impulsów) dla spektrometru Bruker 500 MHz zg - standardowe widmo 1 H NMR zpgp30_pc - standardowe widmo 13 C z pełnym odsprzęganiem sprzężeń 1 H- 13 C zggd30 - widmo 13 C ze stałymi sprzężenia 1 H- 13 C dept_tbi_pc - widmo 13 C DEPT 135º cosygp - widmo korelacjyne 1 H- 1 H (COSY) invietgs - widmo korelacyjne 1 H- 13 C przez 1 wiązanie (HSQC) inv4gplplrnd - widmo korelacyjne 1 H- 13 C optymalizowane dla sprzężeń przez 2 3 wiązania (HMBC) noemul - widmo NOE (najczęściej jedno z serii) noesyst - widmo NOESY Są to nazwy najczęściej stosowanych sekwencji impulsów w Laboratorium NMR. W innych laboratoriach nazwy mogą być inne w razie wątpliwości co do rozdzaju eksperymentu należy pytać operatora. Nazwy można odczytać z pliku pulseprogram w folderze eksperymentu lub z programu do obróbki widm.

22 SpinWorks v dla Windows Autor: Kirk Marat z Uniwersytetu Manitoba Podstawowe cechy programu SpinWorks: Możliwość pełnej obróbki widm (w formie FID-ów) zarejestrowanych przy użyciu spektrometrów firm Bruker i Varian: transformacja Fouriera z doborem parametrów, fazowanie, korekcja linii podstawowej, integracja, opisywanie pików itd. Obróbka widm 1D i 2D (jedno- i dwuwymiarowych). Symulacja widm 1D oraz interaktywne procedury dopasowywania najlepszych parametrów d i J do widma eksperymentalnego. Symulacja widm dynamicznych (dla zaawansowanych). Znaczne możliwości formatowania wydruków. Możliwość kopiowania widm w fomie wektorowej do popularnych programów graficznych i edytorów tekstu. Latwy w obsłudze, małe wymagania sprzętowe (poza pamięcią). A w dodatku jest całkowicie darmowy!

23 SpinWorks 3.0 ekran główny z FID-em

24 SpinWorks 3.0 okno parametrów przetwarzania FID-u

25 SpinWorks 3.0 ekran główny z widmem 1 H

26 CH 3 TMS SpinWorks 3.0 wydruk widma 1 H H

27 Standardowa obróbka widma 1 H NMR 1. Wczytać plik fid z odpowiedniego folderu 2. Sprawdzić ustawienia na listwie przyciskowej. Kolejne wpisy powinny być następujące: Last constants, Lorentz lub No window, 0.000, Kliknąć przycisk Process z prawej strony ekranu. 4. Obejrzeć widmo. Zakres widma do wyświetlenia wybiera się klikając na obu jego krańcach i następnie klikając przycisk Zoom. Inne sposoby patrz instrukcja. Skalę pionową zmienia się rolką myszy lub żółtymi przyciskami + i Jeśli trzeba, przeprowadzić fazowanie i korekcję linii podstawowej (patrz instrukcja programu). Jeśli eksperyment był wykonany na spektrometrze Bruker 500 MHz, to najprawdopodobniej operacje te nie są konieczne, ponieważ wykonał je wcześniej operator spektrometru i odpowiednie dane zostały zapisane w folderze eksperymentu. 6. Sprawdzić i ew. skorygować skalę δ względem TMS lub resztkowego sygnału rozpuszczalnika. 7. Wykonać integrację widma. W tym celu kliknąć przycisk Integrate, a następnie zaznaczać kursorem kolejne grupy pików do integracji. 8. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). Najpierw należy ustawić minimalną wysokość pików, które zostaną opisane, klikając przycisk PP minimum i ustawiając odpowiednio linię cięcia. 9. Wykonać wydruk widma po uprzednim ustawieniu parametrów (menu Edit, pozycja Plot options and parameters... ), ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu.

28 Przykładowe widmo 1 H NMR CHCl 3 TMS O COOH

29 Obróbka widma 1 H NMR do analizy multipletów 1. Punkty 1 6 jak przy obróbce standardowej. 2. Otworzyć okno Edit processing parameters klikając przycisk Edit pars. 3. Ustawić następujące parametry: Size: 128 k, Window function: Lorentz to Gauss (GM), LB = -1.2 Hz, GF = 0.2. Ostatnie trzy parametry można też zmieniać bezpośrednio na listwie przyciskowej. 4. Wykonać transformację Fouriera (przycisk Process ) 5. Obejrzeć w dużym rozciągnięciu wybrany multiplet, najlepiej z małymi stałymi sprzężenia. Ocenić na podstawie wyglądu widma, czy parametry LB i GF zostały dobrane właściwie. W razie potrzeby można je zmieniać dowolną liczbę razy klikając po każdej zmianie przycisk Process. Uwaga: typowy zakres parametru LB to -0.3 do -1.8, a GF od 0.1 do Wykonać ponownie procedurę opisu pików (Peak picking), kasując najpierw ew. poprzedni opis i zmienić jednostki z ppm na Hz. 7. Wykonać wydruk widma, ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu. Uwaga: widmo z zawężonymi matematycznie pikami nie nadaje się do integracji! Dlatego najpierw należy przeprowadzić obróbkę standardową.

