Metodi spettroscopici in Chimica Organica

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1 Metodi spettroscopici in Chimica Organica II Edizione Manfred Hesse Università di Zurigo Herbert Meier Università di Mainz Bernd Zeeh BASF Limburgerhof Edizione italiana a cura di Giorgio Abbiati Facoltà di Farmacia - Università degli Studi di Milano Elena Pini Facoltà di Farmacia - Università degli Studi di Milano Elisabetta Rossi Facoltà di Farmacia - Università degli Studi di Milano

2 Titolo originale: M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh Spectroscopic Methods in Organic Chemistry, II ed. Copyright 2008 Georg Thieme Verlag, Stuttgart New York Metodi spettroscopici in Chimica Organica, II ed. Copyright 2010, EdiSES S.r.l. Napoli Le cifre sulla destra indicano il numero e l'anno dell'ultima ristampa effettuata A norma di legge, le pagine di questo volume non possono essere fotocopiate o ciclostilate o comunque riprodotte con alcun mezzo meccanico. La Casa Editrice sarebbe particolarmente spiacente di dover promuovere, a sua tutela, azioni legali verso coloro che arbitrariamente non si adeguano a tale norma. L Editore Fotocomposizione: EdiSES S.r.l. Napoli Fotoincisione: PrintSprint Napoli Stampato presso la Tipolitografia Sograte srl Zona Ind. Regnano Città di Castello (PG) per conto della EdiSES Napoli info@edises.it ISBN

3 Prefazione Sono passati almeno trent anni da quando è stato pubblicato il primo libro di testo riguardante i metodi spettroscopici per la determinazione della struttura dei composti organici. Negli ultimi tre decenni, le tecniche spettroscopiche in particolare la risonanza magnetica nucleare (NMR) e la spettrometria di massa (MS) sono state notevolmente migliorate. I rapidi progressi delle tecnologie computerizzate sono da considerarsi il prerequisito più importante per il grande sviluppo dell analisi strumentale. La definizione delle strutture molecolari (composizione, configurazione e conformazione) può essere ottenuta in breve tempo e con un accuratezza che in passato non era possibile. Un altro obiettivo riguarda lo studio di metodologie di analisi che impieghino quantità di analita sempre più piccole, dell ordine dei picogrammi fino ai femtogrammi. Inoltre, l analisi di miscele complesse ha acquisito sempre più importanza. Il limite di rilevabilità dei sottoprodotti indesiderati e nocivi si è sempre più abbassato. La natura fornisce numerosi sorprendenti esempi di elevata sensibilità analitica, come l olfatto dei cani poliziotto che seguono le tracce dei criminali o i sensori delle farfalle maschio che identificano l unica e sola femmina in un mondo di profumi e di odori sgradevoli. L analisi in tracce e l identificazione strutturale giocano un importante ruolo nello studio delle sostanze farmacologicamente o biologicamente attive e dei loro metaboliti. Molti tecnici sono coinvolti in queste tematiche nel contesto del doping nello sport e nel body-building. Un altra diffusa area di applicazione per gli studi analitici riguarda la valutazione dell inquinamento ambientale con sostanze tossiche o con materiali nocivi e pericolosi. Dal momento che questo libro è diretto agli studenti che iniziano a imparare la determinazione della struttura delle molecole organiche, in tutti i capitoli viene dato particolare rilievo alle possibili fonti di errore e a un adeguata correzione dei problemi e degli errori. Per la soluzione delle problematiche analitiche complesse, è sempre consigliato utilizzare diverse tecniche analitiche. Per esempio, un parametro di riferimento è la valutazione della purezza. Le impurezze dei composti possono avere origini diverse e a volte inaspettate (composti di partenza, solventi, materiali di supporto, prodotti di decomposizione, ammorbidenti utilizzati per materie plastiche, impurezze presenti nei dispositivi, etc.). Normalmente la purezza di un composto organico viene controllata attraverso una corretta analisi elementare. Oggigiorno molte riviste scientifiche accettano in alternativa la spettrometria di massa ad alta risoluzione (HRMS); comunque, l analisi HRMS fornisce una prova riguardo alla formula empirica ma non riguardo alla purezza del composto. Nella moderna chimica organica chemo-, regio- e stereoselettività sono sfide importanti. Inoltre, deve essere prestata particolare attenzione alla presenza di isomeri con proprietà spettroscopiche simili. Gli studi che riguardano la selettività delle reazioni organiche devono includere la valutazione delle miscele di reazione e non solo dei prodotti isolati (e possibilmente arricchiti). Nel testo si è cercato di prendere in considerazione tutti quei punti di vista che presentano lo stato dell arte e di discutere le applicazioni senza scendere troppo nello specifico degli strumenti e dei software. Rispetto alla precedente edizione inglese, questa è stata arricchita integrando i paragrafi già esistenti e inserendone di nuovi. UV/Vis: sono stati aggiunti gli oligomeri coniugati e i polimeri, gli aggregati e i complessi a trasferimento di carica; è stato ampliato il capitolo che riguarda i metodi chiroottici. IR/Raman: è stato dato molto più spazio alla tecnica FT-IR e all elaborazione dei dati. NMR: sono state aggiunte tecniche più sofisticate 1D, 2D e 3D (TOCSY, HOHAHA, HMQC, HSQC, HMBC); è stato discusso dettagliatamente l utilizzo di metodi accoppiati per la completa assegnazione di tutti i segnali 1 H e 13 C di un composto. MS: è stata aggiunta la spettrometria di massa FT-ICR; la bibliografia è stata aggiornata e suddivisa in metodi, applicazioni e classi di composti. Esempi combinati: il numero di questi esempi è stato raddoppiato da 7 a 14. Inoltre, in tutti i capitoli è stato preso in considerazione l accoppiamento tra processi separativi e caratterizzazione spettroscopica.

