Metody badań strukturalnych w biotechnologii

1. Metody badań strukturalnych w biotechnologii Wykład 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. 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 Cl2CHCH3 4 linie kwartet 2 linie; dublet CH3 CH Przesunięcie chemiczne (d, ppm)

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

6. C C C C Sprzężenia H aby występowało sprzężęnie protony nie mogą mieć takich samych przesunięć chemicznych Stale sprzężenia (2J lub3J) są niezależne od wartości przyłożonego pola magnetycznego H H H

7. C C 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 H

8. C C Wicynalna stała sprzężenia 3J – poprzez trzy wiązania Można 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 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)

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 atomów 3JHH = 5.5 Hz 3JHH = 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 protonami 3JHH = 5 – 8 Hz 3JHH = 10 - 12 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)= -1.87 Hz

17. Sprzężenie przez wiązania σ i πWartość stałej w większości wypadków uzależniona jest od elektroujemności podstawników

18. Sprzężenie przez cztery i więcej wiązań Wartość 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)= -1.33 Hz J(B,D)= -1.75 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 5JHH = 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. Zastosowaniarównowagi tautomeryczne

25. Zastosowaniakonformacje

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. Zastosowaniarównowagi konformacyjne

29. Zastosowaniarównowagi 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