30 Zastosowanie parametrów LB i GF O COOH LB = 0, GF = 0 H LB = -1.2, GF = 0.3 LB = -1.7, GF = 0.45 PPM

31 Dobieranie optymalnych parametrów LB i GF LB = 0 GF = 0 LB = -1.7 GF = 0.2 LB = -1.2 GF = 0.2 LB = -1.4 GF = 0.4 TMS H NO 2 Cl LB = -1.4 GF = 0.25 efekt złego dostrojenia spektrometru H H H parametry optymalne dla tego pomiaru

32 Standardowa obróbka widma 13 C NMR 1. Wczytać plik fid z odpowiedniego folderu 2. Sprawdzić ustawienia na listwie przyciskowej. Kolejne wpisy powinny być następujące: Last constants, Lorentz, 1.000, Kliknąć przycisk Process z prawej strony ekranu. 4. Obejrzeć widmo. Jeśli stosunek sygnał/szum jest za niski, można ponownie wykonać transformację Fouriera po zmianie LB na 2 lub nawet 3 Hz (Uwaga: można w ten sposób zgubić bardzo blisko siebie położone piki). 5. Jeśli trzeba, przeprowadzić fazowanie i korekcję linii podstawowej (patrz instrukcja programu). Jeśli eksperyment był wykonany na spektrometrze Bruker 500 MHz, to najprawdopodobniej operacje te nie są konieczne, ponieważ wykonał je wcześniej operator spektrometru i odpowiednie dane zostały zapisane w folderze eksperymentu. 6. Sprawdzić i skorygować w razie potrzeby skalę δ, wykorzystując sygnały rozpuszczalnika (np. w CDCl 3 środkowy sygnał ma wartość δ = 77.0 ppm). 7. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). 8. Wykonać wydruk widma, ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu.

33 Przykładowe widmo 13 C NMR CH 3 H CDCl

34 Widmo 13 C NMR DEPT 1. Przeprowadzić obróbkę tak samo jak dla standardowego widma 13 C. 2. Przesunąć linię podstawową widma w górę, tak aby było widać ew. piki ujemne (dla eksperymentu DEPT 135º). 3. Obejrzeć widmo. Jeśli był to eksperyment DEPT 135º, to sprawdzić, czy sfazowanie widma jest zgodne w przyjętym standardem, zgodnie z którym piki pochodzące od grup CH i CH 3 są dodatnie, a piki grup CH 2 ujemne. W razie potrzeby wykonać ponownie fazowanie. Ustalenie, które sygnały należą do grup CH lub CH 3, a które do grup CH 2 nie zawsze jest oczywiste i wymaga często wstępnej interpretacji widma. 4. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). Zwrócić uwagę, żeby procedura wyboru pików uwzględniała także piki ujemne. 5. Wykonać wydruk widma ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu.

35 Przykładowe widmo 13 C NMR DEPT SpinWorks 3: 1-Heptyn - 13C DEPT w CDCl H CH 3 CH CH 2 CH 3 PPM

36 Szacowanie wartości przesunięć chemicznych 1 H i 13 C na podstawie inkrementów podstawników Widma 1 H NMR Dostępne są dane m. in. dla następujących struktur: CH 3 X X CH 2 Y X CH Y R cis H H R ortho Z R trans R gem R meta R para Widma 13 C NMR Dostępne są dane m. in. dla następujących struktur: R ipso γ α α... β Y γ β Y β γ Y a Y e C R ortho R meta R para

37 Miejsca, gdzie można znaleźć tablice z inkrementami podstawników R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych PWN 2007.

