ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 ZAAWASWAE METDY USTALAIA BUDWY ZWIĄZKÓW RGAIZY Witold Danikiewicz Instytut hemii rganicznej PA ul. Kasprzaka /, 0- Warszawa Semestr zimowy 07/8 Zastosowanie widm MR, IR i MS do ustalania konfiguracji względnej związków organicznych i rozróżniania diastereoizomerów

2 Protony diastereotopowe. hlorowodorek estru metylowego fenyloalaniny + l - * Protony diastereotopowe: Phe-Me l widmo w D + l - * Ph, D i inne wymienialne: d,8 ppmjest charakterystyczne dla wody w D

3 Protony diastereotopowe: Phe-Me l widmo w D + l - * Ph J BX =,9 z J AX = 7, z J AB = -, z J= 7, z J=,9 z J= -, z J= -, z J=,9 z J= 7, z Protony diastereotopowe: Phe-Me l widmo w DMS + l - * Ph +

4 Protony diastereotopowe. Glicylo-tyrozyna 7 Protony diastereotopowe: glicylo-tyrozyna widmo w DMS DMS,, 8

5 Protony diastereotopowe: glicylo-tyrozyna widmo w DMS J= -, z 9 Protony diastereotopowe. -Bromo-,-dietoksyetan Br 0

6 Protony diastereotopowe: -bromo-,-dietoksyetan Br Uwaga: próbka zawiera zanieczyszczenia, o czym świadczy m. in. nieprawidłowa integracja Protony diastereotopowe: -bromo-,-dietoksyetan J= 9, z J = 7,0 z J = 7,0 z J = 9, z Br J = 9, z J = 7,0 z J = 7,0 z J= 9, z x J= 7,0 z -zanieczyszczenie

7 Protony diastereotopowe. Gliceryna () Protony diastereotopowe: gliceryna Widmo w D Widmo MR w D : w wyniku szybkiej wymiany przesunięcia chemiczne atomów wodoru grup się uśredniają i w widmie obserwuje się singlet położeniu charakterystycznym dla wody w D (ok.,8 ppm).

8 Protony diastereotopowe: gliceryna A B A B AA BB Protony diastereotopowe: gliceryna *** Final parameters after 0 iterations are: v[] = v[a].8 z. +/- 0.0 z. v[] = v[b] 07.9 z. +/- 0.0 z. v[] = v[x] 9.00 z. +/ z. j[][] = j[a][a] z. j[][] = j[a][b] -.7 z. +/ z. j[][] = j[a][x].0 z. +/ z. j[][] = j[b][a] z. j[][] = j[b][b] z. j[][] = j[b][x]. z. +/ z.,0 z,0 z -,7 z -,7 z, z

9 Protony diastereotopowe: gliceryna Widmo w DMS-d A B A B AA BB 7 Gliceryna: protony diastereotopowe Zadanie do samodzielnego wykonania Przeprowadzić interpretację widma MR gliceryny w DMS-d. Porównać wyniki z otrzymanymi dla roztworu w D. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 8

10 Zadania Zadanie. Przeprowadzić interpretację widm MR aspartamu (popularny zamiennik cukru) w DMS-d i D. W szczególności przypisać dwa dające się wyodrębnić w widmach układy ABX odpowiednim grupom protonów w cząsteczce. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 9 Rozróżnianie izomerów Z i E. Przypadek prosty: izomery Z i E krotonitrylu 0

11 Izomery Ei Zkrotonitrylu: widma MR Izomery E Z: Z-krotonitryl J=,0 z J=,0 z J=,8 z x J=,8 z x J=, z J=, z J =,0 z

12 Izomery E Z: E-krotonitryl J=,0 z J=,0 z J=,7 z x J=,7 z x J=, z J=, z J =,0 z Stałe sprzężenia J w izomerach Zi E X Y J E = - 8 z Y J Z = - z X Jedyny problem, to znaleźć tę stałą sprzężenia w widmie...

