New การหาสูตรโครงสร้างของ...

transcript

บทท 8 การหาสตรโครงสรางของสารอนทรยดวยหลายเทคนค

ทางสเปกโทรสโกปรวมกน

การพสจนโครงสรางสารอนทรยโดยใชเทคนคตาง ๆ ทางสเปกโทรสโกป โดยแตละเทคนคจะใหขอมลแตกตางกน กลาวคอ เทคนคยวและวซเบลสเปกโทรสโกป บอกสวนโครงสรางทมพนธะคและ หมคารบอนลมระบบสงยค และวงเบนซน เทคนคอนฟราเรดสเปกโทรสโกป บอกหมท าหนาท เชน C C , C N , OH และ C=O เปนตน เทคนคโปรตอนนวเคลยรแมกนทกเรโซแนนซ บอกจ านวนอะตอมไฮโดรเจนในโครงสราง เทคนคอะตอมคารบอน-13 นวเคลยรแมกนทกเรโซแนนซ บอกจ านวนและชนดอะตอมคารบอน และเทคนคแมสสเปกโทรมตร บอกมวลโมเลกล จ านวนอะตอมไนโตรเจนตามกฎไนโตรเจน และพกไอโซโทปท m/z [M] และ [M+2] มความเขมในอตราสวน 3:1 และ 1:1 ของอะตอมคลอรนและโบรมน ตามล าดบ กรณสตรโครงสรางทซบซอนอาจจ าเปนตองใชเทคนคนวเคลยรแมกนทกเรโซแนนซแบบ 2 มต ดวย ส าหรบตวอยางโจทยและแบบฝกหดทบทวนในบทนจะเปนโครงสรางทซบซอนไมมาก ทงนเพอใชเปนแนวทางใหเกดความเขาใจและความช านาญจนกลายเปนทกษะในการหาสตรโครงสรางทซบซอนมากขน

ขนตอนการหาสตรโครงสรางของสารอนทรย

การหาสตรโครงสรางของสารอนทรยทตองอาศยหลายเทคนคทางสเปกโทรสโกปรวมกนนน การแปลความหมายของขอมลจากสเปกตรมตาง ๆ ไมมขนตอนทแนนอน ขนอยกบความช านาญแตละบคคล อยางไรกตาม ขอมลทงหมดทไดจากทกสเปกตรมตองมความสอดคลองกน

ส าหรบผเรมตนการหาสตรโครงสรางควรเรมตนฝกจากโจทยททราบสตรโมเลกล โดยมขนตอนคราว ๆ ดงน

1. ค านวณสมมลพนธะค (DBE) จากสมการ (8.1) สามารถทบทวนไดในบทท 1

(8.1) โดยท C คอ จ านวนอะตอมคารบอน X คอ จ านวนธาตหม VIIA H คอ จ านวนอะตอมไฮโดรเจน N คอ จ านวนอะตอมไนโตรเจน

ประโยชนของการค านวณ DBE จะท าใหทราบระดบขนความไมอมตวของโครงสรางท มพนธะไพหรอเปนวง ดงน

โครงสรางประกอบดวย 1 พนธะค (1 พนธะไพ) หรอ 1 วง ม DBE เทากบ 1 โครงสรางประกอบดวย 1 พนธะสาม ม DBE เทากบ 2 2. พจารณาขอมลจากสเปกตรมยว คอ โครมอฟอรในโครงสราง โดยเฉพาะพอลอนสงยค (max

>200 นาโนเมตร) แอลไคนสงยค (max 200-400 นาโนเมตร) สารประกอบคารบอนล (max 170-205 นาโนเมตร) สารประกอบแอลฟา,บตา-คารบอนลไมอมตว (max >200 นาโนเมตร) และเบนซน (max 203.5 และ 254 นาโนเมตร) ซงบางครงหาสตรโครงสรางอาจไมจ าเปนตองดขอมลจากสเปกตรมยวกได

3. พจารณาขอมลจากสเปกตรมอนฟาเรด คอ หมท าหนาท ซงจ าเปนอยางมากเพอท าใหหาโครงสรางไดงายมากขน โดยสวนใหญจะพจารณาแถบดดกลนความถเฉพาะการสนแบบยด ดงน

1) ชวง 3,200-3,500 cm-1 ของพนธะ O-H พนธะ N-H และพนธะ C H 2) ชวงใกล 3,000-3,100 cm-1 ของพนธะ =C-H (ไวนลโปรตอน) โดยทชวง 1,667-

2,000 cm-1 ถามลายบงชปรากฏจะแสดงถงโครงสรางมวงเบนซน ซงจะสามารถบอกจ านวนและรปแบบการแทนทบนเบนซนได แตถาไมมลายบงชแสดงถงโครงสรางมพนธะคทมไวนลโปรตอน (=CH) เทานน

3) ชวง 2,100-2,260 cm-1 ของพนธะ C C และพนธะ C N 4) ชวง 1,650-1,850 cm-1 ของพนธะ C=O ซงพจารณาความถเฉพาะของพนธะ C=O

รวมกบ DBE และขอมลสเปกตรมยว เพอหาประเภทของสารประกอบคารบอนล เชน แอลดไฮด คโทน เอสเทอร แอไมด และกรดคารบอกซลก เปนตน

5) ชวง 1,000-1,300 cm-1 ของพนธะ C-O 6) เมอพจารณาตามขอ 1) – 5) แลว ไมปรากฏแถบดดกลน สตรโครงสรางของสารอนทรย

อาจเปนสารประกอบแฮโลเจน ซงตองยนยนขอมลจากสเปกตรมแมส นอกจากน ถาแถบดดกลนความถของการสนแบบงอปรากฏลายบงชชดเจน เชน ชวง

650-1,000 cm-1 ความเขมสง จะใชบอกจ านวนหมแทนทบนพนธะค รวมทงซส- หรอทรานส- เปนตน 4. พจารณาขอมลจากสเปกตรม 1H NMR ดงน

