Elucidación estructural: Resolución de problemas Objetivos: Composición: átomos presentes y su proporción en la molécula, lo que se traduce en la obtención de una formula molecular. Composición elemental es 55.8% de C; 6.98% de H y 37.2% de O ello nos llevaría a una formula empírica: C4H6O2. Determinando el peso molecular resulta ser 172, por lo que la fórmula molecular resultará ser: C8H12O4 Constitución: Uniones existentes entre los átomos, lo que se traduce en la determinación de los grupos funcionales y subestructuras presentes en la misma Su análisis funcional nos dice que se trata de un ácido ciclohexano-1,2dicarboxílico (constitución) Configuración: disposición espacial de los átomos en la molécula. Conformación: disposición espacial de la molécula que surge debido a la posibilidad de rotación o giro de los enlaces simples en la misma. Disposición relativa de dichos grupos carboxílicos en el ciclo, encontrándonos que resultan ser trans(configuración) Determinar su conformación, es decir determinar si la molécula se encuentra con ambos grupos en posiciones ecuatorial,ecuatorial o axial, axial cuando el anillo de ciclohexano se encuentra en conformación silla Procedimiento: De una manera general podemos indicar como objetivos sucesivos los siguientes: 1. 2. 3. 4. Obtención de una fórmula molecular. Identidad de los grupos funcionales. Conectividades de los carbonos. Posicionamiento de los substituyentes y/o los grupos funcionales sobre el esqueleto carbonado (Obtención de subestructuras). 5. Determinación de las propiedades estereoquímicas (incluyendo tanto los aspectos estáticos como dinámicos). 6. Asignación de una estructura a la molécula. 7. Comprobación de que las propiedades espectroscópicas observadas se corresponden con las que debería tener la estructura propuesta. 1 1) DETERMINACIÓN DE LA FÓRMULA MOLECULAR Conocemos sólo el peso molecular. • • En primer lugar debemos saber si la sustancia a estudiar posee algún oligoelemento distinto de C, H, O, N. en cuyo caso procederíamos a restar a dicho peso la masa correspondiente a dichos elementos. Vamos a considerar, sin embargo, que la sustancia no posea ninguno de tales oligoelementos : F, Cl, Br, I, S, P, etc.. o sabemos exactamente el número de ellos. En dicho caso utilizaremos una regla simple conocida como “regla del 13”, consistirá en dividir el peso molecular por 13 y de la observación de dicha operación deduciremos una primera fórmula empírica asignable al hidrocarburo: CcocienteHcociente • • + resto Ejemplo: PM = 128 128/13 = 9; Resto = 11 C11H20 A continuación debemos observar el valor del peso molecular, si dicho valor es par podemos pensar se trata de un producto orgánico que o bien no posee Nitrógeno en su estructura o bien posee un número par de átomos del mismo. Procederemos a continuación a introducir en la fórmula anterior átomos de Oxígeno y/o Nitrógeno de acuerdo con la siguiente premisa: “La introducción de un átomo de Oxígeno implica retirar de la misma CH4, de igual forma la introducción de un átomo de Nitrógeno implica retirar de la misma CH2”, así para el caso considerado anteriormente tendríamos: Sin Nitrógeno: C11H20 + O – CH4 = C10H16O y sucesivamente C9H12O2; C8H8O3; … Con Nitrógeno: Al ser par el peso molecular debe poseer un número par de ellos, por lo que: C11H20 + 2 N – 2 CH2 = C9H16N2, a continuación introduciendo Oxígeno obtendríamos: C9H16N2 + O – CH4 = C8H12N2O y así sucesivamente C7H8N2O2, … La cuestión de cual de esas fórmulas empíricas es la fórmula molecular debemos hacerlo con ayuda de técnicas espectroscópicas como IR, UV, 1H-RMN ó 13C-RMN. Conocemos la distribución isotópica del pico molecular por EM Si el compuesto