7 - spettroscopia nmr

7/24/2019 7 - Spettroscopia NMR

1/79

7 Spettroscopia NMR.pdf V 1.0 Metodi Spettroscopici in Chimica Organica Prof. A. Mangoni A.A. 2002/2003

Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)

La spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR, dallinglese NuclearMagnetic Resonance) sfrutta la differenza di energia che i vari stati di spinnucleari possono assumere in presenza di un campo magnetico.La spettroscopia NMR pu dare una un grande numero di informazioni sullastruttura di molecola organiche.


2/79


Lo spin nucleareMolti (ma non tutti) i nuclei atomici si comportano

come se ruotassero sul loro asse.Il vettore momento angolare orientato lungo lassedella rotazione.Il modulo Pdel vettore P quantizzato, e dipendedal numero quantico di spinI. Il numero quantico di

spin pu assumere valore 0 (in questo caso non cspin nucleare), , 1, , e cos via fino a 6.PedIsono fissi per ogni nucleo e non variano mai.

P= })1( +II

2h=}

}21+

}21

I = 1/2

zPer pu cambiare la orientazione che il

vettore momento di spin pu assumere neiconfronti di una direzione esternaz.Anche questa orientazione quantizzata, edil vettore momento di spin pu assumeresolo 2I+1 orientazioni (quindi 2 orientazioni

per nuclei con spin ) definite dal numeroquantico di spin m.Il numero quantico m pu assumere ivalori -I,-I+1,.., +I-1, +I(quindi solo e + per i nuclei con spin )


3/79


Lo spin nucleare

Un nucleo con spin 1 ha invece trepossibili orientazioni del momento dispin, corrispondenti a valori di mparia 1, 0, e +1.Tuttavia tratteremo solo i nuclei conspin .

Per ogni orientazione, m rappresenta la

componente del vettore P lungoz, dettaPz:

Per i nuclei con spin :

lo stato di spin con m = + detto statoparallelo o stato lo stato di spin con m = detto statoantiparallelo o stato

I = 1

+

_

0

z

h_

h_

Pz = m21+

21

z


4/79


Il momento magnetico nucleare

Il nucleo atomico carico, e ogni carica in movimentogenera un campo magnetico, ogni nucleo dotato dispin si comporta come un piccolo magnete, cio

dotato di un momento magnetico .

Il momento magnetico proporzionaleal momento di spin e ne ha la stessadirezione: quindi il suo modulo non puvariare, e pu assumere solo due possibiliorientazioni per un nucleo conI= .

z


5/79


Il momento magnetico nucleare

La costante di proporzionalit tra il momentomagnetico ed il momento di spin P dettarapporto giromagnetico (o rapportomagnetogirico) ed indicata con il simbolo :

= P

il rapporto giromagnetico

una caratteristicaintrinseca del nucleo, diverso da nucleo anucleo, e non pu essere previsto teoricamente,ma solo misurato.Per esempio, molto maggiore per il nucleo 1H

che per il 13C.

PP

1H 13C

La proporzionalit tra momento magnetico e

momento di spin vale anche per le lorocomponenti lungo lassez:

z= P

z= m

P

zPz

z


6/79


Nuclei in un campo magnetico

I due stati di spin e di un nucleo hanno la stessa energia, a meno che ilnucleo non sia in un campo magnetico.

In questo caso, lo stato assume un energia minore della stato , ed possibilepensare a un tipo di spettroscopia che sfrutta il passaggio tra gli stati e delnucleo.Questo tipo di spettroscopia detta spettroscopia di risonanza magneticanucleare (NMR)

B0

m= +1/2

stato

orientazione "parallela"

(a minore energia)

m= -1/2

stato

orientazione "antiparallela"

(a maggiore energia)z

z

B0 B0


7/79



Lenergia di un nucleo in un campo magnetico data dallinterazione tramomento magnetico e campo magnetico esterno:

Questo prodotto scalare pu essere anche scritto:

dove ricordiamo che z la componente del momento magnetico lungo lassezdel campo magnetico. Poich come abbiamo visto z= m

Per un nucleo con I = , m puo essere + o , per cui i due suoi possibililivelli energetici sono:

eLa differenza di energia tra i due livelli nucleari :

e la frequenza di assorbimento :

0BE =

200 B

h

B

h

E==

=

0BmE =

0 BE =+ 0 BE +=

0BE z=

0B=E


8/79



E

B0

E1 E2

B02

B01

m= -

m= +

importante notare che mentre nella spettroscopia UV e IR la differenza di

energia tra i due stati elettronici o vibrazionali fissa, e dipende solo dallastruttura della molecola, nellNMR la differenza di energia tra gli stati nucleari indotta dal campo magnetico esterno, e pu quindi essere variata.

La differenza di energia E tra i due stati di spin (e quindi la frequenza di

assorbimento) direttamente proporzionale alla intensit del campo magneticoesternoB0 ed anche proporzionale a .In ogni caso la differenza di energia E molto piccola rispetto a quelle in gioconella spettroscopia UV e IR, e di conseguenza le frequenze usate sono molto minori,dellordine dei MHz, e quindi nel campo delle radioonde, mentre le lunghezze

donda sono dellordine dei metri (nellIR si parla di m, e nellUV di nm).


9/79


Sensibilit dellNMR

kT

E

eNN

=

h

h

h

h

h

h

h

h

h

Se la differenza di energia tra gli stati e molto piccola, il numero di nuclei

nello stato (N) sar molto simile a quello dei nuclei nello stato

(N). Questo inconseguenza della legge di Boltzmann:

La sensibilit NMR allora moto bassa: infatti se i nuclei nello stato assorbonofotoni passando allo stato , i nuclei nello stato emettono fotoni per emissionestimolata e passano allo stato .Lassorbimento netto di radiazione elettromagnetica dipende allora dal piccolo

eccesso (NN) di nuclei nello stato rispetto a quelli nello stato .

kTE


10/79


Sensibilit dellNMR

kT

E

eN

N =

kT

Ee

N

NkT

E

=

1

kT

B

N

NN0

kT

B

N

N01

Quindi: la sensibilit di un esperimento NMR aumenta allaumentare del campomagnetico applicato; inoltre, nuclei con rapporto giromagnetico elevato sono pisensibili di nuclei con rapporto giromagnetico pi basso.