1) จ านวนสญญาณ จะแสดงถงโปรตอนไมสมมลหรอทมสงแวดลอมทางแมเหลกและ/หรอทางเคมไมเหมอนกน

2) อนทกรล ไดจากพนทใตพกของแตละสญญาณในสเปกตรม 1H NMR ซงอตราสวน อนทกรลจะบอกถงอตราสวนอยางต าของโปรตอนไมสมมล ดงนน ถาอตราสวนอนทกรลไมเทากบจ านวนอะตอมไฮโดรเจนในสตรโมเลกล ตองคณดวยตวเลขเพอท าใหเทากน ซงจะไดจ านวนโปรตอน ทแทจรงของแตละสญญาณ

3) คาการเลอนทางเคม ( (ppm)) หรอความถเรโซแนนซ โดยโปรตอนทถกก าบงมากจะปรากฏสญญาณทความถเรโซแนนซหรอคาการเลอนทางเคมนอยกวา ซงคาการเลอนทางเคมจะใชในการพสจนยนยนโครงสรางได โดยเฉพาะโครงสรางทมหลายไอโซเมอร

4) การคควบระหวางสปนกบสปนหรอการแยกเปนกลมพกเปนไปตามกฎ N+1 โดยท N คอ จ านวนโปรตอนบนอะตอมคารบอนทตดกนหรอหางกนไมเกน 3 พนธะ เชน สญญาณ doublet (d) มความเขมสมพทธ เทากบ 1:1 แสดงวา โปรตอนทตดกนมจ านวน 1 ตว (N=1) เปนตน

5) คาคงตวการคควบ (J (Hz)) ส าหรบบางโครงสรางจ าเปนตองพจารณาคาคงตวการคควบ โดยโปรตอนทคควบกนจะมคา J (Hz) เทากน เชน

(Hz) 6-8 7-11 12-18

(Hz) 0-5

cis- trans-

HH = 6-10 Hz 4J

HH = 1-3 Hz 5J

HH = 0-1 Hz

Ho- m- p-

5. พจารณาขอมลจากสเปกตรม 13C NMR โปรตอนไมถกคควบรวมกบสเปกตรม DEPT 90 และ DEPT 135 จะทราบชนดและจ านวนอะตอมคารบอน ไดแก C, CH, CH2 และ CH3 ขอควรระวง คอ อะตอมคารบอนสมมลจะมคา C (ppm) เทากน ท าใหจ านวนอะตอมคารบอนในสเปกตรม 13C NMR นอยกวาจ านวนอะตอมคารบอนในสตรโมเลกล

6. พจารณาขอมลจากสเปกตรมแมส คอ ทพกไอออนโมเลกล ([M]) จะทราบมวลโมเลกล ถาท m/z เปนเลขค สตรโมเลกลประกอบดวยอะตอมไนโตรเจนเปนเลขค (N = 1, 3, 5, …) และพกไอโซโทปท m/z [M] และ [M+2] มความเขมในอตราสวน 3:1 และ 1:1 สตรโมเลกลประกอบดวยอะตอมคลอรนและโบรมน ตามล าดบ นอกจากน รปแบบการแตกเปนชนสวนซงเปนลกษณะเฉพาะของแตละประเภทของสารอนทรยจะตองสอดคลองกบโครงสรางทได

7. น าหนวยโครงสรางทไดจากขอมลสเปกตรมตาง ๆ มาเขยนสตรโครงสรางหรอไอโซเมอรทงหมดทเปนไปได ทงนสตรโครงสรางทไดควรยนยนอกครงดวยสเปกตรม 1H NMR หรอสเปกตรมแมส

ส าหรบการหาสตรโครงสรางทไมทราบสตรโมเลกล นอกจากพจารณาขอมลเหมอนกบขางตนแลว อาจตองใชขอมลอนรวมดวย ดงน

1. ผลเชงนวเคลยรโอเวอรเฮาเซอร (NOE) ใน 1H NMR โดยใหรงสคลนความถวทยแกโปรตอนเฉพาะตวเทานน สงเกตวาสญญาณของโปรตอนนนหายไป และโปรตอนใกลเคยงกนหรอทเกดอนตรกรยากนผานชองวางจะมรอยละความเขมสญญาณเพมขน

2. เทคนคนวเคลยรแมกนทกเรโซแนนซแบบ 2 มต ดงน 1.1 ความสมพนธระหวางโปรตอนกบโปรตอน ปกตนยมใชเทคนคโคซ ไดแก H-H COSY

(3JHH) ทราบโปรตอนบนอะตอมคารบอนทตดกน และเทคนค H-H COSY-LR (3-4JHH) ทราบการคควบระหวางโปรตอนกบโปรตอนชวงไกล นอกจากน ยงม เทคนคการแยกคาคงตวการคควบระหวางโปรตอนกบโปรตอน (2-3JHH) ทราบคาคงตวการคควบ H-H เทคนค TOCSY ทราบการคควบระหวางโปรตอนกบโปรตอนทงหมดในโครงสรางในระบบสปนเดยวกน สวนเทคนค NOESY และ ROESY ทราบความสมพนธระหวางโปรตอนกบโปรตอนทเกดอนตรกรยากน

1.2 ความสมพนธระหวางอะตอมคารบอนกบคารบอน ไดแก เทคนค INADEQUATE (1JCC) ทราบขอมลอะตอมคารบอนทตดกน

1.3 ความสมพนธระหวางโปรตอนกบอะตอมคารบอน ไดแก เทคนคการแยกคาคงตว การคควบระหวางโปรตอนกบอะตอมคารบอน (1JCC) ทราบคาคงตวการคควบ C-H เทคนค HETCOR, C-H COSY, HSQC และ HMQC เกดผาน 1 พนธะ เชนเดยวกน (1JCH) ทราบโปรตอนบนอะตอมคารบอน สวนเทคนค HMBC จะเกดผานพนธะมากกวา 1 พนธะ (2-3JCH)

