Cvičení z NMR - Biotrend

UNIVERZITA PALACKÉHO
Přírodovědecká fakulta
Cvičení z NMR
Tomáš Pospíšil
Olomouc 2015
Recenzenti:
RNDr. Dalibor Dastych, Dr.
Mgr. Václav Mik, Ph.D.
Skripta vznikla v rámci realizace projektu OP VK CZ.1.07/2.2.00/28.0184 s názvem
„Inovace ve vzdělávání v chemii a biologii s ohledem na aktuální trendy v biomedicinálním
výzkumu“.
© 2015 Tomáš Pospíšil
© 2015 Univerzita Palackého
Předmluva
Hlavní náplní tohoto textu je poskytnout studentům soubor příkladů na procvičování interpretace
NMR spekter. Cílem materiálů je přinést základní informace o NMR, ale především zvětšit
představivost studentů o způsobech kombinace jimi vytvořených fragmentů uhlíkových řetězců do
molekulových struktur.
Základní informace jsou nastíněny jen stručně, proto je pro hlubší obeznámení s NMR
spektroskopií nezbytné studium referenční literatury.
Všechny NMR spektra uvedené v tomto textu byly změřeny a zpracovány autorem na NMR
spektrometru JEOL ECA-500 vybaveném 5 mm sondou ROYAL PROBE.
Obsah
1.
PRINCIP A ZÁKLADY NMR.................................................................................................................. 5
Jaderný spin....................................................................................................................................... 5
Chování jader v magnetickém poli ....................................................................................................... 5
2. ZÁKLADNÍ PARAMETRY NMR SPEKTER ................................................................................................. 7
Chemický posun ................................................................................................................................. 7
Spin-spinová interakce – Multiplicita signálu a Interakční (štěpící) konstanta ........................................ 10
Integrační intenzita signálu a počet signálů ........................................................................................ 12
13
NMR uhlíku C ................................................................................................................................ 14
3. INTERPRETACE SPEKTER ................................................................................................................... 18
4. JAK ZAPISOVAT NMR SPEKTRA ......................................................................................................... 20
5. PŘÍKLADY K ŘEŠENÍ ......................................................................................................................... 21
6. ŘEŠENÍ ......................................................................................................................................... 76
7. POUŽITÁ A DOPORUČENÁ LITERATURA ............................................................................................... 81
1. Princip a základy NMR
Nukleární magnetická rezonance (NMR) je v dnešní době jedna z nejčastěji používaných
spektroskopických metod sloužících k určení struktury nejenom organických, ale i anorganických
molekul.
Principem metody je sledování interakce magneticky aktivních jader (jader atomů s nenulovým
jaderným spinem) umístěných v silném magnetickém poli s radiofrekvenčním elektromagnetickým
zářením.
Jaderný spin
Jádra se sudým počet protonů a neutronů mají nulový jaderný spin I = 0. Tato jádra nemají
jaderný magnetický moment a nejsou pozorovatelná pomocí NMR spektrometrie (126C, 168O).
Jádra s lichým nukleonovým číslem (součet protonů a neutronů) mají poločíselná spinová
kvantová čísla (I = 1/2, 3/2, 5/2 ...) a jádra se sudým nukleonovým číslem a lichým počtem
protonů mají celočíselná spinová kvantová čísla (I = 1, 2, 3 ...). Všechna tato jádra jsou měřitelná
pomocí NMR.
Vzhledem k tomu, že jádra se spinem I > 1/2, mají vedle magnetického momentu i kvadrupólový
moment a jsou velmi často obtížně měřitelná, využívají se k měření nejčastěji isotopy se spinovým
číslem 1/2. (Příklady jader s nenulovým spinem: I = 1/2 - 1H, 13C, 15N, 31P a I = 1 - 147N).
Chování jader v magnetickém poli
Jádra s nenulovým spinem mají vlastní magnetický moment µ:
Jaderné spiny (jádra s I = 1/2) jsou v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole orientovány
v prostoru nahodile. Po vložení vzorku do silného magnetického pole se jaderné spiny orientují
buď ve směru magnetického pole či proti němu (Obrázek 1).
Obrázek 1: Orientace spinů v prostoru a) v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole, b) po vložení do
magnetického pole B0
5
Tyto dvě orientace nemají stejnou energii, a proto nemají stejné zastoupení. Paralelní stav (ve
směru magnetického pole) má nepatrně nižší energii, a tudíž je výhodnější než stav antiparalelní
(Obrázek 2).
