LEKCE 2a NMR a chiralita, posunová činidla
Interpretace 13C NMR spekter
Zpracování, výpočet a databáze NMR spekter (ACD/Labs, Topspin, Mnova)
Symetrie v NMR spektrech - homotopické, enantiotopické, diastereotopické protony (skupiny) • 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.
Homotopické protony
deuteriová substituce
C2 osa symetrie chemicky ekvivalentní 1 signál ve spektru
Enantiotopické protony
rovina symetrie není osa 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: CH3
OH H
CH3
deuteriová substituce
OH H
HO
HO H
H
CH3 HO
H
D
H
diastereomery není osa symetrie není rovina symetrie nejsou chemicky ekvivalentní rozlišitelné ve spektru
OH D H
Příklad neekvivalentních CH2 protonů HO H3C HO
H 6.3 Hz
*
H H
11.4 Hz 7.8 Hz
11.4 Hz 2.0 Hz
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
Příklad neekvivalentních CH2 protonů
H
H
HS H
7.0 Hz
14.6 Hz 7.0 Hz 6.1 Hz
*
O OH
cystein
NH2
14.6 Hz 12.1 Hz 7.0 Hz
6.1 Hz 12.1 Hz
Vliv B0 na rozlišení 1H NMR spektra 500 MHz 4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
300 MHz 4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
200 MHz 4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
100 MHz 4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
Příklad neekvivalentních CH2 protonů O H O
MDMA
3.30
3.20
6.5
3.10
6.0
3.00
5.5
2.90
5.0
2.80
4.5
2.70
4.0
2.60
3.5
2.50
2.40
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
*
CH3 NH CH3
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.
CH2 Br
Br
Diastereotopicita CH3 skupin
HOOC
CH3
H C
C H
*
NH2
CH3
valin
1.30
3.0
1.20
2.5
1.10
1.00
2.0
0.90
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 CH3
H3C
CF3 O Eu
H3C
O
80% L, 20% D + chirální LSR
racemát + chirální LSR
optická čistota ???
Horst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VCH, 2005
Stanovení optické čistoty - Pirklovo činidlo
*
racemát
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 (??) H 3C
OH
Ph
R nebo S ?
H
(R)
(S)
*
*
v NMR nerozlišitelné
* (R)
(R)
*
Mosherovo činidlo - chirální derivatizační činidlo
*
*
* (R, S)
*
(S, S)
v NMR rozlišitelné !!!
Thomas R Hoye, 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 R1 a R2 odstínění R2
Ph
R2
OCH3
H3CO
R2
CF3
CF3 H
O
stínění R1
Ph
O
R1
O
R1
stínění R2
H
O
odstínění R1
Thomas R Hoye, Christopher S Jeffrey, Feng Shao, Nature Protocols 2007, 2, 2451–2458.
Mosherova metoda - určení absolutní konfigurace (??) Ph
H3C
OH
Ph
nebo
(S)
(R) H
CH3
OH
H3C
CH
H
CH3 musí být na straně OCH3 , tedy směřuje dozadu (R) konfigurace
CH3 (stíněna) musí být na straně Ph, tedy směřuje dopředu (S) konfigurace
CH3
* (R)
* (S)
CH3
*(S)
*
(S)
„Analýzou znamének rozdílů chemických posunů (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 Hoye, 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) Cl
H
5
H
H
H
6
Cl
H
5
2
H
4
6 Cl Cl
magneticky ekvivalentní 3J(4, 5) = 3J(6, 5) Mezi magneticky ekvivalentními jádry se neprojevuje J vazba.
3
H
Br
magneticky neekvivalentní 3J(2, 3) 5J(6, 3) Spektra chemicky ekvivalentních, přitom magneticky neekvivalentních jader nelze analyzovat dle pravidel pro spektra 1. řádu.
