ZAAWANSOWANE METODYUSTALANIA BUDOWY ZWIĄZKÓW

ORGANICZNYCH

Witold Danikiewicz

Instytut Chemii Organicznej PANul. Kasprzaka 44/52, 01-224 Warszawa

CZĘŚĆ I

PRZEGLĄD METOD SPEKTRALNYCH

Program wykładów• Wprowadzenie: współczesny arsenał metod służących do

ustalania budowy cząsteczek związków organicznych.• Spektroskopia w podczerwieni.• Spektrometria mas.• Programy do obróbki i analizy widm oraz programy do

modelowania molekularnego.• Ogólna metodyka postępowania podczas ustalania budowy

cząsteczek związków organicznych.• Kompleksowe wykorzystanie metod spektralnych do

ustalania budowy cząsteczek:– proste przykłady związków alifatycznych i aromatycznych;– związki średnio złożone: terpeny i inne układy alicykliczne;– związki zawierające fluor i fosfor;– wybrane klasy związków o dużym znaczeniu: cukry, aminokwasy,

β-laktamy, terpeny;– analiza widm przykładowych związków bardzo złożonych.

IChO PANWARSZAWA

Źródła informacji

• Wykład – materiały dostępne na stronie WWW IChO PAN (przezrocza z wykładów i widma do samodzielnej interpretacji)

• Podręczniki i monografie• Internet

IChO PANWARSZAWA

Źródła informacji

Podręczniki i monografie• po polsku:

– R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle „Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych” PWN 2007.

– W. Zieliński, A. Rajca (red.) „Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych” WNT 1995.

• po angielsku:– T.N. Mitchell, B. Costisella „NMR – From Spectra to Structures”

Springer 2007 (dostępna w formie PDF).– Y-C. Ning „Structural Identification of Organic Compounds with

Spectroscopic Techniques” Wiley-VCH 2005.– E. Breitmaier „Structure Elucidation by NMR in Organic

Chemistry” Wiley 2007, wyd. 3.

IChO PANWARSZAWA

Źródła informacjiInternet – wybrane strony WWW:• IR, UV i inne spektroskopie + dużo chemii - b. dobre:

http://www.cem.msu.edu/~reusch/vtxtindex.htm• NMR, IR – b. dobre ćwiczenia: http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/• IR i inne spektroskopie - dobre: http://orgchem.colorado.edu/hndbksupport/spect.html• IR: http://wwwchem.csustan.edu/Tutorials/infrared.htm• NMR: http://science.widener.edu/svb/nmr/data.html• NMR – ćwiczenia: http://www.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html• NMR, IR (różności, m. in. obliczanie przesunięć 13C): http://www.science-and-fun.de/• NMR i inne informacje chemiczne - dobre tabele przesunięć chemicznych, symulacje:

http://www.chem.wisc.edu/areas/organic/index-chem.htm• Baza różnych widm: http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi• Różne bazy danych: http://webbook.nist.gov/chemistry/• Baza danych widm NMR: http://nmrshiftdb.cubic.uni-koeln.de/nmrshiftdb• Widma UV-VIS (mało): http://omlc.ogi.edu/spectra/PhotochemCAD/html/du98.html• Różności spektralne: http://www.chem.uic.edu/web1/OCOL-II/WIN/SPEC.HTM• Wszystkie spektroskopie – wiele odsyłaczy: http://www.spectroscopynow.com/

IChO PANWARSZAWA

Etapy pracy chemika - organika

1. Planowanie eksperymentu2. Wykonanie reakcji lub przeróbka materiału

biologicznego3. Wydzielanie i oczyszczanie produktu (produktów)4. Identyfikacja związków znanych5. Ustalanie budowy związków nowych6. Interpretacja wyników.....

..... i powrót do p. 1.

