ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Transkrypt

1 ZAAWASWAE METDY USTALAIA BUDWY ZWIĄZKÓW GAIZY Witold Danikiewicz Instytut hemii rganicznej PA ul. Kasprzaka /5, 0- Warszawa Serdecznie dziękuję pracownikom i doktorantom Ih PA, którzy dostarczyli próbki lub widma związków wykorzystanych w moich wykładach. Specjalne podziękowanie należy się operatorom spektrometrów M i MS, których praca umożliwiła powstanie tego wykładu.

2 Widma M związków fluoroorganicznych 9 F = 00% spinowa liczba kwantowa = ½ czułość w stosunku do : 8% Widma M związków fluoroorganicznych Fluoronitrobenzeny F F F

3 Fluoronitrobenzeny: widma M w Dl (00 Mz) F meta- F F 5 Fluoronitrobenzeny: widma M w Dl (500 Mz) F para- orto- para- orto- meta- F F 6

4 Fluoronitrobenzeny: porównanie z chloronitrobenzenami orto meta para F -0,9-0,0-0, l -0,0-0,07-0, 0,87 0,0 0, F l 7 Fluoronitrobenzeny: porównanie z chloronitrobenzenami Stałe sprzężenia w m-chloro- i m-fluoronitrobenzenie, z, z J -F = 5,5 z 8,5 z 6 8, z 6 J -F = 8,6 z,0 z 5 l,0 z 0,95 z 5 F,5 z 8,0 z 8, z J -F = 8,6 z Stałe sprzężenia J -F (orto) są podobne do analogicznych stałych J -. Stałe sprzężenia J -F (meta) są znacznie większe niż stałe J -. 8

5 Fluoronitrobenzeny: widma M 6 5 F orto- J -F = 6, z J -F = 8,6 z 6 J -F =,7 z 5 J -F =, z J -F = 0,6 z 6 5 F meta- J -F = 5, z J -F = 8, z 5 J -F =, z 6 J -F =, z J -F = 6, z, 6, F para- J -F = 57,9 z J -F = 0,0 z J -F =,7 z 9 Fluoronitrobenzeny: widma 9 F M F δ F = -8, ppm meta- F para- ortoδ F = -09,5 ppm Wzorzec: Fl F δ F = -0,5 ppm 0

6 Fluoronitrobenzeny: widma 9 F linie satelitarne F δ F = -0,5 ppm (99%) i (%) Efekt izotopowy = = -0,09 ppm (ok. z dla Variana 00 Mz) δ F = -0,6 ppm Linie satelitarne można wykorzystać do identyfikacji atomów fluoru w związkach zawierających więcej niż jeden atom tego pierwiastka J -F = 57,9 z z widma : J -F = 57,9 z Fluoronitrobenzeny: zadania Zadanie. Przeprowadzić analizę widm M dwóch izomerycznych kwasów fluoronitrobenzoesowych i ustalić na tej podstawie ich budowę. Zadanie.. Wykorzystując wiedzę zdobytą podczas rozwiązywania Zadania ustalić budowę cząsteczki kwasu difluoronitrobenzoesowego na podstawie jego widm M.. Przypisać sygnały w widmie 9 F odpowiednim atomom fluoru w cząsteczce (wskazówka: wykorzystać linie satelitarne w widmie fluorowym).. Wyznaczyć stałą sprzężenia fluor fluor. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA

7 Związki fosforoorganiczne P = 00% spinowa liczba kwantowa = ½ czułość w stosunku do : 7% P-tlenek -fenylo-,5-dihydrofosfolu M Ph, P 6' ' 5' 5 ' ' ',, 5, 5 Układ spinowy AA BB MM X (bez fenylu) Próbka otrzymana od dr. hab. Z. Pakulskiego

8 P-tlenek -fenylo-,5-dihydrofosfolu M, J P- 9 z 5 P ' ' ' 6' 5' ' J P- 5, z J - 7,6 z J P- 6,7 z Pełna interpretacja nie jest możliwa bez kompletnej symulacji 5 P-tlenek -fenylo-,5-dihydrofosfolu M 5 P ' ' ' 6' 5' ', 5 J P- = 68 z 6

9 P-tlenek -fenylo-,5-dihydrofosfolu M 5 P ' ' ' 6' 5' ' J P- = 9 z J P- = z J P- = 0 z, 6 i, 5 J P- = z, J P- = z 7 P-tlenek -fenylo-,5-dihydrofosfolu P M 5 P ' ' ' 6' 5' ' δ P = 57,5 ppm Wzorzec: P (aq.) 8

