Аналитический кейс: дано неизвестное вещество органического происхождения, которое образует сульфоксид при мягком окислении и не даёт положительной реакции на фенолы — какие наборы спектроскопических и химических тестов вы проведёте для выяснения структуры
Ниже — практический план аналитики + объяснение, какие данные от каждого теста ожидаются и зачем они нужны. Я разделяю последовательность на: быстрые предварительные тесты, спектроскопический «ядро», целевые химические проб и вспомогательные методы.
Внешний вид, цвет, запах, точка плавления / кипения еслилетучееесли летучеееслилетучее — ориентиры по классу соединения.Растворимость в полярных/неполярных растворителях hexane,Et2O,DCM,MeOH,H2Ohexane, Et2O, DCM, MeOH, H2Ohexane,Et2O,DCM,MeOH,H2O — подскажет полярность, наличие сильных полярных групп.Оптическая активность поляриметрполяриметрполяриметр — проверка на хиральность особенноважно,еслиприокисленииобразуетсяхиральныйсульфоксидособенно важно, если при окислении образуется хиральный сульфоксидособенноважно,еслиприокисленииобразуетсяхиральныйсульфоксид.
2) Элементный и масс‑спектрометрический анализ
Элементный анализ CHNSCHNSCHNS или точное HRMS ESI+/EIESI+/EIESI+/EI — получить элементную формулу, число C/H/N/O/SN/O/SN/O/S. Наличие S обычно видно по HRMS/изотопному распределению S34даётхарактерныйнебольшойM+2S34 даёт характерный небольшой M+2S34даётхарактерныйнебольшойM+2.GC‑MS есливеществолетучееесли вещество летучееесливеществолетучее и/или LC‑MS еслинелетучееесли нелетучеееслинелетучее — молекулярная масса, фрагментация, подтверждение молекулярной формулы, информативные фрагменты фрагменты,отрывающиесярядомсSфрагменты, отрывающиеся рядом с Sфрагменты,отрывающиесярядомсS.MS/MS еслидоступноесли доступноеслидоступно — для локализации фрагментов и определения положения функциональных групп.
Зачем: HRMS даст точную формулу; MS фрагментация часто показывает, какие фрагменты «сидят» на сере R–S–R′R–S–R'R–S–R′.
3) Инфракрасная спектроскопия FTIR,принеобходимостиRamanFTIR, при необходимости RamanFTIR,принеобходимостиRaman
Изначально: отследить отсутствие/наличие карбонильной группы 1700cm‑11700 cm‑11700cm‑1, OH broad3200–3600broad 3200–3600broad3200–3600, NH 330033003300, ароматические C–H 3030~30303030, алкильные C–H 2850–29502850–29502850–2950.После мягкого окисления сульфид→сульфоксидсульфид → сульфоксидсульфид→сульфоксид: появление полосы S=O ~1030–1070 иногда925–950и/или1030–1070см‑1взависимостиотсредыиногда 925–950 и/или 1030–1070 см‑1 в зависимости от средыиногда925–950и/или1030–1070см‑1взависимостиотсреды. Для сульфонов S=O даёт сильные полосы ~1300 и 1150 cm‑1. Зачем: IR подтверждает образование S=O при окислении и отсутствие фенольного OH илиегоналичиеили его наличиеилиегоналичие.
4) Ядерный магнитный резонанс NMRNMRNMR — основной метод установления скелета
1H NMR и 13C{1H} NMR расписатьпринеобходимостиDEPT135/90расписать при необходимости DEPT135/90расписатьпринеобходимостиDEPT135/90 — основные химические сдвиги, интеграции, количество и типы С.2D‑спектры: COSY связиH–Hсвязи H–HсвязиH–H, HSQC H–CнапрямуюH–C напрямуюH–Cнапрямую, HMBC дальняясвязьH–C,оченьважнадлясборкиструктурыдальняя связь H–C, очень важна для сборки структурыдальняясвязьH–C,оченьважнадлясборкиструктуры, NOESY/ROESY пространственныеконтакты—дляконфигурациипространственные контакты — для конфигурациипространственныеконтакты—дляконфигурации.Сравнение спектров до и после окисления sulfide→sulfoxidesulfide → sulfoxidesulfide→sulfoxide: α‑протоны к S обычно сдвигаются вниз по полю десшильдованыдесшильдованыдесшильдованы при образовании S=O; изменение химических сдвигов помогает локализовать SIIIIII. Зачем: NMR даст остаточный скелет алкил/арил/замещенияалкил/арил/замещенияалкил/арил/замещения, укажет на ароматическую систему, функциональные группы; сочетание HMBC/HSQC даёт коннектность атомов.
