Spettroscopia 13 C NMR

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1 L analisi degli spettri 13 C NMR non differisce molto da quella dell 1 H. La principale differenza risiede nella minore sensibilità osservata nella registrazione degli d spettri 13 C che pertanto richiedono la tecnica FT NMR. È necessario considerare alcuni fattori prima di iniziare l analisi di spettri 13 C: 13 C: L abbondanza naturale del 13 C è del 1,1 % Normalmente non sono osservati accoppiamenti C 13 Il range di chemical shift è compreso tra 0 e 250 ppm. Diversi fattori influiscono sul chemical shift. 13 C a causa della bassa probabilità. A A causa dei lunghi tempi di rilassamento dei carboni, gli integrali non danno informazioni sul numero di carboni. Gli spettri 13 C sono generalmente registrati con disaccoppiamento a banda larga dal protone, ottenendo in tal modo spettri semplici di più facile interpretazione. ione. Informazioni ottenibili da uno spettro 13 C Valori di chemical shifts degli atomi di carbonio Numero di atomi di carbonio diversi Numero dei protoni legati ad ogni atomo di carbonio

2 Per la risonanza di nuclei diversi (γ( diverso) ad un determinato valore di B 0 sarà necessaria una frequenza diversa ν. γ ν = B 2π 0 Nucleo Spin γ (rad T -1 s -1 ) x 10 7 Abbondanza (%) Sensitività (%) Frequenza in MHz a 2,35 T 1 H 1/ H * Li 3/ B * 3/ C 1/ N * N 1/ O * 5/ F 1/ Si 1/ P 1/ * Presentano momento di quadrupolo

3 E = γ h B 0 E Considerando che sperimentalmente l'ampiezza di un segnale NMR è proporzionale al cubo della costante giromagnetica la sensibilità dell'esperimento 13 C NMR sarà molto bassa! Questo perché: B 0 E E = hν 13 C 1 H γ 1 H γ 13 C = 26,75 = 6,73 Segnale 13 C = ( ¼ ) 3 segnale 1 H = 1/64 del segnale 1 H Considerando l abbondanza isotopica (1.1 %) del 13 C, si deduce che il segnale 13 C NMR è circa 6000 volte meno intenso di quello 1 H NMR!!!! La frequenza di risonanza del 13 C è più bassa di quella dell 1 H (ca( ¼) pertanto ne risulta un minore eccesso di nuclei nello stato α che si traduce in una ridotta sensibilità.

4 Differenze nell aspetto dello spettro 13 C del colesterolo: a) spettro completamente accoppiato; b) spettro disaccoppiato a banda larga dal protone

5 I fattori che influenzano gli spostamenti chimici 13 C sono analoghi a quelli descritti per il protone: 1) IBRIDAZIONE DEGLI ATOMI DI C: anche in questo caso carboni ibridati sp 3 risuonano a campi più alti rispetto a quelli ibridati sp 2. A metà strada di trovano i carboni ibridati sp, che risentono del fenomeno dell anisotropia diamagnetica 2) EFFETTO INDUTTIVO: i sostituenti elettronegativi provocano una deschermatura sul carbonio c in posizione α, in maniera proporzionale alla loro elettronegatività 3) EFFETTO MESOMERICO: la delocalizzazione delle cariche nei sistemi insaturi (anelli aromatici, carbonili α,β insaturi) provoca delle variazioni dei chemical shift 4) DEFICIENZA DI CARICA ELETTRICA: i carbocationi assorbono a campi molto bassi (e frequenze molto alte, circa 400 ppm) 5) PRESENZA DI UN DOPPIETTO ELETTRONICO NON CONDIVISO: i carbanioni assorbono a campi più bassi (+ 50 ppm) ) delle corrispondenti specie neutre 6) EFFETTO ISOTOPICO: la sostituzione in un legame C X C X dell atomo X con un suo isotopo più pesante provoca una schermatura dei carboni α e β. 7) EFFETTO DELL ATOMO PESANTE: la progressiva sostituzione con alogeni a peso molecolare crescente provoca schermatura 8) EFFETTI STERICI: quando due atomi di C si trovano tra loro in posizione gauche o eclissata, la compressione sterica provoca la schermatura di entrambi i nuclei di 5 10 ppm

