Problemes de Determinació Estructural Orgànicadiposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/4521/1/Prob_DEO.pdf · cations comuns (Na +, K +). Per a interpretar els diferents senyals, considera

Problemes de

Determinació Estructural Orgànica

Index Estereoisomeria i Anàlisi elemental ................................................................... 1 Espectrometria de masses................................................................................ 2 Espectroscòpia d’ultraviolat-visible .................................................................... 4 Espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear ............................................. 5 Tècniques combinades................................................................................... 12 Respostes comentades .................................................................................. 15

Jordi Robles i Brau Departament de Química Orgànica

2008

Problemes de Determinació Estructural Orgànica

Jordi Robles i Brau – Dept. Química Orgànica, 2008 1

Estereoisomeria i Anàlisi elemental

1. L’etiqueta d’una ampolla en un magatzem de productes químics indica dimetilciclohexà.

a) Quants possibles productes hi ha amb aquest nom? Representa’ls i indica la relació estereoquímica entre ells.

b) La persona encarregada del magatzem intenta identificar el contingut de l’ampolla enregistrant un

espectre de ressonància magnètica de 13C i mesurant l’activitat òptica. Com el nombre de senyals a l’espectre és inferior al nombre total de carbonis de la molècula, conclou que l’ampolla conté una molècula simètrica. A més, com l’activitat òptica és nul.la ([α]D=0º), el nostre amic arriba a la conclusió que l’ampolla conté un únic producte aquiral. És aquesta l’única possibilitat? Per què?

*Als espectres de RMN de 13C es detecten tants senyals com carbonis constitucionalment diferents té la molècula (“tants caps, tants barrets”). No obstant això, si l’estructura de la molècula té simetria, és a dir, posseeix plans i eixos de simetria, veurem que disminueixen el nombre de senyals.

c) Després d’interpetar bé les dades, el nostre amic dedueix que l’ampolla només pot contenir un d’aquests dos isòmers: (1R,2R)- ó (1R,2S)-1,2-dimetilciclohexà. Consultant la bibliografia, una manera de diferenciar-los consisteix en enregistrar l’espectre de ressonància de 13C a diferents temperatures i veure com varien el nombre de senyals (això ja ho estudiarem més endavant).

d) El problema sembla resolt, però tot i així no acaba d’entendre la següent observació dels

experiments: A temperatura ambient, s’observen els senyals d´una única estructura en l’espectre de cada isòmer. A una temperatura més baixa, suficientment baixa com per enlentir molt l’equilibri conformacional, els espectres dels dos isòmers canvien però segueixen mostrant en cada cas els senyals d’una única estructura. Ajuda el nostre amic, donant una explicació raonada a l’anterior observació.

2. La bakayanolida és un terpè amb potencials propietats farmacològiques, que s’ha aïllat recentment de les arrels de l’arbre caducifoli Melia azedarach (mèlia, freixe). A continuació, es resumeixen les dades procedents de l’anàlisi de la molècula:

Per espectrometria de masses, se sap que la molècula té pes molecular 180.2. L’anàlisi elemental mostra 66.65% de C i 6.71% d’H. Mostra absorció a l’ultraviolat-visible a 271 nm, prova de la presència d’un grup funcional π conjugat.

La ressonància magnètica de carboni indica la presència de sis carbonis alifàtics, dos dels quals són de grup metil, i quatre carbonis sp2, dos dels quals són carbonílics, un de cetona o aldehid i l’altre, de derivat carboxílic.

La molècula és insoluble en aigua i no mostra propietats àcid-base apreciables. D’acord amb les anteriors dades, proposa una estructura per a bakayanolida.



Espectrometria de masses

3. Surfinol (2,4,7,9-tetrametil-5-decin-4,7-diol) ha estat analitzat per espectrometria de masses d’ionització química en amoníac i metilamina, tal i com mostren els següents espectres enregistrats en mode positiu (Recorda que en mode positiu NOMÉS es detecten els senyals de les espècies catiòniques).

a) Interpreta els espectres A i B de surfinol. Assigna els senyals marcats amb el valor de m/z.

220 230 240 250 260 2700

20

40

60

80

100

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

244

245

A) Ionització química (NH3)

220 230 240 250 260 2700

20

40

60

80

100

259

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

258

B) Ionització química (metilamina)

b) Un experiment addicional ha consistit en

enregistrar l’espectre d’ionització química de surfinol emprant com a gas amoníac deuterat (ND3) (espectre C). L’espectre que s’obté en mode positiu (C) és significativament diferent del que ha estat enregistrat emprant amoníac no deuterat.

Raona el resultat de l’espectre C, tot interpretant els senyals amb m/z 250 i 251.

220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 2700

20

40

60

80

100

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

250

251

C) Ionització química (ND3)

4. Un derivat de l’antibiòtic neomicina de fórmula molecular C67H100BrN5O30 ha estat analitzat per espectrometria de masses MALDI d’alta resolució en mode positiu (anàlisi d’espècies catiòniques). L’espectre mostra com a senyals significatius: m/z 1556.5547 (100.0%), 1557.5587 (77.2%), 1558.5542 (98.7%) i 1559.5590 (74.4%), respectivament.

a) Per què en enregistrar un espectre de masses d’aquesta molècula no s’han fet servir tècniques més habituals com l’impacte electrònic o la ionització química?

b) Per què en aquest cas resulta útil enregistrar l’espectre d’alta resolució? c) Determina la composició isotòpica de les espècies catiòniques a què pertanyen els senyals i explica

els valors de les intensitats relatives.

Recorda que en MALDI a més dels senyals [M+H]+ poden també observar-se senyals dels adductes de la molècula amb cations comuns (Na+, K+). Per a interpretar els diferents senyals, considera les següents proporcions isotòpiques en relació al isòtop més abundant: Carboni: 12C (100%), 13C (1.1%)

Brom: 79Br (100%), 81Br (97.3%) Nitrogen: 14N (100%), 15N (0.4%)

Oxigen: 16O (100%), 18O (0.2%)



5. Tricloroisobutilsilà, 2-clorobenzensulfonamida i p-bromoclorobenzè són substàncies amb un pes molecular pràcticament idèntic, 191.5 uma. Per a identificar-les, s’han enregistrat els espectres de masses d’impacte electrònic (mode positiu). A continuació, es mostren els senyals corresponents a l’ió molecular:

Molècula I

185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 2000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

Molècula II

185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 2000

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

Molècula III

185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 2000

200

400

600

800

1000

inte

nsita

t rel

ativ

a

m/z

Identifica la molècula a què pertany cada espectre, tot interpretant el nombre i la intensitat relativa dels senyals en els espectres*. * Considera les següents proporcions isotòpiques, en relació al isòtop més abundant (mira l’exercici 4 per a la resta d’elements) Clor: 35Cl (100%), 37Cl (31.9%) Brom: 79Br (100%), 81Br (97.3%) Sofre: 32S (100%), 33S (0.8%), 34S (4.5%) Silici: 28Si (100%), 29Si (5.1%), 30Si (3.3%)



Espectroscòpia d’ultraviolat-visible

6. 4-Acetamidofenol (paracetamol) i p-aminobenzoat de metil, dos isòmers de fórmula molecular C8H9NO2, mostren els espectres d’UV-visible que es representen a continuació.

a) Determina a quina molècula pertany cada espectre. Raona-ho interpretant qualitativament els espectres:

200 220 240 260 280 300 320-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

ε (L

.mol

-1.c

m-1)

λ (nm)

249

A)

200 220 240 260 280 300 320 340 360

0

5000

10000

15000

20000

ε (L

.mol

-1.c

m-1)

λ (nm)

293

221

B)

b) Identifica per a quina de les molècules l’espectre variarà amb el pH. Explica què succeirà i per què.



