Помогите философу! Методы подтверждения структуры вещества

[Venevtsev]

Уважаемые химики! Я занимаюсь эпистемологией и провожу исследование научного знания на примере органической химии. Очень нужна ваша помощь. На данный момент у меня есть феноменологическое описание того, как в современной органической химии осуществляется определение структуры химического соединения (см. ниже). Хотелось бы получить обратную связь: насколько это описание соответствует действительности, насколько оно корректно. Я был бы очень признателен за любые отклики по данному вопросу.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ВЕЩЕСТВА

Положим, в результате реакции мы получили химическое соединение, ранее не описанное в литературе. Необходимо установить его строение. Как мы будем действовать?

Уже на этапе планирования синтеза мы предполагали, что в результате образуется вещество с определенной структурой. Мы выбирали условия реакции не наобум, а по примеру аналогичных реакций для структурно похожих соединений. Теперь нам надо подтвердить свои предположения: доказать, что полученное соединение действительно имеет структуру, которую мы ему приписали. В подавляющем большинстве случаев решение этой задачи не вызывает особых затруднений.

Первым делом отдаем образец вещества на ИК-спектроскопию. Анализируем полученный спектр и подтверждаем наличие функциональных групп. Затем отдаем образец вещества на элементный анализ. Определяем процентное содержание углерода, водорода и других элементов. Сравниваем найденный элементный состав с расчетным. Если расхождения в пределах допустимой ошибки, то двигаемся дальше. Если нет, то снова проводим определение: скорее всего, установка, на которой проводилось определение, не была правильно отрегулирована.

Отдаем образец на масс-сектрометрию. Получаем данные о молекулярной массе, сравниваем ее с расчетной. Если данные совпадают в пределах допустимой ошибки, то рассчитываем брутто-формулу вещества. Далее отдаем образец на ЯМР-спектроскопию. Получаем данные о количестве атомов углерода разных типов, а также о количестве и расположении атомов водорода.

Если данные ЯМР-спектров хорошо коррелируют с нашей структурой, то мы вправе их опубликовать. Если коррелируют плохо, то пытаемся объяснить аномалию с участием специалиста по ЯМР-спектроскопии, а затем публикуем.

Если же объяснить аномальные спектры все-таки не получается, то пытаемся найти другую структуру, которая бы соответствовала полученным спектральным данным. Найдя такую структуру, удивляемся и садимся думать, по какому механизму эта структура могла получиться в условиях нашей реакции.

[asp99]

В общем-то написано верно, только порядок использования методов может быть и другим и чаще зависит от доступности приборов. Например, кому-то проще сначала снять ЯМР спектр, если удовлетворяет ожидаемой структуре, то в большинстве случаев ее можно считать доказанной, и снять ИК, элементный анализ уже для публикации.
В особо сложных случаях еще можно упомянуть выращивание монокристалла органического соединения и установление структуры методом рентгеноструктурного анализа.

[Venevtsev]

В общем-то написано верно, только порядок использования методов может быть и другим и чаще зависит от доступности приборов. Например, кому-то проще сначала снять ЯМР спектр, если удовлетворяет ожидаемой структуре, то в большинстве случаев ее можно считать доказанной, и снять ИК, элементный анализ уже для публикации.
В особо сложных случаях еще можно упомянуть выращивание монокристалла органического соединения и установление структуры методом рентгеноструктурного анализа.

Спасибо большое! Есть два дополнительных вопроса:

- если я имею дело с диастереомерами, можно ли на основании ЯМР сделать вывод о положении заместителей относительно хиральных центров?
- читал, что сожжение вещества проводить не обязательно, если есть масс-спектр высокого разрешения. как в этом случае определяется брутто-формула?

[Vittorio]

Первым делом, до ЯМР-ИК-... - я бы сказал, нужно убедиться в чистоте полученного образца, для этого есть ТСХ (тонкослойная хроматография) или LC/MS, кому что проще..
Дальше порядок/очередность анализа определяются доступностью. Набор методов анализа зависит, опять же, от доступности, ну и от структуры. Иногда набора ИК+LC/MS+¹H NMR+¹³C NMR+ разные там ЯМР эксперименты+элементник все равно не хватает для однозначного определения структуры, тогда, как вот правильно сказал коллега asp99 - пробуют вырастить кристалл для РСА. Для некоторых веществ целесообразно получить спектральные данные иного типа - ¹⁵N NMR, ³¹P NMR, УФ и т.п.

