7/8. Metody identyfikacji i określania

7/8. Metody identyfikacji i określania

struktury związków organicznych

Metody identyfikacji związków organicznych

Metoda: Informacja:

1. Analiza elementarna Skład pierwiastkowy, wzór sumaryczny

2. Spektrometria mas Masa cząsteczkowa, fragmenty strukturalne

3. Spektroskopia UV-Vis Układy sprzężone, chromofory 4. Spektroskopia IR Grupy funkcyjne

5. Spektroskopia NMR Skład i ułożenie atomów

Spektrometria mas

W spektrometrii mas badana cząsteczka ulega jonizacji (np. w wyniku poddania działaniu strumienia elektronów) i rozpadowi.

Naładowane produkty fragmentacji są rozdzielane w polu magnetycznym i wykrywane przez detektor.

M e

M + 2e

fragmentacja

Obraz graficzny widma masowego

jon (pik) molekularny jon (pik) o największej intensywności

2,4 - dimetylopentan

jony fragmentaryczne

Widmo jest zależnością względnej intensywności strumieni jonów (oś rzędnych) i stosunku ich masy do ładunku, m/z, oś odciętych).

Intensywność względna odnosi się do jonu o największym natężeniu (100%). Wartości m/z podawane są bezwymiarowo.

Pasmo izotopowe

249 – jon

molekularny (masa cząsteczkowa

związku)

250 – pasmo izotopowe (izotop ¹³C)

C_max = (I_M+1/I_M) / 1.1 Maksymalna ilość atomów węgla:

W związkach organicznych pikowi

molekularnemu [M]⁺ (dla przeważającego izotopu ¹²C, towarzyszy zawsze pik izotopowy [M+1]⁺ (¹³C). Procentowy udział cięższego izotopu węgla to około 1,11%.

Intensywność piku [M+1]⁺ w stosunku do [M]⁺ wynika zatem z liczby atomów C w cząsteczce.

Inne izotopy

Np. ⁷⁹Br i ⁸¹Br (100 : 98).

Wysokorozdzielcza spektrometria mas

HR MS podaje masę cząsteczkową z dokładnością do kilku miejsc po przecinku. Pozwala to jednoznacznie rozstrzygnąć wzór sumaryczny (zastępuje analizę elementarną).

Np. cząsteczka o masie 44 może mieć wzór sumaryczny: C₃H₈, C₂H₄O, CO₂ lub CN₂H₄. Dla każdego z nich można obliczyć dokładną masę:

C₃H₈ C₂H₄O CO₂ CN₂H₄

44.06260 44.02620 43.98983 44.03740

Jeśli zmierzona masa wynosi np. 44.026, to wiadomo, że chodzi o możliwość C₂H₄O.

Fragmentacja

Kolejność pierwszego „wybicia” elektronu: orbitale niewiążące (wolne pary elektronowe), orbitale typu π > orbitale typu σ

Fragmentacja

Fragmentacja

Szczególnie trwałe są kationy stabilizowane mezomerycznie np.:

tropyliowy

Fragmentacja

Rozszczepienie α kationorodnika:

Przegrupowanie McLafferty’ego – eliminacja fragmentu nienasyconego:

Opis widma masowego

jon (pik) molekularny

2,4 - dimetylopentan

MS (m/z): 100 (M), 85, 57, 43, 41 (100%), 39

85 57 43 41 39

Spektroskopia

Różne zakresy promieniowania są wykorzystywane w technikach analitycznych.

UV

X

IR

g

Energia [kcal/mol]

300-30 300-30 ~10^-4

> 300 ~10^-6

Vis

Częstotliwość, n [Hz]

~10¹⁵ ~10¹³ ~10¹⁰ ~10⁵

~10¹⁷

~10¹⁹

Długość fali, l [nm]

10 nm 1000 nm 0.01 cm 100 m

~0.01 nm

~.0001 nm

Wzbudzenia jądrowe (PET)

Dyfrakcja (Krystalografia Rtg.)

Wzbudzenia elektronowe (p → p*)

Drgania cząsteczek

Rotacja (NMR)

Widma absorpcyjne

Absorbancja – natężenie światła

padającego do przechodzącego przez ośrodek (w skali logarytmicznej),

stosowane w spektroskopii UV-Vis maksimum absorpcji

Transmitancja – stosunek natężenia światła przechodzącego do padającego (wyrażony w %), stosowany w IR

maksimum absorpcji

Absorpcja w świetle widzialnym

Przejścia elektronowe

 





hv

p p





p p

p p

etylen

l_max = 165 nm  = 10 000 wiązania podwójne

Przejścia elektronowe

aceton wiązania podwójne C=O





hv

p p

n





p p

n

p

n

p p

l_max = 279 nm  = 15

Chromofory

Dodatkowe sprzężenia obniżają przerwę energetyczną HOMO-LUMO i przesuwają pasma absorpcji w kierunku dłuższych fal.

