UDA-POKL /09-00

Transkrypt

1 Zastosowanie spektrometrii magnetycznego rezonansu jądrowego do określania struktury związków organicznych (opracowała Anna Kolasa) Szczególną uwagę będziemy poświęcać następującym zagadnieniom: 1. Interpretacja widm NMR ze skomplikowanymi układami spinowymi 2. Wartości stałych sprzężenia i ich fundamentalne znaczenie w interpretacji widm NMR i określaniu struktury związków organicznych (np. w różnie podstawionych pochodnych benzenu) 3. Zastosowanie widm NMR w badaniach stereochemii związków organicznych 4. NMR różnych jąder ( 1 H, 13 C, 19 F) i sprzężenia heteronuklearne Uwaga: Informacje dotyczące wymienionych zagadnień można znaleźć w następujących opracowaniach: 1) Witold Danikiewicz, Zaawansowane metody identyfikacji związków organicznych 2009/2010, wykłady 9-14; 2) Jarosław Jaźwiński, Zaawansowane techniki NMR w chemii organicznej, wykład 5: NMR jąder innych niż 1 H i 13 C; Zadania 1. [1] Widmo 1 H NMR poniższej pochodnej soli sodowej kwasu benzenosulfonowego (uwaga: widmo wykonano dla roztworu tej soli w D 2, stąd intensywny sygnał resztkowy niezdeuterowanej wody ~ 5 ppm) wykazuje obecność diastereotopowych protonów grup -CH 2 -. znacz je odpowiednio w poniższym wzorze cząsteczki: S 3 Na H H H H H UDA-PKL /

2 Posługując się rozszerzonym w zakresie 1,5 4,0 ppm zapisem widma poniżej przypisz poszczególne sygnały odpowiednim protonom. kreśl jakimi multipletami są poszczególne sygnały i podaj wartości odpowiednich stałych sprzężenia. UDA-PKL /

3 Dodatkowo, posługując się rozszerzonym zapisem sygnałów protonów aromatycznych zamieszczonym poniżej przypisz je precyzyjnie poszczególnym atomom wodoru w pierścieniach. Wykorzystaj w tym celu intensywność sygnałów wynikającą z krzywej integracji oraz wpływ podstawników na przesunięcie chemiczne poszczególnych protonów. UDA-PKL /

4 2. [2] Hydroliza poniższej enaminy przeprowadzona na gorąco w mieszaninie etanolu i kwasu solnego dała po destylacji znad P 4 10 produkt reakcji, którego widma IR, 13 C NMR i 19 F NMR zamieszczono poniżej. Uwaga: Widmo MS tego zwiazku, zamieszczone w materiałach dotyczących spektrometrii masowej wykazało obecność pasma macierzystego przy m/z = 244. F F F F F S S F H N 1), HCl aq/c 2 H 5 H 2), P 4 10? UDA-PKL /

5 Zamieszczone poniżej widmo 13 C NMR wykonano dwukrotnie: a) widmo odsprzęgnięte od protonów, b) widmo pełne z widocznymi wszystkimi sprzężeniami heteronuklearnymi. Ze względów technicznych, w celu zachowania odpowiedniej wielkości widm podzielono je na rysunku na dwie części: dolną zakres przesunięć chemicznych 0 90 ppm oraz górną zakres przesunięć chemicznych ppm.. Posługując się wiedzą chemiczną oraz interpretując dokładnie dane spektralne zaproponuj strukturę tego produktu. Zwróć uwagę na możliwość tautomerii! Przeanalizuj dokładnie zamieszczony poniżej powiększony fragment widma 13 C NMR z widocznymi sprzężeniami 13 C z 19 F. UDA-PKL /

6 UDA-PKL /

7 Zamieszczone na następnej stronie widmo 19 F NMR zarejestrowano wobec CFCl 3 jako wzorca. Jest to wzorzec uniwersalny, ale widma 19 F NMR rejestruje się zwykle wobec różnych związków fluorowanych (np. heksafluorobenzenu) w zależności od ich dostępności, jednak wartości przesunięć chemicznych podaje się zawsze przeliczone na te względem tego samego wzorca CFCl 3. W związku z tym, że sygnały fluoru grup CF 3 są przesunięte w górę pola w stosunku do wzorca (sygnał nr 1), wartości ich przesunięć chemicznych są ujemne, jak to wynika z poniższych danych liczbowych: No [ppm] Intensity UDA-PKL /