Obrázek 2: Schéma orientace jaderných spinů po vložení ho magnetického pole.
Velikost energetického rozdílu těchto dvou stavů závisí na velikosti indukce vnějšího magnetického
pole.
ΔE = hν0 = hγB0 /2π
B0 – je indukce vnějšího magnetického pole, h je Planckova konstanta, γ je gyromagnetická
konstanta a ν0 je Larmorova frekvence.
Gyromagnetická konstanta je charakteristická pro daný izotop a vyjadřuje vztah mezi momentem
hybnosti a magnetickým momentem daného jádra
Larmorova frekvence je přímo úměrná rozdílu energií dvou spinových stavů
ν0 = γB0/2π
a jde o tzv. rezonanční podmínku. Při této frekvenci dochází k absorpci energie jádry a k přechodu
spinů z nižší hladiny na vyšší a naopak. Frekvenci detekujeme při návratu spinů zpět do rovnováhy.
Takto zaznamenaný signál označujeme jako FID (Free Induction Decay).
Tato frekvence leží u dnes dosahovaných magnetických polí v oblasti desítek až stovek MHz.
Například pro magnetické pole o síle 14.1 T je Larmorova frekvence pro jádro 1H rovna 600 MHz.
Poměr počtu jader na jednotlivých hladinách lze určit pomocí Boltzmannova rozdělení:
Nα/Nβ = eΔE/kT
kde k je Boltzmannova konstanta a za ΔE dosadíme rozdíl mezi energiemi spinů. Například při poli
o magnetické indukci 11.74 T platí pro vodíky 1H, Nβ ~ 0,99992 Nα, to znamená, že na 100000
vodíkových jader se spinovým stavem alfa připadá 99992 jader ve stavu beta. Z toho vyplívá, že
jsme schopni pozorovat přechody jen u velmi malého počtu jader (pro magnetické pole o indukci
11.74T jde o 8 jader z 199992).
Čím větší je indukce magnetického pole, tím větší je energetický rozdíl mezi hladinami alfa a beta,
a tím větší je rozdíl v počtu spinů na jednotlivých spinových hladinách. Větší rozdíl v populacích
stavů způsobuje i větší citlivost NMR metody.
6
2. Základní parametry NMR spekter
Chemický posun
Z výše uvedeného by bylo možné učinit závěr, že pro jádra daného isotopu existuje jen jedna
frekvence, při které je splněna rezonanční podmínka. Pokud by tomu tak bylo, využití NMR by bylo
omezené jen na kvalitativní analýzu jednotlivých isotopů.
Ve skutečnosti však rezonanční frekvence pro všechna jádra daného isotopu není stejná. V reálu
jsou totiž jádra atomů obklopena elektronovými obaly. Elektrony, jakožto pohybující se nabité
částice, vytváří své vlastní magnetické pole. Při umístění molekuly do vnějšího magnetického pole
je toto slabé lokální magnetické pole o určité indukci Blokální, namířené proti vnějšímu
magnetickému poli. Na dané jádro tudíž nepůsobí vnější magnetické pole B0, ale takzvané pole
efektivní Befektivní.
Befektivní = B0 - Blokální
V závislosti na struktuře se Blokální u jednotlivých jader liší, a ty jsou pak různě stíněna proti
působení vnějšího magnetického pole. Protože
Blokální = B0 σ
je
Befektivní = B0 (1 – σ)
kde σ je konstanta magnetického stínění. Stínění jader závisí na elektronové hustotě v jejich okolí.
Díky rozdílným stínícím konstantám je tak každý signál ve spektru při konstantní B0
charakterizován svojí pozicí vyjádřenou ve frekvenčních jednotkách (viz vztah výše pro Larmorovu
frekvenci). Vzhledem ke skutečnosti, že rozdíly způsobené lokálními poli jsou velmi malé
v porovnání s B0 (tisíce Hz proti milionům Hz) a jsou závislé na velikosti B0, je definována
bezrozměrná veličina – chemický posun (δ).
Chemický posun je v podstatě relativní změna polohy signálu vzhledem k poloze (frekvenci)
referenčního signálu - standardu (např. pro 1H a 13C signál tetramethylsilanu – TMS).