In termini quantitativi:

xe x 1Sfruttando lapprossimazione:


11/79


Nuclei utili in chimica organica

1H 100% elevato13C 1.1% C H

I nuclei utilizzabili per lNMR devono avere I 0; in particolare sono utili inuclei con spin .Tutti i nuclei con numero atomico pari e massa atomica pari hanno I = 0; traquesti 12C ed 16O.Invece il nucleo dellidrogeno (1H, protone) il nucleo pi utilizzato per lNMR,

poich ha il rapporto giromagnetico pi alto di tutti i nuclei stabili, ed haabbondanza isotopica del 100%.Un altro nucleo utile in chimica organica il 13C. Il 13C ha rapportogiromagnetico pari a circa di quello del protone, ed ha una abbondanzaisotopica di solo l1.1%, ma nonostante questo la spettroscopia 13C NMR molto

utile perch il carbonio lelemento base della chimica organica.Altri elementi utili sono 15N (abbondanza isotopica solo 0.37%, ma labbondante14N ha I = 1), 31P (abbondanza isotopica 100%), 19F (abbondanza isotopica100%).


12/79


Il chemical shift

Tutti i nuclei di una certo tipo (per esempio 1H) sono esattamente identici, equindi risuonano esattamente alla stessa frequenza se sottoposti allo stessocampo magnetico.Per in una molecola i nuclei non sono isolati, ma sono allinterno degli atomi e

quindi circondati da una nube di elettroni.Una nube di elettroni intorno ad un nucleo in grado di diminuire leggermente ilcampo magnetico subito dal nucleo, cio dischermare il nucleo nei confronti delcampo magnetico esterno.

Sono proprio gli elettroni a far si che nuclei chimicamente differenti risuonino afrequenze leggermente diverse, poich subiscono campi magnetici leggermentediverse.Le differenze di frequenza sono molto piccole, solo centinaia o migliaia di Hzrispetto alle centinaia di MHz della radiazione elettromagnetica, ma posono

essere misurate molto accuratamente. possibile correlare la frequenza di risonanza dei nuclei alla distribuzione dielettroni nella molecola, e quindi alla struttura chimica.


13/79


Il chemical shift

In assenza di campo magnetico, gli elettroni si muovono in maniera disordinataformando una nube elettronica intorno al nucleo.


14/79


Il campo magnetico induce un movimento pi ordinato degli elettroni, come sepercorressero un orbita su un piano perpendicolare al campo magnetico.

Il chemical shift


15/79


Il movimento degli elettroni produce a sua volta un campo magnetico (che quindi indotto dal campo magnetico esterno). Le linee di forza di questo campo

magnetico sono indicate in rosso.

Il chemical shift


16/79


Il chemical shift

Allinterno della nuvola elettronica, il campo magnetico indotto si oppone alcampo magnetico applicato, ed il nucleo schermato. Una nube di elettroni

intorno ad un nucleo schema il nucleo.


17/79


Il chemical shift

Invece, intorno alla nuvola elettronica il campo magnetico nella stessadirezione del campo magnetico esterno. Un nucleo che si trovasse in questa zona

sarebbe deschermato.


18/79


Il chemical shift

Gli elettroni intorno ad un nucleo schermano il nucleoquindi

i protoni circondati da una alta densit elettronica risuonano a frequenzainferiore di protoni circondati da una bassa densit elettronica

Riassumendo, il campo magnetico esterno induce un movimento degli elettroni

allinterno della nube elettronica. Questo movimento produce un campomagnetico che allinterno della nube elettronica si oppone al campo magneticoapplicato, mentre intorno alla nube elettronica si somma al campo magneticoapplicato.La leggera differenza della frequenza di risonanza di nuclei in intorni chimicidiversi chiamataspostamento chimico o, pi spesso, in inglese chemical shift.


19/79


Il chemical shift

La frequenza di risonanza dei protoni quindi collegata alla struttura chimica

della molecola. Ci sono per due problemi per utilizzare questi dati:La frequenza di risonanza dipende dalla intensit del campo magnetico applicato.Non quindi possibile semplicemente riportare la frequenza di risonanza di unprotone in Hz. Piccole differenze nel campo magnetico dello spettrometropossono generare differenze nella frequenza di risonanza di protoni moltomaggiori dei chemical shift.Questo problema si risolve usando una sostanza di riferimento, il tetrametilsilano(TMS), e misurando le frequenze di risonanza di un protone come differenzarispetto alla frequenza di risonanza TMS dei protoni del TMS (che quindi

considerata 0).In questo modo una piccola differenza di campo magnetico modifica non solo lafrequenza di risonanza del protone in esame, ma anche quella dei protoni delTMS, e la differenza rimane (pi o meno) costante.

Tutti i chemical shift protonici (e13

C) sono sempre riferiti al TMS; per altrinuclei ci sono altre sostanza di riferimento.Quindi il chemical shift (per ora):

TMS


20/79


Il chemical shift

Laltro problema che gli stessi chemical shift sono generati da campimagnetici indotti, e quindi sono proporzionali al campo magnetico applicato.Questo rende non paragonabili i dati ottenuti su due spettrometri diversi, anchese il campo magnetico quasi uguale.Quindi se in uno spettrometro a 100 MHz un protone risuona a frequenza

maggiore di 260 Hz rispetto al TMS, a 200 MHz lo stesso protone risuoner afrequenza maggiore di 520 Hz rispetto al TMS.Quindi nemmeno la grandezza ( TMS) indipendente dalle condizioni dellamisura, perch direttamente proporzionale al campo magnetico applicato.

Se per dividiamo questa grandezza per la frequenza di risonanza (anchessadirettamente proporzionale al campo magnetico applicato) otteniamo unagrandezza finalmente indipendente dalle condizioni sperimentali. questa lascala dei , che definita cos:

6

10

=

TMS

Il fattore 106 necessario perch i chemical shift sono molto piccoli rispetto allefrequenze di risonanza.Usando i numeri visti sopra, il chemical shift sarebbe 2.6 in entrambi i casi.


21/79


Chemical shift protonico

La maggior parte dei protoni di una molecola organica risuonano in un intervallodi 10 ppm, tra 0 e 10.Il principale fattore che determina il chemical shift di un protone la densitelettronica del relativo idrogeno: atomi elettronegativi legati nelle vicinanzedellidrogeno riducono la sua densit elettronica, e quindi leffetto schermante

degli elettroni, per cui il chemical shift aumenta.