13 Rozróżnianie izomerów Z i E. Przypadek bardziej złożony: geraniol i nerol związki z trójpodstawionym wiązaniem podwójnym geraniol konfiguracja E wiązania nerol konfiguracja Z wiązania Izomery E Z: geraniol i nerol , 9, i 8, 9, 0

14 Widma D-ESY Izomery E Z: geraniol Widmo referencyjne 8 lub 9 8 lub 9 7 Widma D-ESY Izomery E Z: nerol i 8 i Widmo referencyjne i 8, 9, 0 8

15 Rozróżnianie izomerów Z i E. Przypadek trudny: Z i E-,-dichlorobut--eny l l l l Z-,-dichlorobut--en E-,-dichlorobut--en W obu izomerach grupy są równocenne chemicznie, ale nierównocenne magnetycznie, ze względu na różne stałe sprzężenia z protonami i. W związku z tym układ spinowy należy opisać jako: A A X X Dzięki temu, z widma MR powinno się dać wyznaczyć m. in. stałą sprzężenia (stała X X ) i na jej podstawie ustalić konfigurację wiązania podwójnego. 9 Izomery E Z: Z i E-,-dichlorobut--eny l l l l 0

16 Izomery E Z Z-,-dichlorobut--en symulacja widma MR J = -, z J = 0, z l l J = 7,9 z J Z = 0,7 z Izomery E Z E-,-dichlorobut--en symulacja widma MR J = 0,8 z J E =, z l l J =,8 z J = -, z

17 Izomery E Z: Z i E-,-dichlorobut--eny Przesunięcia chemiczne i izomerów Zi E,-but--enów l 7,9 ppm l 9, ppm,8 ppm.9 ppm l, ppm l 9, ppm W tym przypadku także sprawdza się zależność, że zarówno atomy węgla, jak i atomy wodoru związane z atomami sp wiązania podwójnego w izomerze Zsą silniej przesłaniane (czyli mają niższe przesunięcia chemiczne) niż w izomerze E. Jeśli więc wierzyć tej zależności, to przypadek Z i E,-but--enów wcale nie jest taki trudny......pod warunkiem, że mamy obydwa izomery! Dygresja : Jak rozróżnić E i Z,-dichloroeteny? Moment dipolowy: Z,9 D E 0 D Temperatura wrzenia: Z 0, E 7, A czy można w inny sposób? Proszę się zastanowić! Dane: Wikipedia

18 Rozróżnianie izomerów Z i E. Przypadek bardzo (?) trudny: maleinian dimetylu i fumaran dimetylu tw tw. 9 9 Izomery E Z: maleinian i fumaran dimetylu Widma MR,79 ppm,8 ppm, ppm,8 ppm Jeśli zależność mówiąca, że atomy wodoru związane z atomami sp wiązania podwójnego w izomerze Zsą silniej przesłaniane (czyli mają niższe przesunięcia chemiczne) niż w izomerze E ma charakter ogólny, to problem jest rozwiązany ale trzeba mieć oba izomery...

19 Izomery E Z: maleinian i fumaran dimetylu Jeśli widma nie dają jednoznacznej odpowiedzi, to może widma pomogą? 9, ppm,0 ppm, ppm,9 ppm,0 ppm, ppm Z programu MR: R R R, ppm R, ppm 7 Izomery E Z: maleiniani fumarandimetylu ząsteczka z jednym atomem w pozycji (lub ) nie jest już symetryczna czy można to wykorzystać? J - J - J - J -Me J - J -Me J - J - Układ spinowy A B M X lub A A M X jeśli przyjąć, że przesunięcia chemiczne atomów wodoru i są jednakowe. 8

20 Izomery E Z: maleinian i fumaran dimetylu Widma MR bez odsprzęgania protonów 9 Izomery E Z: maleinian i fumaran dimetylu 0

21 Izomery E Z: maleinian i fumaran dimetylu, z,0 z,0 z,0 z,80 z,90 z,7 z? z Izomery E Z: maleiniani fumarandimetylu A może można prościej? J = 7.7 z J = 9. z J =.9 z J =.8 z,9 z 7,7 z,8 z 9, z

22 Rozróżnianie izomerów Z i E. Przypadek jeszcze trudniejszy? Zi E-heks--eny Izomery E Z: Ei Zheks--eny,,

23 Izomery E Z: Ei Zheks--eny 0, ppm,8 ppm,7 ppm,7 ppm 8,9 ppm,7 ppm, ppm,7 ppm,8 ppm,8 ppm 7,8 ppm, ppm Izomery E Z: Ei Zheks--eny Wykorzystanie widm D-ESY, Widmo referencyjne WidmoD-ESY WidmoD-ESY

24 Izomery E Z: Ei Zheks--eny Wykorzystanie widm D-ESY, Widmo referencyjne, Widmo D-ESY, Widmo D-ESY 7 Izomery E Z: Ei Zheks--eny Wykorzystanie symulacji widma (00 Mz) J - = 0,8 z Widmo symulowane Widmo zmierzone 8

