Měření a interpretace NMR spekter

Měření a interpretace NMR spekter Bohumil Dolenský E-mail : Telefon : Místnost : www : dolenskb@vscht.cz (+420) 220 44 4110 budova A, místnost 28 http://www.vscht.cz/anl/dolensky/technmr/index.html Struktura látky C 6 11 Cl 2 a její NMR charakteristiky verze 24. 9. 2013

Stupeň nenasycenosti ekvivalent dvojných vazeb Je-li sumární (nikoli empirický) vzorec správný a odpovídá-li pouze jedné látce, pak každý z atomů musí být nutně vázán alespoň k jednomu jinému atomu. Prvky lze rozdělit na jednovazné (např.:, F, Cl, Br, I,...) a vícevazné (např.: C,,...). Zajímavým údajem je celkový počet valencí u každé z této skupiny prvků sumárního vzorce. U jednovazných je celkový počet valencí roven jejich počtu (C 6 11 Cl 2 = 12). U vícevazných je potřeba počet jednotlivých atomů vynásobit jejich valencí (C 6 11 Cl 2 = 6*4 + 2*2 = 28). Pozor na atomy, které mohou mít různou valenci (např.: N, P, S,...); v takovém případě je nutno vždy zvažovat více možností výpočtu. Pokud má sumární vzorec n vícevazných atomů (C 6 11 Cl 2 = 8), pak mezi sebou musí mít alespoň n 1 jednoduchých vazeb. Těchto n 1 vazeb vyžaduje dvojnásobek valencí, tj. 2*(8-1) = 14. dečteme-li od počtu volných valencí vícevazných prvků počet valencí potřebných pro jejich spojení a dále odečteme počet jednovazných atomů, dostaneme celkový počet volných valencí, tj. 28 14 12 = 2. Jelikož na vytvoření vazby jsou potřeba dvě valence, pak vydělením počtu volných valencí dvěmi dostaneme číslo (2/2 = 1), které se nazývá stupeň nenasycenosti či ekvivalent dvojných vazeb (double bond equivalent, DBE). Toto číslo je součtem počtu cyklů, dvojných vazeb a dvojnásobku trojných vazeb v molekule. Pokud je stupeň nenasycenosti 0, pak látka neobsahuje žádné násobné vazby ani cykly. Pokud je stupeň nenasycenosti 1, pak látka obsahuje buď jednu dvojnou vazbu nebo jeden cyklus. Pokud je stupeň nenasycenosti 2, pak látka obsahuje buď jednu trojnou vazbu nebo dvě dvojné vazby nebo dva cykly nebo jednu dvojnou vazbu a jeden cyklus. Pokud je... atd. Pokud vyjde stupeň nenasycenosti jako necelé nebo záporné číslo, pak je sumární vzorec nesprávně. Stupeň nenasycenosti C 6 11 Cl 2 je roven jedné, což znamená, že látka obsahuje buď jednu dvojnou vazbu a nebo jeden cyklus.

1 NMR C 6 11 Cl 2 1. Žádné aromatiké (6.0-8.5 ppm) 2. Žádné olefinické protony (4.5-6.5 ppm), 3. Žádné aldehydy (9.0-11.0 ppm) 4. Pravděpodobně též žádné (obvykle široké signály) 5. Přítomny nečistoty 6. Sedm signálů pro 11 vodíků. 7. Signály 6 a 7 v methylové oblasti mají tedy intenzitu 6 a nikoli 8 (patrně důsledek nečistot) 8. Signály 1 až 5 patrně v blízkosti heteroatomů (> 2.5 ppm) 2 1 3 4 5 6 7 nečistota (?) nečistota (aceton?) CCl 3 (obvyklá nečistota CDCl 3 )

1 NMR a) Šířka signálu 1 odpovídá součtu nepřiřazených interakčních konstant ostatních signálů 5.1 + 7.6 + 4.9 + 6.2 = 23.8 z; b) U simulovaného spektra je dobrá shoda tvaru signálu 1 a též střechových efektů na ostatních signálech. výpočtem simulované spektrum 2, 4.03 ppm 1, dd, 8.7, 6.2 z 6.2 8.7 5.1 7.6 3, 3.79 ppm 1, dd, 8.7, 5.1 z 5, 3.38 ppm 1, dd, 10.9, 7.6 z 1, 4.22 ppm 1, m, ΣJ = 23.7 z 4.9 10.9 4, 3.50 ppm 1, dd, 10.9, 4.9 z

NMR... Experimentální versus simulované spektrum simulované spektrum Střechové efekty střechy experimentální spektrum

Predikce versus Výpočet versus Simulace NMR spekter Predikce NMR spektra chemických posunů a interakčních konstant Výpočet NMR spektra chemických posunů a interakčních konstant obvykle 2D struktura molekuly Databáze substruktur a jejich příspěvků (inkrementů) 3D struktura molekuly optimalizována kvantově chemickými výpočty Kvantově chemický výpočet chemických posunů a interakčních konstant Chemické posuny Interakční konstanty Simulace NMR spektra

