Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie Tesla_04.jpg 950MHz_web.jpg For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Organická Chemie II § Izolace a identifikace přírodních látek, syntéza… se neobejde bez analytických nástrojů: § 1) separační metody: krystalizace, filtrace, destilace, chromatografie (TLC, plynová, kapalinová…) § 2) strukturní, fyzikálně-chemické metody: spektroskopie Studium struktury organických molekul § historie: bod tání/varu, index lomu, rozpustnost, důkazní reakce funkčních skupin a jednotlivých prvků, polarimetrie, elementární analýza § UV, IR (Raman) – velmi omezené informace o struktuře (přítomnost standardních funkčních skupin –CN, –COR, –N3 ….) § Robert Burns Woodward – určení struktur mnoha přírodních látek pomocí totálních syntéz a aplikací jednoduchý empirických pravidel UV spektroskopie („Woodward era of total synthesis“) (N.C. 1964) -"for his outstanding achievements in the art of organic synthesis". Švenda-Paruch-Maier For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity § IR spektrum § 2 karbonylové skupiny – 1 charakteristická vibrace Organická Chemie II Švenda-Paruch-Maier Studium struktury organických molekul § IR spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Organická Chemie II Švenda-Paruch-Maier § RTG difrakce – zcela zásadní význam při studiu struktur malých i velkých (bio)molekul, relativní/absolutní stereochemie, ale pouze pro krystalické vzorky, informace o chování látek v roztoku zcela chybí § struktura vitamínu B12 – vyřešena pomocí x-ray difrakce – 1948-1955, D.M. Hodkin (N.C. -1964) - "for her determinations by X-ray techniques of the structures of important biochemical substances". Studium struktury organických molekul § typické zobrazení struktury vyřešené pomocí x-ray difrakce For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Organická Chemie II Švenda-Paruch-Maier Studium struktury organických molekul §MS – hmotnostní spektrometrie, určení molekulární struktury (sumární vzorec) – ale pro rozlišení regioisomerů, diastereomerů a enantiomerů je MS nevhodnou metodou, velký význam má dnes HR-MS (MS s vysokým rozlišením) v kombinaci s jemnými ionizačními technikami, která poskytuje informace o identitě molekuly 1004 hexan (C6H14; MW = 86) §Určení struktury však může být komplikováno fragmentací, nestabilitou molekul při přechodu do plynné fáze apod. For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Organická Chemie II Švenda-Paruch-Maier 1009 §MS-MALDI-TOF – excelentní nástroj pro studium biomolekul - proteinů §HR-MS spektrum vaječného lysozymu s MR = 14307.7578 Studium struktury organických molekul For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Organická Chemie II NMR spektroskopie Švenda-Paruch-Maier § NMR spektroskopie – Nukleární Magnetická Rezonance – zcela zásadní a unikátní spektrální metoda, s možností pracovat se vzorky v plynném, kapalném a pevném stavu § nedestruktivní, detailní informace o struktuře látek, dynamickém chování molekul – tautomerie, konformační pohyb, nekovalentní interakce, stereochemie § určení 3D struktury proteinů za fyziologických podmínek včetně dynamického chování § studium difúzních jevů § NMR v pevné fázi se využívá při studiu různých materiálů, farmaceuticky aktivních látek – studie krystalových polymorfů apod. § MRI – magnetic resonance imaging medicinální aplikace – diagnostika § For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie •v NMR jde o absorbci radiofrekvenčních vln magneticky aktivními jádry ve vysokém magnetickém poli •1H, 13C, 19F, 31P, 15N, 11B, 29Si, 27Al, 105Pd, 195Pt • §spektroskopie je obecně založena na interakci hmoty s elektromagnetickým zářením For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie §některá atomová jádra (izotopy) mohou mít spin – nenulový jaderný spin (rotace kolem vlastní osy), který produkuje magnetický dipól moment • • rezonanční podmínka: ΔE = hϒBo/2 π = hν 1H, 13C, 19F, 31P, 15N : I = ½ 11B = I = 3/2 14N, 2H : I = 1 I > ½ kvadrupolární jádra – chování v NMR spektroskopii je mnohem komplikovanější 12C, 16O, 19F, 32S: I = 0 - NMR neaktivní jádra – nedají se měřit Bo – externí magnetické pole (Tesla) 9.5 T = 400 Mhz NMR stroj ϒ – magnetogyrická konstanta – vlastnost daného jádra, čím větší tím