NMR e Fenomeni Dinamici

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1 NMR e Fenomeni Dinamici L NMR è molto utile per lo studio di fenomeni dinamici come equilibri, scambi intere intramolecolari,, studi conformazionali,, isomerizzazioni configurazionali etc. Alla base dell osservazione di sistemi in equilibrio dinamico c è è il tempo di vita di medio delle specie sotto indagine. Ad esempio se un specie A esiste in equilibrio con una specie B,, la velocità del processo è espressa dal tempo di vita medio delle due specie. Se osservo il fenomeno con una radiazione di opportuna frequenza,, varrà la relazione: A B ν = 1/2π 1/t Se A e B danno luogo a due segnali distinti con un intervallo ν,, varrà la relazione: ν = 1/t = velocità del processo Se ν = 1 Hz,, allora avrò che t = 1 sec. Quindi se la velocità di equilibrazione è lenta (1/t < 1) osserverò i segnali delle due forme; viceversa se l equilibrazione è veloce (1/t > 1) allora osserverò un unico segnale relativo ad una ipotetica specie intermedia tra le due in equilibrio.

2 Protoni legati all Ossigeno I protoni legati all ossigeno (O H)presentano il fenomeno dello scambio, per via della loro acidità; come conseguenza accade spesso che i loro segnali non mostrano m molteplicità pur essendo vicino ad altri protoni. Inoltre diversi fattori influenzano sia il chemical shift che l entità dell accoppiamento (es. temperatura, solvente, purezza del campione, legame idrogeno). Questi fattori influenzano la velocità con cui avviene lo scambio: Lo scambio rapido media le interazioni di spin R O H a + R O H b R O H b + R O H a s. Velocità di una transizione NMR 10-5 s. Velocità di scambio Se la velocità do scambio è ridotta rispetto alla scala dei tempi i NMR, si potrà osservare l accoppiamento.

3 Protoni legati all Ossigeno Rallentando la velocità di scambio (es. assenza di H + e H 2 O, bassa temperatura) al di sotto della scala dei tempi dell NMR è possibile osservare l accoppiamento Due nuclei vicini (n + 1) = 3 Tripletto J = 5 Hz Due J differenti Richiede l analisi grafica Due nuclei vicini (n + 1) = 3 Tripletto J = 7 Hz

4 Protoni legati all Ossigeno Scambio con H 2 O e con D 2 O. Quando due composti con protoni acidi sono miscelati, spesso si osserva un solo segnale per entrambi i protoni a causa dello scambio. CH 3 COOH a + H O HH b CH 3 COOH b + H O HH a Quando composti con idrogeni acidi sono trattati con D 2 O, si osserva lo scambio con il deuterio e la scomparsa nello spettro del segnale relativo a tale protone. Si osserva il segnale relativo a DOH. La presenza di fenomeni di scambio spesso porta ad una allargamento del segnale NMR. La velocità del processo influisce sull aspetto dello spettro. Aumento della velocità di scambio Scambio LENTO Si osservano due tipi di protoni Scambio MODERATO Si osserva l allargamento del segnale Scambio VELOCE Si osserva un segnale mediato

5 Protoni su OH legame idrogeno e tautomeria La presenza del legame idrogeno inter- e intramolecolare e la sua dipendenza da diversi fattori, rende molto variabile la posizione di risonanza dei protoni dell OH. In generale il solvente può influenzare la posizione di risonanza dei protoni di OH legato intermolecolarmente.. I legami idrogeno intramolecolari non sono influenzati dal solvente e generlamente tali protoni cadono a campi bassi. Un esempio di equilibrio che è possibile osservare con l NMR è la tautomeria cheto- enolica.. Dall analisi dello spettro del derivato dicarbonilico acetilactone,, si nota che è presente il 15 % di forma enolica.. A causa del legame idrogeno l OH risuona a campi molto bassi. C=CH 5.5 ppm OH a 15.5 ppm

6 Protoni legati all Azoto Analogamente a quanto visto per i protoni sull ossigeno, anche i protoni sull azoto possono andare incontro al fenomeno dello scambio che può essere rapido, moderato o lento. -Scambio rapido: : non si osserva accoppiamento con protoni vicini e generalmente il segnale appare come un singoletto (es. ammine alifatiche). -Scambio moderato: : il protone dell NH è debolmente accoppiato e si osserva un segnale allargato (es. ammine aromatiche). -Scambio lento: : Si osserva il segnale dell NH che può risultare allargato a causa del momento di quadrupolo o mostrare l accoppiamento con i protoni vicini. I protoni potrebbero accoppiare anche con l azoto (I( = 1) ma questo tipo di accoppiamento non sempre è osservabile a causa del momento elettrico di quadrupolo dell azoto che causa un rapido cambiamento degli stati di spin eccitati. Accoppiamento Diretto J 50 Hz Geminale Accoppiamento 2 J e 3 J 0 Hz Vicinale