I protoni olefinici (legati a carboni sp2) hanno chemical shift molto pi alto deiprotoni legati a carboni sp3, con valori tipici di 5-6. Questo perch i C ibridatisp2 sono pi elettronegativi dei C ibridati sp3, ma non solo.Infatti i protoni degli alchini (legati a C ibridati sp) risuonano a 2-3.

Ci sono quindi altri fattori che influenzano il chemical shift: gli effetti schermantie deschermanti di altre nuvole elettroniche oltre a quella intorno al protone.

H3C CH3 H3C CH2 H3C Cl

Cl

0.86 1.33 3.47


22/79


Effetti anisotropi sul chemical shiftLa densit elettronica intorno allidrogeno ha pi o meno simmetria sferica, ed il

protone al suo interno schermato qualunque sia la orientazione della molecolarispetto al campo magnetico esterno.Tuttavia nubi elettroniche di altro tipo (tipicamente quelle dovute agli elettroni ,pi mobili) possono anche deschermare il protone, se la molecola orientataopportunamente rispetto al campo magnetico.

Un esempio lorbitale degli alcheni:

In questo caso, se il piano dellalchene perpendicolare alla direzione del campomagnetico, gli elettroni possono muoversi efficacemente rimanendo nellorbitale,ed i protoni olefinici risultano deschermati, come si vede nella figura a destra.Perci i protoni olefinici sono pi deschermati di quanto dovrebbero essere sullabase dei soli effetti di elettronegativit.


23/79


Effetti anisotropi sul chemical shiftNegli alchini, gli elettroni hanno simmetria cilindrica rispetto allasse della

molecola, ed la massima corrente elettronica si ha quando la molecola parallelaal campo magnetico.

In questo caso i protoni sono schermati ed i protoni risultano pi

schermati di quanto dovrebbero essere sulla base dei soli effettidi elettronegativit.Naturalmente lalchino ruota liberamente in soluzione, e si pu trovare ancheperpendicolare al campo magnetico; in questa orientazione i protoni sonodeschermati, per leffetto schermante che si ha quando lalchino parallelo pi intenso e prevale.


24/79


Effetti anisotropi sul chemical shiftQuando il benzene perpendicolare al campo magnetico, i 6 elettroni

delocalizzati possono generare una intensa corrente elettronica (correntedanello), che ha un forte effetto deschermante sui protoni aromatici

Infatti i protoni aromatici risuonano circa 2 ppm al di sopra dei normali alcheni, e

la presenza di protoni particolarmente deschermati, e quindi di corrente di anello, una delle migliori prove sperimentali dellaromaticit.Naturalmente il benzene non sempre perpendicolare la campo magnetico; quando parallelo, i protonipossono anche essere schermati dagli elettroni , ma leffetto molto piccolo, perch per avere correnteelettronica gli elettroni devono attraversare il piano nodale; quando il benzene perpendicolare, comeabbiamo detto, leffetto deschermante molto grande. In media, quindi, i protoni vengono sicuramentedeschermati.


25/79


Effetti anisotropi sul chemical shiftLimportanza della corrente danello per i chemical shift clamorosamente

evidenziata dal 18-annulene:

In questo composto, i protoni allesterno del ciclo sono deschermati, e risuonano a 8.9, mentre i protoni allinterno del ciclo sono estremamente schermati dallacorrente danello, e risuonano addirittura a frequenze inferiori a quelle del TMS, a1.8.

HH

HH

H

HH

H

H

H H

H

H

H

H

HH

H

-1.88.9


26/79


Chemical shift protonici tipici

Protoni su carboni sp3

Un metile senza particolari sostituenti risuona a 0.8un metilene a 1.25un metino a 1.50Il chemical shift pu variare per:Sostituenti elettronegativi in : +0.3C=C in : +0.8C=O in : +1.0Anello aromatico in : +1.3Ossigeno o alogeni in : (alcoli, eteri, eteri aromatici,

esteri, esteri aromatici) +2-4Metileni legati a due gruppi subiscono aumenti pi o meno additivi:

p.e. il metilene dellacido malonico risuona a 3.4


27/79


Chemical shift protonici tipici

Protoni su carboni sp2

Alcheni (non coniugati, coniugati, coniugati a CO) 4.5-6.5 (tipico 5.3)Composti aromatici: 6.5-8.5 (tipico 7.3)Aldeidi: 9.5Effetti di donazione o attrazione elettronica per risonanza possono far variare

questi valori in maniera abbastanza prevedibile.

Protoni su carboni sp:Alchini terminali: 1.7-2.7

Protoni su eteroatomi:

Chemical shift variabili con concentrazione, solvente e temperatura per laformazione di legami idrogeno. I segnali sono quindi poco diagnostici, anche se

il protone del COOH appare abbastanza costantemente intorno a 10.5 (perchsi forma la specie dimerica molto stabile)I segnali sono spesso larghi e non mostrano accoppiamento con protoni vicinali(protoni scambiabili).I segnali spariscono se si aggiunge D

2

O (scambio con deuterio).

I i


28/79


IntegrazioneLintensit di un segnale nello spettro NMR proporzionale al numero di protoni

che lo genera (Nuovo! Non succede n nellIR, n nellUV).Per intensit si intende larea sottesa al picco (integrale del picco)

55.5 : 22 : 32.5 5 : 2 : 3

Linea

integrale

A i t i i


29/79


Accoppiamento spin-spin

I segnali degli spettri NMR hanno struttura fine:

C C

C

HH

H

N

La causa della struttura fine, laccoppiamento spin-spin, ossia linfluenza deglistati di spin di un nucleo sulla frequenza di risonanza dei nuclei che lo

circondano.Laccoppiamento spin-spin rende pi complessi, ma anche molto pi ricchi diinformazioni, gli spettri NMR,

A i t i i


30/79



Consideriamo un sistema formato da due protoni, HA e HX. Il protone HA puo

trovarsi negli stati di spin e con probabilit quasi uguale (come sappiamo ledue popolazioni sono quasi identiche):

HA HA

HAnello stato HAnello stato

B0

Poich ogni nucleo possiede un momento magnetico (ossia un piccolo

magnete), il campo magnetico del nucleo HX pu influenzare quello subitodal nucleo H

A, e come si vede dalla figura questa influenza opposta se il

nucleo HA nello stato o : nel primo caso HX schermato, nel secondo deschermato.