6 : tabelle di correlazione di chemical shift

7 : tabelle di correlazione di chemical shift

8 Parametri di shift 13 C per alcani lineari e ramificati δ= ΣnA A = parametro di shift n = numero di atomi di carbonio per ciascun parametro di shift δ 1 = (9.1 x 1) + (9.4 x 1) + (-2.5( x 2) + (0.3 x 1) = 11.3 δ 2 = (9.1 x 2) + (9.4 x 2) + (-2.5( x 1) + (-2.5( x 1) = 29.5 δ 3 = (9.1 x 3) + (9.4 x 2) + (-3.7( x 2) = 36.2 a La notazione 1 (3 ) e 1 (4 ) si riferisce a un CH3 legato ad un gruppo R 2 CH e a un gruppo R 3 C. La notazione 2 (3 ) si riferisce ad un RCH 2 legato ad un R 2 CH e così via. I chemical shift dei Cγ sono a campi più alti a causa della compressione sterica nota come effetto Gauche δ 6 = (9.1 x 1) + (9.4 x 2) + (-2.5( x 2) + (-1.1( x 1) = 19.3 Y gauche Cγ Y Cγ anti

9 Incrementi per alcani sostituiti Chemical shift 13 C per alcani lineari e ramificati γ β H 3 C H 2 C H C α OH CH 2 CH 3 Cα = = 75.7 (73.8) Cβ = = 30.8 (29.7) Cγ = = 8.9 (9.8) Aggiungere gli incrementi al valore dell appropriato carbonio del corrispondente alcano saturo mostrato nella tabella affianco.

10 Calcolo dei chemical shift per alcheni mono e disostituiti. H 3 C H H H 1 2 O δ 1 = = (153.7) δ 2 = = (134.9) C 6 H 5 H 1 2 C 2 H 5 H δ 1 = = (148.9) δ 2 = = (109.7)

11 O O O O Effetto della risonanza

12 Calcolo dei chemical shift in derivati aromatici. Al valore base di vengono addizionati gli incrementi I 1, I 2, ecc. relativi ai sostituenti. Il valore dell incremento I dipende dal sostituente e dalla sua posizione rispetto al C calcolato. δ i = I 1i + I 2j +. O 2 N 6 5 Cl 1 4 OCH OCH 3 δ 1 = = (113.8) δ 2 = = (159.9) δ 3 = (-15( x 2) = (97.2) δ 4 = = (154.5) δ 5 = = (131.9) δ 6 = (0.9 x2) = (127.7)

13 Effetto della simmetria molecolare sui chemical shift dei 13 C di derivati aromatici. Gli isomeri orto, meta e para possono essere agevolmente distinti dall analisi degli spettri del 13 C. 13 C.

14 chemical shift per alogeno derivati È osservato l effetto dell atomo pesante per la sostituzione geminale con Br e I. Cl e Br mostrano l effetto di schermo γ-gauche

15 chemical shift di derivati carbonilici Aldeidi e chetoni: ppm

16 Acidi carbossilici, esteri, ammidi, nitrili e cloruri acilici: : ppm

17 : Accoppiamento 13 C 1 H Negli spettri 13 C NMR completamente accoppiati al protone è rispettata la regola (n + 1) pertanto i segnali relativi al CH 3, CH 2, CH appariranno come un quartetto, tripletto e doppietto rispettivamente; il carbonio quaternario si presenta come singoletto.. L accoppiamento 13 C- 13 C non è osservabile per la bassa abbondanza isotopica. CH 3 CH 2 CH C La 1 J C-H sono di solito molto grandi ( Hz) e dipendono: -Ibridazione dell atomo di carbonio, 1 J C-H 500 s (% di carattere s); -Elettronegatività dei sostituenti; (sostituenti( elettronegativi aumentano la costante, viceversa sostituenti elettropositivi la riducono) -Angolo di legame. È possibile osservare accoppiamenti 2 J e 3 J il cui range varia tra 5 e 60 Hz. Per Csp 3 2 J C H 3 J C H Per Csp 2 (es derivati aromatci) 2 J C H < 3 J C H

18 Tipici valori per 1 J C-H

19 Tipici valori per 2 J C-H Accoppiamenti con eteronuclei n J C-X

20 È possibile registrare uno spettro 13C con diverse modalità: -Broad Band Decoupling (disaccoppiato dal protone, con effetto NOE) -Gated Decoupling (accoppiato al protone, con effetto NOE) -Inverse Gated Decoupling (Disaccoppiato dal protone, senza effetto NOE) -Off Resonance Decoupling (accoppiato al protone, si osserva la molteplicità del segnale ma non la reale costante di accoppiamento, utile per evitare sovrapposizioni) posizioni) 13 C{ 1 H} Broad Band decoupling: : non c è accoppiamento con il protone si hanno informazioni solo sui chemical shift.. Si osserva l effetto NOE. Gated Decoupling: si osserva l accoppiamento con il protone e si conserva l effetto NOE. Si ottengono più informazioni dalla molteplicità dei segnali.

