Analisis Struktur Sebatian Organik Menggunakan Spektrum 2D - NMR

Dalam ruangan ini, kami akan menerangkan analisis struktur sebatian organik dengan menggunakan spektrum 2D-NMR.

Analisis Struktur NMR satu dimensi (1D-NMR)

NMR satu dimensi (1D-NMR) ialah ukuran paling asas spektroskopi NMR, di mana spektrum dipaparkan di sepanjang paksi mendatar (anjakan kimia). Seperti yang diperkenalkan dalam lajur sebelumnya, maklumat tentang anjakan kimia, nisbah integrasi, dan corak pemisahan (gandingan) digunakan untuk menganalisis struktur objek. Walau bagaimanapun, mungkin sukar untuk melakukan analisis struktur menggunakan hanya data 1D-NMR apabila bilangan isyarat yang dikesan adalah besar, apabila isyarat muncul dalam kedudukan bertindih, atau apabila gandingan adalah kompleks.
Kaedah analisis spektrum dua dimensi (2D-NMR) yang diperkenalkan dalam lajur ini boleh digunakan secara meluas tanpa mengira objek yang akan dianalisis, kerana urutan asas langkah diikuti. Di samping itu, dengan mengikuti prosedur asas, walaupun pemula boleh melakukan analisis struktur secara mekanikal.

Apakah 2D-NMR?

2D-NMR ialah kaedah yang digunakan untuk menyemak struktur molekul yang lebih terperinci daripada 1D-NMR.
Oleh kerana terdapat banyak kaedah pengukuran 2D-NMR, di sini, kami memperkenalkan kaedah pengukuran perwakilan.

Analisis Struktur Menggunakan Korelasi Gandingan J

Kali ini kami memperkenalkan contoh analisis struktur menggunakan "J Coupling Correlation" iaitu interaksi melalui ikatan kimia. Analisis struktur sesuatu objek dijalankan dengan mengikut 4 langkah di bawah.

Dalam Langkah 1, kami menggunakan spektrum 1D-NMR bagi ¹³C dan DEPT untuk menentukan dan menganggar kumpulan atom dan kumpulan berfungsi.

Dalam Langkah 2, kami menggunakan HMQC dan spektrum 1D bagi ¹H untuk mencari ¹³C dan ¹H yang terikat secara langsung.

Dalam Langkah 3, kami menggunakan COZY untuk memeriksa dan mencari yang mana jiran ¹Hs.

Dengan menggunakan maklumat yang diperolehi dalam Langkah 2 dan 3, substruktur boleh ditentukan sedikit sebanyak.

Dalam Langkah 4, kami menggunakan HMBC untuk menentukan struktur bahagian yang tinggal, dengan mempertimbangkan sambungan ¹³C dan ¹H yang berjauhan.

Contoh analisis struktur C ₆H₁₀O₂

Langkah 1 ¹³C (1D-NMR) & DEPT

Dalam Langkah 1, kami menggunakan spektrum 1D-NMR bagi ¹³C dan DEPT untuk menentukan dan menganggar kumpulan atom dan kumpulan berfungsi. Pertama, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1, kami meletakkan simbol pada setiap isyarat dalam spektrum 1D-NMR bagi ¹³C. Bermula dengan isyarat di sebelah kanan spektrum, dari bahagian medan tinggi, tambah simbol A, B, C... dan seterusnya. Peralihan kimia setiap isyarat dibaca hingga satu tempat perpuluhan. Maklumat yang dibaca diringkaskan dalam Jadual 1.

Jadual 1 ¹³C Maklumat Spektra

Seterusnya, kami akan mengesahkan keputusan spektrum DEPT. Oleh kerana DEPT memerhati karbon yang hidrogen terikat secara langsung, siri atom karbon yang diminati (bilangan hidrogen yang terikat secara langsung kepada karbon yang diminati) diketahui. Dengan kata lain, adalah mungkin untuk mengenal pasti kumpulan atom seperti CH₃, CH₂, dan CH. (DEPT tidak dapat mengesan spektrum karbon kuaternari.) DEPT menyediakan tiga jenis spektrum, bergantung pada parameter pengukuran (DEPT135, DEPT90 dan DEPT45).

