IDENTYFIKACJA ZWIĄZKÓW ORGANICZNYC METODAMI SPEKTROSKOPOWYMI SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI (IR) Metodą o bardzo dużym znaczeniu w organicznej analizie strukturalnej jest spektroskopia w podczerwieni (spektroskopia IR), obejmująca zakres promieniowania od 2.5 do 20 µm (4000 do 500 cm -1 ). Energia kwantów w tym zakresie długości fal jest zbyt mała, by spowodować wzbudzenia elektronowe, ale wystarcza do wywołania zmian energii oscylacji atomów wokół położeń równowagi oraz energii rotacji cząsteczek wokół własnej osi. W wyniku absorpcji promieniowania amplituda odchyleń ze stanu równowagi (a więc i energia) może wzrosnąć i cząsteczka zostaje wzbudzona przechodzi na wyższy poziom energetyczny. Rejestrując zależność natężenia przepuszczanego promieniowania (procent transmitancji) od długości fali lub liczby falowej uzyskuje się krzywą widmową, na której widoczne są poszczególne pasma absorpcji. Transmitancja równa 100% oznacza, że cała energia przechodzi przez badaną próbkę, natomiast niższa transmitancja oznacza, że pewna część energii została zaabsorbowana. Tak więc każdy sygnał skierowany w dół widma odpowiada absorpcji energii. Cząsteczki w fazie gazowej rotują dość swobodnie, dlatego w widmie gazu można zaobserwować przejścia oscylacyjno-rotacyjne. W przypadku cieczy i ciał stałych obrót cząsteczek wokół własnej osi jest zahamowany poprzez oddziaływania międzycząsteczkowe. W związku z tym widma ciał stałych i cieczy są widmami oscylacyjnymi, a zmiana energii rotacji powoduje poszerzenie pasm absorpcyjnych. Wśród drgań oscylacyjnych rozróżniamy drgania walencyjne (rozciągające), podczas których następuje zmiana długości wiązań oraz drgania deformacyjne, polegające na zmianach kątów między wiązaniami. Każde z tych drgań może spowodować absorpcję w podczerwieni tylko wtedy, gdy odpowiada mu zmiana momentu dipolowego cząsteczki. Cząsteczka wzbudzona promieniowaniem podczerwonym wraca do stanu podstawowego wydzielając pochłoniętą energię w postaci ciepła. 1
Do wykonania pomiaru widma trzeba użyć kilku miligramów substancji. Ciecze bada się w postaci filmu kapilarnego powstałego przez ściśnięcie kropli między dwiema płytkami Na. Lotne ciecze trzeba umieszczać w zamykanych kuwetach z przekładkami. Ciała stałe bada się w postaci pastylek, otrzymanych przez roztarcie lub zmielenie badanej substancji z KBr, a następnie sprasowanie otrzymanej mieszaniny w postać tabletki. Inna metoda polega na roztarciu kilku miligramów substancji z kroplą oleju parafinowego (tzw. nujolu) i ściśnięciu otrzymanej pasty między płytkami z Na. Do badania cieczy rozpuszczających Na trzeba stosować płytki z KRS-5 (TlBr, TlJ), chlorku srebra(i), Irtanu. W widmach IR można wyróżnić kilka obszarów, w których występują pasma charakterystyczne dla różnego rodzaju wiązań: 1. W zakresie 4000-2500 cm -1 występują pasma odpowiadające charakterystycznym drganiom rozciągającym wiązania O-, N-, C- i S-. Tworzenie wiązań wodorowych przez alkohole, aminy, kwasy i inne związki powoduje zmniejszenie częstotliwości odpowiednich drgań rozciągających i jednoczesne poszerzenie odpowiadających im pasm. W widmach wyżej wymiennych grup związków w roztworach rozcieńczonych (stężenie ok. 0.005 M), gdzie asocjacja cząsteczek jest mocno ograniczona, obserwuje się zwykle wąskie pasma przy charakterystycznych częstotliwościach. 2. Zakres 2500-2000 cm -1 jest charakterystyczny dla pasm odpowiadających drganiom rozciągającym wiązań potrójnych C C, C Noraz skumulowanych wiązań C=C=C. Uczestniczące w tych wiązaniach atomy wykazują hybrydyzację typu sp. 3. W zakresie 2000-1500 cm -1 występują pasma odpowiadające drganiom rozciągającym wiązań podwójnych C=C, C=O, C=N, N=N oraz wiązań półtorakrotnych (np. pierścieni aromatycznych, grupy nitrowej, jonu karboksylanowego). Ponadto w zakresie tym występują pasma odpowiadające drganiom deformacyjnym grup N-. 4. Zakres 1500-650 cm -1, zwany obszarem daktyloskopowym, jest charakterystyczny dla cząsteczki jako całości (tzw. odcisk palca ). Wygląd widma w tym zakresie jest różny dla różnych substancji, co pozwala zidentyfikować daną substancję przez porównanie 2
jej widma z widmem związku o znanej budowie. W zakresie tym występują pasma odpowiadające drganiom rozciągającym wiązań pojedynczych C-C, C-N, C-O itd., które są niecharakterystyczne, a ponadto szereg pasm odpowiadających drganiom deformacyjnym, np. drganiom deformacyjnym grup metylowych i metylenowych odpowiadają częstotliwości od 1480 do 1350 cm -1. Poszczególne ugrupowania atomów absorbują promieniowanie podczerwone w dość wąskim zakresie częstości, niezależnie od struktury reszty cząsteczki. Stąd, spektroskopia w podczerwieni jest świetną metodą identyfikacji grup funkcyjnych. Alkany i cykloalkany W widmach węglowodorów nasyconych obserwuje się pasma absorpcyjne odpowiadające czterem rodzajom drgań: rozciągającym C-C i C- oraz deformacyjnym C- C i C-. Najbardziej diagnostyczną wartość mają następujące pasma: Zakres liczb falowych (cm -1 ) Rodzaj drgań 3000-2840 C- rozciągające 2975-2950 asymetryczne grupy C 3 2885-2860 symetryczne grupy C 3 2935-2915 asymetryczne