Rozdział 4. Wyniki własne i ich analiza
4.3 Sygnały generowane przez użyte w reakcji reagenty
W przypadku każdego z przeprowadzonych eksperymentów do układu reakcyjnego wprowadzano zarówno lakton, 1,1,3,3-tetrametyloguaindynę, oraz związki wielofunkcyjne jakimi są aminokwasy. Użycie tego typu reagentów skutkowało trudnościami w śledzeniu reakcji, gdyż zakresy występowania wielu grup funkcyjnych po prostu się ze sobą pokrywały. O jej postępie informowały nas widma FTIR zarejestrowane dla próbek uzyskanych z zatężonych mieszanin reakcyjnych. Pasma substratów niezbędne do oceny przebiegu reakcji oraz charakteryzujące produkty zestawiono w odpowiednich tabelach.
`
Tabela 4. Pasma substratów niezbędne do oceny przebiegu reakcji [52].
substancja badana typ badanej próbki pasmo [cm-1] transmitancja [%] źródło danych spektralnych
1781 11
sarkozyna pastylka w KBr
L-seryna pastylka w KBr pastylka w KBr
SDBS NO 3588 SDBS NO 10085
SDBS NO 5500
artykuł
38
klasa związku pasmo uwagi częstości [cm-1] strony
Amidy III rzędowe I pasmo amidowe (drganie rozciągające C=O )
Częstość niezależna od stanu
fizycznego analizowanej próbki. 1680-1630 100
Amidy II rzędowe
drganie rozciągające N-H (dla stężonych roztworów)
Pasma staja się multipletowe, ponieważ grupy amidowe mogą
łączyć się tworząc dimery o konformacji s-cis i polimery o
konformacji s-trans.
3330-3060 100
drganie rozciągające C=O ( I pasmo
amidowe) próbki stałe, ciekłe 1640-1680 100
drganie zginające N-H - 1570-1515 100
oddziaływanie pomiędzy drganiami
zginającymi N-H i rozciągającymi C-N - 1250 101
drgania wachlarzowe N-H poza
płaszczyznę - 800-666 101
Niesprzężone estry (inne niż mrówczany, octany)
drganie rozciągające C=O - 1750-1735 97
drgania rozciągające C-O tzn.
C-C(=O)-O - 1210-1163 98
drganie O-C-C estry alkoholi
pierwszorzędowych 1164-1031 98
Alkohole
Wolna grupa OH - 3700-3450 120
Wewnątrzcząsteczkowe słabe - 3704-3509 120
Wewnątrzcząsteczkowe silne - 2720 – 3200 120
gr. OH związane międzycząsteczkowo - 3120-3560 120
Nasycone drugorzędowe - 1080 - (≈1133) 120
Nasycone pierwszorzędowe - 1067 - 1100 120
Alkany o nierozgałęzionym łańcuchu. Drganie rozciągające C-H (3000-2840 cm-1)
asymetryczne drganie rozciągające grupy
metylowej (vas CH3) - 2962 83
symetryczne drganie rozciągające grupy
metylowej (vs CH3) - 2872 83
symetryczne drganie rozciągające grupy
metylowej (vs CH2) - 2853 83
asymetryczne drganie rozciągające grupy metylowej (vas CH2)
Ma stale położenie w widmie, gdy grupa metylowa jest przyłączona do innego atomu węgla. Intensywność tego pasma
dla każdej grupy metylowej w związku jest wyższa niż intensywność asymetrycznych,
symetryczne drganie zginające grupy
metylowej (δs CH3) - 1375 83
asymetryczne drganie zginające grupy
metylowej (δas CH3) - 1450 83
nakładanie się pasm drgań asymetrycznych na pasma drgań
nożycowych grup metylenowych - 1465 83
pasmo drgań nożycowych grupy
metylenowej (δas CH2) - 1465 84
metylenowe drgania wahadłowe grupy metylenowej (ρ CH2)
W drganiach tych wszystkie grupy metylenowe zginają się w
fazie, dla nierozgałęzionych alkanów o siedmiu lub więcej atomach węgla. W stanie stałym
może być dubletem
720 84
drgania skręcające i wachlarzowe grup metylenowych
Znacznie słabsze niż pasma pochodzące od metylenowych
drgań nożycowych. 1350-1150 84 anion
karboksylanowy
silne pasmo od asymetrycznego drgania
rozciągającego karbonylu - 1650-1550 96
słabsze symetryczne drgania rozciągające - 1400 96
Tabela 5. Pasma charakteryzujące produkty [53].