1 NMR 6, 1.36 ppm, 3, s 7, 1.28 ppm, 3, s nebo 1.32 ppm, 6, d, 23.9 z 13 C satelity 1 J C = 127 z Druhá možnost by vyžadovala přítomnost dalšího signálu s takto neobvykle velkou interakční konstantou. Takový signál ale ve spektru již není. Další možností je přítomnost jiného jádra, jako například jednoho jádra 31 P nebo 19 F, které by dubletové štěpení způsobilo (oba mají spin ½ a 100% výskyt). V takovém případě bychom však pozorovali zvýšenou multiplicitu signálů též v 13 C NMR. Sumární vzorec však tuto možnost vylučuje předem. Skutečnost, že signály jsou dva je dále potvrzena tím, že jak v MBC tak v SQC korelují linie s různými uhlíky. V neposlední řadě mají i různé odezvy v NE experimentech. 127 z 13 C satelity... Pro látky s přirozeným zastoupením izotopů platí, že ca. 98,9 % molekul má atom 1 vázaný na uhlík 12 C, který má nulový magnetický spin a jeho přítomnost se v NMR spektru nijak neprojeví. Avšak 1,1 % molekul má atom 1 vázán na atom 13 C, který má magnetický spin ½ a projeví se tedy zvýšením multiplicity signálu 1 na dublet. Velikost interakční konstanty 1 J C závisí na hybridizaci uhlíku a na připojených atomech, a je tedy velmi dobrou indicií strukturní analýzy. odnota 127 z a chemický posun signálů napovídá na dvě neekvivalentní uskupení C 3 -C.

Seznam signálů a indicie 1 NMR spektra 1, 4.22 ppm, 1, m, ΣJ = 23.7 z 2, 4.03 ppm, 1, dd, 8.7, 6.2 z 3, 3.79 ppm, 1, dd, 8.7, 5.1 z 4, 3.50 ppm, 1, dd, 10.9, 4.9 z 5, 3.38 ppm, 1, dd, 10.9, 7.6 z 6, 1.36 ppm, 3, s, 13 C satelit 127 z 7, 1.28 ppm, 3, s, 13 C satelit 127 z Stupeň nenasycenosti je roven jedné. Signály v oblasti typické pro olefinické protony (4.5 6.5 ppm) chybí buď tedy na fragment C=C není vázán žádný proton nebo je z nějaké příčiny mimo svou typickou oblast nebo tento fragment ve struktuře není. Vzhledem k přítomnosti kyslíkových atomů nelze rovněž vyloučit přítomnost C= skupiny. Nepřítomnost signálu v oblasti 8.5 11 ppm téměř vylučuje aldehyd, a nepřítomnost rozšířeného signálu v oblasti nad 10 ppm hovoří v neprospěch karboxylové kyseliny (může být však velmi široký). Naproti tomu přítomnost ketonu či esteru nic nevylučuje. Poslední možností k vysvětlení stupně nenasycenosti je přítomnost cyklu. Nepřítomnost rozšířených signálů napovídá o nepřítomnosti, ale nevylučuje jí. Chemické posuny signálů 1 až 5 v oblasti nad 3.5 ppm ukazují na blízkost elektron-akceptorní skupiny. Sumární vzorec tuto možnost potvrzuje (, Cl). V tabulkách lze vyhledat, že protony na uhlíku připojeného na chlor mají typicky chemický posun v rozmezí 3,3 4,6 ppm. Pokud je uhlík připojen na kyslík pak je rozmezí 3,5 5,3 ppm. Velikost interakční konstanty 1-1 přes tři vazby závisí především na okolních substituentech, na délce vazeb, na úhlech a na dihedrálním úhlu, a pohybuje se v rozmezí 0 až 18 z. Pro fragment s volnou rotací má obvykle hodnotu v rozmezí 6,0 8,0 z. dchylky od tohoto rozmezí obvykle napovídají bráněné rotaci například u cyklických struktur. Interakce nad 8 z jsou obvyklé při interakci olefinických protonů přes tři vazby (J cis = 5-14 z, J trans = 12-18 z, vždy J cis < J trans ), nebo pro interakce alifatických protonů přes dvě vazby, tj. pro neekvivalentní protony vázané na stejný uhlík diastereotopní protony. Týká se to zejména protonů 4 a 5, ale možná též 2 a 3. Šířka signálu 1 odpovídá součtu nepřiřazených interakčních konstant u signálů 2 až 5. Multiplicita 1 tedy není patrně způsobena interakcí s jinými jádry (jako například 19 F či 31 P). Přítomnost takových jader by se navíc musela projevit i v ostatních spektrech (zejména 13 C).

