Структурный анализ органических соединений с использованием 2D-ЯМР-спектра

В этой колонке мы объясним структурный анализ органических соединений с использованием спектра 2D-ЯМР.

Структурный анализ одномерного ЯМР (1D-ЯМР)

Одномерный ЯМР (1D-ЯМР) — это базовый метод измерения ЯМР-спектроскопии, при котором спектр отображается вдоль горизонтальной оси (химический сдвиг). Как уже упоминалось в предыдущей статье, информация о химическом сдвиге, коэффициенте интегрирования и характере расщепления (взаимосвязь) используется для анализа структуры объекта. Однако структурный анализ, основанный только на данных 1D-ЯМР, может быть затруднён, когда число регистрируемых сигналов велико, сигналы перекрываются или когда связи сложны.
Метод двумерного спектрального анализа (2D-ЯМР), представленный в этой статье, может быть широко использован независимо от объекта анализа, поскольку соблюдается базовая последовательность шагов. Более того, следуя этим базовым процедурам, даже начинающие специалисты смогут механически выполнять структурный анализ.

Что такое 2D-ЯМР?

2D-ЯМР — это метод, используемый для проверки более детальной молекулярной структуры, чем 1D-ЯМР.
Поскольку существует множество методов измерения 2D-ЯМР, здесь мы представляем репрезентативные методы измерений.

Структурный анализ с использованием корреляции J-связи

На этот раз мы представляем пример структурного анализа с использованием «J-корреляции связи», которая представляет собой взаимодействие посредством химических связей. Структурный анализ объекта проводится с помощью четырёх шагов, описанных ниже.

На шаге 1 мы используем спектр 1D-ЯМР ¹³C и DEPT для определения и оценки атомной группы и функциональной группы.

На шаге 2 мы используем HMQC и одномерный спектр ¹H найти ¹³C и ¹H, которые связаны напрямую.

На шаге 3 мы используем COSY для исследования и определения соседнего ¹Хс.

Используя информацию, полученную на шагах 2 и 3, можно в некоторой степени определить подструктуры.

На шаге 4 мы используем HMBC для определения структуры оставшихся частей, рассматривая связь ¹³C и ¹H, которые находятся дальше друг от друга.

Пример структурного анализа C ₆H₁₀O₂

Шаг 1 ¹³C (1D-ЯМР) и DEPT

На шаге 1 мы используем спектр 1D-ЯМР ¹³C и DEPT для определения и оценки атомной группы и функциональной группы. Сначала, как показано на рис. 1, мы ставим символ на каждом сигнале в спектре 1D-ЯМР ¹³C. Начиная с сигнала на правой стороне спектра, со стороны сильного поля, добавьте символы А, Б, С... и так далее. Химический сдвиг каждого сигнала считывается с точностью до одного десятичного знака. Считываемая информация представлена ​​в таблице 1.

Таблица 1 ¹³Информация о спектрах C

Далее мы подтвердим результаты спектров DEPT. Поскольку DEPT исследует атом углерода, с которым непосредственно связан водород, серия интересующего атома углерода (количество атомов водорода, непосредственно связанных с интересующим атомом углерода) известна. Другими словами, можно идентифицировать атомные группы, такие как CH₃, СН₂и CH. (DEPT не может обнаружить спектры четвертичных атомов углерода.) DEPT предоставляет три типа спектров в зависимости от параметров измерения (DEPT135, DEPT90 и DEPT45).

В таблице 2 представлены паттерны появления сигналов в трёх типах спектров DEPT. В DEPT135 сигналы CH₃ и CH обнаруживаются вверх, в то время как сигнал CH₂ появляется вниз (противофазно). Часто можно различить CH₃ или CH по химическому сдвигу. Во многих случаях достаточно измерения только DEPT135. Если различение только по DEPT135 затруднено, измерьте DEPT90, в котором обнаруживается только сигнал CH.

Таблица 2. Модели появления сигналов DEPT

Мы будем использовать спектры DEPT для определения атомных групп образца. Как показано на рисунке 2, мы будем различать атомные группы каждого сигнала, сравнивая характерные формы сигналов в спектре 1D-ЯМР. ¹³C и спектр DEPT.