HA HX HA HX


B0

A i t i i


31/79



HX risuona a frequenze leggermente diverse se si trova vicino ad un HA nellostato o un HA nello stato . Il protone HX d quindi origine a due segnali, chenel loro complesso vengono detti doppietto:

In generale, il numero di linee in cui diviso il segnale generato da un nucleo detto molteplicit del segnale.

HA HX

HAnello stato

B0

HA HX

HAnello stato

B0

segnale dei nuclei HX

vicini agli HAnello stato

segnale dei nuclei HX

vicini agli HAnello stato

La costante di accoppiamento


32/79


La costante di accoppiamento

Tutti i discorsi fatti possono essere ripetuti allinverso considerando linfluenzadi HX sulla frequenza di risonanza di HA, e allo stesso modo si pu concludereche anche il segnale di HA un doppietto:

segnale di HA segnale di HX

La distanza (= differenza di frequenza) tra i due segnali del doppietto (di solito dettirami del doppietto) detta costante di accopiamento ed indicata col simboloJ:

Costanti di accoppiamento


33/79



Laccoppiamento sempre reciproco:se HA accoppiato con HX, anche HX accoppiato con HA; in generale si diceche HA e HX sono accoppiati tra loro.la costante di accoppiamento tra HA e HX identica a quella tra HX e HA.

Laccoppiamento indipendente dal campo magnetico applicato:

il chemical shift proporzionale al campo applicato B0, perch leffettoschermante degli elettroni indotto dal campo magnetico esterno. Invecelaccoppiamento spin-spin dovuto alle interazioni tra i momenti magneticinucleari, che sono indipendenti dal campo magnetico applicato

Laccoppiamento spin-spin si misura in Hz

e non in ppm (con la scala dei ) come i chemical shift.



34/79


Costanti di accoppiamentoLaspetto dello spettro varia al variare del campo magnetico

poich il chemical shift proporzionale al campo applicatoB0, mentre le costantidi accoppiamento sono indipendenti dal campo applicatoB0

200 MHz

60 MHz

600 MHz

La scala dello spettro in ppm, perci le costanti di accoppiamento sembrano

diminuire allaumentare del campo magnetico

Accoppiamento dipolare


35/79


Accoppiamento dipolareLaccoppiamento descritto finora detto accoppiamento dipolare.

Esso dallorientazione relativa tra la retta che unisce i due nuclei e la direzione delcampo magnetico

La molecola ruota liberamente in soluzione, ed il nucleo HX subisce un influenzapari alla media calcolata su tutte le possibili orientazioni della molecola.Questa media vale 0!

NB. Quando la molecola ruota, lorientazione dei momenti magnetici dei nucleirimane invariata!!

HA HX HA

HX

Hx schermato HXnon n schermato,

n deschermato

HA

HX

HA deschermato

B0

Accoppiamento scalare


36/79


Accoppiamento scalare

Laccoppiamento dipolare non responsabile della molteplicit dai segnali.

Esiste per un altro meccanismo mediante il quale i momenti magnetici nuclearipossono interagire: non in maniera diretta, ma indirettamente attraverso glielettroni di legame.

Laccoppiamento attraverso questo meccanismo detto accoppiamento scalare.

Laccoppiamento scalare non mediato a 0 in soluzione, ed responsabiledella molteplicit dei segnali.

Laccoppiamento scalare dipende dal numero di legami chimici che separano inuclei, e non dalla loro distanza nello spazio.

In generale sono visibili accoppiamento tra nuclei separati fino a 3 legami (maci sono eccezioni!!)

Per lNMR protonico significa che sono accoppiati i protoni geminali (2J) e quellivicinali (3J).

Accoppiamento dipolare e scalare


37/79


Accoppiamento dipolare e scalare

Accoppiamento dipolare Accoppiamento scalare

Non visibile in spettri NMR in soluzione Visibile in spettri NMR in soluzione

Dipende principalmente dalla distanza tra inuclei

Dipende principalmente dal numero dilegami tra i nuclei

Costanti di accoppiamento elevate quando

visibili (centinaia o migliaia di Hz)

Costanti di accoppiamento piuttostopiccole (decine o centinaia di Hz per le 1J,

0-20 Hz per le 2Je 3J)

Sistemi di primo ordine e non di primo ordine


38/79



Consideriamo ancora due nuclei A e X accoppiati tra loro.

Effetto tetto



39/79



Quindi: accoppiamenti tra protoni con chemical shift coincidenti non sonovisibili ( come se non ci fossero)

Il segnale dei protoni del benzene, etilene, acetilene, etano (ed anche TMS!) sempre un singoletto, poich in tutti questi composti i chemical shift di tutti iprotoni sono uguali.



40/79



Aumentando il campo magnetico un sistema non del primo ordine pu

diventare del primo ordine

perch aumenta con il campo magnetico applicato, mentreJno.

se >>J il sistema di spin si dice del primo ordinee lo spettro facilmente interpretabile

se J il sistema di spin si dice non del primo ordinee lo spettro diventa difficile da interpretare, ma

se = 0 il sistema di spin torna ad essere del primo ordineperch i protoni sono coincidenti

Sistemi di spin di primo ordine: il sistema A2X


41/79


p p 2Consideriamo un sistema in cui un protone X accoppiato a due protoni A:

C C

HA

HAHX

I due protoni A (equivalenti, quindi laccoppiamento tra loro non conta) risentono

delleffetto di X e risuonano come doppietto.Il protone X risente dello stato di spin di dueprotoni. Esistono quattro possibilit.

mtot = + 1 mtot = + 0

mtot = 1Il protone X risuona come tripletto 1:2:1. Il ramo centrale ha intensit doppia deglirami laterali, perch il protone X risuona a quella frequenza sia per lo stato cheper lo stato di A.

Il sistema A3X


42/79


3

I possibili stati di spin complessivi dei tra protoni A sono ora:

mtot = + 3/2 mtot = + 1/2 mtot = 1/2

mtot = 3/2

Consideriamo ora un sistema in cui un protone X accoppiato a tre protoni A:

C C

HA

HAHX

HA

Esistono 4 possibili momenti magnetici totali (con i due centrali tre volte piprobabili) ed il protone X risuona come quartetto 1:3:3:1.

