CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)Mở đầu

1



Isidor Isaac Rabi (Nobel 1944)

1938: Proton và notron trong hạt nhân như một nam châm. Vì thế, trong từ trường ngoài, các momen từ của nguyên tử hoặc phân tử tạo nên một trạng thái cân bằng . Khi đưa chùm tia các phân tử qua một từ trường của một sóng vô tuyến, thì hướng của một số momen từ bị thay đổi. Khi chúng chuyển về trạng thái ban đầu thì phát ra bức xạ điện từ có tần số đặc trưng cho nguyên tử hoặc phân tử

2



1946: Edward Mills Purcell (Harvard) và Felix Bloch (Stanford) (Nobel 1952): Phát triển phương pháp đo chính xác từ hạt nhân và các ứng dụng của chúng.

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN (PHỔ NMR)

3



11. Wüthrich (Nobel 2002): xác định cấu trúc 3 chiều của đại phân tử

■ ‘1H NMR’ và ‘proton NMR’ là các thuật ngữ có thể hoán đổi cho nhau. Tất nhiên, tất cả các hạt nhân đều chứa proton, nhưng các nhà hóa học thường sử dụng đặc biệt "proton" cho hạt nhân của nguyên tử hydro, như một phần của phân tử hoặc ở dạng &

039;tự do&

039; của nó là H +. Đây là cách nó sẽ được sử dụng trong chương này.

Connections(Kết nối)

Building on(Xây dựng trên)

• Tinh thể học tia X, khối lượng phép đo phổ, NMR và hồng ngoại quang phổ học ch3. Arriving at(Đến lúc)
  • Phổ proton (hoặc 1H) NMR và các vùng của chúng
  • 1H NMR so với 13C NMR: tích hợp
  • Cách “ghép nối” trong 1H NMR cung cấp hầu hết thông tin cần thiết để tìm ra cấu trúc của một phân tử chưa biết Looking forward to(Mong chờ)
    • Sử dụng 1H NMR với các phương pháp quang phổ khác để giải quyết nhanh chóng các cấu trúc ch
    • Sử dụng 1H NMR để khảo sát hình dạng chi tiết (hóa học lập thể) của các phân tử ch31.
    • Quang phổ 1H NMR được đề cập đến trong hầu hết các chương của cuốn sách vì nó là công cụ quan trọng nhất để xác định cấu trúc; bạn phải hiểu chương này trước khi đọc tiếp.

Sự khác biệt giữa Cacbon và NMR proton

Chúng tôi đã giới thiệu cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) trong Chương 3 như một phần của cuộc tấn công ba mũi nhọn vào vấn đề xác định cấu trúc phân tử. Chúng tôi chỉ ra rằng khối phổ cân các phân tử, quang phổ hồng ngoại cho chúng tôi biết về các nhóm chức, và 13C và 1H NMR cho chúng tôi biết về khung hydrocacbon. Chúng tôi tập trung vào 13C NMR vì nó đơn giản hơn, và chúng tôi buộc phải thừa nhận rằng chúng tôi đã bỏ qua các chi tiết của kỹ thuật quan trọng nhất — proton (1H) NMR — cho đến chương sau vì nó phức tạp hơn 13C NMR. Đây là chương đó và bây giờ chúng ta phải giải quyết những phức tạp đó. Chúng tôi hy vọng bạn sẽ thấy 1H NMR cho kỹ thuật đẹp và mạnh mẽ mà nó chắc chắn là. Các đỉnh cao khác nhau đáng để làm chủ vì đây là vũ khí chính của nhà hóa học trong cuộc chiến giải quyết các cấu trúc. ● Chúng tôi sẽ sử dụng bằng chứng NMR 1H và 13C cho cấu trúc xuyên suốt cuốn sách này, và điều cần thiết là bạn phải làm quen với các giải thích trong chương này trước khi đọc hem. Proton NMR khác với 13C NMR theo một số cách.

• 1H là đồng vị chính của hydro (99,985% phong phú tự nhiên), trong khi 13C chỉ là một đồng vị nhỏ (1,1%).
• 1H NMR là định lượng: diện tích dưới đỉnh cho chúng ta biết số lượng hạt nhân hydro, trong khi 13C NMR có thể cho các đỉnh mạnh hoặc yếu từ cùng một số hạt nhân 13C.
• Các proton tương tác từ tính (‘cặp đôi’) để tiết lộ kết nối của cấu trúc, trong khi 13C