21 Spettro del dietilftalato 13 C NMR Broad Band Decoupling Completamente disaccoppiato 13 C NMR Completamente accoppiato 13 C NMR Completamente accoppiato Gli allargamenti mettono in evidenza gli accoppiamenti 2 J e 3 J C-H

22 Negli spettri 13 C disaccoppiati BB, i nuclei non rilassano in modo uniforme in seguito ad un impulso, e le aree dei picchi non integrano per il numero corretto di atomi di carbonio. NUMERO DI PROTONI LEGATI AL 13 C T 1 (CH 3 ) < T 1 (CH 2 ) < T 1 (CH) < T 1 (C) f h h g f h e f d c O O b a g b d a c e

23 C NMR BB O 1 H NMR O C NMR acc C NMR acc C NMR acc

24 NOE: Nuclear Overhauser Effect cambia l intensità dei segnali NMR!! A β α A A r B β β β α α β α α B β α A β β α α B α β Livelli energetici per due nuclei A-B A B ( 13 C 1 H) che mostrano solo un accoppiamento dipolare. NOE: f 1 r 3 η = γ A 2 γ B saturato osservato

25 La meccanica quantistica stabilisce la regola di selezione per le transizioni di spin: : sono permesse transizioni con un solo cambiamento di spin per volta. Transizioni a singolo quanto. E β β η = γ A 2 γ B saturato osservato β α 13 C W 0 1 H W 2 1 H 13 C α β Negli esperimenti NOE si dovrebbe saturare il nucleo più sensibile per osservare quello meno sensibile. L intensità del segnale osservato è aumentata di un valore pari a: I = (1 + η)i 0 α α

26 : effetto NOE a) E β β N 4 = B δ B ½ δ W 2 N 4 b) N 2 N 3 = B β α 13 C 1 H 1 H 13 C α β N 2 N 3 = B N 3 B + ½ δ N 1 W 0 B + ½ δ N 2 B ½ δ α α N 1 = B + δ N 1 N 2 = B + ½ δ (B ½ δ) ) = δ N 3 N 4 = B + ½ δ (B ½ δ) ) = δ N 1 N 2 = B + δ B = δ N 3 N 4 = B B δ = δ B ½ δ d β β N 4 13 C N 1 N 2 = B + ½ δ + d (B ½ δ) ) = δ + d N 1 N 3 N 4 = B + ½ δ (B ½ δ d) = δ + d α α B + ½ δ + d N 3 B + ½ δ β α 13 C α β N 2 B ½ δ c)

27 Interazione dipolo - dipolo Questo tipo di rilassamento riveste importanza nell effetto NOE, è dovuto al movimento molecolare che fa variare la posizione relativa di nuclei vicini con conseguente variazione del campo magnetico. È dipendente dalla distanza d e dalle costanti giromagnetiche dei nuclei vicini: R 1 = k γ 2 I γ 2 S (r IS ) -6 τ c

28 Esempi di applicazione di NOE omonucleare per la risoluzione di problemi stereochimici Cl Cl Cl Cl + 45 % Ha Hb OCOCH % Cl Cl + 17 % H 3 C H 3 C N - 2 % H O H 3 C H 3 C - 4 % H COOH

29 Inverse Gated Decoupling A causa dei tempi di rilassamento più lunghi (T 1 ) e la presenza di effetto NOE solo per carboni che legano protoni, l area dei picchi 13 C NMR non è correlabile con il numero di atomi di carbonio. La stima del T 1 può risultare indispensabile per evitare di perdere dei segnali se non si usa un opportuno R d. Effetto del T 1 e del NOE sull intensità dei picchi IGD R d = 5T 1 IGD R d < T 1 BBD R d < T 1

30 Tempi di rilassamento per i 13C

31 : Inversion recovery,, calcolo del T 1

32 Effetto della simmetria e del campo magnetico

33 : DEPT Distorsionless Enhancement by Polarization Transfer È un esperimento in cui, tramite una opportuna sequenza di impulsi, è possibile stabilire il numero di protoni legati ad un atomo di carbonio DEPT 90 Solo CH DEPT CH, CH CH BBD

34 CH, CH 3 CH 2 CH Tutti i carboni protonati

35 esercizi O H 2 N OH O d d Molecular Formula = C 8 H 9 NO q s s s

36 esercizi Molecular Formula = C 7 H 7 NO 3 d d d q s s s Molecular Formula = C 4 H 6 O d t d t

37 esercizi d t t Molecular Formula = C 6 H Molecular Formula = C 12 H 12 O s d d d s s d d q q