2D-NMR 스펙트럼을 이용한 유기화합물의 구조 분석

이 칼럼에서는 2D-NMR 스펙트럼을 이용하여 유기화합물의 구조 분석에 대해 설명하겠습니다.

1차원 NMR(XNUMXD-NMR)의 구조 분석

1차원 NMR(1D-NMR)은 NMR 분광학의 가장 기본적인 측정법으로, 스펙트럼을 가로축(화학적 이동)으로 표시합니다. 이전 칼럼에서 소개했듯이, 화학적 이동, 적분비, 그리고 분리 패턴(결합)에 대한 정보는 물체의 구조를 분석하는 데 사용됩니다. 그러나 검출된 신호의 개수가 많거나, 신호가 겹치는 위치에 나타나거나, 결합이 복잡한 경우에는 XNUMXD-NMR 데이터만으로 구조 분석을 수행하기 어려울 수 있습니다.
이 칼럼에서 소개하는 2차원(XNUMXD-NMR) 분광 분석법은 기본적인 단계 순서를 따르기 때문에 분석 대상에 관계없이 광범위하게 활용될 수 있습니다. 또한, 기본 절차만 따르면 초보자도 구조 분석을 기계적으로 수행할 수 있습니다.

2D-NMR이란 무엇인가요?

2D-NMR은 1D-NMR보다 더 자세한 분자 구조를 확인하는 데 사용되는 방법입니다.
2D-NMR 측정 방법은 다양하므로 여기서는 대표적인 측정 방법을 소개합니다.

J 커플링 상관관계를 이용한 구조 해석

이번에는 화학 결합을 통한 상호작용인 "J 결합 상관관계"를 이용한 구조 분석의 예를 소개합니다. 물체의 구조 분석은 아래 4단계에 따라 진행됩니다.

1단계에서는 1D-NMR 스펙트럼을 사용합니다. ¹³C와 DEPT를 사용하여 원자 그룹과 작용기 그룹을 결정하고 추정합니다.

2단계에서는 HMQC와 1D 스펙트럼을 사용합니다. ¹H를 찾으려면 ¹³C 및 ¹H는 직접 결합되어 있습니다.

3단계에서는 COSY를 사용하여 이웃이 어느 것인지 조사하고 찾습니다. ¹Hs.

2단계와 3단계에서 얻은 정보를 사용하면 어느 정도 하부 구조를 결정할 수 있습니다.

4단계에서는 HMBC를 사용하여 나머지 부분의 연결을 고려하여 구조를 결정합니다. ¹³C 및 ¹H가 더 멀리 떨어져 있습니다.

C의 구조 해석 예 ₆H₁₀O₂

1단계 ¹³C (1D-NMR) 및 DEPT

1단계에서는 1D-NMR 스펙트럼을 사용합니다. ¹³C와 DEPT를 이용하여 원자단과 작용기를 결정하고 추정합니다. 먼저, 그림 1과 같이 1D-NMR 스펙트럼의 각 신호에 기호를 붙입니다. ¹³C. 스펙트럼의 오른쪽에 있는 신호부터 시작하여 고필드 측에서 기호를 추가합니다. 에이, 비, 씨... 각 신호의 화학적 이동은 소수점 첫째 자리까지 읽습니다. 읽은 정보는 표 1에 요약되어 있습니다.

표 1 ¹³C 스펙트럼 정보

다음으로, DEPT 스펙트럼의 결과를 확인해 보겠습니다. DEPT는 수소가 직접 결합된 탄소를 관찰하므로, 관심 탄소 원자의 계열(관심 탄소에 직접 결합된 수소의 개수)을 알 수 있습니다. 즉, CH와 같은 원자단을 식별할 수 있습니다.₃, CH₂, 및 CH. (DEPT는 135차 탄소의 스펙트럼을 감지할 수 없습니다.) DEPT는 측정 매개변수(DEPT90, DEPT45, DEPTXNUMX)에 따라 세 가지 유형의 스펙트럼을 제공합니다.

