Uno dei successi di maggiore importanza della chimica moderna è la capacità di disegnare formule di struttura accurate di molecole complesse. Considerando che le molecole sono troppo piccole per essere osservate perfino con i più potenti microscopi ottici, come è stato possibile attribuire con precisione posizione e connessioni tra gli atomi che le compongono? Prima del 1950, le strutture venivano per lo più dedotte a partire dalla degradazione chimica di grandi molecole complesse in frammenti più piccoli già noti. Il mircene, idrocarburo terpenico, ne fornisce un semplice esempio, come mostrato nel diagramma che segue.
L'analisi dei prodotti di combustione ha fornito il rapporto tra carbonio e idrogeno dalla misurazione della quantità di biossido di carbonio e acqua prodotti, e dagli studi del punto di ebollizione si è ottenuto un peso molecolare approssimato. I gruppi funzionali con doppio legame sono stati saggiati con idrogenazione catalitica e la scissione con ozonolisi ha prodotto le piccole e note molecole della formaldeide e dell'acetone. Una ulteriore ossidazione ha formato acido succinico con perdita di biossido do carbonio. L'assemblaggio di questi frammenti nella struttura del mircene, essenzialmente un gioco di pazienza della chimica, ha richiesto perseveranza e intuito dettato dall'esperienza da parte dei primi chimici.
Se questo ha rappresentato lo stato dell'arte dell'epoca nella determinazione delle strutture chimiche, la conoscenza della reattività caratteristica dei comuni gruppi funzionali e le sfumature delle loro interazioni reciproche rappresenterebbe il minimo che si richiede per ottenere una comprensibilità di base in questo campo della chimica. Da oltre cinquant'anni, tuttavia, è stato sviluppato per questo scopo un insieme di strumenti di più facile applicazione ed interpretazione che sono largamente utilizzati dai chimici per la risoluzione di strutture molecolari. La maggior parte di quello che conosciamo circa la struttura di atomi e molecole deriva dalla studio delle loro interazioni con la luce (radiazione elettromagnetica), un argomento denominato spettroscopia di cui una completa introduzione alla spettroscopia è presente altrove in questo testo. Fortunatamente, le applicazioni della spettroscopia alla struttura molecolare sono sufficientemente chiare da essere valutate senza entrare nel dettaglio dell'esatta natura dei metodi utilizzati. Nella discussione seguente, saranno descritte le informazioni ottenibili da tre differenti metodi spettroscopici.
Per cominciare, consideriamo i tre alcani isomeri C5H12 di peso molecolare = 72. Essi sono tutti liquidi a basso punto di ebollizione mancanti di gruppi funzionali reattivi. A dispetto della loro somiglianza, essi sono facilmente distinguibili dal numero di atomi di carbonio strutturalmente diversi in ognuno, come chiarito dalla nmr in 13C. Nel diagramma seguente, gi atomi di carbonio equivalenti sono identificati dal colore. Il numero presente accanto ad ogni atomo di carbonio differente rappresenta in un certo senso l'indirizzo magnetico, chiamato chemical shift, prodotto nel corso della misura spettroscopica. Dal momento che questi chemical shifts sono influenzati da tutta la nube elettronica e dalla distribuzione dei nuclei di ogni struttura, si osservano raramente valori coincidenti, perfino per atomi di carbonio di tipo similare (come primario, secondario, terziario o quaternario). I segnali nmr che identificano ogni insieme di carboni strutturalmente identici hanno intensità differenti, che possono variare con le condizioni sperimentali. Sebbene le intensità siano all'incirca proporzionali al numero di atomi di un determinato tipo, esse possono essere influenzate da altri fattori. Di conseguenza, la nmr in 13C un conteggio qualitativo molto buono dei differenti tipi di atomi di carbonio di una molecola, ma un conteggio quantitativo scadente.