Espectroscòpia de Ressonància Magnètica Nuclear

7. Determina per a les següents molècules el nombre teòric de senyals en els espectres de ressonància de 1H i de 13C enregistrats en CDCl3 i a temperatura ambient. Pista: Et pot ser útil fer una anàlisi del topisme entre nuclis.

a)

b)

c)

* En aquest compost, pots considerar equivalents els protons hidroxílics. Les traces de DCl produïdes per la descomposició fotoquímica de CDCl3 promouen l’intercanvi dels protons hidroxílics per equilibris àcid-base.

8. L’àcid 3,5-dimetilbenzoic i 4-metoxiacetofenona, dos isòmers de fórmula molecular C9H10O2, mostren els següents espectres de RMN de 1H i de 13C. Dedueix a quines molècules pertanyen els espectres per interpretació de les dades espectrals. Als espectres de RMN-1H, s’indiquen el desplaçament químic i la integració (entre parèntesi) de cada senyal.

Molècula A

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 200 150 100 50

26.1455.33

113.70

129.00

131.00

163.50196.40

2.65(1.5)

3.80 (1.5)

7.96 (1.0)

6.92 (1.0)

Molècula B

10 5 0

2.37

7.22

7.73

12.60

150 100 50

21.14127.97

129.30

135.53

138.19

172.99

(6.0)

(2.0)

(1.0)

(1.0)



9. Justifica per mitjà de la simetria i d’efectes electrònics o d’anisotropia magnètica el nombre de senyals i els corresponents valors de desplaçament químic (1H o 13C) dels següents compostos.

a)

b)

En aquest cas, explica també per què els desplaçaments químics d’Ha i Hc són idèntics. A la vista dels valors dels desplaçaments químics dels protons Ha-Hc, es pot dir que és aromàtica? Raona-ho breument.

10. A continuació es mostren els senyals del dissolvent DMSO-d6 en els espectres de RMN de 1H (A) i de 13C (B). Explica els senyals de cada espectre, fent referència al nombre i les intensitats relatives dels pics (no fa falta mesurar-les). D’observar-hi acoblament, explica a què es deu i calcula’n el valor de les constants.

A) RMN-1H (400 MHz)

2.50

91

2.50

46

2.50

00

2.49

54

2.49

09

B) RMN-13C (100 MHz)

40.0

56

39.8

47

39.6

39

39.4

30

39.2

21

39.0

13

38.8

05



11. Una molècula de fórmula molecular C7H13BrO2 mostra els següents espectres de protó (300 MHz, CDCl3).

a) Determina l’estructura de la molècula per interpretació de les dades espectrals. b) Assigna els senyals dels espectres i explica l’esquema d’acoblament que s’observa en els senyals de

protó.

ppm (t1) 0.501.001.502.002.503.003.504.004.50

4.26

74.

244

4.22

14.

198

4.05

14.

024

2.29

42.

271

2.26

72.

247

2.24

42.

224

2.22

12.

201

2.19

72.

174

1.32

51.

301

1.27

8

1.11

61.

093

1.04

61.

023

2.0

1.0

1.0

3.0

3.03.0

12. Explica els espectres de les figures i i ii que pertanyen a (R)-propan-1,2-diol*. i) Senyals dels protons d’hidroxil i el protó del carboni 2 a l’espectre de RMN de 1H en DMSO-d6.

ii) Senyals dels anteriors protons, quan a la mateixa dissolució s’hi afegeixen unes gotes d’àcid.

2 x OH H-C(2)

2 x OH H-C(2)

*exercici basat en dades de Modern NMR Spectroscopy, 2a. Edició, Oxford Univ. Press, 1994.



13. A continuació es mostra l’espectre de RMN de 1H a 300 MHz de l’àcid clavulànic dissolt en D2O. L’espectre ha estat simulat a partir de les dades experimentals i se n’ha eliminat el senyal residual del dissolvent. Cada senyal es mostra ampliat i se n’indica el valor relatiu de l’àrea.

3.003.504.004.505.005.50

1.0

1.0

1.0

2.0

1.0

1.05.

726

5.72

45.

717

5.71

4

5.07

25.

068

4.95

64.

952

4.93

34.

929

4.90

94.

905

3.57

63.

567

3.51

83.

508

3.07

93.

076

3.02

13.

018

4.22

2

4.19

9

L’àcid clavulànic: un “kamikaze” de la guerra contra les bactèries

L’àcid clavulànic és un metabòlit del bacteri Streptomyces clavuligerus que s’empra en determinats preparats de l’antibiòtic amoxicilina (Augmentin), un derivat de penicil.lina. L’àcid clavulànic no té propietats antibiòtiques sinò que actua augmentant l’eficàcia de la penicil.lina. De fet, és un inhibidor irreversible de β-lactamases, enzims que produeixen les bactèries per a protegir-se dels antibiòtics i que actuen desactivant les penicil.lines per hidròlisi i apertura de l’anell de β-lactama, d’aquí el seu nom. L’àcid clavulànic mimetitza l’estructura de les penicil.lines, per la qual cosa és substrat de les β-lactamases, però a diferència d’aquelles, en produir-se la hidròlisi de l’anell de β-lactama, resta covalentment unit a l’enzim, inactivant-lo, possibilitant així que no actuï sobre les penicil.lines. Un exemple d’altruisme entre molècules...

a) Assigna els senyals de l’espectre i interpreta’n l’esquema

d’acoblament. Per a identificar els protons de la molècula, pots fer servir la numeració que s’indica a la figura. Com la molècula es troba dissolta en D2O, a l’espectre no apareixen els senyals del protons de carboxil i d’hidroxil, perquè bescanvien amb el dissolvent.

b) Calcula els desplaçaments químics i les constants d’acoblament.



14. 2-Bromo-2-metilbutà s’ha fet reaccionar amb etòxid sòdic en etanol absolut a reflux. El cru de reacció es destil.la per a produir una primera fracció que destil.la per sota de 45 ºC i una segona fracció que conté essencialment etanol (75-80 ºC). Per a determinar la composició del primer destil.lat, s’ha enregistrat l’espectre de RMN de protó (300 MHz, CDCl3) que es mostra a continuació Per a major claredat, només s’indiquen els desplaçaments químics dels pics més intensos per a cada agrupació de senyals. Els valors relatius d’àrea s’indiquen a sota els senyals).

ppm (t1)1.02.03.04.05.0

5.20

25.

179

4.70

04.

650

2.03

32.

008

1.73

01.

683

1.67

81.

603

1.59

8

1.55

21.

529

1.03

0

2.65

1.00

2.07

3.177.757.807.78

3.04

1.00

Determina la composició del destil.lat volàtil per interpretació de les dades espectrals. En cas d’observar-hi més d’un producte, calcula’n la proporció.



15. En un magatzem de laboratori apareix un pot mal etiquetat que diu “INOSITOL (C6H12O6)”. Com originalment era un producte comercial, es pot saber mirant els catàlegs de productes que pot tractar-se de qualsevol de les següents molècules representades:

Per a saber quin dels isòmers conté el pot s’enregistren els espectres de RMN de 1H (300 MHz, D2O) i de 13C (75 MHz, D2O) que es mostren a continuació. El senyal de dissolvent ha estat convenientment eliminat.

ppm (t1) 2.503.003.504.004.50

4.07

24.