Seznam signálů a indicie 1 NMR spektra Chemický posun signálů 6 a 7 spolu s interakcí 1 J C ukazuje jednoznačně na fragment C 3 -C (0,6-2,0 ppm, 1 J C ~125 z). Jelikož jsou oba signály singlety, nejsou na uhlíku, na který jsou vázány, přítomny žádné vodíky. Uhlík na který jsou methyly vázány může být stejný nebo různý. Předpokládejme, že jsou-li C 3 skupiny (protony 6 a 7) neekvivalentní (různý chemický posun), pak jsou vázány na různé uhlíky. V takovém případě by na zbývajících pět protonů 1 až 5 zbývaly (dle sumárního vzorce) pouze dva uhlíky. Jediným možným řešením by byl fragment C 3 C 2, v kterém jsou všechny protony neekvivalentní (pro pět vodíků pozorujeme pět signálů). Neekvivalence protonů skupiny C 2 je běžná (diastereotopní protony) avšak neekvivalence protonů methylové skupiny by byla velmi překvapivá. Mohla by nastat v případě, že by byla rotace methylu velmi pomalá, což u běžných látek při laboratorní teplotě lze téměř vyloučit. Připojení methylů na dva různé uhlíky je tedy nepravděpodobné. Naproti tomu, uvažujeme-li, že obě C 3 skupiny jsou vázány na stejný uhlík, a jsou v důsledku struktury neekvivalentní (chirální centrum poblíž, pozice na dvojné vazbě či na cyklu), pak pro pět různých protonů zbývají pouze tři uhlíky, což lze realizovat jednou C skupinou a dvěmi C 2 skupinami, přičemž obě C 2 mají chemicky neekvivalentní protony molekula pravděpodobně obsahuje chirální centrum a protony C 2 skupin jsou tedy diastereotopní. 1, 4.22 ppm, 1, m, ΣJ = 23.7 z 2, 4.03 ppm, 1, dd, 8.7, 6.2 z 3, 3.79 ppm, 1, dd, 8.7, 5.1 z 4, 3.50 ppm, 1, dd, 10.9, 4.9 z 5, 3.38 ppm, 1, dd, 10.9, 7.6 z 6, 1.36 ppm, 3, s, 13 C satelit 127 z 7, 1.28 ppm, 3, s, 13 C satelit 127 z Lze tedy předpokládat, že ve struktuře molekuly jsou následující strukturní fragmenty: C 3 -C-C 3, C 2, C 2, C,,, Cl Z toho je zřejmé, že v molekule není uskupení C= (molekula není aceton ani neobsahuje aldehydický proton v 1 NMR). Z interakčních konstant a neekvivalence protonů lze odvodit, že jedna C 2 skupina obsahuje protony 2 a 3, zatímco druhá skupina obsahuje protony 4 a 5. Skupina C obsahuje proton 1. Toto bude déle potvrzeno pomocí 1-13 C gsqc či gmqc 2D NMR

1 NMR různé zpracování naměřených dat Standardní zpracování důraz na citlivost (poměr signál-šum) SI = 16k, LB = 0,2 z širší širší širší Zpracování s důrazem na zvýšení rozlišení na úkor citlivosti SI = 16k, LP = 32k, ZF = 64k, LB = -1.1 z, GB = 0.5 z

1 NMR 2 3 4 5 1 6 7

1-1 J-resolved 2D NMR 0.6 2 8.7 6.2 3 8.7 5.1 1-1 J-resolved 2D NMR spektrum potvrzuje počet signálů a jejich multiplicitu. Navíc ukazuje na malou interakci (0,6 z) mezi signály 2 a 4. Patrně se jedná o interakci přes 4 vazby. 10.9 4.9 4 0.6 5 10.9 7.6 6 1 NMR 4 J 67 = 0,7 z 7 Zpracováním NMR dat některou z window funkcí jako Lorentz-Gauss transformací nebo Sin-Bell funkcí, lze odhalit malé interakční konstanty. Vždy je však potřeba být velmi opatrný při jejich interpretaci neboť vznik artefaktů není neběžný. 1-1 J-resolved 2D NMR spektrum ukazuje, že signály 6 a 7 jsou kvartety s interakční konstantou 0,8 z. Kvartet 1:3:3:1 je důsledkem přítomnosti tří ekvivalentních jader se spinem ½, v našem případě protony sousední skupiny C 3. Velikost konstanty odpovídá interakci přes 4 nebo více vazeb. Aby neměly signály methylů vyšší multiplicitu, nesmí být žádný proton vzdálen přes méně než 4 vazby od protonů methylů. Jediným takovým strukturním fragmentem může být v našem případě pouze C 3 -C-C 3. 6 7 0.8 z

Upřesněný seznam signálů 1 NMR spektra Přiřazení interakčních konstant 1, 4.22 ppm, 1, m, ΣJ = 23.7 z 2, 4.03 ppm, 1, ddd, 8.7, 6.2, 0.6 z 3 J 3, 3.79 ppm, 1, dd, 8.7, 5.1 z 2 J 3 J 4, 3.50 ppm, 1, ddd, 10.9, 4.9, 0.6 z 3 J 4 J 5, 3.38 ppm, 1, dd, 10.9, 7.6 z 2 J 3 J 6, 1.36 ppm, 3, q, 0.7 z, 13 C satelit 127 z 4 J 7, 1.28 ppm, 3, q, 0.7 z, 13 C satelit 127 z

1-1 CSY 2D NMR Na diagonále 1-1 CSY 2D NMR spektra lze rozpoznat běžné 1 NMR protonové spektrum. Krospíky mimo diagonálu pak ukazují na spis-spinovou interakci protonů daných signálů, tedy na interakci, která se v běžném spektru projevuje multiplicitou. Intenzita krospíků souvisí velikosti interakční konstanty. s Z podstaty plyne, že 1-1 CSY 2D NMR spektrum musí být symetrické, a proto je matematická symetrizacečasto používána ke zlepšení kvality spektra. Tato operace však může vést ke vzniku artefaktů v podobě nových krospíků (často velmi pohledných). Je proto velmi žádoucí vždy zkontrolovat spektrum po symetrizaci se spektrem před ní.

