LEKCE 2a NMR a chiralita, posunová činidla Interpretace 13 C NMR spekter Zpracování, výpočet a databáze NMR spekter (ACD/Labs, Topspin, Mnova)
Symetrie v NMR spektrech - homotopické, enantiotopické, diastereotopické protony (skupiny) O tom, zda dvojice atomů (skupin) poskytne dva různé signály nebo jeden, rozhoduje jejich vzájemný vztah při operacích symetrie. Jádra jsou chemicky ekvivalentní, pokud existuje operace symetrie, která je na sebe převádí. Chemicky ekvivalentní jádra mají stejný chemický posun. Enantiotopické a homotopické protony mají identický chemický posun. Diastereotopické protony mají rozdílné chemické posuny mají J interakci se sousedními magneticky aktivními jádry. Rozlišení lze provést substitučním testem.
omotopické protony deuteriová substituce C 2 osa symetrie chemicky ekvivalentní 1 signál ve spektru
Enantiotopické protony rovina symetrie není osa symetrie chemicky ekvivalentní 1 signál ve spektru enantiomery Jestliže molekulu s enantiotopickými protony umístíme do chirálního prostředí, protony se stanou neekvivalentními - diastereotopickými.
Diastereotopické protony Případ molekul s chirálním centrem: C 3 O deuteriová C 3 O C 3 substituce O D O O D O diastereomery není osa symetrie není rovina symetrie nejsou chemicky ekvivalentní rozlišitelné ve spektru
Příklad neekvivalentních C 2 protonů O 3 C * 6.3 z O 11.4 z 2.0 z 11.4 z 7.8 z 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Příklad neekvivalentních C 2 protonů S * N 2 O O cystein 7.0 z 14.6 z 7.0 z 6.1 z 14.6 z 12.1 z 7.0 z 6.1 z 12.1 z
Vliv B 0 na rozlišení 1 NMR spektra 500 Mz 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 300 Mz 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 200 Mz 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 100 Mz 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Příklad neekvivalentních C 2 protonů O C 3 O * N C 3 MDMA 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.60 2.50 2.40 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Diastereotopicita v derivátech bifenylu Projevuje se i v molekulách, kde není centrum chirality, ale molekula je chirální vzhledem k bráněné rotaci kolem C-C vazby atropoisomerie. C 2 Br Br
Diastereotopicita C 3 skupin OOC C * N 2 C C 3 C 3 valin 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Stanovení optické čistoty Enantiomery jsou nerozlišitelné v NMR spektroskopii není možné rozlišit enantiomer od racemátu!!! Enantiotopické protony mohou být v NMR rozlišitelné jen v přítomnosti chirálního okolí. chirální činidlo + (R)-substrát chirální činidlo (R)-substrát chirální činidlo + (S)-substrát chirální činidlo (S)-substrát diastereomery rozlišitelné v NMR Možnosti tvorby diastereomerních komplexů: posunová činidla (LSR, Pirklovo činidlo) chirální rozpouštědla derivatizace (Mosherova metoda)
Chirální lantanoidová posunová činidla (LSR) využití tvorby diastereomerních komplexů: S(+) + LSR(-) S(+) LSR(-) S(-) + LSR(-) S(-) LSR(-) rozlišitelné v NMR S(+), S(-)... substrát (racemická směs) LSR(-)... chirální posunové činidlo chirální paramagnetické LSR: Sůl nebo komplex lanthanoidového kationtu s organickým ligandem Eu(tfc) 3 Eu(hfc) 3
3 C C 3 Stanovení optické čistoty - chirální LSR CF 3 O Eu 3 C O 80% L, 20% D + chirální LSR racemát + chirální LSR optická čistota??? orst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VC, 2005
Stanovení optické čistoty - Pirklovo činidlo * racemát racemát + Pirklovo činidlo Nerozšiřuje čáry!!!!! Pirklovo činidlo NMR spektra před a po chirální solvataci racemického 6,7-dimethoxy-1-(3,4,5-trimethoxybenzyl)-1,2,3,4-tetrahydroisochinolinu Pirklovým alkoholem (1-(9-Antryl)-2,2,2-trifluorethanol)), Chem. Listy 105, 80-83 (2011)
Použití chirálních posunových činidel nevede vždy k úspěchu Každý problém se řeší separátně (změna typu činidla, rozpouštědla, ). Komplex LSR není vždy dostatečně silný (síla komplexu závisí na schopnosti substrátu být Lewisovou bází). Některé silné kyseliny a fenoly rozkládají komplex s LSR. Nevýhoda LSR: Vzhledem k obsahu paramagnetického lanthanoidového kationtu dochází k rozšíření signálů. Výhoda Pirklova činidla: Nedochází k rozšíření signálů.