10 W9 -( ) P 8 9 8? 9? 6 7 lub 5 5 lub Szerokie sygnały są wynikiem zahamowanej rotacji grupy P()( ) i zahamowanej inwersji pierścienia siedmioczłonowego. 9 W9 M J -P = 8 z J -P = 8 z 0 lub -( ) - J -P = 7 z - J -P = 7 z P J -P = 8 z 5?? 0

11 W9 P M 8 9 P δ P = 8, ppm Związki fosforoorganiczne - zadania Zadanie. Przeprowadzić możliwie pełną interpretację widm,, DEPT, SQ i MB P-tlenku -fenylo-,- dihydrofosfol--olu (nazwa widm na stronie WWW: WDP).. Wyznaczyć, tam gdzie to możliwe, stałe sprzężenia -P i -P.. kreślić, jaki wpływ wywiera podstawnik P() na przesunięcia chemiczne atomów węgla wiązania podwójnego =. Uwaga: badano pojedynczy izomer (cis lub trans), ale nie wiadomo który. P Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA Próbka otrzymana od dr. hab. Z. Pakulskiego

12 Widma M soli tetraalkiloamoniowych wpływ atomu azotu na wygląd widma + X - Skład izotopowy azotu: = 99,6%, spin 5 = 0,%, spin ½, czułość 0,% Sole tetraalkiloamoniowe: M w D

13 Sole tetraalkiloamoniowe: widma M Sole tetraalkiloamoniowe: Me + I - Sprzężenie z atomem azotu widoczne dzięki wysokiej symetrii cząsteczki i niskiej gęstości elektronowej na atomie azotu J -- = 0,6 z J - =, z + 6

14 Sole tetraalkiloamoniowe: Et + I - widmo M + J --- = = 7, z J --- = = 7, z J --- = =,9 z 7 Sole tetraalkiloamoniowe : Et + I - widmo M + J - =, z 8

15 Sole tetraalkiloamoniowe: Et dla porównania J = 7, z 9 Sole tetraalkiloamoniowe: n-pr + Br - widmo M + ie obserwuje się sprzężenia -. Widmo staje się złożone ze względu na zahamowaną rotację grup propylowych protony grup związanych z atomem azotu są nierównocenne. 0

16 Sole tetraalkiloamoniowe: n-pr + Br - widmo M J --- =,6 z + J - =,8 z bserwuje się sprzężenie - przez i przez wiązania. Sprzężenie przez wiązania jest niewidoczne (zerowe lub bardzo bliskie zeru). Sole tetraalkiloamoniowe Zadanie. Przeprowadzić analizę widm i M jodku tetra-nbutyloamoniowego w wodzie. Stwierdzić, czy widma te stosują się do reguł ustalonych na podstawie analizy widm soli o krótszych łańcuchach węglowych. Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA

17 Widma 5 M 5 = 0,%, spin ½, czułość 0,% Widmo M kofeiny w DMS-d6.0 Kofeina-.esp.5.6 ormalized Intensity ' 6 5 ' 7' DMS hemical Shift (ppm)

18 Widmo MB - 5 kofeiny ' 6 5 ' 7' F hemical Shift (ppm) F hemical Shift (ppm) 5 Efekty dynamiczne w widmach M: zahamowana rotacja i zahamowana inwersja pierścienia 6

19 Dla przypomnienia: amidy M (Dl ) + M (Dl ) M (DMS-d6) 7,6,7-tripodstawione pochodne indolu Próbki otrzymane od prof. K. Wojciechowskiego 8

20 -MM-6- -indol: widmo w Dl MM t-BuS -indol +. B - l S. + / S 0

21 -MM t-BuS -indol: widmo w Dl S - 5 -( ) -MM t-BuS -indol: widmo SQ S - - -S S

22 -MM t-BuS -indol: model cząsteczki -MM t-BuS -indol: widmo w DMS w 0 º S

23 -MM t-BuS -indol: widma w DMS w 0 i 77 º 77 º S 0 º 5 -pmebn t-BuS -indol: widmo w Dl -- -Ph - -S - S 6

24 -pmebn t-BuS -indol: widma w DMS w 0 i 77 º 77 º S 0 º -- -Ph - -S - 7,6,7-podstawione indole - zadanie Zadanie do samodzielnego wykonania Przeprowadzić interpretację widm M opisanych wyżej pochodnych indoli: -metoksymetylo-6-nitroindol -p-metoksybenzylo-6-nitroindol -metoksymetylo-6-nitro-7-(t-butylosulfonylometylo)-indol -p-metoksybenzylo-6-nitro-7-(t-butylosulfonylometylo)- indol Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 8