[IB]

- если я имею дело с диастереомерами, можно ли на основании ЯМР сделать вывод о положении заместителей относительно хиральных центров?

Исходя из ЯМР, возможно легко различить диастереомеры, поскольку они химически различны (для энантиомеров это невозможно напрямую, но случай сводим к диастереомерам путём добавления хиральных лантаноидных сдвигающих реагентов). Однако установить их абсолютную структуру (т.е. положении заместителей относительно хиральных центров) сложней - в общем случае нужно привлекать расчёт, и на его основании сделать отнесение, что практически возможно для абсолютного большинства случаев.

- читал, что сожжение вещества проводить не обязательно, если есть масс-спектр высокого разрешения. как в этом случае определяется брутто-формула?

Да, это так, хотя эти методы и не в полной мере равноценны. Масс-спектр высокого разрешения даёт гораздо больше информации о соединении, но не вполне способен указать на наличие примесей (точнее их относительного количества). Брутто формула для соединения (E1)a1(E2)a2(E3)a3... (E1 - элемент, a1 - количество атомов) определяется в простейшем случае однородного изотопного состава из наиболее точного соответствия уравнению в целых числах a1*A(E1) + a2*A(E2) + a3*A(E3).... = M/z (где A(Ex) - точная атомная масса, M/z - молекулярный вес выраженный с высокой точностью, т.е. хотя бы до 4-знака); в общем случае переменного изотопного состава производится подобный же рассчёт с учётом известного распределения по изотопам. Принципиальная возможность метода заключается в том, что атомная масса не точно целочисленна, а несколько от него отклоняется ( из-за разных вкладов в массу протонов и нейтронов, а так же не нулевой массы электрона). Таким образом возможна очень точная "подгонка" под экспериментальный профиль и достаточно надёжное определение состава.

[IB]

Для эпистемолога, я так понимаю, важно понимание (взаимного) отношения важности и общности методов определения структуры (т.е. отношение порядка) как с точки зрения информации, которую они предоставляют, так и практичности (= лёгкости и однозначности) их использования. Очень условные ряды для органической химии следующие:

Информативность: Рентгеноструктурный анализ (РСтА)>ЯМР>Масс спектроскопия >> Элементный анализ, Инфракрасная и рамановская спектроскопия (ИК) > Спектроскопия видимого и ультрафиолетового диапазона (УФ)
Практичность: УФ~ИК ~> Масс спектроскопия ~ > ЯМР > Элементный анализ > РСтА

(при этом нужно понимать, что методы используются обычно в совокупности, вот почему индивидуальная информативность - понятие условное)

Элементный анализ потерял своё индивидуальное значение среди аналитических методов, но остаётся важным методом подтверждения состава. ИК спектроскопия практически полностью потеряла своё общее значение в любых контекстах по установлению структуры и скорее служит дешёвым идентификационным инструментом и в качестве источника некоторых важных физико-химических данных.

Для практической органической химии решающее значение на сегодня имеет связка ЯМР+Масс спектроскопия (в т.ч. высокого разрешения, а так же в виде хромато-масс спектроскопии) из-за их практичности; в случае необходимости дополнительно привлекается РСтА.

P.S. БОльшая часть ответа уже была дана коллегами.

[Venevtsev]

Для некоторых веществ целесообразно получить спектральные данные иного типа - ¹⁵N NMR, ³¹P NMR, УФ и т.п.

Спасибо большое! У меня дополнительный вопрос: исходя из каких соображений химик решает, что в его случае необходимы дополнительные тесты? Если возможны альтернативные структуры с аналогичными результатами ИК, ПМР и ЯМР С13? Или как-то по-другому?

[Venevtsev]

Для практической органической химии решающее значение на сегодня имеет связка ЯМР+Масс спектроскопия

Правильно ли я вас понял: Для подтверждения структуры соединения сегодня достаточно данных ЯМР и масс-спектроскопии. И это сегодня наиболее распространенный способ подтверждения структуры вещества в научной литературе.

[Venevtsev]

ИК спектроскопия практически полностью потеряла своё общее значение в любых контекстах по установлению структуры и скорее служит дешёвым идентификационным инструментом

Правильно ли я понимаю, что образцы вещества можно считать идентичными, если их ИК-спектры совпадают?