4 Prefazione alla seconda edizione italiana L identificazione e la caratterizzazione strutturale di un composto organico rappresentano una sfida irrinunciabile sia da un punto di vista didattico che scientifico. E il maggior pregio del testo di Manfred Hesse, Herbert Meier e Bernd Zeeh è proprio quello di appassionare i neofiti allo studio dei metodi spettroscopici e contemporaneamente essere un utile strumento di pronta consultazione per gli addetti ai lavori. In questo senso la nuova traduzione, basata sulla seconda edizione inglese, si pone in una nicchia didattico scientifica ancora vuota nel panorama dell editoria italiana del settore. La nuova edizione conserva e approfondisce la parte dedicata alla rigorosa trattazione teorica dei principi di base e contemporaneamente è caratterizzata da un up-date sulle più moderne tecniche spettroscopiche. Ogni capitolo è valorizzato dalla presenza di numerose tabelle per una rapida correlazione tra dato e caratteristica strutturale, nutriti esempi interpretativi e una serie di riferimenti bibliografici puntuali e aggiornati. Le tabelle di dati in particolare sono ben calibrate per soddisfare le esigenze sia degli studenti che del personale più esperto, contengono infatti informazioni chiare pur spaziando nei diversi ambiti della chimica organica, dalle molecole più semplici alle più complesse fino a comprendere composti di origine naturale e biomolecole. L ultimo capitolo infine, riporta quattordici esempi di caratterizzazione strutturale. Le soluzioni dettagliate mostrano la complementarietà tra le tecniche spettroscopiche ed evidenziano come solo un accurata analisi incrociata di più dati sperimentali può condurre a una identificazione inequivocabile del sistema in esame. I problemi proposti, alcuni dei quali di una certa complessità, costituiscono tanto uno stimolo per lo studente quanto uno spunto per il docente. Nella traduzione del testo ci siamo permessi qualche precisazione e una certa autonomia stilistica con l obiettivo di rendere il libro più godibile dagli studenti, dai docenti e dagli studiosi italiani. Per lo stesso motivo abbiamo deliberatamente scelto di non tradurre i termini e gli acronimi inglesi ormai di uso comune tra gli specialisti del settore. Giorgio Abbiati, Elena Pini, Elisabetta Rossi

5 Indice generale 1 Spettroscopia UV/Vis 1 H. Meier 1 Introduzione teorica Transizioni elettroniche L assorbimento della luce e lo spettro 4 2 Preparazione del campione e registrazione dello spettro 7 3 Cromofori Gruppi cromofori singoli e loro interazioni Olefine, polieni Benzene e aromatici benzenoidi Composti carbonilici Oligomeri e polimeri coniugati Aggregati molecolari, complessi a trasferimento di carica 23 4 Applicazioni della spettroscopia UV/Vis 24 5 Spettroscopia in derivata 26 6 Metodi chiroottici 27 Bibliografia Assorbimenti COH Assorbimenti OOH e NOH 49 8 Assorbimenti IR di tripli legami e doppi legami cumulati 51 9 Assorbimenti IR di doppi legami Assorbimenti IR di composti aromatici Assorbimenti IR nella regione dell impronta digitale Esempi di spettri IR Tecnologie informatiche a supporto della spettroscopia IR Spettroscopia IR quantitativa Spettroscopia Raman Effetto Raman Regole di selezione Spettrometri Raman Applicazioni 72 Bibliografia 73 2 Spettroscopia IR e Raman 33 B. Zeeh 1 Introduzione 33 2 Principi e regole di selezione 34 3 Spettrometri IR Spettrometri IR classici (a scansione) Spettrometri IR a trasformata di Fourier Tecniche accoppiate 38 4 Preparazione del campione Misure in fase gassosa Misure in fase liquida Misure in soluzione Misure allo stato solido 39 5 Lo spettro IR 40 6 Assorbimenti caratteristici. Quadri sinottici 44 7 Assorbimenti IR di legami semplici con l idrogeno 48 3 Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare 74 H. Meier 1 Principi fisici Il fenomeno della risonanza Lo spostamento chimico L accoppiamento spin-spin Ampiezza del segnale (line width) Intensità dei segnali 87 2 Spettri NMR e struttura molecolare Molecole che possiedono una struttura rigida Mobilità intramolecolare I processi di scambio chimico 99 3 Spettroscopia 1 H-NMR Preparazione del campione e acquisizione degli spettri (tecniche CW e PFT) Spostamenti chimici 1 H Accoppiamento 1 H, 1 H Accoppiamenti con altri nuclei 118