8 UDA-PKL /

9 3. [4,5,6] Anilid kwasu benzoilooctowego reaguje w temperaturze pokojowej z wodnym roztworem formaldehydu dając, z wysoką wydajnością, w wyniku kondensacji Knoevenagla a następnie addycji Michaela dianilid kwasu 2,4-dibenzoilopentanodiowego. Cyklizacja tego produktu w nadmiarze wrzącego PCl 3 daje już po 10 minutach z dobrą wydajnością trójpierścieniowy skondensowany układ heterocykliczny indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu. Również w tym przypadku zachodzi proces kaskadowy z odszczepieniem wody oraz aniliny: 2 + HCH HN N H NH, PCl 3 -H 2 - C 6 H 5 NH 2 N Modyfikacja tej metody (np. użycie acetaldehydu czy benzaldehydu zamiast formaldehydu, aromatyzacja układu tetrahydropirydyny z użyciem siarki, czy też użycie anilidów kwasu benzoilooctowego podstawionych w pierścieniu benzoilowym) pozwoliły na zsyntetyzowanie następujących związków, których widma 1 H i 13 C NMR są przedmiotem tego zadania: N N N UDA-PKL /

10 D N N D Cl N Cl F N 7 F a) Porównując zamieszczone poniżej kolejno widma 1 H NMR związku 1 i jego zaromatyzowanego analogu 2 zinterpretuj dokładnie zakres sygnałów 3 5 ppm w widmie związku 1. Taki obraz widma wskazuje na fakt, że protony grupy CH 2 są diastereotopowe. Co jest tego przyczyną? dczytaj wartości stałych sprzężenia oraz przesunięć chemicznych i przypisz je odpowiednim protonom. (Uwaga: W celu odczytania wartości stałych sprzężenia w Hz należy przeliczyć wartości przesunięć chemicznych (lub odległości poszczególnych sygnałów) podane w ppm na wartości w Hz. Można to zrobić posługując się podanymi w tabeli po prawej stronie widma danymi dotyczącymi szerokości zapisu: 0,39960 ppm/cm; 199,85185 Hz/cm lub z faktu, że widma były rejestrowane na aparacie 500 MHz.) UDA-PKL /

11 Widmo 1 H NMR związku 1 UDA-PKL /

12 Widmo 1 H NMR związku 2 b) Porównaj teraz analogiczny zakres 1 5 ppm zamieszczonego poniżej widma 1 H NMR dla związku 3 czyli analogu metylowego. Z jakim układem spinowym mamy tu do czynienia? Zinterpretuj dokładnie przesunięcia chemiczne poszczególnych protonów i wartości stałych sprzężenia. UDA-PKL /

13 Widmo 1 H NMR związku 3 c) bejrzyj dokładnie analogiczny zakres zamieszczonego poniżej widma pochodnej 4, zawierającej podstawnik fenylowy w położeniu 4 pierścienia tetrahydropirydonu-2. Dlaczego sprzężenie wicynalnych protonów nasyconego fragmentu tego pierścienia jest prawie niewidoczne ( 3 J H,H < 1 Hz) (sygnały w zakresie 4 5 ppm)? (Uwaga: W celu wytłumaczenia tego problemu zbuduj model tej cząsteczki i posłuż się zależnością Karplusa- Conroya) UDA-PKL /

14 Widmo 1 H NMR związku 4 d) Zajmijmy się teraz sygnałem 1H (d, J = 7,5 Hz) występującym regularnie we wszystkich widmach związków z tej serii czyli pochodnych indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu, przy wartości przesunięcia chemicznego ~ 5,5 ppm. Jego pochodzenie można częściowo wyjaśnić posługując się poniższym widmem związku 5, analogu związku 1, całkowicie zdeuterowanego w dwóch pierścieniach benzenowych. Jego wieloetapowa synteza była możliwa dzięki zastosowaniu kwasu pentadeuterobenzoesowego do otrzymania na drodze kondensacji Cleisena pentadeuterobenzoilooctanu etylu. Dalsza droga syntezy była analogiczna do wspomnianej na wstępie tego zadania. Jak widać z poniższego widma sygnał ten nie jest w nim obecny. Do jakich wniosków, dotyczących pochodzenia tego sygnału można dojść posługując się następującymi faktami: niewątpliwie za sygnał ten jest odpowiedzialny jeden z protonów aromatycznych UDA-PKL /