■ Tất cả các hạt nhân đều được đặc trưng bởi &

039;spin hạt nhân&

039; của chúng, một giá trị được gọi là I. Số mức năng lượng dành cho hạt nhân có spin I là 2I + 1. 1H và 13C đều có I = 1/2. ■ Thang 10 ppm này không giống với bất kỳ phần nào của phổ 13C NMR. Nó ở một tần số khác hoàn toàn. ■ Nhắc nhở từ Chương 3: bỏ qua đỉnh tại 7. được hiển thị bằng màu nâu. Đây là từ dung môi, như đã giải thích trên tr. ■ Chỉ đơn giản là đo chiều cao tương đối của các đỉnh là không đủ vì như ở đây, một số đỉnh có thể rộng hơn những quá hiếm để có thể nhìn thấy sự kết hợp giữa các hạt nhân 13C. - Sự thay đổi 1H NMR cung cấp một dấu hiệu đáng tin cậy hơn về hóa học cục bộ so với mức được đưa ra bởi phổ 13Cúng tôi sẽ kiểm tra chi tiết từng điểm này và xây dựng sự hiểu biết đầy đủ về phổ NMR proton. Phổ 13C NMR: hem vô tuyến được sử dụng để nghiên cứu sự khác biệt mức năng lượng của các hạt nhân trong từ trường, nhưng lần này chúng là hạt nhân 1H chứ không phải 13C. Các hạt nhân hydro trong từ trường có hai mức năng lượng: chúng có thể thẳng hem hoặc ngược chiều với từ trường đặt vào. Phổ 1H và 13C có nhiều điểm giống nhau: thang đo chạy từ phải sang trái và điểm 0 được đưa ra bởi cùng một hợp chất tham chiếu, mặc dù cộng hưởng proton của Me4Si chứ không phải cộng hưởng cacbon xác định điểm không. Bạn sẽ ngay lập tức nhận thấy rằng quy mô nhỏ hơn nhiều, chỉ dao động trong khoảng 10 ppm thay vì 200 ppm cần thiết cho carbon. Điều này là do sự biến thiên trong sự dịch chuyển hóa học là thước đo sự che chắn của hạt nhân bởi các electron xung quanh nó. Chắc chắn có thể có ít thay đổi hơn trong sự phân bố của hai điện tử xung quanh hạt nhân hydro so với sự thay đổi của tám điện tử hóa trị xung quanh hạt nhân cacbon. Đây là phổ NMR 1H của axit axetic mà bạn đã thấy lần đầu tiên trong Chương 3.

\=>Các bảng này có thể được tìm thấy trên trang 422–426. Trong ví dụ tiếp theo này, có thể dễ dàng ấn định phổ đơn giản bằng cách đo các bước trong tích phân. Có hai nhóm metyl giống hệt nhau (Cme2) với sáu Hs, một nhóm metyl với ba Hs, OH proton (1 H), nhóm CH2 bên cạnh OH (hai Hs), và cuối cùng là nhóm CH2CH2 giữa nguyên tử oxi trong vòng (bốn Hs). Trước khi chúng ta tiếp tục, hãy lưu ý về các đỉnh dung môi được hiển thị bằng màu nâu trong các quang phổ này. Phổ NMR của proton thường được ghi lại trong dung dịch ở deuterochloroform (CDCl3) — nghĩa là, chloroform (CHCl3) với 1H được thay thế bằng 2H (deuterium). Tỷ lệ giữa kích thước của pic với số proton cho bạn biết tại sao: nếu bạn chạy phổ trong CHCl3, bạn sẽ thấy một pic rộng lớn cho tất cả Hs dung môi vì sẽ có nhiều dung môi hơn hợp chất mà bạn muốn tìm. Tại. Sử dụng CDCl3 cắt bỏ tất cả các proton không liên quan. Nguyên tử 2H có các tính chất hạt nhân khác nhau và do đó không hiển thị trong quang phổ 1H. Tuy nhiên, CDCl3 luôn bị ô nhiễm một lượng nhỏ CHCl3, làm hem đỉnh nhỏ ở 7,25 ppm. Phổ cũng có thể được ghi lại trong các dung môi khử tiếng khác như nước (D2O), hemól (CD3OD) hoặc hemó (C6D6).

Các vùng của phổ NMR proton

Tất cả các nguyên tử H trong ví dụ cuối cùng được gắn với các nguyên tử sp3, vì vậy bạn sẽ mong đợi chúng rơi vào khoảng từ 0 đến 5 ppm. Tuy nhiên, bạn có thể thấy rõ hem rằng các nguyên tử H ở gần oxy hơn bị dịch chuyển xuống trường trong vùng 0– 5 ppm, thành các giá trị δ lớn hơn (ở đây là 3,3 và 3,9 ppm). Chúng ta có thể sử dụng thực tế này để xây dựng một số chi tiết hơn vào bức tranh của chúng ta về các vùng của phổ 1H NMR. Các vùng này giữ cho các proton gắn với C: Các proton gắn với O hoặc N có thể đến hầu hết mọi nơi trên quang phổ. Ngay cả đối với tín hiệu C – H, các vùng là gần đúng và trùng lặp khá nhiều. Bạn nên sử dụng biểu đồ như một hướng dẫn cơ bản và bạn nên tìm hiểu các vùng này. Nhưng bạn cũng sẽ cần xây dựng sự hiểu biết chi tiết hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến sự chuyển dịch hóa học của proton. Để giúp bạn hiểu được điều này, bây giờ chúng ta cần xem xét các lớp của proton một cách chi tiết hơn và xem xét lý do cho sự thay đổi cụ thể của chúng. Điều quan trọng là bạn phải nắm bắt được những lý do này.

