Techniky měření a interpretace NMR spekter Bohumil Dolenský VŠCHT Praha místnost A28 linka 4110
NMR je nejsilnějším analytickým nástrojem k řešení struktury organický látek – královna strukturních metod.
Nedestruktivní metoda vyžadující jen několik mg látky. (často postačí i µg)
Studijní materiály na internetu Techniky měření a interpretace NMR spekter http://www.vscht.cz/anl/dolensky/technmr/index.html Výuka NMR na VŠCHT Praha http://www.vscht.cz/nmr/vyuka.html Řešené úlohy ze spektroskopie nukleární magnetické resonance http://nmr.sci.muni.cz/index.html J. P. Hornak: The Basics of NMR http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/ J. Urbauer: Introductory NMR http://tesla.ccrc.uga.edu/courses/4190/ W. Reusch: Spectroscopy http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/spectro.htm NMR Course, Queen's univesrity, Canada http://www.chem.queensu.ca/FACILITIES/NMR/nmr/webcourse/index.htm Spectral Database of Organic Compounds SDBS http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi C. A. Merlic et all: WebSpectra - Problems in NMR and IR spectra http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/ NMR Quide (Brucker Biospin http://triton.iqfr.csic.es/guide/ NMR Wiki http://nmrwiki.org/ Philosophy to Chemistry to Elucidation http://acdlabs.typepad.com/elucidation/ Hans J. Reich: Structure Determination Using NMR http://www.chem.wisc.edu/areas/reich/chem605/index.htm
Doporučená literatura • Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Wiley-VCH, 2005 • Sanders, Hunter: Modern NMR Spectroscopy – a guide for chemist, Oxford University Press, 1994 • Holík: Čtyři lekce z NMR, Univerzita J. E. Purkyně, 1987 • Pretsch, Bühlmann, Badertscher: Structure Determination of Organic Compounds: Tables of Spectral Data, Springer, 4th ed., 2009 • Claridge: High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, Volume 27, Second Edition (Tetrahedron Organic Chemistry), Elsevier Science, 2nd ed., 2008. • Richards, Hollerton: Essential Practical NMR for Organic Chemistry, Kindle Edition, 2011. • Breitmaier, Voelter: Carbon C13 NMR Spectroscopy, 3rd ed., VCH, 1990.
Měřitelná jádra ( isotopy ) Je-li hmotnostní i protonové číslo jádra sudé je jaderný spin nulový. Je-li hmotnostní číslo liché je Jaderný spin poločíselný.
1 1H
Je-li hmotnostní číslo sudé a protonové číslo liché je spin celočíselný.
12 6C
16 8O
3 13 6C 1H 2 1H
32 16 S
19 9F
14 7N
15 7N
31 15 P
Nukleární Magnetická Rezonance Všechny isotopy prvků, které mají nenulový jaderný spin (I > 0) lze v rámci NMR studovat PŘÍKLAD PRO I = ½
E
pro I = ½ je m = -½ Eβ = -m γ ћ Bo ∆E
2I + 1
= hν = Eβ - Eα = γ ћ Bo [J]
∼ 0.2 cal.mol-1
pro I = ½ je m = +½ Eα = -m γ ћ Bo Bo
0
Bo
β ν = γ Bo / 2π
α
[Hz]
Informace z NMR spektra H H OCH3
• Počet signálů
H H CH3O H H
• Chemický posun • Intenzita • Multiplicita • Tvar (pološířka) • ...
Počet signálů Počet signálů v NMR spektru
F
H
F
F
F
Cl
F
H
H
H
F
čisté látky odpovídá počtu chemicky neekvivalentních
F
F
O H
H F H
Br
jader.
Homotopní neboli chemicky ekvivalentní jádra jsou taková, která jsou v důsledku symetrie nerozlišitelná. H
Záměnou libovolného získáme stejnou látku jako záměnou jiného.
F
H
H
H
F
H
H
F
H
H
F
!!! Počet signálů odráží symetrii látky !!!
Počet signálů Za chemicky ekvivalentní lze považovat i jádra, která jsou ekvivalentní v důsledku rychlé rotace skupiny nebo jiné rychlé chemické výměny.
O H3C
H
O O
CH2 CH3
H3C
CH3
H3C
CH3 H
F
H
H
Br
Cl
H
H
Vodíky methylu jsou „vždy“ ekvivalentní.
