W jakich sytuacjach napotykamy problem ustalenia lub potwierdzenia budowy związku organicznego?

Transkrypt

1 ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYC Witold Danikiewicz Instytut Chemii Organicznej PAN ul. Kasprzaka 44/52, Warszawa Ustalanie budowy związków organicznych ogólne zasady postępowania 2

2 W jakich sytuacjach napotykamy problem ustalenia lub potwierdzenia budowy związku organicznego? Potwierdzenie struktury 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 wyodrębnionego z materiału biologicznego i ew. udowodnienie, że taki związek jest już znany 3 Identyfikacja związków znanych Temperatura topnienia (dla substancji krystalicznych). Porównanie ze związkiem wzorcowym przy pomocy TLC, GC lub PLC. Porównanie widm badanego związku z widmami znajdującymi się w bazach danych: widma masowe widma IR widma NMR 4

3 Bazy widm masowych Bazy komercyjne, dostępne w formie oprogramowania do zainstalowania na własnym komputerze: baza Wiley a wyd. 10 ok. 720 tys. widm EI, dużo powtórzeń, trafiają się błędy; w IChO jest Wiley w wersji 8; baza NIST wersja 11 ok. 240 tys. widm EI; prawie bez powtórzeń, dużo wyższa jakość widm; baza połączona Wiley a i NIST ok. 920 tys. widm EI. Pełna informacja na stronie: Bazy internetowe brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy: ok widm; ok widm. 5 α-pinen (96 %) 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 %) p-cymen (97 %) α-terpinolen 6.40 (98 %) 6.66 octan linalylu (91 %) α-bergamoten (98 %) β-kariofilen (99 %) 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 6

4 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 C beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatriene, 204 C NEROL 154 C1018O trans-.beta.-farnesene $$ (E)-.beta.-Far 204 C beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C BETA.-BISABOLENE 204 C beta. bisabolene $$ BETA-BISABOLENE 204 C (Z)-.beta.-Farnesene $$ 1,6,10-Dodecatri 204 C BROMO-3-PENTENE $$ 1-Pentene, 5-bromo- 148 C59Br CIS-.ALPA.-BISABOLENE 204 C alpha.-umulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C alpha.-umulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C alpha.-umulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C alpha.-umulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C ALPA.-UMULENE $$ ALPA-UMULENE 204 C alpha.-umulene $$ 1,4,8-Cycloundecatri 204 C CIS-.ALPA.-BISABOLENE 204 C beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C beta.-Bisabolene $$ Cyclohexene, 1-meth 204 C

5 9 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. 10

6 Widma IR (-)-mentolu ze strony internetowej firmy Sigma Aldrich oraz bazy danych SDBS 11 Bazy danych widm NMR Bazy komercyjne Bazy danych firmy ACD/Labs: bardzo duże bazy widm 1, 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 NMR i widm 13 C NMR Katalog odczynników firmy Sigma Aldrich: nie wiadomo dokładnie, ile widm; widma 1 i 13 C NMR są dostępne dla dużej części odczynników oferowanych przez firmę Sigma-Aldrich. Baza danych NMRShiftDB: - ok widm 1 i 13 C NMR, duże możliwości wyszukiwania, opcja przewidywania widm. 12

7 Widma 1 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 TE SIFT VALUES WERE OBTAINED AT 400MZ. ppm Int. Assign ASSIGNED BY C- COSY. 13 Widma 1 i 13 C NMR kamfory z katalogu odczynników Sigma - Aldrich 14

8 Widmo 13 C kamfory z bazy NMRShiftDB Atom No. Mult.(coupling const.) Meas. Shift Intensity expt-0 expt-1 1 S S T D T T S Q Q Q 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 Mz lub 400 Mz) standardowe widma 1 i 13 C. Jeśli to nie wystarczy patrz niżej. b) Pomiary NMR Varian 500 Mz lub 600 Mz jeśli standardowe widma 1 i 13 C są niewystarczające, można wykonać pomiary COSY, SQC, MBC, NOE, NOESY w miarę potrzeb. W szczególnych przypadkach inne pomiary specjalne (np. dla innych jąder niż 1 i 13 C). 4. X-Ray absolutne potwierdzenie struktury cząsteczki. 5. CD ustalenie konfiguracji absolutnej (można też wykorzystać X-Ray ew. korelacje chemiczne). 16

9 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 17 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. 18