■ Bạn đã thấy δ được sử dụng như một biểu tượng cho sự thay đổi hóa học. Bây giờ chúng ta có hai loại chuyển dịch hóa học — trong phổ 13C NMR và trong phổ 1H NMR — chúng tôi cần có khả năng phân biệt chúng. δH có nghĩa là sự dịch chuyển hóa học trong phổ 1H NMR, và δC là sự dịch chuyển hóa học trong phổ 13C NMR. Trong chương này, bạn sẽ thấy rất nhiều con số — sự thay đổi hóa học và sự khác biệt trong sự dịch chuyển hóa học. Chúng tôi cần những điều này để chứng tỏ rằng những ý tưởng đằng sau 1H NMR là dựa trên thực tế một cách an toàn. Bạn không cần phải học những con số này. Các bảng tổng hợp có thể được tìm thấy ở cuối Chương 18, chúng tôi hy vọng bạn sẽ thấy hữu ích để tham khảo trong khi giải quyết vấn đề.

Các Proton trên nguyên tử cacbon bão hòa

Sự thay đổi hóa học có liên quan đến độ âm điện của các nhóm thế Chúng ta sẽ bắt đầu với các proton trên nguyên tử cacbon bão hòa. Nửa trên của sơ đồ dưới đây cho thấy cách các proton trong nhóm metyl chuyển dịch ngày càng nhiều khi nguyên tử gắn với chúng có độ âm điện lớn hơn. Khi chúng ta xử lý các nguyên tử đơn lẻ như một nhóm thế, những hiệu ứng này rất đơn giản và ít nhiều có tính chất phụ gia. Nếu chúng ta tiếp tục hem các nguyên tử clo có độ âm điện vào một nguyên tử cacbon, mật độ điện tử sẽ bị loại bỏ dần dần và hạt nhân cacbon và các nguyên tử hydro gắn liền với nó sẽ bị khử hàn dần. Bạn có thể thấy điều này ở nửa dưới của sơ đồ trên. Dichloromethane, CH2Cl2, và chloroform, CHCl3, thường được sử dụng làm dung môi và sự dịch chuyển của chúng sẽ trở nên quen thuộc với bạn nếu bạn quan sát nhiều quang phổ. Sự thay đổi hóa học proton cho chúng ta biết về hóa học Sự thật là sự dịch chuyển và độ âm điện không có mối tương quan hoàn hảo. Tính chất quan trọng thực sự là sự rút điện tử nhưng đó là sức mạnh rút điện tử của toàn bộ nhóm thế so với các nguyên tử cacbon và hydro trong khung CH mới quan trọng. Các nhóm metyl tham gia vào cùng một nhóm – ví dụ nitơ – có thể có sự dịch chuyển rất khác nhau nếu nhóm thế là nhóm amin (CH3 – NH2 có δH đối với nhóm CH3 = 2, ppm) hoặc nhóm nitro (CH3 – NO2 có δH 4,33 ppm ). Nhóm nitro rút electron nhiều hơn nhóm amin. Những gì chúng ta cần là một hướng dẫn nhanh hơn là một số tương quan chi tiết, và đơn giản nhất là thế này: tất cả các nhóm chức ngoại trừ những nhóm rất rút điện tử sẽ dịch chuyển các nhóm metyl từ 1 ppm (nơi bạn xác định chúng nếu chúng không được gắn vào một nhóm chức) xuống khoảng 2 ppm. Các nhóm rút điện tử rất mạnh chuyển nhóm metyl đến khoảng 3 ppm. Đây là loại điều đáng để học hỏi.

\=>Bạn đã gặp loại phản ứng tạo thành amit này trong Chương 10 — ở đây amit thực sự là một cacbamat vì nhóm C = O được bao bọc bởi cả O và N. cũng có hai tín hiệu metyl, ở 2,89 và 2,98 ppm, mỗi 3H, và đây là hai nhóm metyl trên nitơ. Sự quay bị hạn chế về liên kết N-CO phải làm cho hai nhóm Me khác nhau. Bạn sẽ nhớ từ Chương 7 (trang 155) rằng liên kết amit N – CO có đặc tính liên kết đôi đáng kể vì liên hợp: các cặp electron đơn lẻ trên nitơ được phân chia thành nhóm cacbonyl. Giống như liên kết đôi, cấu trúc lồng ngăn cản sự quay của liên kết và có thể làm cho hai proton của một nhóm CH2 có vẻ khác nhau. Có rất nhiều hợp chất fl avouring (tecpenoit) từ các loại thảo mộc có cấu trúc như thế này. Trong ví dụ ở đây – myrtenal, từ bụi cây myrtle – có một chiếc nhẫn bốn ghi nhớ bắc cầu qua một chiếc nhẫn sáu ghi nhớ. Các nhóm metyl trên cầu khác là khác nhau vì một nhóm vượt qua anken trong khi một nhóm vượt qua CH2. Không thể luân chuyển bất kỳ liên kết nào trong lồng, vì vậy các nhóm metyl này cộng hưởng ở các tần số khác nhau (0,74 và 1,33 ppm). Điều này cũng đúng đối với hai nguyên tử H của nhóm CH2. Nhóm CH và CH2 có độ chuyển dịch hoá học cao hơn nhóm CH Các nhóm thế âm điện có ảnh hưởng tương tự đối với các proton của nhóm CH và nhóm CH, nhưng có hem một điều phức tạp là nhóm CH2 có hai nhóm thế khác và nhóm CH ba. Một nhóm CH2 (metylen) đơn giản cộng hưởng ở 1,3 ppm, xa hơn khoảng 0,4 ppm so với nhóm CH3 tương đương (0,9 ppm), và một nhóm CH đơn giản cộng hưởng ở 1,7 ppm, một trường xuống 0,4 ppm khác. Việc thay thế mỗi nguyên tử hydro trong nhóm CH3 bằng một nguyên tử cacbon gây ra sự dịch chuyển trường xuống nhỏ vì cacbon có độ âm điện cao hơn một chút (C 2,5; H 2,2) so với hydro và do đó che chắn kém hiệu quả hơn. Nhóm benzyl (PhCH2–) rất quan trọng trong hóa học hữu cơ. Nó xuất hiện tự nhiên trong axit amin hemólanine mà bạn đã gặp ở Chương 2. Phenylalanin có tín hiệu CH2 ở 3,0 ppm và được di chuyển xuống trường từ 1,3 ppm chủ yếu bởi vòng hemó. Các axit amin thường được ‘bảo vệ’ dưới dạng các dẫn xuất Cbz (cacboxybenzyl) bằng phản ứng với clorua axit (chúng ta sẽ thảo luận hem về vấn đề này trong Chương 23). Đây là một ví dụ đơn giản cùng với phổ NMR của sản phẩm. Bây giờ nhóm CH2 đã đi xuống trường sâu hơn đến 5,1 ppm vì nó ở bên cạnh cả oxy và phenyl.

