рисуем формулу вещества по ЯМР и масс-спектрам Как разгадать «химический кроссворд» ДУБИННЫЙ Максим Анатольевич к.ф.-м.н., н.с лаборатории биомолекулярной ЯМР спектроскопии ИБХ РАН, Москва +7(905)

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: С 33 H 26 O 20 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 C 30 H 26 O 20 : C H O e MH MH

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? Ядро Спин Естественное содержание Резонансная частота (600 МГц) Относительная чувствительность (в сравнении с 13 С) 1H1H+½99.98%600.1 МГц5.87×10 3 2H2H+10.02%92.1 МГц6.52× C13C+½1.07%150.9 МГц N15N½0.364%60.8 МГц2.23× P+½100.0%242.9 МГц3.91× F+½100.0%564.7 МГц4.89×10 3

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

Когда НЕ снимаем? Когда не растворяется ни в одном из растворителей, используемых в ЯМР. Когда мало вещества: Для 1 H спектров: до 0.1 мг Для 13 С спектров: до 5-10 мг («видно глазом») Для 15 N спектров (только 15 N-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: H 2 O H 2 O + 10% D 2 O. Используется для расчета структур белков в естественном окружении, а так же для съемки спектров любых соединений, растворимых в воде. Сигнал растворителя: 1 H = 4.7 м.д. Присутствуют 1 H сигналы: NH, NH 2, NH 3 +. Отсутствуют 1 H сигналы: OH, COOH, PO 3-4 H, SO 3-4 H Съемка спектров: любых, кроме HMBC. Искажены величины интегралов из-за подавления растворителя

Растворители для ЯМР спектроскопии: D 2 O (D= 2 H) Хорошо подходит для образцов, не содержащих NH, NH 2 групп. Для белков медленная скорость обмена NHND говорит о наличии водородной связи. Сигнал растворителя: 1 H = 4.7 м.д. Отсутствуют 1 H сигналы: те же, что и в H 2 O + NH, NH 2, NH 3 + Съемка спектров: любых

Другие растворители Формула 1 H, м.д. (мультиплетность) 13 С, м.д. (мультиплетность) Сигнал HODПримечания Метанол-d 3,4 4.78(1) 3.31(5)49.15(7) 4.9 Протонный, гидрофильный DMSO-d (5)39.51(7)3.3 Апротонный, гигроскопичный CDCl (1)77.23(3)1.5 Апротонный, Гидрофобный Этанол-d 5,6 5.19(1) 3.56(1) 1.11(m) 56.96(5) 17.31(7) 5.3 Протонный, гидрофильный Ацетон-d (5) 29.92(7) (1) 2.8 Апротонный Цикло- гексан-d (1)26.43(5)0.8 Апротонный, гидрофобный

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

Мультиплетность сигналов 1 H Триплет (3) Дуплет дуплетов Квартет (4) CH3СH2 …CH3СH2 … Два эквивалентных соседа NHСHCHOH Два НЕэквивалентных соседа CH 3 СH 2O … Три соседа

Химические сдвиги 1 Н Метилы CCH 3 0÷1.5 м.д. Метилы N,OCH 3 34 м.д. Метилены ССН 1,2 13 м.д. Метилены N,OСН 1,2 36 м.д. АроматикаСH67 м.д. АмидыNH,NH м.д.

Химические сдвиги 13 С Метилы CCH м.д. Метилены ССН 1, м.д. Метилены OСН 1, м.д. Ароматика,С,CH м.д. Олефины КарбоксилыС=O м.д.

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

В лекции были использованы образцы и фрагменты спектров, предоставленные: Абдильданова Асель Абаевна, Алматы, Казахстан, Институт химических наук им. А.Б. Бектурова Болдырев Иван Александрович, ИБХ РАН, Лаборатория химии липидов Дейгин Владислав Исаакович, ИБХ РАН, Лаборатория биофармацевтики Кемельбеков Улан Сатыбалдыулы, Кокшетау, Казахстан, КГУ им. Ш. Уалиханова, Лаборатория инженерного профиля ЯМР-спектроскопии. Константинова Ирина Дмитриевна, ИБХ РАН, Лаборатория биотехнологии Осмаков Дмитрий Игоревич, ИБХ РАН, Лаборатория нейрорецепторов и нейрорегуляторов Саблина Марина Александровна, ИБХ РАН, Лаборатория углеводов Ямпольский Илья Викторович, ИБХ РАН, Лаборатория биофотоники Благодарности