2. La Struttura dei Composti Organici e le caratteristiche chimico-fisiche

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1 2. La Struttura dei Composti Organici e le caratteristiche chimico-fisiche 6. Spettroscopia Giuseppe G. Carbonara

2 La struttura dei composti organici 6. Spettroscopia I. Analisi elementare II. Spettri di assorbimento: generalità III. Spettri nell ultravioletto e nel visibile IV. Spettri infrarossi V. Spettri di risonanza magnetica nucleare VI. Spettri di massa VII. Risoluzione di problemi strutturali con metodi spettroscopici GC_FA-TE-ORG 2.6b_

3 Struttura molecolare HO HO OH? Adrenalina HN CH 3 4-[(1R)-1-idrossi-2-(metilammino)etil]benzen-1,2-diolo R GC_FA-TE-ORG 2.6b_

4 Analisi elementare quantitativa Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF Determinazione della struttura Effettuata con un microanalizzatore automatico - sistema gascromatografico/tcd (rivelatore a conducibilità termica) o con forno di combustione. 700 C y w C H N O + O x CO + H O + N 2 2 x y w z Risultato: 700 C peso camp. + O peso CO + peso H O + peso N 4,337 mg 9,38 mg 2,77 mg 0,66 mg peso di C nel camp. = peso di H nel camp. = 12,01 (peso-formula C) 9,38 (mg CO 2) = 2,559 mg C 44,01 (peso-formula CO ) 2 2 2,018 (peso-formula H 2) 2,77 (mg H2O) = 0,310 mg H 18,02 (peso-formula H O) 14,00 (peso-formula N) peso di N nel camp. = 0,66 (mg N ) = 0,332 mg N 2 28,00 (peso-formula N ) 2 GC_FA-TE-ORG 2.6b_

5 Determinazione della struttura Analisi elementare quntitativa Calcolo della formula bruta mg C 2,559 % C = 100% = 100% = 59,00% C mg camp. 4, 337 mg H 0,310 % H = 100% = 100% = 7,15% H mg camp. 4, 337 mg N 0,332 % H = 100% = 100% = 7,65% mg camp. 4, 337 Differenza = 100,00% - 59,00% - 7,15% - 7,65% = 26,20% O N N atomi di C = N atomi di H = N atomi di N = N atomi di O = 59,11 4,913 4,913 ; 12,01 0,55 7,15 7,093; 7,093 1,008 0,55 7,65 0,55; 0,55 14,01 0,55 26,20 1,64; 1,64 15,99 0, C 9 H 13 NO 3 formula bruta (P.M. e formula molecolare esatti determinati con MS) GC_FA-TE-ORG 2.6b_

6 Caratteristiche molecolari Composizione = C (59.00%) H (7.15%) N (7.65%) O (26.20%) Formula Molecolare = C 9 H 13 NO 3 Massa nominale 183; Massa esatta = HO HO OH R HN CH 3 Composizione elementare e peso molecolare Connettività, gruppi funzionali e forze di legame Insaturazioni, delocalizzazione, aromaticità e distribuzione elettronica Stereochimica Orbitali molecolari (HOMO, LUMO) Proprietà magnetiche dei nuclei e degli elettroni GC_FA-TE-ORG 2.6b_

7 Caratteristiche molecolari 2 Composizione elementare e peso molecolare INFORMAZIONI Si possono ottenere distruggendo la molecola (analisi elementare, MS) Connettività, gruppi funzionali e forze di legame Insaturazioni, aromaticità e distribuzione elettronica Sterochimica Orbitali molecolari Proprietà magnetiche dei nuclei Si possono ottenere irradiando la molecola con fotoni (hn), in modo non distruttivo, utilizzando regioni diverse dello spettro elettromagnetico Calcoli quanto-meccanici al computer GC_FA-TE-ORG 2.6b_