-----
DEPT135・・・Восходящий сигнал: CH₃ или CH, нисходящий сигнал: CH₂
DEPT90・・・ Обнаруживаемый сигнал: CH
Сигнал обнаружен только в спектре 1D-ЯМР ¹³C и не обнаружены в спектре DEPT: четвертичный углерод
-----

Используя имеющуюся информацию, мы смогли определить, что атомные группы каждого сигнала, справа налево, A (СН₃), B (СН₃), C (СН₂), D (СН), E (CH), и F (четвертичный углерод).

Полученная на данный момент информация обобщена в таблице 3. Эта информация используется для оценки атомных групп и функциональных групп.

Таблица 3 ¹³Информация о спектрах C (2)

На рисунке 3 показана таблица химических сдвигов для ¹³C. Примерно на границе 100 ppm сигналы насыщенных атомов углерода появляются справа, а сигналы ненасыщенных атомов углерода — слева. Сравним информацию, представленную в таблице 3, с таблицей химических сдвигов. Сначала рассмотрим D (122.8 частей на миллион) и E (144.0 ppm) мы видим, что они находятся в области ненасыщенного углерода, что указывает на то, что этот CHXNUMX образован из ненасыщенного углерода. Далее, если мы посмотрим FЗначение химического сдвига составляет 166.2 ppm, что соответствует сложноэфирной области. Молекулярная формула этого вещества: C₆H₁₀O₂, и поскольку есть два атома О, четвертичный углерод F предполагается, что он получен из группы COO.

Полученная на данный момент информация обобщена в Таблице 4.

Таблица 4 ¹³Информация о спектрах C (3)

Шаг 2 HMQC и ¹H

На шаге 2 мы будем использовать спектры HMQC и 1D-ЯМР ¹H, чтобы найти напрямую связанный ¹³C и ¹Комбинации H. HMQC сообщит вам комбинацию ¹Рука ¹³С, которые связаны напрямую. Спиновые связи обозначаются символом, например ¹J_CH. Число связей указано в верхнем левом углу буквы J, представляющей спиновую связь, а ядро, с которым она связана, указано в нижнем правом углу буквы J.

На рисунке 4 показан спектр HMQC. В спектрах 2D-ЯМР спектр 1D-ЯМР высокого разрешения отображается по каждой оси; для HMQC ¹Спектр H отображается на оси X, а ¹³Спектр C на оси Y. На шаге 2 те же символы, которые были прикреплены к каждому сигналу в ¹³Спектр C на шаге 1 привязан к сигналам в ¹³Спектр C на оси Y, где верхняя сторона оси Y представляет сторону сильного поля (небольшой химический сдвиг), а нижняя сторона представляет сторону слабого поля (большой химический сдвиг).

Далее проведите линию от ¹³Сигнал C на оси Y к сигналу корреляции HMQC и подтвердите, какой ¹H напрямую связан с ¹³C. Например, если мы сосредоточимся на ¹³C-сигнал C, мы проводим линию в сторону, и когда линия достигает корреляционного сигнала, мы проводим линию вверх оттуда. ¹Сигнал H, которого мы достигли здесь, является аналогом, напрямую связанным с сигналом C of ¹³C. Когда соответствующий ¹H найден таким образом, ¹H обозначен тем же символом, что и аналог ¹³C. Поскольку это аналог сигнала C of ¹³C, мы также поместим символ C На этой ¹H. Всем связанным комбинациям будет дана одинаковая символика.

Шаг 3 ¹H-¹H УЮТНЫЙ

На рис. 6 показаны реальные спектры COSY. COSY показывает ¹Спектры H как по оси X, так и по оси Y.
На шаге 1 мы присвоили символ каждому ¹³Сигнал C. На шаге 2 мы присвоили символ каждому ¹H-сигнал, который напрямую связан с ¹³C с использованием HMQC. На шаге 3 мы сначала присвоили те же символы сигналам в ¹Спектр H по осям X и Y, как мы это делали на шаге 2. Мы посмотрели на спектры HMQC, которые мы использовали ранее (рисунок 4), и скопировали символы, прикрепленные к сигналам в ¹Спектры H на оси X, как они есть.

Обратите внимание, что на рисунке 6 символы расположены в алфавитном порядке, начиная с области с сильным полем, но для данного образца это просто случай. Символы на ¹Сигналы H не всегда располагаются в алфавитном порядке.
Кроме того, в спектрах COSY сигналы выстраиваются на диагональной линии (так называемые диагональные сигналы), когда эта линия проведена. Однако они не используются в качестве информации для структурного анализа. Внедиагональные сигналы — это сигналы корреляции COSY.