ตวอยางการหาสตรโครงสรางดวยหลายเทคนคทางสเปกโทรสโกปรวมกน

การหาสตรโครงสรางของสารอนทรยทตองอาศยขอมลทางสเปกโทรสโกปตาง ๆ รวมกน ตวอยางดงน

ตวอยาง 8.1 จงหาโครงสรางสาร A มลกษณะเปนของเหลวไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสด >205 นาโนเมตร สเปกตรมแมสท m/z (%) 101 (3.8), 86 (41.8), 44 (100)

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,000 500

3,0004,000

ภาพท 8.1 สเปกตรมอนฟาเรดของสาร A ทมา (Chemical Book, 2017m)

3.5 3.0 2.02.5 1.5 1.04.0 0.5 0 (ppm)

ภาพท 8.2 สเปกตรม 1H NMR ของสาร A ทมา (University of Colorado., n.d.)

จากขอมลสเปกตรมแมส ปรากฏสญญาณท m/z 101 นาจะเปนพกไอออนโมเลกล [M] สาร A มมวลโมเลกลของ เปนเลขค แสดงวา สาร A เปนสารประกอบทมอะตอมไนโตรเจน เทากบ 1 อะตอม ไดแก ไนไทรล แอมน หรอแอไมด

จากขอมลอนฟาเรด (ภาพท 8.1) พบแถบดดกลนในชวง 3,300-3,500 cm-1 (ความเขมปานกลางและพกแหลม) ของพนธะ N-H (แบบยด) แตไมมการสนแบบยดของ C=O ( 1,640-1,690

cm-1) แสดงวา สาร A เปนแอมน ซงถาพจารณาขอมลจากสเปกตรมอนฟาเรดอยางเดยว อาจสรปไดวา สาร A เปนแอมนปฐมภม (R-NH2) แตโครงสรางจะไมสอดคลองกบขอมลทไดจากสเปกตรม 1H NMR ตองพจารณาตอไป จากขอมลสเปกตรม 1H NMR (ภาพท 8.2) ไมแสดงอนทกรล แตปรากฏ 2 สญญาณ แสดงวาโครงสรางมโปรตอนไมสมมลทงหมด เทากบ 2 ตว ปรากฏสญญาณท (ppm) 1.05 (doublet) และ 2.91 (septet) โดยกลมพกท (ppm) 2.91 มความเขมสมพทธ เทากบ 1 : 6 : 15 : 20 : 25 : 6 : 1 จะแสดงวา มหนวยโครงสราง คอ ไอโซโพรพล (-CH(CH3)2) เขยนโครงสรางสาร A คอ (CH3)2-CH-NH2 มมวลโมเลกล เทากบ 58 ซงไมตรงกบ [M] ท m/z 101 โครงสรางสาร A จงไมใชแอมนปฐมภม เมอพจารณาสเปกตรมอนฟาเรดอกครง หมท าหนาทของสาร A ควรจะเปน -NH- โดยมหมแอลคลทงสองหมเหมอนกน นนคอ -CH(CH3)2)

สรป โครงสรางสาร A คอ ไดไอโซโพรพลแอมน (Diisopropyl amine) มมวลโมเลกล เทากบ 101

โครงสรางสาร A ยนยนดวยการแตกเปนชนสวนท m/z (%) 101 [M] (3.8), 86 (41.8), 44 (100) ดงน

m/z 101 m/z 86

m/z 44

ตวอยางท 8.2 จงหาโครงสรางสาร B ปรากฏไอออนโมเลกลท m/z 72

02,000 1,500 1,000 500

3,0004,000

wavenumber (cm-1)

ภาพท 8.3 สเปกตรมอนฟาเรดของสาร B ทมา (Hunt, 2020b)

b un d

a nc e

20 6050 90700

ภาพท 8.4 สเปกตรมแมสของสาร B ทมา (eBiochemicals, n.d. c)

(ppm)10 8 46 2 0

2.5 2.4 2.3

1.8 1.7

1.1 1.0

ภาพท 8.5 สเปกตรม 1H NMR ของสาร B

ทมา (The University of Wisconsin, 2017)

จากขอมลสเปกตรมอนฟาเรด (ภาพท 8.3) ปรากฏการสนแบบยดของพนธะ C=O ( 1,713 cm-1) และการสนแบบยดของพนธะ C-H ของหม CHO ทงแบบสมมาตรท 2,725 cm-1 และแบบไมสมมาตรท 2,827 cm-1 แสดงวา สาร B เปนแอลดไฮด (R-CHO)

พจารณาสเปกตรมแมส (ภาพท 8.4) สาร B มมวลโมเลกล เทากบ 72 โดยหมแอลคลจะมมวล [M-CHO] เทากบ 43 นนคอ หมโพรพล (C3H8) เขยนโครงสรางได 2 ไอไซเมอร ไดแก –CH2CH2CH3 หรอ –CH(CH3)2 ความนาจะเปนของโครงสรางสาร B ดงน

(1) (2)

4 1 2 3

เมอพจารณาสเปกตรม 1H NMR (ภาพท 8.5) โปรตอนแอลดไฮดปรากฏสญญาณท (ppm)

9.76 และหมโพรพล (-CH2CH2CH3) ปรากฏ 3 สญญาณท (ppm) 0.97 (3H, t, CH3CH2CH2), 1.64 (2H, sextet, CH3CH2CH2) และ 2.37 (2H, dt, CH2CH2CHO) ซงถาหมโพรพล คอ –CH(CH3)2 จะตองปรากฏ 2 สญญาณ โดยแยกเปนกลมพก เทากบ 2 และ 7 พก