Мягкое окисление до сульфоксида контрольныйтест,каквусловииконтрольный тест, как в условииконтрольныйтест,каквусловии: mCPBA 1.0–1.2экв.,DCM,0°C→rt1.0–1.2 экв., DCM, 0 °C → rt1.0–1.2экв.,DCM,0°C→rt или H2O2/AcOH — получение сульфоксида; наблюдение изменения в NMR/IR/MS. Это подтвердит, что исходник — thioether сульфидсульфидсульфид.Окисление до сульфона усиленноеокисление,избытококислителяусиленное окисление, избыток окислителяусиленноеокисление,избытококислителя для получения более стабильного производного и для дополнительных спектральных отличий.Алкилирование серы образованиесульфонияобразование сульфонияобразованиесульфония: MeI или MeOTf в ацетоне/ацетонитриле — образование солей сульфония еслиэтотрёхзамещённыйтиоэфиресли это трёхзамещённый тиоэфиреслиэтотрёхзамещённыйтиоэфир, изменение растворимости / MS → подтверждение Н presence of thioether.Raney‑Ni десульфуризация H2,Raney‑NiH2, Raney‑NiH2,Raney‑Ni — превращает R–S–R' в R–H + R'–H взависимостиотусловийв зависимости от условийвзависимостиотусловий, может помочь идентифицировать углеводородные фрагменты. Если продукт после удаления S совпадает со знакомым углеводородом — сильное подтверждение структуры.Тест на тиолы еслиестьоснованиядумать,чтоэтотиолесли есть основания думать, что это тиолеслиестьоснованиядумать,чтоэтотиол: DTNB EllmanEllmanEllman или Na2CO3/Na2S2O3/кислый AgNO3 — для отличия тиола от сульфида. В условии вещество образует сульфоксид при мягком окислении — скорее всего это thioether, а не тиол.FeCl3 тест илиNaOH+FeCl3или NaOH + FeCl3илиNaOH+FeCl3 для фенолов — у вас уже отрицательный; всё равно можно подтвердить отсутствие фенола спектрально.Гидролиз при кислоте/щелочи еслиестьподозрениенаэфиры/эстеры/амидыесли есть подозрение на эфиры/эстеры/амидыеслиестьподозрениенаэфиры/эстеры/амиды — узнать стабильность. Зачем: химические превращения дают «похоронные» доказательства — если продукт ведёт себя ожидаемо при типичных реакциях для thioethers, это подтверждает природу группы.
6) Специфические дополнительные методы
UV‑Vis дляароматических/конъюгированныхсистемдля ароматических/конъюгированных системдляароматических/конъюгированныхсистем — максимум поглощения и субституционный паттерн.Характеризация оптической чистоты / абсолютной конфигурации еслисульфоксидхираленесли сульфоксид хираленеслисульфоксидхирален: CD спектроскопия, chiral HPLC, X‑ray еслиудаётсяполучитькристаллесли удаётся получить кристаллеслиудаётсяполучитькристалл.При получении кристаллов — рентгенография определяетточнуютрехмернуюструктуруопределяет точную трехмерную структуруопределяетточнуютрехмернуюструктуру.Элементный анализ S/N ratio; при наличии N — 15N NMR и элементный анализ.
7) Интерпретация данных каксопоставлятьрезультатыкак сопоставлять результатыкаксопоставлятьрезультаты
HRMS + NMR = основные подсказки по скелету AR/АЛКИЛ,кол‑возаместителейAR/АЛКИЛ, кол‑во заместителейAR/АЛКИЛ,кол‑возаместителей.Сравнение NMR до/после окисления: кардинальные сдвиги и появление S=O в IR подтвердят положение серы обычноα‑СкSсмещаетсявнизпополюобычно α‑С к S смещается вниз по полюобычноα‑СкSсмещаетсявнизпополю.MS‑фрагментация: характерные фрагменты, включающие S, помогут отделить R и R' фрагменты.Результаты Raney‑Ni/алкилирования/десульфуризации — окончательный экспериментальный «доказательный» набор.
