SPETTROSCOPIA DI RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE. Studio dell Equilibrio Cheto-Enolico 2,4- pentadione 3-metil-2,4-pentadione

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1 SPETTRSCPIA DI RISNANZA MAGNETICA NUCLEARE Studio dell Equilibrio Cheto-Enolico 2,4- pentadione 3-metil-2,4-pentadione 1

2 La risonanza magnetica nucleare è una tecnica spettroscopica che permette lo studio di nuclei dotati di un momento angolare I e di un momento magnetico m. 2

3 Il campione viene inserito all interno del campo magnetico Il campo magnetico M 0 di ciascun nucleo si allinea con quello indotto B 0 Il generatore di radiofrequenza manda un impulso che viene assorbito dai nuclei del campione. Terminato l impulso, i vettori M 0 di ciascun nucleo, risentendo della forza di B o, tendono a ri allinearsi con esso. Il detector registra i segnali emessi dopo ogni impulso. 3

4 Come si conduce un esperimento NMR: Cosa fare prima di acquisire Prima dell acquisizione di uno spettro ci sono alcune operazioni preliminari da seguire: Il lock La sintonia del probe Controllo della temperatura) L omogeneita del campo magnetico 4

5 Field-FrequencyLock Lo spettrometronmr possiede un canale permanentemente sintonizzato sulle frequenze di risonanza del deuterio (2H) Il segnale generato dal 2H può essere utilizzato per: Effettuare il lock Monitorare eventuali drift di campo Shimmare il campione 5

6 Shimming (omogeneità di campo) Dopo aver agganciato il segnale lock, è necessario omogeneizzare il campo Bo (renderlo uniforme lungo tutto il campione) Esempi dell effetto di una non buona omogeneità su un segnale 6

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8 Esperimento: one pulse L esperimento più semplice che si può effettuare con uno spettrometro NMR e l acquisizione di uno spettro protonico mediante l applicazione di un singolo impulso di eccitazione. L esperimento e semplice in quanto si perturba la magnetizzazione di un solo nucleo, il protone, con elevata abbondanza naturale e ottima sensibilità. 8

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11 Impulso di radiofrequenza In tutti gli esperimenti NMR l impulso gioca un ruolo fondamentale in quanto dalla sua frequenza, dalla sua potenza e dalla sua durata dipende la perturbazione del sistema e quindi la magnetizzazione osservabile. 11

12 Calibrazione dell impulso Per calibrare il segnale bisogna cercare di mantenere le seguenti condizioni sperimentali: Usare un campione sufficientemente concentrato per avere un segnale con una sola scansione, ma non troppo concentrato onde evitare effetti di saturazione del segnale. il probe deve essere sintonizzato Attenzione al D1 Il valore del delay deve essere D1> 5 T 1 (tempo di rilassamento spin-reticolo ) 12

13 Calibrazione dell impulso La combinazione della durata dell impulso e della sua potenza determinano di quanto viene ruotato il vettore magnetizzazione (flip-angle). Definita quindi la potenza, si acquisiscono una serie di spettri modificando la durata dell impulso e osservando come varia l'intensità del segnale: 13

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16 Parte sperimentale Studio dell equilibrio chetoenolico del 2,4 pentadione e del 3 metil-2,4 pentadione. Le due forme in equilibrio sono dette tautomeri protonici in quanto differiscono per la posizione di un doppio legame e di un atomo di idrogeno. Lo scopo dell esperienza: - ttenere gli spettri 1 H NMR dei campioni - Interpretazione degli spettri - Determinazione della costante di equilibrio K 16

17 Come ricavare la K da uno spettro NMR Per ricavare la K occorre attribuito ciascun protone dello spettro: lo spostamento chimico (ppm) l area la costante di accoppiamento J 17

18 3-metil-2,4-pentadione C H 3 3-methylpentane-2,4-dione C H 3 H 4-hydroxy-3-methylpent-3-en-2-one Forma chetonica: Un singoletto relativo ai due gruppi metilici terminali intorno a 2 ppm Un doppietto relativo al gruppo metilico evidenziato in celeste tra 1 e 2 ppm Un quadrupletto relativo al CH tra i due gruppi chetonici tra 3 e 4 ppm Forma enolica: Un singoletto relativo ai due gruppi metilenici terminali intorno a 2 ppm Un singoletto relativo al gruppo metilico evidenziato in arancione tra 1 e 2 ppm Un singoletto relativo al gruppo ossidrilico (H) oltre i 10 ppm 18