La regolaN+1


43/79


g

Le intensit relative dei rami sono quelle del triangolo di Tartaglia (o di Pascal):Molteplicit Intensit relativa dei rami Nsingoletto 1 0doppietto 1 1 1

tripletto 1 2 1 2quartetto 1 3 3 1 3quintetto 1 4 6 4 1 4sestetto 1 5 10 10 5 1 5eptetto 1 6 15 20 15 6 1 6

ottetto 1 7 21 35 35 21 7 1 7

In generale, un protone accoppiato con la stessa costante di accoppiamento ad N

altri protoni, appare con molteplicitN+1.

Per esempio il CH del 2-cloropropano accoppiato con 6 protoni, ed appare comeeptetto (i rami laterali si vedono appena!!!)

E se le costanti sono diverse?


44/79


La regola N+1 vale sono le se costanti di accoppiamento sono uguali (o quasi uguali)

Consideriamo invece un sistema AMX, in cuiJAM JMX (quiJMX > JAM)

C C C

HXHMHA

In questo caso linfluenza di X su M diversa da quella di A, e quindi gli stati e non hanno pi lo stesso effetto su M. Il segnale di M ha quindi 4 rami, ed detto doppio doppietto.

Costanti di accoppiamento tipiche


45/79


Accoppiamenti geminali

Protoni su carboni sp

3

: J 10-14 HzProtoni su carboni sp2: J 1-3 HzAccoppiamenti vicinali

Legame singolo, libera rotazione: J 7 Hz

Legame singolo, rotazione impedita: legge di KarplusLegge di Karplus: La costante di accoppiamento vicinale dipende principalmentedallangolo diedro tra i due protoni. Come si vede nel grafico, piccola peridrogeni sghembi (=60), ed grande per idrogeni anti (=180).

H

H

02468

101214Hz

0 90 180

1800J=J0 cos2 per 0 < < 90

J=J180 cos2 per 90 < < 180

Costanti di accoppiamento tipiche


46/79


Legame singolo, cicli a 5 termini: J 1-8 Hz (cis e trans)

Legame doppio: Jcis 7-11 HzJtrans 14-17 Hz

Composti aromatici a 6 termini: Jorto 7-9 HzComposti aromatici a 5 termini: Jorto 3-5 Hz

Accoppiamenti vicinali

Legame singolo, cicli a 6 termini (forma a sedia): Jax,ax 10 HzJax,eq 3 HzJeq,eq 3 Hz

H

H H

H HH

Costanti di accoppiamento long-range


47/79


Sistemi saturi

Accoppiamento W: 4J 0-7 HzPresentesolo se i quattro legami sono sullo tutti stesso piano (conformazione aW); visibile in composti a conformazione rigida, particolarmente compostipoliciclici a ponte.

H

C

C

C

Hper esempio:

H

H

HO

Sistemi insaturi

Accoppiamento allilico (4J: CH-C=CH): J 0-2 HzAccoppiamento omoallilico (5J: CH-C=C-CH): J 0-2 HzAccoppiamenti meta e para in composti aromatici: Jmeta 1-3 Hz

Jpara 0-1 Hz

CC C

H

H

CC C

C

H H

H H H

H

Lo spettrometro NMR


48/79


1)Il magnete superconduttore:

Il campo magnetico deve essere il pi uniforme

possibile (disomogeneit < 1 parte su 109!)

Lo spettrometro NMR


49/79


1)Il magnete superconduttore:

Il campo magnetico deve essere il pi uniforme

possibile (disomogeneit < 1 parte su 109!)

RF

Lo spettrometro NMR


50/79


2)Il Trasmettitore/ricevitore di radiofrequenza:

3)Il computer per il controllo ed

lelaborazione dei dati:

Oppure:

Consolle computer + RF (il nostro AMX-500!)

Spettrometria NMR: aspetti tecniciL tt i NMR d lt i l i ff tt t i i i


51/79


La spettroscopia NMR ad alta risoluzione va effettuata su campioni insoluzione a causa di:

Effetti anisotropi sul chemical shiftAccoppiamenti dipolari

Solventi per lNMR: non devono contenere protoniMolti disponibili: CDCl3, CD3OD, D2O, CD3COCD3, C6D6, Ma anche H2O se necessario (protoni scambiabili) con tecniche particolari

Sistema di lock a deuterio:La presenza del deuterio importante anche perch questo nucleo serve comeancora per mantenere costante il campo magnetico. Infatti c una costante

irradiazione alla frequenza di risonanza del deuterio, e se il campo magneticovaria, il deuterio va fuori risonanza.

Rotazione campione:La cuvetta pu essere fatta ruotare sul

proprio asse, per migliorarelomogeneit del campo magnetico.In questo caso, possono comparire lecosiddette bande laterali. Ogginormalmente non si usa questa

tecnica.

Scansione del chemical shift e del campo magnetico


52/79


Uno spettro NMR pu essere ottenuto in due modi.

Scansione della frequenza: si varia la frequenza della radiazione elettromagneticae si misura lassorbimento per ogni frequenzaScansione del campo: si lascia costante la frequenza della radiazioneelettromagnetica, e si varia il campo magnetico: allaumentare del campomagnetico entreranno in risonanza protoni via via pi schermati, e si ottiene

comunque uno spettro.

Negli apparecchi NMR ad onda continua questo secondo metodo era usato moltofrequentemente, ed ancora molto comune dire segnale a campi alti per

intendere un segnale di un protone molto schermato, che quindi risuona afrequenze (e chemical shift) bassi; analogamente, un protone che risuona a campibassi piuttosto deschermato, e quindi ha una frequenza di risonanza e chemicalshift piuttosto alti.

Protoni equivalenti


53/79


Due protoni sono equivalenti se si trovano nello stesso intorno chimico.

Due protoni equivalenti hannosempre la stessa frequenza di risonanza.

Tuttavia due protoni possono avere la stessa frequenza di risonanza anche se nonsono equivalenti, per caso o perch gli intorni chimici dei due protoni, pur nonessendo identici, sono molto simili.

Ci sono due motivi per lequivalenza: Simmetria molecolare Scambio chimico (equilibrio conformazionale)

Simmetria molecolare


54/79


Due protoni sono equivalenti per simmetria molecolare se, in una molecola con un

qualunque elemento di simmetria, i protoni sono correlati dell'elemento disimmetria.