butadien: l_max = 217 nm  = 21 000 aldehyd akrylowy: l_max = 218 nm

l_max = 320 nm

Inne chromofory:

NO ₂ C N N N N N

Benzen

λ_max = 198 nm (ε = 8000) i λ_max = 256 nm (ε = 200)

Prawo Lamberta-Beera

 - molowy współczynnik absorpcji dm³  mol^-1  cm^-1 A = log(I₀/I₁)

A = lc

Spektroskopia IR

H H

C

H H

C

nożycowe

asymetryczne

H H

C C

H H

C C

H H

C H C

H C C

symetryczne

wahadłowe skręcające wachlarzowe

w płaszczyźnie poza płaszczyzną

Drgania rozciągające (wzdłuż wiązań):

Energia zaabsorbowanego promieniowania elektromagnetycznego zmienia stany wibracyjne cząsteczek (zmiana długości i kątów wiązań).

Drgania deformacyjne (zginające):

n

Wygląd ogólny widma

T r a n s m i t a n c j a

cm^-1 [%]

Transmitancja ~100%, próbka nie absorbuje

Pasma absorpcji

mm

Co identyfikujemy ?

Identyfikujemy głównie drgania rozciągające charakterystycznych wiązań, zatem sprawdzamy

obecność grup funkcyjnych

Przykład

C-C, C-O, C-N

Najważniejsze pasma absorpcji

WIĄZANIE TYP ZWIĄZKU ZAKRES ABSOPCJI, cm^-1

O-H alkohole 3200-3650 (s, br)

kwasy 2500-3100 (s,br, rozmyte)

N-H aminy 3300-3500 (m)

C-H alkeny i zw. aromatyczne 3020-3100 (m)

alkany 2850-2960 (m)

C≡C alkiny 2100-2260 (v, zwykle m)

C=O zw. karbonylowe 1670-1780 (s)

C=C alkeny 1640-1680 (v, zwykle m)

zw. aromatyczne 1450-1600 (v, zwykle m)

C-O alkohole, etery, estry, … 1050-1275 (s)

C-N aminy 1030-1230 (m)

Zadanie

Widmo IR jakiego związku przedstawiono?

a) 1-bromopentan b) 1-pentanol

c) 2-pentanon

d) 2-metylopentan

Zadanie

Widmo IR jakiego związku przedstawiono?

a) 1-bromopentan b) 1-pentanol

c) 2-pentanon

d) 2-metylopentan

Zapis formalny

IR (cm^-1): 3340 (s, br, n_O-H), 2860, 2930, 2940 (s, n_C-H), 1450 (m, d_C-H), 1060 (s, n_C-O)

Strong (s) – transmitancja niska (0-35 %)

Medium (m) – transmitancja średnia (75-35%) Weak (w) – transmitancja wysoka (90-75%)

* Broad (br) – sygnał poszerzony

Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego

Jądro atomu o nieparzystej liczbie atomowej lub masowej posiada niezerowy spin. Jadra takie mają moment magnetyczny.

Zachowują się jak magnesy i mogą przyjmować określone orientacje w zewnętrznym polu magnetycznym.

1

H NMR

W najprostszym przypadku (I = ½), tak jak dla jądra wodoru, mogą istnieć dwie orientacje: zgodna i przeciwna do kierunku

zewnętrznego pola magnetycznego.

Odpowiada to dwu różnym

poziomom energetycznym. Różnica energii zależy od rodzaju jądra oraz natężenia przyłożonego pola.

E = h n = h (g/2p) B₀

Naświetlenie promieniowaniem o odpowiedniej energii (długości fali)

powoduje jego absorpcję i osiągnięcie wyższego poziomu energetycznego.

Jest to tzw. kwantowy warunek rezonansu.

Aparat

W praktyce stosuje się promieniowanie o stałej częstotliwości, a płynnie zmienia natężenie pola osiągając rezonans dla każdego z protonów.

Obraz widma

H NMR

1. Liczba sygnałów wskazuje liczbę nierównocennych grup protonów cząsteczce, np. 3 w acetylooctanie metylu:

Widma na podstawie: Paula Yurkanis Bruice, Organic Chemistry 4^th Edition https://wps.prenhall.com/wps/media/objects/724/741576/chapter_14.html

Obraz widma

H NMR

Sygnały przedstawione są jako zmiany częstotliwości w stosunku do wzorca (TMS) – do kilkuset Hz.

Różnice te są niewielkie w stosunku do częstotliwości generatora (60-1000 MHz), aby ułatwić porównanie definiuje się tzw. przesunięcie chemiczne.

