SPEKTROSKOPIA NMR POEJŚIE PRAKTYZNE ZĘŚĆ: III R INŻ. TOMASZ LASKOWSKI
ALGORYTM POSTĘPOWANIA I. Jeżeli dysponujesz wzorem sumarycznym badanego związku, oblicz stopień nienasycenia cząsteczki. Możesz to zrobić: a) korzystając ze wzoru: s = N IV + N III /2 N I /2 + 1 b) dokonując następujących przekształceń wzoru sumarycznego: 1) zamień wszystkie atomy jednowartościowe na atomy wodoru; 2) wykreśl ze wzoru wszystkie atomy dwuwartościowe oraz atomy siarki; 3) wykreśl ze wzoru wszystkie atomy trójwartościowe; przy czym na każdy wykreślony atom trójwartościowy wykreśl dodatkowo jeden atom wodoru; 4) wszystkie atomy czterowartościowe, które nie są węglami, zamień na atomy węgla; 5) oblicz brakującą do nasycenia ilość wodorów i liczbę tę podziel na dwa.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Obliczanie stopnia nienasycenia - przykłady. 1) 4 6 2) 6 9 l 3) 8 14 O 4 4) 4 10 SO 4 5) 5 5 N 6) 3 9 NO 2 7) 7 7 NO 8) 5 4 NOl 9) 6 16 Nl 10) [ 10 20 NO 2 ] + l -
ALGORYTM POSTĘPOWANIA II. Wybierz sygnał odniesienia (zazwyczaj będzie to sygnał o najmniejszym, sensownym skoku całki), któremu przypisz integrację równą 1. W oparciu o integrację sygnału odniesienia, przypisz integrację pozostałym sygnałom rezonansowym w widmie. Jeżeli którykolwiek z pozostałych sygnałów ma integrację równą wielokrotności ułamka sygnału odniesienia, pomnóż wartości integracji wszystkich sygnałów przez odpowiednią liczbę. Pamiętaj, aby na bieżąco konfrontować wartość sumy integracji z ilością protonów podaną we wzorze sumarycznym!
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Ustalanie integracji - przykłady. 5 13 N 6 3 X 4
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Ustalanie integracji - przykłady. 3 10 N 2 4 X 2 4
ALGORYTM POSTĘPOWANIA III. Określ, z jakim typem atomu węgla związane są protony, reprezentowane przez poszczególne sygnały rezonansowe. δ [ppm] typ atomu węgla wiążącego proton 0 5,5 sp 3 (alkanowy) lub sp 1 (terminalny alkin) 5 7 sp 2 (alkenowy) 6 9 sp 2 (aromatyczny) 8 10 sp 2 (aldehydowy) Pamiętaj, aby na bieżąco konfrontować ustalenia: 1) ze wzorem sumarycznym; 2) ze stopniem nienasycenia związku!