grupy C 2 2865-2840 symetryczne grupy C 2 1500-1200 C- deformacyjne 1485-1445 asymetryczne nożycowe grupy C 2 1470-1430 asymetryczne nożycowe grupy C 3 1395-1365 symetryczne nożycowe grupy C 3 1250-700 C-C deformacyjne 1250-800 szkieletowe poza płaszczyznę -C-C 3 770-720 szkieletowe poza płaszczyznę -C-C 2-1060-800 C-C w cykloalkanach Alkeny W widmach alkenów, oprócz pasm typowych dla alkanów, pojawią się pasma drgań rozciągających i deformacyjnych wiązań =C- oraz drgań rozciągających wiązań C=C. Rodzaj drgań, zakres (cm -1 ) Rodzaj alkenu rozciągające RC=C 2 3095-3075 3040-3010 =C- deformacyjne 1005-985 920-900 C=C rozciągające nadtony 1660-1635 1860-1800 R 2C=C 2 3095-3075 900-800 1660-1640 1800-1750 RC=CR, trans 3040-3010 990-960 1690-1665 RC=CR, cis 3040-3010 730-665 1665-1635 R 2C=CR 3040-3010 850-790 1690-1660 3
Alkiny W widmach alkinów obserwuje się charakterystyczne pasma absorpcyjne związane z drganiami rozciągającymi wiązania potrójnego pomiędzy atomami węgla oraz sąsiedniego wiązania sigma C-. Odpowiadające im zakresy liczb falowych to: 2260-2100 oraz 3340-3250 cm -1. Węglowodory aromatyczne Charakterystyczne pasma absorpcyjne pierścienia aromatycznego związane są z drganiami wiązania C ar- rozciągającymi (3100-3000 cm -1 ) oraz deformacyjnymi (900-650 cm -1 ). W tym drugim zakresie obraz widma uzależniony jest od sposobu podstawienia pierścienia aromatycznego; liczba i położenie sygnałów wynika z ilości sąsiadujących ze sobą atomów wodoru, a nie z rodzaju podstawników. Sposób rozmieszczenia podstawników w pochodnych benzenu można także określić w oparciu o tzw. nadtony i pasma kombinacyjne drgań deformacyjnych wiązań C ar-. Pasma te pojawiają się w rejonie 2000-1600 cm -1 widma. Dla drgań rozciągających szkieletowych wiązań C=C w płaszczyźnie pierścienia pojawiają się zazwyczaj cztery wąskie pasma w obszarze 1625-1450 cm -1. Jednakże obecność innych grup może utrudniać ich identyfikację. Typ podstawienia Mono- Orto- 1,2- Meta- 1,3- Para- 1,4- Zakres (cm -1 ) 910-890 (czasem brak) 770-730 710-680 Nadtony Typ podstawienia Zakres (cm -1 ) 1,2,3-800-750 780-760 (czasem brak) 720-680 780-735 1,2,4-900-860 860-800 730-690 900-835 810-750 725-670 900-840 865-800 730-675 (czasem brak) 1,3,5-900-840 865-800 730-675 czasem brak Nadtony Alkohole i fenole Obecność grupy wodorotlenowej w cząsteczce skutkuje pojawieniem się pasm absorpcyjnych związanych z drganiami wiązań O- i C-O. Drganiom rozciągającym wiązania O- odpowiadają pasma w obszarze 3700-2500 cm -1, a ich położenie i kształt zależą od możliwości tworzenia przez badany związek wiązań wodorowych. Cząsteczki swobodne, niezasocjowane dają ostry sygnał w zakresie 3670-3580 cm -1. Pasmo takie jest 4
widoczne tylko dla substancji w stanie gazowym lub w bardzo rozcieńczonych roztworach w rozpuszczalnikach niepolarnych. Wraz ze wzrostem stężenia tworzą się dimery i asocjaty. Dodatkowe pasma z tym związane występują przy mniejszych częstościach, odpowiednio w rejonie 3550-3450 cm -1 oraz 3400-3200 cm -1. Wzrost stężenia roztworu zwiększa intensywność pasm zasocjowanej grupy O- i jednocześnie zmniejsza natężenia pasm wolnej grupy O- (patrz widma butan-2-olu poniżej). Pasma odpowiadające drganiom deformacyjnym wiązania O- występują w obszarze 1450-1200 cm -1, jednakże nie mają znaczenia diagnostycznego ze względu na ich niewielką intensywność. Natomiast pasma w zakresie 1260-1000 cm -1 pochodzące od drgań rozciągających wiązania C-O pozwalają niekiedy określić rzędowość alkoholu: alkohol I-rzędowy 1080-1000 cm -1 alkohol II-rzędowy 1130-1000 cm -1 alkohol III-rzędowy 1210-1100 cm -1 Aminy Najbardziej charakterystyczne pasma absorpcyjne amin odpowiadają drganiom rozciągającym wiązań N- w grupie aminowej. Pasma te pojawiają się w zakresie 3500-3200 cm -1. W przypadku amin pierwszorzędowych, nie tworzących wiązań wodorowych, obserwuje się dwa ostre pasma w okolicach 3500 i 3400 cm -1. Asocjacja cząsteczek powoduje przesunięcie pasm w kierunku mniejszych wartości liczb falowych oraz ich poszerzenie. Aminy II-rzędowe dają w tym obszarze jedno szerokie pasmo. Natomiast aminy III-rzędowe, ze względu na brak układu N-, w tym zakresie nie absorbują. Drganiom deformacyjnym wiązań N- odpowiadają dość ostre pasma w obszarze 1650-1550 cm -1 oraz szerokie pasma w zakresie 910-660 cm -1. W widmach amin obserwuje się także pasma absorpcyjne drgań rozciągających wiązania C-N. W przypadku amin alifatycznych są to słabe pasma w zakresie 1250-1020 cm -1, natomiast w przypadku amin aromatycznych są to silne pasma leżące w rejonie 1360-1250 cm -1. 5