H
Počet signálů - Chemická výměna Buď se jedná o skutečný chemický proces (reakci) nebo se jedná změnu konformace, například v důsledku rotace kolem vazby.
H
H O
Chemická výměna je na časové škále NMR
O
N
N
H
H
a) Rychlá = pozorujeme průměrnou hodnotu
O
b) Střední = pozorujeme velmi široký signál
O Me N Me
Me
Me N Me
Me
c) Pomalá = pozorujeme signály krajních stavů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
T
Tvar signálů
Počet signálů - Vliv teploty
O Me N Me
Me
k1
O Me N
k-1
Me
Me
Lze stanovit rychlost chemické výměny ( aktivační energii )
Inverze kruhu
Počet signálů - Vliv teploty
J. Am. Chem. Soc. 2004, 126 (42), 13714-13722
Chemická výměna – pomalá - střední - rychlá Koalescence: kkc ==ππ**∆ν ∆ν/ /√√22==2.22 2.22**∆ν ∆ν c
Počet signálů Enantiotopní jádra
Diastereotopní jádra
Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou enantiomery.
Záměnou jednoho nebo druhého vzniknou diastereomery.
F
F
H
H
Br
Br
F jsou v NMR „nerozlišitelná“
H
H
Br
Cl
F jsou v NMR rozlišitelné.
!!! NMR není chiroptickou metodou !!! Ale použitím chirálního prostředí (solventu, gelu) či chirálních posunových činidel lze studovat i jevy spojené s chiralitou látek.
Počet signálů
H3C
O
CH3
H3C
O
CH3
OH
H 3C
5
4
2
H3C
O
CH3
CH3
H3C
OH
CH3
CH3
3
4
H3C H3C
2
OH
Počet signálů OH HO
O
O
Zkusme nahradit jeden z CH2 vodíků například flurem
H
Me
Me H
H H
H
HO H
HO
H H
Me
Me
OH
Me
H Me
Informace z NMR spektra H H OCH3
• Počet signálů
H H
• Chemický posun
H
• Intenzita
CH3O H
• Multiplicita • Tvar (pološířka) • ...
Chemický posun signálů Hodnota chemického posunu odráží chemické okolí atomů. chemický posun δ [ ppm ]
Nezávisí na síle magnetického pole (pracovní frekvenci přístroje)
stínící konstanta σ [1]
Z rozsáhlých tabulek těchto hodnot lze usuzovat na možné strukturní fragmenty neznámé látky, nebo predikovat chemické posuny pro známou strukturu.
Chemický posun signálů v 1H NMR spektrech
Magnetická anizotropie Axiální vodíky více stíněny (chem. posun o cca 0,5 ppm nižší než ekvatoriální) HO
HO
OH
OH
O
5,18
HO
HO
H OH
O OH
O
H
4,69
CH3
7,27
CH3
O
7,97
9,07 O
H
+ vyšší chem. posun - nižší chem. posun
H
O
H
Magnetická anizotropie
-
kruhový proud H
H
H
H
H
H H
H H
-2.99 H
H H
H
H
H
H H
H
+9.28
N H N
N H N
δ (NH) ~ - 3 ppm δ (Ar-H) ~ 9 ppm
19F
NMR
31P
NMR
15N
NMR
Informace z NMR spektra H H OCH3
• Počet signálů
H H
• Chemický posun
H
• Intenzita
CH3O H
• Multiplicita • Tvar (pološířka) • ...
Intenzita signálu Intenzita signálu je přímo úměrná počtu chemicky ekvivalentních atomů, které reprezentuje; intenzita signálů je úměrná molárnímu zastoupení atomů. Známe-li počet vodíků v molekule (sumární vzorec), můžeme rozdělit vodíky do skupin. Je-li měřena směs látek A a B, pak poměr intenzit signálů IA / IB je roven molárnímu poměru látek násobenému poměrem počtu atomů reprezentovaným daným signálem pA.nA / pB.nB Tohoto lze využít ke stanovení molární hmotnosti či čistoty.
( Toto neplatí například v případě, že doba akvizice je výrazně kratší než relaxační čas atomů či dochází k NOE efektu. Typickým případem je 13C NMR měřené standardním způsobem. )
Intenzita signálů - příklady
O
H3C
CH3
2 3:2
H3C
O
O
H3C
CH3
4 3:2:2:3
CH3
OH
H 3C
5 3:2:2:2:1
CH3
H3C
OH
CH3
CH3
3 6:1:3
4 6:1:2:1
H3C H3C
OH
2 9:1
Informace z NMR spektra H H OCH3
• Počet signálů
H H CH3O H H
• Chemický posun • Intenzita • Multiplicita • Tvar (pološířka) • ...