Chirální rozpouštědla * * 2,2,2-Trifluoro-1-phenylethanol 1-Phenylethylamin tvorba nekovalentních interakcí mezi opticky čistým rozpouštědlem a příslušnou látkou vzniklé látky jsou diastereomery rozpouštědla nejsou deuterovaná je zapotřebí přidat (externě) látku na zalockování
Mosherova metoda - určení absolutní konfigurace (??) 3 C O Ph R nebo S? (R) * (R) * * * (R, S) (S) * (R) * * * (S, S) v NMR nerozlišitelné Mosherovo činidlo - chirální v NMR rozlišitelné!!! derivatizační činidlo Thomas R oye, Christopher S Jeffrey, Feng Shao, Nature Protocols 2007, 2, 2451 2458.
Mosherova metoda - určení absolutní konfigurace (??) Předpoklad: Mosherův ester zaujímá preferovanou konformace s minimální sterickou interakcí Ring current efekt fenylové skupiny ovlivňuje chemické posuny skupin R 1 a R 2 odstínění R 2 stínění R 2 R 1 R 2 O Ph OC 3 CF 3 R 1 R 2 O 3 CO Ph CF 3 O O stínění R 1 odstínění R 1 Thomas R oye, Christopher S Jeffrey, Feng Shao, Nature Protocols 2007, 2, 2451 2458.
Mosherova metoda - určení absolutní konfigurace (??) 3 C Ph (R) O nebo 3 C Ph O (S) C C 3 C 3 musí být na straně OC 3, tedy směřuje dozadu (R) konfigurace C 3 * (R) (S) * C 3 (stíněna) musí být na straně Ph, tedy směřuje dopředu C 3 (S) konfigurace *(S) * (S) Analýzou znamének rozdílů chemických posunů ( SR ) řady analogických diastereomerních párů protonů v diastereomerních esterech (nebo amidech) lze spolehlivě určit absolutní konfiguraci na stereogenních centrech původních alkoholů (nebo aminů). Thomas R oye, Christopher S Jeffrey, Feng Shao, Nature Protocols 2007, 2, 2451 2458.
Magnetická ekvivalence Jádra jsou magneticky ekvivalentní, jestliže jsou chemicky ekvivalentní mají identické interakční konstanty se všemi dalšími jádry v molekule (nebo nejsou v molekule žádná další magneticky aktivní jádra) Cl 5 6 4 6 2 Cl Cl 5 3 Cl magneticky ekvivalentní 3 J(4, 5) = 3 J(6, 5) Mezi magneticky ekvivalentními jádry se neprojevuje J vazba. Br magneticky neekvivalentní 3 J(2, 3) 5 J(6, 3) Spektra chemicky ekvivalentních, přitom magneticky neekvivalentních jader nelze analyzovat dle pravidel pro spektra 1. řádu.