สงเกตไดวาโปรตอนแอลดไฮดปรากฏสญญาณท (ppm) 9.76 สญญาณแยกเปน doublet (d) เนองจากเกดคควบวซนลกบโปรตอนของ CH2 ทตดกบหมคารบอนล ดงน

(2.37, dt) (9.76, d)

สรป โครงสรางสาร B คอ บวไทแรลดไฮด

โครงสรางสาร B ยนยนดวยการแตกเปนชนสวนท m/z (%) 72 [M] (54), 71 (5), 44 (100),

43 (75), 29 (53) ดงน

+ CH3CH

+ H-C O

m/z 72

m/z 29

m/z 71

m/z 43

m/z 44

ตวอยางท 8.3 จงหาโครงสรางสาร C สเปกตรมอนฟาเรดปรากฏท 1,728 และ 1,117 cm-1 และสเปกตรม 1H NMR ปรากฏสญญาณท (ppm) 5.8 (d) มคาคงตวการคควบ เทากบ 13.2 เฮรตซ

3 2 146 5 07 (ppm)

ภาพท 8.6 สเปกตรม 1H NMR ของสาร C ทมา (Crasto, 2017)

13C NMR

160 140 120180 100 80 60 40 20

DEPT 90

DEPT 135

0 (ppm)

ภาพท 8.7 สเปกตรม 13C NMR DEPT 90 และ 135 ของสาร C ทมา (Crasto, 2017)

246 08 (ppm)

8COSY (3-4J

246 08 (ppm)

HETCOR

ภาพท 8.8 สเปกตรม COSY (3JHH) และ HETCOR ของสาร C ทมา (Crasto, 2017)

จากขอมลสเปกตรม 13C NMR (ภาพท 8.7) ปรากฏ 6 สญญาณ แสดงวา สาร C มอะตอมคารบอน เทากบ 6 อะตอม และทราบชนดอะตอมคารบอนจากสเปกตรม DEPT (ภาพท 8.7) ท C (ppm) 14.2 (CH3), 18.6 (CH3), 61.4 (CH2), 122.6 (CH), 144.4 (CH) และ 166.5 (C) ซงสญญาณท C (ppm) 166.5 จะเปนของอะตอมคารบอนของเอสเทอร (-COO-) ซงสอดคลองกบขอมลสเปกตรมอนฟาเรดปรากฏแถบดดกลนท 1,728 และ 1,117 cm-1 ของความถการสนแบบยดของพนธะ C=O และ C-O ตามล าดบ ดงนน สาร C จะมสตรโมเลกล เทากบ C6H10O2 เมอน า C (ppm) 14.2 (CH3), 18.6 (CH3), 61.4 (CH2), 122.6 (CH) และ 144.4 (CH) มาพจารณาในสเปกตรม HETCOR (ภาพท 8.8) ท าใหทราบแตละสญญาณของชนดโปรตอน คอ (ppm) 1.3 (3H, CH3), 1.7 (3H, CH3), 4.2 (2H, CH2), 5.8 (1H, CH) และ 6.9 (1H, CH)

การวเคราะหสเปกตรม HETCOR ดงน

246 08 (ppm)

HETCOR

CH CHCH2

CH3CH3

จากขอมลสเปกตรม 1H NMR (ภาพท 8.6) ท (ppm) 5.8 (1H) และ 6.9 (1H) จะเปนสญญาณของไวนลโปรตอน (=C-H) ซงโปรตอนทงสองอยบนอะตอมคารบอนทตดกน เกดการคควบกนซงยนยนไดจากสเปกตรม COSY (3-4JHH) (ภาพท 8.8) สญญาณแยกเปน doubelt มคาคงตวการคควบเทากน (J = 13.2 Hz) แสดงวา พนธะคเปนทรานส- เชนเดยวกบสญญาณท (ppm) 1.3 (3H, t) และ 4.2 (2H, q) โปรตอนทงสองเกดการคควบวซนล (3JHH) ยนยนวาโครงสรางมหมเอทล โดยโปรตอน CH2 ถกก าบงนอยกวา นนคอ CH3CH2O-

ค านวณ DBE = [2(C) + 2 – X – H + N]/2 = [2(6) + 2 – 0 – 10 + 0]/2 = 2 (หมายถง C=O ของเอสเทอร และ C=C)

การวเคราะหสเปกตรม COSY (3-4JHH) ดงน

246 08 (ppm)

CH CHCH2 CH3

e d b f a

สวนโครงสรางทวเคราะหไดจากขอมลตาง ๆ ดงน

H-C-O-O

สรป โครงสรางสาร C คอ เอทล-2-บวทโนเอต (Ethyl-2-butenoate)

ตวอยางท 8.4 ก าหนดสเปกตรมตาง ๆ จงหาโครงสรางสาร D

7030 40

i ve a

10060 11080 900

Mass EI

7030 40

10060 11080 900

Mass CI

[M+29 (C2H

5)] [M+41 (C

ภาพท 8.9 สเปกตรมแมสเทคนค EI และ CI ของสาร D ทมา (eBiochemicals, n.d. d)

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,000 5004,000

ภาพท 8.10 สเปกตรมอนฟาเรดของสาร D ทมา (Chemical Book, 2017n)

(ppm)3.8 3.6 3.23.4 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8

1H NMR

13C NMR

85 80 7075 65 60 55 50 45 40

solvent

35 30 25 20 15 10

DEPT 90

DEPT 135

ภาพท 8.11 สเปกตรม 1H NMR และ DEPT ของสาร D ทมา (Hanhong, n.d. c)

ขอมลจากสเปกตรมแมสเทคนค CI (ภาพท 8.9) ปรากฏพก [M+1] ท m/z 71 แสดงวาสาร D นาจะมมวลโมเลกล เทากบ 70 ยนยนจากสเปกตรมแมสเทคนค EI (ภาพท 8.9) ปรากฏพกท m/z 70 เชนเดยวกน นอกจากน สเปกตรมแมสเทคนค EI ยงพบพกท m/z 55 ซงเกดจากหม -CH2 หลดจากไอออนท m/z 69

