NMR e Fenomeni Dinamici

Documenti analoghi
rappresenta la cinetica del processo: se è grande il processo è lento

+ ε (deschermo) ε (schermo) α β α. B o

NUCLEI NMR ATTIVI E SPIN

FENOMENI CHE CAUSANO ALLARGAMENTO DI RIGA NEGLI SPETTRI NMR. Nuclei con momento di quadrupolo; Sostanze paramagnetiche; Processi di scambio.

Spettroscopia NMR Interazioni spin-spin

La molecola è: CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3

SISTEMI DI SPIN E COSTANTE DI ACCOPPIAMENTO. Corso Metodi Fisici in Chimica Organica Prof. Renzo LUISI Uniba. vietata la vendita

Informazioni che si possono ricavare da uno spettro protonico

NMR Stato Solido. Non distruttivo. Studio di materiali. Polimeri insolubili, membrane cellulari, materiali ceramici, legno, ossa

ACCOPPIAMENTO DI SPIN

BREVE INTRODUZIONE ALLA SPETTROSCOPIA NMR

Lo spettro 13 C NMR. La spettroscopia

LABORATORIO DI CHIMICA INORGANICA Barbara Milani tel

Risonanza Magnetica Nucleare

Chemical shifts di protoni (CH 3, CH 2 o CH) in posizione α rispetto ad un sostituente

L effetto del sostituente (induttivo e coniugativo) modifica:

Assorbimenti di alcani (stretching. Corso Metodi Fisici in Chimica Organica Prof. Renzo LUISI Uniba. vietata la vendita

γ= rapporto magnetogirico

Parametri da cui dipendono le costanti di accoppiamento

Esercizio 2 Soluzione

Spettroscopia 13 C NMR

Benzil Acetato. Linea dell integrale. La linea dell integrale rappresenta una quantità proporzionale al numero di H. Rapporto tra le altezze

ESPERIMENTI 1D NMR CON SEQUENZE COMPLESSE

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

Facoltà di Scienze M.F.N.

Non rigidità che coinvolge la coordinazione del legante

Esperimenti FT-NMR a impulsi

H, banda allargata) Stretching C-OC Scarso valore diagnostico

INTERPRETAZIONE DEGLI SPETTRI IR

CHIMICA ORGANICA I con Elementi di Laboratorio Corso di Laurea in CHIMICA, Chimica Applicata, Scienza dei Materiali (L.T.)

Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)

Capitolo 8 Acidi Carbossilici e Derivati

ESERCIZI NMR. 1. La realizzazione di un tomografia (imaging) NMR è più o meno pericolosa per la persona di una tomografia PET?

Valitutti, Falasca, Tifi, Gentile. Chimica. concetti e modelli.blu

SPETTROSCOPIA UV-VIS LEZIONE 9

Spettroscopia NMR (Risonanza Magnetica Nucleare)

delle interazioni accoppiate dell intorno dei due atomi nell ambito della molecola.

Risonanza magnetica di spin: ESR (o EPR) nucleare: RMN/NMR

FENOLI: nomenclatura IUPAC

CLASSIFICAZIONE DELLE BANDE DI ASSORBIMENTO. Fig. 4

1. PRINCIPI GENERALI IL METODO A IMPULSI

Catalisi e catalizzatori

Lezione n. 26. Principi generali della spettroscopia IR. 02/03/2008 Antonino Polimeno 1

Reazioni Stereospecifiche e Stereoselettive

Identificazione di un composto organico:

Molti sali contengono un anione o un catione che possono reagire con acqua rendendo le loro soluzioni ACIDE o BASICHE

Teoria dell Orbitale Molecolare

1. Le teorie sugli acidi e sulle basi 2. La ionizzazione dell acqua 3. Il ph 4. La forza degli acidi e delle basi 5. Come calcolare il ph di

ACIDI CARBOSSILICI Gli acidi carbossilici presentano tre bande caratteristiche dovute al gruppo funzionale COOH

La radiazione infrarossa si trova nella parte dello spettro elettromagnetico tra le regioni del visibile e delle microonde. La porzione di maggiore

BENZENE E DERIVATI. Composto aromatico: termine usato per indicare il benzene ed i suoi derivati C 6 H 6. Arene: Idrocarburo aromatico

Identificazione di un composto organico:

Lo spettro 1 H NMR. 2. i protoni non sono simmetrici rispetto ad un piano di simmetria. Possono essere equivalenti o non-equivalenti.

