A4.13 Fra spektrum til struktur
I afsnit A4.6 viste IR-spektret, at et stof med formlen C4H8O2 var en ester. Men det kunne ikke vise, hvilken ester. Det kan NMR-spektret. I dette afsnit samler du de fire oplysninger fra de foregående afsnit til én fremgangsmåde, og du ser, hvordan besvarelsen skal stilles op.
Fremgangsmåden
- Beregn dobbeltbindingsækvivalenterne ud fra molekylformlen, som i afsnit A3.1.
- Lav tabellen. Aflæs kemisk skift, integral og opsplitning for hvert signal.
- Find antallet af hydrogenatomer i hvert signal ud fra integralerne og molekylformlen.
- Find antallet af nabo-hydrogenatomer for hvert signal: antallet af linjer minus 1.
- Find grupperne. Brug tabellen over kemiske skift, og led efter kendte mønstre som ethylgruppen.
- Saml grupperne til en struktur. Naboerne viser, hvilke grupper der sidder ved siden af hinanden.
- Tjek strukturen. Passer antallet af signaler, antallet af hydrogenatomer og dobbeltbindingsækvivalenterne?
- Vis tilordningen. Tilordningen er, hvilken gruppe hvert signal hører til. Sæt en farvet ring om hver gruppe i strukturen, og brug samme farve i tabellen.
Et eksempel fra start til slut
Stoffet har én dobbeltbindingsækvivalent: DBE = (2 · 4 + 2 − 8) / 2 = 1. IR-spektret viste en estergruppe, og dens C=O bruger den ene dobbeltbindingsækvivalent.
Spektret har tre signaler:
- Signal 1 og signal 2 er en triplet med 3 H og en kvartet med 2 H. Det er en ethylgruppe. Kvartetten ligger ved 2,32 ppm, så ethylgruppens CH2 sidder ved siden af C=O.
- Signal 3 er en singlet med 3 H ved 3,67 ppm. Det er en methylgruppe uden nabo-hydrogenatomer, som sidder på et oxygenatom i en estergruppe.
Brikkerne er CH3−CH2−CO− og −O−CH3. De kan kun samles på én måde.
Sådan ser besvarelsen ud
Til den skriftlige prøve skal besvarelsen være kort. Tabellen og strukturen med farvede ringe skal bære forklaringen. Hele besvarelsen af eksemplet kan se sådan ud:
Under figuren står kun to sætninger:
Stoffet er methylpropanoat. Strukturen har 3 slags hydrogenatomer og 8 hydrogenatomer i alt, og estergruppens C=O giver den ene dobbeltbindingsækvivalent.
Mere skal der ikke til. Farverne viser, hvilken gruppe hvert signal hører til, og kolonnen med nabo-hydrogenatomer viser, hvorfor grupperne sidder, som de gør.
| Det skal med | Det behøver du ikke skrive |
|---|---|
| en tabel med kemisk skift, integral, opsplitning, nabo-H og tilordning | en forklaring af, hvordan NMR virker |
| strukturen med en farvet ring om hver gruppe | reglen om n + 1 med ord |
| samme farve eller nummer i tabellen og på strukturen | en sætning for hvert tal i tabellen |
| en kort konklusion, der knytter spektret til strukturen | lange afsnit om hvert signal |
Besvarelsen skal knytte hvert signal entydigt til en bestemt del af strukturen. En tabel ved siden af en strukturformel uden ringe, farver eller numre viser ikke, hvilket signal der hører til hvilken gruppe.
Hvorfor ikke den anden ester?
Ethylethanoat, CH3−CO−O−CH2−CH3, har samme molekylformel og også en ethylgruppe og en methylgruppe. Spektret af ethylethanoat står i afsnit A4.11. Forskellen ligger i de kemiske skift:
| Singletten med 3 H | Kvartetten med 2 H | |
|---|---|---|
| methylpropanoat | 3,67 ppm: CH3 på oxygen | 2,32 ppm: CH2 ved siden af C=O |
| ethylethanoat | 2,04 ppm: CH3 ved siden af C=O | 4,12 ppm: CH2 på oxygen |
De to stoffer har de samme bånd over 1500 cm−1 i IR-spektret, men NMR-spektrene er tydeligt forskellige.
Når en del af strukturen er kendt
Mange opgaver handler om et større molekyle, hvor en del af strukturen er oplyst. Så skal du begynde med den kendte del: find dens signaler først, og se, hvad der er tilbage.
Stoffet har molekylformlen C8H10O og en benzenring med én sidekæde. Bestem sidekædens struktur.
Den kendte del
En benzenring med én sidekæde er C6H5−. Dens fem hydrogenatomer er signal 4, multipletten med 5 H ved 7,25 ppm. Benzenringen bruger 4 af molekylets dobbeltbindingsækvivalenter: DBE = (2 · 8 + 2 − 10) / 2 = 4. Sidekæden har altså hverken dobbeltbindinger eller ringe.
Det, der er tilbage
Sidekæden er C2H5O. Dens fem hydrogenatomer er signal 1, 2 og 3:
- to tripletter med 2 H hver: to CH2-grupper ved siden af hinanden, −CH2−CH2−
- en bred singlet med 1 H: −OH
Tripletten ved 3,85 ppm er den CH2-gruppe, der sidder på oxygenatomet. Tripletten ved 2,86 ppm er den, der sidder på benzenringen.
Besvarelsen
Stoffet er 2-phenylethanol. Sidekæden kan ikke være −CH(OH)−CH3, for den ville give en dublet med 3 H og en kvartet med 1 H.
Læg mærke til den sidste sætning. Ét forkert forslag udelukket med ét signal er nok til at vise, at strukturen er den rigtige.
Et genereret spektrum
Kemiske tegneprogrammer som MarvinSketch kan beregne NMR-spektret af en struktur, du har tegnet. Det kaldes et genereret spektrum. Det kan bruges som kontrol: ligner det genererede spektrum af dit forslag spektret i opgaven, er forslaget godt.
Bruger du et genereret spektrum i en besvarelse, skal du skrive, hvilken spektrometerfrekvens det er beregnet ved, så det kan sammenlignes med opgavens spektrum.
IR og NMR sammen
Metoderne svarer på hver sit spørgsmål.
| Metode | Viser | Eksempel |
|---|---|---|
| elementaranalyse | molekylformlen og dobbeltbindingsækvivalenterne | C8H10O, DBE = 4 |
| IR | de funktionelle grupper | bredt bånd ved 3340 cm−1: −OH |
| 1H-NMR | hvordan grupperne sidder sammen | to tripletter: −CH2−CH2− |
IR-spektret af 2-phenylethanol har et bredt O−H-bånd og C−H-bånd over 3000 cm−1 fra benzenringen. Det passer med NMR-spektret, og sammen giver de strukturen.
- Hold teksten kort. Tabellen og strukturen med farvede ringe er besvarelsen.
- Tabellen skal have kemisk skift, integral, opsplitning, antal nabo-hydrogenatomer og tilordning.
- Hver gruppe i strukturen får en ring, og ringen har samme farve eller nummer som signalet i tabellen.
- Begynd med den del af strukturen, opgaven oplyser. Brug resten af signalerne på den ukendte del.
- Slut med en eller to sætninger: stoffets navn eller struktur, og at antallet af hydrogenatomer og dobbeltbindingsækvivalenterne passer.
- Er der to mulige strukturer, så skriv det ene signal, der udelukker den forkerte.