ขอมลจากสเปกตรมอนฟาเรด (ภาพท 8.10) ปรากฏท 3,350 cm-1 ของพนธะ O-H (แบบยด) และท 1,049 cm-1 ของพนธะ C-O (แบบยด) และท 2,117 cm-1 ของพนธะ C C (แบบยด) ซงชวง 3,200-3,600 cm-1 ทมลกษณะสเปกตรมกวางของพนธะ O-H จะเกดพกแหลมปรากฏท 3,294 cm-1 ของพนธะ C CH (แบบยด) แสดงวา สาร D เปนแอลกอฮอลไมอมตว (ทมพนธะสามตรงปลายโซ) ขอมลจากสเปกตรม 1H NMR (ภาพท 8.11) อตราสวนอนทกรล เทากบ 2 (t) : 1 (s) : 2 (dt) : 1 (t) แสดงวาสาร D มอะตอมไฮโดรเจน เทากบ 6 อะตอม เมอพจารณารวมกบสเปกตรม 13C NMR และ DEPT (ภาพท 8.11) ยนยนวามอะตอมคารบอน เทากบ 4 อะตอม ไดแก CH, 2xCH2 และ C ขอมลอนๆ จากจากสเปกตรม 1H NMR ดงน ท (ppm) 3.59 (2H, t) เปนสญญาณของ CH2 ซงโปรตอนถกก าบงนอยทสดและคควบวซนล (3JHH) กบ CH2 ดงนน หนวยโครงสราง คอ -CH2-CH2-O- สวนสญญาณท (ppm) 2.32 (2H) เปนของ -CH2-CH2-OH ซงถาโปรตอนจะคควบ (3JHH) กบ CH2 สญญาณจะตองเปน triplet (t) แตปรากฏวาสญญาณเปนดบเบลตออฟทรปเลต (dt) แสดงวา จะเกดการคควบชวงไกลกบ C CH ดวยเชนเดยวกน ดงน

CH2-CH

2-OHH(1.93, t)

(2.32, dt)

สญญาณท (ppm) 1.93 (1H, t) เปนสญญาณของ C CH เนองจากโปรตอนคควบชวงไกลผานพนธะสามกบ CH2

สญญาณท (ppm) 2.68 (1H, s) เปนสญญาณของ -CH2-CH2-OH

ดงนน จากขอมลทงหมด สาร D มมวลโมเลกล เทากบ 70 และสตรโมเลกล คอ C4H6O ค านวณ DBE = [2(C) + 2 – X – H + N]/2 = [2(4) + 2 – 0 – 6 + 0]/2 = 2 (มพนธะสาม 1 พนธะ)

สรป โครงสรางสาร D คอ 3-บวไทน-1-ออล (3-Butyn-1-ol)

ตวอยาง 8.5 จงหาโครงสรางสาร X พบอะตอมคารบอนรอยละ 80 และไฮโดรเจนรอยละ 9.33

i ve a

012080

6050 907040 110100 150130

39 51 77

ภาพท 8.12 สเปกตรมแมสเทคนค EI ของสาร X ทมา (Rege, 2020)

0wavenumber (cm-1)2,000 1,0004,000 3,000

1,620 945

ภาพท 8.13 สเปกตรมอนฟาเรดของสาร X ทมา (Chemical Book, 2017o)

(ppm)6 5 34 2 17

600 MHz

ภาพท 8.14 สเปกตรม 1H NMR ของสาร X ทมา (Chegg, 2020)

13C NMR, in CDCl3

150 140 120130 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20

DEPT 90

DEPT 135

ภาพท 8.15 สเปกตรม 13C NMR และ DEPT ของสาร X ทมา (Chemical Book, 2017p)

(ppm)6 5 34 2 17

COSY (3-4JHH)

ภาพท 8.16 สเปกตรม COSY ของสาร X ทมา (Silverstein, Webster & Kiemle, 2005a)

HMQC, in CDCl3

ภาพท 8.17 สเปกตรม HMQC ของสาร X ทมา (Silverstein, Webster & Kiemle, 2005b)

HMBC (2-3JCH

ภาพท 8.18 สเปกตรม HMBC ของสาร X ทมา (Silverstein, Webster & Kiemle, 2005c)

จากขอมลสเปกตรมแมส สาร X มมวลโมเลกล เทากบ 150 โครงสรางประกอบดวยอะตอมคารบอน ไฮโดรเจน และออกซเจน หาสตรโมเลกล ดงน

%C = 80, %H = 9.33, %O = 100 – (80 + 9.33) = 10.67 หาสตรโมเลกล C : H : O = 80/12 : 9.33/1 : 10.67/16 = 6.67 : 9.33 : 0.67 (0.67 หารตลอด) = 9.96 : 13.93 : 1 (ปดทศนยมเปนเลขจ านวนเตม) = 10 : 14 : 1 ดงนน สาร D มสตรโมเลกล เทากบ C10H14O และมวลโมเลกล เทากบ 150 ค านวณ DBE = [2(C) + 2 – X – H + N]/2 = [(2x10) + 2 - 0 -14 +0]/2 = 4 จาก DBE เทากบ 4 โครงสรางสาร X นาจะมวงเบนซน ยนยนไดจากสเปกตรมแมส ท m/z 77

และ 91 (ภาพท 8.12) และสเปกตรมอนฟาเรด (ภาพท 8.13) มแถบดดกลนในชวงความถเกนท 1,600-2,000 cm-1 และ =C-H (แบบงอ) ตงฉากกบระนาบท 600-1,000 cm-1 นอกจากน ปรากฏ พกกวางและความเขมสงท 3,464 cm-1 ของพนธะ O-H (แบบยด)