Multiplicita signálu Multiplicita signálu je důsledkem spin-spinové interakce přes vazby. Je charakterizována počtem linií a interakčními konstantami J. Tříspinový systém ABM X A
H
Y
B
3J
AB
= 3JBA = 8,7 Hz
4J BM
= 4JMB = 3,0 Hz
HM
H
z
A
B
M
Multiplicita signálu – Počet linií Počet linií způsobený stejným druhem atomů je roven 2·I·n + 1, kde I je spinové číslo daného jádra a n je jejich počet. 3J HH
(2·½·3 + 1) = 4 ( kvartet q ) Interakce je vzájemná
CH3
CH2
O
CH3
Velikost je stejná 3JHH = 3JHH Multiplicita se může lišit.
3J HH
(2·½·2 + 1) = 3 ( triplet t )
Pro I = ½ je
multiplicita = n + 1
neboli
n = multiplicita – 1.
Ve spektrech lze dobře pozorovat interakce jader se spinem ½ ( 1H,
13C, 15N, 19F, 31P,
…). Interakce jader s vyššími spinovými čísly jsou občas pozorovány jako částečné rozšíření signálu, často pozorované jsou však interakce s deuteriem (2H má I = 1).
Multiplicita signálu – Počet linií AX
2·nx·Ix + 1 pro Ix = ½
nx + 1
pro I = ½
AX2
AX3
0
1
Singlet (s)
1
1 1
Dublet (d)
2
1 2 1
Triplet (t)
3
1 3 3 1
Kvartet (q)
4
1 4 6 4 1
Kvintet (kv)
5
1 5 10 10 5 1
Sextet (sex)
6
1 6 15 20 15 6 1
Septet (sep)
7
1 7 21 35 35 21 7 1
Oktet (oct)
8
1 8 28 56 70 56 28 8 1
Nonet (non)
MULTIPLICITA (počet linií) pro Ix = 1 13CDCl
2H, 14N,
...
3
2·nx·Ix + 1
B0
pro Ix = 1
2·nx + 1
m = -1
m=0
m = +1
2H, 14N,
MULTIPLICITA (počet linií) pro Ix = 1
...
13CD COCD 3 3
12CHD COCD 2 3
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 2 1 1 2 3 2 1 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1
2·nx·Ix + 1 pro Ix = 1
2·nx + 1
0
1
Singlet (s)
1
1 1 1
Triplet (t)
2
1 2 3 2 1
Kvintet (kv)
3
1 3 6 7 6 3 1
Septet (sep)
Multiplicita signálu – Počet linií Interaguje-li jeden druh atomů s více než jedním druhem atomů, pak výsledný počet linií je roven násobku počtu linií způsobených každým druhem atomů zvlášť, tj. (2·Ia·na + 1)·(2·Ib·nb + 1). Jinými slovy každá linie způsobená interakcí s jedním druhem atomů je rozštěpena na počet linií odpovídající počtu atomů druhého druhu.
qd CH3
CH2 t
CHBr2 t
Počet linií může být však „snížen“ v důsledku jejich překryvu. Ať už v důsledku náhodné shody velikosti interakčních konstant nebo důsledkem nedostatečného rozlišení. Multiplicita signálu spolu s velikostí interakční konstanty odráží množství a kvalitu jader vázaných v nejbližším okolí (jedna až tři vazby, často i více). Velikost interakční konstanty je značně závislá i na geometrii interagujících jader.
Počet signálů / integrální poměr signálů / multiplicita
H3C
O
CH3
2 3:2 t q H3C
O
O
H3C
CH3
4 3:2:2:3 t q-t t s
CH3
OH
H 3C
5 3:2:2:2:1 t q-t t-t t-d t CH3
H3C
OH
CH3
CH3
3 6:1:3 d hep s
4 6:1:2:1 d t-hep d-d t
H3C H3C
OH
2 9:1 s s
Multiplicita signálu – Interakční konstanta
nJ AB n
[ Hz ]
Hodnota může být kladná i záporná ( běžné měření → absolutní hodnota )
... počet vazeb mezi interagujícími jádry
A, B ... interagující jádra (homonukleární, heteronukleární)
Velikost interakční konstanty závisí zejména na: * druhu interagujících jader * počtu vazeb mezi nimi * jádrech, která je oddělují * prostorovém uspořádání.