H

C

H3C

C

H

CH3

H

C

H3C

C

CH3

H

H

C

H

C

H

H

H X

H

H

H

X

X X

H

H

H

H

H H

X

H

X

H

H H

X

H

Y

H

Scambio chimico


55/79


Due protoni sono equivalenti per scambio chimico sono rapidamente

interconvertibili, ossia che possano facilmente passare luno al posto dellaltro.Ha

Hb

Hb

Hb

Hb

Hb

Hb

Ha

Ha

Ha

Ha Hb

Ha

Hb

Ha

Ha

Ha

Ha

Hb

Hb

Hb

Hb Hb

Ha

Ha

Hb Hc

Hc

Ha Hb

Hb

Hc Ha

ClCl

Br

Cl

H

Br

H

HCl

Cl

H

Br

Cl

HH

Cl

H

Br

H

ClH

H H

I protoni di un metilene in sistemi ciclici e/o vicino ad un centro chirale sonospesso non equivalenti:

Protoni equivalenti: casi complessi


56/79


Me Me

OH

HO OH

OH

H HH H

H

H

H

H

H

H

H

HH

C2

Ph Ph

H Br Br H

H H

Ph Ph

H Br HBr

H H

Equivalenza magnetica e di chemical shift


57/79


Nell'NMR protonico esistono due tipi di equivalenza:

Due protoni che sono nello stesso intorno chimico (per simmetria o per scambiochimico) sono detti equivalenti per chemical shift.I protoni sono anche magneticamente equivalenti se hanno la stessa costante diaccoppiamento con tutti i protoni appartenenti al sistema di spin.

HA'HA

HB HEHC HDJAB =JA'BJAC=JA'CJ

AD=J

A'DJAE =JA'E

In altre parole, HA e HA' sono magneticamente equivalenti se hanno la stessa

costante di accoppiamento con ogni altro protone con cui sono entrambiaccoppiati.Se, al contrario, queste eguaglianze non si verificano, i protoni continuano adessere equivalenti per chemical shift, ma non sono magneticamente equivalenti.

Equivalenza magnetica e di chemical shift

S d i i l i h i l hif i


58/79


Se due protoni sono equivalenti per chemical shift, ma non magneticamente

equivalenti, lo spettro NMR non pi del primo ordine e la molteplicit complessa. Cl

ClH

H

H

H

J3,4 =J5,6= 8 Hz

J3,5 =J4,6= 2 Hz

1

2

34

5

6

ppm 2.02.53.0

N+

COOHMe

CH2OH

H

H

H

H

H

H

H

H

In questo caso il sistema di spin non pi chiamato A2B2, ma AA'BB'

NMR a trasformata di Fourier (FT-NMR)

Esiste un metodo alternativo (e pi vantaggioso) per registrare spettri NMR; l'NMR


59/79


Esiste un metodo alternativo (e pi vantaggioso) per registrare spettri NMR; l NMRad impulsi, detto anche NMR a trasformata di Fourier.

Invece di misurare l'assorbimento di radiazioni elettromagnetiche a frequenze viavia diverse, si sottopone il campione ad un solo, intenso, e brevissimo impulso diradiofrequenza.Questo impulso capace di eccitare tutti i nuclei (di un certo tipo!) nello stessotempo, indipendentemente dal loro chemical shift.Dopo la fine dell'impulso, i nuclei ritornano alla normale distribuzione diBoltzmann emettendo fotoni, ogni nucleo alla propria frequenza di risonanza.L'emissione non va avanti all'infinito, ma diminuisce in maniera esponenziale.

Per un singolo nucleo, laradiazione emessa ha questoaspetto, e la frequenza pu

essere misurata direttamente:t

Grafico di una intensit in funzione del tempo

Il FIDPer se abbiamo due nuclei che emettono a frequenze diverse, le due onde


60/79


q ,interferiscono:

t

e gi in presenza di soli 4 nuclei l'interferogramma (detto FID, da Free InductionDecay) diventa incomprensibile:

t

Il FID dunque una sovrapposizione di radiofrequenze, cio di segnali sinusoidaliin funzione del tempo, ognuno alla frequenza di risonanza del nucleo che lo

produce.

La trasformata di Fourier


61/79


FTt

Per fortuna esiste una operazione matematica (detta trasformata di Fourier) chepermette di trasformare il FID (che il grafico di una intensit in funzione del

tempo) nel normale spettro NMR (che il grafico di una intensit in funzione dellafrequenza).

t

Le informazioni del normalespettro NMR sono tutte presenti,nel FID, ma in maniera nonfacilmente comprensibile.

L'impulso


62/79


dove l'indeterminazione della frequenza e tla durata del treno d'onde.Quanto pi breve l'impulso, tanto pi indefinita la frequenza.Per impulsi di circa 10s (cio 10-5 s), l'impulso efficace per un range di circa10.000 Hz (20 ppm a 500 MHz), e pu quindi eccitare tutti i nuclei.

Naturalmente, per essere efficace, un impulso cos breve deve anche essere moltointenso.

Come pu un impulso di radiofrequenza, che a una certa ben precisa frequenza,eccitare nuclei che risuonano a frequenze differenti?

In realt la frequenza di un'onda perfettamente definita solo se il treno d'onde ha

lunghezza infinita.Se invece il treno d'onde dura solo un tempo t, la frequenza non pi perfettamentedefinita, e si ha:

t1

Vantaggi dell'FT-NMR


63/79


Tutte le frequenze sono registrate contemporaneamente, invece che sequenzialmentecome nellesperimento ad onda continua, e lintero esperimento dura 12 secondi (iltempo che la radiofrequenza impiega ad andare a zero) invece che qualche minuto

L'esperimento pu essere ripetuto molte volte in poco tempo, e questo miglioradrasticamente il rapporto S/R (lucido successivo).

Mentre l'NMR ad onda continua una spettroscopia di assorbimento, l'FT-NMR una spettroscopia di emissione (i nuclei emettono radiofrequenza dopo l'eccitazione)

Poich il momento dell'eccitazione dei nuclei separato da quello dell'aquisizionedati (emissione della radiofrequenza) possibile eccitare gli spin nucleari in manierapi sofisticata. Diventano possibili:

Esperimenti multiimpulso (noi studieremo il DEPT)Spettroscopia NMR bidimensionale

Tutta la spettroscopia NMR moderna in trasformata di Fourier

Rapporto S/R e FT-NMRQuando un esperimento ripetuto molte volte, il segnale (S) si trova sempre nello

il (R) h l


64/79


stesso punto, mentre il rumore (R), che casuale, no.