064

4.05

6

3.66

0

3.62

7

3.59

73.

559

3.55

03.

526

3.51

7

3.31

1

3.28

2

3.25

2

1.00

4.08

1.00

ppm (t1) 55.060.065.070.075.080.085.090.095.0

75.4

7673

.516

73.3

06

72.2

76

a) Dedueix el sistema de spin de les molècules representades. b) Determina a quin compost A-D pertany l’espectre, per interpretació de les dades espectrals.



16. El tractament amb un determinat catalitzador de ruteni(II) produeix la isomerització de geraniol, molt probablement pel canvi de configuració o la migració d’un dels dos dobles enllaços, per a donar un dels compostos A-F representats:

Per a identificar quin és el producte obtingut, s’enregistren els següents experiments de RMN de 1H (300 MHz, CDCl3): i) Espectre normal:

ppm (t1)1.02.03.04.05.0

5.15

05.

126

5.10

05.

077

3.60

43.

581

3.55

7

2.70

42.

680

2.65

7

2.30

02.

213

2.19

02.

167

1.65

01.

640

1.61

0

1.99

1.98

1.99

0.952.00

8.98

ii) Espectres de doble irradiació-NOE, amb els següents resultats: • Irradiant el senyal a 2.19 ppm, s’incrementa la intensitat dels senyals a 3.58 ppm i 5.11 ppm. • Irradiant el senyal a 2.68 ppm, s’incrementa la intensitat dels senyals centrats a 1.64 ppm (per la proximitat entre els senyals no es pot saber si tots ells resulten afectats) i també el senyal a 5.11 ppm. a) Identifica l’isòmer A-F a què pertanyen els espectres. b) Interpreta els senyals de l’espectre normal i raona breument el resultat dels experiments de doble irradiació-NOE.



Tècniques combinades

17. La molècula a què pertanyen els següents espectres* conté C, H, N, O i halogen. a) Determina’n l’estructura, tot raonant la teva resposta per interpretació i assignació dels senyals més significatius dels espectres. b) Calcula els desplaçaments químics i constants d’acoblament dels senyals no aromàtics de l‘espectre de RMN de protó.

EM - impacte electrònic Es mostren ampliats els senyals de l’ió molecular

Infraroig (pastilla KBr) La taula mostra els valors de transmitància pels senyals més intensos

* Spectral Database for Organic Compounds (SDBS), Japó ( http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng ).

Els espectres de masses i d’infraroig s’han reproduït directament i els de RMN han estat simulats.

http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng



RMN-1H (CDCl3, 300 MHz) espectre simulat amb dades experimentals

s’han ampliat els senyals i s’ha eliminat el senyal residual de dissolvent

ppm (t1)1.02.03.04.05.06.07.08.09.0

9.80

0

0.94

7.33

47.

312

7.19

07.

167

6.98

06.

961

3.01

1.99

1.00

4.92

94.

910

4.89

04.

872

1.00

4.08

24.

031

3.97

03.

918

1.95

3.33

63.

318

3.29

03.

271

3.18

03.

160

3.13

33.

113

1.00

1.00

bescanvia amb D2O

bescanvia amb D2O

RMN-13C (CDCl3, 75 MHz) espectre simulat amb dades experimentals

s’ha eliminat el senyal de dissolvent

180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30

36.5741.3352.59126.52

127.85128.40

134.41165.78173.17

(+) (+)

(+)

(-) (-) (+)

(x) (x) (x)

Per a cada senyal de carboni-13 s’indica la multiplicitat segons l’espectre DEPT, amb el següent conveni:

(x) no es detecta, (+) CH ó CH3 ó (-)



Respostes comentades

1a. Hi ha 9 possibles productes, dels quals cinc, els isòmers 1,1-, cis-1,2-, cis-1,3-, cis-1,4- i trans-1,4-, són aquirals i dues parelles d’enantiòmers, els respectius isòmers trans-1,2- i trans-1,3-.

cis-1,2- ↔ trans-1,2- : diastereòmers cis-1,3- ↔ trans-1,3- : diastereòmers cis-1,4- ↔ trans-1,4- : diastereòmers trans-(1R,2R)- ↔ trans-(1S,2S)- : enantiòmers trans-(1R,3R)- ↔ trans-(1S,3S)- : enantiòmers la resta de relacions són d’isomeria constitucional

1b. No, també existeix la possibilitat que es tracti d’una barreja racèmica de dos enantiòmers, que també es caracteritza per donar [α]D=0º. Pel que fa als espectres de ressonància, com s’enregistren en un medi aquiral i la radiació a la que se sotmeten és també aquiral, els enantiòmers són indistingibles. Així, l’espectre d’una barreja racèmica és idèntic al dels dos enantiòmers per separat. Dit d’una altra manera, no es pot saber si l’espectre pertany a un únic enantiòmer o si es tracta d’una barreja de tots dos, ni amb quina proporció.

1c. A temperatura ambient, l’equilibri conformacional és massa ràpid en l’escala de temps de la ressonància. Per tant, els espectres d’un i altre isòmer mostraran senyals d’una única estructura, promig de les espècies en equilibri (com la foto d’un objecte que es mou molt depressa). En aquest cas, l’estructura de l’espectre es pot aproximar a la projecció plana dels cicles:

A una temperatura suficientment baixa, l’equilibri conformacional s’enlenteix fins al punt que l’espectre mostrarà els senyals de cadascuna de les espècies en equilibri, en la proporció que els correspon segons la constant d’equilibri a aquella temperatura. Veiem aleshores què li passa a cada isòmer:



2. Per les dades d’anàlisi elemental, la fórmula empírica és (C3.3H4.0O1.0)n. Com que el pes molecular és 180.2, la fórmula molecular és C10H12O3. D’aquí es dedueix que el nombre d’insaturacions és 5. Per les dades de ressonància magnètica, es dedueix que hi ha dos grups carbonil i un doble enllaç. Com la molècula no té propietats àcid-base, el segon grup carbonil és d’ester. L’absorció a l’UV prova l’existència d’un sistema conjugat, que només pot ser degut a –C=C-C(=O)-. Les dues insaturacions que resten han de ser necessàriament dos cicles. Les peces del puzzle són per tant: 2 cicles, 2 CH3 + 4 carbonis CH2/CH/C, -COR (R=H ó alquil), -COOR (ester) i C=C (conjugat a un carbonil). Les respostes compatibles amb les dades són múltiples…

3a. Com el seu nom indica, la ionització química de les molècules s’inicia per formació d’adductes amb els cations que s’han generat (per impacte electrònic) a partir del gas present en la cambra d’ionització. Per exemple, en els espectres amb amoníac normalment es poden arribar a observar els adductes [M+H]+, [M+NH4]+ o [M+N2H7]+. Espectre A: El senyal a m/z 244 mostra una la diferència de massa de 18 uma amb la molècula neutra (pes molecular 226) i té massa “parell”, indicatiu d’un catió amb un nitrogen. Per tant, el senyal pertany a l’adducte amb l’ió amoni [M+NH4]+. El senyal minoritari a m/z 245 pertany als cations amb un 13C (en teoria, 14 x 1.1 %). Espectre B: Seguint el mateix raonament anterior, el senyal m/z 258 és degut a l’adducte amb l’ió metilamoni [M+CH3NH3]+, i el minoritari de m/z 245 als cations amb un 13C.