δ=
𝜈 (𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑠𝑖𝑔𝑛á𝑙𝑢 𝑣 𝐻𝑧) – 𝜈𝑟𝑒𝑓 (𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛č𝑛íℎ𝑜 𝑠𝑖𝑔𝑛á𝑙𝑢 𝑣 𝐻𝑧)
ν0 (𝑓𝑟𝑒𝑘𝑣𝑒𝑛𝑐𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑚𝑒𝑡𝑟𝑢 𝑣 𝑀𝐻𝑧)
Výhodou této stupnice, jejíž jednotkou je ppm (parts per milion), je nezávislost posunu signálu
na síle vnějšího pole. Jinak řečeno, pozice signálu bude stejná, pracujeme-li s 300 MHz nebo 500
MHz spektrometrem.
Jak vyplývá z předchozího textu, jednotlivá jádra se budou v závislosti na svém okolí lišit svým
chemickým posunem. Standardní zobrazení NMR spektra je takové, že levá část spektra je
označována jako část u slabšího pole (downfield) a pravá část jako část u silnějšího pole (upfield)
(Obrázek 3).
7
Obrázek 3: Schématické znázornění NMR spektra
Faktory ovlivňující chemický posun jsou:
Přítomnost atomů či skupin s indukčním efektem: - I efekt snižuje stínění - signál jádra je posunut
k nižšímu poli a to znamená, že se zvětší chemický posun (posun směrem doleva od referenčního
signálu). Při +I efektu dochází k většímu zastínění jádra a posunu signálu k vyššímu poli, tzn. ke
zmenšení chemického posunu vzhledem k referenčnímu signálu. Zjednodušeně řečeno s rostoucí
elektronegativitou navázané skupiny klesá stínění a dochází k posunu k nižšímu poli.
Přítomnost atomů či skupin s mezomerním efektem: -M snižuje stínění; +M zvyšuje stínění a efekt
je podobný jako u indukčního efektu.
Anizotropní efekt – jakákoliv chemická vazba je anizotropní, z důvodů nesymetrického rozložení
elektronů. Pokud je tato vazba vložena do vnějšího magnetického pole bude indukovat magnetický
moment, který bude taky anizotropní. Snižování či zvyšování lokálního magnetického pole bude
záležet na pozici daného jádra vůči takovému anizotropnímu poli. V případě aromatického jádra
hovoříme o takzvaném „ring current“ efektu.
Příklady anizotropních efektů jsou uvedeny na obrázku 4 a 5.
Základní přehled chemických posunů 1H jader vyskytujících se v organických sloučeninách
je uveden na Obrázek 6.
8
Obrázek 4: Anizotropní efekt
1
Obrázek 5: Vliv anizotropního efektu na chemický posun H.
CH3-M
M = B, Si, Li, …
ether
-CH-O-
-CH-Alkyl
-CH-O-C(O)CH-C(O)-CH-Ar
-C=CHAr-H
-C≡CH
-CHO
Alkoholy a aminy
-NH-R, R-NH2, R-OH
-COOH
Ar-OH
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
1
Obrázek 6: Přehled vybraných chemických posunů pro H (v ppm, vztaženo k TMS).
9
Spin-spinová interakce – Multiplicita signálu a interakční (štěpící) konstanta
Spiny jednotlivých jader se v molekule mohou ovlivňovat přes chemickou vazbu – nepřímá spinspinová interakce.
Velikost nepřímé spin-spinové interakce se vyjadřuje tzv. interakční (štěpící) konstantou – J
(jednotkou je Herz – Hz). Tato konstanta je zodpovědná za rozštěpení linie signálu sledovaného
jádra. Podle počtu vazeb mezi interagujícími jádry jsou jednotlivé interakční konstanty uváděny
jako:
1
J – přímé, 2J – geminální, 3J – vicinální a interakce na velkou vzdálenost (4J, 5J, ….).
Na rozdíl od stínící konstanty (resp. chemického posunu) velikost interakční konstanty nezávisí
na velikosti indukce vnějšího magnetického pole a tudíž se v jednoduchých NMR spektrech projeví
vždy stejně. Nepřímou spin-spinovou interakci nelze pozorovat mezi chemicky ekvivalentními
jádry, tzn. těmi jádry, která mají stejný chemický posun a poskytují jeden signál. Taktéž se
spin-spinová interakce neprojeví u magneticky ekvivalentních jader. Magneticky ekvivalentní jádra
jsou ta jádra, která jsou chemicky ekvivalentní a zároveň mají stejnou štěpící konstantu k ostatním
magneticky aktivním jádrům v molekule.