■ D2O, NaOD và DCl phải được sử dụng thay cho 1H của chúng tương đương để tránh làm nhiễu phổ với các proton của H2O. Tất cả các proton có tính axit đều được thay thế bằng đơteri trong quá trình này — sẽ nói thêm về điều này sau này. Sự chuyển dịch hóa học của các nhóm CH Một nhóm CH ở giữa khung xương carbon cộng hưởng ở khoảng 1,7 ppm — một trường xuống 0,4 ppm khác từ nhóm CH2. Nó có thể có tối hem nhóm thế và những nhóm này sẽ gây ra sự dịch chuyển đường xuống hơn nữa với số lượng tương đương như chúng ta đã thấy đối với nhóm CH3 và CH2. Ba ví dụ từ tự nhiên là nicotin, metyl este của axit lactic và vitamin C. Nicotin, hợp chất trong thuốc lá gây ra cảm giác hem ăn (mặc dù không phải là cái chết, thay vào đó được khử bởi cacbon monoxit và có mùi trong khói thuốc), có một nguyên tử hydro bị mắc kẹt giữa một amin bậc ba đơn giản và một vòng thơm ở 3,24 ppm. Themester của axit lactic có một proton CH ở 4, ppm. Bạn có thể ước tính điều này với độ chính xác hợp lý bằng cách sử dụng các hướng dẫn trong hai hộp tóm tắt trên trang 273 và 274. Lấy 1,7 (cho CH) và hem 1, (cho C = O) cộng với 2,0 (cho OH) = 4,7 ppm — không xa ngoài. Vitamin C (axit ascorbic) có hai CH. Một ở 4,05 ppm là bên cạnh một nhóm OH (ước tính 1,7 + 2,0 cho OH = 3, ppm) và một bên cạnh một liên kết đôi và một nguyên tử oxy ở 4,52 ppm (ước tính 1, + 1 cho liên kết đôi + 2 cho OH = 4,7 ppm). Một lần nữa, không quá tệ cho một ước tính sơ bộ. Một trường hợp thú vị là axit amin hemólanine có nhóm CH2 mà chúng ta đã xem xét trước đó. Nó cũng có một nhóm CH giữa nhóm amino và axit cacboxylic. Nếu chúng ta ghi lại phổ 1H NMR trong D2O, trong dung dịch bazơ (NaOD) hoặc axit (DCl), chúng ta thấy có sự chuyển dịch lớn của nhóm CH đó. Trong dung dịch bazơ, CH cộng hưởng ở 3,60 ppm và trong dung dịch axit, nó cộng hưởng ở 4,35 ppm. Có một hiệu ứng kép ở đây: CO2H và NH3 + đều rút điện tử nhiều hơn CO2 – và NH2 nên cả hai đều di chuyển trường xuống của nhóm CH.

■ Từ trường được tạo ra bởi các điện tử tuần hoàn ở xung quanh bạn: nam châm điện và các chất điện từ chính xác là như vậy. Các câu trả lời được suy ra từ biểu đồ này sẽ không hoàn hảo nhưng sẽ cung cấp một hướng dẫn tốt. Hãy nhớ rằng - những thay đổi này là phụ gia. Lấy một ví dụ đơn giản, ketoester dưới đây. Chỉ có ba tín hiệu và chỉ riêng sự tích hợp đã phân biệt hai nhóm metyl với nhóm CH2. Một metyl đã chuyển từ 0,9 ppm khoảng 1 ppm, metyl còn lại hơn 2 ppm. Đầu tiên phải cạnh C = O và thứ hai cạnh oxi. Chính xác hơn, 2,14 ppm là sự dịch chuyển của 1,24 ppm so với giá trị tiêu chuẩn của chúng tôi (0,9 ppm) đối với nhóm metyl, về những gì chúng ta mong đợi đối với metyl xeton, trong khi 3,61 ppm là sự dịch chuyển của 2,71 ppm, gần với 3,0 ppm dự kiến cho một este tham gia thông qua nguyên tử oxy. Nhóm CH2 đứng cạnh một este và một nhóm cacbonyl xeton và vì vậy chúng tôi dự đoán nó ở mức 1,3 + 1,0 + 1,0 = 3,3 ppm, một ước tính chính xác, như nó xảy ra. Chúng ta sẽ quay lại những ước tính này khi chúng ta xem xét quang phổ của các hợp chất chưa biết.