sólo posee C, H, N, O, F, P y I. La fórmula molecular puede estimarse a partir de las intensidades relativas de los picos de masas M+1 y M+2 respecto de M, cumpliéndose: % (M+1)/M = 1.1 nº C + 0.36 nº N % (M+2)/M = (1.1 nº C)2/200 + 0.20 nº O Con ambas expresiones podemos calcular la fórmula molecular. • • La limitación viene dada por el hecho de que debemos saber el número de oligoelementos presentes y que elementos como Cl, Br, S, Si, etc.. no son monoisotópicos y desvirtuarían las intensidades de ambos picos, por lo que impiden aplicar las fórmulas anteriores. Es necesario observar así mismo la paridad del pico molecular para poder estimar la presencia o ausencia de nitrógeno. 2 2) DETERMINACION DEL INDICE O NÚMERO DE INSATURACIONES. Dicho parámetro nos va a dar una idea bastante aproximada del tipo de producto que estudiamos. Partimos para ello de la fórmula molecular. Para calcular dicho parámetro utilizaremos la expresión: N.I. = {(2 .nº C – nº H + nº N)/2} + 1 • • • • • • Como podemos observar en la expresión no interviene el número de átomos de oxígeno, ni otros oligoelementos. Si en la fórmula aparece S no se considera aunque el número de instauraciones puede desvirtuarse: puede haber más instauraciones pero estas estarán sobre el átomo de azufre. Si hay halógenos se consideraran equivalentes a átomos de hidrogeno Si hay P (fósforo) se considerará equivalente a Nitrógeno pero debemos hacer la misma consideración que para el azufre. Si hubiera Si, se considera equivalente al Carbono. No se consideran otros oligoelementos Ejemplos: Una fórmula molecular de C12H14O4 dará N.I. = (12.2-14)/2 + 1 = 6 Una fórmula molecular de C7H5NO3 dará N.I. = (7.2-5 + 1)/2 + 1 = 6 Una vez obtenido el número de instauraciones debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones: • • • • • Un ciclo equivale a una instauración. Un anillo bencénico o heterociclo aromático hexagonal equivale a 4 insaturaciones: (tres dobles enlaces más un ciclo). Un heterociclo aromático pentagonal equivale a tres instauraciones: (dos dobles enlaces más ciclo). Un triple enlace equivale a dos instauraciones. Un doble enlace equivale a una instauración. 3 3) IDENTIFICACION DE LOS GRUPOS FUNCIONALES Una vez determinado el número de instauraciones debemos buscar a continuación los grupos funcionales presentes en nuestra molécula. Para ello las posibilidades a considerar son muy diversas pero en la mayoría de los casos es suficiente con observar los espectros de UV e IR, principalmente este último. • • • • Los hidrocarburos aromáticos y sus derivados En el IR suelen presentar una distribución característica del tipo de sustitución en la zona de 16002000 cm-1 que suele ser difícil de ver debido a su baja intensidad. En torno a los 700 cm-1 también suelen dar algunas absorciones características. Los grupos carbonilo de aldehidos y cetonas absorven en el IR aproximadamente a 1700 cm-1). Algunas veces podemos asegurarnos del tipo de carbonilo observando el espectro de C-13: mientras que aldehídos y cetonas resuenan en torno a 190-210 ppm, los ácidos y sus derivados lo hacen en torno a 170 ppm. Los grupos hidroxilo (OH) suelen aparecer en el IR en torno a los 3300 cm-1 como una banda ancha e intensa, en el caso de los ácidos carboxílicos dicha banda baja su frecuencia situándose en torno a los 3000 cm-1 englobando la zona de los CH, además la absorción del carbonilo suele ser más ancha de lo habitual. Los grupos amino (NH y NH2) en el caso de alifáticos suele aparecer de una forma similar a los OH comentados con anterioridad en el caso de productos aromáticos y en el de las amidas (R-CONH2), suelen aparecer como dos picos distinguibles para el caso de los primarios (NH2) y como una banda aguda para los secundarios (-NH-). Los aminoácidos suelen dar espectros de IR poco resueltos y con bandas muy anchas. 