1-1 CSY 2D NMR

1-1 CSY 2D NMR 5 1 2 3 4 5 2 8,7 z 3 4 6,2 z 5,1 z 3 0,6 z 1 dddd 2 4,9 z 7,6 z 1 4 10,9 z 5 pětispinový systém 1-1 CSY 2D NMR spektrum svými krospíku ukazuje pětispinový systém, kde proton/signál 1 interaguje s protony/signály 2, 3, 4 a 5. Krospík mezi 2 a 3 potvrzuje spin-spinovou interakci odhalenou již díky stejné interakční konstantě (8,7 z) v 1 NMR spektru. Krospík mezi 4 a 5 potvrzuje spin-spinovou interakci odhalenou již díky stejné interakční konstantě (10,9 z) v 1 NMR spektru. Není pozorován krospík mezi 2 a 4, který lze očekávat na základě 1-1 J-resolved 2D NMR a 1 NMR spekter. Vzhledem k její velikosti (0,6 z) je krospík velmi malé intenzity a může být tedy překryt šumem.

Analýza složitějšího signálu 1 NMR spektra 2 4 6.2 4.9 1 5.1 7.6 3 7.6 z Na pořadí štěpení nezáleží výsledný multiplet bude vždy stejný 5 6.2 z 5.1 z 4.9 z

Analýza signálu ddd dublet dubletů dubletů Na pořadí štěpení nezáleží výsledný multiplet bude vždy stejný

1-1 CSY 2D NMR 6 7 6 7 SYMETRIZACE 7 6 7 6 Symetrizací nedobře změřeného či nevhodně zpracovaného 2D spektra, obsahujícího v důsledku toho tzv. hřbety (ridges), mohou vzniknout artefakty. Pečlivěji provedené experimenty však očekávané krospíky methylových skupin potvrzují. 6 7 6 7 7 6 7 6 Lépe naměřené gcsy spektrum stejného vzorku (bez symetrizace) DQF-CSY spektrum stejného vzorku (bez symetrizace)

13 C { 1 } NMR Šumový (nespecifický) dekapling určitých jader (zde 1 ) ruší jejich spin-spinové interakce s ostatními jádry (zde 13 C). Interakce nedekaplovaných jader však zůstávají zachovány (zde 2 ). C1 C 6 11 Cl 2 Skutečnost, že je každý uhlík jiný znamená, že se jedná o nesymetrickou molekulu. Použité rozpouštědlo CDCl 3 Spin 2 je roven 1 Multiplicita 2 I n+1 = 3 Triplet 1:1:1 C2 C3 C1, 109.9 C2, 75.2 C3, 67.3 C4, 44.4 C5, 26.7 C6, 25.1 C4 C5 C6 nečistoty

13 C- 1 J-resolved 2D NMR C1, 109.9, s C2, 75.2, d C3, 67.3, t C4, 44.4, t C5, 26.7, q C6, 25.1, q 200 100 0 100 deuterochloroform 13 C 2 Cl 3 200 13 C- 1 J-resolved 2D NMR spektrum spojuje výhody uhlíkového 1 dekaplovaného a nedekaplovaného spektra. V jedné ose jsou chemické posuny uhlíkových atomů, zatímco v druhé je jejich multiplicita s protony. Jak je na signálu CDCl 3 patrné, multiplicita s jinými jádry je zachována v ose chemických posunů

13 C NMR ( 1 dec. off, APT, 1 dec. n) d t t q q s 13 C NMR bez dekaplingu 1 13 C NMR C 13 C APT NMR (attached proton test) C a C 3 negativní C a C 2 pozitivní C 2 C 2 13 C APT NMR C C 3 C 3 13 C NMR s dekaplingem 1 13 C { 1 } NMR C1 C2 C3 C4 C5 C6

13 C NMR ( 1 dec. ff) C2 75.2 ppm, d, 153 z, C C3 67.3 ppm, t, 148 z, C 2 C4 44.4 ppm, tt, 151, 5 z, C 2 CDCl 3 C5, 26.7 ppm, qq, 127,3 z, C 3 1 J C = 127 z C6, 25.1 ppm, qq, 127,3 z, C 3 C 3 C 3 J C = 3 z C 3

13 C NMR... 1-13 C versus 1-12 C... izotopový efekt 1 J C = 126,8 z 1 J C = 126,5 z δ ( 13 C 3 ) ~ δ ( 12 C 3 )! 13 C 3 13 C 3 12 C 3 12 C 3 13 C satelity 13 C satelity