표 2는 세 가지 유형의 DEPT 스펙트럼에서 신호 발생 패턴을 나열합니다. DEPT135에서 CH 신호는₃ 그리고 CH는 위쪽으로 감지되고, CH의 신호는₂ 아래쪽으로 나타납니다(반대 위상). CH를 구별하는 것이 종종 가능합니다.₃ 또는 화학적 이동에서 CH를 검출합니다. 많은 경우 DEPT135 측정만으로도 충분합니다. DEPT135만으로 구별하기 어려운 경우, CH 신호만 검출되는 DEPT90을 측정합니다.

표 2 DEPT 신호 출현 패턴

DEPT 스펙트럼을 사용하여 샘플의 원자단을 확인합니다. 그림 2와 같이, 1D-NMR 스펙트럼의 신호 발생 패턴을 비교하여 각 신호의 원자단을 구분합니다. ¹³C와 DEPT 스펙트럼.

-----
DEPT135・・・상향 신호: CH₃ 또는 CH, 하향 신호: CH₂
DEPT90・・・ 검출 가능한 신호 : CH
1D-NMR 스펙트럼에서만 감지되는 신호 ¹³C 및 DEPT 스펙트럼에서 검출되지 않음: 4차 탄소
-----

지금까지의 정보를 사용하여 우리는 각 신호의 원자 그룹이 오른쪽에서 왼쪽으로 다음과 같다는 것을 확인할 수 있었습니다. A (CH₃), B (CH₃), C (CH₂), D (CH), E (CH), 그리고 F (4차 탄소).

지금까지의 정보는 표 3에 요약되어 있습니다. 이 정보는 원자 그룹과 작용 그룹을 추정하는 데 사용됩니다.

표 3 ¹³C 스펙트럼 정보(2)

그림 3은 화학적 이동표를 보여줍니다. ¹³C. 약 100 ppm 경계에서 포화 탄소 신호는 오른쪽에, 불포화 탄소 신호는 왼쪽에 나타납니다. 표 3에 요약된 정보를 화학적 이동표와 비교해 보겠습니다. 먼저, D (122.8ppm) 및 E (144.0 ppm)에서, 우리는 그것들이 불포화 탄소 영역에 있음을 알 수 있는데, 이는 이 CH가 불포화 탄소에서 유래되었음을 나타냅니다. 다음으로, F화학적 이동값은 166.2 ppm으로 에스테르 영역에 속합니다. 이 물질의 분자식은 C입니다.₆H₁₀O₂, 그리고 두 개의 Os가 있기 때문에 4차 탄소는 F COO그룹에서 파생된 것으로 추정된다.

지금까지의 정보는 표 4에 요약되어 있습니다.

표 4 ¹³C 스펙트럼 정보(3)

2단계 HMQC & ¹H

2단계에서는 HMQC 및 1D-NMR 스펙트럼을 사용합니다. ¹H는 직접 결합된 것을 찾습니다 ¹³C 및 ¹H 조합. HMQC는 조합을 알려드립니다. ¹H 및 ¹³직접 결합된 C. 스핀 커플링은 다음과 같은 기호로 표시됩니다. ¹J_CHJ의 왼쪽 위 모서리에는 스핀 결합을 나타내는 결합의 수가 적혀 있고, 결합된 핵은 J의 오른쪽 아래 모서리에 적혀 있습니다.

그림 4는 HMQC 스펙트럼을 보여줍니다. 2D-NMR 스펙트럼에서는 각 축에 고분해능 1D-NMR 스펙트럼이 표시됩니다. HMQC의 경우 ¹H 스펙트럼은 X축에 표시되며 ¹³Y축의 C 스펙트럼. 2단계에서 각 신호에 첨부된 것과 동일한 기호 ¹³1단계의 C 스펙트럼은 신호에 첨부됩니다. ¹³Y축은 C 스펙트럼을 나타내며, Y축의 윗부분은 고자기장 쪽(작은 화학적 이동)을 나타내고 아랫부분은 저자기장 쪽(큰 화학적 이동)을 나타냅니다.