จากขอมลสเปกตรม 1H NMR (ภาพท 8.14) มโปรตอนไมสมมล จ านวน 7 โปรตอน มอตราสวนอนทกรล เทากบ 1 : 1 : 1 : 1: 1 : 3 : 6 สอดคลองกบสตรโมเลกล คอ C10H14O แสดงวา อนทกรลคอจ านวนอะตอมไฮโดรเจนทงหมดในโครงสราง ปรากฏท (ppm) 1.27 (6H, d, -CH(CH3)2) และ 3.18 (1H, septet, -CH(CH3)2) เปนของหมไอโซโพรพล (-CH(CH3)2) และท (ppm) 6.58 (1H, s), 6.75 (1H, d), 7.10 (1H, d) จะเปนสญญาณของโปรตอนของวงเบนซนทมหมแทนท 3 หม เมอพจารณาสญญาณท (ppm) 6.75 (d) และ 7.10 (d) มคาคงตวการคควบเทากน (J = 8 Hz) แสดงวา โปรตอนเกดการคควบแบบออรโท- และท (ppm) 6.58 (s) แสดงวาโปรตอนไมเกดการคควบ สวนสญญาณอน ดงน (ppm) 2.28 (3H, s, CH3) และ 4.64 (1H, s, OH)

จากขอมลสเปกตรม 13C NMR และ DEPT (ภาพท 8.15) จะใชยนยนรปแบบการแทนท 3 หม บนวงเบนซน โดยสญญาณท C (ppm) 77 เปนตวท าละลาย คอ CDCl3 และท C (ppm) 110-160 เปนของอะตอมคารบอนวงเบนซน ปรากฏ 6 สญญาณ จาก DEPT 90 ท าใหทราบชนดอะตอมคารบอน คอ 3xCH เมอพจารณาสเปกตรม 13C NMR จะปรากฏสญญาณเพยง 9 พก แตสาร D มสตรโมเลกล เทากบ C10H14O แสดงวาท C (ppm) 23 จะเปนของหม 2xCH3 ของหมไอโซโพรพล ยนยนไดจากสเปกตรม HMQC (1JCH) (ภาพท 8.17) ดงนน อะตอมคารบอนทงหมด เทากบ 10 อะตอม โดยสงเกต

สญญาณท C (ppm) 153 (C) ถกก าบงนอยทสด แสดงวา อะตอมคารบอนสธาตของวงเบนซนจะอยใกลกบหม OH

การวเคราะหสเปกตรม HMQC (1JCH) ดงน

CH2xCH

3xCH of Ar

3xC of Ar

ดงนน สาร X มสตรโมเลกล เทากบ C10H14O เปนสารประกอบแอโรแมตกแทนท 3 หม ไดแก

OH, CH3 และ -CH(CH3)2 ดงน

(d)(d)

-OH -CHCH

พจารณาโปรตอนบนวงเบนซนทง 3 โปรตอน ปรากฏสญญาณท (ppm) 6.58 (1H, s), 6.75

(1H, d), 7.10 (1H, d) ซงสญญาณท (ppm) 6.58 (1H, s) โปรตอนถกก าบงมากทสด แสดงวา โปรตอนอยต าแหนงออรโท- กบหม OH และท (ppm) 6.75 (1H, d) โปรตอนถกก าบงรองลงมา แสดงวา โปรตอนอยต าแหนงพารา- กบหม OH อธบายเหตผลจากผลเรโซแนนซ ดงนน โครงสรางสาร X ทนาจะเปนไปได ดงน

7.10 (d)

6.75 (d)

6.58 (s)H3C

(1) (2)

7.10 (d)6.75 (d)

6.58 (s)12

จากสเปกตรม COSY (3-4JHH) (ภาพท 8.16) ท (ppm) 2.28 (3H, s) หมเมทลเกดการคควบชวงไกล (4JHH) กบโปรตอน H-4 และ H-6 แสดงวา โครงสรางนาจะเปน (1) แตนาสงเกตวา โปรตอน CH ของหมไอโซโพรพลไมไดเกดการคควบชวงไกล (4JHH) กบโปรตอน H-3 เปนไปไดวาสญญาณแยกเปนกลมพกหลายพก ท าใหปรากฏพกขามคอนขางยาก นอกจากน เกดการคควบแบบเมทา - (4JHH) ระหวางโปรตอน H-4 กบ H-6 และการคควบแบบออรโท- (3JHH) ระหวางโปรตอน H-3 กบ H-4

การวเคราะหขอมลสเปกตรม COSY (3-4JHH) ดงน

(ppm)6 5 34 2 17

COSY (3-4JHH)

4 6 OHCH

CH32xCH3

โครงสรางสาร X นาจะเปน (1) ยนยนจากสเปกตรม HMBC (2-3JCH) (ภาพท 8.18) โดย

พจารณาจากโปรตอน CH ของหมไอโซโพรพล ซงในสเปกตรม COSY ไมปรากฏการคควบชวงไกล (4JHH) กบโปรตอน H-3 แตส าหรบสเปกตรม HMBC (2-3JCH) จะเหนการคควบ ไดแก C-8, 9 (2J), C-2 (2J), C-3 (3J) และ C-1 (3J) นอกจากน เหนความสมพนธระหวางโปรตอนของหม CH3 กบอะตอมคารบอน C-6 (3J), C-4 (3J) และ C-5 (2J)

การวเคราะหสเปกตรม HMBC (2-3JCH) ดงน

HMBC (2-3JCH

3 4 6OH

710 8, 9

108, 9

ดงนน โครงสรางสาร X คอ ไทมอล (Thymol)

โครงสรางยนยนดวยสเปกตรมแมส ดงน

i ve a

012080

6050 907040 110100 150130

150 [M]