38 R cis R trans Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 H w alkenach H δ C=CH = 5,25 + R gem +Z gem + Z cis + Z trans Substituent R H Alkyl Alkyl (cyclic) CH 2 OH CH 2 SH CH 2 X (X = F, Cl, Br) 0,70 0,11-0,04 CH 2 NR 2 0,58-0,10-0,08 CF 3 0,66 0,61 0,32 C=CR 2 (isolated) C=CR 2 (conjugated) C C-R C N COOH (isolated) COOH (conjugated) COOR (isolated) COOR (conjugated) C(O)H 1,02 0,95 1,17 C(O)NR 2 1,37 0,98 0,46 C(O)Cl C=O (isolated) C=O (conjugated) CH 2 -C(O)R; CH 2 -CN CH 2 -Ar Ar Ar (o-subs) Z gem 0,00 0,45 0,69 0,64 0,71 1,00 1,24 0,47 0,27 0,97 0,80 0,80 0,78 1,11 1,10 1,06 0,69 1,05 1,38 1,65 Z cis 0,00-0,22-0,25-0,01-0,13-0,09 0,02 0,38 0,75 1,41 0,98 1,18 1,01 1,46 1,12 0,91-0,08-0,29 0,36 0,19 Z trans 0,00-0,28-0,28-0,02-0,22-0,23-0,05 0,12 0,55 0,71 0,32 0,55 0,46 1,01 0,87 0,74-0,06-0,32-0,07 0,09 Substituent R F Cl Br I OR (R, aliphatic) OR (R, conjugated) SR S(O)R S(O)2R S-CN 0,80 1,17 1,11 SF 5 1,68 0,61 0,49 SePh Se(O)Ph Se(O 2 )Ph NR 2 (R, aliphatic) NR 2 (R, conjugated) Z gem 1,54 1,08 1,07 1,14 1,22 1,21 O-C(O)-R 2,11-0,35-0,64 O-P(O)(OEt) 2 0,66 0,88 0,67 1,11 1,27 1,55 1,36 1,86 1,76 0,80 1,17 Z cis -0,40 0,18 0,45 0,81-1,07-0,60-0,29 0,67 1,16 0,17 0,97 1,49-1,26-0,53 Z trans -1,02 0,13 0,55 0,88-1,21-1,00-0,13 0,41 0,93 0,24 0,63 1,21-1,21-0,99 N=N-Ph 2,39 1,11 0,67 NO 2 1,87 1,30 0,62 N-C(O)R 2,08-0,57-0,72 P(O)(OEt) 2 0,66 0,88 0,67 SiMe 3 0,77 0,37 0,62 GeMe 3 1,28 0,35 0,67 The increments R conjugated are to be used instead of R isolated when either the substituent or the double bond is conjugated with further substituents. The increment alkyl(cyclic) is to used when both the substituent and the double bond form part of a ring. (Data for compounds containing 3- and 4-membered rings have not been considered.)

39 Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 H w pochodnych benzenu Substituent R Z ortho Z meta Z para Substituent R Z ortho Z meta Z para H H 0,00 0,00 0,00 CH 3-0,18-0,11-0,21 C(CH 3 ) 3 0,02-0,08-0,21 F Cl Br -0,29-0,02 0,13-0,02-0,07-0,13-0,23-0,13-0,08 c-propyl -0,33-0,15-0,28 I 0,39-0,21 0,00 R ortho CH 2 Cl 0,02-0,01-0,04 Ph 0,63-0,01 0,15 R meta CH 2 OH -0,07-0,07-0,07 CF 3 0,32 0,14 0,20 CCl 3 0,64 0,13 0,10 CH=CH 2 0,04-0,04-0,12 OH -0,53-0,14-0,43 OCH 3-0,45-0,07-0,41 OPh -0,36-0,04-0,28 O-C(O)CH 3-0,27-0,02-0,13 R para CH=CHCOOH 0,19 0,04 0,05 O-C(O)Ph -0,14 0,07-0,09 C C-H 0,15-0,02-0,01 O-SO 2 Me -0,05 0,07-0,01 C C-Ph 0,17-0,02-0,03 SH -0,08-0,16-0,22 δ Ar-H = 7,36 + +Z ortho + Z meta + Z para Ph 0,23 0,07-0,02 COOH 0,77 0,11-0,25 C(O)OCH 3 0,68 0,08 0,19 C(O)OPh 0,85 0,14 0,27 C(O)NH 2 0,46 0,09 0,17 C(O)Cl 0,76 0,16 0,33 C(O)CH 3 0,60 0,10 0,20 C(O)C(CH 3 ) 3 0,44 0,05 0,05 C(O)H 0,53 0,18 0,28 SMe -0,08-0,10-0,24 SPh 0,06-0,09-0,15 SO 2 Cl 0,76 0,35 0,45 NH 2-0,71-0,22-0,62 NMe 2-0,66-0,18-0,67 NEt 2-0,68-0,15-0,73 NMe + 3 I - 0,69 0,36 0,31 NHC(O)CH 3 0,14-0,07-0,27 NH-NH 2-0,60-0,08-0,55 C(NPh)H 0,60 0,20 0,20 N=N-Ph 0,67 0,20 0,20 C(O)Ph C(O)C(O)Ph CN 0,45 0,62 0,29 0,12 0,23 N=O 0,58 0,31 0,37 0,15 0,30 NO 2 0,87 0,20 0,35 0,12 0,25 P(O)(OMe) 2 0,48 0,16 0,24 SiMe 3 0,22-0,02-0,02

40 Obliczanie przesunięć chemicznych 13 C na podstawie inkrementów podstawników Program zawiera ponadto niewielką bazę widm 13 C NMR (ok. 700 widm)

41 13 C-NMR obliczenie widma pochodnej benzenu Cl COOH NO dane eksp

42 13 C-NMR obliczenie widma mentolu dane eksp HO OH

43 PCModel v. 8.0 optymalizacja geometrii

44 PCModel v. 8.0 obliczenie stałych sprzężenia J eksp. = 10,1 Hz J eksp. = 4,2 Hz Hz 4.70 Hz Hz J eksp. = 10,8 Hz