3b. Es pot seguir el mateix raonament que a l’espectre A, tot i que aquí cal tenir present que el gas és ND3 en comptes de NH3. Per tant, els senyals pertanyen a l’adducte amb l’ió amoni deuterat. Això no explicaria encara el valor de m/z, però cal tenir present que es pot haver produït prèviament un bescanvi H→D dels protons hidroxílics, producte d’un equilibri àcid-base en fase gas!!



4a. L’impacte electrònic i la ionització química són aquí tècniques poc adequades per dues raons: i) la molècula té un pes molecular massa elevat com per a ser suficientment volàtil en les condicions d’ionització; ii) en tractar-se d’una molècula altament funcionalitzada, l’elevada energia que produeix la ionització per impacte electrònic o per ionització química desencadenaria una fragmentació excessiva de la molècula, fins al punt de ser altament improbable l’observació dels senyals de massa molecular.

El registre d’un espectre d’alta resolució per a aquesta molècula té l’avantatge de mesurar amb elevada exactitud la massa molecular i identificar així de forma inequívoca la molècula, permetent-la diferenciar d’altres possibles molècules similars de pes molecular elevat. Recorda que els masses d’alta resolució són una tècnica alternativa a l’anàlisi elemental.

4b. La massa molecular exacta del catió monoisotòpic de massa més petita, 12C671H10079Br14N516O30, és 1533.5608. La diferència de massa amb el primer dels senyals és aproximadament de 23 unitats, per tant, el senyal pertany a l’adducte [M+Na]+. La resta de senyals corresponen als cations monoisotòpics de massa superior. Per a interpretar la relació d’intensitats dels senyals, donat l’elevat nombre d’àtoms a la molècula, cal tenir en compte la distribució isotòpica de 79Br/81Br i 12C/13C, però també, 14N/15N i 16O/18O.

La següent taula resumeix l’assignació dels senyals i el càlcul de la intensitat relativa tèorica segons la

proporció isotòpica. No es consideren les combinacions isotòpiques < 1%:

m/z tèoric promig Composició % parcial % acumulat 1556.5534 12C671H10079Br14N516O3023Na+ 100 100

13C12C661H10079Br14N516O3023Na+ (67 x 0.011) x 100 1557.5536 12C671H10079Br15N14N416O3023Na+ (5 x 0.004) x 100 75.7

12C671H10081Br14N516O3023Na+ 0.973 x 100 1558.5543 12C671H10079Br14N518O16O2923Na+

13C12C661H10079Br15N14N416O3023Na+ (30 x 0.002) x 100

(67 x 0.011) x (5 x 0.004) x 100 104.8

13C12C661H10081Br14N516O3023Na+ (67 x 0.011) x 0.973 x 100 12C671H10081Br15N14N416O3023Na+

13C12C661H10079Br14N518O16O2923Na+ 0.973 x (5 x 0.004) x 100

(67 x 0.011) x (30 x 0.002) x 100 1559.5547 12C671H10079Br15N14N418O16O2923Na+ (5 x 0.004) x (30 x 0.002) x 100

78,2

5. Els senyals més intensos dels espectres s’expliquen essencialment per la contribució dels isotòps dels halogens. Els isòtops poc abundants de S o Si contribueixen com a molt en un 5%. Espectre A: 2-clorobenzensulfonamida S’observen dos senyals majoritaris separats 2 unitats de massa (191 i 193), amb intensitats relatives aproximades 100/32, atribuïbles a la distribució 35Cl/37Cl de l’únic clor de la molècula. Espectre B: tricloroisobutilsilà Es poden observar quatre senyals isotòpics separats dues unitats de massa (189, 191, 193 i 195). Les intensitats relatives dels senyals es corresponen amb la distribució isotòpica per a Cl3: 35Cl3 (100%), 35Cl237Cl (96%), 35Cl37Cl2 (31%) i 35Cl3 (3%) Espectre C: p-bromoclorobenzè Els tres senyals més intensos amb m/z 190, 192 i 194 mostren les intensitats característiques de la presència de Cl i Br: 35Cl79Br (77%), 37Cl79Br + 35Cl81Br (100%) i 37Cl81Br (24%)



6a.

200 220 240 260 280 300 320-2000

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

ε (L

.mol

-1.c

m-1)

λ (nm)

249A)

(π↔π*)

Paracetamol tot i tenir dos substituents en posicions 1,4, tots dos són electrodonadors. No hi ha doncs cap forma ressonant en què tots dos grups participin simultàneament en la deslocalització electrònica i, per tant, serà menor a la que presenta p-aminobenzoat. Aleshores, com la conjugació disminueix ΔE(π↔π*), p-aminobenzoat mostrarà les bandes d’absorció a λmàx més altes. Per tant, l’espectre B pertany a p-aminobenzoat i l’A a paracetamol

200 220 240 260 280 300 320 340 360

0

5000

10000

15000

20000

ε (L

.mol

-1.c

m-1)

λ (nm)

293

221

B)

(π↔π*)

p-Aminobenzoat de metil presenta un sistema π més deslocalitzat. Per a veure-ho, podem representar una forma ressonant resultant de la transferència electrònica des del grup amino al grup carboxil, que ens indica la participació simultànea dels dos substituents en el sistema π deslocalitzat, el grup amino com a grup electrodonador i el grup carboxil com a electroacceptor. La disposició relativa 1,4 dels substituents possibilita la conjugació (si els substituents estan en posicions 1,3, no existeix cap forma ressonant en què participin els grups alhora) i la planaritat dels grups implicats en el sistema π, condició necessària per a que es produeixi la deslocalització.

6b. Deixant de banda la possible hidròlisi promoguda per àcids o bases de les funcions amido i ester, totes dues molècules tenen grups amb caràcter àcid-base:

Paracetamol es dissociarà a fenòxid en medi bàsic, espècie que per la major densitat de càrrega de l’oxigen, augmentarà la deslocalització electrònica i així, λmàx d’absorció.



p-Aminobenzoat donarà lloc a la sal d’anilini en medi àcid. El grup amino protonat no actuarà com a grup electrodonador, per tant, disminuirà la deslocalització electrònica i λmàx d’absorció.

7a.

7b.



7c.

8. Molècula A:

Molècula B:



9a.

9b.



10. A) espectre de RMN-1H (400 MHz)

2.50

91

2.50

46

2.50

00

2.49

54

2.49

09

Lògicament, el dissolvent totalment deuterat NO es pot observar a l’espectre, perquè la molècula no té protons!! Recorda que s’empren dissolvents deuterats perquè no intereixen en l’observació dels senyals de protó que està sent analitzada. El que s’hi observa és de fet el senyal de l’únic protó de CHD2SOCD3, la impuresa (< 0.5%) que acompanya al dissolvent deuterat. El senyal és un quintuplet, producte de l’acoblament del protó a dos enllaços amb els dos D veïns, amb ID=1. L’acoblament amb els altres tres D de la molècula és negligible, ja que es troben separats quatre enllaços. La multiplicitat i les àrees relatives dels pics del senyal multiplet de protó responen a la distribució estadística dels estats magnètics dels dos deuteris (recorda que aquí no s’apliquen els valors del triangle de Pascal):

