Spektroskopia 13C NMR Czynniki determinujące przesunięcia

Spektroskopia 13C NMR Czynniki determinujące przesunięcia

2011-12-06
Zastosowanie stałych podstawnikowych do
Spektroskopia 13C NMR
Czynniki determinujące przesunięcia chemiczne jąder
przewidywania przesunięć chemicznych 13C
13C
:
• ekranowanie paramagnetyczne,
X
• magnetyczna anizotropia grup sąsiadujących,
• wpływ indukowanych pól elektrycznych,
13
• oddziaływania wewnątrzcząsteczkowe
–
efekty podstawnikowe
C
(indukcyjne i mezomeryczne), wiązania wodorowe,
• oddziaływania międzycząsteczkowe (np. rozpuszczalniki),
• wpływ warunków zewnętrznych (np. temperatura).
w11 12 JJM
w11 12 JJM 2
1
Inne korelacje
Inne korelacje
5
5
3
3
p, m R
+
N
NH
_
p, m R
+
N
R = N(CH3)2, OH, OCH3, H, Cl, Br, CN, COCH3, NO2
NH
_
I
R = N(CH3)2, OH, OCH3, H, Cl, Br, CN, COCH3, NO2
I
δ (Ci ) = δ0(Ci ) + a[pKa(RØNH) – pKa(ØNH2)]σ
δ (Ci ) = δ0(Ci ) + aσ
ØNH2 – anilina
RØNH – podstawiona anilina
Współczynnik korelacji = 0,97 ÷ 0,99
Współczynnik korelacji = 0,98 ÷ 0,99
w11 12 JJM
3
w11 12 JJM
4
1
2011-12-06
wyk11
Inne korelacje
5
Widma całkowicie odsprzęgane od protonów
4
Napromieniowanie szerokim pasmem częstości – brak wszelkich sprzężeń 1H -13C
3
p, m R
+
N
NH
_
— sygnały w postaci wąskich linii,
R = N(CH3)2, OH, OCH3, H, Cl, Br, CN, COCH3, NO2
I
— ustalenie przesunięć chemicznych δ 13C [ppm],
— ograniczone informacje o strukturze cząsteczki
Metoda off-resonance
δ (Ci )
vs
δ (C4 )
Napromieniowanie protonów pojedynczą częstością niedopasowaną do
częstości rezonansowej protonów — częściowe rozprzęganie umożliwia
odzyskanie części informacji o sprzężeniach spinowo- spinowych między
Współczynnik korelacji = 0,98 ÷ 0,99
w11 12 JJM
atomami węgla i protonami z nimi związanymi;
5
w11 12 JJM
6
Schemat poziomów energetycznych
Metoda selektywnego rozprzęgania
Selektywne napromieniowanie protonów pojedynczą częstością rezonansową
wybranego protonu — umożliwia przypisanie protonów właściwym atomom
węgla (ułatwienie analizy widma czy ustalenia struktury nieznanego związku).
Energia
Poziom wyższy
Metoda rozprzęgania bramkowego
Pozwala na ustalenie przesunięć chemicznych oraz stałych sprzężenia C–H.
ν
relaksacja
Technika uciążliwa – długi czas zapisu widma.
Poziom podstawowy
Metoda rozprzęgania odwrotnego bramkowania
Umożliwia rejestrację widm odsprzęganych od protonów bez
efektu Overhausera. Pozwala na ilościową analizę widm 13C.
ν – częstotliwość rezonansowa
w11 12 JJM
7
w11 12 JJM
8
2
2011-12-06
Integracja w widmach protonowych i węglowych
Integracja w widmach protonowych i węglowych
Czas relaksacji określa szybkość powrotu jądra
Widma protonowe
z poziomu wzbudzonego na poziom podstawowy.
Krótkie czasy relaksacji protonów – ostre sygnały, ich integracje są
proporcjonalne do liczby protonów.
Na kształt sygnału rezonansowego mają wpływ czasy relaksacji T1 i T2.
Czas T1 — relaksacja podłużna,
spin - sieć
Czas T2 — relaksacja poprzeczna, spin - spin
w11 12 JJM
9
w11 12 JJM
10
w11 12 JJM
12
Przykład:
Integracja w widmach protonowych i węglowych
Widma węglowe
Czas relaksacji podłużnej T1 zależy głownie od oddziaływań atomu węgla
z protonami w sąsiedztwie.
Im więcej protonów tym krótsze czasy T1.