Związki karbonylowe Widma wszystkich związków zawierających ugrupowanie C=O charakteryzują się intensywnym pasmem w rejonie 1900-1550 cm -1. Pasmo to odpowiada drganiom rozciągającym wiązania karbonylowego C=O. W widmach ketonów pojawia się ono przy ok. 1715 cm -1 i pozycję tę uznano za typową dla grupy karbonylowej, na którą nie mają wpływu żadne oddziaływania. W przypadku innych związków zawierających to ugrupowanie, dokładne położenie pasma grupy C=O zależy od wielu czynników: a. oddziaływań międzycząsteczkowych z udziałem grupy karbonylowej następuje obniżenie częstości absorpcyjnej, b. efektu indukcyjnego im większa elektroujemność podstawnika przy węglu grupy karbonylowej, tym większa częstość (przesunięcie pasma na lewo), c. efektu mezomerycznego im większy efekt sprzężenia z wolną parą elektronową, tym mniejsza częstość (pasmo przesuwa się w prawo). Oba efekty elektronowe, indukcyjny i mezomeryczny, często występują jednocześnie i dają efekt wypadkowy. Grupy silnie elektronoakceptorowe wykazują mniejszy efekt mezomeryczny. Dla większości heteroatomów (O, ) przeważa więc efekt indukcyjny, efekt mezomeryczny wyraźnie przeważa dla atomów azotu. Rozgałęzienie przy atomie węgla α (alfa) w ketonach obniża częstość absorpcji. Podstawniki elektronoakceptorowe w położeniach orto i para pierścienia aromatycznego bezpośrednio związanego z grupą karbonylową zwiększają częstość pasma grupy C=O, natomiast podstawniki elektrodonorowe ją zmniejszają. Poniższa tabela pokazuje zakresy liczb falowych, w których pojawiają się pasma drgań rozciągających wiązania C=O dla poszczególnych klas związków, zawierających grupę karbonylową. Ketony Aldehydy Klasa związków Zakres liczb falowych (cm -1 ) Typ efektu nasycone niecykliczne rozgałęzione przy węglu α α,β-nienasycone nasycone aromatyczne α,β-nienasycone Kwasy karboksylowe nasycone - monomer, - dimer aromatyczne α,β-nienasycone α-halogenokwasy 1725-1650 1765-1645 1800-1650 1725-1700 1700-1680 1685-1660 1740-1720 1715-1685 1710-1680 ok. 1760 1725-1700 ok. 1720 ok. 1720 1740-1715 - mezomeryczny indukcyjny indukcyjny Estry (nasycone) 1750-1735 mezomeryczny, indukcyjny Bezwodniki kwasowe 1870-1725 mezomeryczny, indukcyjny Chlorki kwasowe 1815-1785 indukcyjny Amidy Peptydy 1700-1630 1655-1630 mezomeryczny 6
Dodatkowe pasma absorpcyjne dla wyżej wymienionych związków związane są z drganiami rozciągającymi lub deformacyjnymi pozostałych ugrupowań, innych niż grupa karbonylowa, a więc wiązań takich jak: C-, O-, N-, C-O. Przede wszystkim będą to pasma absorpcyjne charakterystyczne dla węglowodorów. Pasma charakterystyczne innych grup funkcyjnych przedstawia poniższe zestawienie: Klasa związków Rodzaj drgań Grupa Zakres (cm -1 ) Aldehydy rozciągające C- -C(=O)- 2900-2800 2780-2680 Kwasy karboksylowe rozciągające O- O wolna O zasocjowana 3550-3500 3300-2500 rozciągające C-O -C(=O)-O- w dimerach 1320-1210 Estry rozciągające C-O -C(=O)-O-R 1330-1050 Bezwodniki rozciągające C-O-C niecykliczne cykliczne ok. 1040 950-910 alogenki kwasowe rozciągające C-X -C(=O)-X 1300-900 Amidy rozciągające N- deformacyjne N- (tzw. drugie pasmo amidowe) rozciągające C-N I-rzędowe, -N 2 wolna -N 2 zasocjowana II-rzędowe, -N- wolna -N- zasocjowana I-rzędowe, -N 2 wolna -N 2 zasocjowana II-rzędowe, -N- wolna -N- zasocjowana I-rzędowe II-rzędowe 3500 i 3400 3350 i 3180 3500-3400 3330-3060 1620-1590 1655-1620 1560-1510 1570-1515 1420-1400 1300-1200 Charakterystyczne częstości grup funkcyjnych wybranych związków, wcześniej nie omówionych, przedstawia poniższa tabela: Klasa związków Rodzaj drgań Zakres (cm -1 ) Nitrozwiązki rozciągające -NO 2 1660-1490 1390-1260 Nitrozozwiązki rozciągające -N=O 1680-1450 Nitryle rozciągające -CN 2260-2210 Kwasy sulfonowe rozciągające O=S=O 1260-1150 1080-1010 Tiole rozciągające -S- 2600-2540 rozciągające -C- (-S-C-) 2880-2860 7
SPEKTROSKOPIA MAGNETYCZNEGO REZONANSU JĄDROWEGO (NMR) Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (ang. Nuclear Magnetic Resonance, NMR) jest obecnie najbardziej użyteczną metodą spektroskopową do badania struktury związków organicznych. Dane uzyskane tą metodą, połączone z wynikami spektroskopii mas MS (określenie wzoru i wielkości cząsteczki) oraz spektroskopii IR (informacje o rodzaju grup funkcyjnych,) umożliwiają całkowite określenie struktury nawet bardzo złożonych cząsteczek. Magnetyczny rezonans jądrowy wykorzystuje zjawisko kwantowanych przejść energetycznych niektórych jąder atomowych. Wszystkie cząstki elementarne budujące atomy pierwiastków oraz jądra atomów wykazują zdolność do obrotu wokół własnej osi z pewną prędkością kątową. Ruch ten, określany spinem, charakteryzowany jest przez moment pędu i jest wielkością kwantowaną. Cząstki obdarzone ładunkiem poruszając się generują własne pole magnetyczne, stają się dipolami magnetycznymi o dość chaotycznej orientacji w przestrzeni. Jeżeli przyłożymy zewnętrzne pole magnetyczne, to dipole te zostaną ułożone zgodnie z liniami sił przyłożonego pola. Poprzez dostarczenie dodatkowej energii można zmienić orientację mikroskopijnego magnesu w tym polu, zmieniając jednocześnie przypisaną mu energię. Ponieważ energia cząstek jest kwantowana, możliwe zmiany orientacji spinu wynikają z liczb kwantowych określających jego wielkość. Są to: spinowa liczba kwantowa I oraz magnetyczna spinowa liczba kwantowa m (wartości od I do I co 1). W przypadku protonu, który jest jądrem atomowym wodoru, wartość spinowej liczby kwantowej wynosi ½, stąd magnetyczna spinowa liczba kwantowa przyjmuje tylko dwie wartości: -½ oraz ½. W przypadku protonu możliwe są więc dwa stany kwantowe o różnej energii, pomiędzy którymi można dokonać przejść energetycznych wskutek absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Przejście takie nastąpi wtedy, gdy energia promieniowania dokładnie zrówna się z różnicą energii pomiędzy tymi stanami kwantowymi. Spiny jądrowe chaotycznie ułożone w przestrzeni Spiny jądrowe w zewnętrznym polu magnetycznym Możliwe przejścia energetyczne 0 E 2 E 1 hv Jądra atomów, dla których spinowa liczba kwantowa I przyjmuje wartość ½ lub wielokrotność tej liczby, w zewnętrznym polu magnetycznym zachowują się podobnie jak protony. Należą do nich jądra zawierające nieparzystą liczbę protonów lub neutronów, 8