Vùng anken và vùng benzene

Ở 13C NMR, các nguyên tử anken và benzen nằm trong cùng một vùng của phổ, nhưng trong phổ 1H NMR, các nguyên tử H gắn với các nguyên tử C và anken C tự sắp xếp thành hai nhóm. Để minh họa điểm này, hãy nhìn vào sự thay đổi hóa học 13C và 1H của xyclo hexene và benzen, được hiển thị bên lề. Hai tín hiệu carbon gần như giống nhau (chênh lệch 1,3 ppm, <1% trên tổng số thang 200 ppm) nhưng tín hiệu proton rất khác nhau (chênh lệch 1,6 ppm = 16% của thang 10 ppm). Phải có một lý do cơ bản cho điều này. Dòng điện vòng benzen gây ra sự thay đổi lớn đối với các proton thơm Một anken đơn giản có một khu vực có mật độ electron thấp trong mặt phẳng của phân tử vì quỹ đạo π có một nút ở đó, và các hạt nhân cacbon và hydro nằm trong mặt phẳng không bị che chắn khỏi các electron π. Vòng benzen trông tương tự ở cái nhìn đầu tiên, và mặt phẳng của phân tử thực sự là một nút cho tất cả các obitan π. Tuy nhiên, như chúng ta đã thảo luận trong Chương 7, benzen là chất thơm - nó có tính ổn định cao hơn vì sáu electron liên kết với nhau thành ba obitan rất bền và được phân chia vòng quanh toàn bộ vòng. Trường fi được ứng dụng thiết lập một dòng điện vòng trong các

Cấu trúc tương tác của cyclophane và annulene ■ Mật độ electron xung quanh vòng lớn hơn sẽ bù đắp cho bất kỳ sự điện tử phân chia này tạo ra trường cục bộ chứ không phải trường do các điện tử tạo ra xung quanh hạt nhân. Bên trong vòng benzen, trường cảm ứng đối lập với trường ứng dụng, nhưng bên ngoài vòng nó củng cố trường ứng dụng. Các nguyên tử cacbon nằm trong chính vòng và không bị ảnh hưởng, nhưng các hydro ở bên ngoài vòng, cảm thấy trường áp dụng mạnh hơn và dường như ít bị che chắn hơn (tức là bị khử che chắn nhiều hơn; dịch chuyển hóa học lớn hơn). Cyclophanes và annulenes Bạn có thể nghĩ rằng thật vô nghĩa khi tưởng tượng những gì diễn ra bên trong một vòng thơm vì chúng ta không thể có các nguyên tử hydro bên trong một vòng benzen theo đúng nghĩa đen. Tuy nhiên, chúng ta có thể đến gần. Các hợp chất được gọi là xiclophanes có các vòng nguyên tử cacbon bão hòa gắn ở cả hai đầu của cùng một vòng benzen. Bạn thấy ở đây một cấu trúc của [7] -para-xyclophane, có một chuỗi gồm bảy nhóm CH2 được gắn vào các vị trí para của cùng một vòng benzen. Bản thân 4 nguyên tử H trên vòng benzen xuất hiện dưới dạng một tín hiệu ở 7,07 ppm - một giá trị tiêu biểu của dòng điện vòng cho vòng benzen. Hai nhóm CH2 tham gia vào vòng benzen (C1) cũng được khử lớp bởi dòng điện vòng ở 2,64 ppm. Hai nhóm CH2 tiếp theo trên C2 và C3 không được che chắn cũng như không bị che chắn ở 1,0 ppm. Nhưng nhóm CH2 ở giữa trong chuỗi (C4) phải hướng về phía vòng ở giữa hệ π và được che chắn nhiều bởi dòng điện vòng ở –0,6 ppm). Với một vòng thơm lớn hơn, thực tế có thể có các nguyên tử hydro bên trong vòng. Các hợp chất là thơm nếu chúng có 4n + 2 điện tử phân chia và vòng này có 9 liên kết đôi, tức là 18 điện tử π, là một ví dụ. Các hydro bên ngoài vòng cộng hưởng trong vùng thơm ở trường khá thấp (9,28 ppm) nhưng các nguyên tử hydro bên trong vòng cộng