Atomy węgla w grupach CH3 — T1 = kilka sekund
duża różnica
Atomy węgla czwartorzędowe — T1 = kilka minut
W efekcie sygnały jąder 13C w widmach odsprzęganych szerokopasmowo
są wzmacniane w wyniku efektu Overhausera oraz zlewania się multipletów
w jeden ostry sygnał.
Dla IV rz. atomów węgla efekt ten jest mały więc sygnały znacznie niższe.
w11 12 JJM
11
3
2011-12-06
Selektywne napromieniowanie protonów pojedynczą
częstością rezonansową wybranego protonu (ν2 )
Pirydyna - rozprzęganie protonu w pozycji 6
O
CH3
C
H
CH3
Widmo protonowe
CH2
4
H
octan etylu
3
H
2
Cl
5
O
CH3
6
H
C O
N
CH2 CH3
B - rozprzęganie protonów CH2
widmo uproszczone,
brak sprzężeń z H - 6
C - rozprzęganie protonów CH3
w11 12 JJM
w11 12 JJM
13
Widma 13C z odsprzęganiem od protonów dla kwasu krotonowego
Widma 13C z odsprzęganiem od protonów dla kwasu krotonowego
1
1
H
3
H3C 4
14
H
COOH
3
2
H
Widmo off-resonance, częstotliwość przy δ = 1 ppm
H 3C 4
COOH
2
H
Widmo protonowe
Widmo off-resonance, częstotliwość przy δ = 8 ppm
selektywnie odsprzęgane protony z CH3
Widmo bez odsprzęgania
w11 12 JJM
15
w11 12 JJM
16
4
2011-12-06
14N
Widmo dwuwymiarowe COSY (korelacyjna spektroskopia)
15N
15N
i 15N NMR
NMR
kwantowa liczba spinowa = ½;
Mała zawartość izotopu – ok. 0,4%,
Długie czasy relaksacji – mała czułość detekcji
Układ AMX
Rutynowe widma z szerokopasmowym odsprzęganiem od protonów.
14N
14N
NMR
kwantowa liczba spinowa = 1
Naturalna zawartość izotopu – ok. 99,6%,
Bardzo duża szerokość linii spektralnych.
Zakres przesunięć chemicznych:
Względem nitrometanu (δ=0ppm) od – 500 do 500 ppm
Względem ciekłego amoniaku (δ=0ppm) od 0 do 1000 ppm
w11 12 JJM
14N
17
w11 12 JJM
18
i 15N NMR
Ar
N1
N
2
3
N
PODSTAWY SPEKTROMETRII MAS
w11 12 JJM
19
w11 12 JJM
20
5
2011-12-06
Jak otrzymuje się widmo masowe
Analiza mieszaniny
Rozdział mieszaniny pochodnych benzodiazepiny HPLC acetonitryl, metanol, woda
Wprowadzenie próbki
(GC, HPLC, bezpośrednio do komory jonizacyjnej)
Jonizacja
Rozdział jonów
Detekcja
(EI, CI, ES, Maldi inne)
(przyspieszanie w polu elektrostatycznym)
(względem stosunku masy do ładunku)
Rejestracja
Widmo
w11 12 JJM
21
22
w11 12 JJM
Jednostki
Jednostka masy atomowej , dalton , (Da)
Z definicji jest to 1/12 masy atomu izotopu węgla 12C;
Tomson (Th) – jednostka stosunku masy do ładunku m/z;
Przykład: jon o masie m = 200 Da i ładunku z = 2e ma wartość m/z = 100 Th;
Ładunek elektronu – jednostka ładunku elementarnego
e = 1,66021177 · 10—19 C
w11 12 JJM
23
w11 12 JJM
24
6
2011-12-06
TYPY JONÓW
Jon molekularny – powstaje przez oderwanie elektronu od cząsteczki związku;
Informacje z widma MS
na widmie obserwuje się pik molekularny;
— masa cząsteczkowa (pik molekularny),
Pozorny jon molekularny –
[M+H]+ •
— wzór sumaryczny,
— elementy struktury (fragmentacja).