np. 1, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P oraz jądra o nieparzystej liczbie zarówno protonów jaki i neutronów, np. 2, 14 N. Z punktu widzenia chemii organicznej najbardziej użyteczne w spektroskopii są widma protonowego rezonansu magnetycznego ( 1 NMR) oraz węglowego rezonansu magnetycznego ( 13 C NMR). Jądro ulegające wzbudzeniu i następnie powracające do podstawowego stanu energetycznego znajduje się w rezonansie, a częstotliwość promieniowania, przy której wzbudzenie jądra jest możliwe, jest częstością rezonansową. Ilość energii potrzebna do wzbudzenia jądra, a zatem częstość rezonansowa, jest proporcjonalna do natężenia (indukcji) zewnętrznego pola magnetycznego oraz pewnej stałej charakterystycznej dla tego jądra. Stan rezonansu osiąga się albo przez zmianę natężenia pola magnetycznego, albo przez zmianę częstotliwości promieniowania. Jednak większość widm zapisuje się zmieniając natężenie pola przy utrzymaniu stałej częstotliwości. Dostępne powszechnie spektrometry NMR działają przy częstotliwości 200, 300 i 400 Mz, a nawet 600 lub 900 Mz. Przyjęto, że natężenie pola wzrasta w kierunku od lewej do prawej strony, czyli przesuwając się od lewej ku prawej przechodzi się do obszaru o większym natężeniu pola, a przesuwając się od prawej ku lewej do obszaru o mniejszym natężeniu pola. Ilość sygnałów w widmie W przypadku substancji składającej się wyłącznie z jednego rodzaju atomów (np. gazowego wodoru) rejestrowane w warunkach eksperymentu NMR widmo składa się zazwyczaj z jednej ostrej linii, gdyż wszystkie jądra są jednakowe i znajdują się w tym samym polu magnetycznym (patrz, rysunek wyżej). W przypadku substancji o bardziej złożonej budowie, zawierającej różne atomy i wiązania, atomy wodoru obecne w tej cząsteczce absorbują promieniowanie elektromagnetyczne o różnej częstotliwości. Podobnie będzie z jądrami atomów węgla. Jest to efekt wynikający ze struktury cząsteczki, a więc z różnego otoczenia chemicznego (elektronowego) jąder obserwowanych w danym eksperymencie NMR. W cząsteczce, oprócz elektronów stanowiących zręby atomowe, obecne są elektrony niewiążące oraz elektrony tworzące różnorakie wiązania (sigma, pi), często spolaryzowane na skutek różnicy elektroujemności atomów. Elektrony te, jak każda cząstka elementarna, są w stałym ruchu, a ponieważ są obdarzone ładunkiem, ich ruch generuje pole magnetyczne o biegunowości przeciwnej lub takiej samej w porównaniu z zewnętrznym polem 9
magnetycznym. W rezultacie jądra atomów wodoru, węgla lub innych znajdują się w polu mniejszym lub większym, niż to generowane przez aparat NMR. Jest to pole będące wypadkową pola aparatu i pola generowanego przez elektrony znajdujące się w danym fragmencie cząsteczki. To wypadkowe pole dla jąder atomowych tego samego rodzaju będzie różne, jeżeli jądra te będą różniły się otoczeniem elektronowym. Jądra takie określane są jądrami nierównocennymi chemicznie i w widmie NMR uzyskamy zbiór sygnałów, których ilość odpowiada ilości jąder nierównocennych w danej cząsteczce związku chemicznego. Jądra tego samego rodzaju o jednakowym otoczeniu elektronowym są jądrami równocennymi i dają jeden sygnał w widmie NMR. W przypadku widm protonowych istnieją dwie możliwości wystąpienia równocenności chemicznej. Po pierwsze, protony równocenne to takie, które związane są z tym samym atomem węgla, a atom ten może ulegać swobodnej rotacji. Na przykład w cząsteczce chlorometanu trzy protony grupy metylowej są równocenne, a ich pojedynczy sygnał ma postać tzw. singletu. Po drugie, identyczne otocznie chemiczne mają protony związane z różnymi atomami węgla, ale pozycje tych protonów są strukturalnie nierozróżnialne. Na przykład, w widmie p-ksylenu występują dwa sygnały o względnym natężeniu 3:2. Cząsteczka p-ksylenu jest symetryczna, obie grupy metylowe znajdujące się po przeciwnych stronach pierścienia aromatycznego znajdują się w tym samym otoczeniu elektronowym. Sześciu protonom obu grup -C 3 odpowiada jeden sygnał (singlet) występujący przy δ = 2.3 ppm. Cztery protony pierścienia aromatycznego nie różnią się między sobą, więc odpowiada im także pojedynczy sygnał. Jednakże protony te wykazują inne otoczenie elektronowe niż grupy metylowe, dlatego sygnał im odpowiadający pojawia się na widmie NMR w innym miejscu, przy δ = 7 ppm. 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 3 C C 3 0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 3 Poprawne określenie ilości sygnałów obserwowanych w widmie albo określenie ilości różnych grup atomów na podstawie widma jest istotnym elementem pomagającym ustalić strukturę związku. Najprostszym kryterium określania równocenności atomów jest tzw. kryterium podstawienia, według którego atomy równocenne to takie, których podstawienie da zawsze taką samą pochodną. 10