6 VI Indice generale 3.5 Correlazione tra struttura e spostamento chimico del 1 H Le regole dell additività per la valutazione degli spostamenti del 1 H Dati 1 H-NMR caratteristici di alcune delle più importanti classi di composti Tecniche avanzate Spettroscopia 13 C-NMR Preparazione del campione e registrazione dello spettro Spostamenti chimici del 13 C Accoppiamenti 13 C, 1 H Accoppiamenti del 13 C con altri nuclei (D, F, N, P) Accoppiamenti 13 C, 13 C Correlazione tra spostamenti 13 C ed elementi strutturali Regole dell additività per la stima degli spostamenti 13 C Tecniche avanzate Combinazioni tra spettroscopia 1 H e 13 C La completa attribuzione dei segnali 1 H e 13 C Utilizzo di banche dati Dati 1 H e 13 C tipici delle più importanti classi di composti NMR di altri nuclei Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del 19 F Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del 31 P Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare del 15 N Altri nuclei 238 Bibliografia Spettrometria di massa 242 M. Hesse 1 Introduzione Strumentazione e registrazione degli spettri Schema generale di uno spettrometro di massa Frammentazione di composti organici Principali reazioni di frammentazione di composti organici Scissione α Scissione benzilica e allilica Scissione di legami non attivati Reazione di retro Diels-Alder (reazione RDA) Trasposizione di McLafferty Reazione onio Eliminazione di CO Reazioni termiche all interno dello spettrometro (EI-MS) Principali esempi di reazioni termiche Riconoscimento delle reazioni termiche Inibizione delle reazioni termiche Spettri di massa di miscele e sostanze impure Solventi Additivi di solventi Additivi di reagenti Prodotti provenienti da apparecchiature di laboratorio Materiali provenienti da lastre TLC Marcatura con isotopi Reazioni di scambio H/D Trasformazione di gruppi funzionali in presenza di agenti deuteranti Determinazione del grado di marcatura Altri metodi di ionizzazione Metodi di ionizzazione alternativi Ionizzazione chimica a pressione ambiente, APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionisation) Ionizzazione chimica, CI (Chemical Ionization) Ionizzazione chimica diretta, DCI (Direct Chemical Ionization) Ionizzazione elettrospray, ESI (ElectroSpray Ionisation) Bombardamento con atomi veloci, FAB (Fast Atom Bombardment) Desorbimento di campo, FD (Field Desorption) Ionizzazione di campo, FI (Field Ionization) Spettrometria di massa per addizione di cationi Spettrometria di massa a desorbimento/ ionizzazione laser, LDI (Laser Desorption/ Ionization) Desorbimento/ionizzazione da laser assistita da matrice, MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation) Fotoionizzazione, PI (PhotoIonization) Spettrometria di massa di ioni secondari, SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) Spettrometria di massa per desorbimento termico, TD (Thermal Desorption mass spectrometry) 298

7 Indice generale VII 8.15 Processo di ionizzazione termospray, TSI (Thermo Spray Ionisation) Altri aspetti della spettrometria di massa Risonanza ionica ciclotronica a trasformata di Fourier, FT-ICR (Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance) Cinetica di ionizzazione di campo (Field Ionization Kinetic; FIK) Misura di masse elevate Spettrometri a trappola ionica Accoppiamento di altri strumenti con spettrometri di massa Ioni a carica multipla Effetto memoria Reazioni di frammentazione assistita da gruppi vicinali Analizzatori di massa a quadrupolo Collezioni di spettri Stereoisomeri Attivazione per collisione, CA, CID (Collision Activation, Collision Induced Dissociation) Spettroscopia di massa tandem Segnali metastabili Tabelle per spettrometria di massa Listato degli ioni più comuni e delle differenze di massa caratteristiche di reazioni chimiche in spettrometria di massa Differenze di massa tra reagenti e prodotti nelle più comuni reazioni organiche Rapporti isotopici in composti contenenti Cl e Br Spettri di massa di solventi Spettri di massa delle impurezze più comuni Numeri di massa e abbondanza isotopica degli elementi naturali 345 Bibliografia Esempi combinati 355 Introduzione 355 Esempi Soluzioni degli esempi Acronimi e abbreviazioni 421 Indice analitico 423 Indice delle classi di composti 430 Indice dei composti 442

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