Мы проводим линию от коррелированного сигнала к спектрам осей X и Y и находим ¹H, которые связаны друг с другом спин-спинами. Например, если мы сосредоточимся на корреляционном сигнале, обведенном зелёным, мы обнаружим ¹H-сигнал C по оси X и ¹H-сигнал A на оси Y. Таким образом, мы видим, что сигналы C и A Спин-связаны (соседствуют) друг с другом. Как только найден соответствующий фрагмент, мы добавляем символ к коррелированному сигналу. Например, С/А, чтобы указать, что они ¹H-сигналы в ³J_HH Поскольку коррелированные сигналы COSY появляются в линейно-симметричном положении относительно диагонали, мы обнаруживаем ³J_HH аналогичным образом для всех коррелированных сигналов.

После получения информации о коррелированных сигналах COSY создается таблица корреляции для каждого сигнала.
Таблица 5 – это таблица корреляций для COSY. Запишите символы для ¹Сигналы H в вертикальном и горизонтальном порядке, согласно спектру данных на ¹H-¹Ось HCOSY. (В этом примере они расположены в алфавитном порядке, но вам следует посмотреть на спектры COSY и перечислить их в порядке химических сдвигов.) Например, если коррелированные сигналы C и A, отметьте пересечение C и A. Таким образом, все коррелированные сигналы заносятся в таблицу корреляции COSY.

На рис.7 представлена ​​диаграмма корреляционного сигнала COSY.
В этом образце сигнал корреляции COSY наблюдался между ¹H из C и ¹H из A.
Спектры HMQC также показали, что ¹H из C и ¹³С из C напрямую связаны. Таким же образом, ¹H из A и ¹³С из A связаны напрямую.
Следовательно, сигналы корреляции COSY между C и A может вызвать это ¹³С из C и ¹³С из A являются соседними. Другими словами, используя информацию COSY, мы можем косвенно найти соседние ¹³C-соединения от соседей ¹H-соединения.

Информация, которой мы располагаем на данный момент, это ¹³Информация о спектре C (таблица 4) и таблица корреляций COSY (таблица 5). Из таблицы корреляций COSY видно, что атомы углерода, полученные из ¹³С сигналы переменный ток, БЫТЬ и Делавэр соседствуют друг с другом. В сочетании с информацией из ¹³Спектр C, когда мы переписываем символы как атомные группы, мы имеем переменный ток : "Ч₃-СН₂-", КРОВАТЬ : "Ч₃-CH=CH-", и F : «COO» на шаге 1. Следовательно, мы знаем, что это соединение состоит из следующих трех подструктур.

----
Подструктура 1：CH₃-СН₂- ・・・ переменный ток
Подструктура 2： CH3-CH=CH- ・・・ КРОВАТЬ
Подструктура 3： COO ・・・ F
----

Далее мы рассмотрим, какую молекулу получится, если соединить каждую подструктуру (рис. 8). Мы перечислим все возможные молекулярные структуры, полученные из комбинации трёх подструктур. При рассмотрении молекулярных структур проще сосредоточиться на подструктуре, содержащей CH₃ потому что CH₃ находится в конце структуры. В этом случае возможны две структуры. Во-первых, подструктуры 1 и 2 являются концами молекулярной структуры, поскольку содержат CH₃Поскольку 1 и 2 расположены на концах, мы можем предсказать, что субструктура 3 расположена между 1 и 2. Различная ориентация субструктуры 3 позволила нам создать две различные предполагаемые структуры (I, II). Ориентация COO может быть использована для определения более обоснованной предполагаемой структуры. Поэтому для подтверждения наличия дальнодействующей спиновой связи относительно COO проводятся измерения HMBC.

Шаг 4 HMBC

На рис. 10 представлен реальный спектр HMBC. Оси HMBC те же, что и в случае HMQC. ¹Спектры H по оси X и ¹³Спектры С по оси Y.
На шаге 4 мы поместим тот же символ, который мы назначили для спектров HMQC на шаге 2, для каждого сигнала спектра 1D-ЯМР на осях X и Y.