Br Br Br protony równocenne homotopowe struktury tożsame chemicznie a a Br b Br b R R R protony nierównocenne enancjotopowe enancjomery a Br F Br a Br R b protony nierównocenne R b R F diastereotopowe diastereoizomery Przesunięcie chemiczne Położenie sygnału absorpcji w widmie NMR można wyrazić albo w skali częstotliwości (w hercach), albo w skali indukcji magnetycznej (w teslach). Obecnie stosuje się skalę częstotliwości, tj. skalę delta (δ). Zgodnie z definicją, jednostka skali δ odpowiada jednej części milionowej (1 ppm, ang. part per milion) częstości roboczej aparatu NMR. Położenie pasma określa się nie za pomocą bezwzględnej wartości częstotliwości, lecz przez odniesienie do położenia pasma absorpcji względem wzorca. Związkiem stosowanym najczęściej jako wzorzec jest tetrametylosilan [(C 3) 4Si, tzw. TMS]. Wszystkie protony w TMS są równocenne i dają pojedynczy sygnał absorpcyjny zarówno w spektroskopii 1, jak i 13 C NMR. Położenie sygnału w widmie NMR, w stosunku do położenia sygnału wzorca, jest określane pojęciem przesunięcia chemicznego. Przesunięcie chemiczne wyrażone w skali δ (w ppm) jest stałe niezależnie od rodzaju spektrometru i jego częstości roboczej. Zależy natomiast od otoczenia chemicznego jądra wywołującego sygnał przy danej wartości δ. Jeżeli jądro to jest silnie 11
przesłaniane przez otaczające go ekranizujące elektrony, to sygnał takiego jądra ukazuje się przy wyższym natężeniu pola (przy mniejszej wartości δ, czyli z prawej strony widma). I przeciwnie, jeśli jądro jest silnie odsłaniane (bliskość pierwiastków elektronoakceptorowych lub elektronów π), jego sygnał pojawi się przy niższym natężeniu pola (przy większej wartości δ, czyli z lewej strony widma). Na wartość przesunięcia chemicznego, w głównej mierze, mają wpływ następujące czynniki wewnętrzne: Efekt odsłaniania (przesunięcie chemiczne wyższe) - silna polaryzacja wiązania przez grupy elektronoakceptorowe, - obecność ładunku dodatniego, - niewiązaniowe oddziaływanie elektronów (van der Waalsa) pole magnetyczne indukowane przez wiązania π wiązania wodorowe wewnątrzcząsteczkowe zmiana gęstości elektronowej wokół jądra: Efekt przesłaniania (przesunięcie chemiczne niższe) - silna polaryzacja wiązania przez grupy elektronodonorowe, - obecność ładunku ujemnego Czynniki zewnętrzne, takie jak temperatura czy stężenie analizowanej próbki oraz stosowany rozpuszczalnik, odgrywają istotne znaczenie w asocjacji cząsteczek, dlatego zmiany przesunięć chemicznych obserwuje się tylko w przypadku związków zdolnych do tworzenia wiązań wodorowych, czyli zawierających grupy -O, -N, -S. Niekiedy użycie rozpuszczalnika o wysokiej stałej dielektrycznej zmienia też wygląd sygnałów (multipletowość). Innym razem, w przypadku związków zawierających tzw. ruchliwe protony (alkohole, aminy, amidy, kwasy), zastosowanie deuterowanej wody lub deuterowanego metanolu jako rozpuszczalnika upraszcza widmo poprzez wyeliminowanie sygnałów od tych protonów. Następuje bowiem wymiana całkowita lub częściowa ruchliwych atomów wodoru na deuter zgodnie z równaniem: R-C 2-O + D 2O = R-C 2-OD + DO. Ponieważ deuter wykazuje inną częstość rezonansową niż proton, w widmie 1 NMR albo nie obserwujemy sygnału dla tego protonu, albo intensywność sygnału jest dużo mniejsza niż przed wymianą na deuter. Wymieniony proton pojawi się w postaci tzw. resztkowego sygnału rozpuszczalnika. Sygnały absorpcyjne w spektroskopii 1 NMR z reguły pojawiają się zakresie 0-12 ppm. Dla poszczególnych protonów, w zależności od charakteru grupy, w jakiej te protony występują, widmo protonowego rezonansu magnetycznego można podzielić na sześć zasadniczych obszarów: 0-1.5 ppm; w tym obszarze absorbują protony znajdujące się przy atomach węgla w alkanach nasyconych, 12
1.5-2.5 ppm; zakres charakterystyczny dla protonów połączonych z atomami węgla, które znajdują się w sąsiedztwie wiązań podwójnych, potrójnych lub pierścieni aromatycznych oraz protonów stojących bezpośrednio przy wiązaniu potrójnym, 2.5-4.5 ppm; w tym obszarze absorbują protony znajdujące się w zarówno bezpośrednim jak i pośrednim sąsiedztwie pierwiastków silnie elektroujemnych: chlorowce, tlen, azot. Obserwuje się tutaj sygnały protonów grupy wodorotlenowej lub aminowej związków alifatycznych oraz protony stojące przy atomie węgla połączonego z grupą O, N, lub karbonylową. 4.5-6.5 ppm; zakres charakterystyczny dla protonów znajdujących się przy atomach węgla połączonych wiązaniem podwójnym, a także protonów grupy wodorotlenowej i aminowej w związkach aromatycznych, 6.5-8.5 ppm, zakres charakterystyczny dla protonów pierścienia aromatycznego, powyżej 8.5 ppm pojawiają się sygnały protonów grupy karboksylowej, amidowej, aldehydowej. Poniższy schemat obrazuje typowe zakresy przesunięć chemicznych protonów dla poszczególnych klas związków. 