Multiplicita signálu – Interakční konstanta 2JHH Geminální interakce 2JHH závislost na vazebném úhlu H
109° J = -12
Y
-
H
X
H
-
120° J = +3 až -3
H2C
-
H
Multiplicita signálu – Interakční konstanta 3JHH Interakční konstanty 3JHH mají velikost 0-18 Hz v závislosti na dihedrálním úhlu φ
Karplusova rovnice
17 15
3J
13
HH
φ
11 9
H
H
7 5 3 1
Konformační analýzy
-1 0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Multiplicita signálu – Interakční konstanta 3JHH
3J
C.A.G. Haasnoot, F.A.A.M. DeLeeuw and C. Altona
HH
Tetrahedron 36 (1980) 2783-2792.
φ H
online applet: http://www.stenutz.eu/conf/haasnoot.php H K.G.R. Pachler J. Chem. Soc., Perkin Trans (1972) 1936-1940. online applet: http://www.stenutz.eu/conf/pachler.php
1H
NMR ddddq
H
Me
d
H dddd
H ddd H ddd
H
HO ddd (d?) H
H dddd
s br s (d?)
dddd
H
1. Počet signálů ?
d 2. Multiplicita signálů ? Uvažujte pouze 3JHH interakce.
dddd
Me
H dddd
dqq
Me
d
Informace z NMR spektra H H OCH3
• Počet signálů
H H CH3O H H
• Chemický posun • Intenzita • Multiplicita • Tvar (pološířka) • ...
Tvar signálu
–
OH, NH, SH, ...
Obvykle: * Široké signály * Posun silně závislý na koncentraci a teplotě * Vyměnitelné s D2O
Tvar signálu
–
OH, NH, SH, ...
Tvar signálu
–
střechový efekt ( roof effect )
Vliv pracovní frekvence na vzhled spektra
viz applet na http://rkt.chem.ox.ac.uk/teaching.html
Tvar signálu
–
velmi malé interakce
Heteronukleární interakce I = ½
19F, 31P, 13C, 15N,
(2·I·n + 1)
...
Spektrum 1H NMR
d
H H OCH H3 H
O
H
13C1H 3
CH H3O H
q
H
H
H
H
H
Pozorujeme štěpení s 13C ?
Jaderný spin I Výskyt [%] NMR
%
12 6C 0 98,9 NE
1 1H ½ ~ 100 ANO
13 6C ½ 1,1 ANO
2 1H 1 ~0 ANO
1H-1H
1H-12C
1H-13C
13C-13C
100
99
1
0,01
%
1H-1H
1H-12C
1H-13C
13C-13C
100
99
1
0,01
CH3 CH3 H3 C H3 C
CH3
H3C
CH3 H3 C
CH3 H3 C
H3 C
CH3 H3 C
CH3 H3 C
CH3
CH3 H3 C
CH3 H3 C
CH3 H3 C
Spektrum 1H NMR 0,479 ppm * B0 = 143,7 Hz
d
H H OCH H3 H
O
H
13C1H 3
CH H3O
Pozorujeme !!!
H
q
H
H
H
H
H
13C
NMR ... 1H-13C versus 1H-12C ... izotopový efekt 12CH
1J 1
H-13C
lna v í n rál integ
3
= 126 Hz
13C
dekapling
zvýšená intenzita spektra 13C
satelity 13CH
3
spektrum integrální intenzita
izotopový efekt
Chemický posun vodíků na 13C a 12C je „stejný“.
chemický posun
Spektrum 1H NMR - Satelitní signály versus rotační signály
13C
NMR ... Desymetrizace molekuly HA
A
HB
H
HD
HA
HB
ttq H3C
B
13C
C
dddq A
CH3A = CH3B
H A = HC = HB = HD
CH3A = CH3B
CH3B
H3C C
A
H A = HB = HC = HD
CH3
H
HD
HA
HB
spektra vyšších řádů
H A = HC = HB = HD
13C
B
H3C
CH3 C
H
chemicky ekvivalentní H A a HC ( HB a HD ) magneticky neekvivalentní
HD
CH3A = CH3B
1J
HC
= 120 – 320 Hz hybridizace sp
C(sp3)
120-150 Hz
C(sp2)
150-220 Hz
C(sp)
250-320 Hz
250 H
269 N
H
hybridizace sp2 160
200
O
H
H
180
205
N
H
H
N
N
hybridizace sp3 O
125
vliv velikosti cyklu
H
H
H
H
134
161
H
129
H
125 140
N O
H
176
O
145
H
H
H
150
O 145
O 140
H
O O
170 H
13C
NMR
H
Me H
H H
H
HO H
H H Me
H Me
13C
NMR ... Počet signálů CH3
Kolik signálů bude mít látka v 13C NMR spektru?
