Metodi Spettroscopici: NMR

Massa: sono isomeri strutturali: M + è lo stesso (anche se il resto dello spettro è un po diverso). UV-vis: un alcano ha solo elettroni σ: la transizione elettronica richiede una radiazione di energia troppo alta (lunghezza d onda troppo piccola, al di sotto di 200 nm). IR: con molecole poliatomiche sono molte le vibrazioni possibili. In particolare, sono significative le vibrazioni dei legami in cui uno degli atomi è H

Se abbiamo un composto di formula molecolare C 5 H 12, come facciamo a sapere quale è dei possibili isomeri? Consideriamo i possibili isomeri strutturali di formula C 5 H 12 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 C CH 3 CH 3 m/z = 72 m/z = 72 m/z = 72

Per risolvere il problema, si deve nuovamente ricorrere all interazione con le radiazioni elettromagnetiche.

CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 pentano 3 tipi di C: 1 primario e 2 secondari CH 3 CH CH 2 CH 3 CH 3 metilbutano 4 tipi di C: 2 primari, 1 secondario e 1 terziario CH 3 CH 3 C CH 3 2 tipi di C: 1 primario e 1 quaternario CH 3 dimetilpropano pentano: 6 H primari equivalenti, 6 H secondari NON equivalenti (il CH 2 di mezzo è in una posizione nella molecola diversa dagli altri tre tipi di H metilbutano: 9 H primari NON equivalenti (il CH 3 legato al CH 2 è diverso dagli altri, che sono legati ad un CH), 2 H secondari equivalenti, 1 H terziario quattro tipi di H dimetilpropano: 9 H primari equivalenti un tipo di H Un interazione con la radiazione elettromagnetica capace di individuare i tipi diversi di C e di H permetterebbe di riconoscere quale C 5 H 12 è il pentano, quale il metilbutano e quale il dimetilpropano. RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE, NMR (Nuclear Magnetic Resonance)

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE DEL PROTONE 1 H I nuclei di molti atomi (massa+carica) sono in rotazione (spin); la rotazione produce un dipolo magnetico parallelo all asse di rotazione. Spin nucleare: è una proprietà del nucleo; è indicato da I che può essere 0, intero o semintero Alla rotazione è associato un momento angolare o momento di spin P che è quantizzato. La carica che ruota crea un piccolo campo magnetico che, se posto in un campo esterno intenso, tenterà di allinearsi P è un vettore orientato lungo l asse della rotazione, e il numero di spin I è un indice dell intensità (o modulo) di questo momento angolare.

Poiché il nucleo atomico è carico, e ogni carica in movimento genera un campo magnetico, ogni nucleo dotato di spin si comporterà come un piccolo magnete, cioè sarà dotato di un momento magnetico µ. Il momento magnetico µ è proporzionale al momento di spin e ne ha la stessa direzione. La proporzionalità tra il momento magnetico µ ed il momento angolare nucleare P è data da: µ = γ x P γ = rapporto giromagnetico

Nuclei con numero di massa e numero atomico pari, hanno spin nucleare (l) uguale a 0 Esempio: 12 C, 16 O, 32 S à No segnale NMR Nuclei con numero di massa pari e numero atomico dispari hanno valore intero di I Esempio: 2 H, 10 B, 14 N àsegnale NMR osservabile Nuclei con numero di massa e atomico dispari hanno I =n/2, con n che è un intero dispari Esempio: 1 H, 13 C, 15 N, 31 P à segnale NMR osservabile

SPETTROMETRO NMR

La parte più importante dei moderni spettrometri NMR è il magnete superconduttore, in cui una corrente elettrica in un avvolgimento (fatto di un materiale che a bassa temperatura non ha resistenza elettrica e tenuto -269 C [4K]) genera il campo magnetico. 4K è la temperatura più alta per avere superconduzione (si ottiene con elio liquido). Uno spettrometro viene indicato con la frequenza alla quale i protoni nel campo magnetico dello strumento assorbono energia Si parla di frequenza operativa dello strumento.

Uno spin nucleare si muove intorno all asse del campo magnetico descrivendo un cono con un angolo costante tra il momento magnetico di spin e il campo: precessione La frequenza della precessione dipende da: ν = γb 0 2π Dove υ è la frequenza di precessione di Larmor

In assenza di un campo magnetico esterno, gli stati di spin sono degeneri, ma in presenza di un campo esterno ho due stati possibili a diversa energia

Applicando un campo magnetico esterno, si crea una differenza di energia tra nuclei allineati con e contro il campo B o : La popolazione dipende dalla distribuzione di Boltzmman: ΔE / kt N α / N β = e La differenza di popolazione per lo spettro di 1 H a 600 MHz (B o = 14.1 T) è 5.7 x 10-5 Kcal / mol N α / N β = 1.000096 Piccolo eccesso di popolazione rispetto a UV e IR.

