Techniky měření a interpretace NMR spekter. Bohumil Dolenský VŠCHT Praha místnost A28 linka 4110

Techniky měření a interpretace NMR spekter Bohumil Dolenský VŠCT Praha místnost A28 linka 4110

NMR je nejsilnějším analytickým nástrojem k řešení struktury organický látek královna strukturních metod. Nedestruktivní metoda vyžadující jen několik mg látky. (často postačí i µg)

Studijní materiály na internetu Techniky měření a interpretace NMR spekter http://www.vscht.cz/anl/dolensky/technmr/index.html Výuka NMR na VŠCT Praha http://www.vscht.cz/nmr/vyuka.html Řešené úlohy ze spektroskopie nukleární magnetické resonance http://nmr.sci.muni.cz/index.html J. P. ornak: The Basics of NMR http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/ J. Urbauer: Introductory NMR http://tesla.ccrc.uga.edu/courses/4190/ W. Reusch: Spectroscopy http://www.cem.msu.edu/~reusch/virtualtext/spectrpy/spectro.htm NMR Course, Queen's univesrity, Canada http://www.chem.queensu.ca/facilities/nmr/nmr/webcourse/index.htm Spectral Database of Organic Compounds SDBS http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi C. A. Merlic et all: WebSpectra - Problems in NMR and IR spectra http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/ NMR Quide (Brucker Biospin http://triton.iqfr.csic.es/guide/ NMR Wiki http://nmrwiki.org/ Philosophy to Chemistry to Elucidation http://acdlabs.typepad.com/elucidation/ ans J. Reich: Structure Determination Using NMR http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/chem605/index.htm

Doporučená literatura Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley-VC, 2005 Sanders, unter: Modern NMR Spectroscopy a guide for chemist, Oxford University Press, 1994 olík: Čtyři lekce z NMR, Univerzita J. E. Purkyně, 1987 Pretsch, Bühlmann, Badertscher: Structure Determination of Organic Compounds: Tables of Spectral Data, Springer, 4 th ed., 2009 Claridge: igh-resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, Volume 27, Second Edition (Tetrahedron Organic Chemistry), Elsevier Science, 2 nd ed., 2008. Richards, ollerton: Essential Practical NMR for Organic Chemistry, Kindle Edition, 2011. Breitmaier, Voelter: Carbon C13 NMR Spectroscopy, 3 rd ed., VC, 1990.

Měřitelná jádra ( isotopy ) Je-li hmotnostní i protonové číslo jádra sudé je jaderný spin nulový. Je-li hmotnostní číslo liché je Jaderný spin poločíselný. 1 1 Je-li hmotnostní číslo sudé a protonové číslo liché je spin celočíselný. 12 6C 3 1 2 1 13 6C 16 8O 14 7 N 19 9F 32 16 S 15 7N 31 15P

Nukleární Magnetická Rezonance Všechny isotopy prvků, které mají nenulový jaderný spin (I > 0) lze v rámci NMR studovat PŘÍKLAD PRO I = ½ E pro I = ½ je m = -½ E β = -m γћb o β 2I + 1 E = hν = E β - E α = γћb o [J] 0.2 cal.mol -1 pro I = ½ je m = +½ E α = -m γћb o ν = γ B o / 2π [z] α B o 0 B o

Informace z NMR spektra C 3 O OC 3 Počet signálů Chemický posun Intenzita Multiplicita Tvar (pološířka)...

Počet signálů Počet signálů v NMR spektru čisté látky odpovídá počtu chemicky neekvivalentních jader. F F F F F F Br Cl F F F O omotopní neboli chemicky ekvivalentní jádra jsou taková, která jsou v důsledku symetrie nerozlišitelná. F Záměnou libovolného F získáme stejnou látku jako záměnou jiného. F F!!! Počet signálů odráží symetrii látky!!!