39 Wolna (niesprotonowana) 1,1,3,3-tetrametyloguanidyna generuje nie tylko sygnały drgań rozciągających N=C w ugrupowania N - C = N - (1592 cm-1) [54]oraz N-H w grupie C=N-H (3332 cm-1) [55], ale również szereg innych pasm np. przy 1501 cm-1 czy też 1390 cm-1. Z powodu silnych własności zasadowych związek ten łatwo ulega sprotonowaniu (pKa
= 23,3 w acetonitrylu) [1] tworząc kation 1,1,3,3-tetrametylowodoroguanidyniowy. Należy przy tym zauważyć, że w oczekiwanych produktach reakcji jest obecnych wiele grup funkcyjnych mogących wpływać na stopień związania protonu z guanidyną; zdolnych do uczestniczenia w wiązaniu wodorowym. W naszym przypadku jego obecność w układzie reakcyjnym najłatwiej byłoby wykazać poprzez brak peaków charakterystycznych dla wolnej guanidyny i zanikających po jej sprotonowaniu czyli wspomnianych 1592 cm-1 oraz 3332 cm-1. W miejsce pojedynczego sygnału drgania rozciągającego 1,1,3,3-tetrametyloguanidyny przy 1592 cm-1 za każdym razem obserwowano pojawienie się dwóch pasm w pobliżu 1600 cm-1 oraz 1570 cm-1. Często obserwowano również zanik pasm 1501 cm-1 oraz 1390 cm-1.
Dla każdej z przeprowadzonych reakcji oprócz 1,1,3,3-tetrametetrametyloguanidyny, laktonu użyto również aminokwas (sarkozyny, L-seryny, L-alaniny). O przereagowaniu tych reagentów pośrednio świadczyło już pojawienie się sygnałów charakterystycznych dla kationu 1,1,3,3-tetrametylowodoroguanidyniowego powstałego przecież wskutek zdeprotonowania ich formy obojnaczej. Obserwowano również niewielkie przesunięcie symetrycznego drgania rozciągającego karboksylanu (w okolicy 1400 cm-1) poza zakres typowy dla użytego aminokwasu tzn. w kierunku mniejszej częstości absorpcji. Dla aminokwasów nie zawierających podstawionej grupy aminowej obserwowano również zanik słabego pasma w zakresie 2222-2000 cm-1 [56] przypisywanego kombinacji asymetrycznych drgań zginających NH3+ i torsyjnych oscylacji grupy NH3+. Dla L-seryny był to sygnał przy 2043 cm-1, natomiast L-alaniny 2114 cm-1. Ze względu na podstawienie atomu azotu grupą metylową nie obserwowano tego pasma w przypadku sarkozyny. Choć sygnał ten jest słaby to jest cenny z punku widzenia potwierdzenia przereagowania
aminokwasu gdyż występuje w obszarze w którym pasm nie generuje zarówno lakton jak i guanidyna. Po zakończeniu reakcji w widmach mieszanin reakcyjnych nie obserwowano
również innych sygnałów mogących świadczyć o przereagowaniu L-seryny, L-alaniny, które zestawiono w tabeli. W reakcjach przebiegających z udziałem sarkozyny obserwowano zanik szeregu jej silnych pasm 3476 cm-1, 1643 cm-1, 1628cm-1, 1588 cm-1, 1410 cm-1 przy obecnosci jednego w poblizu 1384 cm-1. Gdyby pasmo obserwowane przy 1384 cm-1 nawidmach zarejestrowanych po zakończeniu reakcji było generowane przez sarkozynę, a nie produkt to powinniśmy zobaczyć również blisko trzykrotnie bardziej intensywny oraz wyraźniejszy sygnał przy 1410 cm-1, którego obecności jednak nie stwierdzono. W związku z tym należy sądzić, że najprawdopodobniej jakieś drganie charakterystyczne dla tego aminokwasu pojawiło się również w produkcie powstającym przecież w wyniku połączenia pierścienia laktonu z jego cząsteczką. O przereagowaniu sarkozyny dodatkowo świadczyły pojawiające się pasma grup funkcyjnych oczekiwanych produktów przykładowo reakcji z L-laktydem pojawiało się pasmo drgania rozciągającego grupy estrowej, a z D-pantolaktonem deformacje pasma po stronie większych liczb falowych przy 1600 cm-1, które można zinterpretować jako drganie rozciągające karbonylu