je jádro v NMR citlivější ΔE pro 1H při 400 Mhz je 3.8x10-5 Kcal/mol = Nα/Nβ = 1.000064 !!! – velmi malý rozdíl v populacích, NMR je velmi necitlivá metoda For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie jádra v magnetickém poli vytvoří makroskopickou magnetizaci krátkým pulsem (µsec) radiových vln (o širokém spektru frekvencí) se jádra ozáří a vektor magnetizace začne rezonovat (precesní pohyb) FID – časová závislost Fourierova transformace frekvenční závislost - NMR spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Stručná historie vývoje NMR first nmr final.jpg •1946 – první NMR spektrometr 30 Mhz •1957 – první 13C NMR spektrum •1961 – první FT-NMR spektrum vyrobený v ČSR (Tesla Brno, J.Dadok) •1966 – aplikace Fourierovy transformace v NMR •1975 – 2D NMR techniky •1985 – vyřešena první 3D struktura proteinu pomocí NMR •Nobelovy ceny: 1943 – O. Stern (Fyzika) • 1944 – O. Rabi (Fyzika) • 1952 – E. Bloch, F. Purcell (Fyzika) • 1991 – R. Ernest (Chemie) • 2002 – K. Wȕtrich (Chemie) • 2003 – P. Lauterbur, P. Mansfield (Fyziologie a medicína) Tesla_15.jpg •Supravodivý magnet (200Mhz) Tesla Brno Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Stručná historie vývoje NMR •Vyšší magnetické pole, větší rozlišení a citlivost Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II •cca 60 let vývoje Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR v organické chemii •První strukturní problém vyřešen pomocí 1H NMR spektroskopie For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry §Chemický posun §Počet signálů ve spektru §Relativní integrální intensita §Multiplicita signálu -interakční konstanty § §Polo-šířka signálu – relaxace/dynamické jevy Z jednoho spektra lze vyčíst obrovské množství informací For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun §Chemický posun = δ (ppm) δ = frekvence signálu - frekvence standardu (Me4Si v Hz)/frekvence spektrometru (v MHz) → nezávislý na použitém poli For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun §Chemický posun = δ (ppm), závisí na rozpouštědle, teplotě, pH, iontové síle apod. For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun §Chemický posun je velmi důležitou kvalitativní veličinou – na každé jádro působí okolní jádra a elektrony svým magnetickým polem → strukturní informace §Efekt elektronegativity na chemický posun methyl skupiny: § § rostoucí elektronegativita, větší odstínění, větší chemický posun chemický posun odráží elektronické a stereochemické jevy, intra a intermolekulární interakce (H-vazby, π-π interakce, interakce s rozpouštědlem…) For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun §13C NMR chemické posuny §Efekt elektronegativity + stínění elektrony na chemický posun methyl skupiny: § § For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – Chemický posun §13C NMR spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – počet signálů/intenzita §Počet signálů ve spektru odráží symetrii molekuly – rozlišení isomerů apod. § všech 6 atomů H i C je ekvivalentních – ztotožnitelných operací symetrie → pouze jeden signál v 1H i 13C spektru § zavedením substituentu na jádro se sníží symetrie a počet aromatických signálu bude 3 – ortho, meta, para a jejich integrální intenzita v poměru, 2:2:1 § o m p zavedením substituentu na jádro se opět změní symetrie a počet aromatických signálu bude 2, v poměru 2:2 → 1:1 § 3 1H signály acylací do ortho polohy se opět změní symetrie a všechny polohy jsou chemicky a magneticky neekvivalentní - počet aromatických signálu bude 4, v poměru 1:1:1:1 § Pomocí IR nebo MS velmi obtížně či nerozlišitelné For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – počet signálů/intenzita §isomery dimethylcyklopropanu § 2 signály, 6:4→ 2:1 § a a b b b b a a b b c d 4 signály, 6:2:1:1 a a b b c c 3 signály, 6:2:2 → 3:1:1 § 2 signály, 2:1 § 4 signály, 6:2:1:1 3 signály, 3:1:1 § For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §neekvivalantní jádra, skupiny atomů navzájem interagují – jemná struktura spekter - multiplety first nmr final.jpg §Počet linií v multipletu = 2 I * n+1 §I – spinové číslo, ½ pro 1H §n – počet sousedících atomů §→ pro 1H = n + 1 2 + 1 = 3 – triplet t 3 + 1 = 4 – quartet q 3JH-H = 7 Hz For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §Počet