25 Rozróżnianie izomerów Zi E podsumowanie Jeśli dysponujemy obydwoma izomerami Z i E danego związku, to prawie zawsze daje się ustalić ich konfiguracje na podstawie odpowiednio dobranych widm MR. Jeśli mamy do dyspozycji tylko jeden izomer, to ustalenie konfiguracji jest możliwe wówczas, gdy możemy wyznaczyć odpowiednią stałą sprzężenia (-=- lub -=-) albo wykorzystać widma E. W przypadkach, gdy stała sprzężenia nie jest w pełni jednoznaczna (jej wartość jest bliska górnej granicy zakresu dla stałych Z lub dolnej granicy zakresu dla stałych E) można wykorzystać metody obliczeniowe DFT. Informacje na temat obliczeń przesunięć chemicznych i stałych sprzężenia:. Witryna internetowa: P.. Willoughby, M. J. Jansma & T. R oye A guide to small-molecule structure assignment through computation of ( and ) MR chemical shifts ature Protocols, 0, 9, Dygresja : Rozróżnianie izomerów Z i E Jeśli metody spektralne nie pozwalają na bezpośrednie ustalenie konfiguracji wiązania podwójnego, to może chemia pomoże? a przykład epoksydacja kwasem meta-chloronadbenzoesowym jest procesem stereospecyficznym: E - alken m-pba trans - oksiran J - trans =, z m-pba J - cis =, z Z - alken cis - oksiran J.rg.hem.,007,7,

26 Rozróżnianie izomerów cis i trans w układach pierścieniowych Zależność wicynalnej stałej sprzężenia od wartości kąta dwuściennego: równanie Karplusa i jego modyfikacje F J --- = A + B cos(f) + cos (F) lub J --- = A + B cos(f) + cos(f) Wartości stałych A, B i (ew. A, B i ) zależą od rodzaju podstawników przy atomach węgla. Równanie Karplusa można też wyrazić w postaci: J --- = A cos (F) dla 0 < F< 90º ( A = Jdla F= 0º, np. 0 z) J --- = B cos (F) dla 90 < F< 80º ( B = Jdla F= 80º, np. z)

27 Dygresja : agroda obla dla Martina Karplusa W roku 0 Martin Karplus, profesor Uniwersytetu w Strasburgu, (Francja) i Uniwersytetu arvarda w ambridge (USA) został wspólnie z Michaelem Levittem iariehemwarshelem Laureatem agrody obla z chemii za rozwój wieloskalowych modeli dla złożonych układów chemicznych. Zdjęcie ze strony: Wykresy różnych postaci równania Karplusadla J.00 Wykresy równania Karplusa J= 7,8 -cos(f) +, cos(f) z J= 0 cos (F) dla 0º< F< 90º J= cos (F) dla 90º< F< 80º kąt F

28 Równania Karplusa dla stałych sprzężenia Jwinylowej i Jallilowej.00 Stałe sprzężenia J i J (winylowa i allilowa) J J=. cos (F) +. sin (F) (0 o <= F<= 90 o ) J=. cos (F) +. sin (F) (90 o <= F<= 80 o ) J z J (winylowa) J (allilowa) J lub J=. cos (F) -. sin (F) (0 o <= F<= 90 o ) J= -. sin (F) (90 o <= F<= 80 o ) kąt F E.W. Garbisch Jr. J. Am. hem. Soc. 9, 8, - Kalkulator równania Karplusa w modyfikacji Altony i wsp.

29 e e a asycone pierścienie -członowe Typowe wartości stałych sprzężenia w cykloheksanie o konformacji krzesłowej e a a a a e a e e a aksjalne atomy wodoru e ekwatorialne atomy wodoru J a a = 8 z(najczęściej 0 z) kąt 80º e e a a J a e = 7 z(najczęściej z) kąt 0º J e e = 7 z(najczęściej z) kąt 0º a a a a 0º e 80º 0º 0º e Reguła przesunięć chemicznych w cykloheksanie: d e > d a o ok. 0,,0 ppm 7 asycone pierścienie -członowe. Pentaoctany a- i b-d-glukozy Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac Ac 8

30 asycone pierścienie -członowe: glukoza Anomer a, ppm e Ac Ac Ac Ac Ac Anomer b,7 ppm a Ac Ac Ac Ac Ac 9 asycone pierścienie -członowe: glukoza Ac Ac Ac J ae Ac Ac J ae =,7 z J aa = 8, z Ac Ac Ac J aa Ac Ac Anomer a Anomer b Anomerycukrów w formie piranozowejmożna najłatwiej rozróżnić na podstawie wartości stałej sprzężenia J - 0