12 R-COO 10.0-12.0 11 O=C 9.5-10 CON 2 6.0-10.0 Ar- 6.5-8.5 Ar-O 4.0-8.0 Ar-N 2 4.0-6.0 C=C- winylowe 4.5-7.5 Y-C- 2.5-4.5 Y = O, N,halogen R-O 2.5-5.5 RN 2 1.5-3.0 O=C-C 2.0-3.0 C C 2.4-2.7 C=C-C- allilowe 1.5-2.5 R-C- nasycone 0-1.5 TMS 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 [ppm] Interpretując widma NMR można oczywiście korzystać ze specjalnie przygotowanych tablic przesunięć chemicznych, jednakże warto pamiętać o kilku ogólnych zasadach: 1. Protony grup metylowych R-C 3 dają sygnały przy wyższym natężeniu pola (mniejsze δ) niż protony grup metylenowych R-C 2-R. Protony grup metinowych R 3C dają sygnały przesunięte bardziej na lewo (przy niższym polu, większej wartości δ). Wynika to z faktu, że im mniejsza liczba protonów, tym mniejszy efekt ekranowania przez elektrony wiązań sigma. Na przykład w 2,4-dimetylopentanie trzy różne rodzaje protonów mają następujące wielkości przesunięcia chemicznego: 3[0.89] C C [1.37] C 2 [1.22] C [1.37] C 3 [0.89] C 3 [0.89] C 3 [0.89] 13
2. Dla protonów przy atomie węgla związanego z pierwiastkiem o większej elektroujemności przesunięcie chemiczne wzrasta wraz ze wzrostem jej wartości. Jest to spowodowane efektem indukcyjnym odciągającym elektrony przesłaniające proton. Efekt ten jest najlepiej widoczny na przykładzie halogenków metylowych: alogenek C 3F C 3 C 3Br C 3I Elektroujemność wg Paulinga 4.0 3.0 2.8 2.5 Przesunięcie chemiczne (ppm) 4.26 3.05 2.68 2.16 3. Efekt indukcyjny podstawnika powodujący odsłanianie protonów maleje szybko ze wzrostem oddalenia tego podstawnika od protonów dających sygnał. Wymownym przykładem zmniejszenia tego oddziaływania są wartości δ protonów w serii związków C 3C 2C 2-X. X C 3 C 2 C 2 X NO 2 1.03 2.07 4.38 O 0.92 1.57 3.58 C 3 0.97 1.67 2.42 4. Protony pierścieni aromatycznych dają sygnały przy bardzo niskim natężeniu pola, a więc dużych wartościach δ (np. dla benzenu δ = 7.28 ppm). Podstawniki dezaktywujące pierścień aromatyczny w podstawieniu elektrofilowym (NO 2, C=O, COO), powodują przesuwanie sygnałów protonów pierścienia benzenowego ku mniejszemu natężeniu pola magnetycznego, a więc większych wartości δ. Natomiast grupy aktywujące (O, N 2, C 3) przesuwają te sygnały na prawo, w kierunku mniejszych wartości δ. O [6.18] N 2 [6.18] C 3 [2.27] O [9.94] O - N + O [6.75] [6.75] [6.51] [6.51] [7.03] [7.03] [7.25] [7.25] [7.81] [7.81] [8.18] [8.18] [7.11] [6.80] [7.11] [7.03] [6.60] [7.03] [7.14] [7.14] [7.06] [7.17] [7.15] [7.17] [7.43] [7.52] [7.43] [7.56] [7.69] [7.56] 5. Protony stojące przy heteroatomach, np. przy O, N, S mają bardzo różne przesunięcia chemiczne, a położenie i kształt pasma w widmie zależy w znacznym stopniu od temperatury, rozpuszczalnika, stężenia i obecności kwasowych lub zasadowych zanieczyszczeń. Pasmo protonów aminowych N- często jest szerokie i trudne do rozpoznania. Aminy i alkohole dają zwykle sygnały protonów O lub N w postaci singletów niezależnie od liczby protonów przy sąsiednim atomie węgla. Efekt ten jest spowodowany wymianą chemiczną protonów następującą z częstotliwością większą od częstotliwości działającego promieniowania. 14
W spektroskopii 13 C NMR większość sygnałów występuje w obszarze 1-220 ppm w dół pola od absorbujących jąder węgla w TMS. Przesunięcie chemiczne każdego z jąder 13C zależy bardzo precyzyjnie od jego położenia w cząsteczce. Poniżej przedstawiono zależność pomiędzy przesunięciem chemicznym w widmie 13 C NMR a otoczeniem chemicznym. O=C-X 150-190 C-O 40-85 kwasy i pochodne C-N 2 40-70 F Br I al-c 0-85 R-C=O 190-230 -C=O 170-210 Ar 110-160 C=C alkeny 90-150 C C alkiny 60-95 C-C nasycone 25-65 TMS 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 [ppm] Podane zakresy przesunięć chemicznych oraz kilka informacji dotyczących interpretacji widm wystarczą do ustalania struktury związków organicznych z wykorzystaniem 13 C NMR. 1. Po pierwsze, sygnały pochodzące od atomów węgla połączonych z atomami tlenu, azotu czy halogenów są przesunięte w stosunku do typowych sygnałów pochodzących od jąder atomów w alkanach w dół pola (w lewą stronę widma). 2. Należy pamiętać, że sygnał rezonansowy atomów węgla o hybrydyzacji sp 3 pojawia się w przedziale 0-90 ppm, natomiast sygnały atomów węgla o hybrydyzacji sp 2 występują z reguły w zakresie 100-220 ppm. Szczególnie łatwo rozpoznać sygnał grupy karbonylowej C=O, gdyż sygnały od niej pochodzące pojawiają się z zwykle przy bardzo niskim polu, w obszarze 170-220 ppm. Powierzchnia pasma Powierzchnia pod każdym z sygnałów w widmie protonowego rezonansu magnetycznego jest proporcjonalna do liczby protonów powodujących powstanie sygnału. Pomiar powierzchni pod każdym z sygnałów, czyli tzw. całkowanie (integracja), pozwala określić względną liczbę protonów w cząsteczce. Stosunek powierzchni pasm można odczytać na podstawie wysokości skoku krzywej integracyjnej nad każdym sygnałem. Krzywa integracyjna sumuje wszystkie kolejne sygnały absorpcyjne tak, że jej kształt przypomina stopnie schodów, a wysokość stopnia jest proporcjonalna do powierzchni każdego z sygnałów, czyli do liczby absorbujących jąder. Współczesne aparaty NMR wyliczają te wartości i są one podawane pod każdym sygnałem w widmie. Jako przykład zostanie rozważone widmo octanu etylu. W związku tym można wyróżnić trzy grupy protonów równocennych, a więc w widmie wystąpią trzy sygnały. Po zmierzeniu wysokości skoku krzywej integracyjnej w widmie octanu etylu, otrzymujemy 15
