Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego Zastosowanie spektrometrii magnetycznego rezonansu jądrowego do określania struktury
związków organicznych (opracowała Anna Kolasa) Szczególną uwagę będziemy poświęcać następującym zagadnieniom:
1. Interpretacja widm NMR ze skomplikowanymi układami spinowymi
2. Wartości stałych sprzężenia i ich fundamentalne znaczenie w interpretacji widm NMR
i określaniu struktury związków organicznych (np. w różnie podstawionych pochodnych benzenu) 3. Zastosowanie widm NMR w badaniach stereochemii związków organicznych
4. NMR różnych jąder (1H, 13C, 19F) i sprzężenia heteronuklearne
Uwaga: Informacje dotyczące wymienionych zagadnień można znaleźć w następujących opracowaniach:
1) Witold Danikiewicz, Zaawansowane metody identyfikacji związków organicznych 2009/2010, wykłady 9 - 14; http://www.icho.edu.pl/PL/PhDWitDan/WD.htm
2) Jarosław Jaźwiński, Zaawansowane techniki NMR w chemii organicznej, wykład 5: NMR jąder innych niż 1H i 13C; http://www.icho.edu.pl/PL/PhDJarJazw/JJ.htm
Zadania
1. [1] Widmo 1H NMR poniższej pochodnej soli sodowej kwasu benzenosulfonowego (uwaga:
widmo wykonano dla roztworu tej soli w D2O, stąd intensywny sygnał resztkowy niezdeuterowanej wody ~ 5 ppm) wykazuje obecność diastereotopowych protonów grup -CH2-.
Oznacz je odpowiednio w poniższym wzorze cząsteczki:
H H
H H
H
O O
SO3 Na
Posługując się rozszerzonym w zakresie 1,5 – 4,0 ppm zapisem widma poniżej przypisz poszczególne sygnały odpowiednim protonom. Określ jakimi multipletami są poszczególne sygnały i podaj wartości odpowiednich stałych sprzężenia.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Dodatkowo, posługując się rozszerzonym zapisem sygnałów protonów aromatycznych zamieszczonym poniżej przypisz je precyzyjnie poszczególnym atomom wodoru w pierścieniach.
Wykorzystaj w tym celu intensywność sygnałów wynikającą z krzywej integracji oraz wpływ podstawników na przesunięcie chemiczne poszczególnych protonów.
2.[2] Hydroliza poniższej enaminy przeprowadzona na gorąco w mieszaninie etanolu i kwasu solnego dała po destylacji znad P4O10 produkt reakcji, którego widma IR, 13C NMR i 19F NMR zamieszczono poniżej.
Uwaga: Widmo MS tego zwiazku, zamieszczone w materiałach dotyczących spektrometrii masowej wykazało obecność pasma macierzystego przy m/z = 244.
F F
F S F S
F F
H N
1) , HCl aq/C2H5OH 2) , P4O10
?
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Zamieszczone poniżej widmo 13C NMR wykonano dwukrotnie: a) widmo odsprzęgnięte od protonów, b) widmo pełne z widocznymi wszystkimi sprzężeniami heteronuklearnymi. Ze względów technicznych, w celu zachowania odpowiedniej wielkości widm podzielono je na rysunku na dwie części: dolną – zakres przesunięć chemicznych 0 – 90 ppm oraz górną – zakres przesunięć chemicznych 90 – 190 ppm..
Posługując się wiedzą chemiczną oraz interpretując dokładnie dane spektralne zaproponuj strukturę tego produktu. Zwróć uwagę na możliwość tautomerii! Przeanalizuj dokładnie zamieszczony poniżej powiększony fragment widma 13C NMR z widocznymi sprzężeniami 13C z 19F.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Zamieszczone na następnej stronie widmo 19F NMR zarejestrowano wobec CFCl3 jako wzorca. Jest to wzorzec uniwersalny, ale widma 19F NMR rejestruje się zwykle wobec różnych związków fluorowanych (np. heksafluorobenzenu) w zależności od ich dostępności, jednak wartości przesunięć chemicznych podaje się zawsze przeliczone na te względem tego samego wzorca CFCl3.