Interakce jádra s jiným magnetickým jádrem se ve spektru projeví rozštěpením linie signálu na více
linií. Linie signálu jádra, které interaguje se dvěma a více magnetickými jádry, je prvně rozštěpena
na více linií interakcí s prvním jádrem. Každá takto vzniklá linie je pak dále rozštěpena na další linie
díky interakci s druhým jádrem atd. Výsledný signál se potom skládá z řady linií a podle jeho
celkového vzhledu hovoříme o tzv. multiplicitě signálu.
Počet linií vzniklých díky interakci se vypočítá podle vztahu:
Počet vzniklých linií = 2nI+1
kde n je počet chemicky a magneticky ekvivalentních jader, které interagují s jádrem, jehož signál
sledujeme a I je spin těchto jader.
U jader se spinem I=1/2 je tedy počet vzniklých linií roven hodnotě n+1.
Pro určení počtu linií i jejich relativních intenzit v případě štěpení jádry s I = 1/2, lze využít Pascalův
trojúhelník (Tabulka 1, Obrázek 7).
10
Tabulka 1: Štěpení, relativní intenzita (Pascalův trojúhelník), počet čar a názvy signálů.
Počet
Počet vzniklých linií
štěpících
= n+1
jader (n)
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
Relativní intenzita linií
Název signálu
(zkratka)
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
1 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
1 7 21 35 35 21 7 1
1 8 28 56 70 56 28 8 1
singlet (s)
dublet (d)
triplet (t)
kvartet (q)
kvintet (quint)
sextet (sex)
septet (sep)
oktet (o)
nonet (n)
Obrázek 7: Tvar jednoduchých signálů od dublet po septet.
Názvy jiných multipletů jsou dovozeny od jejich původu a vzhledu, např. dublet dubletů (dd),
triplet dubletů (td), dublet tripletů (dt) apod. (Obrázek 8).
Pokud je signál velice široký označujeme ho za „broad signal“ (bs).
Není-li z tvaru zřejmé, jakou strukturu signál vlastně má, nazýváme takový signál multiplet (m).
Vzdálenost jednotlivých čar v Hz v multipletu je rovna velikosti interakční konstanty.
11
Obrázek 8: a) triplet; b) dublet dubletu; c) triplet dubletů; d) dublet tripletů
Se znázorněním kde odečítat interakční konstany.
Pakliže je rozdíl linií uveden v ppm jednotkách je interakční konstanta vypočitatelná pomocí
rovnice:
J=δν
Kde δ je vzdálenost mezi liniemi signálu v ppm a ν je resonanční frekvence příslušného jádra
v MHz.
Integrální intenzita signálu a počet signálů
Protože v jednom spektru měříme vždy jen jádra stejného druhu, je plocha každého signálu
(integrál) úměrná počtu chemicky ekvivalentních jader v dané sloučenině.
Jinak řečeno, počet signálů v NMR spektru a jejich integrální intenzita nás informuje o počtu skupin
chemicky ekvivalentních jader a o počtu jader v každé skupině.
12
Obecná definice chemicky ekvivalentních atomů zní: Chemicky ekvivalentní jádra jsou ta, která
mají stejný chemický posun a poskytují tak pouze jeden signál.
Chemicky ekvivalentní jádra se dají například poznat podle toho, že při postupném nahrazení
každého z nich jiným atomem vznikne vždy stejná sloučenina.
Tudíž platí, že chemicky ekvivalentní jsou ta jádra, která jsou nerozlišitelná v důsledku symetrie
molekuly, rychlé rotace skupiny nebo jiné chemické výměny (Obrázek 9, Obrázek 10 a Obrázek 11).
1
Obrázek 9: a) Ethylacetát – tři různé skupiny vodíkových jader (3 signály v H NMR, viz Obrázek 10)
1
b) p-Xylen – dvě skupiny vodíkových jader (2 signály v H NMR)
1
Obrázek 10: H spektrum ethylacetátu
Obrázek 11: a) Enantiotropní jádra – záměnou jednoho nebo druhého protonu vzniknou enantiomery – jsou
pomocí NMR nerozlišitelná.
b) Diastereotropní jádra – záměnou jednoho nebo druhého protonu vzniknou diastereomery
– jsou v NMR rozlišitelná.
13
NMR uhlíku 13C
Na rozdíl od 1H jádra je přirozené zastoupení isotopu 13C jen 1.1 % a absolutní citlivost tohoto jádra
je o 4 řády nižší než jádra 1H. Tudíž na změření kvalitního spektra potřebujeme více vzorku a více
skenů (delší doba experimentu).