stosunek powierzchni sygnałów 2 : 3 : 3, co odpowiada liczbie protonów w każdej z tych grup. O C 3 C O 2 C C 3 Wyliczone powierzchnie sygnałów, od lewej, wynoszą 15.3, 23.0 i 23.3. Chcąc otrzymać zbiór najmniejszych liczb całkowitych, szukamy wspólnego podzielnika, w tym przypadku będzie to 7.65. Po podzieleniu otrzymujemy stosunek intensywności sygnałów 2 : 3 : 3.04. Błąd całkowania elektronicznego sięga 5-10% i dlatego otrzymując liczby ułamkowe, jak np. 2 : 3.04 zaokrąglamy je i zapisujemy jako 2 : 3. W przypadku multipletów lub sygnałów zachodzących na siebie obliczamy powierzchnię łączną wszystkich zgrupowanych razem pasm. Należy pamiętać, że prawdziwa liczba protonów może stanowić wielokrotność otrzymanego stosunku intensywności. W przypadku widm węglowego rezonansu magnetycznego intensywność sygnałów nie jest tak specyficzna. Sygnał pochodzący od kilku równocennych atomów węgla, a więc o tym samym przesunięciu chemicznym, będzie intensywniejszy, niż sygnał atomu pojedynczego. Atomy węgla czwartego rzędu (nie ma przy nich protonów) dają bardzo niskie sygnały, natomiast grup metylowych dość wysokie. O C 3 C O 2 C C 3 Sprzężenie spinowo-spinowe. Stałe sprzężenia Przesłanianie jąder magnetycznych przez elektrony nie jest jedynym czynnikiem wpływającym na kształt widma NMR. Drugim bardzo istotnym czynnikiem są oddziaływania między sąsiadującymi jądrami, tzw. sprzężenia spinowo-spinowe, czego skutkiem jest rozszczepienie sygnału na tzw. multiplet. Sposób rozszczepienia sygnału zależy od tego, z jaką liczbą protonów o innym otoczeniu elektronowym sprzęga się proton dający ten sygnał. Gdy z danym protonem sprzężonych jest n równocennych wobec siebie protonów, wówczas sygnał jest rozszczepiany na n+1 16
linii multipletowych. Sygnał taki określany jest multipletem pierwszego rzędu, a ten typ sprzężenia, a więc nie więcej niż przez trzy wiązania, określa się sprzężeniem skalarnym. Oddziaływanie spin-spin charakteryzowane jest tzw. stałą sprzężenia J, której wartość nie zależy od częstotliwości użytego aparatu, lecz od układu spinowego, czyli wzajemnego położenia sprzęgających się jąder atomowych w cząsteczce. Dla każdego układu spinowego wartość stałej sprzężenia, wyrażona w z, jest inna, charakterystyczna i dlatego często dostarcza cennych informacji o strukturze związku. Należy pamiętać, że sprzężenie spinowo-spinowe jest obustronne dwie grupy protonów sprzęgające się wzajemnie w widmie będą dawały multiplety o różnych przesunięciach chemicznych, ale o takiej samej stałej sprzężenia. Przykładem prostego układu spinowego jest grupa etylowa w octanie etylu. Na widmie protonowym, przedstawionym wcześniej, obserwujemy kwartet przy δ = 4.15 ppm oraz triplet przy δ = 1.25 ppm. Pierwszy sygnał, kwartet, pochodzi od grupy C 2, której protony sprzęgają się przez trzy wiązania z sąsiadującymi trzema protonami grupy metylowej. Liczba linii (4) w kwartecie wynika z równania n+1, tzn. 3+1 = 4. Analogicznie, protonom grupy C 3 odpowiada tryplet, gdyż protony tej grupy sprzęgają się z dwoma protonami grupy C 2. Warto zauważyć, że odległości pomiędzy liniami w obu multipletach, a więc stałe sprzężenia, są jednakowe. W przypadku grupy metylowej, bezpośrednio związanej z karbonylowym atomem węgla, protony tej grupy nie mają w sąsiedztwie żadnych innych protonów, a więc nie ma sprzężenia i sygnał jest w postaci pojedynczej linii, tj. singletu. W widmach protonowych, gdy różnice między przesunięciami chemicznymi sprzęgających się sygnałów są duże w porównaniu ze stałymi sprzężeń ( ν/j > 8, ν częstotliwość, przy której powstaje sygnał), wielkość stałej sprzężenia daje się łatwo odczytać z odległości między liniami w multiplecie. Dodatkowo, ilość linii multipletu umożliwia stwierdzenie z iloma jądrami równocennymi sprzęga się dane jądro magnetyczne. Poniższy schemat obrazuje powstawanie prostych multipletów pierwszego rzędu, a tzw. trójkąt Pascala przedstawia stosunek wysokości linii w tych multipletach. singlet dublet tryplet kwartet Jeżeli odległość między sygnałami jest porównywalna ze stałą sprzężenia, problemem może okazać się nie tylko wyznaczenie jej wartości, ale również i samych 17