ALGORYTM POSTĘPOWANIA IV. Określ multipletowość tych sygnałów rezonansowych, dla których jest to możliwe. Zachowaj ostrożność! 1) Pamiętaj o trzech aspektach kształtu sygnału rezonansowego, które definiują jego multipletowość. 2) Zwracaj uwagę na zmiany względnych intensywności poszczególnych linii, wynikające z bliskości w widmie sygnałów pochodzących od protonów sprzężonych.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA V. Wybierz sygnał startowy, który spełnia jak najwięcej z poniższych kryteriów: 1) ma znaną multipletowość i jest multipletem mało skomplikowanym; 2) jest sygnałem rezonansowym protonu(ów) związanego z węglem sp 3 ; 3) integracja tego sygnału ma wartość większą, niż 1; 4) ma możliwie niewielkie przesunięcie chemiczne. Jeżeli żaden z sygnałów, obecnych w widmie, nie spełnia powyższych kryteriów: 1) wypij kawę/herbatę; po czym: 2) zjedz coś słodkiego lub uprawiaj intensywnie sport przez dwie godziny; a następnie: 3) przejdź do następnego widma.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA VI. okonaj rekonstrukcji układu spinowego, rozpoczynając od wybranego sygnału startowego. Układem spinowym nazywamy fragment cząsteczki, w obrębie którego obserwujemy sekwencję sprzężeń protonów.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 1) Na podstawie integracji sygnału startowego, zaproponuj grupę rozpoczynającą układ spinowy (= ; 2 ; 3 ). 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 2) Na podstawie multipletowości sygnału startowego, określ liczbę partnerów sprzężenia (=sąsiadów) grupy reprezentowanej przez sygnał startowy. 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 3) Zastanów się, na ilu sąsiadujących z grupą startową atomach węgla możliwe jest rozmieszczenie partnerów sprzężenia. Biorąc pod uwagę: wzór sumaryczny związku (stale kontroluj ilość węgli i protonów!), integrację pozostałych sygnałów rezonansowych oraz ich ilość; wybierz możliwość, która wydaje i się najbardziej sensowna. 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 4) la zaproponowanego przez iebie układu, poszukaj w widmie sygnałów rezonansowych partnerów sprzężenia grupy startowej. Pamiętaj, iż sygnały te muszą mieć odpowiednią integrację oraz multipletowość, która, dla sąsiadującej grupy startowej złożonej z n protonów, gwarantuje O NAJMNIEJ n partnerów sprzężenia! 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 5) Jeżeli odnajdziesz w widmie odpowiednie sygnały rezonansowe, kontynuuj analizę wybrany sygnał partnera sprzężenia grupy startowej przejmuje obowiązki tej grupy; wykonaj więc zatem, dla tego sygnału, kroki od 2) do 4). Pamiętaj, aby odpowiednio opisywać w widmie sygnały już zbadane! 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 2) Na podstawie multipletowości badanego sygnału, określ liczbę partnerów sprzężenia (=sąsiadów) grupy reprezentowanej przez badany sygnał. 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 3) Zastanów się, na ilu sąsiadujących z badaną grupą atomach węgla możliwe jest rozmieszczenie partnerów sprzężenia. Biorąc pod uwagę: wzór sumaryczny związku (stale kontroluj ilość węgli i protonów!), integrację pozostałych sygnałów rezonansowych oraz ich ilość; wybierz możliwość, która wydaje i się najbardziej sensowna. 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 4) la zaproponowanego przez iebie układu, poszukaj w widmie sygnałów rezonansowych partnerów sprzężenia badanej grupy. Pamiętaj, iż sygnały te muszą mieć odpowiednią integrację oraz multipletowość, która, dla sąsiadującej grupy badanej złożonej z n protonów, gwarantuje O NAJMNIEJ n partnerów sprzężenia! 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 5) Jeżeli odnajdziesz w widmie odpowiednie sygnały rezonansowe, kontynuuj analizę kolejny, niezbadany dotąd sygnał partnera sprzężenia obecnie badanej grupy przejmuje obowiązki tej grupy; wykonaj więc zatem, dla tego sygnału, kroki od 2) do 4). Pamiętaj, aby odpowiednio opisywać w widmie sygnały już zbadane! 3 4 7 N 2 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 6) Powtarzaj kroki od 2) do 5) tak długo, aż zakończysz z powodzeniem rekonstrukcję układu spinowego 4 7 N bądź dalsza rekonstrukcja okaże się niemożliwa tj. żaden z nieopisanych dotąd sygnałów nie będzie spełniał postawionych sygnałowi partnera sprzężenia kryteriów integracji i/lub multipletowości. Będzie to oznaczało, iż popełniłeś/aś błąd. Wtenczas cofnij się do etapu, który oferował więcej niż jedną, sensowną możliwość i pójdź inną drogą.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego - błędy. 7 14 O 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA VII. Jeżeli zakończysz z powodzeniem rekonstrukcję układu spinowego, a w widmie pozostaną nieopisane sygnały rezonansowe, będzie to oznaczało, iż cząsteczka składa się z co najmniej dwóch układów spinowych. Powtórz zatem etapy V i VI, biorąc pod uwagę jedynie nieopisane dotąd sygnały. Możliwa jest sytuacja, iż układ spinowy zostanie skonstruowany z powodzeniem, lecz z pozostałych w widmie sygnałów niemożliwe będzie skonstruowanie innych układów spinowych. Będzie to oznaczało, iż jakkolwiek w trakcie rekonstrukcji pierwszego układu nie popełniono błędu, nie został on zrekonstruowany poprawnie należy do niego powrócić. Powtarzaj etapy V i VI tak długo, aż wszystkie sygnały rezonansowe obecne w widmie wejdą w skład układów spinowych, wyjąwszy protony aromatyczne.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego - błędy. 7 14 O 2
ALGORYTM POSTĘPOWANIA VIII. Zaproponuj konstytucję badanego związku, uwzględniając: 1. zrekonstruowane układy spinowe; 2. niewykorzystane przy rekonstrukcji układów spinowych atomy węgla; 3. niewykorzystane heteroatomy; 4. stopień nienasycenia cząsteczki.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Konstytucja badanego związku. 4 7 N s = 2 N N N?