Jadual 2 menyenaraikan corak penampilan isyarat dalam tiga jenis spektrum DEPT. Dalam DEPT135, isyarat CH₃ dan CH dikesan ke atas, manakala isyarat CH₂ kelihatan ke bawah (fasa bertentangan). Selalunya mungkin untuk mendiskriminasi CH₃ atau CH daripada anjakan kimia. Dalam kebanyakan kes, pengukuran DEPT135 sahaja sudah memadai. Jika diskriminasi oleh DEPT135 sahaja sukar, ukur DEPT90, di mana hanya isyarat CH dikesan.

Jadual 2 Corak Penampilan Isyarat DEPT

Kami akan menggunakan spektrum DEPT untuk menentukan kumpulan atom sampel. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 2, kita akan mendiskriminasi kumpulan atom bagi setiap isyarat dengan membandingkan corak penampilan isyarat spektrum 1D-NMR bagi ¹³C dan spektrum DEPT.

-----
DEPT135・・・Isyarat menaik: CH₃ atau CH, Isyarat ke bawah: CH₂
DEPT90・・・ Isyarat boleh dikesan : CH
Isyarat dikesan hanya dalam spektrum 1D-NMR bagi ¹³C dan tidak dikesan dalam spektrum DEPT: karbon kuaternari
-----

Menggunakan maklumat setakat ini, kami dapat menentukan bahawa kumpulan atom bagi setiap isyarat adalah, dari kanan ke kiri, A (CH₃), B (CH₃), C (CH₂), D (CH), E (CH), dan F (karbon kuaternari).

Maklumat setakat ini diringkaskan dalam Jadual 3. Maklumat ini digunakan untuk menganggar kumpulan atom dan kumpulan berfungsi.

Jadual 3 ¹³C Maklumat Spektra (2)

Rajah 3 menunjukkan jadual anjakan kimia bagi ¹³C. Pada sempadan anggaran 100 ppm, isyarat karbon tepu muncul di sebelah kanan dan isyarat karbon tak tepu di sebelah kiri. Kami akan membandingkan maklumat yang diringkaskan dalam Jadual 3 dengan jadual anjakan kimia. Pertama, jika kita lihat D (122.8 ppm) dan E (144.0 ppm), kita melihat bahawa ia berada di kawasan karbon tak tepu, menunjukkan bahawa CH ini berasal daripada karbon tak tepu. Seterusnya, jika kita lihat F, nilai anjakan kimia ialah 166.2 ppm, iaitu di kawasan ester. Formula molekul bahan ini ialah C₆H₁₀O₂, dan kerana terdapat dua Os, karbon kuaternari bagi F dianggap berasal daripada kumpulan COO.

Maklumat setakat ini diringkaskan dalam Jadual 4.

Jadual 4 ¹³C Maklumat Spektra (3)

Langkah 2 HMQC & ¹H

Dalam Langkah 2, kami akan menggunakan spektrum HMQC dan 1D-NMR bagi ¹H untuk mencari terikat secara langsung ¹³C dan ¹gabungan H. HMQC akan memberitahu anda gabungan ¹H dan ¹³C yang terikat secara langsung. Gandingan putaran ditulis dengan simbol, seperti ¹J_CH. Bilangan ikatan ditulis di sudut kiri atas J yang mewakili gandingan putaran, dan nukleus yang terikat ditulis di sudut kanan bawah J.

Rajah 4 menunjukkan spektrum HMQC. Dalam spektrum 2D-NMR, spektrum 1D-NMR resolusi tinggi dipaparkan pada setiap paksi; untuk HMQC, the ¹Spektrum H dipaparkan pada paksi-X dan ¹³Spektrum C pada paksi Y. Dalam Langkah 2, simbol yang sama yang dilampirkan pada setiap isyarat dalam ¹³Spektrum C dalam Langkah 1 dilampirkan pada isyarat dalam ¹³Spektrum C pada paksi Y, dengan bahagian atas paksi Y mewakili bahagian medan tinggi (anjakan kimia kecil) dan bahagian bawah mewakili bahagian medan rendah (anjakan kimia besar).