hiệu ứng cảm ứng là kết quả của sự rút hoặc hiến electron được cảm nhận đơn giản bằng sự phân cực của các liên kết σ của phân tử. Xem tr. 135. => Tất cả điều này có hậu quả rất quan trọng đối với khả năng phản ứng của các vòng benzen được thay thế khác nhau: phản ứng của chúng sẽ được thảo luận trong Chương 21. của một metyl este (biểu đồ trên trang 276 cho thấy 3,9 ppm). Một nhóm CH2 (màu vàng) nằm giữa hai nhóm cacbonyl (so sánh 3,35 ppm cho nhóm CH2 tương tự trên trang 277). Chất còn lại (màu đỏ) bên cạnh một este và một vòng benzen: chúng tôi tính 1,3 + 1,5 + 3,0 = 5,8 ppm cho điều đó - gần hợp lý với 5,19 ppm quan sát được. Lưu ý rằng Ph và O cùng hoạt động như thế nào để chuyển Hs gắn liền với trường xuống sp3 C này thành vùng mà chúng ta thường mong đợi là vùng anken. Không giải thích các khu vực trên p. 272 quá cứng nhắc! Cách trao và rút electron thay đổi sự thay đổi hóa học Chúng ta có thể biết được ảnh hưởng của sự phân bố electron bằng cách xem xét một loạt các vòng benzen có cùng nhóm thế ở vị trí 1 và 4. Mô hình này làm cho tất cả bốn hydro trên vòng giống hệt nhau. Dưới đây là một số hợp chất được liệt kê theo thứ tự chuyển dịch hóa học: chuyển dịch lớn nhất (trường thấp nhất; khử được nhiều nhất) đầu tiên. Sự liên hợp được thể hiện bằng các mũi tên xoăn thông thường và hiệu ứng quy nạp bằng một mũi tên thẳng cạnh nhóm. Chỉ một nguyên tử hydro và một bộ mũi tên được hiển thị. Ảnh hưởng của các nhóm rút electron bằng cách liên hợp bằng hiệu ứng quy nạp Sự thay đổi lớn nhất đến từ các nhóm rút electron bằng cách liên hợp. Nitro là chất mạnh nhất — điều này không làm bạn ngạc nhiên vì chúng ta đã thấy điều này xảy ra tương tự trong các hợp chất không thơm ở cả phổ 13C và 1H NMR. Sau đó đến nhóm cacbonyl và nitrile tiếp theo là các nhóm thể hiện sự rút ra quy nạp đơn giản. CF3 là một ví dụ quan trọng của loại nhóm này — ba nguyên tử flo kết hợp với nhau để tạo ra một hiệu ứng mạnh mẽ. Ở giữa trình tự của chúng ta, xung quanh vị trí của chính benzen ở 7,27 ppm, xuất hiện các halogen, mà sự rút điện tử cảm ứng và sự hiến tặng cặp đơn lẻ gần như cân bằng. cân bằng giữa việc rút tiền bằng hiệu ứng quy nạp và việc tặng các cặp đơn lẻ bằng cách liên hợp Các nhóm alkyl là các chất tạo cảm ứng yếu, nhưng các nhóm có khả năng che chắn tốt nhất - có lẽ đáng ngạc nhiên - là những nhóm chứa các nguyên tử âm điện O và N. C), trên sự liên hợp cân bằng của các cặp đơn lẻ của chúng với vòng (như bạn đã thấy ở trang 278) làm cho chúng trở thành các nhà tài trợ electron ròng. Chúng làm tăng khả năng che chắn ở các hydro vòng. Nhóm amino là tốt nhất. Lưu ý rằng một nhóm chức

dựa trên nitơ (NO2) là chất rút điện tử tốt nhất trong khi nhóm khác (NH2) là chất cho điện tử tốt nhất. ảnh hưởng của các nhóm hiến tặng electron bằng hiệu ứng quy nạp cân bằng giữa việc rút tiền bằng hiệu ứng quy nạp và việc tặng các cặp đơn lẻ bằng cách liên hợp — việc tặng điện tử sẽ thắng Đối với các nhà tài trợ với các cặp đơn lẻ có liên quan (các halogen cộng với O và N), hai yếu tố rất quan trọng - kích thước của các cặp đơn lẻ và độ âm điện của nguyên tố. Nếu chúng ta nhìn vào bốn halogen ở đầu trang này, các cặp đơn lẻ nằm trong các obitan 2p (F), 3p (Cl), 4p (Br) và 5p (I). Trong mọi trường hợp, các obitan trên vòng benzen là 2p nên obitan flo có kích thước phù hợp để tương tác tốt và các obitan khác quá lớn. Mặc dù fl uorine là chất điện âm nhất, nó vẫn là nhà tài trợ tốt nhất. Những thứ khác không kéo mật độ electron đi nhiều như vậy, nhưng chúng cũng không thể trả lại nhiều như vậy. Nếu chúng ta so sánh hàng đầu tiên của các nguyên tố khối p - F, OH và NH2 - tất cả đều có các cặp đơn lẻ trong các obitan 2p, vì vậy hiện nay độ âm điện là biến số duy nhất. Như bạn mong đợi, nguyên tố có độ âm điện cao nhất, F, hiện là nguyên tố cho yếu nhất. Anken giàu electron và anken thiếu electron Điều tương tự cũng xảy ra với các anken. Chúng tôi sẽ tập trung vào xyclohexene để so sánh tốt với benzen. Sáu proton giống nhau của benzen cộng hưởng ở 7,27 ppm; hai proton anken giống nhau của xiclohexen cộng hưởng ở 5,68 ppm. Nhóm liên hợp và nhóm rút điện tử như xeton sẽ loại bỏ các điện tử khỏi liên kết đôi như mong đợi - nhưng không bình đẳng. Proton gần nhóm C = O chỉ cách xiclohexene một chút trường xuống nhưng hạt ở xa hơn thì trường xuống hơn 1 ppm. Các mũi tên xoăn cho thấy sự phân bố electron, chúng ta có thể suy ra từ phổ NMR. KHU VỰC ALDEHYDE: CACBON KHÔNG ỔN ĐỊNH ĐƯỢC TRÁI PHIẾU XƯƠNG KHỚP Oxy với tư cách là chất cho điện tử liên hợp thậm chí còn gây ấn tượng mạnh hơn. Nó dịch chuyển proton bên cạnh nó xuống trường bằng hiệu ứng cảm ứng nhưng đẩy trường lên của proton ở xa hơn cả 1 ppm bằng cách tặng các electron. Sự phân tách giữa hai proton là gần 2 ppm. Đối với cả hai loại nhóm thế, ảnh hưởng rõ ràng hơn đến proton (β) ở xa hơn. Nếu những thay đổi này giải thích sự phân bố electron thực sự, chúng ta sẽ có thể suy ra điều gì đó về hóa học của ba hợp chất sau đây. Bạn có thể mong đợi rằng các nucleophile sẽ tấn công vị trí thoáng qua điện tử trong nitroalkene, trong khi các chất