10 Format zapisu danych NMR spektrometrów Varian plik z FID-em folder próbki folder pomiaru w tym pliku jest pełny opis eksperymentu (m. in. sekwencji impulsów, rodzaju detekcji itp.) i wiele innych danych 19 ACD/NMR Processor Academic Edition 20

11 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 δ i J do widma eksperymentalnego. Symulacja widm dynamicznych (dla zaawansowanych). Znaczne możliwości formatowania wydruków. Możliwość kopiowania widm w formie wektorowej do popularnych programów graficznych i edytorów tekstu. Łatwy w obsłudze, małe wymagania sprzętowe (poza pamięcią). A w dodatku jest całkowicie darmowy! ftp://davinci.chem.umanitoba.ca/pub/marat/spinworks/ 21 SpinWorks ekran główny z FID-em 22

12 SpinWorks okno parametrów przetwarzania FID-u 23 SpinWorks ekran główny z widmem 1 24

13 SpinWorks wydruk widma 1 C 3 TMS 25 Standardowa obróbka widma 1 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 Mz, to najprawdopodobniej operacje te nie są konieczne, ponieważ wykonał je wcześniej operator spektrometru i odpowiednie dane zostały zapisane w folderze eksperymentu. 6. Wykonać integrację widma. W tym celu kliknąć przycisk Integrate, a następnie zaznaczać kursorem kolejne grupy pików do integracji. 7. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). Najpierw należy ustawić minimalną wysokość pików, które zostaną opisane, klikając przycisk PP minimum i ustawiając odpowiednio linię cięcia. 8. Wykonać wydruk widma po uprzednim ustawieniu parametrów (menu Edit, pozycja Plot options and parameters... ), ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu. 26

14 Przykładowe widmo 1 NMR O COO CDCl 3 TMS Obróbka widma 1 NMR do analizy multipletów 1. Punkty 1 5 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 z, 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 z. 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. 28

15 Zastosowanie parametrów LB i GF O COO LB = 0, GF = 0 LB = -1.2, GF = 0.3 LB = -1.7, GF = 0.45 PPM 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 NO 2 Cl LB = -1.4 GF = 0.25 efekt złego dostrojenia spektrometru parametry optymalne dla tego pomiaru 30

16 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 z (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 Mz, to najprawdopodobniej operacje te nie są konieczne, ponieważ wykonał je wcześniej operator spektrometru i odpowiednie dane zostały zapisane w folderze eksperymentu. 6. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). 7. Wykonać wydruk widma, ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu. 31 Przykładowe widmo 13 C NMR C 3 CDCl 3 32

17 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 C i C 3 są dodatnie, a piki grup C 2 ujemne. W razie potrzeby wykonać ponownie fazowanie. Ustalenie, które sygnały należą do grup C lub C 3, a które do grup C 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. 33 Przykładowe widmo 13 C NMR DEPT SpinWorks 3: 1-eptyn - 13C DEPT w CDCl C 3 C C 2 C 3 PPM

18 Szacowanie wartości przesunięć chemicznych 1 i 13 C na podstawie inkrementów podstawników Widma 1 NMR Dostępne są dane m. in. dla następujących struktur: C 3 X X C 2 Y X C Y R cis 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 35 Miejsca, gdzie można znaleźć tablice z inkrementami podstawników R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych PWN