Deset. Stejné principy jako u 1H NMR. Methyly i-Pr skupiny jsou diastereotopní. HO
Budou všechny signály od jedné „látky“ ? H3C
CH3
CH3
HO H3C
CH3
HO CH3
H3C
CH3
HO H3C
Ne. Přirozený výskyt 13C je 1,07 %
HO CH3
H3C
CH3
HO CH3
CH3
H3C
HO CH3
H3C
CH3
HO CH3
CH3
H3C
HO CH3
H3C
CH3
HO CH3
CH3
H3C
CH3 CH3
HO CH3
H3C
CH3
Izotopomery
13C
NMR ... Integrální intenzita signálů
Stejná jako v 1H NMR spektru, tj. odpovídá počtu ekvivalentních jader. Ale značně závislá na způsobu měření neboť 13C jádra mají velmi rozdílné relaxační časy ...
Obvykle tedy v 13C neintegrujeme ... Ale! Mají-li uhlíky blízké relaxační časy, pak je lze integrovat: např. fenyl skupina, směsi rotačních či konfiguračních izomerů, atp. Počet vodíků, respektive množství spin-spin interakcí zrychluje relaxaci 13C.
13C
NMR ... Multiplicita 13C signálů
Jaké nepřímé spin-spinové interakce lze očekávat? Pouze s jádry mající významné přirozené zastoupení izotopů mající jaderný magnetický spin I = ½. Pozor na izotopově obohacené látky.
Způsobí multiplicitu signálů 13C jader ? ANO NE ( DEUTEROVANÁ ROZPOUŠTĚDLA ANO ) NE ( NEPATRNÝ VÝSKYT ) NE ( NULOVÝ JADERNÝ MAGNETICKÝ SPIN ) NE ( NÍZKÝ VÝSKYT ) NE ( KVADRUPÓLOVÝ MOMENT ) NE ( NÍZKÝ VÝSKYT ) NE ( NULOVÝ JADERNÝ MAGNETICKÝ SPIN ) ANO ANO
1J CH
>>>
110 - 150 - 350 Hz
3J CH 0 - 8 - 20 Hz
2J CH
>
~
0 - 2 - 60 Hz
jemná struktura multipletu
multiplicita
CH3 → kvartet CH2 → triplet (dublet dubletů) CH → dublet C
→ singlet
4J CH
< 3 Hz
NMR ... Spektrum
CDCl3
13C
CH3
HO H3C
CH3
13C
NMR ... Šumový (širokopásmový) dekapling
Standardně se 13C NMR spektra měří s dekaplingem 1H CH3
HO H3C
Spektrum prvního řádu 13C
CH3
NMR nedekaplované
Spektrum nultého řádu
Nárůst intensity signálů oproti CDCl3
13C{1H} 1H
NMR
dekaplované
( 19F, 15N, ... )
13C
NMR ... Multiplicita signálů
CH3
HO H3C
CH3
13C
NMR ... Dekapling 1H
13C
NMR dekapling OFF or ON, and APT CH3
HO H3C
CH3
C and CH2 CH and CH3
13C
NMR ... Princip FT NMT, relaxace, relaxační časy
CH3
HO H3C
APT
CH3
Heteronuclear
13C-1H CH3
APT
HO CH3
~ 124 Hz
~ 140 Hz
H3C
J-resolved 2D NMR
Heteronuclear 13C-1H J-resolved 2D NMR
Heteronuclear 13C-1H J-resolved 2D NMR
13C
NMR ... J-resolved, APT,
13C, 13C{1H}
NMR spektra
APT
CH3
HO H3C
CH3
13C
NMR ... Nevýhody nedekaplovaných spekter
Nízká citlivost
CH3
Často jen obtížně interpretovatelné informace ( složité multiplety, desymetrizace molekuly, spektra vyšších řádů ) HO H3C
124,4 Hz 124,3 Hz
CH3
13C
NMR ... Chemické posuny
CH3
HO H3C
CH3
13C
NMR ... Predikce chemických posunů
experimentální spektrum
predikované spektrum