8 Lo spettro elettromagnetico 1 Å (Angstrom) = m 1 nm (nanometro) = 10-9 m; 1 cm = 10 7 nm 1 m (micron) = 10-6 m; 1 cm = 10 4 m Numero d onda (cm -1 ) = 10 7 /l (nm) = 10 4 /l (m) 1 kcal = 4,184 kj/mol; 1 ev = 97 kj/mol c = n l E = hn = hc/l Lunghezza d onda (metri) Dimensioni di un onda Nome comune delle onde lunghe Campo di calcio Casa Transizioni di spin elettronici e nucleari ONDE RADIO Palla da baseball Questo punto MICROONDE Cellula Batterio Vibrazioni di legame INFRAROSSO VISIBILE Virus Proteina Transizioni elettroniche ULTRAVIOLETTO RAGGI X MORBIDI Molecola di acqua H2O RAGGI X DURI corte RAGGI GAMMA Sorgenti Frequenza (hz o cps) Radio AM Cavita rf Radio FM Forno a microonde Radar Le persone Lampadina The ALS Macchine per Raggi X Elementi radioattivi Energia di un fotone (ev) basse alte GC_FA-TE-ORG 2.6b_

9 Spettro elettromagnetico l E B Insieme: delle onde e.m., cioe dei vettori campo elettrico e magnetico oscillanti, ortogonali tra di loro e orientati in tutte le direzioni, che si propagano nello spazio o di pacchetti di fotoni. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

10 Spettro elettromagnetico 1 Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF Lunghezza d onda (l) = distanza tra due punti dell onda in cui la funzione che la descrive ha lo stesso valore (y = a senq), es. la distanza tra due creste dello stesso segno dopo un oscillazione completa; Frequenza (n) = numero di oscillazioni complete, di uguale lunghezza, che passano per un determinato punto in un secondo; Ampiezza = altezza massima di un oscillazione; Intensità = Misura dell energia associata ad un oscillazione completa dell onda, proporzionale al quadrato dell ampiezza. Ogni onda e.m. è caratterizzata da: I p/ 2 p 3/2 p 2 p a lunghezza d onda l frequenza n l ampiezza a intensità I GC_FA-TE-ORG 2.6b_

11 Spettro visibile Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF 1 Å (Angstrom) = m 1 nm (nanometro) = 10-9 m; 1 cm = 10 7 nm Spettro elettromagnetico nm 1 m (micron) = 10-6 m; 1 cm = 10 4 m Numero d onda (cm -1 ) = 10 7 /l (nm) = 10 4 /l (m) 1 kcal = 4,184 kj/mol; 1 ev = 97 kj/mol E (kj/mol) l cm Raggi gamma Raggi X UV IR Microonde Onde radio cm -1 n Ultravioletto Visibile IR vicino IR medio IR lontano nm VIOLETTO ROSSO l mm l Velocità della luce nel vuoto Energia di un fotone Energia di una mole di fotoni c nl hc hn hcn l Nhc E l h = Costante di Planck = 6,63 x J sec c = velocità della luce = 3 x cm/ sec n = frequenza (Hz o cps) l = lunghezza d'onda (cm) n = numero d'onda (cm -1 ) = 1 l N = numero di Avogadro = 6,0235 x GC_FA-TE-ORG 2.6b_

12 1 Å (Angstrom) = m Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF Spettro elettromagnetico 3 1 nm (nanometro) = 10-9 m; 1 cm = 10 7 nm 1 m (micron) = 10-6 m; 1 cm = 10 4 m Numero d onda (cm -1 ) = 10 7 /l (nm) = 10 4 /l (m) 1 kcal = 4,184 kj/mol; 1 ev = 97 kj/mol Tipo di radiazione Intervallo di frequenza (Hz) Intervallo di lunghezza d onda Energia (kj/mol) Tipo di transizione Raggi gamma oltre oltre 10-8 cm oltre 1, nucleare Raggi X ,1 10 nm 1, , elettroni interni Ultravioletto lontano , nm 1, elettroni esterni Ultravioletto vicino 1, , nm elettroni esterni Visibile 7,5 3, Violetto nm Blu Indaco Verde Giallo Arancio , elettroni esterni Rosso nm Infrarosso vicino 3,75 1, ,8-2 mm 1, vibrazioni Infrarosso medio 1, , mm ,48 10 molecolari Infrarosso lontano 1, mm 1 mm 0, , rotazioni molecolari Microonde mm 10 cm 1, , rotazioni molecolari, spin elettronici * Onde radio cm oltre 1 km 1, , spin nucleari * * Livelli energetici separati per mezzo di un campo magnetico GC_FA-TE-ORG 2.6b_