ALGORYTM POSTĘPOWANIA VIII. Zaproponuj konstytucję badanego związku, uwzględniając: 1. zrekonstruowane układy spinowe; 2. niewykorzystane przy rekonstrukcji układów spinowych atomy węgla; 3. niewykorzystane heteroatomy; 4. stopień nienasycenia cząsteczki. Gdy te elementy nie doprowadzą do jednoznacznej struktury, uwzględnij ponadto: 1. dokładne wartości przesunięć chemicznych wybranych sygnałów rezonansowych.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Konstytucja badanego związku. 3 4 7 N 2 2 δ = 3,35 ppm
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Konstytucja badanego związku. 4 7 N s = 2 N N N δ = 3,35 ppm?
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Konstytucja badanego związku. 4 7 N s = 2 N N δ = 3,35 ppm
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY Protony związane z węglami sp 3. 5 9 lo 2 s = 1 B A A B
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY Protony związane z węglami sp 3. 7 14 O 2 s = 1 F E B A E A F B
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY Protony związane z węglami sp 3. 8 17 NO s = 1 A B 6 E 3 A B 4 2 2 A B E
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY Protony związane z węglami sp 3. 11 20 O 4 s = 2 3 8 1 2 4
ALGORYTM POSTĘPOWANIA IV. Określ multipletowość tych sygnałów rezonansowych, dla których jest to możliwe. Zachowaj ostrożność! 1) Pamiętaj o trzech aspektach kształtu sygnału rezonansowego, które definiują jego multipletowość. 2) Zwracaj uwagę na zmiany względnych intensywności poszczególnych linii, wynikające z bliskości w widmie sygnałów pochodzących od protonów sprzężonych. 3) Skonfrontuj kształt sygnału rezonansowego z jego integracją. Jeżeli kształt sygnału rezonansowego przypomina określony multiplet, lecz jego integracja jest niespotykana, może to stanowić przesłankę o nałożeniu się sygnałów rezonansowych.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY Protony związane z węglami sp 3. 10 18 O 4 s = 2 B A 3 F E 6 A B 8 2 1 2 4 B F E A
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 3 4 O s = 2 1 1 1 1
ALGORYTM POSTĘPOWANIA V. Wybierz sygnał startowy, który spełnia jak najwięcej z poniższych kryteriów: 1) ma znaną multipletowość i jest multipletem mało skomplikowanym; 2) jest sygnałem rezonansowym protonu(ów) związanego z węglem sp 3 ; 3) integracja tego sygnału ma wartość większą, niż 1; 4) ma możliwie niewielkie przesunięcie chemiczne. Jeżeli żaden z sygnałów, obecnych w widmie, nie spełnia powyższych kryteriów: 1) wypij kawę/herbatę; po czym: 2) zjedz coś słodkiego lub uprawiaj intensywnie sport przez dwie godziny; a następnie: 3) przejdź do następnego widma.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA V. Wybierz sygnał startowy, który spełnia jak najwięcej z poniższych kryteriów: 1) ma znaną multipletowość i jest multipletem mało skomplikowanym; 2) jest sygnałem rezonansowym protonu(ów) związanego z węglem sp 3 ; 3) integracja tego sygnału ma wartość większą, niż 1; 4) ma możliwie niewielkie przesunięcie chemiczne. Jeżeli żaden z sygnałów, obecnych w widmie, nie spełnia powyższych kryteriów: 1) wypij kawę/herbatę; po czym: 2) zjedz coś słodkiego lub uprawiaj intensywnie sport przez dwie godziny; a następnie: 3) przejdź do następnego widma.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA V. Wybierz sygnał startowy, który spełnia jak najwięcej z poniższych kryteriów: 1) ma znaną multipletowość i jest multipletem mało skomplikowanym; 2) jest sygnałem rezonansowym protonu(ów) związanego z węglem sp 3 ; 3) integracja tego sygnału ma wartość większą, niż 1; 4) ma możliwie niewielkie przesunięcie chemiczne. Jeżeli żaden z sygnałów, obecnych w widmie, nie spełnia powyższych kryteriów: 1) wypij kawę/herbatę; po czym: 2) zjedz coś słodkiego lub uprawiaj intensywnie sport przez dwie godziny; a następnie: 3) przejdź do następnego widma.