IChO PANWARSZAWA

Metody rozdzielania i oczyszczania związków organicznych

1. Metody klasyczneekstrakcjakrystalizacjadestylacjasublimacja

2. Chromatografiakolumnowabibułowacienkowarstwowagazowacieczowa wysokosprawna (HPLC)płynem w stanie nadkrytycznym (SCF)

3. Elektroforezabibułowacienkowarstwowakapilarna

IChO PANWARSZAWA

Klasyczne metody ustalania budowy związków organicznych

1. Analiza elementarna

2. Reakcje charakterystyczne grup funkcyjnych

3. Degradacja chemiczna i badanie jej produktów

IChO PANWARSZAWA

Metody spektralne stosowane do ustalania budowy związków organicznych

Podstawowe:• Magnetyczny rezonans jądrowy (MRJ, NMR)• Spektrometria mas (MS)• Spektrometria w podczerwieni (IR)• Spektrometria w nadfiolecie i świetle widzialnym

(UV-VIS)• Strukturalna analiza rentgenowska (Rtg, X-Ray)Rzadziej stosowane:• Dyspersja skręcalności optycznej (ORD) i dichroizm

kołowy (CD)• Spektrometria ramanowska• Elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR)

IChO PANWARSZAWA

Metody rozdziału sprzężone z metodami spektroskopowymi

• Chromatografia gazowa sprzężona z:spektrometrią masspektrometrią FT-IR

• Chromatografia cieczowa sprzężona z:spektrometrią UV-VISspektrometrią masspektrometrią NMR

IChO PANWARSZAWA

PRZEGLĄD METOD SPEKTRALNYCH STOSOWANYCH DO USTALANIA BUDOWY

ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

IChO PANWARSZAWA

ZAKRESY PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO, WYKORZYSTYWANEGO W NAJWAŻNIEJSZYCH METODACH SPEKTRALNYCH

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

UV-VIS RtgNMR IR

λ10-14 m104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

λν c= (c = 3 ⋅ 108 m/s)

IChO PANWARSZAWA

Spektrometria magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hz

νfale radiowe

mikrofaleIR

VISUV

Xγ

NMR

λ10-14 m104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

Zakres częstości: 60 – 1000 MHz (najczęściej 200 – 500 MHz)Zakres długości fal: 5 – 0,3 m

IChO PANWARSZAWA

Spektrometria magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:zmiana orientacji spinu jądra atomu o niezerowej liczbie spinowej I w polu magnetycznym.

• Postać wyniku pomiaru: widmo NMR jedno lub dwuwymiarowe, zestaw widm.

• Rodzaj dostarczanych informacji: liczba i wzajemne położenie atomów węgla i wodoru, szkielet węglowy, zawierające wodór grupy funkcyjne, stereochemia, położenie w cząsteczce innych atomów o niezerowej liczbie spinowej (np. F, P, N)

• Do czego można wykorzystać: ustalenie lub potwierdzenie kompletnej struktury cząsteczki z uwzględnieniem stereochemii; pomiary ilościowe.

IChO PANWARSZAWA

Spektroskopia w podczerwieni (IR)

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

IR

λ10-14 m

λν c= Zakres długości fal: 2,5 – 25 µm (10-6 m)

Zakres częstości: 1,2 ⋅ 1013 – 12 ⋅ 1013 Hz

Zakres liczb falowych: 400 – 4000 cm-1

(liczba falowa to odwrotność długości fali)IChO PANWARSZAWA

Spektrometria w podczerwieni (IR)

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:absorpcja promieniowania o częstości (energii) odpowiadającej energii poszczególnych rodzajów wzajemnych ruchów (drgań) atomów w cząsteczce.

• Postać wyniku pomiaru: widmo IR.• Rodzaj dostarczanych informacji: rodzaj grup

funkcyjnych i ich wzajemne położenie oraz rodzaj i położenie wiązań wielokrotnych w szkielecie cząsteczki.

• Do czego można wykorzystać: stwierdzenie lub potwierdzenie obecności określonych grup funkcyjnych i innych elementów struktury cząsteczki; identyfikacja związku przez porównanie jego widma z widmem wzorca.

