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.
Widma M związków fluoroorganicznych 9 F = 00% spinowa liczba kwantowa = ½ czułość w stosunku do : 8% Widma M związków fluoroorganicznych Fluoronitrobenzeny F F F
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
Fluoronitrobenzeny: porównanie z chloronitrobenzenami orto meta para F -0,9-0,0-0, l -0,0-0,07-0, 0,87 0,0 0,5 6 5 6 5 F 6 5 6 5 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
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, 5 6 5 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
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
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
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
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
W9 -( ) P 8 9 8? 9? 6 7 lub 5 5 lub 7 6 5 - - 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 8 9 0 7 6 5 J -P = 8 z 5?? 0
W9 P M 8 9 P δ P = 8, ppm 7 6 5 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
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 + + + +
Sole tetraalkiloamoniowe: widma M + + + + 5 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
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
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
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
Widma 5 M 5 = 0,%, spin ½, czułość 0,% Widmo M kofeiny w DMS-d6.0 Kofeina-.esp.5.6 ormalized Intensity 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0. 0. 0. 8 7.95 ' 6 5 ' 7' 7 8 9 7.8.0 DMS.8.7.7 0. 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0.5.0.5.0.5 hemical Shift (ppm)
Widmo MB - 5 kofeiny 8 7-70 -60 7 ' 6 5 ' 7' 7 8 9-50 -0-0 -0-0 -00-90 F hemical Shift (ppm) -80-70 -60 9-50 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0.5.0.5.0 F hemical Shift (ppm) 5 Efekty dynamiczne w widmach M: zahamowana rotacja i zahamowana inwersja pierścienia 6
Dla przypomnienia: amidy M (Dl ) + M (Dl ) M (DMS-d6) 7,6,7-tripodstawione pochodne indolu Próbki otrzymane od prof. K. Wojciechowskiego 8
-MM-6- -indol: widmo w Dl 5 6 7 7 5 9 -MM-6- -7-t-BuS -indol +. B - l S. + / S 0
-MM-6- -7-t-BuS -indol: widmo w Dl 5 6 7 - -- -- 7 5 5 6 7 S - 5 -( ) -MM-6- -7-t-BuS -indol: widmo SQ -- - - -S - - -S - -- - 5 6 7 S
-MM-6- -7-t-BuS -indol: model cząsteczki -MM-6- -7-t-BuS -indol: widmo w DMS w 0 º 5 6 7 S
-MM-6- -7-t-BuS -indol: widma w DMS w 0 i 77 º 77 º 5 6 7 S 0 º 5 -pmebn-6- -7-t-BuS -indol: widmo w Dl -- -Ph - -S - S 6
-pmebn-6- -7-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
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] 76. 509.5 90 80 M+ + 70 60 % Intensity 50 0 0 0 77. widma masowe ESI ew. fragmentacja 76.6 0 57. 7. 85. 77.0 0. 77.9 95. 05. 0.0. 5. 58.5 68. 89. 0. 9.. 0 0 50 90 0 70 0 50 Mass (m/z) Mariner Spec # AS[BP = 9., 85] 00 90 M+ + 9. 85.0 80 70 60 % Intensity 50 0 0 0 + 9.6 0 9. 5. 57. 7. 85. 97... 9. 59. 76. 97.6 5.5 0. 0 0 50 90 0 70 0 50 Mass (m/z) 9. M+a +. 50