Cinetica Chimica. Cinetica chimica

Bassa Energia Alta Energia

INTRODUZIONE ALLO STUDIO DELLA CHIMICA ORGANICA

Introduzione alla Chimica Organica V Ed.

Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare

Ammine : caratteristiche strutturali

7) TECNICHE PER L ALTA RISOLUZIONE NEI SOLIDI

REAZIONE DI SOSTITUZIONE NUCLEOFILA MONOMOLECOLARE SN1

Metodi spettroscopici

ACIDI e BASI: evoluzione del concetto

28/03/2013. Stereochimica: enantiomeri

Esploriamo la chimica

Depuratore Biologico anaerobica con produzione di metano (CH4) da decomposizione organica

Formule di risonanza. Chimica Organica II. Come individuarle: Come valutarne l importanza:

Formule di risonanza. Chimica Organica II. Come individuarle: Come valutarne l importanza:

Selezione per le Olimpiadi Internazionali della Chimica 2011 Fase nazionale Soluzione dei problemi a risposta aperta. :.. Xe O..

R-X ALOGENURI ALCHILICI. F Cl Br I. Nomenclatura. In genere si indicano con. + - Il legame C-X è polarizzato, ciò rende il carbonio elettrofilo

La spettroscopia NMR può dare una un grande numero di informazioni sulla struttura di molecola organiche. Esempio di uno spettro NMR

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE (N.M.R.) o IMAGING A RISONANZA MAGNETICA (M.R.I.)

CARATTERIZZAZIONE RILASSOMETRICA DI VINI ED ACETI

Alogenuri alchilici. Alogenuri alchilici: funzioni. Varietà di funzione dei composti alogenati. Figura

CH 3 Br CH 3 O. CH 3 CH 2 OH BeCl 2 H 2 CO NH 4 HCN H 3 O + C 2 H 2 C 2 H 4. AlCl 3 F 3 CCO 2 H

Ammine R N + H. ammina terziaria ammina secondaria ammina primaria sale di ammonio quaternario

*M I03* 3/20. perforiran list

Risonanza magnetica nucleare protonica (NMR - PMR)

ψ = Il carbonio (Z=6) - 2 elettroni equivalenti nello stato 2p - la funzione d onda globale deve essere antisimmetrica tripletto di spin, S=1

CONTENUTI DELLA LEZIONE DI OGGI:

Figura. Stereochimica

IL LEGAME A IDROGENO

ACIDI E BASI ORGANICI: pka e ph

ISOMERI. composti differenti con la stessa formula molecolare DIASTEREOISOMERI

REAZIONI CHIMICHE: LEGGI CINETICHE, MECCANISMI DI REAZIONE E BILANCI DI MASSA

Parametri NMR Accoppiamento Scalare

COOH. a ottica, % Purezza. Eccesso enantiomerico, %

Il legame chimico II: la geometria molecolare e l ibridizzazione degli orbitali atomici. Capitolo 10

Acidi Carbossilici CH 3. Caratterizzati dalla presenza di un gruppo carbossilico. Acido etanoico (Acido Acetico) Acido metanoico (Acido Formico)

SINTESI PEPTIDICA LEZIONE 4

NMR - 2D INTENSITA VS FREQUENZA INTENSITA VS FREQUENZA1 VS FREQUENZA2

STEREOISOMERIA trans-1,4-dimetilcicloesano cis-1,4-dimetilcicloesano

Composti carbonilici. Chimica Organica II

Risonanza Magnetico Nucleare

Legame chimico: covalente polare Legame covalente polare

Aromaticità. Addizione elettrofila alcheni

L ONDA ELETTROMAGNETICA UNITA DI MISURA E DEFINIZIONI. ν ν. λ =

REAZIONI DEGLI ALCHENI

Legame chimico: covalente polare Legame covalente polare

Transcript:

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.

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 10-2 10-3 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.

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

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

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

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

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)

Protoni legati all Azoto

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

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.

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

Effetto del solvente: uso di solventi chirali per la risoluzione di miscugli racemici Chirale 4.50 ppm (f1) 4.00 3.50 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

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

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

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:

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

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

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

Calcolo chemical shift di protoni metinici

Calcolo chemical shift di protoni metinici