IChO PANWARSZAWA

Spektroskopia w ultrafiolecie i świetle widzialnym (UV-VIS)

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

UV-VIS

λ10-14 m

Zakresy długości fal:

ultrafiolet: 200 – 400 nm

światło widzialne: 400 – 700 nm

IChO PANWARSZAWA

Spektroskopia w ultrafiolecie i świetle widzialnym (UV-VIS)

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:absorpcja promieniowania o częstości (energii) odpowiadającej energii wzbudzenia elektronów walencyjnych.

• Postać wyniku pomiaru: widmo UV.• Rodzaj dostarczanych informacji: stwierdzenie

obecności i rodzaju sprzężonych układów elektronów w cząsteczce (układy π i n elektronowe).

• Do czego można wykorzystać: obecnie niemal wyłącznie do analizy ilościowej oraz potwierdzenia budowy cząsteczki przez porównanie z widmem wzorca (raczej niepewne).

IChO PANWARSZAWA

Rentgenowska analiza strukturalna

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

Rtg

λ10-14 m

długość wiązania chemicznego, rozmiar cząsteczki

(np. C-C 1,54 ⋅ 10-10 m)

IChO PANWARSZAWA

Rentgenowska analiza strukturalna

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:dyfrakcja promieniowania w wyniku przejścia przez powierzchniowe warstwy monokryształu substancji.

• Postać wyniku pomiaru: współrzędne poszczególnych atomów w cząsteczce oraz w komórce sieci krystaliczej przedstawiane najczęściej w formie rysunku przestrzennej struktury cząsteczki lub komórki sieci.

• Rodzaj dostarczanych informacji: kompletna, przestrzenna struktura cząsteczki; konfiguracja absolutna.

• Do czego można wykorzystać: jeśli monokryształ ma odpowiednią jakość, to można uzyskać jednoznacznąinformację na temat przestrzennej struktury cząsteczki, w tym konfiguracji absolutnej oraz struktury sieci krystalicznej.

IChO PANWARSZAWA

Spektroskopia dichroizmu kołowego (CD)

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

UV-VIS

λ10-14 m

Zakresy długości fal:

ultrafiolet: 200 – 400 nm

światło widzialne: 400 – 700 nm

IChO PANWARSZAWA

Spektroskopia dichroizmu kołowego (CD)

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:absorpcja promieniowania o częstości (energii) odpowiadającej energii wzbudzenia elektronów walencyjnych – obserwuje się zróżnicowanie absorpcji promieniowania spolaryzowanego kołowo prawo- i lewoskrętnie.

• Postać wyniku pomiaru: widmo CD.• Rodzaj dostarczanych informacji: informacja o

chiralności substancji oraz konfiguracji jej cząsteczek.• Do czego można wykorzystać: do ustalania konfiguracji

względnej oraz absolutnej cząsteczek badanych substancji.

IChO PANWARSZAWA

Spektrometria mas (MS)

104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 Hzν

fale radiowemikrofale

IRVIS

UVX

γ

λ10-14 m104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10 10-12

???

Spektrometria mas?IChO PANWARSZAWA

Spektrometria mas (MS)

• Sposób oddziaływania promieniowania z cząsteczką:nie dotyczy – nie jest to metoda spektroskopowa.

• Postać wyniku pomiaru: widmo masowe, wartość masy.• Rodzaj dostarczanych informacji: wzór sumaryczny,,

klasa związku (alifatyczny, aromatyczny), obecnośćróżnych elementów struktury cząsteczki, sekwencja oligomerów, stereochemia.

• Do czego można wykorzystać: wyznaczenie lub potwierdzenie masy cząsteczkowej substancji i jej wzoru sumarycznego; uzyskanie informacji na temat budowy cząsteczki, a w sprzyjających okolicznościach ustalenie tej budowy; identyfikacja substancji przez porównanie jej widma masowego z widmami z baz danych.