Seterusnya, lukis garisan dari ¹³Isyarat C pada paksi-Y kepada isyarat korelasi HMQC dan sahkan yang mana ¹H terikat secara langsung kepada ¹³C. Contohnya, jika kita fokus pada ¹³C isyarat daripada C, kami melukis garisan ke arah sisi, dan apabila garisan mencecah isyarat korelasi, kami melukis garisan dari sana. The ¹Isyarat H yang kita telah sampai di sini adalah rakan sejawatan yang terikat secara langsung dengan isyarat C of ¹³C. Apabila sepadan ¹H didapati dengan cara ini, iaitu ¹H ditandakan dengan simbol yang sama dengan rakan sejawatannya ¹³C. Memandangkan ia adalah pasangan isyarat C of ¹³C, kami juga akan meletakkan simbol C mengenai ini ¹H. Semua kombinasi berkorelasi akan diberi simbolisasi yang serupa.

Langkah 3 ¹H-¹H SELESA

Rajah 6 menunjukkan spektrum COZY sebenar. rancangan COZY ¹Spektrum H kedua-duanya pada paksi-X dan paksi-Y.
Dalam Langkah 1, kami memberikan simbol kepada setiap satu ¹³isyarat C. Dalam Langkah 2, kami memberikan simbol kepada setiap satu ¹Isyarat H yang digandingkan secara langsung kepada ¹³C menggunakan HMQC. Dalam Langkah 3, kami mula-mula memberikan simbol yang sama kepada isyarat dalam ¹Spektrum H pada paksi X dan Y seperti yang kami lakukan dalam Langkah 2. Kami melihat spektrum HMQC yang kami gunakan sebelum ini (Rajah 4) dan menyalin simbol yang dilampirkan pada isyarat dalam ¹Spektrum H pada paksi-X sebagaimana keadaannya.

Ambil perhatian bahawa dalam Rajah 6, simbol disusun mengikut abjad dari bahagian medan tinggi, tetapi ini berlaku untuk sampel ini. Simbol pada ¹Isyarat H tidak selalu dalam susunan abjad.
Juga, dalam spektrum COZY, isyarat berbaris pada garis pepenjuru (dipanggil isyarat pepenjuru) apabila garis pepenjuru dilukis. Tetapi ini tidak digunakan sebagai maklumat untuk analisis struktur. Isyarat luar pepenjuru ialah isyarat korelasi COZY.

Kami melukis garisan daripada isyarat berkorelasi ke arah spektrum paksi-X dan Y dan cari ¹Hs yang digandingkan antara satu sama lain. Sebagai contoh, jika kita menumpukan pada isyarat korelasi yang dilingkari hijau, kita dapati ¹isyarat H C pada paksi-X dan ¹isyarat H A pada paksi Y. Oleh itu, kita dapat melihat isyarat itu C dan A berpasangan (berjiran) antara satu sama lain. Setelah rakan sejawatan ditemui, kami menambah simbol pada isyarat berkorelasi. Sebagai contoh, C/A, untuk menyatakan bahawa mereka adalah ¹Isyarat H dalam a ³J_HH perhubungan. Oleh kerana isyarat berkorelasi COZY muncul dalam kedudukan simetri garis berkenaan dengan pepenjuru, kita dapati ³J_HH rakan sejawatan dengan cara yang sama untuk semua isyarat berkorelasi.

Setelah maklumat tentang isyarat berkorelasi COZY tersedia, jadual korelasi untuk setiap isyarat dibuat.
Jadual 5 ialah jadual korelasi untuk COSY. Tulis simbol bagi ¹Isyarat H dalam susunan menegak dan mendatar, mengikut spektrum data pada ¹H-¹paksi HCOSY. (Dalam kes sampel ini, ia disusun mengikut abjad, tetapi anda harus melihat spektrum COZY dan menyenaraikannya dalam susunan anjakan kimia.) Contohnya, jika isyarat berkorelasi adalah C dan A, tandakan persimpangan bagi C dan A. Dengan cara ini, semua isyarat berkorelasi dimasukkan dalam jadual korelasi COZY.

