ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

ZAAWANSOWANE METODY USTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW ORGANICZNYC Witold Danikiewicz Instytut Chemii Organicznej PAN ul. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa Semestr zimowy 2017-18 Metody chiralooptyczne ECD eksperyment DFT obliczenia (4S,5R) 2

PODZIĘKOWANIA Część rysunków wykorzystanych w niniejszym wykładzie pochodzi za zgodą Autorów z materiałów opracowanych przez prof. Jadwigę Frelek i jej zespół. Prof. Jadwidze Frelek i dr Aleksandrze Butkiewicz składam w tym miejscu podziękowanie za pozwolenie na wykorzystanie tych materiałów w moim wykładzie. Animowane symulacje zjawisk falowych pochodzą ze strony internetowej Andrása Szilágyi (http://cddemo.szialab.org/), do odwiedzenia której zachęcam. 3 Metody chiraloptyczne Podstawowe metody chiralooptyczne: 1. Pomiar skręcalności optycznej (polarymetria). 2. Dyspersja skręcalności optycznej (Optical Rotary Dispersion ORD). 3. Elektronowy dichroizm kołowy (Electronic Circular Dichroism ECD lub CD. 4. Wibracyjny dichroizm kołowy (Vibrational Circular Dichroism VCD). Na czym polegają: Współczynniki absorpcji i/lub załamania muszą być różne dla promieniowania elektromagnetycznego kołowo spolaryzowanego w lewo ( L, n L ) i kołowo spolaryzowanego w prawo ( R, n R ) i odwrotnie Do czego służą: 1. Polarymetria: stwierdzenie czynności optycznej związku; dla związków znanych ustalenie czystości optycznej (nadmiaru enancjomerycznego) 2. ORD, ECD, VCD: określanie konfiguracji absolutnej cząsteczek chiralnych na podstawie reguł empirycznych lub za pomocą metod obliczeniowych. 4

Polarymetria Jean Baptiste Biot (1774-1862) Skręcalność właściwa substancji w roztworze [α] D to wartość skręcenia płaszczyzny polaryzacji żółtego światła sodowego (589 nm) spolaryzowanego liniowo mierzona w 20 o C dla roztworu o stężeniu 1 g/1 cm 3 na drodze 1 dm. Jeśli z punktu widzenia obserwatora płaszczyzna polaryzacji ulega skręceniu w prawo (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), to znak skręcalności jest dodatni, a w przeciwnym przypadku ujemny. Zawsze należy podawać rozpuszczalnik i stężenie. [ ] 20 D l c α kąt skręcenia płaszczyzny polaryzacji w stopniach (z podaniem znaku!) l długość drogi optycznej (w dm) c stężenie substancji (w g/cm 3 ) 5 Polarymetria Konstrukcja polarymetru i sposób pomiaru skręcalności Polarymetr manualny Polarymetr automatyczny 6

Typy polaryzacji Liniowa (inaczej: w płaszczyźnie) Kołowa András Szilágyi http://cddemo.szialab.org/ 7 Polaryzacja liniowa Suma wiązek światła spolaryzowanego kołowo lewoskrętnie i prawoskrętnie (o tej samej długości fali i natężeniu) daje światło spolaryzowane liniowo. Tak więc każda wiązka światła spolaryzowanego liniowo może być traktowana jako suma dwóch wiązek spolaryzowanych kołowo o przeciwnych kierunkach polaryzacji. András Szilágyi http://cddemo.szialab.org/ 8