[Venevtsev]

Исходя из ЯМР, возможно легко различить диастереомеры, поскольку они химически различны... Однако установить их абсолютную структуру (т.е. положении заместителей относительно хиральных центров) сложней - в общем случае нужно привлекать расчёт, и на его основании сделать отнесение, что практически возможно для абсолютного большинства случаев.

Я не до конца понял. Положим, по реакции получился только один диастереомер. Другие не получены. Необходимо с помощью ЯМР установить, что это за диастереомер. Это первый вариант (легко различить) или второй (необходим расчет)?

[Venevtsev]

Первым делом, до ЯМР-ИК-... - я бы сказал, нужно убедиться в чистоте полученного образца, для этого есть ТСХ (тонкослойная хроматография)

Правильно ли я понял: если ТСХ показывает, что вещество индивидуальное, то дальнейших доказательств индивидуальности не требуется? Ну, в большинстве случаев

[Vittorio]

Для некоторых веществ целесообразно получить спектральные данные иного типа - ¹⁵N NMR, ³¹P NMR, УФ и т.п.

Спасибо большое! У меня дополнительный вопрос: исходя из каких соображений химик решает, что в его случае необходимы дополнительные тесты? Если возможны альтернативные структуры с аналогичными результатами ИК, ПМР и ЯМР С13? Или как-то по-другому?

Хороший вопрос.))
Наверное, так: структура должна быть доказана однозначно по совокупности данных, и на основании данных анализа все альтернативные варианты должны быть исключены из рассмотрения - это минимум, на который вещество должно рассчитывать от джентльмена..
То есть если

возможны альтернативные структуры с аналогичными результатами ИК, ПМР и ЯМР С13

- то однозначно да, еще и другие методы. Но практически все несколько сложнее. Есть традиции, есть журнальные требования в хороших журналах, которые обычно требует несколько большего. В итоге получается, что общая картина данных несколько избыточна, в какой-то мере даннные перекрываются/подтверждают друг друга. Скажем, химики, которые занимаются химией фтор- или фосфорсодержащих соединений, практически всегда для сових веществ делают 19F и 31Р ЯМР - хотя в ряде случаев это не является необходимым для идентификации-доказательства строения (например, если брался билдинг-блок с заведомо известной структурой, и структурый фрагмент с фтором или фосфором заведомо не изменяется в ходе реакции). Ну тут еще и требования печатнго издания - в Journal of Fluorine Chemistry, думаю, грешно без фторных спектров.. Западные журналы в свой джентльменский набор минимальных требований для характеристики вещества включают ¹³С ЯМР (в наших это пока еще желательно, но не обязательно). В целом, ¹³С ЯМР дает нужную и полезную информацию, но иногда, в простых/предсказуемых случаях - бывает достаточно 1Н ЯМР+ИК+элементный(или масс).

ИК спектроскопия практически полностью потеряла своё общее значение в любых контекстах по установлению структуры и скорее служит дешёвым идентификационным инструментом и в качестве источника некоторых важных физико-химических данных.

я бы добавил, что ИК играл важную роль в идентификации веществ в середине ХХ века, но сейчас используется уже как дополнительный метод, для качественной оценки наличия функциональных групп (нитрил, карбонил, амин..). Еще ИК позволяет отличить сопряженный нитрил С=С-CN от несопряженного -СН-СN, амидный карбонил от кетонного и т.п.

если я имею дело с диастереомерами, можно ли на основании ЯМР сделать вывод о положении заместителей относительно хиральных центров?

я бы добавил к мнению коллеги IB, что в некоторх (далеко не во всех!!!) случаях ЯМР все-таки может дать данные об абсолютной конфигурации. Например, в циклических структурах с двумя соседними хиральными центрами, если при них есть по одному водороду - на основании КССВ в ЯМР можно примерно оценить (см. уравнение Карплуса, Диеза-Альтоны-Дондерса, Гарбиша и т.п.) диэдральный угол Н-С-С-Н, а значит, взаимную ориентацию (цис/транс) водородов, отсюда можно делать выводы о соотношении диастереомерных пар в полученном продукте и т.п. Ну и NOE забывать не будем, тоже ценная информация о пространственных контактах протонов.