Multiplicitat senyal 1H = = 2nDID+1 = 2 x 2 x 1 + 1 = 5

mI(D1) mI(D2) ΣmI Àrea relativa

+1 +1 +2 1 +1

0 0

+1 +1 2

+1 0 -1

-1 0

+1 0 3

-1 0

0 -1 -1 2

-1 -1 -2 1 El desplaçament químic del senyal es correspon amb el valor central, δ(1H): 2.50 ppm. El desdoblament de senyal és degut a la constant 2JH-D, que es pot calcular mesurant la diferència de freqüència de dos dels pics veïns del multiplet. Considerant que en aquest espectre 1 ppm equival a 400 Hz, es pot calcular el valor de la constant d’acoblament a partir de la diferència en freqüència de dos pics veïns, que és en aquest cas 0.0006 ppm: D’aquí, 2JHD = 0.0006 ppm x 400 Hz / ppm = 2.4 Hz



B) espectre de RMN-13C (100 MHz)

40.0

56

39.8

47

39.6

39

39.4

30

39.2

21

39.0

13

38.8

05

Aquí s’observa el senyal de carboni-13 de la molècula del dissolvent deuterat. Cal tenir en compte que per la baixa proporció natural de carboni-13, el senyal pertany a la molècula amb un únic carboni-13. És un senyal heptuplet, com a resultat de l’acoblament a un enllaç del carboni-13 amb els tres deuteris a què està enllaçat. Novament, a similitud del que passava amb el protó, l’acoblament amb els altres tres deuteris units a l’altre carboni (que serà carboni-12) és poc significatiu i ens en podem oblidar. La multiplicitat i les àrees relatives dels pics del senyal multiplet responen a la distribució estadística dels estats magnètics dels tres deuteris:

Multiplicitat senyal 13C = = 2nDID+1 = 2 x 3 x 1 + 1 = 7

mI(D1) mI(D2) mI(D3) ΣmI Àrea relativa +1 +1 +1 +3 1 0

+1 +1

+1 0

+1

+1 +1 0

+2 3

0 0

+1 +1 +1 -1

0 +1 0

+1 -1 +1

+1 0 0 -1 +1 +1

+1 6

0 +1 -1 +1 -1 0 -0

0 -1 +1 0 0 -1 +1

0 0 0 -1 +1 +1 +1

0 7

0 0 -1 -1 -1 +1

0 -1 0 -1 +1 -1

-1 0 0

+1 -1 -1

-1 6

0 -1 -1

-1 0 -1

-1 -1 0

-2 3

-1 -1 -1 -3 1 Considerant que aquí 1 ppm equival a 100 Hz, el valor de la constant d’acoblament es pot calcular el valor de la constant d’acoblament a partir de la diferència en freqüència de dos pics veïns, en aquest cas, 0.209 ppm:

D’aquí, 1J 13C-D = 0.209 ppm x 100 Hz / ppm = 20.9 Hz



11. De la fórmula molecular es dedueix que la molècula té una insaturació. Analitzant l’espectre, La suma dels valors d’integració dels senyals es correspon amb el total de protons de la molècula. D’aquí, es pot deduir que la molècula no té cap operació de simetria que redueixi el nombre de senyals (a excepció de l’equivalència per rotació d’enllaç com en els protons de grup metil). Els senyals de protó es poden interpretar de la següent manera:

–CHA3: 1.035 ppm, doblet (J=6.9 Hz). –CHB3: 1.105 ppm, doblet (J=6.9 Hz). –CHC3: 1.301 ppm, triplet (J= 6.9 Hz). –CHD-: 2.244 ppm, multiplet. –CHE-X: 4.037 ppm, doblet (J=8.1 Hz). L’elevat valor de desplaçament químic cal atribuir-lo a l’efecte inductiu d’un heteroàtom proper. –CH2F-X: 4.233 ppm, quadruplet (J=6.9 Hz). Senyal també molt desapantallat per efecte inductiu.

La suma del nombre de carbonis que es dedueixen assignant els senyals de protó és 6, per tant, la molècula conté un carboni no unit a protó. Amb tota probabilitat es tracta d’un carboni carbonílic, que explica l’existència d’una insaturació a la molècula. El desapantallament dels protons E i F es relaciona amb la presència d’oxigen i brom a la molècula, àtoms electronegatius que són origen de desapantallament en els protons units en els carbonis veïns. Combinant totes aquestes dades, ja es pot deduir l’estructura de la molècula de l’espectre:



12. Experiment i:

DMSO-d6 és un dissolvent polar apròtic que solvata la molècula d’alcohol per formació per enllaços d’hidrogen amb els protons hidroxílics. La solvatació enlenteix el bescanvi químic que aquests protons mòbils experimenten amb el medi, suficientment com per fer possible l’acoblament amb els protons veïns.

Com a resultat, el senyal del protó hidroxílic A (el més desapantallat) és un triplet per acoblament

amb els dos protons H-C(1) i el senyal del protó B és un doblet, per acoblament amb el protó H-C(2). Aquest darrer, que també està acoblat amb els tres protons metílics i amb els dos protons H-C(1), mostra un senyal que es podria interpretar com un sextuplet de doblets (molt probablement, 3J(H-C3H3) ≈ 3J(H-C2H2) > 3J(H-OH)).

Els dos protons H-C(1) són diastereotòpics, per tant, mostraran senyals diferenciats i amb acoblament geminal (2J). En DMSO-d6 i absència de traces d’àcid, cada un dels dos protons H-C(1) hauria de mostrar un senyal doblet de doblet de doblets (2J(H-H) > 3J(H-C2H2) > 3J(H-OH)) Experiment ii:

Quan a l’anterior dissolució s’afegeixen unes gotes d’àcid, s’incrementa el bescanvi àcid-base dels protons hidroxílics amb el medi. Per tant, els protons H-C(2) i H-C(1) deixen d’estar acoblats amb els protons hidroxílics. El senyal de H-C(2) passa a ser un sextuplet (3J(H-C3H3) ≈ 3J(H-C2H2)). Els senyals dels dos protons diastereotòpics H-C(1) passaran a ser doblets de doblets (2J(H-H), 3J(H-C2H2)). Com a resultat del ràpid procés de bescanvi, els protons hidroxílics mostren un únic senyal ample:



13. L’assignació dels senyals es pot realitzar interpretant l’esquema d’acoblament: Ha i Hb, que són diastereotòpics, mostren senyals diferenciats, s’acoblen entre ells amb una constant geminal (2JHa-Hb) elevada i de forma diferenciada amb Hc, amb constants 3JHa-Hc i 3JHb-Hc, respectivament. Els senyals Ha i Hb han de ser, per tant, doblet de doblets. Ha i Hb es poden assignar inequívocament per l’acoblament amb Hc. Per l’efecte de l’angle diedre sobre els valors de les constants veïnals (3J), Ha i Hc que estan en disposició relativa trans i amb un angle diedre aprox. 60º, mostraran un valor de constant més petit que Hb i Hc que es disposen en cis amb un angle diedre de 0º (efecte de l’angle diedre sobre 3J; equació Karplus-Conroy). Per tant, el senyal de 3.049 ppm pertany a Ha i el de 3.542 ppm a Hb. Hc només s’acobla amb Ha i Hb, per tant, mostrarà també un senyal doblet de doblets. L’efecte inductiu de l’oxigen i el nitrogen veïns explica que Hc mostri el senyal més desapantallat de l’espectre (δ 5.721 ppm). Per trobar-se en una posició al.lílica respecte al protó olefínic Hg, Hd mostra un senyal doblet (5.070 ppm) amb un desdoblament feble, producte d’un acoblament a quatre enllaços (4J Hd-Hg). L’efecte inductiu del nitrogen i del grup carboxil veïns justifica el relatiu desapantallament del senyal. Com la molècula és quiral, estrictament He i Hf són diastereotòpics. Tot i així, a l’espectre els dos nuclis comparteixen senyal (δ 4.211 ppm) i es comporten com si fossin equivalents. Per tant, no s’observa acoblament geminal entre ells i l’acoblament a tres enllaços amb Hg és idèntic. El senyal doblet que se’n deriva es troba desapantallat per l’efecte inductiu del grup hidroxil. El protó olefínic Hg mostra un senyal triplet de doblets (δ 4.932 ppm), producte de l’acoblament amb els dos protons pseudoequivalents He i Hf (3JHe/Hf-Hg) i un acoblament al.lílic feble amb Hd. El desplaçament químic de Hg es mostra lleugerament apantallat per tractar-se d’un protó olefínic, per efecte mesomèric de l’oxigen de l’anell.