다음으로, 선을 그립니다. ¹³Y축의 C 신호를 HMQC 상관 신호로 변환하여 확인한다. ¹H는 직접 결합됩니다 ¹³C. 예를 들어, 우리가 다음에 초점을 맞춘다면 ¹³C 신호 C, 우리는 측면을 향해 선을 그리고, 그 선이 상관 신호에 닿으면 거기에서 위쪽으로 선을 그립니다. ¹우리가 여기서 도달한 H 신호는 신호에 직접 결합된 대응물입니다. C of ¹³C. 해당되는 경우 ¹H는 이런 식으로 발견된다. ¹H는 대응되는 것과 동일한 기호로 표시됩니다. ¹³C. 신호의 대응물이기 때문에 C of ¹³C, 우리는 또한 기호를 넣을 것입니다 C 이에 ¹H. 모든 상관관계가 있는 조합은 비슷한 기호로 표시됩니다.

3단계 ¹H-¹H 코지

그림 6은 실제 COSY 스펙트럼을 보여줍니다. COSY는 ¹X축과 Y축 모두에 대한 H 스펙트럼.
1단계에서는 각 항목에 기호를 지정했습니다. ¹³C 신호. 2단계에서는 각 신호에 기호를 할당했습니다. ¹H 신호는 직접 결합됩니다. ¹³HMQC를 사용하여 C를 사용합니다. 3단계에서는 먼저 동일한 기호를 신호에 할당했습니다. ¹2단계에서 했던 것처럼 X 및 Y 축의 H 스펙트럼입니다. 우리는 이전에 사용했던 HMQC 스펙트럼(그림 4)을 살펴보고 신호에 첨부된 기호를 복사했습니다. ¹X축의 H 스펙트럼은 그대로입니다.

그림 6에서 기호는 고자기장 쪽부터 알파벳순으로 정렬되어 있지만, 이 샘플에서는 우연히 그렇게 되었습니다. ¹H 신호는 항상 알파벳 순서대로 정렬되지 않습니다.
또한, COSY 스펙트럼에서 대각선을 그었을 때 신호는 대각선 상에 정렬됩니다(대각선 신호라고 함). 하지만 이는 구조 분석의 정보로 사용되지 않습니다. 대각선을 벗어난 신호는 COSY 상관 신호입니다.

우리는 상관 신호에서 X축 및 Y축 스펙트럼을 향해 선을 그어 다음을 찾습니다. ¹서로 스핀 결합된 Hs. 예를 들어, 녹색으로 표시된 상관 신호에 초점을 맞추면 ¹H 신호 C X축과 ¹H 신호 A Y축에 따라서 우리는 신호가 C A 서로 스핀 결합(이웃)되어 있습니다. 대응되는 신호가 발견되면, 상관된 신호에 기호를 추가합니다. 예를 들어, C/A, 그들이 다음과 같다는 것을 지정하기 위해 ¹H 신호 ³J_HH 관계. COSY의 상관 신호가 대각선에 대해 선대칭 위치에 나타나므로 다음을 찾습니다. ³J_HH 모든 상관 신호에 대해서도 동일한 방식으로 대응합니다.

COSY의 상관 신호에 대한 정보가 제공되면 각 신호에 대한 상관 표가 생성됩니다.
표 5는 COSY에 대한 상관관계 표입니다. 기호를 쓰세요. ¹데이터의 스펙트럼에 따라 수직 및 수평 순서로 H 신호를 전송합니다. ¹H-¹HCOSY 축. (이 샘플의 경우 알파벳순으로 정렬되어 있지만 COSY 스펙트럼을 보고 화학적 이동 순서대로 나열해야 합니다.) 예를 들어, 상관된 신호가 다음과 같은 경우 C A, 교차점을 표시하다 C A이런 식으로 모든 상관 신호가 COSY 상관 표에 입력됩니다.