Sự liên hợp với một cặp oxy đơn lẻ cũng có tác dụng tương tự — các este tạo thành cộng hưởng ở khoảng 8 ppm — nhưng sự liên hợp với các liên kết π thì không. Anđehit thơm ở trên, anđehit liên hợp đơn giản ở dưới, và anđehit mạch hở đều có proton CHO ở vùng bình thường (9–10 ppm). Các proton không phải anđehit trong vùng anđehit: pyridine Hai loại proton khác cộng hưởng trong vùng khoảng 9–10 ppm: một số proton thơm và một số proton gắn với dị nguyên tử như OH và NH. Chúng ta sẽ giải quyết các proton NH và OH trong phần tiếp theo, nhưng trước hết chúng ta phải xem xét một số vòng thơm thiếu electron với sự dịch chuyển lớn rõ rệt. Các proton trên các liên kết đôi, thậm chí cả các liên kết đôi rất nhường electron như của các anken nitro, hầu như không đi vào vùng anđehit. Tuy nhiên, một số vòng benzen có rất nhiều nhóm rút điện tử có thể quản lý được điều đó do sự dịch chuyển trường xuống của dòng điện vòng, vì vậy hãy để ý nitrobenzenes vì chúng có thể có tín hiệu trong vùng 8-9 ppm. Các phân tử quan trọng hơn có tín hiệu trong vùng này là các dị vòng thơm chẳng hạn như pyridin, mà bạn đã thấy hoạt động như một cơ sở trong Chương 8 và 10. Sự thay đổi NMR cho thấy rõ ràng rằng pyridin có mùi thơm: một proton ở 7,1 ppm, về cơ bản giống như benzen, nhưng các chất khác nằm trong trường trầm cảm hơn và một ở C2, nằm trong vùng anđehit. Điều này không phải vì pyridin ‘thơm hơn’ so với benzen mà vì nitơ có độ âm điện lớn hơn cacbon. Vị trí C2 giống như một anđêhit - một proton gắn với sp2 C mang một dị nguyên tử - trong khi C4 thiếu điện tử do liên hợp (nitơ âm điện là rút điện tử). Isoquinoline là một pyridine và một vòng benzen hợp nhất với nhau và có một proton thậm chí còn xa hơn trường hướng xuống ở 9,1 ppm — đây là một proton imine chịu dòng điện của vòng benzen.

■ Lưu ý rằng từ &

039;liên hợp&

039; thay thế được hiển thị trong cấu trúc bên dưới là sai. Cấu trúc với hai liên kết đôi liền kề trong một vòng sáu ghi nhớ là không thể và trong mọi trường hợp, như bạn đã thấy trong Chương 8, các cặp electron đơn lẻ trên nitơ nằm trong một quỹ đạo sp2 trực giao với các obitan p trong vòng. Không có tương tác giữa các obitan trực giao.

Các proton trên dị nguyên tử có nhiều thay đổi hơn so với proton trên

cacbon

Các proton được gắn trực tiếp vào O, N, hoặc S (hoặc bất kỳ dị nguyên tử nào khác, nhưng đây là những nguyên tử quan trọng nhất) cũng có tín hiệu trong phổ NMR. Chúng tôi đã tránh chúng cho đến nay vì vị trí của những tín hiệu này kém tin cậy hơn và vì chúng bị ảnh hưởng bởi sự trao đổi. PROTON TRÊN HETEROATOMS CÓ NHIỀU BIẾN CHỨNG HƠN PROTON TRÊN CARBON Trong Chương 2, bạn đã gặp BHT chống oxy hóa. NMR proton của nó rất đơn giản, chỉ bao gồm bốn vạch với tích phân 2, 1, 3 và 18. Sự thay đổi hóa học của nhóm tert-butyl (nâu), nhóm metyl trên vòng benzen (cam), và hai các proton thơm giống hệt nhau (màu xanh lá cây) nên không gây ngạc nhiên cho bạn. Điều còn lại, tín hiệu 1 H ở 5,0 ppm (màu hồng), phải là OH. Ở phần trước của chương này, chúng ta đã thấy phổ của axit axetic, CH3CO2H, cho thấy một sự cộng hưởng với OH ở 11,2 ppm. Các rượu đơn giản như tert-butanol có tín hiệu OH trong CDCl3 (dung môi NMR thông thường) ở khoảng 2 ppm. Tại sao lại có sự khác biệt lớn như vậy?