31 asycone pierścienie -członowe: glukoza w D J ae J aa Anomer a J ae =,8 z Anomer b J aa = 8,0 z Zadania Zadanie. Przeprowadzić możliwie pełną interpretację widm i MR pentaoctanówa-i b-d-glukozy. Zadanie minimum: wyznaczyć wartości stałych sprzężenia między atomami wodoru w pierścieniu. Zadanie. a podstawie widma MR mieszaniny pentaoctanów a-i b- D-galaktozy ustalić zawartości obu anomerów w tej mieszaninie. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA

32 asycone pierścienie -członowe. Mentol asycone pierścienie -członowe: mentol x

33 asycone pierścienie -członowe: mentol 0 8, asycone pierścienie -członowe: mentol

34 asycone pierścienie -członowe: mentol 7 e e e 7 asycone pierścienie -członowe: mentol 0 8, a a a 8

35 asycone pierścienie -członowe: mentol Podsumowanie interpretacji widma do samodzielnego sprawdzenia! 7,0 z 9,8 z 7 7,0 z 8 0,8 ppm 0,9 ppm, ppm 0,8 ppm a 8, ppm 0,9 ppm e a, ppm 7 e 9 0,9 ppm 0 e a,9 ppm,7 ppm 0,98 ppm, ppm, ppm 0, z 0, z -,7 z, z, z,0 z 0, z 9 7, z 8, z, z -,0 z, z, z,0 z -,9 z 0, z, z stałe a a stałe e e stałe a e stałe geminalne i inne asycone pierścienie -członowe: mentol 0, z obl. 0, z 0, z, z obl., z obl.,7 z 0 0 Porównanie zmierzonych i obliczonych stałych sprzężenia dla mentolu i jego epimeru. obl., z obl., z obl., z 0 (-) mentol (+) neomentol 70

36 Zadanie. Zadania Przeprowadzić możliwie pełną interpretację widm MR kamfory (przypisania sygnałów, wyznaczenie przesunięć chemicznych i stałych sprzężenia tam, gdzie to możliwe). Zadanie. Przeprowadzić możliwie pełną interpretację widm MR a-pinenu (przypisania sygnałów, wyznaczenie przesunięć chemicznych i stałych sprzężenia tam, gdzie to możliwe). Zadanie. W wyniku redukcji kamfory otrzymano mieszaninę zawierającą dwa alkohole: borneol i izoborneol, różniące się konfiguracją grupy. a podstawie kompletu widm MR ustalić jednoznacznie, który z alkoholi jest głównym składnikiem mieszaniny oraz wykazać, że drugi składnik jest rzeczywiście izomerem różniącym się konfiguracją grupy. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 7 Izomery cis-transw pierścieniu cyklopropanowym S -fenylosulfonylo--(,-dimetyloamino)metylo-cyklopropan Widma powyższego związku pochodzą z pracy dr. Dariusza Kwiatkowskiego i zostały zamieszczone za jego zgodą. a stronie WWW są nazwane DKB 7

37 Izomery cis-trans w pierścieniu cyklopropanowym S 7 Izomery cis-trans w pierścieniu cyklopropanowym Widmo MR jest I-go rzędu (części alifatycznej) i daje się w pełni zinterpretować. 7

38 Izomery cis-trans w pierścieniu cyklopropanowym a podstawie wartości tej stałej sprzężenia można jednoznacznie przypisać związkowi konfigurację trans., z -,8 z,7 z, z 8, z Typowe zakresy stałych sprzężenia J w pierścieniu cyklopropanu: PhS,9 z -, z, z 9, z J cis = 7 z J trans = 9 z 7 Widma E Izomery cis-trans w pierścieniu cyklopropanowym ' ' PhS Widmo referencyjne Ih PA WARSZAWA 7

39 Rozróżnianie izomerów cis-transw labilnym konformacyjnie układzie cyklicznym. Katechina czy epikatechina? (+)-katechina (-)-epikatechina 77 Katechina czy epikatechina? Widmo w D D Uśrednione protony fenolowe i Me ' z D D 78