39 51 77

บทสรป

การหาโครงสรางสารอนทรยจ าเปนตองอาศยขอมลจากหลายเทคนคทางสเปกโทรสโกปรวมกน ไดแก

1. สเปกตรมยวทราบโครมอฟอรในสตรโครงสราง โดยเฉพาะพอลอนสงยค แอลไคนสงยค สารประกอบแอลฟา,บตา-คารบอนลไมอมตว และเบนซน สเปกตรมอนฟาเรดทราบหมท าหนาท ซงจะท าใหหาโครงสรางไดงายขน โดยสวนใหญจะพจารณาแถบดดกลนความถเฉพาะการสนแบบยด

2. สเปกตรม 1H NMR ทราบจ านวนโปรตอนไมสมมลจากอนทกรล ซงอตราสวนอนทกรลจะบอกถงอตราสวนอยางต าของโปรตอนทไมสมมล ดงนน ถาอนทกรลไมเทากบจ านวนอะตอมไฮโดรเจนในสตรโมเลกล ตองคณดวยตวเลขเพอท าใหมคาเทากน ซงจะไดจ านวนโปรตอนทแทจรงของแตละสญญาณ โดยโปรตอนไมสมมลจะเกดการคควบระหวางสปนกบสปนหรอการแยกเปนกลมพกตามกฎ N+1 โดยท N คอ จ านวนโปรตอนบนอะตอมคารบอนทตดกนหรอหางกนไมเกน 3 พนธะ ถาโปรตอนทคควบกนจะมคา J (Hz) เทากน และโปรตอนทถกก าบงมากจะปรากฏสญญาณทความถ เรโซแนนซหรอคาการเลอนทางเคม ( (ppm)) นอยกวา

3. สเปกตรม 13C NMR ทราบชนดและจ านวนอะตอมคารบอน ไดแก C, CH, CH2 และ CH3 4. สเปกตรมแมส ทราบมวลโมเลกลจากพกไอออนโมเลกล ([M]) มขอสงเกต คอ ท m/z เปน

เลขค สตรโมเลกลประกอบดวยอะตอมไนโตรเจนเปนเลขค (N = 1, 3, 5, …) และพกไอโซโทปท m/z [M] และ [M+2] มความเขมในอตราสวน 3:1 และ 1:1 สตรโมเลกลประกอบดวยอะตอมคลอรนและโบรมน ตามล าดบ

กรณทราบสตรโมเลกลหรอองคประกอบของธาต (ซงสามารถหาสตรโมเลกลได) ควรค านวณ

สมมลพนธะค (DBE) เปนล าดบแรก เนองจาก DBE จะทราบระดบขนความไมอมตวของโครงสรางทมพนธะไพหรอเปนวง เมอน าขอมลจากสเปกตรมตาง ๆ มาประกอบกนจะท าใหหาโครงสรางไดงายขน

สตรค านวณสมมลพนธะค (DBE) ดงน

โดยท C คอ จ านวนอะตอมคารบอน X คอ จ านวนธาตหม VIIA H คอ จ านวนอะตอมไฮโดรเจน N คอ จ านวนอะตอมไนโตรเจน

กรณไมทราบสตรโมเลกล ตองอาศยขอมลจากสเปกตรมแมสรวมกบสเปกตรมอนฟาเรด สเปกตรม 1H NMR และสเปกตรม DEPT เปนตน รวมกน ซงถาโครงสรางทซบซอนหรอมสเตอรโอเคมอาจตองใชเทคนคนวเคลยรแมกนทกเรโซแนนซ 2 มต อกดวย ทส าคญ ไดแก

1. ความสมพนธระหวางโปรตอนกบโปรตอน ไดแก เทคนค H-H COSY (3JHH) ทราบโปรตอนบนอะตอมคารบอนทตดกน และเทคนค H-H COSY-LR (3-4JHH) จะทราบการคควบระหวางโปรตอนกบโปรตอนชวงไกล

2. ความสมพนธระหวางโปรตอนกบอะตอมคารบอน ไดแก เทคนค HETCOR เทคนค C-H COSY เทคนค HSQC และเทคนค HMQC เกดผาน 1 พนธะ เชนเดยวกน (1JCH) ทราบโปรตอนบนอะตอมคารบอน สวนเทคนค HMBC จะเกดผานพนธะมากกวา 1 พนธะ (2-3JCH)

หลงจากน าหนวยโครงสรางทไดจากขอมลสเปกตรมตาง ๆ มาเขยนโครงสรางหรอไอโซเมอร

ทงหมดทเปนไปไดแลว จ าเปนตองยนยนโครงสรางดวยสเปกตรม 1H NMR สเปกตรมแมส ซงรปแบบการแตกเปนชนสวนจะเปนลกษณะเฉพาะของสารอนทรยแตละประเภท หรอผลเชงนวเคลยรโอเวอร-เฮาเซอร (NOE) ใน 1H NMR โดยถาใหรงสคลนความถวทยแกโปรตอนเฉพาะตวเทานน จะสงเกตไดวาสญญาณของโปรตอนนนหายไป และโปรตอนทตดกนหรอทเกดอนตรกรยากนผานชองวางจะมรอยละความเขมสญญาณเพมขน เปนตน

ค าถามทบทวน

1. จงหาโครงสรางสาร E มมวลโมเลกล เทากบ 14 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

nujol film1715

13C NMR

(ppm)4080120 0160200

DEPT CH2 CH

solvent

1H NMR

5 34 2 (ppm)0

exchange with D2O

610 89 7

b un d

a nc e

74 (M)

2. จงหาโครงสรางสาร F มสตรโมเลกล เทากบ C8H8 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

b un d

a nc e

100 57

114 (M) (< 1%)

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

DEPT CH2 CH

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

3. จงหาโครงสรางสาร G มมวลโมเลกล เทากบ 84 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film1738

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

DEPT CH2 CH

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

2.2 1.8

4. จงหาโครงสรางสาร H ไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film2249

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

200 (ppm)