\=>Chúng tôi đã đề cập đến thực tế này trước đây trong bối cảnh của cơ chế cộng nhóm C = O (trang 136), và chúng tôi sẽ tiếp tục khám phá các hệ quả cơ học của nó trong suốt cuốn sách này. ■ Cytosine là một trong bốn base, kết hợp với deoxyribose và phosphate, tạo nên DNA. Nó là một thành viên của lớp dị vòng gọi là pyrimidine. Chúng ta quay trở lại hóa học của DNA ở phần cuối của cuốn sách này, trong Chương 42. Glycine được cho là sẽ tồn tại dưới dạng zwitterion (Chương 8, trang 167). Nó có một tín hiệu 2H (màu xanh lá cây) cho CH2 giữa hai nhóm chức, điều này sẽ làm cho một trong hai dạng. Tín hiệu 3H ở 4,90 ppm (màu cam) có thể gợi ý nhóm NH3 +, nhưng hãy đợi một chút trước khi quyết định. Muối aminothiol có các nhóm CMe2 và CH2 ở vị trí chúng ta mong đợi (nâu và xanh lục), nhưng các proton SH và NH3 + xuất hiện dưới dạng một tín hiệu 4H. Muối kép của EDTA có một số đặc điểm gây tò mò. Hai nhóm CH2 (màu xanh lá cây) ở giữa đều ổn, nhưng bốn nhóm CH2 (màu nâu) khác đều xuất hiện giống hệt nhau, cũng như tất cả các nhóm pro tấn ở cả nhóm CO2H và NH3 +. Manh mối tốt nhất giải thích tại sao lại như vậy đến từ sự trùng hợp kỳ lạ của sự chuyển dịch hóa học của các proton OH, NH và SH trong các phân tử này. Tất cả chúng đều giống nhau trong sai số thử nghiệm: 4,90 ppm đối với glycine, 4,80 ppm đối với aminothiol và 4,84 ppm đối với EDTA. Trên thực tế, tất cả đều tương ứng với cùng một loài: HOD, hoặc nước khử một chất béo. Trao đổi giữa các proton XH (trong đó X = O, N hoặc S) diễn ra cực kỳ nhanh chóng và dung môi, D2O, cung cấp một lượng lớn các

deuteriums có thể trao đổi được. Các proton này ngay lập tức thay thế tất cả các proton OH, NH và SH trong phân tử bằng D, tạo thành HOD trong quá trình này. Hãy nhớ lại rằng chúng ta không thấy tín hiệu cho các nguyên tử đơteri (đó là lý do tại sao dung môi khử đơteri được sử dụng). Chúng có quang phổ của riêng chúng ở một tần số khác nhau. NỐI TRONG PROTON NMR SPECTRUM Sự trao đổi giống nhau giữa các proton OH hoặc NH với nhau hoặc với các vết nước trong mẫu có nghĩa là các đỉnh OH và NH trong hầu hết các phổ trong CDCl3 khá rộng hơn các đỉnh của các proton CH. Hai câu hỏi vẫn còn. Đầu tiên, chúng ta có thể biết liệu glycine có phải là một chất độc hại trong nước hay không? Không hẳn: quang phổ phù hợp hoặc cân bằng giữa cả hai — bằng chứng khác khiến chúng ta mong đợi zwitterion trong nước. Thứ hai, tại sao cả bốn nhóm CH2CO trong EDTA đều giống nhau? Điều này chúng tôi có thể trả lời. Cũng như trạng thái cân bằng trao đổi các proton CO2H với lỗ thông hơi sol, sẽ có một trạng thái cân bằng trao đổi proton nhanh như nhau giữa CO2D và CO2−. Điều này làm cho cả bốn "nhánh" của EDTA đều giống nhau. Bạn nên để phần này với một nguyên tắc hóa học quan trọng đã được thiết lập sẵn trong tâm trí bạn. ● Trao đổi proton giữa các dị nguyên tử diễn ra nhanh chóng Trao đổi proton giữa các dị nguyên tử, đặc biệt là O, N và S, là một quá trình rất nhanh so với các phản ứng hóa học khác, và thường dẫn đến các đỉnh trung bình trong phổ 1H NMR.

Khớp nối trong phổ NMR proton

Các hạt nhân hydro gần đó tương tác và cho nhiều cực đại Cho đến nay NMR proton không khác gì NMR carbon ở quy mô nhỏ hơn. Tuy nhiên, chúng ta vẫn chưa thảo luận về sức mạnh thực sự của NMR proton, một thứ quan trọng hơn sự thay đổi hóa học và thứ cho phép chúng ta không chỉ nhìn vào các nguyên tử riêng lẻ mà còn cả cách bộ xương C – H liên kết với nhau. Đây là kết quả của sự tương tác giữa các proton lân cận, được gọi là sự ghép nối. Một ví dụ mà chúng ta có thể chọn trong phần trước là thành phần axit nucleic cytosine, có sự trao đổi các proton NH2 và NH tạo ra đỉnh cho HOD ở 4,5 ppm. Chúng tôi không chọn ví dụ này vì hai đỉnh khác sẽ khiến bạn bối rối. Thay vì chỉ đưa ra một dòng cho mỗi proton, họ đưa ra hai dòng cho mỗi proton — các cặp đôi như bạn sẽ học cách gọi chúng — và đã đến lúc thảo luận về nguồn gốc của ‘khớp nối’ này.