przesunięć chemicznych (tzw. widma silnie sprzężone). Do przypisywania sygnałów w takich widmach stosuje się wiele złożonych technik NMR, czasem w połączeniu z obliczeniami chemii kwantowej. Ponadto, jeżeli proton sprzęga się z dwiema, trzema lub więcej różnymi grupami protonów, otrzymujemy multiplety złożone, dla których można wyznaczyć dwie, trzy lub więcej stałych sprzężenia. Jako przykład, niechaj posłużą dwa widma etanolu wykonane w chloroformie oraz dimetylosulfotlenku. Na widmie z lewej strony rysunku, dla grupy etylowej obserwujemy typowy układ spinowy: multiplety w postaci kwartetu od C 2 oraz tryplet od C 3. Proton grupy wodorotlenowej widoczny jest jako singlet. Zastosowanie polarnego rozpuszczalnika, takiego jak DMSO, całkowicie zmieniło wygląd widma (prawa strona rysunku). Poza sygnałem grupy C 3 w postaci trypletu przy δ = 0.2 ppm, dwa pozostałe sygnały zmieniły nie tylko położenie, ale i multipletowość. Proton grupy O widoczny jest przy δ = 4.35 ppm jako tryplet - jest to efekt sprzężenia z sąsiednią grupą C 2. Oba tryplety obecne na widmie różnią się stałymi sprzężenia (patrz rozsunięcie poszczególnych linii w trypletach na powiększeniu). Natomiast dla protonów grupy C 2 obserwujemy multiplet bardziej złożony (patrz powiększenie). Z jednej strony sygnał od tych protonów powinien być kwartetem sprzężenie z C 3, z drugiej strony sprzężenie z O powinno powodować powstawanie dubletu. W efekcie tych dwóch sprzężeń widzimy, że każda linia kwartetu została rozdzielona na dublet, jest to więc dublet kwartetu, a nie kwintet, jak by się pochopnie mogło wydawać. Dokładnie analizując częstotliwości, przy których wystąpiły poszczególne linie w multiplecie, można wyznaczyć dwie różne stałe sprzężenia. Poniższy schemat obrazuje powstawanie multipletów złożonych w wyniku sprzężenia z różnymi protonami nierównocennymi: singlet; brak sprzężeń dublet; sprzężenie z jednym protonem, jedna stała sprzężenia dublet dubletu; sprzężenie z dwoma różnymi protonami, dwie stałe sprzężenia dublet dubletu dubletu; sprzężenie z trzema różnymi protonami, trzy stałe sprzężenia 18
Opisując stałą sprzężenia podaje się zwykle ilość wiązań oddzielających sprzęgające się protony; dla układu geminalnego -C- jest to 2 J, dla układu wicynalnego -C-C- 3 J, a dla układu -C-C-C- 4 J. Możliwe są także sprzężenia dalekiego zasięgu (przez przestrzeń), które określane są sprzężeniami dipolowymi. W widmie węglowym nie obserwuje się sprzężeń pomiędzy atomami węgla, ze względu na niską zawartość izotopu węgla 13 C, natomiast efekt sprzężeń z protonami, bardzo utrudniający odczyt widma, został zniwelowany do poziomu szumów poprzez tzw. odsprzęganie spinów. W pewnych przypadkach można zarejestrować sprzężenia z atomami innych pierwiastków, w takim przypadku podając stałą sprzężenia z jej prawej strony w indeksie dolnym wpisuje się symbole tych pierwiastków. I tak na przykład, zapis 3 J CF oznacza stałą sprzężenia przez trzy wiązania między jądrem izotopu węgla 13 C a fluorem. Opis widma Profesjonalny opis widm NMR powinien zawierać wszystkie niezbędne informacje, które w pełni będą charakteryzowały związek pod względem spektroskopowym. Przede wszystkim należy zawsze zaznaczyć, w jakim rozpuszczalniku została przygotowana próbka związku oraz jaka była częstotliwość robocza aparatu. W przypadku widm 1 NMR należy podać wartości przesunięć chemicznych poszczególnych sygnałów, ich intensywność, multipletowość oraz wartości stałych sprzężenia, a także przyporządkowanie sygnałów do odpowiednich grup w związku chemicznym. Natomiast w przypadku widma węglowego podaje się wartości przesunięć chemicznych, przyporządkowanie sygnałów do odpowiednich atomów węgla w związku oraz stałe sprzężenia, jeśli jest taka potrzeba. Interpretacja widma W większości przypadków, analiza widm NMR dotyczy związków o spodziewanej strukturze, szczególnie, gdy badamy produkty reakcji w porównaniu ze znanymi substratami. Jeśli chodzi o związki nowe i o dość skomplikowanej budowie, takie proste metody spektroskopowe mogą okazać się niewystarczające. Jednak, zawsze należy pamiętać o podstawowych elementach widma, które wnoszą bardzo wiele informacji o strukturze badanej substancji: Element widma 1 NMR Informacja 13C NMR liczba sygnałów liczba protonów nierównocennych liczba at. węgla nierównocennych przesunięcie chemiczne otoczenie elektronowe protonów równonocennych intensywność sygnału liczba protonów równocennych multipletowość sygnału sprzężenie spinowo-spinowe protonów nierównocennych; liczba linii w multiplecie I rzędu (n+1) oznacza n sąsiadów tego samego rodzaju otoczenie elektronowe równocennych atomów węgla niespecyficzna brak sprzężeń spinowo-spinowych C-C 19
Pytania sprawdzające 1. Co to jest obszar daktyloskopowy? 2. W jaki sposób na podstawie widm IR odróżnisz rzędowość alkoholi; amin? 3. Jak odróżnisz acetofenon od 1-fenyloetanolu na podstawie widm IR? 4. W widmie IR pewnego związku organicznego występują następujące sygnały: szeroki sygnał przy 3650-3500 cm -1, intensywny sygnał przy 1720 cm -1 oraz 1050 cm -1. Co możesz powiedzieć o strukturze związku? 5. Co to jest przesunięcie chemiczne? 6. Od czego zależy wartość przesunięcia chemicznego? 7. Na czym polega sprzężenie spinowo-spinowe? 8. Jakich informacji dostarcza wygląd multipletu i stała sprzężenia w widmie 1 NMR? 9. Przy jakich wartościach przesunięcia chemicznego pojawiają się sygnały protonów grupy aldehydowej, a przy jakich grupy hydroksylowej w alkoholach? 10. Zakładając, że protony związane z heteroatomami (O, N, S) nie sprzęgają się z protonami innych grup, podaj ilość, multipletowość i stosunek pól sygnałów w widmach 1 NMR następujących związków. Spróbuj te sygnały umiejscowić na skali przesunięć chemicznych (ppm). a. Metanol, d. Etyloamina, g. Octan izopropylu b. Aceton, e. Propanian metylu, h. Mrówczan t-butylu. c. 2-Chloropropan, f. Butanal, i. N-etyloacetamid 20