19 3-metil-2,4-pentadione C H 3 3-methylpentane-2,4-dione H H 3 C 4-hydroxy-3-methylpent-3-en-2-one Forma chetonica d (ppm) Molteplicità 2,098 Singoletto 1,23 Doppietto,583 Quadrupletto Forma enolica d (ppm) Molteplicità 2,019 Singoletto 1,743 Singoletto H 16,332 Singoletto 19

20 2,4-pentadione. H H 3 C pentane-2,4-dione C H 3 4-hydroxypent-3-en-2-one Forma chetonica: Un singoletto relativo ai due gruppi metilici terminali circa a 2 ppm Un singoletto relativo al CH 2 tra i due gruppi chetonici a circa 3 ppm Forma enolica: Un singoletto relativo ai due gruppi metilenici terminali a circa 2 ppm Un singoletto relativo all idrogeno nel doppio legame a circa 5 ppm Un singoletto relativo al gruppo ossidrile oltre i 10 ppm 20

21 2,4-pentadione H H 3 C pentane-2,4-dione C H 3 4-hydroxypent-3-en-2-one Forma chetonica Δ (ppm) Molteplicità 2,208 Singoletto CH 2 3,557 Singoletto Forma enolica Δ (ppm) Molteplicità 2,013 Singoletto CH 5,464 Singoletto H 15,374 Singoletto 21

22 Area e costante di accoppiamento J Costante di accoppiamento J: rappresenta la distanza tra due picchi in un multipletto ed è espressa in Hz. Area: calcolo dell integrale dell area sottesa dal picco. 22

23 C H 3 3-metil-2,4-pentadione 3-methylpentane-2,4-dione H H 3 C 4-hydroxy-3-methylpent-3-en-2-one Forma chetonica J (Hz) Molteplicità Area - Singoletto 7,29 7,172 Doppietto 3,84 CH 7,172 Quadrupetto 1,22 Forma enolica J (Hz) Molteplicità Area - Singoletto 5,36 - Singoletto 2,44 H - Singoletto 1,00 23

24 2,4-pentadione H H 3 C pentane-2,4-dione C H 3 4-hydroxypent-3-en-2-one Forma chetonica J (Hz) Molteplicità Area - Singoletto 1,68 CH 2 - Singoletto 0,45 Forma enolica J(Hz) Molteplicità Area - Singoletto 6,36 CH - Singoletto 1,00 H - Singoletto 1,10 24

25 Costante di equilibrio K La costante dell equilibrio cheto-enolica è espressa dal rapporto fra la concentrazione di forma enolica e di quella chetonico. K = [E]/[K] Per calcolare questo rapporto si analizza l area di un picco della forma enolica e chetonica, scegliendo quello più pulito, cioè con meno impurezze. Poiché le due aree devono essere in proporzione fra loro, nel caso in cui prendessimo un picco relativo a più protoni equivalenti occorrere dividere la sua area per il numero di protoni che rappresenta. 25

26 3-metil-2,4-pentadione C H 3 3-methylpentane-2,4-dione H H 3 C 4-hydroxy-3-methylpent-3-en-2-one K = [forma enolica]/ [forma chetonica] K = [ ]/[ ] =2,44/3,74= 0,65 2,4-pentadione H 3 C C H 3 H pentane-2,4-dione 4-hydroxypent-3-en-2-one K = [forma enolica]/ [forma chetonica] K = [CH]/[CH 2 /2] =1/0,225 = 4,44 26

27 Valori della costante di equilibrio rilevati dalla letteratura a 33 C: 3metil-2,4-pentadione K = 4,3 2,4-pentadione K = 0,43 27

28 Il materiale presente in questa presentazione è in parte originale (esperimenti fatti dagli studenti del corso) in parte preso dalle seguenti fonti: materiale preso da internet in forma molto ridotta per un uso a scopo esclusivamente informativo Burdett JL and Rogers MT; Keto-Enol tautomerism in b-diacrbonyls studied by Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. 1. Proton Chemical Shift and equilibrium Constants of Pure Componds; J. Amer. Chem. Soc. 86, (1964) Lockwood KL; Solvent effect on the Keto-Enol equilibrium of Acetoacetic ester: J. Chem. Edu. 42, (1965) 28