In realtà gli spin non si allineano (è una semplificazione) ma continuano nel loro moto di precessione con l angolo che avevano anche senza B o Gli spin sentono B o ma anche gli altri campi fluttuanti generati dagli altri nuclei e "sperimentano" tutte le possibili orientazioni nello spazio. Gli spin orientati in favore di B o hanno una minore energia. Dopo un certo tempo si crea una magnetizzazione netta (M o ) in direzione di B o a causa di un eccesso di spin nella direzione del campo ma ognuno col proprio angolo.

DALLA MAGNETIZZAZIONE AL SEGNALE Stato fondamentale: c è eccesso di popolazione (lungo z) ma non c è coerenza di fase. Stato eccitato: uguale popolazione (M z è nullo) ma c è coerenza di fase. Coerenza di fase: l impulso non solo uguaglia la popolazione, ma "concentra gli spin in un punto del cono. M tot è sul piano del ricevitore Beff (Tesla) 1 H [MHz] 13 C [MHz] 4.7 200 50 7.0 300 75 9.4 400 100 11.7 500 125 14.1 600 150 18.8 800 200 23.5 1000 250 Campo magnetico terrestre: Tra 20000 e 70000 nt

I nuclei assorbono energia se è del "tipo" giusto cioè se la frequenza della radiazione coincide con quella di precessione di Larmor. Infatti: un campo magnetico oscillante in una bobina genera una corrente che oscilla alla stessa frequenza del campo al suo interno, mentre una corrente che oscilla in una bobina genera un campo magnetico. La potenza dello strumento è espressa in termini di frequenza della radiazione non dell intensità del campo magnetico. Se tutti i nuclei avessero la stessa frequenza vedrei un solo segnale.

RILASSAMENTO E FID Ritorno allo stato fondamentale: acquisizione del segnale T 1 : rilassamento longitudinale o spin-reticolo Energia trasferita dai protoni eccitati a quelli circostanti T 2 : rilassamento trasversale o spin-spin Energia trasferita tra protoni in precessione, perdita di coerenza di fase T 2 <T 1 : perdo coerenza poi uguaglio popolazione Eccitazione Differente popolazione No coerenza di fase T 1 T 2 Uguale popolazione Coerenza di fase Rilassamento

FID: free induction decay

SPETTRO 1 H NMR L assegnazione della struttura di un composto mediante lo spettro 1 H NMR è resa possibile da tre informazioni importanti: 1. Posizione dei segnali (Chemical shift) 2. Area dei segnali (Integrazione) 3. Forma dei segnali (Costante di accoppiamento) La posizione dei segnali nello spettro è determinata dall intorno elettronico del nucleo: densità elettronica di elettroni σ, anisotropia diamagnetica di elettroni π. H + C H deschermato: niente elettroni (campi bassi, δ grande) schermato dagli elettroni (campi alti, δ piccolo) δ

CHEMICAL SHIFT I nuclei di C di tipo diverso sperimentano un campo magnetico diverso da quello applicato. Il campo magnetico generato dagli elettroni scherma i nuclei. A diversi campi magnetici corrispondono diverse frequenze di risonanza: il chemical shift, δ

Difficoltà di interpretazione, se si confrontano spettri registrati con strumenti diversi. Per rendersi indipendenti dallo strumento, le risonanze vengono misurate rispetto alla frequenza a cui risuona un composto di riferimento e divise per la frequenza operativa dello strumento. δ = ν campione (Hz) - ν spettrometro ν riferimento (MHz) (Hz) x 10 6 p.p.m. La frequenza di risonanza del riferimento si prende come zero della scala Come riferimento si scelto il tetrametilsilano (TMS) C H 3 CH 3 Si CH 3 CH3

grande basso alta deschermato chemical shift campo frequenza schermo piccolo alto bassa schermato

zona schermata B 0 Zona DESCHERMATA Zona DESCHERMATA

ANISOTROPIA DIAMAGNETICA Maggiore è il numero di elettroni π, maggiore è il campo magnetico generato, maggiore è il deschermo, cioè lo spostamento verso sinistra nello spettro (frequenze più alte, δ più grandi).