IChO PANWARSZAWA

Modelowanie molekularne

Podstawowe metody modelowania molekularnego:

• Mechanika molekularna• Metody półempiryczne• Metody ab initio• Metody DFT (Density Functional Theory – Teoria

Funkcjonałów Gęstości Elektronowej)

IChO PANWARSZAWA

Modelowanie molekularne

Najważniejsze zastosowania:• Budowa przestrzenna cząsteczki i jej wpływ na widma (np.

stałe sprzężenia i efekty NOE w widmach NMR) i reaktywność chemiczną.

• Analiza konformacyjna (geometria konformerów, różnice energii, populacje konformerów).

• Struktura elektronowa cząsteczki (rozkład gęstości ładunku, kształty orbitali) i jej wpływ na przebieg reakcji.

• Obliczanie przesunięć chemicznych i stałych sprzężenia w widmach NMR.

• Obliczanie widm IR i Ramana.• Obliczanie widm CD

IChO PANWARSZAWA

Modelowanie molekularne

• PCModel v. 8.0 – mechanika molekularnaDobre procedury budowy modelu cząsteczki; po wstępnej optymalizacji metodami MM można dane przesłać do Gaussiana; wbudowana funkcja obliczania wicynalnych stałych sprzężenia na podstawie równania Karplusa. Dostępny w IChO PAN.

• Gaussian 03W – niemal wszystkie znane metody modelowaniaNajbardziej rozbudowany pakiet programów do modelowania molekularnego i obliczania najróżniejszych parametrów fizykochemicznych cząsteczek, w tym przesunięćchemicznych i stałych sprzężenia w NMR oraz widm IR i Ramana. IChO PAN dysponuje licencją na cały instytut dla wersji Gaussiana pod Windows (32 bit) i Linuksa (64 bit).

IChO PANWARSZAWA

Cykloheksan w programie

PCModel

IChO PANWARSZAWA

p-Nitrobenzaldehyd

IR UV MS

X-Ray lub obliczenia

1H NMR 13C NMRIChO PANWARSZAWA

Metody spektralne – zestawienie porównawcze

średniedużaśrednia lub wysoka

ciecz, ciało stałe

małe, średnie i duże

CD

b. wysokieb. małaniskamono-kryształ

małe i średnieRtg

wysokie lub bardzo wysokie

wysoka lub średnia

bardzo wysoka

gaz, ciecz, ciało stałe

bez ograniczeńMS

wysokie lub bardzo wysokie

średnia lub mała

niskaciecz, ciało stałe

małe i średnie, niektóre duże i bardzo duże

NMR

niskiedużaśrednia lub wysoka

gaz, cieczmałe i średnieUV-VIS

niskieśredniaśredniagaz, ciecz, ciało stałe

małe i średnieIR

KosztySzybkośćpomiaru

CzułośćStan skupienia

Wielkośćcząsteczek

Metoda

IChO PANWARSZAWA

Metody spektralne – zestawienie porównawcze

Interpretacja widma

Przygotowanie kryształu

Interpretacja widm

Obróbka widm (opcjonalnie) i ich interpretacja

Interpretacja widma

Interpretacja widma

Udział własny zleceniodawcy

Bardzo dużyKonfiguracja względna lub absolutnaCD

Bardzo dużyBudowa przestrzenna cząsteczkiRtg

Mały lub średniWzór sumaryczny, grupy funkcyjne, klasa związku (alifatyczny, aromatyczny), sekwencja oligomerów, stereochemia

MS

Duży i bardzo duży

Liczba i rozmieszczenie atomów węgla i wodoru, szkielet weglowy, zawierające wodór grupy funkcyjne, stereochemia

NMR

MałyUkłady sprzężone (π i n elektronowe)UV-VIS

MałyGrupy funkcyjne i ich wzajemne położenie

IR

Stopieńwykorzystania

informacji

Rodzaj dostarczanych informacjiMetoda

IChO PANWARSZAWA