13 Cos è la spettroscopia? È lo studio dell interazione delle radiazioni e.m., aventi un energia quantizzata, con la materia. h n hc l Relazione di Planck- Einstein In Chimica Organica si fa riferimento, in genere, alla spettroscopia molecolare di assorbimento: assorbimento di energia da parte di atomi singoli, gruppi di atomi o elettroni legati assieme nella molecola; la molecola assorbendo energia passa dallo stato fondamentale ad uno stato energetico più alto, o stato eccitato. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

14 Interazioni col campo e.m. Una molecola assorbe energia per interazione con E o B. Nella spettroscopia UV/Vis e IR l interazione avviene col campo elettrico E. Nella spettroscopia di Risonanza Magnetica ( 1 H-NMR, 13 C-NMR, ESR) il sistema interagisce col campo magnetico B. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

15 Assorbimento mezzo assorbente I 0 I a a 1 Assorbimento di radiazione I 0 /I riduzione dell intensità del raggio luminoso GC_FA-TE-ORG 2.6b_

16 Spettro di assorbimento E il grafico dell energia y assorbita (asse y, ordinate) banda di assorbimento contro la sua lunghezza d onda o frequenza (asse x, ascisse). intensità della luce trasmessa I 0 Ogni banda presenta: massimo - una lunghezza d onda (o frequenza) alla quale si ha il massimo di assorbimento; l n I x - un intensità di assorbimento. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

17 Spettro di assorbimento 2 Transizione spettroscopica (banda): energia necessaria (quantizzata) per portare una molecola da un dato livello energetico ad uno più alto Energia Le bande si allargano per la sovrapposizione degli stati energetici elettronici, vibrazionali e rotazionali delle molecole. (click) assorbimento E 2 E E 2 E 1 hn hc l E = E 2 - E 1 L intensità della banda dipende: dal numero di molecole che interagiscono con la radiazione (legge di Lambert-Beer); dalla probabilità di transizione tra i due livelli energetici. emissione E 1 GC_FA-TE-ORG 2.6b_

18 Cromofori Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF Il termine cromoforo, dal greco portatore di colore, fu inizialmente impiegato nella spettroscopia nel visibile. Una banda o gruppi di bande non sono dovute all assorbimento di energia da parte dell intera molecola, ma sono a carico di una parte identificabile della stessa, chiamata cromoforo. Cromoforo = gruppo funzionale (es.: >C=O, >C=C<, )*, singolo atomo o gruppo di atomi (es.: -CH 3 ) che non possiedono funzionalità chimica. Cromoforo = presenza di un frammento strutturale o di un elemento strutturale. I cromofori, essendo responsabili delle diverse caratteristiche spettroscopiche di una molecola, permettono l identificazione sistematica delle strutture molecolari. La tecnica della sovrapposizione, cioè l identificazione della struttura per confronto degli spettri ottenuti nelle stesse condizioni da campioni diversi (es. IR), è uno strumento meno utile dell identificazione sistematica mediante i cromofori, in quanto richiede che i campioni siano puri. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

19 Tipi di spettroscopia/1 click UV: Transizioni elettroniche ( kj/mol; 1, , Hz; nm) Vis: Transizioni elettroniche (3 1, kj/mol; 7,5 3, Hz; nm) IR: Vibrazioni dei legami (6 0,48 10 kj/mol; 1, , Hz; 2,5 25 mm; cm -1 ) 1 H-NMR: Inversione degli spin nucleari del 1 H * ( , kj/mol; MHz; cm; 15-0 ppm) 13 C-NMR: Inversione degli spin nucleari del 13 C * (5,04 3, kj/mol; ,5 MHz; ~2,381 ~3, cm; ppm) * Livelli energetici separati per mezzo di un campo magnetico esterno Spettrometria di Massa: analisi della miscela di ioni (m/z) ottenuta irradiando le molecole di un composto con un raggio di elettroni ad alta energia, in genere 70 ev (1 ev = 97 kj/mol); lo ione M + ha un rapporto m/z corrispondente al P.M. del composto. GC_FA-TE-ORG 2.6b_