40 amidowego (I pasmo amidowe). Zauważono, że przedziałem w którym nie powinniśmy obserwować silnych sygnałów zarówno od aminokwasu jak i guanidyny jest rejon 1700 - 1800 cm-1. Przebieg procesu najwygodniej było więc monitorować obserwując zanik silnego pasma związanego z drganiami rozciągającymi C=O grupy estrowej laktonów [57]. Innym charakterystycznym sygnałem generowanym przez tę grupę związków są drgania
rozciągające C-O, a konkretnie C-C(=O)-O występujące w zakresie 1111-1250 cm-1. W widmach γ-laktonów drganie rozciągające C=O obserwuje się przy 1795-1760 cm-1,czyli
dla reakcji przebiegających z D-pantolaktonem był to sygnał o malejącej wraz z upływem czasu absorbancji przy 1780 cm-1. Wato nadmienić, że D-pantolakton dodatkowo generuje słabszy sygnał grupy hydroksylowej w pobliżu 3400 cm-1. Jednak ze względu na jej występowanie w cząsteczkach każdego z oczekiwanych produktów ta informacja nie stanowiła dla nas wartościowego sposobu oceny przebiegu reakcji. Dla L-laktydu obserwowano zanik pasm przy w pobliżu 1781 cm-1, 1773 cm-1, 1757 cm-1 oraz 1358 cm-1. Należy zauważyć, że w przypadku jego użycia pasmo estrowe powinno się również pojawić w produktach. To jednak nie przeszkadzało nam w analizie widm ponieważ zanikające sygnały przy 1781 cm-1, 1773 cm-1, 1757 cm-1 musiały pochodzić od użytego dilaktonu.
Natomiast pasmo, które pojawiło się w pobliżu 1735-1750 cm-1, i którego intensywność w miarę upływu czasu rosła musiało być w takim razie generowane przez ugrupowania
estrowe oczekiwanego produktu. Ze względu na jego słabość nie obserwowano innych drgań charakterystycznych dla absorpcji estrowej, czyli drgań rozciągających C-O tzn. C-C(=O)-O i C-C(=O)-O-C-C występujących w zakresie fingerprint. Absorpcja w środkowym zakresie widma (1300 – 900 cm-1) jest prawdopodobnie specyficzna dla każdej cząsteczki i z tego powodu jest zazwyczaj nazywana obszarem odcisku palca. Przebieg widma w tym rejonie jest zwykle złożony i zawiera pasm powstałe w wyniku wzajemnego oddziaływania drgań [58].
Zauważono podobieństwo w stosunku do innych związków zawierzających grupę hydroksylową w bezpośrednim sąsiedztwie estrowej np. mleczanu propylu (1740 cm-1), gdzie drganie to również występuje w dolnym zakresie absorpcji C=O nasyconych estrów alifatycznych (1735-1750 cm-1).
Na uzyskanych widmach FTIR zaobserwowano również pasma, których pojawienia się oczekiwano z powodu obecnej w cząsteczce produktu grupy amidowej. W przypadku obecności w nim grupy III-rzędowej obserwowano pojawienie się jedynie „rozszerzenia” po stronie większej liczby falowej pasma 1600 cm-1. Ową deformacje zinterpretowano jako efekt nakładania się na ten sygnał pierwszego pasma amidowego (drgania rozciągającego
C=O), które w przypadku grupy III – rzędowej występuje w przedziale 1630-1680 cm-1. Z taką sytuacją spotykano się jeżeli użytym do reakcji aminokwasem była sarkozyna.