5.72

65.

724

5.71

75.

714

5.07

25.

068

4.95

64.

952

4.93

34.

929

4.90

94.

905

3.57

63.

567

3.51

83.

508

3.07

93.

076

3.02

13.

018

4.22

2

4.19

9



14.

A l’espectre, s’observen senyals al voltant de 5.0 ppm, que es poden atribuir a protons olefínics. Per tant, el destil.lat conté alquens. Els valors d’integració dels senyals olefínics (2.65, 1.0 i 1.0, respectivament) només s’expliquen si hi ha una barreja de com a mínim dos productes. A partir d’això i sense cap altra consideració (reacció, dades físiques, etc) es pot deduir l’estructura dels compostos, interpretant les dades espectrals.

Pels valors de les àrees, es poden agrupar els senyals en dos grups. Per tant, l’espectre conté dues

molècules diferents. Per a cada molècula, es poden deduir el no. de protons a què pertany cada senyal, dividint el valor de l’àrea absoluta pel valor de l’àrea del senyal de menor integració. Cal tenir en compte que en l’espectre d’una barreja, les àres dels senyals són doblement proporcionals al nombre de protons de la molècula a què pertanyen i al percentatge de la molècula a la barreja. Amb això, es pot deduir l’estructura de cada molècula per assignació i interpretació dels senyals:

molècula A àrea nH assignació 5.18 quartet* (J=7.0 Hz) 2.65 1 H-Csp2-CH3 1.68 singulet* 7.75 3 CH3 1.60 singulet* 7.80 3 CH3 1.54 doblet (J=7.0 Hz) 7.78 3 H3C-Csp2-H

molècula B àrea nH assignació 4.70 multiplet* 1.00 1 H-Csp2 4.65 multiplet* 1.00 1 H-Csp2 1.73 singulet* 3.17 3 CH3 2.02 quartet* (J=7.2 Hz) 2.07 2 CH2-CH3 1.03 triplet (J=7.2 Hz) 3.04 3 CH3-CH2

Per interpretació de les dades espectrals, es dedueix que la mostra de RMN conté 2-metil-2-butè (molècula A) i 2-metil-1-butè (molècula B). Per a determinar la proporció d’A i B a la barreja, només cal calcular la relació d’àrees entre dos senyals, un de cada molècula, corregides pel nombre de protons a què pertanyen cada senyal a la molècula. Per exemple, prenent com a referència d’A el senyal a 5.19 ppm i per B, el de 4.70 ppm:

[ ][ ]A area ( 5.19) / 1 H 2.65 /1 2.65B area ( 4.70) / 1 H 1.00 /1

δδ

= = = Per tant, la barreja conté un 73 % de 2-metil-2-butè i un 27% de 2-metil-1-butè.

En aquest cas concret, si sabem una mica de reactivitat, això també ens pot ajudar a deduir

l’estructura dels compostos presents. Habitualment, el tractament d’un bromoalcà amb una base forta com l’etòxid sòdic acostuma a produir alquens, per un mecanisme d’eliminació E2 (vegeu la figura al full següent). Dos són els possibles productes d’eliminació a partir de 2-bromo-2-metilbutà: 2-metil-2-butè i 2-metil-1-butè. La proporció de productes segueix l’anomenada regla de Zaytzeff (també, Zaitsev o Saitsev): en una eliminació E2, l’alquè més substituït és el producte més abundant, perquè és aquell que passa per l’estat de transició més estable. Això explica el resultat de l’espectre de RMN, ja que 2-metil-2-butè es troba amb major proporció que 2-metil-1-butè.

Una tercera dada que també ens podia portar a pensar que la reacció conduïa a una barreja d’alquens

és el punt d’ebullició del destil.lat. Els alquens de baix pes molecular acostumen a ser molt volàtils (i d’olor repugnant; són els responsables de la típica olor de les conduccions de gas). Efectivament els dos alquens obtinguts són molt volàtils: el punt d’ebullició de 2-metil-2-butè és 37 ºC i el de 2-metil-1-butè, 31 ºC.



Producció de 2-metil-2-butè i 2-metil-1-butè per eliminació E2 sobre 2-bromo-2-metilbutà

15a.

El sistema de spin es refereix únicament al que donen lloc els protons de ciclohexà i no s’hi han d’incloure els protons hidroxílics perquè hauran bescanviat amb el dissolvent D2O. Per a determinar-lo, cal deduir en primer lloc l’equivalència química entre protons (≡ nombre de senyals) i després, entre els protons químicament equivalents, l’equivalència magnètica.

Com tots els protons d’anell mostren la mateixa constitució, per a determinar l’equivalència química,

cal estudiar-ne les relacions per simetria (topisme). Com la interconversió conformacional és molt ràpida a temperatura ambient, els espectres mostraran senyals promig. Per això, no cal analitzar la simetria de cadascuna de les conformacions estables per a cada molècula, sinó que directament es pot dur a terme sobre la projecció plana dels anells, perquè és una aproximació a l’estructura promig de l’equilibri. A més, si les molècules són enatiòmers, com ara B i C (D- i L-quiro-inositol, respectivament), la simetria en un medi aquiral com D2O és idèntica, ja que són indistingibles, i també, els seus respectius espectres.

Les propietats de simetria de la molècula relacionen els protons (o els carbonis) i determinen si són

químicament equivalents o no. Com a màxim, hi haurà tants senyals com nuclis químicament no equivalents: • si estan relacionats per un eix de simetria, són homotòpics i químicament equivalents. • si estan relacionats per un pla o un centre de simetria, són enantiotòpics. Com el medi en què es troba la molècula és aquiral (D2O), són també químicament equivalents. • si no estan relacionats per cap de les operacions anteriors, són diastereotòpics i químicament no equivalents.

Un cop determinada l’equivalència química, cal conèixer aleshores l’equivalència magnètica, comparant les relacions d’acoblament dels protons químicament equivalents amb la resta de protons. La mecànica per a determinar el sistema de spin és la següent:

• els nuclis químicament equivalents, per tant, amb la mateixa freqüència, se’ls atorga la mateixa

lletra. • als nuclis químicament no equivalents se’ls dóna lletres diferents, distanciades en l’alfabet en relació

a la diferència de freqüències. En el nostre cas, els nuclis químicament no equivalents ho són per ser



diastereotòpics. Per tant, val més donar-los lletres consecutives, perquè les diferencies de freqüències seran probablement petites (poden no ser-ho, però això no es pot preveure a priori).

• els nuclis químicament però magnèticament no equivalents (anisògams), donat que tenen la mateixa freqüència però comportament magnètic diferenciat, cal diferenciar les lletres amb “primes” (A A’ etc).

