5.7:13C-ЯМР-спектроскопія

Ізотоп вуглецю ¹² С - на який припадає близько 99% вуглецю в органічних молекулах - не має ядерного магнітного моменту і, таким чином, є ЯМР-неактивним. На щастя для хіміків-органіків, однак, ізотоп ¹³ С, на який припадає більшість решти 1% атомів вуглецю в природі, має магнітний дипольний момент, як і протони. Більшість з того, що ми дізналися про ¹ H-ЯМР-спектроскопії, також відноситься до ¹³ C-ЯМР, хоча є кілька важливих відмінностей.

Магнітний момент ядра ¹³ С набагато слабший, ніж у протона, що означає, що сигнали ЯМР від ядер ¹³ С за своєю суттю набагато слабкіші, ніж протонові сигнали. Це в поєднанні з низьким природним достатком ¹³ С означає, що спостерігати вуглецеві сигнали набагато складніше: потрібно більше вибірки, і часто дані сотень сканів повинні бути усереднені, щоб довести відношення сигнал/шум до прийнятних рівнів. На відміну від ¹ сигналів H-ЯМР, площа під сигналом ¹³ C-ЯМР не може бути легко використана для визначення кількості вуглецю, якому вона відповідає. Сигнали для деяких типів вуглецю за своєю суттю слабкіші, ніж для інших типів - піки, що відповідають карбонільним вуглецям, наприклад, набагато менші, ніж для піків метилу або метилену (CH ₂). З цієї причини пікова інтеграція, як правило, не корисна в спектроскопії ¹³ С-ЯМР.

Резонансні частоти ядер ¹³ С нижчі, ніж у протонів в тому ж прикладному полі - в приладі з магнітом 7,05 Тесла протони резонують приблизно на 300 МГц, тоді як вуглеці резонують приблизно на 75 МГц. Це пощастило, оскільки це дозволяє нам дивитися на сигнали ¹³ С, використовуючи абсолютно окреме «вікно» радіочастот. Так само, як і в ¹ H-ЯМР, стандарт, який використовується в ¹³ експериментах C-ЯМР для визначення точки 0 ppm, - це тетраметилсилан (TMS),

хоча, звичайно, в ¹³ C-ЯМР це сигнал від чотирьох еквівалентних вуглецю в TMS, який служить стандартом. Хімічні зрушення для ядер ¹³ С в органічних молекулах розподілені в набагато ширшому діапазоні, ніж для протонів - до 200 проміле за ¹³ С порівняно з 10-12 проміле для протонів (перелік типових хімічних зрушень ¹³ С-ЯМР див. Таблицю 3).

На хімічний зсув ядра ¹³ С впливають, по суті, ті ж фактори, які впливають на хімічний зсув протона: зв'язки з електронегативними атомами та ефекти діамагнітної анізотропії мають тенденцію зміщувати сигнали вниз по полю (вища резонансна частота). Крім того, гібридизація sp ² призводить до великого зрушення вниз поля. Сигнали ¹³ C-ЯМР для карбонільних вуглеців, як правило, найдальший вниз поле (170-220 ppm), через як sp ² гібридизації, так і з подвійним зв'язком з киснем.

---

Вправа 5.15

Скільки наборів нееквівалентних вуглеців є в кожній з молекул, показаних у вправі 5.2?

Вправа 5.16

Скільки наборів нееквівалентних вуглецю є в:

а) метилбензол

б) 2-пентанон

в) 1,4-диметилбензол

г) триклозан

(всі структури показані раніше в цьому розділі)

---

Через низьку природну кількість ядер ¹³ С дуже малоймовірно знайти два атоми ¹³ С поблизу один одного в одній молекулі, і, таким чином, ми не бачимо спін-спіновий зв'язок між сусідніми вуглецями в спектрі ¹³ C-ЯМР. Однак ядра ¹³ С з'єднані з сусідніми протонами, що призводить до складних спектрів. Для наочності хіміки зазвичай використовують техніку, яка називається широкосмуговим роз'єднанням, яка по суті «вимикає» C-H з'єднання, що призводить до спектру, в якому всі вуглецеві сигнали є синглетами. Нижче наведено протонно-роз'єднаний ¹³ C-ЯМР спектр етилацетату, показуючи очікувані чотири сигнали, по одному для кожного з вуглецю. Ми також можемо побачити сигнал для атома вуглецю в дейтерированому розчиннику хлороформу (CdCl ₃) (хоча детальне обговорення тут виходить за рамки нашої сфери дії, цікаво відзначити, що цей сигнал розділений на триплет дейтерієм, який є активним ЯМР і має три можливі спінові стани. а не два). Ми можемо ігнорувати сигнал розчинника при інтерпретації спектрів ¹³ С-ЯМР.

