1 Metody badań strukturalnych w biotechnologiiWykład V Spektroskopia NMR – stała sprzężenia

2 Stała sprzężenia Odległość w Hz dwóch linii powstałych w wyniku sprzężenia spinowo-spinowego między jądrami A i B przez n wiązań łączących te jądra.

3 Wartość stałej sprzężenia J (wyrażana w Hz) nie zależy od indukcji zewnętrznego pola mgnetycznego ale od: - rodzaju sprzęgających się jąder, - odległości między sprzęgającymi się atomami, - budowy i geometrii układu (rodzaje podstawników, typy hybrydyzacji, konformacja cząsteczki)

4 Przesunięcie chemiczne (d, ppm)Cl2CHCH3 4 linie kwartet 2 linie; dublet CH3 CH 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 Przesunięcie chemiczne (d, ppm) 1

5 Sprzężenia przez dwa i trzy wiązaniaH C C H H H protony geminalne dwa wiązania protony wicynalne trzy wiązania 14

6 aby występowało sprzężęnie protony nie mogą mieć Sprzężenia H C C H H H aby występowało sprzężęnie protony nie mogą mieć takich samych przesunięć chemicznych Stale sprzężenia (2J lub 3J) są niezależne od wartości przyłożonego pola magnetycznego 14

7 Wartość geminalnej stałej sprzężenia 2J zależy od:hybrydyzacji atomu węgla łączącego atomy wodoru: - dla hybrydyzacji sp3 wartość w granicach od 6 do –20 Hz, - dla hybrydyzacji sp2 wartość od 2 do – 20 Hz, b) rodzaju podstawników - w miarę wzrostu elektroujemności podstawnika przesunięcie w kierunku wartości dodatnich H C H

8 Wicynalna stała sprzężenia 3J – poprzez trzy wiązaniaMożna rozróżnić dwa rodzaje tego typu stałej: przenoszone przez wiązania typu σ przenoszone przez wiązania typu σ i π W obu przypadkach stała sprzężenia przyjmuje wartości dodatnie C H H

9 Sprzężenie przez trzy wiązania σ zależy od następujących czynników:wartości kąta dwuściennego między sprzęgającymi się protonami, elektroujemności podstawników, orientacji podstawników względem sprzęgających się atomów, hybrydyzacji atomów węgla między sprzęgającymi się protonami.

10 Wpływ wartości kąta dwuściennego φ między sprzęgającymi się protonami:Na podstawie obliczeń teoretycznych i eksperymentów otrzymano zależność znaną jako równanie Karplusa – Conroya: J = A + Bcosφ + Ccos2φ gdzie: A, B, C – stałe (A = 4.22, B = -0.5, C = 4.5)

11

12 Krzywa Karplusa

13 Wpływ elektroujemności podstawników:W miarę zwiększania elektroujemności podstawnika stała sprzężenia 3J liniowo maleje. W układach z heteroatomem: H-C-X-H, gdzie X = N, O lub S Wartość stałej sprzężenia rośnie i w przypadku konformacji antyperiplanarnej może dochodzić do 12 Hz.

14 Wpływ orientacji podstawnika względem sprzęgających się atomów3JHH = 5.5 Hz JHH = 3 Hz Mniejsze wartości stałych sprzężenia obserwuje się w układach, w których w konformacji antyperiplanarnej w stosunku do jednego z protonów znajduje się elektroujemny podstawnik.

15 Wpływ hybrydyzacji atomów węgla między sprzęgającymi się protonami3JHH = 5 – 8 Hz JHH = Hz

16 J(A,C)=8.6Hz J(A,B)=17.4Hz J(B,C)=3.3Hz J(A,C)= 6.88Hz J(B,C)= 14.42Hz J(A,B)= Hz

17 Sprzężenie przez wiązania σ i π Wartość stałej w większości wypadków uzależniona jest od elektroujemności podstawników związek Stała sprzężenia [Hz] 3Jcis 3Jtrans Winylolit Propen Fluoroeten Benzen (orto) Pirydyna (2,3) Pirydyna(3,4) 19.3 10.00 4.6 7.5 4.9 7.7 23.9 16.8 12.7 -

18 Sprzężenie przez cztery i więcej wiązańWartość tego typu stałej sprzężenia może być duża, jeśli pomiędzy protonami znajduje się wiązanie wielokrotne. Przykładem jest sprzężenie allilowe, gdzie 4J może dochodzić do wartości 3 Hz

19 J(C,D)=6.40 Hz J(A,D)= Hz J(B,D)= Hz

20 J(A,B)=16.8Hz J(A,C)=9.7Hz J(A,D)=7.2Hz

21 Dużo większe wartości 4J przyjmuje kiedy między sprzęgającymi się protonami występuja wiązania potrójne albo układ allenowy 4JHH = 2.5 Hz JHH = 5 Hz Sprzężenie przez pięć wiązań obserwuje się jedynie w układach zawierających wiązania wielokrotne.

22 J(A,B)= 2.8 Hz J(A,C)= 3.45 Hz

23 Sprzężenia

24 Zastosowania równowagi tautomeryczne

25 Zastosowania konformacje

26 Zastosowania – procesy dynamiczne - cykloheksan

27 Procesy dynamiczne – rotacja wokół wiązania częściowo podwójnego.. Wiązanie pojedyncze (np. na skutek sprzężenia) może nabrać charakteru wiązania częściowo podwójnego.

28 Zastosowania równowagi konformacyjne

29 Zastosowania równowagi konformacyjne

30 Spektroskopia magnetycznego rezonansu protonowego, w której wykorzystuje się takie wielkości jak przesunięcie chemiczne i stała sprzężenia jest dobrym narzędziem do badania prostych układów. W przypadku bardziej skomplikowanych molekuł konieczne jest: - zastosowanie spektrometrów o większej rozdzielczości, - zastosowanie bardziej zaawansowanych technik pomiarowych.

31 Widmo kamfory wykonane przy różnej rozdzielczości spektrometru