40 Katechina czy epikatechina? obl. J=, z obl. J=,9 z obl. J= 0,7 z obl. J= 9,0 z obl. J=, z obl. J=,8 z Katechina e-e Katechina a-a DE= 0, kcal/mol (, kj/mol) 79 Katechina czy epikatechina? Katechina e-e Katechina a-a J obliczone e-e (z) J zmierzone (z) J obliczone a-a (z) e-e : a-a J - 9,0 7,,9 80:0 J -,8,, 8: J - 0,7 8,, 70:0 80

41 obl. J=,0 z Katechina czy epikatechina? obl. J=, z zm. J= 7, z obl. J= 0, z zm. J= 7, z obl. J=, z zm. J=, i 8, z obl. J=,0 z zm. J=, i 8, z obl. J=,9 z Epikatechina e-a Epikatechina a-e DE=,0 kcal/mol (8, kj/mol) a podstawie tych danych strukturę epikatechiny należy odrzucić. 8 Katechina w DMS Widmo w DMS-d - fenolowe 8

42 Katechina Zadanie do samodzielnego wykonania. Przeprowadzić pełną interpretację widm i MR katechiny w DMS.. Porównać stałe sprzężenia w pierścieniu dihydropiranowym w widmach zarejestrowanych w D D i DMS-d.. Przypisać sygnały grup fenolowych w widmie w DMS odpowiednim grupom w cząsteczce katechiny. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 8 isczy trans wykorzystanie stałych sprzężenia J obliczonych na podstawie równania typu Karplusa* Ph Ph Widmo MR bez rozprzęgania sprzężeń - sygnał atomu węgla grupy karbonylowej J =. z l l Kąt dwuścienny ---: o 7 o J :, z 7,8 z PPM *Równanie na J na podstawie: arbohydrate Res. 99, 7, - M. Królikiewicz, K. Błaziak, W. Danikiewicz, Z. Wróbel A two steps synthesis of selected,,,-tetrahydroquinoxaline derivatives from -nitroso--aryloamines and arylidenecyanoacetic esters Synlett 0,,

43 Pierścienie pięcioczłonowe Addukty nitronu do butenolidu + + endo-anti exo-anti exo-syn S. Stecko, K. Paśniczek, M. Jurczak, Z. Urbańczyk-Lipkowska, M. hmielewski Tetrahedron: Asymmetry 8 (007) Pierścienie pięcioczłonowe: addukty nitronu do butenolidu Widma MR w D pominięto sygnał grupy -( ) Addukt a b 7 7 a Addukt a b 7 7 a Addukt a b a 7 7 a a 7 b 8

44 Pierścienie pięcioczłonowe: addukty nitronu do butenolidu endo-anti exo-anti exo-syn Wyniki pomiarów Wyniki obliczeń MMX + Karplus Add. Add. Add. J a- <0.,9, J a-,,, J a-a,7 7, 7, J a-b 0,,, J b- ~,7 7, endo-anti exo-anti exo-syn J a-, 8,, J a-,9,7 8, J a-a 8,0 0,0 0,0 J a-b,0 0, 0, J b-,8 7,, 87 Pierścienie pięcioczłonowe: addukty nitronu do butenolidu a a b endo-anti dośw. MMX X-Ray J a- <0.,, J a-,,9, J a-a,7 8,0 7, J a-b 0,,0, J b- ~,8, X-Ray po opt. MMX 88

45 Pierścienie pięcioczłonowe: addukty nitronu do butenolidu a a b exo-anti dośw. MMX X-Ray J a-,9 8, 8, J a-,,7, J a-a 7, 0,0 0,0 J a-b, 0, 0, J b-,7 7,, X-Ray po opt. MMX 89 Pierścienie pięcioczłonowe: addukty nitronu do butenolidu exo-syn dośw. MMX X-Ray J a-,,,7 a a b J a-, 8, 7, J a-a 7, 0,0 9, J a-b, 0, 0, J b- 7,, 7, X-Ray po opt. MMX 90

46 Zadanie Zadanie 7. Przeprowadzić interpretację widm, i MB kwasu - okso-cykloheks--enokarboksylowego (nazwa widm na stronie WWW: DKX0).. Wykorzystując modelowanie molekularne (np. programem PModel lub Avogadro) zaproponować najtrwalszą konformację cząsteczki tego związku.. Wykazać, że obliczona konformacja jest zgodna z danymi doświadczalnymi (przez porównanie zmierzonych i obliczonych stałych sprzężenia J - ). Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA. Widma pochodzą z pracy dr. Dariusza Kwiatkowskiego i zostały zamieszczone za jego zgodą. 9