7 Protoni su Azoto: effetti del momento elettrico di quadrupolo Nuclei con I > ½ hanno una distribuzione ellipsoidale della carica nucleare, pertanto presentano un momento elettrico di quadrupolo (MEQ).. Come conseguenza questi nuclei andranno incontro a transizioni rapide tra i loro stati di d spin.. Queste rapide transizioni portano a un disaccoppiamento con i nuclei adiacenti attivi all NMR. Ad esempio Cl, I, Br hanno un alto valore del MEQ pertanto essi sono effettivamente disaccoppiati dai nuclei vicini (non si osserva ad esempio l accoppiamento H-Br,, o 13 C-Br). L azoto ha un valore moderato del MEQ e le transizioni non avvengono molto rapidamente ed inoltre il tempo di vita dello stato eccitato sembra variare da molecola a molecola e si distinguono tre situazioni: a) Piccolo MEQ,, rende possibile l accoppiamento diretto con nuclei vicini. (ad es. in Sali di ammonio è possibile osservare l accoppiamento per la simmetria metria della molecola. b) Elevato MEQ,, non è possibile osservare l accoppiamento e il segnale appare come singoletto. c) Moderato MEQ,, si realizza una situazione intermedia, i segnali non mostrano una struttura fine e si osserva il cosiddetto allargamento quadrupolare. 1 J H- 14 N a) b) c)

8 Protoni legati all Azoto

9 Protoni legati all Azoto La velocità di scambio può essere rallentata in ambiente acido andando a a protonare l azoto. I cationi ammonici mostrano la struttura fine dovuta all accoppiamento. Spettro della metil ammonio cloruro a ph 1 CH 3 NH + 3 Azoto ha 3 stati di spin 3 protoni vicinali I protoni accoppiano con l azoto dando un tripletto intensità 1:1:1 L accoppiamento con il CH 3 porta ad un quartetto intensità 1:3:3:1

10 Protoni legati all Azoto: ammidi Il protone sull azoto scambia lentamente e pertanto risulta accoppiato al metile il quale appare come doppietto.. L allargamento del segnale del protone sull azoto è dovuto al MEQ.

11 Effetto del solvente Il solvente può influenzare i chemical shift dei protoni rendendo possibile la separazione di segnali sovrapposti o non risolti.

12 Effetto del solvente: uso di solventi chirali per la risoluzione di miscugli racemici Chirale 4.50 ppm (f1) Racemo 4.50 ppm (f1) 4.00 H OH H Ph H 3.50 H Ph COOCH 3 Agenti solvatanti chirali (CSA) F 3 C OH F 3 C OH F 3 C * * COOH * H 3 CO

13 Sostituzione con deuterio Un modo elegante di semplificare uno spettro complesso e ricostruire i sistemi di accoppiamento è quello di scambiare i protoni con deuterio. L accoppiamento H D H D non è spesso osservato nello spettro pertanto come risultato finale si assiste ad una semplificazione dello spettro. Dai valori delle costanti giromagnetiche si deduce che: J H H 6.5 J H D La sostituzione con deuterio è utile per dimostrare gli accoppiamenti di protoni magneticamente equivalenti

14 Fenomeni dinamici L NMR è una tecnica utile per lo studio di equilibri veloci come ad esempio quelli di tipo conformazionale. L analisi delle linee spettrali in funzione della temperatura consente, per un determinato fenomeno dinamico, di determinare i parametri termodinamici e cinetici dello stesso. k 2 A B k 1 k >> (ν A ν B ) k 1 e k 2 costanti di velocità K = n B n A = k 1 k 2 = RT h N - G RT e k (ν A ν B ) k << (ν( A ν B ) Alla T c posso calcolare il valore dell energia libera di attivazione

15 Fenomeni dinamici Un esempio classico che mostra l importanza dell NMR dinamico è rappresentato dalla dimetilformammide.. A T = 22.5 C si osservano due segnali per il gruppo metile a 2.79 e 2.94 ppm.. Sopra i 100 C un solo segnale è osservato. La spiegazione di questa osservazione risiede nella natura di parziale doppio legame del CN ammidico. La temperatura aiuta a superare la barriera alla rotazione. A temperature elevate è osservabile un segnale mediato:

16 Fenomeni dinamici Esempi di processi dinamici che possono essere studiati all NMR Inversione all azoto Barriera rotazionale C sp2 C sp2

17 Disaccoppiamento di spin Questa tecnica detta anche doppia risonanza è di considerevole aiuto per la semplificazione degli spettri e per stabilire le connettività all interno di un sistema di spin ( chi accoppia con chi ). Si utilizza una opportuna radiofrequenza per un determinato to set di protoni favorendo delle rapide transizioni tra gli stati di spin e quindi disaccoppiandoli dai restanti protoni. a) Spettro 60 MHz dell allil bromuro CH 2 =CH-CH 2 Br b) Spettro 60 MHz disaccoppiato al -CH 2 Br

18 Disaccoppiamento di spin a) Spettro 300 MHz del 4-idrossi4 idrossi-1-butino

19 Calcolo chemical shift di protoni metinici

20 Calcolo chemical shift di protoni metinici