L'introduzione di un gruppo funzionale all'interno di una struttura aumenta il numero di possibili isomeri. Quanto detto è illustrato sotto per gli idrocarburi di formula C5H10 e C5H8, che possono includere atomi di carbonio con doppi e tripli legami, così come gli anelli. Non sono mostrati tutti gli isomeri per una data formula ed ogni carbonio strutturalmente univoco è designato dal colore solo una volta in ogni struttura. I gruppi funzionali con doppi e tripli legami hanno firme nell'infrarosso caratteristiche, spesso utilizzate per l'identificazione. Per gli scopi di questa discussione, tuttavia, non è necessario prendere in considerazione queste firme, in quanto la presenza di tali funzioni è facilmente stabilita dall'addizione con idrogeno; vedere l'esempio del mircene mostrato sotto. Questi gruppi funzionali possono essere anche identificati dai loro caratteristici chemical shifts della nmr in 13C. I cinque isomeri dell'alchene C5H10 mostrano tutti lo stesso numero di segnali nmr in 13C, nonostante ciò essi possono essere distinti in parte dalla loro idrogenazione catalitica in pentano o in 2-metil butano (mostrato sopra). Una ulteriore identificazione può essere ottenuta dalla reazione di ozonolisi utilizzata nel caso del mircene. Sebbene i due stereoisomeri del 2-pentene (II e III struttura della prima riga) non possono essere distinti con questo metodo, è degno di nota che due o più segnali nmr in 13C sono chiaramente diversi. I valori dei chemical shifts per i carboni sp2 negli alcheni e dei carboni sp3 degli alchini non sono solo diversi, ma è inaspettata la loro grande differenza. Una spiegazione di ciò può essere ottenuta nella sezione riguardante la spettrosopia nmr, ma non risulta importante nel presente contesto.
L'utilizzo della spettroscopia nmr in 13C ad una grande varietà di composti organici ha confermato la validità di questo strumento per la determinazione di strutture. Cliccando sul diagramma su riportato, saranno mostrati ulteriori esempi. La prima riga mostra isomeri in cui un cloro elettronegativo è legato ad un gruppo butilico. In ogni isomero il carbonio legato al cloro ha un chemical shift significativamente più grande degli altri. I primi due composti non possono essere distinti dal numero di segnali del carbonio; tuttavia, un'analisi accurata dei chemical shifts permette che si possa eseguire un'assegnazione. La seconda riga mostra tre isomeri dello xilene (dimetilbenzeni) e per confronto il benzene stesso ed il toluene (nella finestra con sfondo grigio). L'assegnazione strutturale degli isomeri si esegue facilmente dal numero di segnali dei distinti carboni mostrati da ognuno di essi. I chemical shifts dei carboni sp2 sono approssimativamente gli stessi mostrati negli alcheni. Infine, alcuni isomeri di composti dell'ossigeno sono elencati nella riga più bassa. Questi includono sia composti insaturi che ciclici, oltre a gruppi funzionali eterei, alcolici e carbonilici. La spettroscopia nell'infrarosso risulta un eccellente rivelatore di tali funzioni e alcuni assorbimenti caratteristici osservati per questi composti sono mostrati (in cm-1, reciproco del centrimetro) sotto ogni struttura. Ancora una volta, tuttavia, i dati in 13C sono quasi sufficienti all'essagnazione completa di una struttura. Se viene utilizzato un semplice test con aldeide per distinguere il primo dal secondo composto, l'ambiguità viene rimossa.
La tavola seguente delinea alcune conclusioni generali riguardanti le relazioni tra chemical shifts e legami del carbonio che sono emerse da numerose misurazioni.
l'importanza di una facile determinazione delle strutture in chimica organica può essere illustrata dalla clorurazione del 2,4-dimetilpentano in fase vapore. Questa reazione, mostrata dalla seguente equazione, genera tre mono-cloro composti isomerici. Se tutti i legami C-H fossero egualmente suscettibili a questa reazione di sostituzione con radicali liberi la formazione dell'isomero 1-cloro predominerebbe sugli altri secondo un rapporto statistico di 6:1:1. Tuttavia, quando la reazione è condotta a 100 ºC, gli altri isomeri si formano in quantità molto più elevata del previsto.
Esperimenti di questo genere sono stati utili a dimostrare che i legami C-H secondari e terziari avevano sempre energie di dissociazione di legame sempre più basse relativamente ai loro analoghi primari. Una volta separati gli isomeri con la distillazione frazionata, è stato necessario determinare l'esatta struttura isomerica. Essi hanno tutti lo stesso peso molecolare, ma differiscono per il numero di segnali in 13C. Il controllo delle formule indica che A ha sei segnali, B ne ha tre e C ne ha cinque. Prevedere i chemical shifts è possibile ma non necessario per l'assegnazione di strutture.
Experiments of this kind were instumental in demonstrating that 3º-C–H and 2º-C–H bonds had increasingly lower bond dissociation energies relative to their 1º-analogs. Once the isomers were separated by fractional distillation, it was necessary to determine which was which. They all have the same molecular weight, but differ in the number of 13C signals. Inspection of their formulas indicates that A will have six signals, B will have three and C five signals. Predicting the chemical shifts is possible but not necessary for the structure assignments.