13 C NMR C1, 109.9, s, C C2, 75.2 ppm, d, 153 z, C C3, 67.3 ppm, t, 148 z, C 2 C4, 44.4 ppm, tt, 151, 5 z, C 2 C5, 26.7 ppm, qq, 127, 3 z, C 3 C6, 25.1 ppm, qq, 127, 3 z, C 3 Nepřítomnost signálů v oblasti nad 150 ppm prakticky vylučuje přítomnost jakékoli obvyklé C= skupiny (ester, keton, aldehyd, močovina,...). Nepřítomnost dvou signálů v oblasti olefinických uhlíků (90-150 ppm) prakticky vylučuje jakoukoli C=C skupinu. Chemický posun signálu C1 je velmi vysoký a není na něj vázán žádný proton. Dle sumárního vzorce lze předpokládat, že na tento uhlík jsou buď vázány oba kyslíky nebo jeden kyslík a chlor. V tabulkách lze vyhledat, že typický chemický posun uhlíků skupin -C- je v oblasti 85-110 ppm. Chemický posun signálů C2 a C3 je také vysoký a spadá do oblasti typické například pro uhlíky vázané na kyslík (58-90 ppm). Velikost interakční konstanty 1 J C tomuto též vyhovuje (~145 z). Chemický posun signálu C4 je v oblasti typické například pro alkylchloridy (30-60 ppm). Velikost interakční konstanty 1 J C tomuto též vyhovuje (~ 150 z). Chemický posun signálů C5 a C6 je typický pro uhlíky methylových skupin alkanů (0-30 ppm). Velikost interakční konstanty 1 J C tomuto též vyhovuje (~125 z). Jediným pravděpodobným vysvětlením stupně nenasycenosti je tedy přítomnost cyklu.

1-13 C MQC, SQC, gsqc, gmqc 2D NMR Korelace chemických posunů 1 versus 13 C interagujících přes jednu vazbu. 1 J C = 110 320 z C(sp 3 ) 110-160 C(sp 2 ) 140-220 C(sp) 250-320 Při měření bez decouplingu 13 C zůstává zachována multiplicita s 1. 161 vliv velikosti cyklu 134 129 125 176 150 145 140 hybridizace sp N N 250 N hybridizace sp 2 269 140-160 200 180 172 hybridizace sp 3 125 145 140 N N F 205 225 200 170

NMR... Inverzní experimenty eteronukleárně korelovaná 2D NMR spektra SQC MQC eteronuclear Single Quantum Coherence eteronuclear Multiple Quantum Coherence 1-13 C MQC, 1-13 C gsqc, 1-15 N gsqc, one-bond correlations, 1 J X, spin-spin interakce přes 1 vazbu MBC eteronuclear Multiple Bond Coherence 1-13 C MBC, 1-13 C gmbc, 1-15 N gbmc, n J X, spin-spin interakce přes více než 1 vazbu

C4 1-13 C gsqc 2D NMR 2 3 1 4 4-C4-5 zbývá: C1,,, Cl 5 Krospíky v 1-13 C SQC či MQC 2D NMR spektrech ukazují na spin-spinovou interakci přes jednu vazbu, 1 J C. Nebo-li C- konektivitu. Uhlíky nemající žádné krospíky tedy nenesou žádné protony. Analogicky, proton nemající žádný krospík musí být tedy vázány na heteroatom. Krospíky skupin C a C 3 jsou negativní kdežto krospíky C 2 skupin jsou pozitivní, a to včetně těch, na kterých jsou chemicky neekvivalentní diastereotopní protony. 6 7 C3 2-C3-3 C6 C6-7 C2 C2-1 C5 C5-6

NMR... 1-13 C SQC 2D NMR spektra (gsqc, MQC,...) Při měření SQC či MQC ukazují krospíky interakci přes jednu vazbu. Je-li měřeno bez dekaplingu 13 C, pak je zřejmá podstata experimentu, při kterém detekujeme pouze ty 1, které jsou přímo vázány na 13 C. V běžném 1 spektru odpovídají tyto signály 13 C satelitům. Jejich vzdálenost pak odpovídá velikosti interakční konstanty 1 J C. bez dekaplingu 13 C s dekaplingem 13 C bvykle se však SQC měří s dekaplingem 13 C, čímž je multiplicita způsobená 13 C odstraněna a dublet přechází na singlet. Vzhledem k tomu, že chemický posun protonů 1-12 C je velmi podobný protonům 1-13 C dostáváme krospíky s přibližně stejnými chemickými posuny jako z běžného 1 spektra.

NMR... MBC Krospíky spektra vypovídají o spin-spinové interakci 1 atomů/signálů s atomy/signály 13 C přes více než jednu vazbu, a to jen takové, které mají velikost kolem 8 z. Krospíky tedy ukazují spin-spinovou interakci 1-13 C přes tři nebo dvě vazby. 3 J C 2 J C 4 J C její velikost (obvykle 2-16 z) závisí na dihedrálním úhlu, který atomy svírají. Pokud je rotace kolem vazeb znemožněna či významně znesnadněna, a dihedrální úhel je blízký 90, pak je tato interakce malá a obvykle není v MBC spektru pozorována nebo jen krospíkem malé intenzity. 3 J C = 4.26 cos Φ + 3.56 cos 2Φ její velikost (obvykle 0-61 z) závisí především na chemickém okolí. bvykle je dostatečně velká v případech, kdy na koncovém uhlíku je připojena elektron-akceptorní skupina (CN,, N, F, Br, Cl,...) či mají-li uhlíky hybridizaci sp 2. MBC krospíky těchto interakcí mají tedy velmi proměnlivou intenzitu, od nulové až po velkou. velikost interakce přes 4 či více vazeb je téměř vždy pod 3 z a tudíž krospík v MBC obvykle nepozorujeme a nebo jen o velmi malé intenzitě.