4) IDENTIFICACION DE SUBESTRUCTURAS Y CONECTIVIDADES EN LA MOLECULA. Una vez determinado el número de instauraciones y los grupos funcionales presentes en nuestra molécula el camino a recorrer se asemeja a la resolución de un rompecabezas, cada persona suele tener o adquirir su propia técnica. Pero no por ello podemos dejar de dar una serie de sugerencias: 4 RMN de C-13 Se observa en primer lugar el espectro de RMN de C-13 y en él principalmente tres factores: • • • El número total de Carbonos diferentes existentes. Su desplazamiento químico ( ). La existencia de subespectros (DEPT, “off resonance”, APT, etc..) RMN de protones A continuación en el espectro de RMN de protones tres son los parámetros a destacar: • • • El desplazamiento químico de las señales ). Las integrales relativas. La multiplicidad de las señales. De ellos podemos deducir algunas características reseñables como: De ellos podemos deducir algunas características reseñables como: • • • • • Del recuento del número total de carbonos podemos deducir la simetría de la molécula o en su caso las relaciones de equivalencia entre algunos grupos. Dividiéndolo en zonas podemos obtener subestructuras: De 160-210 ppm: Grupos carbonilo (CO) De 100-160 ppm: Carbonos sp2 (etilénicos y aromáticos) De 0-100 ppm: Carbonos sp3 (alifáticos) A su vez dependiendo del desplazamiento químico podemos deducir donde se encuentran anclados los grupos funcionales. Del “off resonance” o las intensidades relativas podemos deducir posibles tipos de sustitución en anillos, subestructuras, • • Del desplazamiento químico se deduce principalmente el entorno y tipo de los diferentes tipos de hidrógenos. De las integrales la equivalencia química de los diferentes grupos así como importantes consecuencias sobre la simetría de la molécula. De la multiplicidad de las señales se van a obtener principalmente información sobre la conectividad, relaciones espaciales, subestructuras, estereoquímica, etc.. 5 Espectro de Masas Del espectro de masas nos interesan en particular: • • • Intensidades de los picos y relación m/e de los picos mas intensos Diferencias de masas entre dichos picos. La posible existencia de picos metaestables. De ellos podemos deducir algunas características reseñables como: • • • Las intensidades nos van a indicar la existencia determinadas agrupaciones o subestructuras muy características, por ejemplo los picos de masa 91 (bencilo), 43 (acetilo), 31 (metoxilo), etc... Las diferencias de masas deben de ser lógicas desde el punto de vista químico y de alguna manera nos indican las secuencias y/o conectividades existentes en la molécula La existencia de picos metaestables está asociada a la secuencia de fragmentación de la molécula y nos indican igualmente conectividades en ella. 5) IDENTIFICACION DE LA ESTRUCTURA. Una vez determinado todo lo anterior lo que nos resta es proponer una o varias posibles estructuras isómeras de la molécula y decidir cual de ellas se ajusta más a todos los datos espectroscópicos que poseemos. Para ello volveremos a repasar con cada una de ellas todos y cada uno de los datos espectroscópicos, normalmente en sentido inverso al utilizado para la elección, eligiendo aquella que más se ajuste a ellos. Suele ser de mucha utilidad para ello la utilización de Tablas para la elucidación estructural como las que se recogen en la mayoría de los manuales de problemas de elucidación estructural.2 6) JUSTIFICACIÓN TEORICA DE LOS DATOS ESPECTROSCÓPICOS DE LA MOLÉCULA. Una vez asignada podríamos pasar a justificar todos los datos espectroscópicos de acuerdo con los manuales existentes para cada una de las técnicas. Y si es posible asignar configuraciones o conformaciones a la molécula. 