Spettroscopia NMR Interazioni spin-spin

Spettroscopia NMR Interazioni spin-spin

meno schermato più schermato H sch H sch H eff H eff Energia relativa Energia assorbita B 0

Accoppiamento tra nuclei Energia relativa Energia assorbita H A Accoppiamento con H x campo magnetico

Splitting di un segnale NMR: si genera un doppietto (d) quale risultante del campo B x prodotto da un singolo protone vicinale Stati di spin di H X Campo magnetico attivo su H A α β B 0 -B eff +Bx B 0 -B eff -Bx B 0 -B eff = δ A Segnale H A doppietto (d) Rapporto intensità 1:1 molteplicità Idrogeni vicinali protone vicinale libera rotazione protone relativo al segnale osservato Campo magnetico attivo su H A B 0 -B eff = Segnale H A Rapporto intensità Stati di spin di H X Nuclei sincroni B 0 -B eff +2Bx B 0 -B eff -Bx+Bx=B 0 -B eff B 0 -B eff +Bx-Bx=B 0 -B eff B 0 -B eff -2Bx tripletto (t) 1:2:1 Splitting di un segnale NMR: si genera un tripletto (t) quale risultante del campo B x prodotto da due protoni vicinali 2 protoni vicinali libera rotazione protone relativo al segnale osservato

Splitting di un segnale NMR: si genera un quartetto (q) quale risultante del campo B x prodotto da tre protoni vicinali Campo magnetico attivo su H A Segnale H A Rapporto intensità Stati di spin di H X B 0 -B eff +3Bx B 0 -B eff -2Bx+Bx=B 0 -B eff -Bx B 0 -B eff +Bx-Bx=B 0 -B eff +Bx B 0 -B eff -3Bx Quartetto (q) 1:3:3:1 Nuclei sincroni J AX J Hz = ppm x MHz (tipicamente 300, 400, o 500 MHz)

Inserire molteplicità a nido d ape

H H n (asincroni-non equivalenti) (2 n ) segnali Nuclei sincroni H H n ( sincroni) (n+1) segnali H H l, H m, H n (l+1)(m+1)(n+1) segnali, interazione con diversi gruppi contenenti l,m,n nuclei (internamente equivalenti)

H nh (vic, sincroni) (n+1) segnali Δν /J > 8-10 H-C-H: J 2 J H-C-C-H: J 3 H-C=C-C-H: J 4 Le costanti di accoppiamento J espresse in Hz, sono indipendenti dall intensità del campo magnetico applicato (B 0 ) e dalla corrispondente frequenza operativa dello strumento (MHz)

Sistemi di Spin: Notazione di J. Pople (Nobel per la Chimica 1998) Δν /J > 10 sistemi debolmente accoppiati (I ordine) Δν /J < 10 sistemi fortemente accoppiati (II ordine) Unità Strutturale -CH 2 -CH 3 Spettri parziali q t 2.5 2.0 1.5 Sistemi di spin A 2 X 3 settetto, m d -CH-(CH 3 ) 2 3.0 2.5 2.0 1.5 AX 6 -CH 2 -CH 2 -CH 3 t sestetto, m t A 2 M 2 X 3 2.0 1.5 1.0 A, B, C,.. M, N, O,.. X, Y, Z,.. H H n ( sincroni) (n+1) segnali

Sistemi di spin del II ordine: AB vs AX Δν / J J Δν J AX (Δν/J>10) Δν = ν(1-4) ν(2-3) 5.0 4.0 1 2 3 4 AM 3.0 2.0 AB 1.0 0.5 A 2

ν δ = Relazione molteplicità-intensità campo magnetico (B 0 ) [o frequenza operativa (RF)] II ordine H H l, H m, H n (l+1)(m +1)(n+1) segnali, interazione con diversi gruppi contenenti l,m,n nuclei equivalenti ν νrf camp rif νrfδ = ν 6 10 x10 6 camp -CH 2 -CH 3 Δν = 0.5ppm J = 6.5Hz 2 6 3 10MHz 60MHz 200MHz Δν/J= 0.77 A 2 B 3 Δν/J= 4.6 A 2 M 3 Δν/J= 15.3 A 2 X 3 I ordine H H n ( sincroni) (n+1) segnali 300MHz Δν/J= 23 A 2 X 3

Regole generali minime per la previsione e l interpretazione della molteplicità (spin-splitting) a seguito di accoppiamento (coupling) tra nuclei con spin ½ 1) Nuclei che hanno lo stesso chemical shift (sincroni) non mostrano spin-splitting; 2) Nuclei separati da meno di tre legami (e.s. vicinali e geminali) sono generalmente mutuamente accoppiati (stessa J), pur mostrando diverso chemical shift. Accoppiamento long-range può talvolta osservarsi in molecole rigide; 3) La magnitudo dello spin-splitting osservato dipende da molti fattori ed è espressa dalla costante d accoppiamento J (Hz). J è la stessa per entrambi i partners in un interazione spinsplitting ed è indipendente da B 0 ; 4) La molteplicità conseguente all accoppiamento di un dato nucleo (o di un set di nuclei equivalenti) può essere predetta dalla regola n+1.