yklobenzaprina i jej -tlenek widma fragmentacyjne + +EPI (76.00) E (0): 0.806 to.8 min from Sample (hlorowodorek cyklobenzapriny EPI) of cyklobenzaprin... 6..5e6.0e6 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 5.0e5 9. 05.. 9. 0. 5. 8. 5. 90. 0. 0. 50 60 70 80 90 00 0 0 0 0 50 60 70 80 90 00 0 0 0 0 50 60 70 80 m/z, amu 8.0e6 7.0e6 6.0e6 5.0e6.0e6?.0e6 M+ + 5. M+ +.0e6 76. 9. 9..0e6 5.78. 9. 0. 6. 5. 6. 50 60 70 80 90 00 0 0 0 0 50 60 70 80 90 00 0 0 0 0 50 60 70 80 90 00 m/z, amu 5 yklobenzaprina: widma wolnej zasady i chlorowodorku 9 0 x 0, + - 8 7 5 6 6 + 5 hlorowodorek ppm DMS 0, 8 7 9 5 6 0 5 6 DMS x Wolna zasada 5
yklobenzaprina i jej -tlenek (+ + ) + - 8 7 9 0 5 6 6 + 5 x hlorowodorek cyklobenzapriny + - 8 7 9 0 5 6 6 + 5 -tlenek cyklobenzapriny + +, ppm 5 -tlenek cyklobenzapriny model AM 5
Wodorosiarczan clopidogrelu S l + * S - 55 Wodorosiarczan clopidogrelu M w D l + S * S - 56
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
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
-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 7 5 5,6-cis gólna zależność w β-laktamach: izomer cis: J 5-6 =,5 z izomer trans: J 5-6 = 0,5 z 5 5 J 5-6 0 z 6 7 5 5,6-trans 6
-Furyloklawamy M Problem ustalenia konfiguracji względnej na atomie - 6 7 5 S 6 7 5 S S 6 -Furyloklawam SS X-ay S 6
-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
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
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
Porfiryny 7 Pochodna porfiryny M δ = 0,8 ppm - δ = -, ppm Próbka od dr. M. Gałęzowskiego i prof. D. T. Gryko 7
Fotochemiczna degradacja koroli Widma ESI w różnych rozpuszczalnikach 00% 90% 66.6 [M+] + el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% M +. 65.6 67.6 in methanol after 60 minutes 0% 0% 0% [M+7] + 65.5 68.6 65.6 [M+] + 668.6 65 60 65 650 655 660 665 670 m/z, amu 00% 65.5 M +. 00% 65.5 M +. 65.5 [M+7] + 90% 90% el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% 0% 0% 0% 66.6 in hexane after 60 minutes 6.5 67.5 [M+7] + 68.5 650.5 65.5 el. Int. (% ) 80% 70% 60% 50% 0% [M-] + 0% 6.5 67.5 65.5 [M+] + 0% 668.5 0% [M+] + 66.5 65.5 in acetonitrile after 60 minutes 65 60 65 650 655 660 665 670 m/z, amu 65 60 65 650 655 660 665 670 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, -5. 7 Fotochemiczna degradacja koroli Widmo M związku M + (M = 65 Da).079.6.950.55 6.097 6.06 6.05 6.05 6.59 6.56 6.57 6.6086 6.65 6.6779 6.6857 6.9 6.95 6.967 6.9770 7.605 7.7 7.7576 7.978 7.985 6.97 5.9.06.59.895 0.96 0.907 0.98.008 6.00.86.000 0.70 7
Fotochemiczna degradacja koroli ptymalizacja geometrii: BPW9/6-G(d) bliczenie przesunięć chemicznych M: BPW9/6-+G(d,p) 8.00 6.00.00 y = 0.98x - 0.57 ² = 0.998 0.0 M M 80.0 60.0 y = 0.9676x +.0 ² = 0.9987.00 0.0 Delta exp. 0.00 8.00 6.00 Delta exp. 00.0 80.0 60.0.00 0.0.00 0.0 0.00 0.00.00.00 6.00 8.00 0.00.00.00 6.00 8.00 Delta obl. 0.0 0.0 0.0 0.0 60.0 80.0 00.0 0.0 0.0 60.0 80.0 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
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
Brucyna 6 79 Brucyna 80
Paclitaxel (Taxol) 7 5 8 Paclitaxel (Taxol) M B ' 9 9 0 8 7 7 8 6 5 6 5 ' ' 0 A 8
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
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 009. 85