Vlivy na chemický posun jsou podobné jako v případě protonů, ale podstatně větší (Obrázek 12).
-C-I
-C-Cl
-C-F
-COOR
-C-Br
Alk-CH3
-C-OH, -C-O-
Alk-CH2-
-COOH
Alk-CH a –C-
-CHO
Ar-C-
-C(O)-
-C-C(O)-
Aromatické C
-C≡C-C=C-
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
-20
13
Obrázek 12: Přehled chemických posunů vybraných C (v ppm, vztaženo k TMS).
Spin-spinové interakce mezi jádry 13C v uhlíkových spektrech nepozorujeme, protože při jejich
nízkém přirozeném zastoupení je velmi malá pravděpodobnost, že v sousedství jednoho jádra 13C
bude opět jádro 13C.
Lze ovšem pozorovat spin-spinovou interakci mezi 13C a 1H jádry, které jsou na tyto uhlíky přímo
navázány. Tato interakce se projeví rozštěpením linie signálu dle již zmiňovaného pravidla.
Tři jádra 1H na primárním uhlíku (-CH3) rozštěpí signál tohoto uhlíku, na kterém jsou navázána, na
kvartet. Stejně tak je linie sekundárního uhlíku (-CH2-) rozštěpena na triplet, terciálního uhlíku
(-CH-) na dublet a kvarterní uhlík zůstává ve formě singletu, neboť na sobě nemá přímo navázané
žádné jádro 1H (Obrázek 13).
14
13
Obrázek 13: Nedekaplované C spektrum ethylacetátu v CDCl3.
Interakce s protony jsou však obvykle eliminovány dekaplingem a spektra tak obsahují pouze
singletové signály.
Dekapling je určitý způsob vyrušení spin-spinové interakce. V případě 13C jader je zrušena interakce
s jádry 1H, kdy během celé doby měření 13C spekter jsou jádra vodíku ozařována dalším
elektromagnetickým pulsem s frekvencí odpovídající rezonanční frekvenci jader vodíku. To způsobí
rychlé přechody mezi spinovými stavy α a β, a tím pádem vyrušení spin-spinové interakce jader
vodíku s jádry uhlíku.
Tzv. dekaplovaná spektra jsou přehledná i u složitějších sloučenin a jejich interpretace je
jednodušší (Obrázek 14).
13
Obrázek 14: : Dekaplované C spektrum ethylacetátu v CDCl3.
15
Dalšími často používanými 13C experimenty jsou ATP a DEPT.
APT experiment rozlišuje jednotlivé uhlíky podle počtu na nich navázaných vodíků. A to tak, že ve
spektru jsou signály uhlíků se sudým počtem vodíků (C a CH2) orientovány na jednu stranu od
základní linie spektra a signály uhlíků, které na sobě mají navázaný lichý počet vodíku (CH a CH3)
jsou orientovány na druhou stanu od základní linie spektra (Obrázek 15).
Obrázek 15: APT spektrum ethylacetátu v CDCl3.
Naproti tomu DEPT je účinná metoda na rozlišení primárních, sekundárních a terciálních uhlíků.
Informace z DEPT spekter závisí na vybraném typu experimentu.
DEPT 45
DEPT 90
DEPT 135
– poskytuje signály všech uhlíku alespoň s jedním navázaným vodíkem, tzn.
nezobrazuje kvarterní uhlíky. Všechny signály jsou orientovány na stejné straně
základní linie spektra (Obrázek 16).
– ve spektru jsou viditelné jen CH skupiny. Všechny ostatní signály jsou potlačeny
(Obrázek 17).
– poskytuje signály CH a CH3 orientované na opačnou stranu od základní linie
spektra než CH2 skupiny (Obrázek 18).
V kombinaci se standardním spektrem 13C nám DEPT poskytuje kompletní přehled o tom, který
atom uhlíku je primární (CH3), sekundární (CH2), terciální (CH) a kvarterní (C).
16
Obrázek 16: DEPT 45 pro ethylacetát v CDCl3.
Obrázek 17: DEPT 90 pro ethylacetát v CDCl3.
Obrázek 18: DEPT 135 pro ethylacetát v CDCl3.
17
3. Interpretace spekter
Je velmi těžké definovat nějakou konkrétní strategii, jak interpretovat NMR spektra neznámé látky.
Opravdu neznámé struktury lze většinou určit jen s využitím složitějších technik či pulsních
sekvencí (2D–NMR, NOE, …).