Rajah 7 menunjukkan rajah isyarat korelasi COSY.
Dalam sampel ini, isyarat korelasi COZY diperhatikan antara ¹H daripada C dan ¹H daripada A.
Spektrum HMQC juga menunjukkan bahawa ¹H daripada C dan ¹³C daripada C digandingkan secara langsung. Dengan cara yang sama, ¹H daripada A dan ¹³C daripada A digandingkan secara langsung.
Oleh itu, isyarat korelasi COZY antara C dan A boleh mendorong itu ¹³C daripada C dan ¹³C daripada A berjiran. Dalam erti kata lain, menggunakan maklumat COZY, secara tidak langsung kita boleh mencari jiran ¹³C sambungan dari jiran ¹sambungan H.

Maklumat yang kami ada setakat ini ialah ¹³Maklumat spektrum C (Jadual 4) dan jadual korelasi COZY (Jadual 5). Daripada jadual korelasi COZY, kita dapat melihat bahawa atom karbon berasal daripada ¹³isyarat C AC, MENJADI, dan DE berjiran antara satu sama lain. Digabungkan dengan maklumat daripada ¹³Spektrum C, apabila kita menulis semula simbol sebagai kumpulan atom, kita ada AC : "CH₃-CH₂-", KATIL : "CH₃-CH=CH-", dan F : "COO" dalam Langkah 1. Oleh itu, kita tahu bahawa sebatian ini terdiri daripada tiga substruktur berikut.

----
Substruktur 1：CH₃-CH₂- ・・・ AC
Substruktur 2： CH3-CH=CH- ・・・ KATIL
Substruktur 3： COO ・・・ F
----

Seterusnya, kita akan mempertimbangkan jenis molekul yang akan dibuat dengan menyambungkan setiap substruktur (Rajah 8). Kami akan menyenaraikan semua struktur molekul yang mungkin daripada gabungan tiga substruktur. Apabila mempertimbangkan struktur molekul, lebih mudah untuk memberi tumpuan kepada substruktur yang mengandungi CH₃ kerana CH₃ terletak di hujung struktur. Dalam kes ini, terdapat dua struktur yang mungkin. Pertama, Substruktur 1 dan 2 didapati sebagai hujung struktur molekul kerana ia mengandungi CH₃.Dan memandangkan 1 dan 2 terletak di hujung, kita boleh meramalkan bahawa substruktur 3 diapit antara 1 dan 2. Orientasi substruktur 3 yang berbeza membolehkan kita mencipta dua struktur inferens yang berbeza (I, II). Orientasi COO boleh digunakan untuk menentukan struktur inferens yang lebih munasabah. Oleh itu, pengukuran HMBC dilakukan untuk mengesahkan gandingan putaran jarak jauh berkenaan dengan COO.

Langkah 4 HMBC

Rajah 10 ialah spektrum sebenar HMBC. Paksi HMBC adalah sama dengan kes HMQC, ¹Spektrum H pada paksi-X dan ¹³Spektrum C pada paksi Y.
Dalam Langkah 4, kami akan meletakkan simbol yang sama yang kami tetapkan untuk spektrum HMQC dalam Langkah 2, untuk setiap isyarat spektrum 1D-NMR pada paksi X dan Y.

Seterusnya, kami melukis garisan daripada isyarat korelasi ke spektrum paksi X dan Y untuk mencari gandingan putaran. ¹³C dan ¹gabungan H. Di sini, dua isyarat berbaris mendatar yang dilingkari dalam oren ialah isyarat bagi ¹J_CH, gandingan langsung daripada ¹H dan ¹³C. Oleh kerana ini adalah isyarat sisa, ia tidak diperhatikan dalam semua gandingan langsung. Memandangkan gandingan langsung telah pun diperhatikan oleh HMQC, ia tidak perlu memberi tumpuan kepada mereka di sini.
Dalam spektrum HMBC, hanya maklumat jarak jauh dibaca, mengabaikan isyarat gandingan langsung.
Sebagai contoh, jika kita memberi tumpuan kepada isyarat korelasi yang dilingkari hijau, kita dapat melihatnya ¹³C daripada C dan ¹H daripada A adalah putaran jarak jauh digandingkan antara satu sama lain, kerana penjejakan ke paksi-Y menghasilkan C dan kepada paksi-X terhasil dalam A.