bvykle je experiment MBC nastaven tak, aby byly detekovány spin-spinové interakce 1-13 C o velikosti kolem 8 z. To znamená, že krospíky odpovídají spin-spinové interakci přes dvě nebo tři vazby. Znalost obvyklých 1-13 C interakčních konstant pro strukturní fragmenty je žádoucí. 1-13 C gmbc 2D NMR Velikost detekované interakční konstanty lze změnit. Čím je interakce odlišnější od nastavené, tím menší je velikost krospíku. C6 C5 1 2 3 4 5 6 7 C4 C3 C2 C1

1-13 C gmbc 2D NMR C6 C5 C4 C3 C2 6 7 Čtyři krospíky na stranách jsou artefakty, viz. porovnání MBC s SQC dále. Dva krospíky uprostřed potvrzují interakci přes tři vazby, tj. C5-C1-C6-7 a C6-C1-C5-6. Intenzita krospíků je malá neboť interakční konstanta je malá (z 13 C NMR, 3 J C = 3 z). Malá je v důsledku přítomnosti elektronakceptorních atomů vázaných na prostřední uhlík, tj. C1. Nepřítomnost krospíků methylových protonů (volná rotace) s uhlíky C2, C3 a C4 potvrzují, že na uhlík C1 není velmi pravděpodobně vázán žádný uhlíkový atom. Velmi důležitá informace. Značná intenzita krospíků protonů obou methylů s C1 jsou v důsledku velké interakce přes dvě vazby. Interakce 13 C- 1 přes dvě vazby bývají malé (nepozorujeme krospík v MBC spektru), je-li ovšem na koncovém uhlíku -C-C vázán elektronegativní prvek, pak je interakce naopak velká a tudíž pozorujeme krospík v MBC. C1 a b b X c (6) 3 C5 C1 C6(7) 3 c b b X a a) 3 J C malá X je elektronegativní b) 3 J C není X není uhlík c) 2 J C velká X je elektronegativní

1-13 C SQC versus MBC 2D NMR Při měření SQC či MQC ukazují krospíky interakci přes jednu vazbu. Je-li měřeno bez dekaplingu 13 C, pak je zřejmá podstata experimentu, při kterém detekujeme pouze ty 1, které jsou přímo vázány na 13 C. V běžném 1 spektru odpovídají tyto signály 13 C satelitům. Jejich vzdálenost pak odpovídá velikosti interakční konstanty 1 J C. bvykle se však SQC měří s dekaplingem 13 C, čímž je multiplicita způsobená 13 C odstraněna a dublet přechází na singlet. Vzhledem k tomu, že chemický posun protonů 1-12 C je velmi podobný protonům 1-13 C dostáváme krospíky k protonům vázaným na 12 C, tj. k signálům klasického 1 spektra. Při měření MBC odpovídají krospíky interakcím přes 2 až 3 vazby (J C ~8 z), zatímco krospíky interakcí 1-13 C přes jednu vazbu jsou potlačovány podstatou experimentu, tj. není používán 13 C dekapling. Často však dochází k neúplnému potlačení těchto signálů, a jsou pozorovány jako málo intenzivní artefakty, tj. MQC krospíky k 13 C satelitům 1 spektra.

Strukturní fragmenty Z již diskutovaných indicií je velmi pravděpodobné, že struktura neznámé látky obsahuje následující fragmenty: 4-C4-5 C2-1 2-C3-3 a) Přiřazení vodíků k uhlíkům potvrzuje SQC spektrum. b) Spojení uhlíků potvrzují interakční konstanty 1-1 (viz. 1, J-resolved a CSY) C5(6) 3 C1 C6(7) 3 a) Přiřazení vodíků k uhlíkům potvrzuje SQC spektrum. b) Spojení uhlíků potvrzují interakční konstanty 1-1 (viz. 1, J-resolved a CSY spektra) a interakční konstanty 1-13 C (viz. 1 a 13 C spektra) Ze sumárního vzorce zbývá jeden chlor, dva kyslíky a jeden cyklus. Následným rozborem MBC spekter lze jednak navržené strukturní fragmenty potvrdit, a jednak najít způsob spojení těchto fragmentů.