Velkým bonusem pro přiřazení spekter je, pokud chemik má alespoň rámcovou představu o
struktuře analyzované látky.
Obecná pravidla se dají shrnout do pár jednoduchých bodů:
V případě, že máme k dispozici jen 1H a 13C spektra, musíme se pokusit v protonovém spektru najít
charakteristické píky a pomocí jejich štěpení ta jádra, která spolu sousedí. Z 13C spekter, pokud
máme APT či DEPT, jsme schopni určit zastoupení jednotlivých uhlíků ( -CH3, -CH2-, ….). A z takto
získaných fragmentů musíme zkusit zkombinovat strukturu, která by odpovídala dalším známým
informacím, např. fragmentaci v hmotnostním spektru apod.
V případě, že máme k dispozici 2D-NMR spektra, využijeme všech informací, které z nich dokážeme
vyčíst a opět postavíme jednotlivé fragmenty, jejichž skládáním vytváříme danou strukturu.
Příklad postupu interpretace spekter
Příklady v tomto textu budou vždy obsahovat počáteční informaci v podobě sumárního vzorce.
Je dán sumární vzorec - C4H8O2
Při znalosti sumárního vzorce víme i tzv. ekvivalent nenasycenosti.
Stupeň nenasycenosti pro vzorec CXHYNZOW (je-li přítomen halogen, tak se počítá jako vodík) je:
E = X – ½Y + ½Z + 1
Z výpočtu nám vyjde, že ekvivalent nenasycenosti se rovná jedné. To znamená, že látka
s uvedeným sumárním vzorcem obsahuje jednu násobnou vazbu či jeden kruh.
Dále máme zadány 1H a 13C spektra (Obrázek 19).
18
1
13
Obrázek 19: H a C (APT) spektra látky o sumárním vzorci C4H8O2 v CDCl3 měřené při 500 MHz respektive
125 MHz.
Z protonového spektra vyčteme, že v látce jsou 3 typy vodíku (3 různé signály). První skupina
tvořena 3 jádry (integrál 3) tvoří triplet s posunem 1.22 ppm a štěpící konstantou J = 7.5 Hz. Druhá
skupina opět obsahující 3 jádra vytváří singlet s posunem 2.00 ppm. Třetí skupina jader s posunem
4.08 ppm je tvořena 2 protony a tvar signálu je kvartet se štěpící konstantou J = 7.5 Hz.
Tvary signálu a štěpící konstanty nám říkají, že půjde o dva fragmenty. Jeden fragment bude
methylová skupina (–CH3) zastoupená singletem s posunem 2.00 ppm. Druhým fragmentem bude
ethylová skupina (-CH2CH3), kterou identifikujeme díky tvaru signálů (triplet a kvartet) a stejné
štěpící konstantě. (Protony z methylu (-CH3) štěpí signál protonů z CH2 skupiny se stejnou silou jako
protony z CH2 skupiny štěpí signál methylu (-CH3).
19
Z APT spektra vyčteme tyto informace. Látka obsahuje dva uhlíky (CH3 či CH) s posunem 14.2 a
21.0 ppm, a dva uhlíky (CH2 či Ckvart) s posuny 60.4 a 171.2 ppm. Z protonového spektra,
chemického posunu a intenzity signálů můžeme říci, že uhlíky s posuny 14.2 a 21.0 ppm jsou CH3
skupiny, uhlík s posunem 60.4 ppm je uhlík CH2 skupiny a uhlík 171.2 ppm je uhlík kvarterní.
Ze sumárního vzorce jsme vypočítali ekvivalent nenasycenosti E = 1.
Nyní víme, že látka má obsahovat dva kyslíky a jednu dvojnou vazbu či kruh. Vzhledem
k přítomnosti kvarterního uhlíku s posunem 171.2 ppm můžeme předpokládat přítomnost
karboxylové skupiny. Při složení všech fragmentů a informací dohromady nás mohou napadnout 2
molekuly: ethylacetát či methylpropionát.
Vzhledem k charakteristickým posunům vodíku přítomných na α uhlíku vedle karbonylu (okolo
2.00 ppm) i posunům vodíků navázaných na první uhlík esterového zbytku (okolo 4.0 ppm) nám
jako neznámá struktura vyjde ethylacetát.