20 Tipi di spettroscopia/2 Caratteristiche delle diverse tecniche UV - VIS IR 1 H NMR 13 C NMR Massa Radiazione UV vicino -Vis IR medio RF RF - Scala spettrale nm cm ppm ppm amu Quantità di campione < 1 mg mg < 1 mg Formula molecolare No No Parziale Parziale Si Gruppi funzionali Molto limitate * Si Si Si Limitate Strutture parziali Limitate Limitate Si Limitate Si Connettività di atomi di carboni Regiochimica dei sostituenti Stereochimica dei sostituenti No No Si Si No No Limitata Si Si No No Limitata Si Si No Analisi di miscele di isomeri No No Si Si Si (HPLC- GC/MS) Informazioni sulla purezza Limitata Si Si Si Si Fenomeno misurato Transizioni elettroniche Vibrazioni molecolari Chemical shifts, costanti J HH Chemical shifts Ioni Unità di misura tipica nm cm -1 d o t (ppm) d o t (ppm) m/z * Determinazioni quantitative GC_FA-TE-ORG 2.6b_

21 Dai dati spettroscopici Alle strutture molecolari Analisi elementare (MS, NMR) Formula molecolare Numero di insaturazioni Strutture 2D possibili Disegnare tutti gli isomeri Composto puro NMR, IR (UV) Gruppi funzionali Elenco strutture 2D Raggi X NMR Strutture parziali Struttura molecolare 2D NMR, MS, IR, UV Struttura 3D reale Sintesi totale Possibile struttura 3D NMR (ORD, simulazione al computer) GC_FA-TE-ORG 2.6b_

22 1 H-NMR Esempio di spettro 1 H-NMR: - fenacetina O CH 3 NH H 3 C O fenacetina N-(4-etossifenil)acetammide GC_FA-TE-ORG 2.6b_

23 13 C-NMR Esempio di spettro 13 C-NMR: - a-terpinene 1-isopropil-4-metil-1,3-cicloesadiene 5 CH (8;10) (2) (3) 7 H 3 C CH (7) (5) (9) (1) (4) (Sol.) (Sol.) (Sol.) GC_FA-TE-ORG 2.6b_

24 IR Esempio di spettro IR: - progesterone H 3 C CH 3 O CH 3 H H H progesterone O GC_FA-TE-ORG 2.6b_

25 IR Bande di assorbimento IR: GC_FA-TE-ORG 2.6b_

26 UV/Vis Esempio di spettro UV: - progesterone vitamina A H 3 C CH 3 O CH 3 H H H O GC_FA-TE-ORG 2.6b_

27 UV/Vis Esempio di spettro UV/Vis: - vit. A (UV); b-carotene (Vis) Spettro visibile vitamina A b-carotene nm GC_FA-TE-ORG 2.6b_

28 MS Esempio di spettro di Massa: - isoeugenolo isoeugenolo P.M. 164 GC_FA-TE-ORG 2.6b_

29 Spettroscopia Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF ovvero gli occhi dei chimici Spettro di Massa della vit. A o retinolo GC_FA-TE-ORG 2.6b_

30 Spettroscopia IR Spettro IR del retinolo palmitato GC_FA-TE-ORG 2.6b_

31 Spettroscopia 13 C-NMR Spettro 13 C-NMR del retinolo Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF H 3 C OH CH CH 3 19 CH 3 20 CH (7;8) (20;21) (14) (10) (16) (13) (9) (17) (2) (6) (19) (1) (4) (Sol.) (Sol.) (Sol.) GC_FA-TE-ORG 2.6b_

32 Spettroscopia 1 H-NMR Spettro 1 H-NMR del retinolo Università degli Studi di Bari - Dipartimento di Farmacia-SdF H 3 C 8 3 CH 3 7 H 9a 9 CH OH 18 H 13a CH [21] [19] [8] [7] CH 3 19 H 10a H 12a H 14a H 16a [10a] [9a] [17] [17] [13a] [13a] [14a] [12a] [12a] [16a] [16a] [16a] [18] [6<'>] [6<''>] [Comb] [Comb] [2<'>] GC_FA-TE-ORG 2.6b_