Quindi l'intensit del segnale proporzionale al numero di esperimenti (N), mentre sipu dimostrare che il rumore proporzionale solo a , quindi:N

1

2

3

4 1+2+3+4

N= 4

NN

N

R

S

Poich , registrando un numero molto alto di esperimenti, possibile

evidenziare segnali completamente nascosti dal rumore di fondo

NRS

Il disaccoppiamento di spin

Se un protone irradiato con continuit alla


65/79


sua frequenza di risonanza, la radiazioneelettromagnetica causa un continua variazionedel suo stato di spin a e viceversa (sitratta di una serie continua di assorbimenti edemissioni stimolate).

Consideriamo ora un sistema AX, e supponiamo di registrare uno spettro (ad ondacontinua o in trasformata di Fourier) mentre in corso una continua irradiazione delnucleo A.

HA HX HA HX


B0

Il protone X non si trova pi nelle vicinanze di un protone nello stato oppurenello stato , ma nelle vicinanze di un protone che cambia continuamente il suostato di spin. Il protone X risente quindi dello momento magnetico medio del nucleo

A, che zero.

Senza irradiazione

Lirradiazione fa passare HA

da a e viceversa

Il disaccoppiamento di spinIn definitiva, se si irradia con continuit sul nucleo A, il nucleo X non risente pid ll i t il l A e ris ona come singoletto cio il


66/79


Nello stesso tempo, il segnale del nucleo A non pi presente poich la continuairradiazione fa s che le popolazioni degli stati e diventino identiche.

dell accoppiamento con il nucleo A, e risuona come singoletto, cio come se il

nucleo A non esistesse (ma eventuali accoppiamenti con altri nuclei continuano adesistere!).

Senza irradiazione

Con irradiazione

Le informazioni che ci vengono da esperimenti di disaccoppiamento di spin sonooggi ottenibili pi facilmente dall'esperimento NMR bidimensionale COSY.

L'effetto nucleare Overhauser (NOE)

Leffetto nucleare Overhauser una variazione dellintensit del segnale di unll d di h i ll i i d l


67/79


Non spiegheremo in dettaglio il meccanismo del NOE.Diciamo solo che l'irradiazione su un nucleo fa s che la differenza di popolazionetra gli stati e si annulla. Di conseguenza* nei nuclei accoppiati dipolarmente

(quindi vicini), la differenza di popolazione tra gli stati e dei nuclei varia(aumenta sa il NOE positivo), e per questo l'intensit del segnale di questo nucleiaumenta.

protone in seguito allirradiazione di un protone che si trova nelle vicinanze del

protone osservatoIl fenomeno del NOE legato allaccoppiamento dipolare, e quindi vicini significaeffettivamente vicini nello spazio, e non separati da pochi legami.Generalmente si osserva un aumento dellintensit per molecole organiche,

diminuzione per macromolecole. Se si ha aumento di intensit si parla di NOEpositivo, se si ha diminuzione diNOE negativo.Gli aumenti e diminuzioni di intensit sono in genere piccoli per NOEomonucleari, con un valore massimo teorico del 50% e valori reali che sonotipicamente compresi tra l1% ed il 10%.

* Perch questo sia una conseguenza non lo spieghiamo!

L'effetto nucleare Overhauser (NOE)

Poich l'aumento di intensit piccolo, normalmente il NOE viene misuratoili d i diff


68/79


utilizzando spettri differenza:

Spettro senza irradiazione

Spettro con irradiazione

Spettro differenza

=

NOE!

Uso dell'effetto nucleare Overhauser

Laumento della intensit del segnale di un protone in seguito allirradiazione su unlt t i l id t d ll i i i l (di i


69/79


altro protone in generale considerata prova della vicinanza spaziale (diciamo

entro 3-4 ) tra i due protoni.Non vero il contrario, cio non possiamo concludere dallassenza di NOE che idue protoni sono lontani.Il NOE di enorme utilit per la determinazione della stereochimica delle

molecole. Per esempio se stiamo studiando la stereochimica di:

O

HO

OH

1

2

34

5

O

HO

H

1

2

34

5

cis trans

H

H

H

OH

un effetto NOE tra i protoni in 2 e in 4 indica vicinanza spaziale tra i due protoni, equesto in accordo solo con il diastereoisomero cis.

O

HO

OH1

2

34

5

NOE e disaccoppiamento

Una irradiazione su un protone in grado di provocare sia NOE che


70/79


Una irradiazione su un protone in grado di provocare sia NOE che

disaccoppiamento di spin, ed i due effetti avvengono contemporaneamente in unesperimento ad onda continua.

Questo un problema, perch il disaccoppiamento, facendo variare le molteplicit,rende difficile l'uso dell'esperimento differenza.

In un esperimento a trasformata di Fourier, tuttavia, i due fenomeni possono esseretenuti ben distinti.

Nel NOE la variazione dellintensit del segnale alla variazione della differenzatra le popolazioni degli stati e : l'intensit del segnale dipende dalla differenza

di popolazione al momento dell'impulso, per cui importante avere irradiazioneprima dellimpulso, non dopo.

Nel disaccoppiamento di spin l'irradiazione fa variare la frequenza a cui il nucleoemette, e quindi l'irradiazione deve avvenire durante l'emissione, cio dopolimpulso.

Quindi:Irradiazione prima dell'impulso NOE

Irradiazione dopo l'impulso disaccoppiamento

Rilassamento

Il rilassamento il ritorno all'equilibrio di un sistema che stato perturbato.


71/79


In generale il rilassamento un processo esponenziale, e pu essere definita unacostante di tempo T (il cosiddetto tempo di rilassamento) che ci dice quantovelocemente il sistema rilassa.

Per quanto riguarda l'NMR, il tempo di rilassamento T2 ci dice quanto velocementeil FID decade, e il tempo di rilassamento T

1

quanto velocemente il sistema tornaalla distribuzione di equilibrio di Boltzmann (i due processi sono diversi, ma inmolecole piccole vanno pi o meno alla stessa velocit).

Per esempio:

t

Rilassamento veloce

(T2 piccolo)

Rilassamento lento

(T2 grande)

RilassamentoNel FID di destra della pagina precedente, il segnale decade pi velocemente, e lafrequenza pi indefinita: dopo la trasformata di Fourier i segnali saranno pi


72/79


Quindi:

Un tempo di rilassamento piccolo (rilassamento veloce) riduce la risoluzione.