[Vittorio]

Правильно ли я вас понял: Для подтверждения структуры соединения сегодня достаточно данных ЯМР и масс-спектроскопии. И это сегодня наиболее распространенный способ подтверждения структуры вещества в научной литературе.

Да, это наиболее ходовые/распространенные способы подтверждения, но для однозначного доказательства структуры/чистоты их недостаточно, просто с ЯМРом+масс вряд ли где примут статью к публикации. Исключения составляют, пожалуй, журналы типа Molecular Diversity или ACS Combinatorial Sci., которые ориентированы на библиотеки веществ, где полный анализ всего массива данных физически невозможен или затратен по деньгам/времени. Но это как бы особый случай.

[Vittorio]

Правильно ли я понял: если ТСХ показывает, что вещество индивидуальное, то дальнейших доказательств индивидуальности не требуется? Ну, в большинстве случаев

Скорее нет, чем да. ТСХ - первичный анализ, больше "для себя", чтоб отсеять явную грязь. Смеси диастереомеров, не говоря уж об энантиомерах, по ТСХ чаще всего неразличимы. Как-то так. То есть, если в-во чистое по ТСХ - это еще ни о чем не говорит, но если по ТСХ смесь - то почти со 100% вероятностью и в спектрах будет аццкая смесь)

[IB]

Правильно ли я понимаю, что образцы вещества можно считать идентичными, если их ИК-спектры совпадают?

Для высокочистых веществ при одинаковых условиях съёмки это так (по крайней мере практически). Однако оба условия практически редко достижимы, поэтому ИК не обладает должной общностью в даже в доказательстве идентичности.
! Но в промышленности, например, когда ведётся контроль качества, а условия съёмки стандартизированы, ИК может быть использован и реально используется для доказательства идентичности и чистоты.

[Rancid]

Я бы сказал, что на практике очерёдность анализов определяется степенью очистки продукта. То есть на первом этапе, сразу после выделения продукта (например с колонки), продукт достаточно чист (смотрим по ТСХ), что бы сделать масс и всевозможные ЯМР. Если эти данные соответствуют ожиданиям (т.е. позволяют самому исследователю убедится в правильности структуры), то продукт дочищается, например перекристаллизацией, снимается ИК, УВ, температура плавления и т.д. В последнюю очередь делается элементный анализ, так как это самый чувствительный к чистоте продукта метод.

[Vittorio]

Правильно ли я понимаю, что образцы вещества можно считать идентичными, если их ИК-спектры совпадают?

в принципе, ИК и сейчас активно используется в криминалистике, для быстрой идентификации разного там добра , обычно в сочетании с данными хроматографии. Экспертам-криминалистам, чтобы отличить ...ммммм.. кокс от не-кокса, этого хватает))
Но в органике для установления идентичности образцов ИК - мало. Обычно идентичность устанавливается комплексом методов. Каких именно- зависит от строения вещества.

[IB]

Правильно ли я понял: если ТСХ показывает, что вещество индивидуальное, то дальнейших доказательств индивидуальности не требуется? Ну, в большинстве случаев

Скорее нет, чем да. ТСХ - первичный анализ, больше "для себя", ...

Добавлю к мнению коллеги Vittorio, что утверждение скорее верно (на практике) если заменить ТСХ (тонкослойную хроматографию) на хроматографические методы вообще (при этом нужно понимать, что сама по себе хроматография без детекции - будь-то Масс спектроскопия или УФ - не является индивидуальным методом определения свойств, в т.ч. идентичности ).
ТСХ - это лишь практичный инструмент сапожника по сранению с другими хроматографическими методами и даёт лишь необходимое, но не достаточное условие чистоты. Газовая или жидкостная хроматография высокого давления с комбинированной масс-спектроскопической, УФ и "ионизационной" детекцией уже дают вполне достаточное для практики доказательства чистоты для растворимых органических соединений.

[IB]

Коллеги - у нас редкий гость - философ (увы, философы редкие гости в нашей области). Так давайте же давать ответы и на философском уровне рассмотрения, а не только специализированном.

[chemist]

На философском уровне настоящий химик сначала сделает ряд тестов на ожидаемые свойства целевого вещества, как-то: температура плавления (кипения), растворимость в различных средах (кислая, щелочная и т.д.), растворимость в различных растворителях, реакции с простыми реагентами (щёлочь, кислота, окислитель, восстановитель и пр.), раньше даже пробовали на вкус