Magnetická neekvivalence Cl
H
H
H
H Br
50
7.40
7.30
7.20
H
H
7.10
H
O
H
Interpretace 13C NMR spekter • rozsah chemických posunů: 0 - 300 ppm • vzhledem k většímu rozsahu lépe rozlišitelné než 1H spektra • chemické posuny závisí více na hybridizaci daného C (sp3 < sp <sp2) než na povaze sousedních skupin
C=O v ketonech
C=O kyselin, aldehydů, esterů
Aromatika, alkeny
Alifatické CH3, Alkyny CH2, CH ppm
210
150
100
80
50
0 TMS
Interpretace 13C NMR spekter • Přirozené zastoupení: 13C: 1.11% (1H: 99.98%) • Citlivost: 13C, (1H) 4 (13C) 1H je 64x citlivější jen z důvodu
• 1H je tedy 6400x citlivější, měření na více scanů • interakce 13C -13C nepozorovatelné (1:10000) • interakce 1H -13C komplikují vzhled spektra • užití dekaplinku (saturace, vyrovnání obsazenosti hladin) odstranění interakce s protony 90
13C:
1H:
detekce
tD1
ozařování
dekapling
Interpretace 13C NMR spekter - dekaplink 90
13C:
1H:
detekce
tD1
ozařování
dekapling
Intenzity signálů v dekaplovaném spektru nejsou úměrné počtu odpovídajících jader C !!! • • •
vzhledem k NOE dochází až na 200% navýšení intenzity signálu: NOE = 1+ C během následných pulsů se spinový systém není schopen dostat do rovnováhy (T1 relaxace) oba efekty se nejvíc projevují na nízké intenzitě kvartérních uhlíků
J interakce v 13C – 1H 13C
CCl4
CHCl3
spektrum
J interakce v 13C – 2H 13C
spektrum
počet čar v multipletu 2 n I +1
deuterované rozpouštědlo I=1
CDCl3
CH2Cl2
CD2Cl
CH3Cl
(CD3)2SO
13C
spektra (1H dekaplink) OCH3
nedekaplovaná: zachování multiplicity, ale značné snížení intenzity CH3
CH3
dekaplovaná: odstranění interakce s protony, přehlednější spektrum,
N
N
zvýšení intenzity signálů
N
N CH3
OH
O
OH
APT (attached proton test) • Využívá přenosu polarizace přes 1J(C,H). • Předpoklad: 1J(C,H) jsou podobné a hodnota tD je nastavena na 1 / J.
Modulace amplitudy CH2 4 1
CH 2,3
• 1J(C,H) je závislá na hybridizaci:
CH
CH3
ethan
ethylen
acetylen
[Hz]
124.9
156.4
249.0
hybridizace
sp3
sp2
sp
1J(C,H)
13C
spektra
dekaplovaná: odstranění interakce s protony, přehlednější spektrum,
OCH3
zvýšení intenzity signálů
N
N
J-modulovaná (APT): podle počtu připojených protonů pozitivní (C, CH2)
nebo negativní (CH, CH3) amplituda
N
N
C, CH2
CH3
O
CH, CH3 OH
OH
DEPT (Distortionles Enhancement by Polarization Transfer) • Využití přenosu polarizace (předání polarizace citlivého jádra (1H) méně citlivému (13C)). • Editace signálů dle posledního pulsu získáme separátní spektra pro primární (CH3), sekundární (CH2), a terciární (CH) uhlíky. • Měří se 3 experimenty pro různé hodnoty úhlu (45, 90, 135).
90
180 přenos polarizace 1/2J
1/2J
13C:
90
180
1/2J 1H:
{1H}
DEPT - závislosti intenzit signálů na úhlu 1H pulsu 45
90
135
CH
CH2
CH3
Horst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VCH, 2005
DEPT 13C
dec.
DEPT 45
DEPT 90
DEPT 135
C, CH, CH2 a CH3
CH, CH2 a CH3
CH
CH + CH3 CH2
Horst Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley VCH, 2005
Možnosti zpracování spekter na VŠCHT: Topspin (Bruker Biospin)
Možnost instalace ve vaší laboratoři !!!
Mnova NMR (dříve MestRe-C)
• K dispozici 45denní zkušební verze; plnohodnotná verze je zpoplatněná.
ACD/LABS ACD NMR Processor: • Možnost importu dat naměřených na VŠCHT.
• Zpracování a analýza 1D a 2D spekter.
• Na VŠCHT je dostupná celoškolní licence NMR Manager SUITE. Součástí tohoto balíčku jsou kromě 1D a 2D NMR procesoru i prediktory C, H, N, F a P NMR spekter a databáze. • Instalační soubory pro celoškolní licenci ACD/Labs v. 12 naleznete po připojení k serveru \\habr\install\Aplikace • Možnost stažení akademické verze ze stránek výrobce: (http://www.acdlabs.com/resources/freeware/)
ACD V LABORATOŘI NMR: NMR Manager Suite
ACD NMR Predictor: Rychlá a přesná předpověď 1H, 13C, 15N, 19F a 31P NMR spekter, chemických posunů a interakčních konstant. Výpočet 2D experimentů (COSY, HETCOR, TOCSY, HMQC/HMBC/HSQC).
ACD NMR Manager: Umožňuje import, zpracování a interpretaci 1D NMR dat a tvorbu databází experimentálních dat.
ACD NMR DB: Databáze obsahuje množství struktur a chemických posunů. (1H: 202 200 struktur,13C: 191 900 struktur, 15N: 9 097 struktur, 19F: 16 700 struktur, 31P: 27 200 struktur.)
Aldrich NMR Library for ACD/Labs: Databáze obsahuje 35 164 1H a 13C chemických stuktur.