C6 C5 C4 C3 C2 1 2 3 4 5 1-13 C gmbc 2D NMR Proton 1 je od uhlíků C4 a C3 vzdálen pouze přes dvě vazby, okolní substituenty obvyklou velikost této 2 J C patrně nezvyšují a proto nejsou pozorovány žádné krospíky. Naproti tomu interakce mezi C2 a 4, která je také pouze přes dvě vazby, je vlivem okolních substituentů zvýšena natolik, že je pozorován krospík. Všimněme, že krospík s 5 pozorován není. Protony 2 a 3 jsou vzdáleny od uhlíku C4 tři vazby, a v MBC jsou tedy pozorovány krospíky. Rozdílná intenzita signálů vypovídá o různých a víceméně fixních dihedrálních úhlech 2-C3-C2-C4 a 3-C3-C2-C4 bráněná rotace, cyklická struktura. Analogická situace je pro vztah protonů 4 a 5 k uhlíku C3. 4-C4-5 C1 C2-1 2-C3-3

C6 C5 C4 C3 C2 1 2 3 4 5 1-13 C gmbc 2D NMR V kombinaci s indicií, že C1 není vázán na jiný uhlíkový atom (krom C5 a C6) je zřejmé, že pozorovaný krospík odpovídá interakci přes tři vazby. Skutečnost, že krospík je pozorován pouze s 3 a nikoli i s 2, který je vázán na stejný uhlík jako 3 (viz. SQC), a tudíž je také tři vazby vzdálen, ukazuje na bráněnou rotaci této skupiny, což má za následek částečně fixní dihedrální úhly 2-C3--C1 a 3-C3--C1. Lze tedy očekávat, že pokud by byl na atom kyslíku vázán uhlík C4, pak by alespoň jeden z jeho protonů (4 a 5) měl v MBC krospík podobně protonům uhlíku C3 (3 a 4). Jelikož tento krospík chybí, lze předpokládat, že tomu tak není, tj. vodíky 4 a 5 jsou vzdáleny čtyři či více vazeb. Naproti tomu je-li přes kyslík vázán uhlík C2, pak lze předpokládat, že krospík protonu 1 s uhlíkem C1 není v MBC pozorován v důsledku fixního dihedrálního úhlu. Lze předpokládat, že dihedrální úhel 1-C2--C1 je podobný úhlu 2-C3--C1. C5(6) 3 4-C4-5 C1 C1 3 J C >> 0 C2-1 C6(7) 3 pouze 3-C3-2

Možná spojení strukturních fragmentů Spektrum MBC nevyvrátilo přítomnost strukturního fragmentu C4-C2-C3 a potvrdilo přítomnost strukturního fragmentu C5-C1-C6. Dále MBC připouští přítomnost cyklu. V neposlední řadě odhalilo spojení fragmentů přes C1--C3-3, což vede k následujícímu strukturnímu fragmentu. 5 C4 6 1 C2 3 C3 2 C5(6) 3 C1 C6(7) 3 Ze sumárního vzorce již tedy zbývá pouze chlor, který může být prakticky vázán pouze na C1 (sloučenina A), C2 (sloučenina B) nebo C4 (sloučenina C). Zbývající kyslík pak uzavírá kruh mezi zbývajícími valencemi. Dimery či vyšší symetrické ekvivalenty vylučuje sumární vzorec. Nabízí se tedy pouze tři možnosti, přičemž sloučenina B je symetrická a tudíž jí lze vyloučit neb spektra odpovídají nesymetrické látce. Cl Cl 4 2 3 4 2 3 1 C 3 Cl C 3 2 3 1 4 3 C C 3 1 3 C C 3 Sloučenina A Sloučenina B Sloučenina C

NMR... Počet signálů Sloučenina A C 3 Cl C 3 6 signálů 7 signálů Cl Cl 3 C C 3 Sloučenina B 3 C C 3 Sloučenina C

Možné sloučeniny a experimentální MBC spektrum 4 2 1 2 3 3 C 3 1 Cl C 3 Sloučenina A Uhlík C1 a proton 1 na uhlíku C2 je vzdálen čtyři vazby a tudíž není krospík v MBC očekáván a pozorován není. Lze předpokládat, že v důsledku volné rotace MBC krospíky uhlíku C1 s oběma vodíky 2 a 3 uhlíku C3 ale pozorován je pouze s 3. Sloučenina C Cl 4 1 2 3 1 2 3 C C 3 3 Lze předpokládat, že dihedrální úhly C1--C3-3 a C1--C3-2 se mohou lišit a tudíž může být velikost jedné z interakčních konstant malá natolik, že nebude v MBC pozorována a pozorován je krospík C1 pouze s 3. Dále lze předpokládat, že dihedrální úhly C1--C3-2 a C1--C3-1 budou podobné, a krospík v MBC buď bude pozorován u obou a nebo ani s jedním a pozorován není krospík C1 ani s 1 ani s 2. Rozhodnut mezi sloučeninami A a C pomocí MBC nelze jednoznačně. Na druhou stranu, sloučeniny mají velmi rozdílnou strukturu a lze tedy předpokládat, že jejich 1 a 13 C NMR spektra budou velmi odlišná. Typické chemické posuny a interakční konstanty mnoha strukturních fragmentů lze naleznout v tabulkách. Výrazně přesnější je však využití počítačových programů, které predikují chemické posuny porovnáním struktury s databázemi obsahujících statisíce hodnot.