Физико‑химические тесты, растворимость, оптическая активность.HRMS точнаямассаточная массаточнаямасса + GC‑MS/LC‑MS.FTIR ориентирнаотсутствиефенолаиналичие/появлениеS=Oориентир на отсутствие фенола и наличие/появление S=Oориентирнаотсутствиефенолаиналичие/появлениеS=O.1H/13C NMR + DEPT + HSQC + HMBC + COSY.Мягкое окисление mCPBAmCPBAmCPBA, анализ продукта NMR/IR/MSNMR/IR/MSNMR/IR/MS — быстрый контроль гипотезы «тиоэфир → сульфоксид».Целевые реакции алкилирование,Raney‑Ni,сильноеокислениедосульфонаалкилирование, Raney‑Ni, сильное окисление до сульфонаалкилирование,Raney‑Ni,сильноеокислениедосульфона при необходимости для подтверждения фрагментов.Если нужно — X‑ray или chiral HPLC/CD для окончательной верификации строения и конфигурации.
Ключевые диагностические признаки, на которые обращать внимание
Появление S=O в IR ~1030–1070 см‑1 при окислении.Сдвиг α‑протонов к сере в 1H NMR после окисления обычновсторонувнизпополюобычно в сторону вниз по полюобычновсторонувнизпополю.Наличие/отсутствие фенольного OH: IR и 1H NMR большойсинглет 4–10ppmдляфенольногоOH,иреакциясFeCl3отрицательнаябольшой синглет ~4–10 ppm для фенольного OH, и реакция с FeCl3 отрицательнаябольшойсинглет4–10ppmдляфенольногоOH,иреакциясFeCl3отрицательная.Изотопное распределение в MS наличиеSналичие SналичиеS.Поведение при алкилировании/десульфуризации — подтверждение thioether характера.
Если хотите, могу предложить конкретные протоколы концентрации,растворители,условияконцентрации, растворители, условияконцентрации,растворители,условия для каждого из упомянутых реактивов и реакций, и перечень характерных химических сдвигов/пиків в NMR/IR, которые ожидать для типичных алкиловых и ариловых тиоэфиров.
Ниже — практический план аналитики + объяснение, какие данные от каждого теста ожидаются и зачем они нужны. Я разделяю последовательность на: быстрые предварительные тесты, спектроскопический «ядро», целевые химические проб и вспомогательные методы.
1) Предварительные физико‑химические тесты быстрые,недорогиебыстрые, недорогиебыстрые,недорогие
Внешний вид, цвет, запах, точка плавления / кипения еслилетучееесли летучеееслилетучее — ориентиры по классу соединения.Растворимость в полярных/неполярных растворителях hexane,Et2O,DCM,MeOH,H2Ohexane, Et2O, DCM, MeOH, H2Ohexane,Et2O,DCM,MeOH,H2O — подскажет полярность, наличие сильных полярных групп.Оптическая активность поляриметрполяриметрполяриметр — проверка на хиральность особенноважно,еслиприокисленииобразуетсяхиральныйсульфоксидособенно важно, если при окислении образуется хиральный сульфоксидособенноважно,еслиприокисленииобразуетсяхиральныйсульфоксид.2) Элементный и масс‑спектрометрический анализ
Элементный анализ CHNSCHNSCHNS или точное HRMS ESI+/EIESI+/EIESI+/EI — получить элементную формулу, число C/H/N/O/SN/O/SN/O/S. Наличие S обычно видно по HRMS/изотопному распределению S34даётхарактерныйнебольшойM+2S34 даёт характерный небольшой M+2S34даётхарактерныйнебольшойM+2.GC‑MS есливеществолетучееесли вещество летучееесливеществолетучее и/или LC‑MS еслинелетучееесли нелетучеееслинелетучее — молекулярная масса, фрагментация, подтверждение молекулярной формулы, информативные фрагменты фрагменты,отрывающиесярядомсSфрагменты, отрывающиеся рядом с Sфрагменты,отрывающиесярядомсS.MS/MS еслидоступноесли доступноеслидоступно — для локализации фрагментов и определения положения функциональных групп.Зачем: HRMS даст точную формулу; MS фрагментация часто показывает, какие фрагменты «сидят» на сере R–S–R′R–S–R'R–S–R′.
