Základní parametry 1 NMR spekter NMR a chiralita, posunová činidla Symetrie v NMR spektrech: homotopické, enantiotopické, diastereotopické protony (skupiny)* 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
Základní parametry 1 NMR spekter Počet signálů ve spektru (zjištění počtu skupin chemicky ekvivalentních jader) Integrální intenzita (intenzita pásů závisí na počtu jader) Chemický posun (polohy pásů závisí na chemickém okolí) Multiplicita (jádra cítí spinový stav okolních NMR aktivních jader jsou štěpeny na multiplety)
Počet signálů ve spektru (počet skupin chemicky ekvivalentních jader) Jádra jsou chemicky ekvivalentní, jestliže je lze zaměnit operací symetrie, t.zn. mají stejné chemické okolí (stejný chemický posun).
Chemický posun a stínění O-C 2 -C 3 6 5 4 3 2 1 0 ppm, frekvence stínění elektrony d vysoké d odstínění (deshielding) nízké pole (downfield) nízké d stínění (shielding) vysoké pole (upfield)
Chemický posun 1 spekter Kyseliny Aldehydy 15 Alkoholy, a protony Aromatika ketonů Amidy Olefiny Alifatika 10 7 5 2 0 TMS ppm Polohy pásů závisí na chemickém okolí: Anisotropní efekt Indukční efekt Mezomerní efekt
Chemický posun 1 spekter Příklady extrémních chemických posunů: O O O Ph O O Ph N N N N Ph -2.04 ppm MgBr 15.4 ppm O O O 16 ppm O O O O O Ph -2.80 ppm O O O 19 ppm
Anisotropni efekty + + _ + C - - C + 5-7 ppm 7-8 ppm + - C C + - 2-3 ppm 9-10 ppm + C - - O + + vyšší d (odstínění) nižší d (stínění)
Indukční efekt týká posunu elektronů na s vazbách I + je způsoben elektrondonorními substituenty. d + d - d - 7.05 ppm I - je způsoben elektronakceptorními substituenty. d - d + d + 7.49 ppm
Mezomerní efekt týká posunu elektronů na konjugovaných p vazbách nebo interakcí nevazebných elektronových párů s násobnou vazbou + - 3 C O C C 3 C O C C 3.75 ppm, 4.05 ppm M + způsobují substituenty poskytující nevazebné elektrony. 3 C O C C C 3 C - O C C C + M - způsobují substituenty přitahující elektrony. 6.11 ppm, 6.52 ppm
Interpretace 1 spekter 3.5 3.0 2.5 2.0
Nepřímá spin spinová interakce v 1 spektrech (J interakce, scalar coupling) zprostředkováno vazebnými elektrony štěpení mezi jádry oddělenými většinou 2 nebo 3 vazbami (geminální, vicinální interakce) jádra cítí spinový stav okolních jader počet složek multipletu pro I = 1/2: n+1, n je počet interagujících jader v sousedním multipletu dublety dublet triplet 8 7.5 7 6.5 6 5 4 singlety triplet kvartet 4 3 2 1
Interpretace 1 spekter multiplicita vzdálenost složek multipletu v z - interakční konstanta J střed multipletu - hodnota chemického posunu d 3 J = 6.8 z triplet 3 J = 6.8 z 1.30 1.0 kvartet 4.10 4.00 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0
Nepřímá spin spinová interakce (J interakce, scalar coupling) velikost závisí většinou na počtu vazeb mezi interagujícími jádry 1 J = 160 z 2 J = 0-2 z J (,) [z] J (C,) [z] 1 J 125-250 geminální 2 J 0-30 -10 až 20 3 J 0-18 1-10 3+n J 0-3 <1 3 J = 7-8 z 3 J = 6-14 z 3 J = 14-20 z 3 J = 7-8 z 4 J = 1.5 z vicinální (Karplusova rovnice) dalekého dosahu (long range)
Interakční konstanty dalekého dosahu (long-range interakce) rigidní systémy s fixovanou w konfigurací: 4 J = 1.1 z 4 J = 3-4 z 4 J = 1.5 z 5 J = 0.8 z allylové a alkynové deriváty 4 J = -0.5 až -3 z 4 J = -3 z
Karplusova rovnice vicinální interakční konstanta 3 J(,) (0-16 z) je ovlivněna: dihedrálním úhlem f, elektronegativitou substituentů, vzdáleností mezi C atomy, -C-C vazebným úhlem je nejcitlivější k strukturním změnám Karplusova rovnice: závislost 3 J(,) na dihedrálním úhlu f: 3 J(,) = A + B cos f + C cos 2 f A, B, C... empirické konstanty praxe 3 J 180 > 3 J 0 f teorie