Valori tipici di alcune costanti di accoppiamento Unità Strutturale Unità Strutturale n, >0 tranne che per molecole rigide Dipende dall angolo diedro e dalla natura di X/Y Dipende dall angolo diedro Se diastereotopici

Esempi di molteplicità ricorrenti tripletto quartetto doppietto eptetto doppietto doppietto

C 4 H 8 O 2 90 MHz 2.04 3 1.26 4.12 2 3 Hz ppm Int. 379.88 4.242 52 372.75 4.163 171 365.56 4.082 180 358.50 4.003 62 182.56 2.039 1000 119.69 1.337 245 112.63 1.258 560 105.38 1.177 214 A 2 X 3 J AX = 7Hz Δν/J = 36

2 3 3 2 3 3 descrizione dello spettro: 1 H NMR (60 MHz, CDCl3) = δ 4.10 (q, J = 7.3 Hz, 2 H; CH2); 2.03 (s, 3 H; CH3CO), 1.26 (t, J = 7.3 Hz, 2 H; CH2CH3) ppm. 1 H NMR (400 MHz, CDCl3) = δ 4.10 (q, J = 7.3 Hz, 2 H; CH2); 2.03 (s, 3 H; CH3CO), 1.26 (t, J = 7.3 Hz, 2 H; CH2CH3) ppm.

2 2 3 1 2

1 3 2 3

C 3 H 7 Br 3.41 (1023) 3.39 (1017) 3.36 (1008) 1.05 (316) 1.03 (309) 1.01 (301) 1.86 (557) 1.84 (550) 1.81 (543) 1.93 (578) 1.90 (571) 1.88 (564) 2 2 3 1.32 (394) 1.29 (388) C 3 H 7 Br 3.85 (1155) 3.83 (1148) 3.81 (1142) 3.78 (1135) 3.76 (1128) 3.74 (1122) 3.72 (1115)

C 5 H 10 O 2 90 MHz 1.65 2.05 Hz ppm Int. 367.13 4.100 120 360.44 4.025 250 353.75 3.950 134 183.56 2.050 1000 C H 3 O O 2.05 4.02 CH 3 0.95 4.02 3 1.65 2 0.95 158.56 1.771 45 152.06 1.698 69 151.56 1.693 68 145.44 1.624 51 144.50 1.614 92 137.63 1.537 59 91.56 1.023 157 84.63 0.945 316 77.63 0.937 174 2 3

2.04 C 6 H 12 O 2 90 MHz C H 3 O 1.6 CH 3 3 O 2.04 4.06 1.39 0.94 4.06 2 1.6-1.39 2+2 0.94 3

C 6 H 12 O 2 90 MHz 1.14 t 3 H 3 C O 1.14 2.32 1.65 O CH 3 4.03 0.94 4.03 t 2 2.32q 2 1.65 ses 2 0.94 t 3

C 6 H 12 O 2 90 MHz 1.23 d 6 2.27 q 4.99 ept C H 3 O CH 3 1.12 t O CH3 1.23 d 4.99 ept 1 2.27 q 2 1.12 t 3

C H 3 O O 2.04 4.06 1.6 CH 3 1.39 0.94 H 3 C O 1.14 2.32 1.65 O CH 3 4.03 0.94 C 5 H 10 O 2 2.27 q 4.99 m O CH 3 H 3 C O CH3 1.23 d 1.12 t

O

C 9 H 10 O 3 90 MHz 1.38 t 1.38 s,b 1, sc D 2 O 3 7.95 d 2 6.92 d 2 4.36 q 2 6.92 d 7.95 d 1.38 s,b Hb HO Hb Ha Ha O O 4.36 q 1.38 t

Modelli omomerici Atomi omotopici Modelli enantiomerici Atomi enantiotopici Modelli diastereomerici Atomi diastereotopici

diclorometano H omotopici (sincroni, isocroni) per asse di simmetria C 2 H a e H b sono interscambiabili con una rotazione di 180 Sostituzione selettiva di H a e H b produce prodotti identici

J = A Bcosφ + C cos 2φ Equazione di Martin Karplus

H omotopici per asse di simmetria C 2 H equivalenti (isomeri conformazionalirotazionali) H enantiotopici (piano di simmetria/riflessione) H diastereotopici (struttura achirale) H diastereotopici (struttura chirale)

H equivalenti (isomeri conformazionalirotazionali) Sostituzione selettiva di H a, H b o H c produce prodotti identici

H enantiotopici (piano di simmetria/riflessione) Sostituzione selettiva di H a, H b produce enantiomeri

H diastereotopici (struttura achirale) I gruppi CH 2 Cl sono enantiotopici H A CH 2 Cl H B CH 2 Cl Cl CH 2 Cl HO Cl HO H A HO H B H B H Cl H H A H Sostituzione selettiva di H a, H b produce diastereoisomeri

H H n (asincroni-non equivalenti) (2 n ) segnali C B A B A 4.072 B 3.697 C 2.6 J(A,B)=5.2HZ. 4.5 4.0 3.5

H diastereotopici (struttura chirale) H A CH 3 H B CH 3 Cl CH 3 HO Cl HO H a HO H B H B H Cl H H A H Sostituzione selettiva di H a, H b produce diastereoisomeri

E B D A C A 4.01 B *1 3.567 C *1 3.472 D 3.22 E 1.272 J(A,B)=4.0HZ J(A,C)=6.7HA J(B,C)=-11.0HZ 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.50 3.40 3.30 3.20 3.10

A 11.03 B 8.31 C 4.86 D 4.721 E 3.733 F 3.45 G 3.43 J(D,E)=1.5HZ J(F,G)=10.5HZ J(E,F)=6.4HZ J(E,G)=7.9HZ