Počet signálů Za chemicky ekvivalentní lze považovat i jádra, která jsou ekvivalentní v důsledku rychlé rotace skupiny nebo jiné rychlé chemické výměny. O O 3 C O C 2 C 3 3 C C 3 3 C C 3 Cl F Br Vodíky methylu jsou vždy ekvivalentní.

Počet signálů - Chemická výměna Buď se jedná o skutečný chemický proces (reakci) nebo se jedná změnu konformace, například v důsledku rotace kolem vazby. O N O N Chemická výměna je na časové škále NMR a) Rychlá = pozorujeme průměrnou hodnotu Me N O Me Me N O Me b) Střední = pozorujeme velmi široký signál Me Me c) Pomalá = pozorujeme signály krajních stavů

T Tvar signálů

Počet signálů - Vliv teploty Me N O Me k 1 Me N O Me Me k -1 Me Lze stanovit rychlost chemické výměny ( aktivační energii )

Inverze kruhu

Počet signálů - Vliv teploty J. Am. Chem. Soc. 2004, 126 (42), 13714-13722

Chemická výměna pomalá - střední - rychlá Koalescence: k c = c π ** ν ν // 2 2 = 2.22 2.22 ** ν ν

Počet signálů Enantiotopní jádra Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou enantiomery. Br F F Br jsou v NMR nerozlišitelná Diastereotopní jádra Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou diastereomery. Cl F F Br jsou v NMR rozlišitelné.!!! NMR není chiroptickou metodou!!! Ale použitím chirálního prostředí (solventu, gelu) či chirálních posunových činidel lze studovat i jevy spojené s chiralitou látek.

Počet signálů O 3 C O C 3 3 C C3 3 C 2 4 5 O C 3 C 3 O C3 C 3 C 3 O C 3 3 C O 3 C 3 4 2

Počet signálů O O O O O Zkusme nahradit jeden z C 2 vodíků například flurem Me Me O Me Me O Me Me

Chemický posun signálů odnota chemického posunu odráží chemické okolí atomů. chemický posun δ [ ppm ] Nezávisí na síle magnetického pole (pracovní frekvenci přístroje) stínící konstanta σ [1] Z rozsáhlých tabulek těchto hodnot lze usuzovat na možné strukturní fragmenty neznámé látky, nebo predikovat chemické posuny pro známou strukturu.

Chemický posun signálů v 1 NMR spektrech

Magnetická anizotropie Axiální vodíky více stíněny (chem. posun o cca 0,5 ppm nižší než ekvatoriální) O O O O O 5,18 O C 3 O O O C 3 O O O 4,69 7,27 7,97 9,07 O O + vyšší chem. posun - nižší chem. posun

Magnetická anizotropie - kruhový proud -2.99 +9.28 N N N N δ (N) ~ - 3 ppm δ (Ar-) ~ 9 ppm

19 F NMR

31 P NMR

15 N NMR

Intenzita signálu Intenzita signálu je přímo úměrná počtu chemicky ekvivalentních atomů, které reprezentuje; intenzita signálů je úměrná molárnímu zastoupení atomů. Známe-li počet vodíků v molekule (sumární vzorec), můžeme rozdělit vodíky do skupin. Je-li měřena směs látek A a B, pak poměr intenzit signálů I A / I B je roven molárnímu poměru látek násobenému poměrem počtu atomů reprezentovaným daným signálem p A.n A / p B.n B Tohoto lze využít ke stanovení molární hmotnosti či čistoty. ( Toto neplatí například v případě, že doba akvizice je výrazně kratší než relaxačníčas atomůči dochází k NOE efektu. Typickým případem je 13 C NMR měřené standardním způsobem. )

Intenzita signálů - příklady O 3 C O C 3 3 C C3 3 C O 2 3 : 2 4 3 : 2 : 2 : 3 5 3 : 2 : 2 : 2 : 1 C 3 C 3 O C3 C 3 C 3 O C 3 3 C O 3 C 3 6 : 1 : 3 4 6 : 1 : 2 : 1 2 9 : 1

