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 13 13 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
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 1/2 26.7510 99.985 100 100 2 H * 1 4.1064 0.015 0.965 15.351 7 Li 3/2 10.3964 92.5 29 38.863 11 B * 3/2 8.5794 80.1 17 32.084 13 C 1/2 6.7263 1.1 1.59 25.144 14 N * 1 1.9331 99.63 0.101 7.224 15 N 1/2-2.7116 0.37 0.104 10.133 17 O * 5/2-3.6264 0.048 2.91 13.557 19 F 1/2 25.1665 100 83 94.077 29 Si 1/2-5.3146 4.67 7.84 19.865 31 P 1/2 10.8289 100 6.63 40.481 * Presentano momento di quadrupolo
E = γ h B 0 E - 1 2 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 + 1 2 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.
Differenze nell aspetto dello spettro 13 C del colesterolo: a) spettro completamente accoppiato; b) spettro disaccoppiato a banda larga dal protone
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
: tabelle di correlazione di chemical shift
: tabelle di correlazione di chemical shift
Parametri di shift 13 C per alcani lineari e ramificati δ= - 2.5 + ΣnA A = parametro di shift n = numero di atomi di carbonio per ciascun parametro di shift δ 1 = - 2.5 + (9.1 x 1) + (9.4 x 1) + (-2.5( x 2) + (0.3 x 1) = 11.3 δ 2 = - 2.5 + (9.1 x 2) + (9.4 x 2) + (-2.5( x 1) + (-2.5( x 1) = 29.5 δ 3 = - 2.5 + (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 = - 2.5 + (9.1 x 1) + (9.4 x 2) + (-2.5( x 2) + (-1.1( x 1) = 19.3 Y gauche Cγ Y Cγ anti
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 = 34.7 + 41 = 75.7 (73.8) Cβ = 22.8 + 8 = 30.8 (29.7) Cγ = 13.9 5 = 8.9 (9.8) Aggiungere gli incrementi al valore dell appropriato carbonio del corrispondente alcano saturo mostrato nella tabella affianco.
Calcolo dei chemical shift per alcheni mono e disostituiti. H 3 C H H H 1 2 O δ 1 = 123.3 + 10.6 + 12.7 = 146.6 (153.7) δ 2 = 123.3 + 13.1 8.0 = 128.4 (134.9) C 6 H 5 H 1 2 C 2 H 5 H δ 1 = 123.3 + 15.5 + 12.5 = 151.3 (148.9) δ 2 = 123.3 9.7 11 = 102.6 (109.7)
O O 150.7 129.3 84.2 153.2 O O Effetto della risonanza
Calcolo dei chemical shift in derivati aromatici. Al valore base di 128.5 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 = 128.5 + I 1i + I 2j +. O 2 N 6 5 Cl 1 4 OCH 3 2 3 OCH 3 δ 1 = 128.5 + 6.4 15 8.1 +0.8 = 112.6 (113.8) δ 2 = 128.5 + 31.3 + 0.2 + 6.0 + 0.9 = 166.9 (159.9) δ 3 = 128.5 + (-15( x 2) + 1.0 + 0.8 = 100.3 (97.2) δ 4 = 128.5 + 31.3 + 0.9 5.3 2.0 = 153.4 (154.5) δ 5 = 128.5 + 19.6 15 8.1 + 1.0 = 126.0 (131.9) δ 6 = 128.5 + 0.2 5.3 + (0.9 x2) = 125.2 (127.7)
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.
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
chemical shift di derivati carbonilici Aldeidi e chetoni: 190 210 ppm
Acidi carbossilici, esteri, ammidi, nitrili e cloruri acilici: : 150 185 ppm
: 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 (110 320 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
Tipici valori per 1 J C-H
Tipici valori per 2 J C-H Accoppiamenti con eteronuclei n J C-X
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.
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
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) 128.47 129.35 f h h g f h e f d c O O b a 126.40 g 60.52 b 40.76 d 14.15 a c 169.07 134.10 e 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
129.35 13 C NMR BB O 1 H NMR O 126.40 60.52 40.76 14.15 169.07 134.10 150 100 50 129.55 129.15 128.67 128.27 13 C NMR acc. 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 126.60 126.20 60.52 13 C NMR acc. 40.76 130.5 130.0 129.5 129.0 128.5 128.0 127.5 127.0 126.5 126.0 14.35 13.95 60.12 60.92 40.36 41.16 13 C NMR acc. 14.75 13.55 65 60 55 50 45 40 17.5 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0 12.5 12.0 11.5
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
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
: 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)
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
Esempi di applicazione di NOE omonucleare per la risoluzione di problemi stereochimici Cl Cl Cl Cl + 45 % Ha Hb OCOCH 3 + 18 % Cl Cl + 17 % H 3 C H 3 C N - 2 % H O H 3 C H 3 C - 4 % H COOH
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
Tempi di rilassamento per i 13C
: Inversion recovery,, calcolo del T 1
Effetto della simmetria e del campo magnetico
: 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 7 4 2 DEPT 90 Solo CH DEPT 135 7 10 8 9 4 CH, CH 1 3 2 CH 2 5 3 6 BBD
CH, CH 3 CH 2 CH Tutti i carboni protonati
esercizi O H 2 N OH O 123.78 126.97 110.23 83.09 63.73 31.91 169.71 162.15 126.45 128.92 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 128.02 d 115.06 d Molecular Formula = C 8 H 9 NO 2 55.38 q s 167.65 s 163.10 s 127.62 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50
esercizi Molecular Formula = C 7 H 7 NO 3 d 129.82 d 120.33 d 109.71 19.63 q s 155.79 s 150.94 s 150 100 50 76.28 77.08 77.88 Molecular Formula = C 4 H 6 O 135.72 d 118.31 t d 54.63 t 48.96 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40
esercizi 127.30 d 76.28 77.08 77.88 21.82 24.95 t t Molecular Formula = C 6 H 10 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 76.28 77.08 77.88 Molecular Formula = C 12 H 12 O s 148.52 d d d s s 123.36 124.24 125.68 128.39 129.07 132.32 d 119.91 d 109.18 19.21 20.66 q q 150 100 50