Zasada działania polarymetrii i ORD n D > n L András Szilágyi http://cddemo.szialab.org/ W wyniku różnej szybkości rozchodzenia się fal spolaryzowanych kołowo lewoskrętnie i prawoskrętnie w ośrodku o czynności optycznej pojawia się przesunięcie fazowe pomiędzy nimi, skutkujące zmianą płaszczyzny światła spolaryzowanego liniowo, na które te dwie wiązki się składają. Zjawisko to nosi nazwę dwójłomności kołowej. 9 Dyspersja skręcalności optycznej (ORD) Metoda ORD polega na pomiarze zależności kąta skręcania płaszczyzny polaryzacji światła spolaryzowanego liniowo od długości fali. W odróżnieniu od metody ECD nie wymaga obecności w cząsteczce chromoforu. https://chem.libretexts.org/textbook_maps/organic_chemistry_textbook_maps/map%3a_basic_principles_of_orga nic_chemistry_(roberts_and_caserio)/19%3a_more_on_stereochemistry/19.09%3a_optical_rotatory_dispersion_ and_circular_dichroism 10

Zjawisko dichroizmu kołowego Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo z absorbującym ośrodkiem chiralnym: wiązki prawo- i lewoskrętne są absorbowane w różnym stopniu. D > L Polaryzacja eliptyczna András Szilágyi http://cddemo.szialab.org/ 11 Zjawisko dichroizmu kołowego W rzeczywistości zjawiska dichroizmu kołowego i dwójłomności kołowej najczęściej występują równocześnie. D > L n D > n L Polaryzacja eliptyczna + skręcenie płaszczyzny polaryzacji András Szilágyi http://cddemo.szialab.org/ 12

Spektroskopia dichroizmu kołowego Δε Δε = ε L ε R dichroizm kołowy ε L, ε R molowe współczynniki absorpcji dla światła spolaryzowanego kołowo w lewo i kołowo w prawo 13 Spektroskopia dichroizmu kołowego ECD i VCD Spektroskopia elektronowego dichroizmu kołowego (ECD) Pomiar różnicy absorpcji przez próbkę promieniowania elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie w zakresie nadfioletu i światła widzialnego. Aby pomiar był możliwy cząsteczki badanej substancji muszą być chiralne i absorbować promieniowanie w tym zakresie, czyli posiadać odpowiedni chromofor. Spektroskopia wibracyjnego dichroizmu kołowego (VCD) Pomiar różnicy absorpcji przez próbkę promieniowania elektromagnetycznego spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie w zakresie podczerwieni. Nie jest wymagana obecność chromoforu (chiralność oczywiście tak!), ale pomiar jest trudniejszy technicznie (bardzo długi). 14

Spektroskopia dichroizmu kołowego ECD i VCD Warunki występowania dichroizmu kołowego (CD): chiralność badanego układu obecność odpowiedniego chromoforu Co to jest chromofor: atomy lub grupa atomów, w których zlokalizowane są elektrony biorące udział we wzbudzeniu (najczęściej elektrony i n) definicja klasyczna, dotyczy ECD. fragment cząsteczki zmieniający wskutek wzbudzenia swoje właściwości jak np. polaryzację, rozkład ładunku, geometrię itd. definicja rozszerzona, dotyczy VCD. 15 Spektroskopia dichroizmu kołowego ECD CROMOFORY wewnętrznie chiralne achiralne w chiralnym otoczeniu absorbujące na granicy lub poza zakresem pomiarowym achiralna cząsteczka achiralny chromofor chiralna cząsteczka brak chromoforu chiralna cząsteczka chiralny chromofor chiralna cząsteczka achiralny chromofor brak CD brak CD silne CD słabe CD 16

Spektroskopia elektronowego dichroizmu kołowego ECD L R źródło światła monochromator polaryzator modulator próbka detektor Spektropolarymetr ECD Jasco J-815 163-1100 nm 17 Przykład zastosowania ECD oksacefamy ca. 220 nm 18