W związku z tym, że sygnały fluoru grup CF3 są przesunięte w górę pola w stosunku do wzorca (sygnał nr 1), wartości ich przesunięć chemicznych są ujemne, jak to wynika z poniższych danych liczbowych:
No [ppm] Intensity 1 0.0002 8.696 2 - 39.3449 4.499 3 - 43.2144 13.484 4 - 46.1661 9.680
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
3. [4,5,6] Anilid kwasu benzoilooctowego reaguje w temperaturze pokojowej z wodnym roztworem formaldehydu dając, z wysoką wydajnością, w wyniku kondensacji Knoevenagla a następnie addycji Michaela dianilid kwasu 2,4-dibenzoilopentanodiowego. Cyklizacja tego produktu w nadmiarze wrzącego POCl3 daje już po 10 minutach z dobrą wydajnością trójpierścieniowy skondensowany układ heterocykliczny indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu. Również w tym przypadku zachodzi proces kaskadowy z odszczepieniem wody oraz aniliny:
Modyfikacja tej metody (np. użycie acetaldehydu czy benzaldehydu zamiast formaldehydu, aromatyzacja układu tetrahydropirydyny z użyciem siarki, czy też użycie anilidów kwasu benzoilooctowego podstawionych w pierścieniu benzoilowym) pozwoliły na zsyntetyzowanie następujących związków, których widma 1H i 13C NMR są przedmiotem tego zadania:
O O N H
2 +
HCHO
O O N
O O
NH H
POCl3 -H2O - C6H5NH2 ,
N O
O
O
N O
O
O N
O
O
O
N O
O
O
1
a) Porównując zamieszczone poniżej kolejno widma 1H NMR związku 1 i jego zaromatyzowanego analogu 2 zinterpretuj dokładnie zakres sygnałów 3 – 5 ppm w widmie związku 1. Taki obraz widma wskazuje na fakt, że protony grupy CH2 są diastereotopowe. Co jest tego przyczyną? Odczytaj wartości stałych sprzężenia oraz przesunięć chemicznych i przypisz je odpowiednim protonom.
(Uwaga: W celu odczytania wartości stałych sprzężenia w Hz należy przeliczyć wartości przesunięć chemicznych (lub odległości poszczególnych sygnałów) podane w ppm na wartości w Hz. Można to zrobić posługując się podanymi w tabeli po prawej stronie widma danymi dotyczącymi szerokości zapisu:
0,39960 ppm/cm; 199,85185 Hz/cm lub z faktu, że widma były rejestrowane na aparacie 500 MHz.) N
O
O
O
N O
O
O
N O
O
O Cl
4 5
ClD
D
6
7
N O
O
O F
F
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Widmo 1H NMR związku 1
b) Porównaj teraz analogiczny zakres 1 – 5 ppm zamieszczonego poniżej widma 1H NMR dla związku 3 czyli analogu metylowego. Z jakim układem spinowym mamy tu do czynienia? Zinterpretuj dokładnie przesunięcia chemiczne poszczególnych protonów i wartości stałych sprzężenia.
Widmo 1H NMR związku 2 222222212
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
c) Obejrzyj dokładnie analogiczny zakres zamieszczonego poniżej widma pochodnej 4, zawierającej podstawnik fenylowy w położeniu 4 pierścienia tetrahydropirydonu-2. Dlaczego sprzężenie wicynalnych protonów nasyconego fragmentu tego pierścienia jest prawie niewidoczne (3JH,H < 1 Hz) (sygnały w zakresie 4 – 5 ppm)?
(Uwaga: W celu wytłumaczenia tego problemu zbuduj model tej cząsteczki i posłuż się zależnością Karplusa- Conroya)
Widmo 1H NMR związku 3
d) Zajmijmy się teraz sygnałem 1H (d, J = 7,5 Hz) występującym regularnie we wszystkich widmach związków z tej serii czyli pochodnych indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu, przy wartości przesunięcia chemicznego ~ 5,5 ppm. Jego pochodzenie można częściowo wyjaśnić posługując się poniższym widmem związku 5, analogu związku 1, całkowicie zdeuterowanego w dwóch pierścieniach benzenowych. Jego wieloetapowa synteza była możliwa dzięki zastosowaniu kwasu pentadeuterobenzoesowego do otrzymania na drodze kondensacji Cleisena pentadeuterobenzoilooctanu etylu. Dalsza droga syntezy była analogiczna do wspomnianej na wstępie tego zadania. Jak widać z poniższego widma sygnał ten nie jest w nim obecny. Do jakich wniosków, dotyczących pochodzenia tego sygnału można dojść posługując się następującymi faktami:
niewątpliwie za sygnał ten jest odpowiedzialny jeden z protonów aromatycznych Widmo 1H NMR związku 4
444441
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
dane literaturowe dotyczące przesunięcia chemicznego protonów pierścienia benzoilowego wskazują, że nie może to być sygnał żadnego z nich
sygnał ten jest dubletem o stałej sprzężenia 7,5 Hz
Na podstawie tych przesłanej można więc ustalić, że sygnał ten należy do jednego z protonów aromatycznych układu indenowego. Które protony wchodzą w rachubę i co może być przyczyną tak silnego przesłaniania tego protonu? (Uwaga: należy poszukać w literaturze danych dotyczących anizotropii diamagnetycznej i stref odsłaniania i przesłaniania w sąsiedztwie pierścienia fenylowego oraz grupy karbonylowej).