Multiplicita signálu Multiplicita signálu je důsledkem spin-spinové interakce přes vazby. Je charakterizována počtem linií a interakčními konstantami J. Tříspinový systém ABM A X Y 3 J AB = 3 J BA = 8,7 z 4 J BM = 4 J MB = 3,0 z B M z A B M

Multiplicita signálu Počet linií Počet linií způsobený stejným druhem atomů je roven 2 I n + 1, kde I je spinovéčíslo daného jádra a n je jejich počet. 3 J (2 ½ 3 + 1) = 4 ( kvartet q ) Interakce je vzájemná C 3 C 2 O C 3 3 J (2 ½ 2 + 1) = 3 ( triplet t ) Velikost je stejná 3 J = 3 J Multiplicita se může lišit. Pro I = ½ je multiplicita = n + 1 neboli n = multiplicita 1. Ve spektrech lze dobře pozorovat interakce jader se spinem ½ ( 1, 13 C, 15 N, 19 F, 31 P, ). Interakce jader s vyššími spinovými čísly jsou občas pozorovány jako částečné rozšíření signálu, často pozorované jsou však interakce s deuteriem ( 2 má I = 1).

Multiplicita signálu Počet linií pro I = ½ AX AX 2 AX 3 0 1 Singlet (s) 1 1 1 Dublet (d) 2 n x I x + 1 2 3 1 2 1 1 3 3 1 Triplet (t) Kvartet (q) pro I x = ½ 4 5 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 Kvintet (kv) Sextet (sex) n x + 1 6 7 1 6 15 20 15 6 1 1 7 21 35 35 21 7 1 Septet (sep) Oktet (oct) 8 1 8 28 56 70 56 28 8 1 Nonet (non)

MULTIPLICITA (počet linií) pro I x = 1 2, 14 N,... 13 CDCl 3 2 n x I x + 1 pro I x = 1 2 n x + 1 m = -1 B 0 m = 0 m = +1

MULTIPLICITA (počet linií) pro I x = 1 2, 14 N,... 12 CD 2 COCD 3 13 CD 3 COCD 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 2 1 1 2 3 2 1 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1 2 n x I x + 1 0 1 Singlet (s) pro I x = 1 2 n x + 1 1 2 3 1 1 1 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1 Triplet (t) Kvintet (kv) Septet (sep)

Multiplicita signálu Počet linií Interaguje-li jeden druh atomů s více než jedním druhem atomů, pak výsledný počet linií je roven násobku počtu linií způsobených každým druhem atomů zvlášť, tj. (2 I a n a + 1) (2 I b n b + 1). Jinými slovy každá linie způsobená interakcí s jedním druhem atomů je rozštěpena na počet linií odpovídající počtu atomů druhého druhu. q d C 3 C 2 CBr 2 t t Počet linií může být však snížen v důsledku jejich překryvu. Ať už v důsledku náhodné shody velikosti interakčních konstant nebo důsledkem nedostatečného rozlišení. Multiplicita signálu spolu s velikostí interakční konstanty odráží množství a kvalitu jader vázaných v nejbližším okolí (jedna až tři vazby, často i více). Velikost interakční konstanty je značně závislá i na geometrii interagujících jader.

Počet signálů / integrální poměr signálů / multiplicita O 3 C O C 3 3 C C3 3 C O 2 3 : 2 t q 4 3 : 2 : 2 : 3 t q-t t s 5 3 : 2 : 2 : 2 : 1 t q-t t-t t-d t C 3 C 3 O C3 C 3 C 3 O C 3 3 C O 3 C 3 6 : 1 : 3 d hep s 4 6 : 1 : 2 : 1 d t-hep d-d t 2 9 : 1 s s

Multiplicita signálu Interakční konstanta n J AB [ z ] odnota může být kladná i záporná ( běžné měření absolutní hodnota ) n... počet vazeb mezi interagujícími jádry A, B... interagující jádra (homonukleární, heteronukleární) Velikost interakční konstanty závisí zejména na: * druhu interagujících jader * počtu vazeb mezi nimi * jádrech, která je oddělují * prostorovém uspořádání.