Predikce chemických posunů 13 C ideálně +/- 2 ppm Sloučenina A 45.8 50.0 62.6 109.1 34.7 C 3 34.7 Cl C 3 Cl Sloučenina C Typická velikost 1 J C u epoxidů je ca. 176 z. Takto velká hodnota však nebyla naměřena ani u jednoho z uhlíků. Naměřené hodnoty kolem 150 z jsou naopak charakteristické pro pětičlenné cykly s kyslíkem. 44.0 74.2 65.4 109.8 3 C C 3 25.7 25.7 Chemické posuny [ppm] experimentální 109,9 75,2 67,3 44,4 26,7 25,1 predikovano pro C 109,8 (-0,1) 74,2 (-1,0) 65,4 (-1,9) 44,0 (-0,4) 25,7 (-1,0) 25,7 (+0,6) predikovano pro A 109,1 (-0,8) 50,0 (-25,2) 62,6 (-4,7) 45,8 (+1,4) 34,7 (+8,0) 34,7 (+9,6)

Predikce chemických posunů 1 ideálně +/- 0,3 ppm Sloučenina A 2.82 a 2.58 2.74 3.84 a 3.71 C 3 1.90 1.90 Cl C 3 Sloučenina C Cl 1.36 3.74 a 3.49 3.97 a 3.68 4.35 1.36 3 C C 3 Chemické posuny [ppm] experimentální 4.22 4.03 3.79 3.50 3.38 1.36 1.28 predikovano pro C 4.35 (+0.13) 3.97 (-0.06) 3.68 (-0.11) 3.74 (+0.24) 3.49 (+0.11) 1.36 (0.00) 1.36 (+0.08) predikovano pro A 2.74 (-1.48) 3.84 (-0.19) 3.71 (-0.08) 2.82 (-0.68) 2.58 (-0.80) 1.90 (+0.54) 1.90 (+0.62)

Přiřazení chemických posunů 1 Sloučenina C Chemické posuny neznámé látky se shodují s očekávanými pouze v případě sloučeniny C Cl C4 44,4 4 3,38 5 3,50 C3 67,3 2 4,03 3 3,79 Cl 3 C C 3 C2 75,2 1 4,22 C1 109,9 3 C C 3 C5 25,1 6 1,28 C6 26,7 7 1,36

C 6 11 Cl 2 1 NMR Cl Cl 3 C C 3 + 2, +... časté nečistoty CDCl 3 + 3 C C 3 nečistota (?) nečistota (aceton?) CCl 3 (obvyklá nečistota CDCl 3 )

Přiřazení chemických posunů 1

NMR... Interakce přes prostor Nukleární vehauserův Efekt Intenzita pozitivních signálů NE je úměrná vzdálenosti (~1/r 6 ) těchto atomů od atomů ozařovaných. NE je měřitelné do ca. 5 Å (0,5 nm). ( NE konektivity ) NEDIF NESY1D RESY1D 2D NESY 2D RESY NE SpectroscopY Rotating frame NE SpectroscopY 2D ESY eteronuclear NE SpectroscopY

NMR... 2D NESY Čím intenzivnější krospík, tím silnější NE, tím blíže jsou si jádra v prostoru. 1 2 3 4 5 6 7 4 Cl 5 4 1 2 3 1 2 6 7 3 3 C C 3 5 6

NESY1D Intenzita pozitivních signálů NE je úměrná vzdálenosti (~1/r 6 ) těchto atomů od atomů ozařovaných (negativní signál). NE je měřitelné do ca. 5 Å (0,5 nm). 1 2 Cl 4,5 3 4 5 3 6 1 2 3 C C 3 6 7 7 nízká intenzita signálů 6, resp. 7, je dána nízkou selektivitou ozařování 7, resp. 6. 1 2 3 V důsledku SPT (selective population transfer) obtížněji intepretovatelné, ale větší intenzita 2 před 3 je zřejmá. 6 r 1-6 > r 1-7 7 6 7 1 2 3 4 5 1 NMR

NMR... omonukleárně korelovaná 2D NMR spektra CSY Crelation SpectroscopY Krospík dokazuje interakci jader přes vazby s velkou hodnotou interakční konstanty mezi jádry ( větší než ca. 4 z ), zejména tedy 2 J a 3 J. LR CSY Long Range Crelation SpectroscopY Krospík dokazuje interakci jader přes vazby s malou hodnotou interakční konstanty mezi jádry ( menší než ca. 4 z ), zejména tedy 4 J, 5 J,... NESY NE SpectroscopY Krospík dokazuje interakci jader přes prostor, tj. jejich prostorovou blízkost pod ca. 4 Å. Nežádoucí krospíky v důsledku chemické výměny či interakcí přes vazby nelze odlišit. NE může být pozitivní, negativní i nulové. RESY Rotating-frame NE correlation SpectroscopY Krospík dokazuje interakci jader přes prostor, tj. jejich prostorovou blízkost pod ca. 4 Å. Nežádoucí krospíky v důsledku chemické výměny či interakcí přes vazby jsou negativní. RE je vždy pozitivní.

NMR... 1-1 gcsy N N N N N N N N 49

2D NESY 2D LR CSY 2D CSY

verlay CSY LRCSY NESY CSY LRCSY NESY N N

NMR... 1-1 gcsy, 1, spinová simulace experimentální versus simulované