Il protone legato all O risuona a δ che possono variare da 1 a circa 5 Segnali dovuti a più protoni sono più grandi di segnali dovuti a meno protoni

INTEGRAZIONE L area dei segnali è proporzionale al numero di H equivalenti che hanno dato quel segnale CH 3 TMS questa altezza corrisponde a 1H CH 2 OH δ, ppm

Il rapporto delle aree dà il rapporto minimo con cui i diversi protoni si trovano in quella molecola. C H 3 C H 2 O C H 2 C H 3 TMS

MOLTEPLICITÀ DI SPIN Importanti informazioni si ricavano quando i segnali risultano suddivisi: struttura fine, grazie all accoppiamento spin-spin CHCl 2 -CH(OCH 2 CH 3 ) 2 6H 4H 1H 1H TMS Il segnale di CHCl 2 e quello di CH(OCH 2 CH 3 ) 2 si presentano suddivisi in due: è un doppietto. Il segnale di OCH 2 si presenta suddiviso in quattro: è un quartetto. Il segnale di CH 3 si presenta suddiviso in tre: è un tripletto.

In un campo magnetico esterno, i nuclei si possono considerare allineati con (paralleli, α, ) o contro (antiparalleli β, ) il campo. H C a C H α H a sente: B 0 - B σ (+ B π ) +B locale(α) Il campo magnetico provocato dai nuclei adiacenti α si somma a quello esterno: H a risuona a frequenze più alte risonanza Risonanza osservata per H a con H adiacente in α attesa per H a, se non ci fosse H α spostamento downfield

C C H a H β H a sente: B 0 - B σ (+ B π ) - B locale(β) Il campo magnetico provocato dai nuclei adiacenti β si oppone a quello esterno: H a risuona a frequenze più basse risonanza attesa per H a, se non ci fosse H β Risonanza osservata per gli H a con H adiacente in β spostamento upfield Spettro osservato Due righe in rapporto 1:1: doppietto

La distanza tra le righe si chiama costante di accoppiamento, si misura in Hz e si indica con J H a vede (attraverso il legame) due tipi di H b adiacenti: H b α e H b β L influenza dei nuclei di 1 H vicini (legati ad atomi adiacenti) è reciproca e porta alla stessa distanza tra righe suddivise: stessa J. δ = 5.36 ppm Cl Cl C H a O C O H b CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 δ = 4.39 ppm Il chemical shift di un doppietto è il valore medio tra le due righe

7 Hz stesso valore! spin di H b α β α β spin di H a Si dice che H a e H b si suddividono reciprocamente, con una costante di accoppiamento (J) di 7 Hz. J è indipendente dal campo magnetico applicato e può variare tra 1 e 18 Hz

Cl Cl C H C H O O CH 2 CH 3 CH 2 CH 3 Gli H dei CH 2 non influenzano il campo magnetico locale di H b, perché non sono su un atomo adiacente (c è l O), però sono adiacenti al C dei CH 3. Quando sull atomo adiacente c è più di un H, il nucleo che si prende in esame sente tutte le combinazioni di spin (α e β) degli H vicini I protoni (equivalenti) del CH 3 sentono il campo locale provocato dai DUE protoni del CH 2 : αα, αβ, βα, ββ Il segnale si suddivide in tre righe (tripletto) 1:2:1 equivalenti: gli effetti si annullano probabilità doppia

Cl Cl CH CH O CH 2 CH 3 O CH 2 CH 3 c d H d J = 8 Hz J cd J cd Orientamento degli spin dei due H c αα αβ ββ βα δ = 1.23 ppm Il chemical shift del segnale è quello della riga di mezzo (i campi locali si annullano)

I protoni (equivalenti) del CH 2 sentono il campo locale provocato dai tre protoni del CH 3 : equivalenti equivalenti ααα, ααβ, αβα, βαα, αββ, βαβ, ββα, βββ 1:3:3:1 Il segnale si suddivide in quattro righe (quartetto) probabilità tripla H c Cl Cl CH CH O CH 2 CH 3 O CH 2 CH 3 c d δ = 3.36 ppm J = 8 Hz J cd J cd J cd Orientamento degli spin dei tre H d ααα ααβ αβα βαα αββ βαβ ββα βββ

n protoni equivalenti suddividono il segnale di un protone adiacente in n+1 righe Protoni equivalenti danno un unico segnale. Protoni non adiacenti hanno J 0 H H C X C no accoppiamento J è indipendente dal campo magnetico applicato L accoppiamento è reciproco: se c è un picco suddiviso ce ne deve essere almeno un altro. La suddivisione segue la regola (n+1). Il rapporto delle righe corrisponde al triangolo di Tartaglia. singoletto (s) doppietto (d) tripletto (t) quartetto (q) quintetto (quin) sestetto (sex) eptupletto (sep) 1 1 : 1 1 : 2 : 1 1 : 3 : 3 : 1 1 : 4 : 6 : 4 : 1 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1