• si els nuclis químicament equivalents no s’acoblen amb cap altre nucli, cal considerar-los magnèticament equivalents

muco-inositol (A)

Sistema de spin: A A' A’’ A’’’ B B' Hi ha dos tipus de nuclis, Ha i Hb. Els nuclis Hb no són magnèticament equivalents perquè es diferencien per acoblament amb els Ha. També es pot veure que els Ha tampoc no són magnèticament equivalents: Ha1 i Ha2 es distingeixen per acoblament amb Hb1. Això comporta que Ha1 i Ha4, que s'acoblen igual amb Hb1, siguin també distingibles perquè s’acoblen de forma diferenciada amb amb Ha2 (o Ha4), perquè són químicament però magnèticament no equivalents.

D- ó L-quiro-inositol (B ó C)

Sistema de spin: A A' B B' C C'

Com són enantiòmers, B i C mostraran el mateix espectre en D2O (medi aquiral). Les parelles de protons Ha, Hb ó Hc no són magnèticament equivalents. Per exemple, els protons Ha es poden diferenciar per l'acoblament amb Hb.

mio-inositol (D)

Sistema de spin: A B B' C C' D

Les parelles de protons Ha, Hb ó Hc no són magnèticament equivalents. Hc no són magnèticament equivalents perquè tot i presentar el mateix acoblament amb Hd (3Jcis), es diferencien per acoblament amb Hb.

al.lo-inositol (E)

Sistema de spin: A A' B B' B’’ B’’’

Els protons Ha no són magnèticament equivalents per acoblament diferenciat amb Hb. També els Hb són magnèticament distingibles (vegeu el raonament per al muco-inositol) Hb1 i Hb2 es distingeixen per acoblament amb Ha. Hb1 i Hb3, que s'acoblen igual amb els Ha, són distingibles per acoblament amb Hb2, (o Hb4), amb què també s'hi acoblen perquè són químicament però magnèticament no equivalents.



15b.

A l’espectre de protó no es fàcil distingir si hi ha tres o quatre senyals diferenciats. En canvi, a l’espectre de carboni-13 s’hi observen clarament 4 senyals. Aquí ens pot ser útil fer una predicció del nombre de senyals teòric de l’espectre de carboni-13, fent servir els mateixos criteris de simetria que hem fet servir per als protons:

D’acord amb això, l’assignació de l’espectre és immediata: l’espectre pertany a mio-inositol (D), ja que

presenta fins a 4 senyals de protó i 4 senyals de carboni-13.

Arribats aquí, es pot explicar una mica l’espectre de protó. Els senyals de 4.06 ppm i 3.28 ppm, que integren cadascun 1 H, pertanyen a Ha i Hd. Tenint en compte que la constant d’acoblament veïnal 3J (valor promig) entre protons cis d’un ciclohexà és menor que per a protons trans, el senyal de 4.07 ppm (triplet amb J petita) es pot assignar a Hd i el de 3.28 ppm a Ha (triplet amb J=9 Hz). Els senyals centrals que integren 4 H, apareixen solapats i complicats per efectes de segon ordre, i pertanyen a les parelles de protons Hb i Hc.

4.07

24.

064

4.05

6

3.66

0

3.62

7

3.59

73.

559

3.55

03.

526

3.51

7

3.31

1

3.28

2

3.25

2

1.00

4.08

1.00

Ha Hd Hb + Hc



16. Potser millor començar per descartar les molècules que no expliquen els senyals de l’espectre: D’acord amb els valors d’integració, la molècula de l’espectre mostra 2 protons de doble enllaç (5.12

ppm), tres grups metilè (–CH2-; senyals triplet a 3.58, 2.68 i 2.19 ppm), tres grups metil (1.65, 1.64 i 1.61 ppm) i un protó probablement de protó hidroxílic (2.21 ppm). Amb això, ja es poden descartar les molècules A , , B i C, ja que les seves constitucions no es corresponen amb les dades de l’espectre. Tenint en compte que els senyals dels grups metilè són tots tres triplets, es pot també eliminar la molècula D, ja que per l’esquema d’acoblament que mostra, els senyals dels protons metilènics serien diferents. En principi, només E i F són compatibles amb l’espectre.

Per a saber a quina de les molècules E ó F pertany l’espectre cal recórrer als resultats dels experiments de doble irradiació-NOE. Cal recordar que l’efecte NOE és una manera de determinar la proximitat en l’espai de dos protons: quan s’irradia selectivament en la freqüència d’un protó, es produeix l’augment (o disminució) de la intensitat de senyal dels protons que es troben propers en l’espai (< 5 Å). En el nostre cas, els experiments realitzats conclouen que la molècula estudiada és E:

La irradiació del senyal de 2.19 ppm, que correspon a un dels protons metilènics, es produeix increment NOE sobre el senyal de 3.18 ppm, que pertany als protons d’un altre grup metilè i sobre el senyal de 5.11 ppm, que correspon als protons de doble enllaç. D’aquí es dedueix que els protons metilènics irradiats tenen com a veïns a un altre grup metilè, que per l’elevat desplaçament químic (3.18 ppm), és el grup metilè unit a hidroxil, i un protó olefínic, probablement en disposició cis. Això només és possible per a la molècula E:



Si s’irradia el senyal de 2.68 ppm, que pertany als protons d’un altre grup metilè, aleshores hi ha NOE sobre els protons d’un o més metils (senyals centrats a 1.64 ppm) i també sobre els protons olefínics de 5.11 ppm. L’experiment serveix per a assignar de forma inequívoca el senyal de 2.68 ppm, ja que el resultat només és possible si els protons irradiats pertanyen al carboni situat entre els dobles enllaços. En canvi, no permet discernir entre E i F, ja que en tots dos casos s’observarien resultats similars, l’increment del senyal de protons de metil i dels protons de doble enllaç.

17.

Es pot començar per determinar la fórmula molecular, amb la qual es pot conèixer el nombre d’insaturacions. Com no es disposa d’una anàlisi elemental quantitativa, només se sap que la molècula conté carboni, hidrogen, nitrogen, oxigen i halogen, la informació per a determinar la fórmula molecular cal obtenir-la dels diferents espectres:

• L’espectre de masses per impacte electrònic ens mostra l’ió molecular amb senyals amb m/z entre 241 i 245 unitats. Com la molècula conté halogen, lògic és començar per veure si els senyals mostren una distribució isotòpica atribuïble a Cl o Br. Efectivament, els senyals mostren una relació d’intensitats que és indicativa de la presència d’un clor a la molècula (35Cl 100%, 37Cl 32%). • Per a conèixer el nombre de carbonis, es pot recórrer a l’espectre de RMN de carboni-13. L’espectre mostra 9 senyals, però pot ser que aquest nombre sigui inferior al total de carbonis per simetria o lliure gir. En aquest sentit, l’espectre ens mostra senyals atribuïbles a un anell aromàtic de benzè (134.41, 128.40, 127.85 i 126.52 ppm) que relacionats amb els senyals de cinc protons aromàtics a l’RMN de protó (7.35-7.10 ppm), ens indiquen que la molècula té un fenil monosubstituït (4 senyals de carboni i 5 protons). Tenint això en compte, la molècula té un mínim de 11 carbonis (desconeixem ara per ara si hi ha cap altra reducció per simetria o llliure gir). • Per a determinar el nombre d’hidrogens es poden sumar les integracions dels senyals de l’espectre de protó, ja que són proporcionals al nombre de protons de la molècula. Com l’espectre s’ha enregistrat en CDCl3, el total de protons no es veurà afectat per bescanvi amb el dissolvent. Sumant les àrees, el total és d’aproximadament 12. Per tant, la molècula té un mínim de 12 hidrogens.