15 dane literaturowe dotyczące przesunięcia chemicznego protonów pierścienia benzoilowego wskazują, że nie może to być sygnał żadnego z nich sygnał ten jest dubletem o stałej sprzężenia 7,5 Hz Na podstawie tych przesłanej można więc ustalić, że sygnał ten należy do jednego z protonów aromatycznych układu indenowego. Które protony wchodzą w rachubę i co może być przyczyną tak silnego przesłaniania tego protonu? (Uwaga: należy poszukać w literaturze danych dotyczących anizotropii diamagnetycznej i stref odsłaniania i przesłaniania w sąsiedztwie pierścienia fenylowego oraz grupy karbonylowej). Widmo 1 H NMR związku 5 UDA-PKL /

16 e) Pamiętając, że jeden z protonów aromatycznych układu indenowego daje sygnał przy 5,5 ppm i posługując się przesunięciami chemicznymi typowymi dla pierścieni fenylowych związanych z fragmentem alkilowym, azotem amidowym oraz grupą ketonową (dane literaturowe) zinterpretuj, na ile to możliwe sygnały protonów aromatycznych w zamieszczonym poniżej rozszerzonym zapisie widma zakresu aromatycznego związku 4. Wykorzystaj krzywą integracji! Widmo 1 H NMR związku 4 rozszerzony zakres sygnałów protonów aromatycznych UDA-PKL /

17 f) Jeśli w punkcie d) jako odpowiedź podano jedną z dwóch ewentualności, to zapewne w rozstrzygnięciu wątpliwości pomogą zamieszczone poniżej rozszerzone zakresy widma 1 H NMR pochodnej chlorowej 6. Po ich obejrzeniu nie powinno być już wątpliwości co do interpretacji sygnału 5,5 ppm. Widmo 1 H NMR związku 6 w zakresie 3,0 3,5 ppm UDA-PKL /

18 Widmo 1 H NMR związku 6 w zakresie 4,7 5,4 ppm UDA-PKL /

19 Widmo 1 H NMR związku 6 w zakresie 6,5 8,0 ppm UDA-PKL /

20 g) Dodatkowo, spróbuj także zinterpretować zamieszczone poniżej widmo 13 C NMR związku 6, przypisując możliwie największą liczbę sygnałów odpowiednim atomom węgla w cząsteczce. Widmo 13 C NMR związku 6 UDA-PKL /

21 h) Po zaznajomieniu się z interpretacją widm NMR pochodnej chlorowej łatwiej będzie teraz przypisać sygnały w widmie 1 H NMR analogicznej pochodnej fluorowej 7. Pamiętajmy jednak, że tym razem wchodzą w grę sprzężenia heteronuklearne. (Uwaga: stałe sprzężenia 3 J H,H i 3 J H,F w układach aromatycznych mają podobne wartości. I tak dla monofluorobenzenu [7] 3 J H,F = 9,0 Hz, 4 J H,F = 5,7 Hz a 5 J H,F = 0,2 Hz). Zinterpretuj dokładnie poniższe widmo 1 H NMR związku 7. Aby ułatwić przypisanie sygnałów w zakresie aromatycznym podano także poniżej zapis rozszerzony. Widmo 1 H NMR związku 7 UDA-PKL /

22 Widmo 1 H NMR związku 7 rozszerzony zakres sygnałów protonów aromatycznych Literatura: [1] Jamrozik J., Żesławski W.; Chem. Ber. 127 (12), (1994) [2] A. Kolasa, M. Lieb; J. rg. Chem. 1998, 63, [3] A. Kolasa, J. Fluorine Chem 54 (1-3), 266 (1991) [4] A. Kolasa, T. Jasiński; Selektywnie fluorowane pochodne indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu Zjazd Naukowy PTChem i SITPChem, Poznań ; komunikat S5-J2 [5] A. Kolasa; 1 H NMR studies and stereochemistry of 1,2,3,4-tetrahydro-5H-indeno-[1,2-b]pyridine-2,5- dione; 5 th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, Casta Papiernicka (Slovak Republic) poster P 36 (Proceedings str. 104) [6] A.Kolasa A. Kolasa: Synthesis, stereochemistry, and chemistry of indeno[1,2-b]-pyridine-2,5-dione system; 10 th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, Wiedeń, Austria, (oral presentation) P-6 [7] M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh Spektroskopische Methoden in der rganischen Chemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1995 str. 112 UDA-PKL /