Per dobbiamo dire che prima di poter ripetere un esperimento NMR, dobbiamoaspettare che si ristabilisca la distribuzione di popolazioni di Boltzmann.

Se il tempo di rilassamento lento, dobbiamo aspettare molto tempo, e possiamo

ripetere l'esperimento meno volte per unit di tempo: il rapporto segnale/rumorescende.

Quindi:

Un tempo di rilassamento grande (rilassamento lento) riduce la sensibilit.

frequenza pi indefinita: dopo la trasformata di Fourier, i segnali saranno pi

larghi e meno risolti.

Rilassamento veloce (T2 piccolo) Rilassamento lento (T2 grande)

Spettroscopia NMR 13CI principi dell'NMR 13C sono identici a quelli dell'NMR protonico, quindi esaminiamosolo le differenze


73/79


solo le differenze.La sensibilit molto minore rispetto a NMR protonico a causa di bassa abbondanza isotopica (1.1% invece di ~100%) basso rapporto magnetogirico, C = H, e visto che sensibilit

3, allora lasensibilit solo 1/64 di quella protonica (senza considerare l'abbondanza isotopica)

Tempi di rilassamento pi lunghi (anche decine di secondi, ma non si aspetta tanto!)Chemical shift

range 0-220 ppm (invece degli 0-10 ppm dell'NMR protonico) il riferimento per la scala dei sono i carboni del TMS

Costanti di accoppiamento:

le 1JCC,2JCC e

3JCC esistono ma non danno luogo a molteplicit nello spettro (improbabile avere 2 13C vicini)

le 1JCH (125-250 Hz) e le2JCH e

3JCH (0-15 Hz) darebbero luogo a una molteplicit

complessa, ma si usa il disaccoppiamento di spin a larga banda (broadband decoupling)quindi: In uno spettro 13C i segnali sono tutti singoletti (ma non se ci sonoaccoppiamenti con 19F, 31P, ecc, ecc,)

Disaccoppiamento a larga banda

Gli esperimenti 13C vengono normalmente effettuati in presenza di


74/79


p g p z

disaccoppiamento protonico.Questo come un disaccoppiamento di spin, ma deve funzionare su tutti i protonie non solo su quelli che risuonano a una certa frequenza. Per questo viene dettodisaccoppiamento a larga banda (broad band decoupling - BB).

Si effettua con un irradiazione ad alta potenza, e di intensit variabile nel tempo.Una irradiazione del genere influenza tutti i i protoni, poich come se fosserealizzata attraverso una serie continua di impulsi di radiofrequenza; in alcuni casisi fa proprio cos.

Nell'esperimento disaccoppiato la sensibilit aumentaperch i segnali sono tutti singoletti

c' il NOE eteronucleare (segnalifino a 3 voltepi intensi per CH, CH2 e CH3)

La presenza di NOE per significa che l'intensit dei segnali non piproporzionale al numero di 13C (non si pu usare l'integrazione). Un'altra causasono i lunghi tempi di rilassamento di alcuni carboni (particolarmente quelli nonprotonati).

Spettri 13C NMR


75/79


L'intervallo pi ampio di chemical shift e il fatto che i segnali sono tutti singoletti

fa s che: In uno spettro 13C molto raro che due segnali siano sovrapposti (a menoche non siano di carboni equivalenti!)

Il numero di atomi di carbonio in una molecola almeno pari al numero disegnali nello spettro 13C (pu essere maggiore se ci sono carboni equivalenti)

Chemical shift 13C tipici

Esistono regole additive per il calcolo del chemical shift che funzionano bene per


76/79


specifiche classi di composti, ma richiedono la consultazione di tabelle.Sono invece valori da ricordare:

Carboni sp3

Metili legati a C 5-25Metileni e metini legati solo a C 5-55

Il chemical shift risente poco della elettronegativit di sostituenti in e di effettidi anisotropia del chemical shift (gli effetti ci sono, ma il range di chemical shift

ampio).C legati a O 55-85C legati a 2 atomi di O (acetali) 90-110

C legati ad N (amminico o ammidico) 40-70

C legati ad eternatomi elettronegativi, ma di alto peso molecolare (I, Br, anche S)non subiscono aumenti significativi rispetto a C legati solo a C.

Chemical shift 13C tipici

Carboni sp2


77/79


Alcheni e composti aromatici: 100-165(tipico 120-130, di pi per C non protonati)

particolarmente alto il chemical shift di carboni in al CO, particolarmentebasso quello di carboni in ad ossigeno (eteri vinilici).

Carboni (di alcheni ed areni) legati a O 150-160

Carbonili (qui lo spettro 13C importante):

Aldeidi: 195-200Chetoni: oltre 200Chetoni coniugati: 195-200Esteri, ammidi, ed altri derivati di acidi carbossilici: 165-170

Carboni sp:

Alchini: 70-90Nitrili: 110-120

Esperimenti DEPTIl disaccoppiamento a larga banda molto utile, ma elimina una importanteinformazione: il numero dei protoni legati ad ogni carbonio.


78/79


p g g

In sua assenza, infatti, e considerando solo le costanti grandi 1JCH, i CH3 sarebberoquartetti, i CH2 sarebbero tripletti, i CH sarebbero doppietti, ed i C non protonatisingoletti.

Esiste un esperimento multiimpulso, detto DEPT, che permette di recuperare

queste informazioni.In questi esperimenti i nuclei 13C sono eccitati da una serie di impulsi sia afrequenza 13C che 1H, ed il risultato che i CH3, i CH2, i CH ed i C non protonatisono eccitati in maniera diversa luno dallaltro.

In particolare esistono due versioni di questo esperimento, che differiscono per ladurata di uno degli impulsi e sono dette:

DEPT90:

nello spettro appaiono esclusivamente i CH

DEPT135:Nello spettro appaiono i CH3, ed i CH normalmente, mentre i CH2 compaionodalla parte opposta dello spettro (come se fossero segnali negativi; si dice chehanno fase opposta)

Esperimenti DEPTDalla combinazione dei dati forniti da spettro 13C disaccoppiato, DEPT90 eDEPT135 possibile determinare con sicurezza se un carbonio un CH3, un CH2,


79/79


un CH o un C non protonato.Inoltre lesperimento DEPT addirittura pi sensibile del normale spettro 13Cdisaccoppiato.

7 - spettroscopia nmr

Documents