Podsumowanie Materiał dr A. Butkiewicz Warunki konieczne do aktywności spektralnej DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD) chiralny nieracemiczny układ ELEKTRONOWY DICROIZM KOŁOWY (ECD) chiralny nieracemiczny układ obecność chromoforu OSCYLACYJNY DICROIZM KOŁOWY (VCD) chiralny nieracemiczny układ Zakres pomiarowy 180-700 nm 180-1100 nm 4000-850 cm -1 Uzyskiwane informacje cała cząsteczka otoczenie wokół chromoforu Rozdzielczość niska niska wysoka cała cząsteczka, drgania Stężenie próbki 5-10 mg/ml 0.2-2 mg/ml 5-15 mg/0.2 ml Czułość wysoka wysoka niska Czas pomiaru kilka minut kilka minut kilka godzin, ~6-8 h Obliczenia teoretyczne TD-DFT TD-DFT DFT Ustalanie budowy związków organicznych ogólne zasady postępowania 20

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. 21 Identyfikacja związków znanych Temperatura topnienia (dla substancji krystalicznych). Porównanie ze związkiem wzorcowym przy pomocy TLC, GC lub PLC oraz metod spektralnych. Porównanie widm badanego związku z widmami znajdującymi się w bazach danych: widma masowe widma IR widma NMR Dla związków czynnych optycznie: pomiar współczynnika skręcalności światła spolaryzowanego liniowo. 22

Bazy widm masowych Bazy komercyjne, dostępne w formie oprogramowania do zainstalowania na własnym komputerze: baza Wiley a wyd. 11 ok. 775 tys. widm EI dla 600 tys. związków (dużo powtórzeń, trafiają się błędy); w IChO jest Wiley w wersji 8; baza NIST wersja 17 ok. 300 tys. widm EI; prawie bez powtórzeń, dużo wyższa jakość widm; zawiera także bazę widm fragmentacyjnych, baza połączona Wiley a i NIST ok. 1 mln. widm EI. Pełna informacja na stronie: http://www.sisweb.com/software/ms/wiley.htm. Bazy internetowe brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy: http://webbook.nist.gov/chemistry/ ok. 15000 widm; http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi ok. 25000 widm. 23 6 x10 1.25 1.2 1.15 + TIC Scan CYTR6.D Chromatogram GC/MS olejku cytrynowego 4.796 1.1 1.05 1 0.95 0.9 0.85 0.8 0.75 0.7 0.65 0.6 0.55 0.5 0.45 0.4 3.173 5.819 0.35 0.3 0.25 14.180 0.2 0.15 2.327 11.558 13.521 0.1 0.05 3.949 6.395 12.110 6.654 14.439 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 Counts vs. Acquisition Time (min)

Chromatogram GC/MS olejku cytrynowego. Składniki zidentyfikowano na podstawie biblioteki widm Wiley a -pinen (96 %) 2.33 -pinen (97 %) 3.17 sabinen (97 %) mircen 3.33 (96 %) 3.96 4.78 limonen (99 %) -terpinen (97 %) 5.82 linalool (97 %) 11.57 11.72 p-cymen (97 %) -terpinolen 6.40 (98 %) 6.66 octan linalylu (91 %) 12.12 -bergamoten (98 %) 12.30 -kariofilen (99 %) 11.50 12.00 12.50 13.00 13.50 14.00 11.57 12.12 -bisabolen (95 %) Z-cytral (97 %) 13.52 -terpineol (91 %) 13.69 14.07 14.19 13.52 14.19 geranial (96 %) octan geranylu (91 %) 14.45 14.45 14.50 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 14.00 min. Liczby w nawiasach określają w procentach współczynnik zgodności widma zmierzonego i bibliotecznego 25 Identyfikacja składnika olejku cytrynowego RT 3,2 min. 26

Identyfikacja składnika olejku cytrynowego RT 3,2 min. 27 Identyfikacja składnika olejku cytrynowego RT 3,2 min. 28