3) Инфракрасная спектроскопия FTIR,принеобходимостиRamanFTIR, при необходимости RamanFTIR,принеобходимостиRaman
Изначально: отследить отсутствие/наличие карбонильной группы 1700cm‑11700 cm‑11700cm‑1, OH broad3200–3600broad 3200–3600broad3200–3600, NH 330033003300, ароматические C–H 3030~3030 3030, алкильные C–H 2850–29502850–29502850–2950.После мягкого окисления сульфид→сульфоксидсульфид → сульфоксидсульфид→сульфоксид: появление полосы S=O ~1030–1070 иногда925–950и/или1030–1070см‑1взависимостиотсредыиногда 925–950 и/или 1030–1070 см‑1 в зависимости от средыиногда925–950и/или1030–1070см‑1взависимостиотсреды. Для сульфонов S=O даёт сильные полосы ~1300 и 1150 cm‑1.Зачем: IR подтверждает образование S=O при окислении и отсутствие фенольного OH илиегоналичиеили его наличиеилиегоналичие.
4) Ядерный магнитный резонанс NMRNMRNMR — основной метод установления скелета
1H NMR и 13C{1H} NMR расписатьпринеобходимостиDEPT135/90расписать при необходимости DEPT135/90расписатьпринеобходимостиDEPT135/90 — основные химические сдвиги, интеграции, количество и типы С.2D‑спектры: COSY связиH–Hсвязи H–HсвязиH–H, HSQC H–CнапрямуюH–C напрямуюH–Cнапрямую, HMBC дальняясвязьH–C,оченьважнадлясборкиструктурыдальняя связь H–C, очень важна для сборки структурыдальняясвязьH–C,оченьважнадлясборкиструктуры, NOESY/ROESY пространственныеконтакты—дляконфигурациипространственные контакты — для конфигурациипространственныеконтакты—дляконфигурации.Сравнение спектров до и после окисления sulfide→sulfoxidesulfide → sulfoxidesulfide→sulfoxide: α‑протоны к S обычно сдвигаются вниз по полю десшильдованыдесшильдованыдесшильдованы при образовании S=O; изменение химических сдвигов помогает локализовать SIIIIII.Зачем: NMR даст остаточный скелет алкил/арил/замещенияалкил/арил/замещенияалкил/арил/замещения, укажет на ароматическую систему, функциональные группы; сочетание HMBC/HSQC даёт коннектность атомов.
5) Целевые химические пробы подтверждающиефункциональныефрагментыподтверждающие функциональные фрагментыподтверждающиефункциональныефрагменты
Мягкое окисление до сульфоксида контрольныйтест,каквусловииконтрольный тест, как в условииконтрольныйтест,каквусловии: mCPBA 1.0–1.2экв.,DCM,0°C→rt1.0–1.2 экв., DCM, 0 °C → rt1.0–1.2экв.,DCM,0°C→rt или H2O2/AcOH — получение сульфоксида; наблюдение изменения в NMR/IR/MS. Это подтвердит, что исходник — thioether сульфидсульфидсульфид.Окисление до сульфона усиленноеокисление,избытококислителяусиленное окисление, избыток окислителяусиленноеокисление,избытококислителя для получения более стабильного производного и для дополнительных спектральных отличий.Алкилирование серы образованиесульфонияобразование сульфонияобразованиесульфония: MeI или MeOTf в ацетоне/ацетонитриле — образование солей сульфония еслиэтотрёхзамещённыйтиоэфиресли это трёхзамещённый тиоэфиреслиэтотрёхзамещённыйтиоэфир, изменение растворимости / MS → подтверждение Н presence of thioether.Raney‑Ni десульфуризация H2,Raney‑NiH2, Raney‑NiH2,Raney‑Ni — превращает R–S–R' в R–H + R'–H взависимостиотусловийв зависимости от условийвзависимостиотусловий, может помочь идентифицировать углеводородные фрагменты. Если продукт после удаления S совпадает со знакомым углеводородом — сильное подтверждение структуры.Тест на тиолы еслиестьоснованиядумать,чтоэтотиолесли есть основания думать, что это тиолеслиестьоснованиядумать,чтоэтотиол: DTNB EllmanEllmanEllman или Na2CO3/Na2S2O3/кислый AgNO3 — для отличия тиола от сульфида. В условии вещество образует сульфоксид при мягком окислении — скорее всего это thioether, а не тиол.FeCl3 тест илиNaOH+FeCl3или NaOH + FeCl3илиNaOH+FeCl3 для фенолов — у вас уже отрицательный; всё равно можно подтвердить отсутствие фенола спектрально.Гидролиз при кислоте/щелочи еслиестьподозрениенаэфиры/эстеры/амидыесли есть подозрение на эфиры/эстеры/амидыеслиестьподозрениенаэфиры/эстеры/амиды — узнать стабильность.Зачем: химические превращения дают «похоронные» доказательства — если продукт ведёт себя ожидаемо при типичных реакциях для thioethers, это подтверждает природу группы.