Jon główny – jon o największej intensywności daje pik główny;
(intensywność pozostałych pików wyraża się w % względem piku głównego);
Jon macierzysty – każdy jon, ulegający dalszemu rozpadowi,
dając jony fragmentacyjne, potomne
Jonizacja: proces wytwarzania jonu z atomu albo z cząsteczki obojętnej
Kationorodnik, jon nieparzystoelektronowy, jonorodnik –
jon z niesparowanym
elektronem.
w11 12 JJM
25
w11 12 JJM
Wytwarzanie jonów związku organicznego
26
– Jonizacja elektronami (EI)
– Jonizacja elektronami (EI – electron impact)
▬ Wytwarzanie jonów przez wybicie elektronu z orbity walencyjnej:
Zasada:
M + e—
→
– W wyniku bombardowania cząsteczek związku elektronami o energii 50-70 eV,
M+ •
+
2e—
jon molekularny
(kationorodnik)
następuje wybicie elektronu z orbity walencyjnej
▬ fragmentacja jonu molekularnego:
– Utworzony kationorodnik (jon molekularny) ulega dalszej fragmentacji.
E+
Zakres analizy: 10-1000 Da (związki niskocząsteczkowe)
+
R•
jon parzystoelektronowy
rodnik
E+ •
Czn
M+ •
Zastosowania:
• potwierdzanie masy cząsteczkowej substancji,
+
jon nieparzystoelektronowy
cząsteczka obojętna
▬ dalsza fragmentacja powstałych jonów
• ustalenie struktury związku na podstawie analizy fragmentacji.
Proces fragmentacji jest charakterystyczny dla każdego związku.
w11 12 JJM
27
w11 12 JJM
28
7
2011-12-06
– Jonizacja chemiczna (CI)
Porównanie widm EI, CI
MeO
O
Zasada:
MeO
CH3
– Gaz reagujący w źródle jonów tworzy jony pierwotne, które pod ciśnieniem
(60Pa) jonizują cząsteczki związku poprzez np. przeniesienie protonu;
– Powstaje pozorny jon molekularny (np. [M+1]+) o dużej intensywności;
(gaz reagujący np. metan, izobutan, amoniak);
Zakres analizy: 10 - 3000 Da (związki niskocząsteczkowe);
Zastosowania:
• potwierdzenie masy cząsteczkowej związku,
• potwierdzenie struktury
[M + 29]+ = M + C2H5+
[M + 1]+ = M + H+
w11 12 JJM
[M + 41]+ = M + C3H5+
w11 12 JJM
29
30
– Elektrosprej (ES , API)
Zasada: jonizacja pod ciśnieniem atmosferycznym,
JONY CHARAKTERYSTYCZNE
Obecność aromatycznej grupy aminowej M-27
NH2
m/z = 93
+
.
+
- HCN
.
-H
+
m/z = 66
.
m/z = 65
Zakres analizy: 50 – 80 000 Da, związki średnio- i wielkocząsteczowe
np. peptydy, białka, polimery, kwasy nukleinowe w postaci ciekłej.
REGUŁA AZOTOWA :
Zastosowania: potwierdzanie masy cząsteczkowej związku, potwierdzenie
Gdy masa jonu macierzystego jest nieparzysta, w cząsteczce jest
nieparzysta liczba atomów azotu
struktury.
w11 12 JJM
31
w11 12 JJM
32
8
2011-12-06
p-chlorobenzofenon C13H9ClO m.cz. = 216
+
C=O
NH2
+
O=C
Cl
m/z 139
m/z 105
.+
-CO
anilina
-CO
C=O
+
+
Cl
Cl
M = 93
m/z 77
m/z 111
jon molekularny,
macierzysty
jony potomne
jony potomne
Widmo EI p-chlorobenzofenonu
NH2
+
.
+
- HCN
.
-H
+
m/z = 93
m/z = 66
C5H5
+
.
- C2H2
pik jonu
molekularnego
m/z = 65
C 3H3
m/z = 65
.
+
.
m/z = 39
w11 12 JJM
33
w11 12 JJM
34
Trwałość produktów fragmentacji określa się na podstawie oddziaływań elektronowych:
TEORIE PROCESU FRAGMENTACJI.
(efektów mezomerycznych, indukcyjnych, hiperkoniugacji itp.)
Fragmentacje inicjowane jonizacją strumieniem elektronów (EI).
- stabilizacja karbokationów: IIIrz > IIrz > Irz
A. Teoria trwałości produktów
- stabilizacja przez rezonans: kation allilowy, kation benzylowy,
Podstawowe założenie: energia stanu przejściowego niewiele różni się od energii produktów.
- - kationy zawierające heteroatom,
Im trwalsze produkty tym bardziej uprzywilejowana fragmentacja
+
C
..
X
+
X
C
+
C
..
X
C
+
X
X = N, O, F, Cl, Br
stan przejściowy
∆ Ea
- - kationy aromatyczne typu tropyliowego, cyklopentylowego
produkty
A+ + B
+
.
jon macierzysty
.