Identyfikacja składnika olejku cytrynowego RT 3,2 min. 100 93 100 Match: 930 R. match: 930 93 41 50 50 41 69 79 91 39 69 77 91 53 67 121 136 43 107 87 115 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 (Text File) + Scan (3.126-3.232 min, 10 scans) CYTR6.D Subtract 53 67 121 55 136 107 30 87 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 (mainlib) ß-Pinene 100 Match: 893 R. match: 893 93 100 Match: 877 R. match: 913 93 50 30 39 41 69 51 65 77 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 (mainlib) Bicyclo[3.1.0]hexane, 4-methylene-1-(1-methylethyl)- 89 91 121 105 115 136 50 77 136 41 53 65 121 89 107 0 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 (mainlib) ß-Phellandrene 91 29 Bazy widm IR Bazy internetowe (bezpłatne) brak możliwości porównywania widm, wyszukiwanie na podstawie wzoru lub nazwy NIST Webbook: http://webbook.nist.gov/chemistry/ ok. 16000 widm IR; Baza danych SDBS: http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi ok. 54000 widm FT-IR. Katalog odczynników firmy Sigma Aldrich: http://www.sigmaaldrich.com/poland.html nie wiadomo dokładnie, ile widm; widma (także NMR) są dostępne dla części odczynników oferowanych przez firmę Sigma-Aldrich. 30

Widma IR (-)-mentolu ze strony internetowej firmy Sigma Aldrich oraz bazy danych SDBS 31 Bazy danych widm NMR Bazy komercyjne Bazy danych firmy ACD/Labs: http://www.acdlabs.com 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: http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi ok. 15 900 widm 1 NMR i 14 200 widm 13 C NMR Katalog odczynników firmy Sigma Aldrich: http://www.sigmaaldrich.com/poland.html 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: http://nmrshiftdb.nmr.uni-koeln.de/ - ok. 52 tys. widm 1 i 13 C NMR, duże możliwości wyszukiwania, opcja przewidywania widm. 32

Widma 1 i 13 C NMR kamfory z bazy SDBS Assign. Shift(ppm) A 2.36 B 2.094 C 1.96 D 1.848 E 1.68 F 1.37 G 1.37 J 0.961 K 0.915 L 0.838 TE SIFT VALUES WERE OBTAINED AT 400 MZ. ppm Int. Assign. 219.33 168 1 57.65 304 2 46.76 402 3 43.29 939 4 43.09 893 5 29.95 963 6 27.08 1000 7 19.77 902 8 19.15 808 9 9.25 738 10 ASSIGNED BY C- COSY. 33 Widma 1 i 13 C NMR kamfory z katalogu odczynników Sigma - Aldrich 34

Widmo 13 C kamfory z bazy NMRShiftDB 35 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). 36

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 37 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. 38

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 39 ACD/NMR Processor Academic Edition http://www.acdlabs.com/resources/freeware/nmr_proc/ 40

ACD/NMR Processor Academic Edition v. 12 Podstawowe cechy programu ACD/NMR Processor: 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 w pełni automatyczna lub pod kontrolą użytkownika. Obróbka widm 1D i 2D (jedno- i dwuwymiarowych). Znaczne możliwości formatowania wydruków. Możliwość kopiowania widm w formie wektorowej do popularnych programów graficznych i edytorów tekstu. Łatwy w obsłudze, małe wymagania sprzętowe. Obecnie firma ACD Labs zaprzestała dystrybucji tego programu (zastąpił go płatny ACD/Spectrus Processor), ale nie ma przeszkód przynajmniej na razie w dalszym korzystaniu z już zainstalowanych kopii programu ACD/NMR). http://www.acdlabs.com/resources/freeware/nmr_proc/ 41 SpinWorks 4.2 42

SpinWorks v. 4.2.8 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 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/ 43 SpinWorks 4.2 ekran główny z FID-em 44

SpinWorks 4.2 okno parametrów przetwarzania FID-u 1D 45 SpinWorks 4.2 46

SpinWorks 4.2 wydruk widma 1 C 3 47 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, 0.000. 3. 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 -. 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. Dla widm z Variana jest to konieczne zawsze. 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. 48