Setelah rakan sejawatannya diketahui, tambahkan simbol pada isyarat korelasi, cth, A / C, untuk menunjukkan bahawa ia adalah gandingan putaran jarak jauh ¹H dan ¹³C daripada ²J_CH or ³J_CH.
Untuk semua isyarat korelasi, lakukan perkara yang sama untuk mencari pasangan gandingan putaran jarak jauh dan tandakan isyarat korelasi dengan simbol. Sebaik sahaja anda telah menulis maklumat untuk isyarat korelasi HMBC, buat jadual korelasi.

Jadual 6 ialah jadual korelasi untuk HMBC. Kami menulis simbol untuk ¹Isyarat H secara mendatar dan simbol untuk ¹³Isyarat C secara menegak, mengikut spektrum. (Perhatikan bahawa simbol untuk ¹Isyarat H tidak semestinya dalam susunan abjad.) Isyarat korelasi untuk spektrum HMBC akan diisi. Contohnya, jika isyarat korelasi adalah ¹³C untuk C dan ¹H untuk A, tandakan persimpangan bagi C khususnya ¹³C dan A khususnya ¹H dalam jadual korelasi. Dengan cara ini, semua isyarat korelasi dimasukkan dalam jadual korelasi HMBC.

Kami menggunakan maklumat dalam HMBC untuk menyambung substruktur.
Lihat jadual korelasi HMBC (Jadual 7) yang anda isikan tadi. Dalam tanda isyarat korelasi, bon yang telah dianalisis oleh COZY dalam Langkah 3 ditandakan dengan ○ dan bon yang ditemui buat kali pertama dalam HMBC ditandakan dengan ●. Ikatan yang ditemui buat kali pertama dalam HMBC ialah korelasi COO untuk F. Ini menunjukkan bahawa F ialah gandingan putaran jarak jauh dengan C, D, dan E.

Kita akan melihat korelasi jarak jauh bagi FC, FD, dan FE untuk mempertimbangkan arah mana yang betul untuk COO dilampirkan, antara struktur yang disimpulkan I dan II. (Rajah 11)
Pertama, dalam struktur kesimpulan I, F's ¹³C dan C's ¹H mempunyai tiga ikatan"³J_CH", ; F's ¹³C danD's ¹H mempunyai dua ikatan"²J_CH",; dan F's ¹³C dan E's ¹H mempunyai tiga ikatan"³J_CH".
Seterusnya, mari kita lihat struktur yang disimpulkan II. The ¹H daripada ¹³C dan C in F adalah "²J_CH"dengan dua ikatan, iaitu ¹H daripada ¹³C dan D in F adalah "³J_CH"dengan tiga ikatan, dan ¹H daripada ¹³C dan E in F adalah "⁴J_CH"dengan empat ikatan.
Sejak ⁴J_CH tidak mungkin diperhatikan, kita boleh menjangkakan bahawa struktur yang disimpulkan I adalah struktur yang munasabah.

Akhir sekali, struktur yang disimpulkan I disemak terhadap maklumat dalam spektrum 1D-NMR bagi ¹³C untuk mengesahkan sama ada ia benar-benar betul. Dalam struktur yang disimpulkan I, CH₂ daripada simbol C terikat kepada oksigen. Dan ¹³C peralihan kimia ini C ialah 59.8 ppm (Jadual 1).
. ¹³C jadual anjakan kimia untuk CH₂ (Jadual 8) menunjukkan bahawa CH normal₂ diperhatikan pada 20-45 ppm, manakala CH₂ terikat kepada oksigen diperhatikan pada 40-70 ppm dengan anjakan medan yang lebih rendah.
Daripada fakta ini, kita boleh membuat kesimpulan bahawa "Struktur I adalah betul".

Jadual 8 ¹³C Anjakan Kimia untuk CH₂

Aplikasi Berkaitan

Keperluan untuk spektrum 2D resolusi tinggi

NOAH-NMR Supersequences dengan Pemerolehan Bersarang untuk Molekul Kecil

Penggunaan DOSY: Analisis pengkapsulan tetamu

Pemerhatian NOE oleh HSQC-NOESY

Kajian kuantiti minit molekul kelimpahan semula jadi menggunakan spektroskopi korelasi Heteronuklear 2D di bawah 100 kHz MAS: pendekatan HMQC

Produk