6 Ejemplo 1.: 1) Empezaremos por encontrar la formula molecular, pues no la tenemos. Del espectro de masas obtenemos un pico molecular de relación m/e 72. Aplicaremos la regla del 13, obteniendo: 7 72/13 = 5 Resto = 7 => C5H12 -> + O – CH4 = C4H8O -> + O – CH4= C3H4O2 -> … 2) Número de instauraciones. Para ello deberíamos elegir una de las fórmulas moleculares, se puede hacer de una manera general con la primera de ellas C5H12 NI = 2.5-12/ 2 + 1 = 0, siendo para las siguientes C4H8O NI = 1, C3H4O2 NI = 2, … O bien determinar la verdadera fórmula molecular que podemos elegir viendo que en el espectro UV hay una absorción y por lo tanto debe existir un cromóforo (o lo que es lo mismo un doble enlace = 1 insaturación al menos); en el espectro IR en el que se observa un grupo carbonilo (C=O) (al menos una instauración y un átomo de Oxígeno) o en el espectro de RMN de C-13 en el que se observa la existencia de al menos 4 átomos de Carbono diferentes por lo que la formula sería: C4H8O NI = 1 3) Grupos funcionales presentes. En el espectro de IR se observa la existencia de un grupo carbonilo (C=O). Para ver de que tipo es debemos tener en cuenta que al presentar una absorción a max = 8 280 nm (A = 0.7; = 1 cm; c = 33.3/72.0.01 moles /litro) => = 15) debe tratarse de un aldehído o una cetona. Observando el espectro de RMN de C-13 vemos una señal a 210 ppm que sale como singulete en el “off resonance” indicando que se trata de una cetona. 4) Subestructuras y conectividades. En el espectro de 13 C-RMN aparecen 4 señales diferentes a aproximadamente: 210 (CO), 36 (CH2), 29 (CH3) y 8 ppm (CH3) (la multiplicidad indicada se obtiene del “off resonante”) NOTA: En este caso al ser una molécula tan simple se podría asignar ya una estructura definitiva e inequívoca: BUTANONA: CH3CH2COCH3 Pero esto no es lo normal, por lo que seguiremos el protocolo normal. En el espectro de 1H-RMN observamos tres grupos de señales a : 2.5 (cuadruplete, 2H) 2.1 (singulete, 3H) 1.1 (triplete, 3H) (el número de Hidrógenos se obtiene asignando a la altura total de la integral el valor de 8 Hidrógenos) De ello podemos deducir: El grupo CH2 a 2.5 ppm al salir como cuadruplete implica que se encuentra vecino a un CH3, dicho metilo debe, a su vez, salir como un triplete. La señal del metilo a 2.1ppm debe encontrarse vecina a un carbono cuaternario (sin Hidrógeno), en este caso el C=O. En el espectro de masas observamos 4 picos a m/e: 72 (M+), 57 (M-15), 9 43 (M-29) 29 (M-43) que en vista de la estructura CH3CH2COCH3 podemos asignar respectivamente a los iones: 57 (CH3CH2CO)+ , 43 (CH3CO)+ , 29 (CH3CH2)+ que corresponderían a las roturas de los enlaces del carbono carbonílico de acuerdo con la tercera regla de la fragmentación simple. 4) En vista de todas las pruebas anteriores se asigna al producto la estructura: BUTANONA: CH3CH2COCH3 10 Ejemplo 2.: 1) Empezaremos por encontrar la formula molecular en el espectro de masas: tenemos un pico molecular de relación m/e 122 (35.3, 100%) y nos dan las intensidades de los picos M+1 (3.12, 8.84%) y M+2 (0.23, 0.65%), de dichas intensidades podemos deducir la fórmula molecular suponiendo que por ser M par la molécula no contiene átomos de Nitrógeno: 8.84 = 1.1 . nº C => nº C = 8 11 0.65 = 8.842/200 + 0.20 nºO => nº O = (0.65-0.39)/0.20 = 1.3 luego la fórmula molecular será: C8HxO, donde X = 122-(12·8)-16 = 10; => C8H10O Si lo hubiésemos hecho por la regla del 13 hubieramos obtenido: C9H14 => C8H10O => C7H6O2 … 2) Número de instauraciones. NI = (8.2-10)/2 + 1 = 4 insaturaciones 3) Grupos funcionales presentes. Considerando dicho NI y la fórmula molecular podríamos pensar que se trata de un producto aromático, al no tener el espectro de UV no lo podemos saber a ciencia cierta. Observando el espectro de IR vemos que sí es aromático pues presenta una serie de pequeñas absorciones entre 1600-2000 cm-1, además de una fuerte absorción a 1601.9 cm-1 de los dobles enlaces. Podría tratarse de un producto aromático monosustituido debido a la presencia de las bandas a 753.2 y 691.8 cm-1. Para determinar el tipo de función oxigenada existente en la molécula deberíamos observar el espectro de RMN de C-13, pero no lo tenemos por lo que debemos hacerlo con el espectro de RMN protónica, aunque la única posibilidad es que se trate de un éter, pues no hay más insaturaciones que las debidas al anillo aromático y no se trata de un alcohol. 4) Subestructuras y conectividades. En el espectro de 1H-RMN observamos 12 dos señales en la zona de los protones aromáticos que integran por 5 H: una a 7.4 ppm (triplete, 2H) y otra a 7.0 (multiplete, 3H), una señal a 4.1 ppm (cuadruplete, 2H) y otra a 1.5 ppm (triplete, 3H). El grupo CH2 a 4.1 ppm al tener dicho desplazamiento nos indica que está oxigenado y al salir como cuadruplete implica que se encuentra vecino a un CH3, dicho metilo debe, a su vez, salir como un triplete (señal a 1.5 ppm). Las señales de los Hidrógenos aromáticos algo apantalladas respecto a la referencia del benceno ( = 7.3 ppm) nos indica la existencia como sustituyente en dicho anillo de un grupo electrón-donante (caso del éter), por lo que la estructura debe ser: ETIL-FENIL ETER: C6H5-OCH2CH3 En el espectro de masas observamos sólo 2 picos a m/e: 122 (M+), 94 (M-28), el pico a 94 al ser un pico de masa par procedente de la fragmentación de un molécula de masa par debe corresponder a la perdida de una molécula neutra de masa 28, que debería ser etileno, por lo que dicho ión se formaría a través de una Transposición de McLafferty: 13 Ejemplo 3.: 1) Empezaremos por encontrar la formula molecular en el espectro de masas: Al darnos la masa exacta es como si nos diesen la formula molecular pues la espectrometría de masas de alta resolución permite distinguir entre las distintas fórmulas isomericas.Así en este caso dicha masa corresponde a una fórmula molecular de C5H8O. 14 También si no tenemos una tabla de masas isotópicas1 podemos hacerlo mediante la regla del 13, como en casos anteriores obteniendo como posibles fórmulas: C6H12 —› C5H8O —› C4H4O2 … 2) Número de instauraciones. NI = (5.2-8)/2 + 1 = 2 insaturaciones 3) Grupos funcionales presentes. Considerando dicho NI y la fórmula molecular y al tener el espectro de UV una absorción a 209 nm indicaría que existe conjugación en la molécula; pero como ademas aparece una absorción a 328 nm debe tratarse de una cetona o aldehido insaturado. Dicha suposición se confirma en el IR en el que podemos observar un pico intenso de grupo carbonilo a 1700 cm-1 y otro más débil a 1610 cm-1. Al observar el espectro de RMN de C-13 advertimos una señal a 191 ppm (CH alsalir como duplete) que corresponde a un aldehido Luego se trata de un aldehido -insaturado. 