Przykładowe widmo 1 NMR -0.0001 2.6350 2.6473 2.6568 2.6611 2.6685 2.6784 2.6902 2.7024 2.7120 2.7308 2.7401 2.7735 2.7642 3.1291 3.1188 3.1393 3.1466 3.1504 3.1572 3.1601 3.1678 3.1780 6.0896 6.1100 6.9724 6.9795 6.9817 6.9889 6.9924 6.9996 7.0022 7.0091 7.2832 O COO CDCl 3 TMS 4.229 1.006 0.955 1.000 0.929 49 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 = -1.0 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 0.5. 6. 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. 50

Zastosowanie parametrów LB i GF O COO LB = 0, GF = 0 LB = -1.2, GF = 0.3 LB = -1.7, GF = 0.45 PPM 3.22 3.20 3.18 3.16 3.14 3.12 3.10 3.08 3.06 51 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 52

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, 0.000. 3. 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. Dla widm z Variana jest to niezbędne zawsze. 6. Wykonać procedurę opisu pików (Peak picking). 7. Wykonać wydruk widma, ew. przekopiować widmo do programu graficznego, prezentacyjnego lub edytora tekstu. 53 Przykładowe widmo 13 C NMR 13.8796 18.3419 22.1457 28.1834 30.9233 67.9760 76.7443 76.9985 77.2525 84.7084 C 3 CDCl 3 54

Widma dwuwymiarowe (COSY, SQC, MBC) Przed przystąpieniem do obróbki widm 2D należy mieć przetworzone i zapamiętane na dysku standardowe widmo jednowymiarowe 1 (dla pomiaru COSY) i dodatkowo widmo jednowymiarowe 13 C (dla korelacji C ). Obróbka widm 2D może być znacząco trudniejsza, niż widm jednowymiarowych. Dla osób mniej wprawnych wygodniejszy jest program ACD/NMR, ponieważ w większości przypadków procedury w pełni automatyczne są wystarczająco skuteczne. Należy pamiętać, aby po wykonaniu transformacji Fouriera wczytać widma jednowymiarowe dla osi X i Y. UWAGA: w programie SpinWorks niektóre nowe warianty pomiarów SQC i MBC nie są poprawnie rozpoznawane, w związku z czym niektóre parametry (np. tryb detekcji) trzeba ustawić ręcznie. 55 Widmo 1-1 COSY w programie ACD/NMR Processor 56

Widmo 1-1 COSY n-heptynu ACD/NMR C 3 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 F1 Chemical Shift (ppm) 1.9 2.0 2.1 2.2 2.0 1.5 1.0 F2 Chemical Shift (ppm) 57 Widmo 1-1 COSY w programie SpinWorks 58

Widmo 1-1 COSY n-heptynu - SpinWorks C 3 59 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......... Y Y Y a Y e C R ortho R meta R para 60

Miejsca, gdzie można znaleźć tablice z inkrementami podstawników http://www.chem.wisc.edu/areas/organic/index-chem.htm R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych PWN 2007. 61 Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 w alkenach R cis R trans R gem C=C = 5,25 + +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 62 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.) http://www.chem.wisc.edu/areas/organic/index-chem.htm

Tablice inkrementów podstawników do szacowania przesunięć chemicznych 1 w pochodnych benzenu R ortho R meta R para Ar- = 7,36 + +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 0,22-0,02-0,02 http://www.chem.wisc.edu/areas/organic/index-chem.htm 63 Przykładowe obliczenie przesunięć chemicznych 1 na podstawie inkrementów podstawników eksp. 8,13 ppm obl. 7,36 + 0,87 0,13 = 8,10 ppm = 0,03 ppm 2 eksp. 8,23 ppm obl. 7,36 + 0,87 0,02 = 8,21 ppm = 0,02 ppm eksp. 7,50 ppm obl. 7,36 + 0,20 0,07 = 7,49 ppm = 0,01 ppm eksp. 7,67 ppm obl. 7,36 + 0,35 0,02 = 7,69 ppm = - 0,02 ppm 64