рис. 30

Хоча широкосмугове розв'язання призводить до набагато простішого спектру, корисна інформація про наявність сусідніх протонів втрачається. Однак інша методика ЯМР під назвою DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) дозволяє визначити, скільки водню пов'язане з кожним вуглецем. Ця інформація зазвичай надається в задачах, в яких вас просять інтерпретувати ¹³ С-ЯМР спектра невідомої сполуки. (Детальна інформація про те, як працює техніка DEPT, виходить за рамки цієї книги, але буде висвітлена, якщо ви пройдете більш просунутий курс спектроскопії.)

Однією з найбільших переваг ¹³ C-ЯМР порівняно з ¹ H-ЯМР є широта спектра - нагадаємо, що вуглеці резонують від 0-220 ppm щодо стандарту TMS, на відміну від лише 0-12 ppm для протонів. Через це сигнали ¹³ С рідко перекриваються, і

ми майже завжди можемо виділити окремі піки для кожного вуглецю, навіть у відносно великій сполуці, що містить вуглеці в дуже схожих середовищах. У протонному спектрі 1-гептанолу ми бачили раніше лише широкий синглет спиртового протона (H _a) та триплет для (H _b) легко аналізуються. Інші протонові сигнали перекриваються, що ускладнює аналіз. Однак у спектрі ¹³ С тієї ж молекули ми можемо легко розрізнити кожен вуглецевий сигнал, і з цих даних ми знаємо, що наш зразок має сім нееквівалентних вуглеців. (Зауважте також, що, як ми очікували, хімічні зрушення вуглецю поступово знижуються, оскільки вони віддаляються від знешкоджуваного кисню.)

рис 32

Ця властивість ¹³ C-ЯМР робить його дуже корисним для з'ясування більших, більш складних структур.

---

Вправа 5.17

Нижче наведено ¹³ спектрів C-ЯМР для метилбензолу (загальна назва толуолу) та метилметакрилату. Зіставте спектри з правильною структурою та робіть пікові призначення.

Спектр A:

рис. 33

Спетр B:

рис 34

---

Вправа 5.18

Дані ¹³ C-ЯМР для деяких поширених біомолекул наведені нижче (дані з бібліотеки Олдріча ¹ H і ¹³ C ЯМР). Зіставте дані ЯМР з правильною структурою та зробіть повні пікові завдання.

спектр а: 168,10 проміле (С), 159,91 проміле (С), 144,05 проміле (СН), 95,79 проміле (СН)

спектр b: 207,85 проміле (С), 172,69 проміле (С), 29,29 проміле (СН ₃)

спектр c: 178,54 проміле (С), 53,25 проміле (СН), 18,95 проміле (СН ₃)

спектр d: 183,81 проміле (С), 182. 63 проміле (С), 73.06 проміле (СН), 45,35 проміле (СН ₂)

рис 36а

---

¹³ C-ЯМР в дослідженнях ізотопного маркування

Хоча лише близько 1 з 100 атомів вуглецю в природній органічній молекулі є ізотопом 13С, хіміки часто здатні синтезувати молекули, які штучно збагачені в 13C в конкретних положеннях вуглецю. Це може бути дуже корисно в біохімічних дослідженнях, оскільки це дозволяє нам «позначити» один або кілька вуглеців у невеликій молекулі-попереднику, а потім простежити наявність етикетки 13C через біосинтетичний шлях аж до кінцевого продукту, надаючи розуміння того, як відбувається біосинтез. Наприклад, вчені змогли вирощувати бактерії в середовищі, в якому єдиним джерелом вуглецю був ацетат, збагачений в 13С в положенні С1 (карбоніл). Коли вони виділили ізопреноїдну сполуку під назвою аміно-бактеріо-гопанетріол, синтезовану бактеріями, і подивилися на його спектр 13C-ЯМР, вони помітили, що етикетка 13C з ацетату була включена у вісім конкретних позицій. Вони знали це тому, що сигнали 13C-ЯМР для цих вуглеців були набагато сильнішими порівняно з тими ж сигналами в контрольній (немаркованій) сполуці.

Цей результат був дуже дивним - вчені очікували зовсім іншої схеми включення 13C на основі того, що, на їхню думку, є шляхом біосинтезу ізопреноїдів. Цей несподіваний результат призвів врешті-решт до відкриття того, що бактерії синтезують ізопреноїдні сполуки зовсім іншим шляхом, ніж дріжджі, рослини та тварини. Нещодавно виявлений бактеріальний метаболічний шлях в даний час є ключовою мішенню для розробки нових антибіотиків та протималярійних препаратів. (Євро. Біохім. 1988, 175, 405).