DEPT CH2 CH

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

2.22.63.4 3.0

a bu n

120 160

147 (M)/149 (M+2)

5. จงหาโครงสรางสาร I มสตรโมเลกล เทากบ C8H14O3 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film 1735 1717

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

200 (ppm)

DEPT CH2 CH

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

6. จงหาโครงสรางสาร J มสตรโมเลกล เทากบ C3H6O2 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 210 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film 1725

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

200 (ppm)

DEPT CH2 CH

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

1.35 1.254.3 4.2

irridation at 8.05

b un d

a nc e

74 (M)

7. จงหาโครงสรางสาร K มสตรโมเลกล เทากบ C6H10O4 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film 1742

b un d

a nc e

146 (M) <1%

40 160

160 120 080

solvent

13C NMR, in CDCl3

200 (ppm)

solventproton coupled

proton decoupled

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

8. จงหาโครงสรางสาร L มสตรโมเลกล เทากบ C9H12O2 มสเปกตรมแมสท m/z (%) 152 (8), 121 (100)

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film

160 120 080

solvent

40200 (ppm)

DEPT CH2 CH

3 CH130 128

13C NMR, in CDCl3

130 128

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

7.6 7.4

9. จงหาโครงสรางสาร M มมวลโมเลกล เทากบ 150

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

solid film

160 120 080

solvent

40200 (ppm)

DEPT CH2 CH

13C NMR, in CDCl3

1H NMR, in CDCl3

5 34 2 (ppm)

610 89 7 1

solvent

10. จงหาโครงสรางสาร N มสตรโมเลกล เทากบ C4H6O

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film

250 350200 300

UV spectrum

(nm) m/z

b un d

a nc e

70 (M)

160 120 080

solvent

40200 (ppm)

DEPT CH2 CH

13C NMR, in CDCl3

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

6.06.4

11. จงหาโครงสรางสาร O มสตรโมเลกล เทากบ C5H9O2Br

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film 1740

b un d

a nc e

120 200

180 (M)/182 (M+2)

40 160

152/154

107/109

160 120 080

solvent

40200 (ppm)

DEPT CH2 CH

13C NMR, in CDCl3

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

4.24.4

irridation at 1.3

irridation at 1.83

1.21.9 1.8 1.4 1.3

12. จงหาโครงสรางสาร P มสตรโมเลกลมอะตอมคารบอนรอยละ 32.73 อะตอมไฮโดรเจนรอยละ 3.63 และอะตอมคลอรนรอยละ 63.64 และไมดดกลนรงสยวทความยาวคลนสงสดมากกวา 220 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,600 1,200 8003,0004,000

liquid film

160 120 080

solvent

40200 (ppm)

proton coupled

13C NMR, in CDCl3

proton decoupled

1H NMR

5 34 2 (ppm)

610 89 7

4.05.8 5.4 4.2

resolution enhancement

13. จงหาโครงสรางสาร Q มมวลโมเลกล เทากบ 128

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,000 5003,0004,000

b un d

a nc e

75 12525 1000

1H NMR

(ppm)1.0 0.81.22.0 1.61.8 1.4

13C NMR, in benzene-d6

200 180 080

solvent

140 40 (ppm)

proton decoupled

200 160 120 20100 60

0.81.01.21.41.61.82.0

H-H COSY, in benzene-d6

0.81.01.21.41.61.82.0

C-H Correlation,in benzene-d

14. จงหาโครงสรางสาร R มสตรโมเลกล เทากบ C11H20O

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,0003,0004,000 500

20 600

80 120 20040 160 m/z100 180140

iv e a

1H NMR

(ppm)2 134

13C NMR, in CDCl3

(ppm)180 100140

solvent

1.02.03.04.0

H-H COSY

1.02.03.04.0

C-H Correlation

15. จงหาโครงสรางสาร S มสตรโมเลกล เทากบ C8H16O4

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,0003,0004,000 500

in CCl4

1H NMR, in CDCl

3.6 2.13.5 2.0 (ppm)1.23.74.3 4.2 1.3

13C NMR, in CDCl3

100150 50 (ppm) 65

solvent

70 (ppm)

1234 (ppm)

H-H COSY

C-H Correlation

16. ก าหนดสเปกตรมและตวเลอก จงหาโครงสรางสาร T

1 2 3 4

5 6 7 8

9 1011 12

13 14 15 16 17

200 080

solvent

40 (ppm)

DEPT CH2 CH

130 125

13C NMR, in CDCl3

130 125proton decoupled

160 120

45 3 189

7.8 7.37.9 7.2

210 67

1H NMR, in CDCl3

2.6 1.32.8 1.2TMS

C-H Correlation100

solvent

17. ก าหนดสเปกตรมและตวเลอก จงหาโครงสรางสาร U

200 080

solvent

40 (ppm)

DEPT CH2 CH

13C NMR, in acetone-d6

solvent

130138 134

proton decoupled

160 120

130138 134

45 3 1

solvent

210 67

1H NMR, in acetone-d6

8.0 7.5 7.0

C-H Correlation,acetone-d

7.07.6 7.4

C-H Correlation,acetone-d

8.0 7.2

HMBC, acetone-d

18. จงหาโครงสรางสาร V มสตรโมเลกล เทากบ C9H8O2 และดดกลนทความยาวคลนสงสด เทากบ 270 นาโนเมตร

wavenumber (cm-1)2,000 1,500 1,0003,0004,000 500

6.87.0 6.6 6.27.67.8 6.47.27.4

1H NMR, in D2O

25 750

12550 m/z100 150

iv e a

140145 135 125160165

13C NMR

130150155 (ppm)175180 170

140145 135 125130 (ppm)

DEPT 90

DEPT 135

6.36.56.7 (ppm)7.37.57.7 7.1

H-H TOCSY

6.36.56.7 (ppm)7.37.57.7 7.1

CH HSQC

New การหาสูตรโครงสร้างของ...

Documents