Затем мы проводим линии от сигналов корреляции к спектрам осей X и Y, чтобы найти спин-связанные ¹³C и ¹Комбинации H. Здесь два горизонтально расположенных сигнала, обведенных оранжевым, — это сигналы ¹J_CH, прямое соединение ¹Рука ¹³C. Поскольку это остаточные сигналы, они наблюдаются не во всех прямых связях. Поскольку прямые связи уже были обнаружены HMQC, нет необходимости рассматривать их здесь подробно.
В спектре HMBC считывается только информация дальнего действия, игнорируя сигнал прямой связи.
Например, если мы сосредоточимся на корреляционном сигнале, обведенном зеленым, мы увидим, что ¹³С из C и ¹H из A являются дальнодействующими спинами, связанными друг с другом, поскольку отслеживание по оси Y приводит к C и по оси X результаты в A.

Как только аналог известен, добавьте символ к сигналу корреляции, например, кондиционер, чтобы указать, что это дальнодействующий спин-связанный ¹Рука ¹³С из ²J_CH or ³J_CH.
Для всех корреляционных сигналов выполните те же действия, чтобы найти дальний спин-связующий аналог, и обозначьте корреляционный сигнал символом. После того, как вы запишете информацию для корреляционных сигналов HMBC, создайте корреляционную таблицу.

Таблица 6 представляет собой таблицу корреляций для HMBC. Мы используем символ для ¹Сигнал H горизонтально и символ для ¹³Сигнал C вертикально, согласно спектру. (Обратите внимание, что символы для ¹Сигналы H не обязательно расположены в алфавитном порядке.) Корреляционные сигналы для спектров HMBC будут заполнены. Например, если корреляционный сигнал ¹³С для C и ¹H для A, отметьте пересечение C для ¹³C и A для ¹H в таблице корреляции. Таким образом, все сигналы корреляции заносятся в таблицу корреляции HMBC.

Для соединения подструктур мы используем информацию из HMBC.
Посмотрите на заполненную вами ранее таблицу корреляций HMBC (таблица 7). В маркировке корреляционных сигналов связи, уже проанализированные COSY на шаге 3, отмечены знаком ○, а связи, впервые обнаруженные в HMBC, отмечены знаком ●. Связь, впервые обнаруженная в HMBC, является корреляцией COO для F. Это указывает на то, что F представляет собой дальнюю спиновую связь с C, D и E.

Мы рассмотрим долгосрочные корреляции FC, ФД и FE рассмотреть, какое направление является правильным для присоединения COO среди предполагаемых структур I и II. (Рисунок 11)
Во-первых, в выведенной структуре I, F's ¹³C и C's ¹H имеют три связи "³J_CH", ; F's ¹³C иD's ¹H имеют две связи "²J_CH", ; и F's ¹³C и E's ¹H имеют три связи "³J_CH".
Далее, давайте рассмотрим полученную структуру II. ¹H из ¹³C и C in F является "²J_CH"с двумя связями, ¹H из ¹³C и D in F является "³J_CH"с тремя связями, и ¹H из ¹³C и E in F является "⁴J_CH"с четырьмя облигациями.
С ⁴J_CH вряд ли будет наблюдаться, мы можем ожидать, что выведенная структура I является разумной структурой.

Наконец, предполагаемая структура I проверяется с помощью информации в спектре 1D-ЯМР ¹³C, чтобы подтвердить, действительно ли это верно. В выведенной структуре I, CH₂ символа C связан с кислородом. И ¹³C химический сдвиг этого C составила 59.8 ppm (таблица 1).
Команда ¹³Таблица химических сдвигов C для CH₂ (Таблица 8) показывает, что нормальный уровень CH₂ наблюдается при 20-45 ppm, тогда как CH₂ связанный с кислородом, наблюдается при 40-70 ppm с меньшим сдвигом поля.
Из этого факта можно сделать вывод, что «Структура I верна».

Таблица 8 ¹³Химический сдвиг C для CH₂

Приложения, связанные с

Потребность в 2D-спектрах высокого разрешения

Суперпоследовательности NOAH-ЯМР с вложенным сбором для малых молекул

Применение DOSY: анализ гостевой инкапсуляции

Наблюдение NOE от HSQC-NOESY

Исследования мельчайших количеств молекул естественного изобилия с использованием 2D-гетероядерной корреляционной спектроскопии при MAS 100 кГц: подход HMQC

Каталог