6) Специфические дополнительные методы
UV‑Vis дляароматических/конъюгированныхсистемдля ароматических/конъюгированных системдляароматических/конъюгированныхсистем — максимум поглощения и субституционный паттерн.Характеризация оптической чистоты / абсолютной конфигурации еслисульфоксидхираленесли сульфоксид хираленеслисульфоксидхирален: CD спектроскопия, chiral HPLC, X‑ray еслиудаётсяполучитькристаллесли удаётся получить кристаллеслиудаётсяполучитькристалл.При получении кристаллов — рентгенография определяетточнуютрехмернуюструктуруопределяет точную трехмерную структуруопределяетточнуютрехмернуюструктуру.Элементный анализ S/N ratio; при наличии N — 15N NMR и элементный анализ.7) Интерпретация данных каксопоставлятьрезультатыкак сопоставлять результатыкаксопоставлятьрезультаты
HRMS + NMR = основные подсказки по скелету AR/АЛКИЛ,кол‑возаместителейAR/АЛКИЛ, кол‑во заместителейAR/АЛКИЛ,кол‑возаместителей.Сравнение NMR до/после окисления: кардинальные сдвиги и появление S=O в IR подтвердят положение серы обычноα‑СкSсмещаетсявнизпополюобычно α‑С к S смещается вниз по полюобычноα‑СкSсмещаетсявнизпополю.MS‑фрагментация: характерные фрагменты, включающие S, помогут отделить R и R' фрагменты.Результаты Raney‑Ni/алкилирования/десульфуризации — окончательный экспериментальный «доказательный» набор.Рекомендуемая последовательность практическаяпрактическаяпрактическая
Физико‑химические тесты, растворимость, оптическая активность.HRMS точнаямассаточная массаточнаямасса + GC‑MS/LC‑MS.FTIR ориентирнаотсутствиефенолаиналичие/появлениеS=Oориентир на отсутствие фенола и наличие/появление S=Oориентирнаотсутствиефенолаиналичие/появлениеS=O.1H/13C NMR + DEPT + HSQC + HMBC + COSY.Мягкое окисление mCPBAmCPBAmCPBA, анализ продукта NMR/IR/MSNMR/IR/MSNMR/IR/MS — быстрый контроль гипотезы «тиоэфир → сульфоксид».Целевые реакции алкилирование,Raney‑Ni,сильноеокислениедосульфонаалкилирование, Raney‑Ni, сильное окисление до сульфонаалкилирование,Raney‑Ni,сильноеокислениедосульфона при необходимости для подтверждения фрагментов.Если нужно — X‑ray или chiral HPLC/CD для окончательной верификации строения и конфигурации.Ключевые диагностические признаки, на которые обращать внимание
Появление S=O в IR ~1030–1070 см‑1 при окислении.Сдвиг α‑протонов к сере в 1H NMR после окисления обычновсторонувнизпополюобычно в сторону вниз по полюобычновсторонувнизпополю.Наличие/отсутствие фенольного OH: IR и 1H NMR большойсинглет 4–10ppmдляфенольногоOH,иреакциясFeCl3отрицательнаябольшой синглет ~4–10 ppm для фенольного OH, и реакция с FeCl3 отрицательнаябольшойсинглет 4–10ppmдляфенольногоOH,иреакциясFeCl3отрицательная.Изотопное распределение в MS наличиеSналичие SналичиеS.Поведение при алкилировании/десульфуризации — подтверждение thioether характера.Если хотите, могу предложить конкретные протоколы концентрации,растворители,условияконцентрации, растворители, условияконцентрации,растворители,условия для каждого из упомянутых реактивов и реакций, и перечень характерных химических сдвигов/пиків в NMR/IR, которые ожидать для типичных алкиловых и ариловых тиоэфиров.