4) Subestructuras y conectividades. En el espectro de C-13 se observan además del pico correspondiente al aldehído a 191 ppm otras cuatro señales a: 160 (CH), 130 (CH), 25 (CH2) y 10 ppm (CH3) por lo que la molécula no posee ninguna simetría (El número de carbonos coincide con el de la fórmula molecular). Los carbonos etilénicos son dos CH, lo que indica que tendremos: -CH=CH-CHO 15 Como no hay más instauraciones que esas dos de la estructura la estructura tiene que ser: CH3CH2-CH=CH-CH=O 2-PENTENAL 5) Justificación de la estructura. En el espectro de 1H-RMN observamos la confirmación de dicha estructura: el protón aldehídico a 9.25 (d, 1H), nos indica que se encuentra vecino a un CH, siendo la 3JH1-H2 7 Hz; las siguientes señales a 6.70(doble triplete, 1H) y 5.82 (doble doble multiplete, 1 H) corresponden a los protones vinílicos H-3 y H-2 respectivamente, siendo la 3JH3-H2 14.7 Hz y la 3JH3-H4 7 Hz, se observa además 3 que existe acoplamiento entre JH2-H4 1.5 Hz; la señal a 2.1 ppm (multiplete, 2H) corresponde al grupo metileno y debería presentar una multiplicidad de doble cuadruplete o quintuplete por estar entre un CH3 y un CH, pero además debe existir el acoplamiento arílico con H-2 por lo que aparecerá como ddc o dq; finalmente la señal a 0.80 (triplete, 3H) corresponde al metilo terminal y saldrá como triplete por estar vecino a un grupo metileno. En el espectro de masas observamos como más significativos los picos a m/e: 84 (M+), 83 (M-1), 55 (M-29) el pico a 83 debe corresponder al ion acilo procedente de la perdida del protón aldehídico, y el pico a 55 puede proceder bien de la perdida de CO del pico anterior, bien de la perdida del radical etilo en el ión molecular. 16 17 Tabla de Absorción de IR Grupo Funcional Absorción Característica(cm-1) Notas Alquil C-H Stretch 2950 - 2850 (m or s) El enlace C-H de los alcanos es muy frecuente y se usa poco para determinar la estructura. Alquenil C-H Stretch Alquenil C=C Stretch 3100 - 3010 (m) 1680 - 1620 (v) Alquinil C-H Stretch Alquinil C=C Stretch ~3300 (s) 2260 - 2100 (v) Aromático C-H Stretch Aromático C-H Bending Aromático C=C Bending ~3030 (v) 860 - 680 (s) 1700 - 1500 (m,m) Alcohol/Fenol O-H Stretch 3550 - 3200 (broad, s) Ácido carboxílico O-H Stretch 3000 - 2500 (broad, v) Un pico de absorción cerca de 3000 cm-1 es frecuentemente producido por una insaturación Las aminas primarias producen dos picos de absorción, las secundarias uno y las terciaras ninguno. Amina N-H Stretch 3500 - 3300 (m) Nitrilo C=N Stretch 2260 - 2220 (m) Aldehido C=O Stretch Cetona C=O Stretch Ester C=O Stretch Ácido Carboxílico C=O Stretch Amida C=O Stretch 1740 - 1690 (s) 1750 - 1680 (s) 1750 - 1735 (s) 1780 - 1710 (s) 1690 - 1630 (s) El pico de absorción de los carnonilos es de los más fuerte absorción en el infrarrojo, y es muy usado en la determinación estructural. Puede emplearse para conocer el número de grupos carbonilo y estimar su tipo. 3700 - 3500 (m) Como las aminas, una amida produce de cero a dos picos de absorción N-H dependiendo del tipo. Amida N-H Stretch 18 1 H-RMN. Desplazamientos químicos característicos de protones para distintos grupos funcionales Función Tipo de protón ciclopropano Alcanos desplazamiento químico (ppm) 0.2 0.9 1.3 1.5 1.5-2.0 acíclico cíclico Alquenos 4.6-5.9 1.8 Alquinos 2-3 Aromáticos Haluros de alquilo Alcoholes Fenoles Éteres Aldehídos Ácidos carboxílicos Aminas alifáticas Aminas aromáticas Amidas Ar-H Ar-CH3 -CH2-X (X= I,Cl, Br) C-O-H H-C-OH Ar-OH -CH2-O- 6-8.5 2.3 3.2-3.5 1-5 3.4-4 4-4.7 3.3-4 -CHO 9-10 H-C-CO 2-2.7 -COOH 10.5-13 R-NH2 1-3 Ar-NH2 3-5 RCONHR 5-9 19 13 C RMN. Desplazamientos químicos característicos de carbono Desplazamientos químicos 220 200 180 160 140 120 100 80 relativos al TMS (ppm) H3C-C- primario 60 40 20 F Cl Br I Cl Br I Br I H3C-SH3C-N H3C-O-H2C-C secundario Ciclopropanos -H2C-S-H2C-N -H2C-O-H2C-Hal >CH-C- terciario >CH-S>CH-N >CH-Hal F C-C cuaternario C-SC-N C-OC-Hal Alquinos C=C=C Alenos C=C Alquenos Aromáticos Heterociclos aromáticos -S-CN -N=C=S Isotiocianatos -O-CN -N=C=O -CN -NC >C=N- Azometinos (-CO)2O Anhidridos -COOR -CONHR -(CO)2NR Imidas -COOH -COCl -CHO >C=O 20 0 -20