4. Jak zapisovat NMR spektra
Při zápisu přiřazení NMR signálů je potřeba dodržet formu, kterou ukládá časopis, ve kterém
chcete publikovat. Parametry měření a další důležité údaje, které jsou stejné pro všechna měření,
bývají umístěny v sekci „Experiment“, pokud to samozřejmě pravidla daného časopisu nevyžadují
jinak.
Obecně je třeba uvést: 1) Pozorované jádro a typ experimentu.
2) Resonanční frekvence měřeného jádra dle velikosti magnetického pole
spektrometru.
3) Deuterované rozpouštědlo sloužící pro LOCK.
4) Chemický posun signálů -střed daného signálu, tam kde by byla výchozí
linie, pokud by signál nebyl štěpen, případně interval pro multiplet (1H
na dvě desetinná místa, 13C na jedno desetinné místo).
5) Multiplicitu signálů (dublet, triplet, ….).
6) Štěpící konstantu na jedno desetinné místo ( 3J = 7.0 Hz).
7) Integrální intenzitu.
8) Přiřazení ke konkrétnímu atomu ze struktury pokud je to možné.
Příklad výpisu pro molekulu ethylacetátu (EtOAc) ze spekter na Obrázek 19.
1
H (CDCl3, 500 MHz): 1.22 (t, 3J = 7.5 Hz, 3H, -OCH2CH3); 2.00 (s, 3H, CH3CO-); 4.08 (q, 3J = 7.5 Hz,
2H, -OCH2CH3).
13
C (CDCl3, 125 MHz): 14.2 (-CH2CH3), 21.0 (-COCH3), 60.4 (-OCH2CH3), 171.2 (-C(O)O-).
20
5. Příklady k řešení
Příklad 1
Sumární vzorec: C6H6ClN
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
21
Příklad 2
Sumární vzorec: C6H6ClN
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
22
Příklad 3
Sumární vzorec: C4H10O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
23
Příklad 4
Sumární vzorec: C8H5NO2
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
CDCl3
24
Příklad 5
Sumární vzorec: C2H6O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
25
Příklad 6
Sumární vzorec: C3H6O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
26
Příklad 7
Sumární vzorec: C6H5ClN2O2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
CDCl3
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
27
Příklad 8
Sumární vzorec: C6H6ClN
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
28
Příklad 9
Sumární vzorec: C5H10O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
29
Příklad 10
Sumární vzorec: C8H9Br
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
30
Příklad 11
Sumární vzorec: C6H7N
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
31
Příklad 12
Sumární vzorec: C2H7NO
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
32
Příklad 13
Sumární vzorec: C2H6ClN
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
H2O
CDCl3
DMSO
CDCl3
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
33
Příklad 14
Sumární vzorec: C8H11N
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
34
Příklad 15
Sumární vzorec: C3H9NO
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
35
Příklad 16
Sumární vzorec: C6H7NO
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
36
Příklad 17
Sumární vzorec: C6H7NO
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
DMSO
CDCl3
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
37
Příklad 18
Sumární vzorec: C6H7NO
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
38
Příklad 19
Sumární vzorec: C3H4O4
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
DMSO
CDCl3
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
39
Příklad 20
Sumární vzorec: C7H9NO
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
DMSO
CDCl3
H2O
CDCl3
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
40
Příklad 21
Sumární vzorec: C7H9NO
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
41
Příklad 22
Sumární vzorec: C9H11NO2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
42
Příklad 23
Sumární vzorec: C9H11NO2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
43
Příklad 24
Sumární vzorec: C9H10O2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
44
Příklad 25
Sumární vzorec: C9H8O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
45
Příklad 26
Sumární vzorec: C9H12
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
46
Příklad 27
Sumární vzorec:
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
47
Příklad 28
Sumární vzorec: C8H8O3
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
48
Příklad 29
Sumární vzorec: C3H6BrCl
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