Obliczanie przesunięć chemicznych 13 C na podstawie inkrementów podstawników Program zawiera ponadto niewielką bazę widm 13 C NMR (ok. 700 widm) http://www.4shared.com/file/xit55hd/ippo-cnmrs_12.htm Uwaga: program działa tylko w Windows XP i starszych. Jeśli chce się używać na komputerach z nowszymi wersjami Windows należy zainstalować maszynę wirtualną z Windows XP (np. VirtualBox). 65 13C-NMR obliczenie widma pochodnej benzenu Cl COO NO 2 140.6 dane eksp. 133.3 127.7 132.3 127.0 147.2 66

13C-NMR obliczenie widma mentolu dane eksp. 34.5 31.7 45.0 23.2 50.1 71.5 O O 67 PCModel v. 8.0 optymalizacja geometrii 68

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 69 Avogadro v. 1.1.1 proste (i darmowe) budowanie cząsteczek https://avogadro.cc/ 70

GaussView v. 5 budowa cząsteczek i wyświetlanie wyników programu Gaussian 71 Obliczanie przesunięć chemicznych 1 i 13 C NMR metodami chemii kwantowej octan winylu obl. 7,37 ppm 7,27 ppm obl. 4,43 ppm O obl. 2,27 ppm 4,57 ppm 2,14 ppm O C 3 4,88 ppm obl. 4,78 ppm zmierzone 9 8 7 6 5 4 3 2 1 NMR y = 0.8559x + 0.4028 R² = 0.9959 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 obliczone Metoda: geometria: B3LYP/6-31G(d) NMR: B3PW91/6-311+G(2d,p) obl. 143,7 ppm 141,1 ppm obl. 166,9 ppm 167,9 ppm O O C 3 20,6 ppm 97,5 ppm obl. 21,3 ppm obl. 95,2 ppm zmierzone 170 150 130 110 90 70 50 30 13 C NMR y = 0.9636x + 3.4805 R² = 0.9989 10 10 30 50 70 90 110 130 150 170 obliczone 72

Geom. 1 Obliczanie przesunięć chemicznych 1 i 13 C NMR metodami chemii kwantowej akrylan metylu obl. 6,11 ppm 6,13 ppm obl. 5,79 ppm 5,83 ppm O C3 O 3,76 ppm 6,41 ppm obl. 3,77 ppm obl. 6,46 ppm zmierzone 8 7 6 5 4 1 NMR y = 0.8459x + 0.5401 R² = 0.9989 Geom. 2 obl. 129,5 ppm 128,1 ppm 130,7 ppm O obl. 131,9 ppm obl. 164,8 ppm 166,6 ppm O C3 51,5 ppm obl. 50,7 ppm zmierzone 3 3 4 5 6 7 8 obliczone 180 160 140 120 100 13 C NMR y = 0.9605x + 2.455 R² = 0.999 Metoda: geometria: B3LYP/6-31G(d) NMR: B3PW91/6-311+G(2d,p) G = 0,446 kcal/mol na korzyść Geom. 2 Geom. 1 = 32% Geom. 2 = 68% Wyniki obliczono jako średnie ważone obu konformerów. 80 60 40 40 60 80 100 120 140 160 180 obliczone 73 Obliczenia przesunięć chemicznych w programie Gaussian N C 180.0 160.0 13 C NMR O C 3 N N 3 C 3 C N N C 3 C 3 3 C Delta exp. 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 y = 0.9676x + 2.0411 R 2 = 0.9987 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0 180.0 Delta obl. 9.00 8.00 1 NMR 7.00 Delta exp. 6.00 5.00 4.00 y = 0.9401x - 0.0363 R 2 = 0.9979 3.00 2.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 Delta obl. 74