Amb tota aquesta informació, la fórmula molecular podria ser C11H12OxNyCl. Tenint en compte que el

senyal majoritari de l’ió molecular a m/z 241 es correspon amb el pes molecular de la molècula amb 35Cl, s’arriba a la conclusió que la fórmula molecular ha de ser C11H12O3NCl. Calculant l’índex d’insaturació, resulta que la molècula posseeix sis insaturacions, les quatre de l’anell de benzè d’abans, i dues més.

Per començar a establir la constitució de la molècula, potser millor analitzar primer els espectres de RMN de carboni-13:

• 173.17 i 165.78 ppm: Senyals atribuïbles a carbonis carbonílics. Pel valor de desplaçament químic al voltant de 175 ppm i perquè no apareixen a l’espectre DEPT, són assignables a carbonils de derivat d’àcid carboxílic. • 134.41, 128.40, 127.85 i 126.52 ppm: senyals dels carbonis d’un anell benzè monosubstituït. • zona alifàtica: s’hi observen tres senyals. Per mitjà de l’espectre DEPT es pot deduir que pertanyen a dos carbonis –CH2- (41.3 i 36.6 ppm) i un carboni CH ó CH3 (52.9 ppm). Cal tenir present que tots tres carbonis mostren desplaçaments elevats, el que probablement té relació amb efectes inductius dels grups a què estan units.

Analitzant l’espectre de RMN de protó, s’hi observen: • 9.80 ppm: un singulet ample d’un protó bescanviable amb D2O, molt probablement d’àcid carboxílic pel valor de desplaçament químic (normalment entre 10-15 ppm). • 7.35-7.10 ppm: protons de l’anell de benzè monosubstituït. Els valors de desplaçament químic són molt propers als d’un benzè i molt similars entre ells, per tant, el substituent de l’anell no produeix efectes apantallants o desapantallants significatius. Per exemple, es pot descartar la unió directa de l’anell a un dels grups carbonil de la molècula.



• 6.97 ppm: senyal doblet d’un protó bescanviable, atribuïble bé a –NH o –OH, i que s’acobla amb un H-C veï amb J=5.7 Hz. • 4.90 ppm: senyal d’un protó probablement quartet, amb J=5.4-6.0. Per l’elevat valor de desplaçament químic, es tracta d’un nucli fortament desapantallat per efecte inductiu. Pel valor de la constant d’acoblament, es pot deduir que s’acobla amb el protó de 6.97 ppm i amb els de 3.30 i 3.15 ppm (més avall). • 4.08-3.92 ppm: Senyals que només poden interpretar-se com dos doblets (4.05 i 3.95 ppm), que pertanyen a dos protons diastereotòpics CH2, mútuament acoblats amb una elevada constant d’acoblament geminal (2J=15.3-15.6 Hz). Distorsionades les intensitats dels pics per efectes de segon ordre (sistema de spin AB), podria confondre’s a simple vista amb un senyal quartet. Davant d’aquest dubte, cal adonar-se que els pics (centrals) no apareixen separats el mateix valor de freqüència, com correspondria a un multiplet únic. • 3.34-3.11: senyals doblet de doblet de dos protons no equivalents (3.30 i 3.15 ppm, respectivament). Pels valors de les constants d’acoblament, cal deduir que pertanyen a una altra parella de nuclis diastereotòpics CH2, acoblats entre ells amb una constant geminal (2J=14.1-13.8 Hz) i amb un tercer nucli amb J=5.4-6.0 Hz. Pel valor d’aquesta segona constant, el protó amb què s’acoblen és amb tota seguretat el de 4.90 ppm. El següent esquema mostra com calcular els desplaçaments químics i les constants d’acoblament pels

protons no aromàtics. Per al càlcul de les constants d’acoblament, cal recordar que com l’espectre s’ha enregistrat a 300 MHz, 1 ppm equival a 300 Hz. Cal tenir present també que donat que hi ha un error en la determinació dels desplaçaments químics de ± 0.01 ppm, això suposa el valor de les constants d’acoblament tenen un error de ± 0.3 Hz:

9.80

0

7.33

47.

312

7.19

07.

167

6.98

06.

961

4.92

94.

910

4.89

04.

872

4.08

24.

031

3.97

03.

918

3.33

63.

318

3.29

03.

271

3.18

03.

160

3.13

33.

113

doblet quadruplet

doblet doblet

doblet de doblets

doblet dedoblets

L’espectre d’infraroig pot ser útil per a acabar de determinar els grups funcionals presents a la molècula. Fixant-nos en les les bandes més significatives:

• 3313 cm-1: com és una banda molt estreta i la molècula té nitrogen, podria tractar-se d’una tensió N-H (st). Relacionant-ho amb dades dels altres espectres, el senyal de protó a 6.97 ppm i el senyal de carboni-13 a 165.8 ppm tot sembla indicar que la banda pertany al grup NH d’un amida secundària. • 3500-2500 cm-1: tot i que no molt clara, s’intueix la característica banda ampla i estructurada deguda a la tensió OH (st) d’àcid carboxílic, i que estaria d’acord amb les conclusions dels espectres de RMN. • 1708 cm-1: podria tractar-se de la tensió C=O (st) d’àcid carboxílic. • 1643 cm-1: podria ser deguda a la tensió C=O (st) d’una funció amida, encara que també podria atribuir-se a una banda de vibració esqueletal de l’anell de benzè (Csp2-H st).

Arribats a aquest punt, ja disposem de totes les peces del “puzzle”:



La unió d’aquests fragments segons l’esquema d’acoblament que es dedueix del càlcul de les constants condueix a sis diferents possibles estructures. Arribats aquí, per a arribar a l’estructura real, potser caldria fer l’estimació per taules d’algun dels desplaçaments químics i veure com s’ajusten als valors experimentals.

Potser ens podem estalviar tota aquesta feinada intentant raonar els desplaçaments químics en funció dels substituents. Pel que fa als protons dels dos grups CH2, si ens hi fixem, tres són els possibles substituents variables, l’àtom de clor, el grup fenil o el grup carboxil. Per efecte inductiu, es pot raonar que el desapantallament que produeixen aquests tres substituents és Cl > fenil > carboxil (comprova-ho a les taules). D’acord amb això, els protons CH2 que només s’acoblen de forma geminal estan força despantallats (δ: 4.05 i 3.95 ppm) i per això sembla lògic atribuir-ho a l’efecte inductiu conjunt de l’àtom de clor i el grup CONH. Pel que fa als altres dos protons CH2 (δ: 3.30 i 3.15 ppm), dels dos possibles veïns, el grup fenil o el grup carboxil, sembla més lògic que ho sigui l’anell aromàtic. S’explica també així l’elevat desplaçament que mostra el protó CH (4.90 ppm), perquè experimenta l’efecte inductiu conjunt del nitrogen i del grup carboxil. Amb aquest raonament (o estrictament molt millor, mitjançant l’estimació dels desplaçaments químics), s’arriba a la conclusió que la molècula dels espectres és N-cloroacetilfenilalanina (un derivat d’aminoàcid).

resum de les dades espectrals

Estereoisomeria i Anàlisi elemental

Documents

Problemes de Determinació Estructural Orgànicadiposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/4521/1/Prob_DEO.pdf · cations comuns (Na +, K +). Per a interpretar els diferents senyals, considera