Karplusova rovnice určení konfigurace na dvojné vazbě 17.6 z 10.9 z 17.6 z 1.3 z 10.9 z 1.3 z X cis M A N trans 3 J(cis): 6-14 z (obv. 10) 3 J(trans): 14-20 z (obv. 16) 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5
Interpretace 1 spekter 2 3 J = 8.5 z 3 J = 8.5 z 3 7.90 7.80 7.70 7.60 7.50 7.40 7.30 7.20 7.10 7.00 6.90 6.80 6.70 6.60 6.50
Chemická výměna - vyměnitelné protony Protony v O, N, S mají proměnlivé chemické posuny. způsobeno jejich kyselým charakterem rychlá často se účastní můstků a chemické výměny v závislosti na rychlosti chemické výměny se vyskytují jako multiplety nebo široké singlety jejich chemické posuny závisí na koncentraci, teplotě, rozpouštědle atd. spektra jsou reprodukovatelné pouze za přesně definovaných podmínek identifikace vyměnitelných protonů: výměna za deuterium (D 2 O, CD 3 COOD) nebo v experimentu 1-13 C MQC (SQC) pomalá O alkoholy 1-5 ppm fenoly 4-10 ppm kyseliny 9-13 ppm enoly 10 17 ppm N aminy 1-5 ppm amidy 5 6.5 ppm amidy v peptidech 7-10 ppm S alifatické thioly 1 2.5 ppm aromatické thioly 3-4 ppm
Řád spektra, střechový efekt vliv magnetického pole AX Dn >> J 600 Mz AB spektra 1. řádu: Dn > 6J AX systém 400 Mz spektra 2. řádu: Dn J AB systém 300 Mz A 2 Dn = 0 střechový efekt: signály nejsou stejně intenzivní, intenzita vnitřních pásů vzrůstá, pásy se přibližují až splynou, zatímco vnější pásy vymizí A 2
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
ortho - substituovaný aromatický systém C 3 O 8.3 z 1.3 z 8.3 z 8.3 z 1.7 z 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5
Příklady k procvičování interpretace 1 a 13 C NMR spekter
Příklady k procvičování interpretace 1 a 13 C NMR spekter d sept
Symetrie v NMR spektrech homotopické, enantiotopické, diastereotopické protony (skupiny)* Jsou protony v C 2 skupině ekvivalentní??? 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. *Tato terminologie, určující prostorový vztah skupin v organických molekulách, byla navržena již v roce 1967 K. Mislowem a M. Rabanem.
omotopické protony deuteriová substituce C 2 osa symetrie chemicky ekvivalentní 1 signál ve spektru
Enantiotopické protony deuteriová substituce není osa symetrie rovina 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: deuteriová substituce není osa symetrie není rovina symetrie nejsou chemicky ekvivalentní rozlišitelné ve spektru diastereomery
Příklad neekvivalentních C 2 protonů 1A * 2 1B 6.3 z 11.4 z 2.0 z 11.4 z 7.8 z 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
O Příklad neekvivalentních C 2 protonů S O N 2 S 4 3 2 * O 1 N 2 O cystein 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 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
Příklad neekvivalentních C 2 protonů 1 O C 3 O * 2 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
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
Stanovení optické čistoty - chirální LSR 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 * optická čistota??? 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 (??) R nebo S? (R) * (R) * * * (R, S) (S) * (R) * * * (S, S) v NMR nerozlišitelné v NMR rozlišitelné!!! Mosherovo činidlo - chirální 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 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 (??) (R) nebo (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 (Dd 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) 5 6 4 6 5 3 2 magneticky ekvivalentní 3 J(4, 5) = 3 J(6, 5) Mezi magneticky ekvivalentními jádry se neprojevuje J vazba. 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.
Magnetická neekvivalence 7.60 7.50 7.40 7.30 7.20 7.10 7.00 6.90