W przypadku wykorzystania L-seryny, L-alaniny na widmie produktu obserwowano obecność podobnej nieregularności przebiegu sygnału w okolicach 1600 cm-1 i również
oceniono ją jako efekt nałożenia się na nie pierwszego pasma amidowego, które w przypadku grupy II–rzędowej występuje w przedziale 1640-1680 cm-1. Na jednym z uzyskanych widm tzn. reakcji piątej (przebiegającej z L-seryną) po 60 h wyraźnie widać
jak sygnał w pobliżu 1600 cm-1 silnie się nakłada na I pasma amidowe tak, że jest ono słabo
widoczne. Tłumaczy to dlaczego w przypadku wielu reakcji, szczególnie przebiegających z udziałem sarkozyny obserwowano jedynie rozszerzenie, deformacje sygnału przy 1600
41 cm-1, a nie samodzielny peak I pasma amidowego. Przecież sygnał drgania rozciągającego C=O dla III-rzędowej grupy amidowej (1630-1680 cm-1) może być generowany przy niższej
częstości niż w przypadku grupy II-rzędowej (1640-1680 cm-1). Dla produktów reakcji w których cząsteczkach oczekiwano obecności II-rzędowej grupy amidowej (o nr. 4, 5, 6)
zaobserwowano także pojawienia się deformacji sygnału w pobliżu 1570 cm-1 po stronie mniejszych liczb falowych związanej prawdopodobnie z nakładaniem się na nie II pasma amidowego (drganie zginającego N-H), które w tym zakresie powinno być obecne 1570-1515 cm-1. Często obserwowano także pojawienie się sygnału w okolicach 1250 cm-1 będącego wynikiem oddziaływania pomiędzy drganiami zginającymi N-H i rozciągającymi C-N oraz drgań wachlarzowych N-H poza płaszczyznę w zakresie 800 – 666 cm-1. Niekiedy również obserwowano pojawianie się w zakresie 3060-3300 cm-1 pasm multipletowych będących efektem łączenia się grupy amidowych w dimery o konformacji s-cis i polimery o konformacji s-trans.
Podsumowując brak pasm absorpcji charakterystycznych dla niesprotonowanej guanidyny, aminokwasu świadczył o ich wejściu w reakcje i utworzeniu nukleofila - soli aminokwasu i 1,1,3,3-tetrametyloguanidyny. Z kolei dowodem potwierdzającym zajście
reakcji addycji-eliminacji pomiędzy solą aminokwasu i 1,1,3,3-tetrametyloguanidyny, a danym laktonem było zanikanie pasm tego drugiego, przede wszystkim drgania
rozciągającego C=O jego grupy estrowej. Te dwie obserwacje dowodzą tego, że reakcja mogła iść w oczekiwanym kierunku tzn. do soli 1,1,3,3-tetrametylowodoroguanidyniowej odpowiedniego dimeru aminokwas-lakton. Na widmach zakończonych reakcji
obserwowano również obecność sygnałów, których pojawienia się należało oczekiwać z powodu ich obecności w cząsteczce produktu tzn. grupy amidowej o odpowiedniej
rzędowości, karboksylanowej, hydroksylowej oraz estrowej (jeżeli do reakcji użyto L-laktydu). Dla wszystkich przeprowadzonych reakcji w miarę upływu czasu obserwowano szerokie pasmo (od około 2600 cm-1 do nawet 3700 cm-1), którego pojawienie się wobec przereagowania aminokwasu można tłumaczyć jedynie tym, że jest generowane przez produkt. Wszystkie te obserwacje tzn. zanikanie pasm charakterystycznych dla substratów oraz pojawianie się sygnałów oczekiwanego produktu dowodzą tego, że produktami przeprowadzonych reakcji są sole 1,1,3,3-tetrametylowodoroguanidyniowe odpowiednich dimerów aminokwas-lakton.