H H H C C Br H H J = 7Hz 3H 1.7 1.6 J = 7Hz 2H TMS 3.5 3.4 δ, ppm

H H H C C H I H C H H J = 7.5 Hz 6H J = 7.5 Hz 1.9 1.8 1H TMS 4.4 4.3 δ, ppm

Quando i segnali multipli hanno δ abbastanza diverso, si dice che lo spettro è del primo ordine. Se i δ sono simili, i segnali suddivisi possono in parte sovrapporsi e lo spettro non è del primo ordine ClCH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 Cl Spettro ottenuto con uno strumento a 90 MHz TMS δ, ppm Lo spettro può diventare del primo ordine usando uno strumento con un campo magnetico maggiore

A 500 MHz: ClCH 2 CH 2 OCH 2 CH 2 Cl TMS δ, ppm

H Cl Cl H C C C Cl H c H b H a J bc 1.8 1.7 3H J bc J ab 1H J ab 5.9 5.8 4.4 4.3 1H TMS δ, ppm

RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE DEL CARBONIO 13 C Circa il 98.9% del C nelle molecole è 12 C: inattivo all NMR L isotopo attivo è il 13 C: la sua abbondanza è 1.1% Rapporto giromagnetico è ¼ di quello del protone: perdita di sensibilità (sensibilità relativa è 1.8x10-4 ). Bassa probabilità di avere due 13 C adiacenti In una molecola posso non avere 13 C: accoppiamento H-C è debole; ma se faccio spettro 13 C, posso vedere accoppiamenti con tutti gli H. Stesse regole del protone per: effetto induttivo, anisotropia, corrente d anello

I valori tipici dei chemical shift per il 13 C dipendono: Dall ibridazione Dalla presenza di atomi elettronegativi C O aromatici C Cl, Br C O C C sp 2 C C sp carbonile sp C 3

L effetto del sostituente (induttivo e coniugativo) modifica: la densità elettronica del centro di reazione: influenza la reattività la densità elettronica di H: influenza il chemical shift del 1 H la densità elettronica del C: influenza il chemical shift del 13 C Effetto elettronico Elettronegatività composto δ(ch 3 ) dell'atomo legato al C rilascio C Li C B C Si(CH 3 ) 3-14 -2.3 0 C C 8.4 attrazione C C C C N COR O F 18.5 ca. 22 41.8 66.8

In uno spettro 13 C è raro che due segnali siano sovrapposti, a meno che no appartengano a due carboni equivalenti Il numero di atomi in una molecola è almeno pari a quelli dei segnali

L effetto induttivo diminuisce con la distanza No molteplicità: lo spettro è disaccoppiato per aumentare sensibilità e risoluzione No integrazione: i diversi C hanno tempi di rilassamento (T 1 ) lunghi, i C quaternari più di tutti

Regioni dello spettro del 13 C C sp 3 : C-C 50-0 ppm, C-O 100-50 ppm C sp 2 : C=C 150-100 ppm, C=O 200-150 ppm I C sp 2 sono più deschermati dei C sp 3, a causa del campo magnetico provocato dal movimento degli elettroni π. zona schermata B 0 Zona DESCHERMATA Zona DESCHERMATA I nuclei magneticamente attivi ( 1 H, 13 C) che si trovano nella zona in cui il campo magnetico provocato dagli elettroni π si somma al campo magnetico applicato sentono prima il campo magnetico efficace per la risonanza

Nel caso di ibridazione sp, la circolazione degli elettroni crea un campo magnetico indotto opposto al campo magnetico applicato (B 0 ) e perciò crea una zona di schermo nel piano del triplo legame Campo magnetico secondario (anisotropo)

13 C DEPT DEPT: Distortionless Enhancement by Polarization Transfer Con un normale spettro (disaccoppiato) del 13 C perdo le informazioni sul tipo di carboni (primario, secondario, terziario, quaternario) Le informazioni sulla molteplicità possono essere recuperate con il DEPT Si eccitano i nuclei con impulsi sia alla frequanza del 13 C che del 1 H; i CH 3, CH 2, CH, C saranno eccitati in maniera dversa. DEPT90: vedo solo i CH DEPT135: CH 3 e CH normali, mentre i CH 2 hanno fase invertita (segnali negativi)

PREPARAZIONE DEL CAMPIONE