그림 7은 COSY의 상관 신호 다이어그램을 보여줍니다.
이 샘플에서는 COSY 상관 신호가 관찰되었습니다. ¹H의 C ¹H의 A.
HMQC 스펙트럼은 또한 다음을 나타냈습니다. ¹H의 C ¹³C의 C 직접 결합됩니다. 같은 방식으로, ¹H의 A ¹³C의 A 직접 결합되어 있습니다.
따라서 COSY 상관 신호는 C A 그것을 유도할 수 있다 ¹³C의 C ¹³C의 A 이웃합니다. 즉, COSY 정보를 사용하면 이웃을 간접적으로 찾을 수 있습니다. ¹³이웃으로부터의 C 연결 ¹H 연결.

지금까지 우리가 가지고 있는 정보는 다음과 같습니다. ¹³C 스펙트럼 정보(표 4)와 COSY 상관표(표 5)를 참고하십시오. COSY 상관표에서, 우리는 C에서 유래된 탄소 원자들이 ¹³C 신호 교류, 있다예산 및 DE 서로 이웃하고 있습니다. 다음 정보와 결합하면 ¹³C 스펙트럼에서 우리가 기호를 원자 그룹으로 다시 쓰면 다음과 같습니다. 교류 : "CH₃-CH₂-", 침대 : "CH₃-CH=CH-", 그리고 F : 1단계의 "COO". 따라서 이 화합물은 다음 세 가지 하위 구조로 구성되어 있음을 알 수 있습니다.

----
하부구조 1：CH₃-CH₂- ・・・ 교류
하부구조 2： CH3-CH=CH- ・・・ 침대
하부구조 3： COO ・・・ F
----

다음으로, 각 부분 구조를 연결하여 어떤 종류의 분자가 만들어질지 생각해 보겠습니다(그림 8). 세 부분 구조를 조합하여 가능한 모든 분자 구조를 나열해 보겠습니다. 분자 구조를 고려할 때는 CH를 포함하는 부분 구조에 집중하는 것이 더 쉽습니다.₃ 왜냐하면 CH이기 때문이다₃ 구조의 끝에 위치합니다. 이 경우 두 가지 가능한 구조가 있습니다. 첫째, 하위 구조 1과 2는 CH를 포함하고 있기 때문에 분자 구조의 끝부분으로 확인됩니다.₃1과 2가 양 끝에 위치하므로, 하부 구조 3이 1과 2 사이에 끼어 있음을 예측할 수 있습니다. 하부 구조 3의 서로 다른 방향 덕분에 두 가지 다른 추론 구조(I, II)를 생성할 수 있었습니다. COO의 방향을 이용하여 어떤 추론 구조가 더 합리적인지 판단할 수 있습니다. 따라서 COO에 대한 장거리 스핀 결합을 확인하기 위해 HMBC 측정을 수행했습니다.

4단계 HMBC

그림 10은 HMBC의 실제 스펙트럼입니다. HMBC 축은 HMQC의 경우와 동일합니다. ¹X축의 H 스펙트럼과 ¹³Y축의 C 스펙트럼.
4단계에서는 2단계에서 HMQC 스펙트럼에 지정한 것과 동일한 기호를 X축과 Y축의 1D-NMR 스펙트럼의 각 신호에 표시합니다.

다음으로, 우리는 스핀 결합을 찾기 위해 상관 신호에서 X축 및 Y축 스펙트럼으로 선을 그립니다. ¹³C 및 ¹H 조합입니다. 여기서 주황색으로 표시된 두 개의 수평으로 정렬된 신호는 다음 신호입니다. ¹J_CH, 직접 결합 ¹H 및 ¹³C. 이러한 신호는 잔여 신호이므로 모든 직접 결합에서 관찰되는 것은 아닙니다. HMQC에서 이미 직접 결합이 관찰되었으므로 여기서는 자세히 설명하지 않겠습니다.
HMBC 스펙트럼에서는 직접 결합 신호는 무시하고 장거리 정보만 읽습니다.
예를 들어, 녹색으로 표시된 상관 신호에 초점을 맞추면 다음을 볼 수 있습니다. ¹³C의 C ¹H의 A Y축을 추적하면 장거리 스핀이 서로 결합되므로 C 그리고 X축 결과는 다음과 같습니다. A.