Obraz widma

H NMR

2. Przesunięcie chemiczne:

przesunięcie względem wzorca [Hz]

d = x 10⁶ ppm (part per million) częstotliwość aparatu [Hz]

Przesunięcie chemiczne (położenie na skali) jest określone przez

sąsiedztwo elektronowe protonów.

Badane jądra mogą odsłaniane lub przesłaniane.

odsłanianie przesłanianie

Wzorzec ma oczywiście wartość d = 0 ppm.

Przesunięcia chemiczne

Orientacyjne wartości przesunięć chemicznych w zależności od sąsiedztwa badanego protonu (rosnące odsłanianie):

Uwaga: protony połączone z heteroatomami mają zmienne położenie, często też nie są widoczne (wymiana z rozpuszczalnikiem) !!!

Przesunięcia chemiczne

Przesunięcia chemiczne do zapamiętania:

-C-H alifatyczne d = 0.8 ÷ 1.8

=C-H nienasycone d = 4.5 ÷ 6.0

=C-H aromatyczne d = 7.0 ÷ 8.5

X-C-H d = 2.0 ÷ 4.5

CO-H d = 9.0 ÷ 10.0 COOH d = 11.0 ÷ 12.0

C_al-H X =

alken, fenyl, acyl, …

X = alken, fenyl, acyl, azot, halogen, tlen

Dalsza analiza widm

H NMR

Oprócz liczby sygnałów i ich przesunięcia chemicznego z widm odczytujemy również:

3. Integrację (scałkowane pole pod krzywą sygnału) – pokazuje nam względną intensywność pików

~ 6 jednostek

~2 jednostki

Integracja sygnałów na widmie eteru metylowo-tert-butylowego wynosi 1:3. Oznacza to 4 protony (lub wielokrotność) w cząsteczce.

Przykład

4 singlety o integracji 0.5 : 1 : 1.5 : 3, po sprowadzeniu do najniższych liczb całkowitych, oznacza 12 protonów lub ich wielokrotność w cząsteczce (1:2:3:6).

sumarycznie

~6 jednostek

Dalsza analiza widm

H NMR

4. Multipletowość

Sygnały rzadko mają charakter pojedynczych pików absorpcji (singletów), częściej maja subtelną strukturę (multiplety).

tryplet multiplet dublet

Multipletowość

OH

Me OH

Me

Multipletowość sygnałów zależy od ilości protonów sąsiadujących z rozpatrywaną grupą.

Np. sygnał protonów grup metylowych w izobutanolu jest dubletem ponieważ mają 1 sąsiadujący z nimi proton (reguła N +1).

Sprzężenia spinowo-spinowe

Multiplety są wynikiem oddziaływań z sąsiadującymi protonami – sprzężenia spinowo-spinowe.

Np. w widmie 1,1,2-tribromoetanu obserwowane są dwa sygnały:

dublet o integracji 2, oraz tryplet o integracji 1.

Sprzężenia spinowo-spinowe

Sygnał grupy CH^b₂ podwaja się ze

względu na dwa możliwe stany spinowe sąsiadującego protonu.

wzmocnienie zewnętrznego pola

osłabienie zewnętrznego pola

Sprzężenia spinowo-spinowe

Sygnał grupy CH^a potraja się ze względu na cztery (dwa o sumarycznym zerowym

wpływie) możliwe stany spinowe sąsiadujących protonów.

Sygnały w tryplecie nie są równej intensywności (1:2:1).

Sprzężenia spinowo-spinowe

Liczba sygnałów spełnia regułę N + 1 (N – liczba sąsiadujących protonów), natomiast intensywność subtelnych pas absorpcji jest zgodna z trójkątem Pascala:

liczba sąsiadów multipletowość sygnału integracja

0 1 (singlet) 1

1 2 (dublet) 1 1

2 3 (tryplet) 1 2 1

3 4 (kwartet) 1 3 3 1

4 5 (kwintet) 1 4 6 4 1

5 6 (sekstet) 1 5 10 10 5 1

6 7 (septet) 1 6 15 20 15 6 1

Przykład: grupa etylowa

q t

Przykład: grupa izopropylowa

h d

Stałe sprzężenia

Sprzężenia złożone

Sąsiadujące protony nierównocenne oddziałują w różny sposób (stała sprzężenia ma inną wartość).

H

H

H

styren

dd

Zapis formalny

1H NMR (CDCl₃, 300 MHz) d: 0.95 (t, J = 6.7 Hz, 3H, CH₃), 1.50 (m, 2H, CH₂), 2.20 (s, 1H, OH), 3.70 (t, J = 7.1 Hz, 2H, CH₂).

OH

Zadanie – jaki to związek?

1H NMR (CDCl₃, 300 MHz) d: 1.25 (t, J = 7.2 Hz, 3H, CH₃), 2.05 (s, 3H, CH₃), 4.20 (q, J = 7.2 Hz, 2H, CH₂).