Multiplicita signálu Interakční konstanta 2 J Geminální interakce 2 J závislost na vazebném úhlu - X Y 109 J = -12 - - 2 C 120 J = +3 až -3 -

Multiplicita signálu Interakční konstanta 3 J Interakční konstanty 3 J v závislosti na dihedrálním úhlu φ mají velikost 0-18 z Karplusova rovnice 17 15 13 11 9 7 5 3 3 J φ 1-1 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Konformační analýzy

Multiplicita signálu Interakční konstanta 3 J 3 J φ C.A.G. aasnoot, F.A.A.M. DeLeeuw and C. Altona Tetrahedron 36 (1980) 2783-2792. online applet: http://www.stenutz.eu/conf/haasnoot.php K.G.R. Pachler J. Chem. Soc., Perkin Trans (1972) 1936-1940. online applet: http://www.stenutz.eu/conf/pachler.php

1 NMR ddd ddddq Me d dddd ddd dddd s br s (d?) 1. Počet signálů? 2. Multiplicita signálů? O ddd (d?) dddd d Me dqq Me dddd d dddd Uvažujte pouze 3 J interakce.

Tvar signálu O, N, S,... Obvykle: * Široké signály * Posun silně závislý na koncentraci a teplotě * Vyměnitelné s D 2 O

Tvar signálu O, N, S,...

Tvar signálu střechový efekt ( roof effect )

Vliv pracovní frekvence na vzhled spektra viz applet na http://rkt.chem.ox.ac.uk/teaching.html

Tvar signálu velmi malé interakce

eteronukleární interakce I = ½ 19 F, 31 P, 13 C, 15 N,... (2 I n + 1)

Spektrum 1 NMR d C 3 O 3 OC 3 O 13 C 1 3 q Pozorujeme štěpení s 13 C?

Jaderný spin I 12 6C 0 13 6C ½ 1 1 ½ 2 1 1 Výskyt [%] 98,9 1,1 ~ 100 ~ 0 NMR NE ANO ANO ANO 1-1 1-12 C 1-13 C 13 C- 13 C % 100 99 1 0,01

1-1 1-12 C 1-13 C 13 C- 13 C % 100 99 1 0,01 C 3 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 C 3 3 C 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 3 C 3 C 3 C C 3 C 3 C 3 3 C 3 C 3 C

Spektrum 1 NMR 0,479 ppm * B 0 = 143,7 z d C 3 O 3 OC 3 O 13 C 1 3 q Pozorujeme!!!

13 C NMR... 1-13 C versus 1-12 C... izotopový efekt 1 J = 126 z 1-13 C 12 C 3 integrální vlna 13 C dekapling zvýšená intenzita spektra 13 C satelity 13 C 3 spektrum integrální intenzita izotopový efekt Chemický posun vodíků na 13 C a 12 C je stejný. chemický posun

Spektrum 1 NMR - Satelitní signály versus rotační signály

13 C NMR... Desymetrizace molekuly A B A 3 C C 3 B A = B = C = D C 3A = C 3 B C D ttq A B A = C = B = D C 3A = C 3 B A 3 C 13 C C 3 B A a C ( B a D ) chemicky ekvivalentní magneticky neekvivalentní C D spektra vyšších řádů dddq A 3 C A 13 C B C 3 B A = C = B = D C 3A = C 3 B C D