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA V. Wybierz sygnał startowy, który spełnia jak najwięcej z poniższych kryteriów: 1) ma znaną multipletowość i jest multipletem mało skomplikowanym; 2) jest sygnałem rezonansowym protonu(ów) związanego z węglem sp 3 ; 3) integracja tego sygnału ma wartość większą, niż 1; 4) ma możliwie niewielkie przesunięcie chemiczne. Jeżeli żaden z sygnałów, obecnych w widmie, nie spełnia powyższych kryteriów: 1) wypij kawę/herbatę; po czym: 2) zjedz coś słodkiego lub uprawiaj intensywnie sport przez dwie godziny; a następnie: 3) przejdź do następnego widma.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 3 4 O s = 2 1 1 1 1 A sp 2 (=)
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Rekonstrukcja układu spinowego. 4) la zaproponowanego przez iebie układu, poszukaj w widmie sygnałów rezonansowych partnerów sprzężenia grupy startowej. Pamiętaj, iż sygnały te muszą mieć odpowiednią integrację oraz multipletowość, która, dla sąsiadującej grupy startowej złożonej z n protonów, gwarantuje O NAJMNIEJ n partnerów sprzężenia! Jeżeli sygnał partnera sprzężenia grupy startowej znajduje się w zakresie alkenowym: a) natychmiast narysuj wiązanie podwójne pomiędzy węglem, z którym związany jest partner sprzężenia grupy startowej, a węglem kolejnym; b) dorysuj do kolejnego węgla dwa wiązania chemiczne; c) sprawdź sumaryczną integrację sygnałów znajdujących się w zakresie alkenowym; d) skonfrontuj tę integrację ze stopniem nienasycenia związku oraz wzorem sumarycznym pomoże to w określeniu ilości wiązań podwójnych, które znajdują się w badanej strukturze.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 3 4 O s = 2?? 1? A 1 1 1 A B
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony związane z węglami sp 2 (=). 2 J, 3 J, δ [ppm] 2 J, 3 J, 3 J, = 10-12 z 2 J, = 1-2 z 3 J, = 15-17 z δ [ppm] 3 J, 3 J, δ [ppm]
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 3 4 O s = 2 B 1 A 1 1 1 A B
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Wiązanie podwójne = uwagi końcowe. 3 J, = 10-12 z 2 J, = 1-2 z 3 J, = 6-7 z 3 J, = 15-17 z 2 4 J, = 1-3 z 1) Możliwe jest sprzężenie protonu alkenowego z protonami grupy znajdującej się w pozycji Z (cis) do obserwowanego protonu jest to sprzężenie skalarne dalekiego zasięgu (przez cztery wiązania). Stała tego sprzężenia w takim układzie wynosi 1-3 z. 2) Określanie geometrii wiązania podwójnego (izomeria Z-E, dawniej cis-trans) na podstawie widma 1 NMR bez znajomości dokładnych wartości stałych sprzężenia jest karkołomne i wątpliwe.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 8 7 l s = 5 1 1 1? 3 E 1 A B E
ALGORYTM POSTĘPOWANIA VIII. Zaproponuj konstytucję badanego związku, uwzględniając: 1. zrekonstruowane układy spinowe; 2. niewykorzystane przy rekonstrukcji układów spinowych atomy węgla; 3. niewykorzystane heteroatomy; 4. stopień nienasycenia cząsteczki. Gdy te elementy nie doprowadzą do jednoznacznej struktury, uwzględnij ponadto: 1. dokładne wartości przesunięć chemicznych wybranych sygnałów rezonansowych; 2. multipletowość sygnałów rezonansowych protonów aromatycznych.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony aromatyczne multipletowość. 1) W układach aromatycznych stała sprzężenia przez trzy wiązania wynosi 7-8 z. 2) Ponadto, w takich układach często obserwujemy sprzężenia skalarne protonów przez cztery wiązania. Stała takiego sprzężenia wynosi 2,5-3,5 z. 3 J, = 7-8 z 4 J, = 2,5-3,5 z