Widmo 1H NMR związku 5 51
e) Pamiętając, że jeden z protonów aromatycznych układu indenowego daje sygnał przy 5,5 ppm i posługując się przesunięciami chemicznymi typowymi dla pierścieni fenylowych związanych z
fragmentem alkilowym, azotem amidowym oraz grupą ketonową (dane literaturowe) zinterpretuj, na ile to możliwe sygnały protonów aromatycznych w zamieszczonym poniżej rozszerzonym zapisie widma zakresu aromatycznego związku 4. Wykorzystaj krzywą integracji!
Widmo 1H NMR związku 4 – rozszerzony zakres sygnałów protonów aromatycznych
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
f) Jeśli w punkcie d) jako odpowiedź podano jedną z dwóch ewentualności, to zapewne w rozstrzygnięciu wątpliwości pomogą zamieszczone poniżej rozszerzone zakresy widma 1H NMR pochodnej chlorowej 6.
Po ich obejrzeniu nie powinno być już wątpliwości co do interpretacji sygnału 5,5 ppm.
Widmo 1H NMR związku 6 w zakresie 3,0 – 3,5 ppm
Widmo 1H NMR związku 6 w zakresie 4,7 – 5,4 ppm
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego
Widmo 1H NMR związku 6 w zakresie 6,5 – 8,0 ppm
g) Dodatkowo, spróbuj także zinterpretować zamieszczone poniżej widmo 13C NMR związku 6, przypisując możliwie największą liczbę sygnałów odpowiednim atomom węgla w cząsteczce.
Widmo 13C NMR związku 6
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego h) Po zaznajomieniu się z interpretacją widm NMR pochodnej chlorowej łatwiej będzie teraz przypisać sygnały w widmie 1H NMR analogicznej pochodnej fluorowej 7 . Pamiętajmy jednak, że tym razem wchodzą w grę sprzężenia heteronuklearne. (Uwaga: stałe sprzężenia 3JH,H i 3JH,F w układach
aromatycznych mają podobne wartości . I tak dla monofluorobenzenu[7] 3JH,F = 9,0 Hz, 4JH,F = 5,7 Hz a
5JH,F = 0,2 Hz). Zinterpretuj dokładnie poniższe widmo 1H NMR związku 7 . Aby ułatwić przypisanie sygnałów w zakresie aromatycznym podano także poniżej zapis rozszerzony.
Widmo 1H NMR związku 7
Literatura:
[1] Jamrozik J., Żesławski W.; Chem. Ber. 127 (12), 2471 – 2474 (1994)
[2] A. Kolasa, M. Lieb; J. Org. Chem. 1998, 63, 319 - 321
[3] A. Kolasa , J. Fluorine Chem 54 (1-3), 266 (1991)
[4] A. Kolasa, T. Jasiński; Selektywnie fluorowane pochodne indeno[1,2-b]pirydyno-2,5-dionu Zjazd Naukowy PTChem i SITPChem, Poznań 23-26.09.1996; komunikat S5-J2
[5] A. Kolasa; 1H NMR studies and stereochemistry of 1,2,3,4-tetrahydro-5H-indeno-[1,2-b]pyridine-2,5- dione; 5th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, Casta Papiernicka (Slovak
Republic) 14-17.06.1995 - poster PO 36 (Proceedings str. 104)
[6] A.Kolasa A. Kolasa: Synthesis, stereochemistry, and chemistry of indeno[1,2-b]-pyridine-2,5-dione system; 10th Blue Danube Symposium on Heterocyclic Chemistry, Wiedeń, Austria, 3 - 6.09.2003 (oral presentation) OP-6
[7] M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie, Georg Thieme Widmo 1H NMR związku 7 – rozszerzony zakres sygnałów protonów aromatycznych