1 J C = 120 320 z C(sp 3 ) C(sp 2 ) C(sp) 120-150 z 150-220 z 250-320 z hybridizace sp 250 269 N hybridizace sp 2 160 O 200 N 180 N N 205 hybridizace sp 3 vliv velikosti cyklu 125 O 145 O 161 134 129 125 176 O 150 O 145 O 140 N 140 O O 170

13 C NMR Me O Me Me

13 C NMR... Počet signálů O C 3 3 C C 3 Kolik signálů bude mít látka v 13 C NMR spektru? Deset. Stejné principy jako u 1 NMR. Methyly i-pr skupiny jsou diastereotopní. Budou všechny signály od jedné látky? Ne. Přirozený výskyt 13 C je 1,07 % C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 O O O O O 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 Izotopomery C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 O O O O O 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3 3 C C 3

13 C NMR... Integrální intenzita signálů Stejná jako v 1 NMR spektru, tj. odpovídá počtu ekvivalentních jader. Ale značně závislá na způsobu měření neboť 13 C jádra mají velmi rozdílné relaxační časy... Obvykle tedy v 13 C neintegrujeme... Ale! Mají-li uhlíky blízké relaxační časy, pak je lze integrovat: např. fenyl skupina, směsi rotačních či konfiguračních izomerů, atp. Počet vodíků, respektive množství spin-spin interakcí zrychluje relaxaci 13 C.

13 C NMR... Multiplicita 13 C signálů Jaké nepřímé spin-spinové interakce lze očekávat? Pouze s jádry mající významné přirozené zastoupení izotopů mající jaderný magnetický spin I = ½. Pozor na izotopově obohacené látky. Způsobí multiplicitu signálů 13 C jader? ANO NE ( DEUTEROVANÁ ROZPOUŠTĚDLA ANO ) NE ( NEPATRNÝ VÝSKYT ) NE ( NULOVÝ JADERNÝ MAGNETICKÝ SPIN ) NE ( NÍZKÝ VÝSKYT ) NE ( KVADRUPÓLOVÝ MOMENT ) NE ( NÍZKÝ VÝSKYT ) NE ( NULOVÝ JADERNÝ MAGNETICKÝ SPIN ) ANO ANO

1 J C >>> 3 J C > 2 J C ~ 4 J C 110-150 - 350 z 0-8 - 20 z 0-2 - 60 z < 3 z multiplicita jemná struktura multipletu C 3 kvartet C 2 triplet (dublet dubletů) C dublet C singlet

13 C NMR... Spektrum CDCl 3 C 3 O 3 C C 3

13 C NMR... Šumový (širokopásmový) dekapling Standardně se 13 C NMR spektra měří s dekaplingem 1 ( 19 F, 15 N,... ) C 3 Spektrum prvního řádu O 13 C NMR 3 C C 3 nedekaplované Nárůst intensity signálů oproti Spektrum nultého řádu CDCl 3 13 C{ 1 } NMR 1 dekaplované

13 C NMR... Multiplicita signálů C 3 O 3 C C 3

13 C NMR... Dekapling 1

13 C NMR dekapling OFF or ON, and APT C 3 O 3 C C 3 C and C 2 C and C 3

13 C NMR... Princip FT NMT, relaxace, relaxačníčasy C 3 O 3 C C 3 APT

eteronuclear 13 C- 1 J-resolved 2D NMR APT C 3 O 3 C C 3 ~ 140 z ~ 124 z

eteronuclear 13 C- 1 J-resolved 2D NMR

13 C NMR... J-resolved, APT, 13 C, 13 C{ 1 } NMR spektra APT C 3 O 3 C C 3

13 C NMR... Nevýhody nedekaplovaných spekter Nízká citlivost C 3 Často jen obtížně interpretovatelné informace ( složité multiplety, desymetrizace molekuly, spektra vyšších řádů ) O 3 C C 3 124,3 z 124,4 z

13 C NMR... Chemické posuny C 3 O 3 C C 3

13 C NMR... Predikce chemických posunů experimentální spektrum predikované spektrum