상대방이 알려지면 상관 신호에 기호를 추가합니다. 예: A / C, 그것이 장거리 스핀 결합임을 나타내기 위해 ¹H 및 ¹³C의 ²J_CH or ³J_CH.
모든 상관 신호에 대해서도 동일한 방법으로 장거리 스핀 결합 대응 신호를 찾아 기호로 표시하세요. HMBC 상관 신호에 대한 정보를 작성한 후 상관 표를 작성하세요.

표 6은 HMBC에 대한 상관관계 표입니다. ¹H 신호는 수평으로 표시되고 기호는 ¹³C 신호는 스펙트럼에 따라 수직으로 표시됩니다. (기호는 다음과 같습니다. ¹H 신호는 반드시 알파벳 순서가 아닙니다.) HMBC 스펙트럼에 대한 상관 신호가 채워집니다. 예를 들어 상관 신호가 ¹³C는 C ¹H는 A, 교차점을 표시하다 C 을 통한 ¹³C 및 A 을 통한 ¹상관관계 표의 H. 이런 식으로 모든 상관 신호가 HMBC 상관관계 표에 입력됩니다.

우리는 HMBC의 정보를 사용하여 하부 구조를 연결합니다.
앞서 작성한 HMBC 상관관계표(표 7)를 살펴보세요. 상관관계 신호 표시에서 3단계에서 COSY가 이미 분석한 채권은 ○로 표시되고, HMBC에서 처음 발견된 채권은 ●로 표시됩니다. HMBC에서 처음 발견된 채권은 COO 상관관계입니다. F. 이것은 F 장거리 스핀 커플링입니다 C, D예산 및 E.

우리는 장거리 상관관계를 살펴볼 것입니다. FC, FD예산 및 FE 추론된 구조 I과 II 중 COO가 부착되는 방향이 어느 쪽인지 고려한다. (그림 11)
첫째, 추론 구조 I에서, F's ¹³C 및 C's ¹H는 3개의 결합을 가지고 있습니다.³J_CH", ; F's ¹³C 및D's ¹H는 두 개의 결합을 가지고 있습니다.²J_CH", ; 그리고 F's ¹³C 및 E's ¹H는 3개의 결합을 가지고 있습니다.³J_CH".
다음으로, 추론된 구조 II를 살펴보겠습니다. ¹H의 ¹³C 및 C in F "²J_CH" 두 개의 결합으로, ¹H의 ¹³C 및 D in F "³J_CH"3개의 결합과 함께, ¹H의 ¹³C 및 E in F "⁴J_CH"4개의 결합으로.
이후 ⁴J_CH 관찰될 가능성이 낮으므로 추론된 구조 I가 합리적인 구조일 것으로 예상할 수 있습니다.

마지막으로, 추론된 구조 I는 1D-NMR 스펙트럼의 정보와 대조하여 확인됩니다. ¹³C가 정말 맞는지 확인하기 위해. 추론된 구조 I에서 CH₂ 기호 C는 산소와 결합되어 있습니다. 그리고 ¹³이것의 C 화학적 이동 C 59.8ppm이었다(표 1).
The ¹³CH에 대한 C 화학적 이동표₂ (표 8)은 정상 CH₂ 20-45ppm에서 관찰되는 반면 CH₂ 산소와 결합된 것은 40~70ppm에서 낮은 자기장 이동으로 관찰됩니다.
이 사실로부터 우리는 "구조 I이 옳다"는 결론을 내릴 수 있습니다.

표 8 ¹³C CH에 대한 화학적 이동₂

관련 응용 프로그램

고해상도 2D 스펙트럼의 필요성

소분자에 대한 중첩 획득이 있는 NOAH-NMR 수퍼시퀀스

DOSY 적용: 게스트 캡슐화 분석

HSQC-NOESY에 의한 NOE 관찰

2kHz MAS에서 100D Heteronuclear correlation spectroscopy를 사용하여 자연 풍부 분자의 미량에 대한 연구: HMQC 접근

제품