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony aromatyczne multipletowość. d d dt d d d dt d
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony aromatyczne multipletowość. t (dd) t (dd) d t T () T t (dd) d
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony aromatyczne multipletowość. S S S S
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony aromatyczne multipletowość.
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 7 8 l s = 5 1 1 1? 3 E 1 A B E
ALGORYTM POSTĘPOWANIA - PRZYKŁAY 7 8 l s = 5 1 1 1 B A 3 B B 1 E A B E
ALGORYTM POSTĘPOWANIA Protony związane z węglami sp 2 ( Ar ). orto para para
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). l l l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony homotopowe. l l = l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). l l l l l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony enancjotopowe. l l l * * l l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony enancjotopowe. l l l l l * * l R l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony enancjotopowe. l l l R l l * * l l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony enancjotopowe. = w środowisku achiralnym l l l R l l * * l l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). l * Br l * l l Br
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe. l l * Br * * * l l Br
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe. l l l * Br * * * Br Br R l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe. R l l l * Br * * * Br Br l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe. l R l l * Br * * * Br Br l l
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe. Obecność w widmie, w zakresie 0-5 ppm, dwóch, sąsiadujących sygnałów rezonansowych o integracji równej 1 i początkowo zaskakującej multipletowości stanowi poważną przesłankę, iż pochodzą one od protonów diastereotopowych. Porady praktyczne: 1) Jeżeli w odległości trzech wiązań chemicznych od protonów diastereotopowych znajduje się przynajmniej jeden proton, jego sygnał rezonansowy również jest do głębi fascynujący. 2) Wbrew pozorom, diastereotopowa grupa metylenowa często stanowi świetny punkt startowy do rekonstrukcji układu spinowego.
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Protony diastereotopowe przykłady.? dd dd? dd dd
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. 3 3 l l 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. l 3 3 l l l R R 3 3 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. l 3 3 l 3 3 l l R R 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. l 3 3 l 3 3 l l R R 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. 3 3 l l 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. diastereotopowe 3 3 * * * l * l * * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. 3 3 O O R R O O 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. diastereotopowe 3 * 3 * O * R O * R O * O * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. 3 3 : N R : N R 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. : 3 * N R * : 3 * N R * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. R 3 * N : * R 3 * N : * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. : 3 * N R * : 3 * N R * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. R 3 * N : * R 3 * N : * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. : 3 * N R * : 3 * N R * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana. enancjotopowe : 3 * N R * : 3 * N R * 3 3
PROTONY GRUP METYLENOWY (- 2 -). Multipletowość inna, niż oczekiwana przykład. 10 23 NO 2 s = 0 6 6 6 (!) 1 2 2