25 yklobenzaprina i jej -tlenek + Problem: czy w wyniku utleniania cyklobenzapriny powstaje -tlenek czy inny produkt utleniania? 9 00 yklobenzaprina i jej -tlenek widma ESI-MS Mariner Spec # AS[BP = 76., 50] M % Intensity widma masowe ESI ew. fragmentacja Mass (m/z) Mariner Spec # AS[BP = 9., 85] M % Intensity Mass (m/z) 9. M+a +. 50

26 yklobenzaprina i jej -tlenek widma fragmentacyjne + +EPI (76.00) E (0): to.8 min from Sample (hlorowodorek cyklobenzapriny EPI) of cyklobenzaprin e6.0e6 Max..5e6 cps. +EPI (9.00) E (0): 0.80 to.09 min from Sample (-tlenek cyklobenzapriny 507/L EPI) of _tlenek_5.....e7.e7 +..e7 Max..e7 cps..5e6.0e6 5..e7.0e7 9.0e6.5e6.0e6.5e6.0e6 5.0e m/z, amu 8.0e6 7.0e6 6.0e6 5.0e6.0e6?.0e6 M M+ +.0e e m/z, amu 5 yklobenzaprina: widma wolnej zasady i chlorowodorku 9 0 x 0, hlorowodorek ppm DMS 0, DMS x Wolna zasada 5

27 yklobenzaprina i jej -tlenek (+ + ) x hlorowodorek cyklobenzapriny tlenek cyklobenzapriny + +, ppm 5 -tlenek cyklobenzapriny model AM 5

28 Wodorosiarczan clopidogrelu S l + * S - 55 Wodorosiarczan clopidogrelu M w D l + S * S - 56

29 Wodorosiarczan clopidogrelu M w D i w DMS-d6 l + S * S - D DMS 57 Wodorosiarczan clopidogrelu M w DMS-d6 w 5 i 00 temp. 00 l + S * S - DMS temp. 5 DMS 58

30 lopidogrel - zadanie Zadanie 5.. Przeprowadzić interpretację widm M wodorosiarczanu clopidogrelu w D w temperaturze pokojowej i w DMSd6 w temperaturze 00 º. Porównać uzyskane wyniki.. cenić na podstawie przeprowadzonej interpretacji na ile pomocne są widma D podczas analizy widm substancji dających szerokie i bardzo szerokie sygnały (zwłaszcza w widmach protonowych). Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 59 β-laktamy 60

31 -Furyloklawamy S S S S S S M. ierpucha, I. Panfil, T.T. Danh, M. hmielewski, W. Kurzatkowski, A. ajnisz, J. Solecka J. Antibiot. 60, 6-6 (007). 6 -Furyloklawamy M 5 J 5-6 =,0 z 5 S ,6-cis gólna zależność w β-laktamach: izomer cis: J 5-6 =,5 z izomer trans: J 5-6 = 0,5 z 5 5 J z ,6-trans 6

32 -Furyloklawamy M Problem ustalenia konfiguracji względnej na atomie S S S 6 -Furyloklawam SS X-ay S 6

33 -Furyloklawamy widma D S S S SS S Ustalanie konfiguracji absolutnej na atomie -5 S SS S S S 65 β-laktamy - zadanie Zadanie 6. W wyniku syntezy antybiotyku β-laktamowgo - faropenemu - otrzymano jeden z dwóch możliwych izomerów różniących się konfiguracją na atomie węgla 6. Ustalić na podstawie analizy widm M, czy otrzymano produkt cis czy trans. 6 5 S a + Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 66

34 Katalizatory metatezy typu oveydy Grubbsa l l.. u K. Grela, S. arutyunyan, A. Michrowska Angew. hem. Int. Ed., 08 (00). 67 Katalizatory metatezy widmo M l l u l l u δ = 6,5 ppm K. Grela, S. arutyunyan, A. Michrowska Angew. hem. Int. Ed., 08 (00). 68

35 Katalizatory metatezy widmo M l l u δ = 9, ppm δ = 08, ppm K. Grela, S. arutyunyan, A. Michrowska Angew. hem. Int. Ed., 08 (00). 69 Zadanie 7. Katalizatory metatezy - zadania Dokończyć interpretację widm i M przedstawionego wyżej tzw. nitrowego katalizatora metatezy (nazwa widm na stronie WWW: Grela-nitrowy). Zadanie 8. Przeprowadzić interpretację widm i M tzw. chinolinowego katalizatora metatezy (nazwa widm na stronie WWW: Grela-chinolinowy). Zwrócić uwagę na wspólne cechy widm M katalizatorów tego typu. l u l Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 70