49
Příklad 30
Sumární vzorec: C3H6O2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
50
Příklad 31
Sumární vzorec: C11H12N2O2
1
H (DMSO-d6 + CD3OD, 500 MHz)
13
C (DMSO-d6 + CD3OD, 125 MHz)
CD3OD
CDCl3
DMSO
CDCl3
51
Příklad 32
Sumární vzorec: C6H14O6
1
H (D2O, 500 MHz)
APT (D2O, 125 MHz)
CH2
52
Příklad 33
Sumární vzorec: C5H8O2 (dva tautomery)
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
53
Příklad 34
Sumární vzorec: C8H8O4
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
CDCl3
54
Příklad 35
Sumární vzorec: C6H14N2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
55
Příklad 36
Sumární vzorec: C10H23N
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CH3 a CH
56
Příklad 37
Sumární vzorec: C3H9NO
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
57
Příklad 38
Sumární vzorec: C7H4Cl2O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
58
Příklad 39
Sumární vzorec: C4H5N
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
59
Příklad 40
Sumární vzorec: C5H8N2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
60
Příklad 41
Sumární vzorec: C4H6O2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
CDCl3
61
Příklad 42
Sumární vzorec: C7H5NO4
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
62
Příklad 43
Sumární vzorec: C10H12O5
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
63
Příklad 44
Sumární vzorec: C7H5ClO2
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
64
Příklad 45
Sumární vzorec: C8H8O3
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
APT (DMSO-d6, 125 MHz)
65
Příklad 46
Sumární vzorec: C10H12O4
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
66
Příklad 47
Sumární vzorec: C15H24O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
67
Příklad 48
Sumární vzorec: C7H5ClO2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
68
Příklad 49
Sumární vzorec: C7H5NO4
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
69
Příklad 50
Sumární vzorec: C4H4O
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
70
Příklad 51
Sumární vzorec: C7H12O4
1
H (CDCl3, 500 MHz)
APT (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
71
Příklad 52
Sumární vzorec: C5H10O3
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C coupled (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
72
Příklad 53
Sumární vzorec: C8H10O2
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
CDCl3
73
Příklad 54
Sumární vzorec: C3H7N
1
H (CDCl3, 500 MHz)
13
C (CDCl3, 125 MHz)
74
Příklad 55
Sumární vzorec: C4H6O2
1
H (DMSO-d6, 500 MHz)
13
C (DMSO-d6, 125 MHz)
DMSO
75
6. Řešení
Příklad 1: C6H6ClN
Příklad 2: C6H6ClN
Příklad 3: C4H10O
Příklad 4: C8H5NO2
Příklad 5: C2H6O
Příklad 6: C3H6O
Příklad 7: C6H5ClN2O2
Příklad 8: C6H6ClN
Příklad 9: C5H10O
Příklad 10: C8H9Br
76
Příklad 11: C6H7N
Příklad 12: C2H7NO
Příklad 13: C2H6ClN
Příklad 14: C8H11N
Příklad 15: C3H9NO
Příklad 16: C6H7NO
Příklad 17: C6H7NO
Příklad 18: C6H7NO
Příklad 19: C3H4O4
Příklad 20: C7H9NO
Příklad 21: C7H9NO
Příklad 22: C9H11NO2
77
Příklad 23: C9H11NO2
Příklad 24: C9H10O2
Příklad 25: C9H8O
Příklad 26: C9H12
Příklad 27: C12H14O4
Příklad 28: C8H8O3
Příklad 29: C3H6BrCl
Příklad 30: C3H6O2
Příklad 31: C11H12N2O2
Příklad 32: C6H14O6
78
Příklad 33: C5H8O2
Příklad 34: C8H8O4
Příklad 35: C6H14N2
Příklad 36: C10H23N
Příklad 37: C3H9NO
Příklad 38: C7H4Cl2O
Příklad 39: C4H5N
Příklad 40: C5H8N2
Příklad 41: C4H6O2
Příklad 42: C7H5NO4
Příklad 43: C10H12O5
Příklad 44: C7H5ClO2
79
Příklad 45: C8H8O3
Příklad 46: C10H12O4
Příklad 47: C15H24O
Příklad 48: C7H5ClO2
Příklad 49: C7H5NO4
Příklad 50: C4H4O
Příklad 51: C7H12O4
Příklad 52: C5H10O3
Příklad 53: C8H10O2
Příklad 54: C3H7N
Příklad 55: C4H6O2
80
7. Použitá a doporučená literatura
M. Holík: Čtyři lekce z NMR spektroskopie. PřF MU Brno, 1983.
H. Friebolin: Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy. Wiley VCH, Weinheim,
Německo, 1998.
I. Popa, R. Novotná: Základy NMR Spektroskopie. PřF UP Olomouc, 2012.
L.D. Field, S. Sternhell, J.R. Kalman: Organic Structures from Spectra. John Wiley & Sons Ltd.,
England, 2008.
H.E. Gottlieb, V. Kotiyar, A. Nudelman: NMR Chemical Shifts Common Laboratory Solvents as Trace
Impurities. J. Org. Chem. 1997, 62, 7512-7515.
81