linií a jejich intenzita – Pascalův trojúhelník t q sep d t q d s Hb-Ha, ale i Hb-Hc → dd (nebo multiplet (4 linie) ne t, protože Ha ≠ Hc dd d §Komplexní molekuly mohou mít velmi komplexní spektrum dd For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §neekvivalantní jádra (NMR aktivní) navzájem interagují prostřednictvím chemických vazeb (elektronů) - jemná struktura spekter – multiplety 1H NMR (701 MHz, Acetone-d6) δ 3.18 (d, J = 16.3 Hz, 1H), 2.39 (d, J = 16.3 Hz, 1H) §spin-spinová interakce, J-coupling, 2JH-H §Ha-He 0.8 ppm rozdíl !!! For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §chemicky ekvivalentní, magneticky neekvivalentní §diastereotopicita For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §13C-1H interakce se během měření potlačí (decoupling) a 13C-13C interakce jsou téměř nepozorovatelné díky izotopovému zastoupení izotopu 13C (1.1 %) § §→ 13C spektra jsou obvykle jednoduše interpretovatelná (singlety), pokud nejsou štěpeny jiným NMR aktivním jádrem: 11B, 19F, 31P apod. 3x – OCH3 For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §13C NMR spektrum s 1H interakcemi For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Základní NMR parametry – multiplicita §13C-{1H} NMR spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Dynamické chování molekul §konformační pohyb cyklohexanu §při 0°C je inverze kruhu velmi rychlá a pozorujeme průměrný signál §při -90°C je pohyb „zastaven“ a pozorujeme dva typy signálu Hax a Heq For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity §které molekule odpovídá 1H NMR spektrum ? Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení §Určete strukturu neznámého vzorku za pomocí MS, IR a NMR §m/z = 88 – molekulární ion §m/z = 43 - fragment For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení §Určete strukturu neznámého vzorku za pomocí MS, IR a NMR §~ 1700 cm-1, vibrace C=O §IR spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení §C-O skupina §karboxylová skupina, ester, anhydrid (amid) §13C NMR spektrum §2 x C- alkyl For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II Příklady k řešení §CH3-CH2 skupina §1H NMR §izolovaná CH3 skupina §neznámý vzorek: For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II 2D NMR spektroskopie 1dspec_1.gif §1D 1H NMR spektrum proteinu • §Příliš mnoho signálu, nízké rozlišení, interpretace NMR spektra nemožná (jen částečná) •2D, 3D… NMR experimenty •Několik desítek používaných 2D experimentů - COSY, NOESY, DOSY,1H-13C HSQC, 1H-13C HMBC,s…. •3D NOESY-HSQC, NOESY-TOCSY… For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II 2D NMR spektroskopie §I malé organické molekuly, mohou mít velmi komplikované spektrum – expanze do více dimenzí poskytne detailnější informace For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity 1H-1H COSY spektrum For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity 1H-13C – J-edited HSQC spektrum •1H-13C – J-edited HSQC •C-H konektivita •+ rozlišení -CH, -CH3 vs. -CH2 skupin •1H – na X atomu ≠ 13C •→ OH skupina For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity NOESY spektrum §NOE interakce jednotlivých protonů přes prostor ~ 5Å §Stereochemické informace For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity bayDOSY.png Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II 2D NMR spektroskopie •DOSY– Diffussion Orientated SpectroscopY §Difúzní koeficient souvisí s velikostí a tvarem molekuly, tzn. lze zjistit molekulovou hmotnost např. polymerů apod. For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie-shrnutí •Konstrukce NMR spektrometru For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity Švenda-Paruch-Maier Organická Chemie II NMR spektroskopie-shrnutí •Nevýhody §relativně velké nároky na prostor §vysoká pořizovací cena §relativně vysoké provozní náklady §časová náročnost měření/interpretace dat §nízká citlivost • •Výhody §nedestruktivní §v kapalné i pevné fázi §detailní strukturní informace §studium dynamických procesů • • §C8950 NMR - Strukturní analýza §C5320 Fyzikálně chemické základy NMR §C6770 NMR Spectroscopy of Biomolecules §C7998 Základy experimentální NMR §… • For every transformation follow: a. Bonds formed and bonds broken b. Regioselektivity c. stereoselektivity