Metody badań strukturalnych w biotechnologii Wykład IV Spektroskopia NMR – przesunięcie chemiczne

Wyznaczenie liczby równocennych i nierównocennych jąder dostarcza ważnych informacji strukturalnych i jest kluczowe w analizie widm 1H NMR. Na podstawie kryteriów symetrii lub podstawienia wyróżniamy następujące grupy atomów: - homotopowe, - enancjotopowe, - diastereotopowe

Protony homotopowe – kryterium symetrii: Protony, które w wyniku operacji symetrii (Cn) ulegają zamianie miejscami, tworząc cząsteczkę nieodróżnialną od wyjściowej.

Protony homotopowe – kryterium podstawienia: Protony, które można zastąpić (podstawić) kolejno dowolnym podstawnikiem achiralnym, uzyskując taki sam izomer.

Protony homotopowe Zastąpienie protonu na węglach C-1 i C-3 daje ten sam związek (1-chloropropan) Protony na węglach C-1 i C-3 są chemicznie równoważne i mają to samo przesunięcie ClCH2CH2CH3 CH3CH2CH2Cl H3CCH2CH3 7

Protony homotopowe CH3CH2CH2Cl

Protony enancjotopowe – kryterium symetrii: Protony, które są przemienne wobec inwersyjnej osi symetrii Sn.

Protony enancjotopowe – kryterium podstawienia: Protony, które zastąpione kolejno dowolnym podstawnikiem achiralnym X dają enancjomery.

Protony enancjotopowe CH2OH H3C H C CH2OH H3C Cl H C CH2OH H3C H Cl R S 11

Protony enancjotopowe

Protony diastereotopowe – kryterium symetrii: Protony, które są nieprzemienne wobec dowolnej operacji symetrii.

Protony diastereotopowe – kryterium podstawienia: Protony, które zastąpione kolejno dowolnym podstawnikiem achiralnym X dają diastereoizomery.

Protony diastereotopowe Zastąpienie protonu dowolną, inną resztą daje diastereomer Protony diastereotopowe mają różne przesunięcia chemiczne C Br H3C H d 5.3 ppm d 5.5 ppm 9

Protony diastereotopowe C Br H3C H d 5.3 ppm d 5.5 ppm 9

Chiralność rozpuszczalnika Przesunięcia chemiczne porównywanych protonów w rozpuszczalnikach:

OPIS UKŁADÓW SPINOWYCH Grupa jąder równocennych chemicznie i magnetycznie duża litera alfabetu Liczba jąder w grupie indeks cyfrowy u dołu tej litery Grupa jąder równocennych chemicznie, lecz nierównocennych magnetycznie te same litery alfabetu różniące się apostrofem

OPIS UKŁADÓW SPINOWYCH przykłady A3B A3KMX ABC ABCD A3B2

Liczba grup sygnałów pojawiających się na widmie 1H NMR zależy zatem od: - symetrii związku, - procesów dynamicznych zachodzących w cząsteczce, - obecności w sąsiedztwie heteroatomów, - chiralności używanego rozpuszczalnika, - bardzo zbliżonych lub przypadkowo takich samych przesunięć chemicznych nierównocennych protonów lub grup protonów

Czynniki wpływające na przesunięcie chemiczne: Gęstość elektronowa, Obecność wiązania wodorowego, Temperatura, Stężenie roztworu, Rodzaj rozpuszczalnika Obecność substancji paramagnetycznych

Gęstość elektronowa wokół protonu: Zmiana gęstości elektronowej powoduje wytworzenie indukowanego pola o innym natężeniu Zmniejszenie gęstości elektronowej – pole o mniejszym natężeniu – wartość δ rośnie – efekt odsłaniania Zwiększenie gęstości elektronowej – pole większym natężeniu – wartość δ maleje – efekt przesłaniania

Typowa lokalizacja przesunięć chemicznych na widmie 1H-NMR Niskie pole Wysokie pole (X = O, Hal) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 TMS

Elektroujemność wg Paulinga Wpływ elektroujemności podstawnika w CH3X na przesunięcie chemiczne grupy metylowej X Elektroujemność wg Paulinga Δ-CH3, ppm F O – Cl Br I S – H LI 4.0 3.5 (CH3)2O 3.0 2.8 2.5 2.5 (CH3)2S 2.1 1.0 4.26 3.24 3.05 2.68 2.16 2.08 0.23 -1.30

Gęstość elektronowa wokół protonu:

Wpływ występowania momentu dipolowego na wartość przesunięcia chemicznego: δ: 5.06; 13.5 1.33; -0.99 Obecność ładunku zdelokalizowanego jest przyczyną odsłaniania protonów (kation izopropylowy) lub przesłaniania protonów (etylolit).

Niewiązaniowe oddziaływanie elektronów – efekt Van der Waalsa Proton δ [ppm] H1 7.71 H2 8.12 H3 7.82 H4 7.88 H5,H6 8.93

Obecność wiązania wodorowego: δ: 10.60 ppm δ: 5.04 ppm Wiązania wodorowe powodują przesunięcie sygnałów protonów biorących w nich udział w kierunku pól o mniejszym natężeniu

Obecność wiązania wodorowego

Wpływ temperatury Temperatura wpływa na zmianę przesunieć chemicznych protonów związanych z heteroatomami – ma to związek z tworzeniem lub zrywaniem wiązań wodorowych

Stężenie roztworu Stężenie roztworu ma wpływ na przesunięcie chemiczne w przypadku grup wykazujących zdolność tworzenia wiązań wodorowych, np sygnał grupy –OH w fenolu w rozcieńczonych roztworach w CCl4 obserwuje się przy 4.25 ppm a w roztworach stężonych przy 6.75 ppm.

Rodzaj rozpuszczalnika Polarność rozpuszczalnika Anizotropia rozpuszczalnika – tworzenie kompleksów typu charge-transfer np. grupy metylowe N,N-dimetyloacetamidu z benzenem

Obecność substancji paramagnetycznych Tworzenie kompleksów metali przejściowych zmienia otoczenie chemiczne protonów i różnicuje ich przesunięcia chemiczne. Fakt ten jest wykorzystywany jako odczynniki przesunięcia chemicznego (shifts reagents) najczęściej stosowane są kompleksy Eu3+ i Pr3+