50 7.40 7.30 7.20 7.10 Magnetická neekvivalence Cl Br O
Interpretace 13 C NMR spekter rozsah chemických posunů: 0-300 ppm vzhledem k většímu rozsahu lépe rozlišitelné než 1 spektra chemické posuny závisí více na hybridizaci daného C (sp 3 < sp <sp 2 ) než na povaze sousedních skupin C=O v ketonech Aromatika, alkeny Alifatické C 3, C 2, C Alkyny C=O kyselin, aldehydů, esterů 210 150 100 80 50 0 TMS ppm
Interpretace 13 C NMR spekter Přirozené zastoupení: 13 C: 1.11% ( 1 : 99.98%) Citlivost: 13 C, ( 1 ) 4 (13C) 1 je 64x citlivější jen z důvodu 1 je tedy 6400x citlivější, měření na více scanů interakce 13 C - 13 C nepozorovatelné (1:10000) interakce 1-13 C komplikují vzhled spektra užití dekaplinku (saturace, vyrovnání obsazenosti hladin) odstranění interakce s protony 90 detekce 13 C: t D1 1 : ozařování dekapling
Interpretace 13 C NMR spekter - dekaplink 90 detekce 13 C: t D1 1 : ozařování dekapling Intenzity signálů v dekaplovaném spektru nejsou úměrné počtu odpovídajících jader C!!! vzhledem k NOE dochází až na 200% navýšení intenzity signálu: NOE = 1+ C během následných pulsů se spinový systém není schopen dostat do rovnováhy (T 1 relaxace) oba efekty se nejvíc projevují na nízké intenzitě kvartérních uhlíků
J interakce v 13 C 1 J interakce v 13 C 2 13 C spektrum 13 C spektrum CCl 4 počet čar v multipletu 2 n I +1 deuterované rozpouštědlo I = 1 CCl 3 CDCl 3 C 2 Cl 2 CD 2 Cl C 3 Cl (CD 3 ) 2 SO
13 C spektra ( 1 dekaplink) nedekaplovaná: zachování multiplicity, ale značné snížení intenzity OC 3 C 3 C 3 dekaplovaná: odstranění interakce s protony, přehlednější spektrum, zvýšení intenzity signálů N N N N C 3 O O O
APT (attached proton test) Využívá přenosu polarizace přes 1 J(C,). Předpoklad: 1 J(C,) jsou podobné a hodnota t D je nastavena na 1 / J. Modulace amplitudy C 2 4 1 C 2,3 C C 3 1 J(C,) je závislá na hybridizaci: ethan ethylen acetylen 1 J(C,) [z] 124.9 156.4 249.0 hybridizace sp 3 sp 2 sp
13 C spektra dekaplovaná: odstranění interakce s protony, přehlednější spektrum, zvýšení intenzity signálů OC 3 N N J-modulovaná (APT): podle počtu připojených protonů pozitivní (C, C 2 ) nebo negativní (C, C 3 ) amplituda N N C, C 3 C, C 2 C 3 O O O
DEPT (Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) Využití přenosu polarizace (předání polarizace citlivého jádra ( 1 ) méně citlivému ( 13 C)). Editace signálů dle posledního pulsu získáme separátní spektra pro primární (C 3 ), sekundární (C 2 ), a terciární (C) uhlíky. Měří se 3 experimenty pro různé hodnoty úhlu (45, 90, 135). 90 180 přenos polarizace 13 C: 1/2J 1/2J 90 180 1 : 1/2J { 1 }
DEPT - závislosti intenzit signálů na úhlu 1 pulsu 45 90 135 C C 2 C 3 orst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VC, 2005
DEPT 13 C dec. C, C, C 2 a C 3 DEPT 45 C, C 2 a C 3 DEPT 90 C DEPT 135 C + C 3 C 2 orst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VC, 2005
Možnosti zpracování spekter na VŠCT: Topspin (Bruker Biospin) Možnost instalace ve vaší laboratoři!!!
Mnova NMR (dříve MestRe-C) K dispozici 45denní zkušební verze; plnohodnotná verze je zpoplatněná.
ACD/LABS ACD NMR Processor: Možnost importu dat naměřených na VŠCT. Zpracování a analýza 1D a 2D spekter. Na VŠCT je dostupná celoškolní licence NMR Manager SUITE. Součástí tohoto balíčku jsou kromě 1D a 2D NMR procesoru i prediktory C,, N, F a P NMR spekter a databáze. Instalační soubory pro celoškolní licenci ACD/Labs v. 12 naleznete po připojení k serveru \\habr\install\aplikace Možnost stažení akademické verze ze stránek výrobce: (http://www.acdlabs.com/resources/freeware/)
ACD NMR Predictor: Rychlá a přesná předpověď 1, 13 C, 15 N, 19 F a 31 P NMR spekter, chemických posunů a interakčních konstant. Výpočet 2D experimentů (COSY, ETCOR, TOCSY, MQC/MBC/SQC). ACD NMR Manager: ACD NMR DB: ACD V LABORATOŘI NMR: NMR Manager Suite Umožňuje import, zpracování a interpretaci 1D NMR dat a tvorbu databází experimentálních dat. Databáze obsahuje množství struktur a chemických posunů. ( 1 : 202 200 struktur, 13 C: 191 900 struktur, 15 N: 9 097 struktur, 19 F: 16 700 struktur, 31 P: 27 200 struktur.) Aldrich NMR Library for ACD/Labs: Databáze obsahuje 35 164 1 a 13 C chemických stuktur.