19 Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 w alkenach R cis R trans R gem δ C=C = 5, Z gem + Z cis + Z trans Substituent R Z gem Z cis Z trans 0,00 0,00 0,00 Alkyl 0,45-0,22-0,28 Alkyl (cyclic) 0,69-0,25-0,28 C 2 O 0,64-0,01-0,02 C 2 S 0,71-0,13-0,22 C 2 X (X = F, Cl, Br) 0,70 0,11-0,04 C 2 NR 2 0,58-0,10-0,08 CF 3 0,66 0,61 0,32 C=CR 2 (isolated) 1,00-0,09-0,23 C=CR 2 (conjugated) 1,24 0,02-0,05 C C-R 0,47 0,38 0,12 C N 0,27 0,75 0,55 COO (isolated) 0,97 1,41 0,71 COO (conjugated) 0,80 0,98 0,32 COOR (isolated) 0,80 1,18 0,55 COOR (conjugated) 0,78 1,01 0,46 C(O) 1,02 0,95 1,17 C(O)NR 2 1,37 0,98 0,46 C(O)Cl 1,11 1,46 1,01 C=O (isolated) 1,10 1,12 0,87 C=O (conjugated) 1,06 0,91 0,74 C 2 -C(O)R; C 2 -CN 0,69-0,08-0,06 C 2 -Ar 1,05-0,29-0,32 Ar 1,38 0,36-0,07 Ar (o-subs) 1,65 0,19 0,09 Substituent R Z gem Z cis Z trans F 1,54-0,40-1,02 Cl 1,08 0,18 0,13 Br 1,07 0,45 0,55 I 1,14 0,81 0,88 OR (R, aliphatic) 1,22-1,07-1,21 OR (R, conjugated) 1,21-0,60-1,00 O-C(O)-R 2,11-0,35-0,64 O-P(O)(OEt) 2 0,66 0,88 0,67 SR 1,11-0,29-0,13 S(O)R 1,27 0,67 0,41 S(O)2R 1,55 1,16 0,93 S-CN 0,80 1,17 1,11 SF 5 1,68 0,61 0,49 SePh 1,36 0,17 0,24 Se(O)Ph 1,86 0,97 0,63 Se(O 2 )Ph 1,76 1,49 1,21 NR 2 (R, aliphatic) 0,80-1,26-1,21 NR 2 (R, conjugated) 1,17-0,53-0,99 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 37 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.) Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 w pochodnych benzenu R ortho R meta R para δ Ar- = 7, Z ortho + Z meta + Z para Substituent R Z ortho Z meta Z para 0,00 0,00 0,00 C 3-0,18-0,11-0,21 C(C 3 ) 3 0,02-0,08-0,21 c-propyl -0,33-0,15-0,28 C 2 Cl 0,02-0,01-0,04 C 2 O -0,07-0,07-0,07 CF 3 0,32 0,14 0,20 CCl 3 0,64 0,13 0,10 C=C 2 0,04-0,04-0,12 C=CCOO 0,19 0,04 0,05 C C- 0,15-0,02-0,01 C C-Ph 0,17-0,02-0,03 Ph 0,23 0,07-0,02 COO 0,77 0,11-0,25 C(O)OC 3 0,68 0,08 0,19 C(O)OPh 0,85 0,14 0,27 C(O)N 2 0,46 0,09 0,17 C(O)Cl 0,76 0,16 0,33 C(O)C 3 0,60 0,10 0,20 C(O)C(C 3 ) 3 0,44 0,05 0,05 C(O) 0,53 0,18 0,28 C(NPh) 0,60 0,20 0,20 C(O)Ph 0,45 0,12 0,23 C(O)C(O)Ph 0,62 0,15 0,30 CN 0,29 0,12 0,25 Substituent R Z ortho Z meta Z para F -0,29-0,02-0,23 Cl -0,02-0,07-0,13 Br 0,13-0,13-0,08 I 0,39-0,21 0,00 Ph 0,63-0,01 0,15 O -0,53-0,14-0,43 OC 3-0,45-0,07-0,41 OPh -0,36-0,04-0,28 O-C(O)C 3-0,27-0,02-0,13 O-C(O)Ph -0,14 0,07-0,09 O-SO 2 Me -0,05 0,07-0,01 S -0,08-0,16-0,22 SMe -0,08-0,10-0,24 SPh 0,06-0,09-0,15 SO 2 Cl 0,76 0,35 0,45 N 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 NC(O)C 3 0,14-0,07-0,27 N-N 2-0,60-0,08-0,55 N=N-Ph 0,67 0,20 0,20 N=O 0,58 0,31 0,37 NO 2 0,87 0,20 0,35 P(O)(OMe) 2 0,48 0,16 0,24 SiMe 3 0,22-0,02-0,

20 Obliczanie przesunięć chemicznych 13 C na podstawie inkrementów podstawników Program zawiera ponadto niewielką bazę widm 13 C NMR (ok. 700 widm) C-NMR obliczenie widma pochodnej benzenu Cl COO NO dane eksp

21 13C-NMR obliczenie widma mentolu dane eksp O O 41 PCModel v. 8.0 optymalizacja geometrii 42

22 PCModel v. 8.0 obliczenie stałych sprzężenia J eksp. = 10,1 z 10.38z 4.70z J eksp. = 4,2 z 11.16z J eksp. = 10,8 z 43 Obliczenia przesunięć chemicznych w programie Gaussian C N C NMR O C 3 N N 3 C 3 C N N C 3 C 3 3 C Delta exp y = x R 2 = Delta obl NMR 7.00 Delta exp y = x R 2 = Delta obl. 44