M+
.
.
M+
.
stan przejściowy
A+ + B
.
produkty
w11 12 JJM
35
+
∆ Ea
- stabilność cząsteczek obojętnych (H2O, HCN, HCl, HBr,CO, CO2,C2H2)
- rozpad wiązań słabych, wymagający mniej energii
w11 12 JJM
36
9
2011-12-06
B. Teoria lokalizacji ładunku
NIEKTÓRE DROGI FRAGMENTACJI:
Ładunek dodatni w jonie macierzystym jest zlokalizowany przede wszystkim
na heteroatomach.
Fragmentacja może odbywać się w sposób homolityczny:
Rozerwanie wiązania σ (powstaje rodnik i kation)
przemieszczanie niesparowanych elektronów oznaczane strzałką z pół-grotem
+e
R - CH2 - NH2
_
2e
.
.
.+
R - CH2 - NH2
R — R’ +• → R• + R’
+
R + CH2 = NH2
lub
+
→ R+ + R’•
Przykład: odszczepianie rodnika alkilowego
lub heterolitycznie:
przemieszczanie par elektronowych oznaczane strzałką z pełnym grotem
+e
RCH2CH2 - Br
_
.. +
RCH CH - Br
2
[CH2CH2CH2]•+ → [CH2CH2]+ + •CH2
..
+
RCH2CH2 + Br
2
2e
w11 12 JJM
37
w11 12 JJM
38
NIEKTÓRE DROGI FRAGMENTACJI:
Rozszczepienie α
Rozpad retrodienowy
z wiązaniem pojedynczym węgiel-heteroatom (aminy, alkohole, tiole, tioetery)
R
b
C
a
.
.
+.
Y
R. +
C
+
Y
+
C
Y
..
+e
+
.
+
.
+
-2e
z wiązaniem podwójnym węgiel-tlen (aldehydy, ketony, kwasy, estry, amidy)
R
b
C
a
Z
+..
..O
.
R
+
+
Z
C
.O.
Z
+
C
..
..O
mezomeryczna stabilizacja kationu acyliowego
w11 12 JJM
39
w11 12 JJM
40
10
2011-12-06
Przykłady:
Przegrupowanie McLafferty’ego
Przeniesienie atomu wodoru poprzez cykliczny sześcioczłonowy stan przejściowy,
następnie rozpad na dwa fragmenty: jon oraz obojętną cząsteczkę z podwójnym
wiązaniem
1.
Odszczepianie rodnika alkilowego
[CH2CH2CH2]•+
H
H
+e
Z
+
Z
.
.
H
[CH2CH2]+
+
•CH2
2. Eliminacja cząsteczek nienasyconych
+
Z
+
→
-2e
C
w11 12 JJM
C
C
+
C
41
+
+
C
C
w11 12 JJM
42
Rozpowszechnienie niektórych izotopów:
Przykłady:
1H
3. Rozpad allilowy
+
C
C
C
.
C
C
C
C
+
.C
+
4. Rozpad jonów benzylowych
.+
R
CH2
C
—
99,984
2H
—
12C
—
98,931
13C
—
1,069
14N
—
99,620
15N
—
0,380
0,016
16O
—
99,761
17O
—
0,039
79Br
—
50,520
79Br
—
49,480
35Cl
—
75,529
35Cl
—
24,471
18O
—
0,200
Niektóre kombinacje składów izotopowych
.C
R
+
R
+
CH2
+
jon tropyliowy
w11 12 JJM
43
Cl
Cl2
Br
Br2
w11 12 JJM
ClBr
44
11
2011-12-06
Dokładne masy izotopów
Pierwiastek
Średnia masa atomowa
Nuklid
Masa atomowa
Przybliżoną liczbę atomów węgla w cząsteczce związku zawierającego
Wodór
1,00794
C, H, N, O
2H
Węgiel
można obliczyć na podstawie intensywności piku molekularnego (M)
oraz piku izotopowego (M + 1).
Azot
Tlen
IM+1
12,01115
14,0067
15,9994
liczba atomów C = 100
1,1 IM
Chlor
Brom
w11 12 JJM
1H
45
35,4527
79,9094
w11 12 JJM
1,00784
(D)
2,01410
12C
12,00000(wzorzec)
13C
13,00336
14N
14,0031
15N
15,0001
16O
15,9949
17O
16,9991
18O
17,9992
35Cl
34,9689
37Cl
36,9659
79Br
78,9183
81Br
80,9163
46
12