Как разгадать «химический кроссворд»

Зачем разгадывать
«химические кроссворды»?
Контроль химического синтеза
положение защитных и реакционных групп, идентификация продуктов реакций
Установление химических формул
новых природных соединений при «нулевых» исходных данных
Промышленный шпионаж :)
То же самое, но для «рукотворных» соединений

Масс-спектры
ЯМР спектры
m/z молекулы
m/z фрагментов
Брутто-формула:
Спиновые системы
Формулы фрагментов
Химическая формула:
С33H26O20
Совпало?
Как разгадывать
«химические кроссворды»?
Возьми с полки пирожок

Современный масс-спектрометр
Agilent 6210: ВЭЖХ ─ времяпролетный масс-спектрометр с электроспрей-ионизацией (en.wikipedia.org)

Масс спектр
C30H26O20:
C 12.000000
H 1.007825
O 15.994915
e 0.000549
MH- 705.094474
MH+ 707.109026

На самом деле :(
Какой-то из этих сигналов – молекулярый ион, остальные – результат фрагментации, «слипания» молекул или просто примеси.
Требуется дополнительная информация, чтобы начать анализ.

Если известна формула

Современные ЯМР спектрометры
Лаборатория Биомолекулярной ЯМР спектроскопии
ИБХ РАН, Москва

На чем снимаем?

Что снимаем?
Одномерный 1Н спектр
от секунд до минут
Двумерные 1Н-1Н (гомоядерные) спектры
от 30 минут до 12 часов
Двумерные 1Н-13С (гетероядерные) спектры
от 30 минут до 12 часов
Одномерный 13С спектр
от 10 минут до 12 часов
+ Другие спектры на ядрах 15N, 31P, 19F и пр.
Имея 1-10 мг вещества с MW 100-1000:

Когда НЕ снимаем?
Когда не растворяется ни в одном из растворителей, используемых в ЯМР.
Когда мало вещества:
Для 1H спектров: до 0.1 мг
Для 13С спектров: до 5-10 мг («видно глазом»)
Для 15N спектров (только 15N-HMBC): до 20 мг
Когда много примесей. В образце должно быть 1-2 основных компонента + растворитель, остальное – в концентрации в 5-10 раз меньше.

Растворители для ЯМР спектроскопии: H2O
H2O + 10% D2O. Используется для расчета структур белков в естественном окружении, а так же для съемки спектров любых соединений, растворимых в воде.
Сигнал растворителя: 1H = 4.7 м.д.
Присутствуют 1H сигналы: NH, NH2, NH3+.
Отсутствуют 1H сигналы: OH, COOH,
PO3-4H, SO3-4H
Съемка спектров: любых, кроме HMBC. Искажены величины интегралов из-за подавления растворителя

Растворители для ЯМР спектроскопии: D2O (D=2H)
Хорошо подходит для образцов, не содержащих NH, NH2 групп. Для белков медленная скорость обмена NH↔ND говорит о наличии водородной связи.
Сигнал растворителя: 1H = 4.7 м.д.
Отсутствуют 1H сигналы: те же, что и в H2O + NH, NH2, NH3+
Съемка спектров: любых

Другие растворители

Мультиплетность сигналов 1H
Синглет (1)
Дуплет (2)
…−N+−(CH3)3
Отсутствуют другие
неэквивалентные протоны в пределах 3х химических связей
Один протон в пределах 3х связей

Мультиплетность сигналов 1H
Триплет (3)
Дуплет дуплетов
Квартет (4)
CH3−СH2− …
Два эквивалентных соседа
NH−СH−CHOH
Два НЕэквивалентных соседа
CH3−СH2−O − …
Три соседа

Химические сдвиги 1Н
Метилы C−CH3 0÷1.5 м.д.
Метилы N,O−CH3 3−4 м.д.
Метилены С−СН1,2 1−3 м.д.
Метилены N,O−СН1,2 3−6 м.д.
Ароматика СH 6−7 м.д.
Амиды NH,NH2 6−11 м.д.

Химические сдвиги 13С
Метилы C−CH3 5-15 м.д.
Метилены С−СН1,2 20−60 м.д.
Метилены O−СН1,2 60−90 м.д.
Ароматика, С,CH 100-150 м.д.
Олефины
Карбоксилы С=O 160-220 м.д.

Виды 2D ЯМР спектров,
используемые для определения строения молекул
Гомоядерная спектроскопия (1H­1H):
2D COSY
2D TOCSY
2D NOESY
Гетероядерная спектроскопия
(1H-­13C или 1H­-15N):
2D HSQC
2D HMBC

2D COSY
(COrrelation SpectroscopY)
Гомоядерная спектроскопия

2D TOCSY
(TOtal Correlation SpectroscopY)
Гомоядерная спектроскопия

TOCSY/COSY спектры позволяют выделить спиновые системы
Протоны внутри спиновой системы связаны друг с другом по спектрам COSY/TOCSY
Спиновые системы отделены друг от друга атомами углерода/азота/кислорода/ серы, пр. без протонов
Гомоядерная спектрос-копия не позволяет связать спиновые системы между собой

2D HSQC
(Heteronuclear Single Quantum Coherence)
Гетероядерная спектроскопия

2D HMBC
(Heteronuclear Multiple Bond Correlation)
Гетероядерная спектроскопия

HMBC связывает спиновые системы друг с другом
Гетероядерная спектроскопия
Каждый кросс-пик в HMBC за пределы спиновой системы показывает «новые» спины
Если один и тот же спин виден из разных спиновых систем, то мы можем «связать» их друг с другом, собрав молекулу из отдельных фрагментов

Порядок действий