36 Porfiryny 7 Pochodna porfiryny M δ = 0,8 ppm - δ = -, ppm Próbka od dr. M. Gałęzowskiego i prof. D. T. Gryko 7

37 Fotochemiczna degradacja koroli Widma ESI w różnych rozpuszczalnikach 00% 90% 66.6 [M+] + el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% M in methanol after 60 minutes 0% 0% 0% [M+7] [M+] m/z, amu 00% 65.5 M +. 00% 65.5 M [M+7] + 90% 90% el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% 0% 0% 0% 66.6 in hexane after 60 minutes [M+7] el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% [M-] + 0% [M+] + 0% % [M+] in acetonitrile after 60 minutes m/z, amu m/z, amu Mass spectrometry studies on meso-substituted corroles and their photochemical decomposition products P. Świder, A. owak-król,. Voloshchuk, J. P. Lewtak, D. T. Gryko, W. Danikiewicz, J. MASS SPETM. 00, 5, Fotochemiczna degradacja koroli Widmo M związku M + (M = 65 Da)

38 Fotochemiczna degradacja koroli ptymalizacja geometrii: BPW9/6-G(d) bliczenie przesunięć chemicznych M: BPW9/6-+G(d,p) y = 0.98x ² = M M y = x +.0 ² = Delta exp Delta exp Delta obl Delta obl. 75 Fotochemiczna degradacja koroli Dwa produkty M + ptymalizacja geometrii: BPW9/6-G(d) bliczenie przesunięć chemicznych M: BPW9/6-+G(d,p) 76

39 Fotochemiczna degradacja koroli 77 Podsumowanie: podstawowe zasady potwierdzania budowy złożonej cząsteczki związku organicznego na podstawie widm M. a podstawie integracji widma M ustalić, czy zgadza się liczba atomów wodoru. Uwzględnić ew. wymianę wymienialnych atomów wodoru z rozpuszczalnikiem.. Wyznaczyć - tam gdzie to możliwe - wartości stałych sprzężenia -. Uwzględnić wpływ ew. atomów pierwiastków o niezerowym spinie jądrowym (np. F, P).. a podstawie wyznaczonych stałych sprzężenia oraz widma SY ustalić, które atomy wodoru są ze sobą sprzężone.. a podstawie widma M ustalić, czy zgadza się liczba atomów węgla (z uwzględnieniem ew. równocenności magnetycznej). Jeśli się nie zgadza, to wykorzystać inne widma (np. SQ lub Gated Decoupling) w celu znalezienia nakładających się pików w widmie, ew. wykonać widmo w innym rozpuszczalniku. 5. a podstawie widma SQ ustalić, które atomy wodoru są związane z którymi atomami węgla. Z tego samego widma określić liczbę I-, II-, III- i IV-rzędowych atomów węgla. 6. a podstawie widma MB powiązać poszczególne atomy wodoru z atomami węgla znajdującymi się w bezpośrednim sąsiedztwie (- wiązania). 7. Przypisać sygnały w widmach i M odpowiednim atomom w cząsteczce. Wykorzystać wyniki uzyskane w poprzednich krokach oraz ew. obliczenia przesunięć chemicznych na podstawie inkrementów podstawników lub metod chemii kwantowej. 8. a podstawie wartości stałych sprzężenia, widm E lub ESY potwierdzić (lub ustalić) przestrzenną budowę cząsteczki. Wykorzystać modele cząsteczek ( realne czyli plastikowe lub metalowe i wirtualne, czyli generowane komputerowo). 78

40 Brucyna 6 79 Brucyna 80

41 Paclitaxel (Taxol) Paclitaxel (Taxol) M B ' ' ' 0 A 8

42 Złożone cząsteczki zadania dla ambitnych (i mających sporo wolnego czasu... ) Zadanie 9. Przeprowadzić interpretację widm M brucyny. Zadanie 0. Przeprowadzić interpretację widm M paclitaxelu (Taxolu). Widma znajdują się na stronach WWW Studium Doktoranckiego Ih PA 8 Palitoksyna 8

43 Zalecana lektura przed egzaminem (po zresztą też...) Podręczniki i monografie po polsku:.m. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych PW 007. po angielsku: T.. Mitchell, B. ostisella M From Spectra to Structures Springer 007 (dostępna dla pracowników i doktorantów Ih PA w formie PDF). E. Breitmaier Structure Elucidation by M in rganic hemistry. A Practical Guide Wiley 00.. Duddeck, W. Dietrich Structure Elucidation by Modern M. A Workbook Springer 99. L.D. Field, S. Sternhell, J.. Kalman rganic Structures from Spectra Wiley 008. S. Berger, D. Sicker lassics in Spectroscopy Wiley