Metodi fisici in chimica organica

Metodi fisici in chimica organica

Prof. Federico Rastrelli & Luca Gabrielli

Cristian Farris e Anna Gallina 3° anno CTF A. A. 2025 – 2026

Indice

• Introduzione.................................................................................................................................................2
• Spettrometria di massa...............................................................................................................................5
• Ionizzazione a impatto elettronico................................................................................................................14
• Ionizzazione chimica...................................................................................................................................23
• Sorgenti API................................................................................................................................................26
• Analizzatori.................................................................................................................................................39
• Rivelatori...................................................................................................................................................50
• Esercizi.......................................................................................................................................................52
• Spettrometria IR........................................................................................................................................57
• Spettrofotometro IR....................................................................................................................................62
• Bande IR.....................................................................................................................................................65
• Spettri degli alcani......................................................................................................................................68
• Spettri degli alchini.....................................................................................................................................71
• Spettri degli idrocarburi aromatici................................................................................................................72
• Spettri degli alcoli.......................................................................................................................................75
• Spettri dei derivati carbonilici......................................................................................................................78
• Spettri di tripli legami e doppi legami cumulati.............................................................................................84
• Spettri di composti azotati...........................................................................................................................86
• Riassunto ed esercizi.................................................................................................................................88
• Spettroscopia UV-vis, fluorescenza e fosforescenza................................................................................99
• Spettroscopia NMR..................................................................................................................................106
• Chemical shift e struttura delle molecole...................................................................................................111
• Strumentazione........................................................................................................................................120
• Strutture iperfini negli spettri NMR H..........................................................................................................126
• Scambio chimico e spettri NMR H..............................................................................................................148
• Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica.........................................................................................155
• C NMR.....................................................................................................................................................169
• Effetto Overhouser nucleare NOE……………………………………………………………………………………………………………………175
• NMR bidimensionale……………………………………………………………………………………………………………………………………..179

Introduzione

L'obiettivo della materia è identificare le molecole organiche tramite analisi sperimentali.

Il flusso logico che si segue è:

• 1. Formula bruta analisi elementare + spettrometro di massa (MS) o massa esatta;
• 2. Grado di insaturazione si trova tramite una formula
• 3. Peso molecolare (e in parte i gruppi funzionali) spettrometro di massa
• 4. Gruppi funzionali IR, NMR, UV-VIS (solo per sistemi coniugati), MS (tecniche di frammentazione), seguendo questo ordine di priorità IR-NMR-UV-MS.
• 5. Connettività → NMR
• 6. Stereochimica → NMR, dicroismo circolare (CD)

L'interpretazione degli spettri di MS, IR e NMR è "empirica". Infatti, è necessario conoscere le bande/picchi/risonanze caratteristiche dei gruppi funzionali nelle molecole organiche e spesso si confrontano gli spettri acquisiti con quelli raccolti nelle librerie di database.

Per l'interpretazione degli spettri è necessario avere molta esperienza e servirà fare esercizi guardando anche agli spettri di riferimento.

La spettrometria di massa suggerisce in parte alcuni motivi strutturali. Le spettroscopie IR e NMR forniscono la maggior parte delle informazioni sui gruppi funzionali; in particolare, l’NMR individua la connettività e la disposizione spaziale degli atomi che costituiscono la molecola.

Esempio: Il rapporto C:H:O è 1:2:1, la formula molecolare deve essere (CH2O)n. Lo spettro di massa permette di ottenere la massa molecolare: 180 uma. Quindi, poiché il peso della formula di CH2O è 30 uma, si ottiene n = 6 (180/30).

La molecola di a-D-glucosio ha, quindi, la formula C H O , e il numero di possibili strutture corrispondenti alla^{6 12 6} a questa formula è enorme, inoltre l'O può essere diversi gruppi funzionali come etere, estere, chetone, aldeide, alcol.

Spettroscopia NMR vs. altre tecniche

La spettroscopia a NMR permette di identificare e quantificare i tipi di atomi (generalmente C, H) presenti nella molecola e determinarne la connettività con altri atomi. Inoltre, fornisce informazioni sulla natura del composto e sulla sua struttura.

Per determinare la quantità o l’evoluzione temporale di composti organici noti, la tecnica migliore è quella più sensibile. La sensibilità del NMR è intorno al micro/milli molare (10^{-3 -5}) mentre lo spettrometro di massa ha una sensibilità intorno ai picomolari (10^-12). L'NMR fornisce più informazioni, ma se il campione è in concentrazioni troppo basse, è meglio usare lo spettrometro di massa.

Spettro NMR

1. Come arrivare alla formula bruta di una sostanza

Si hanno due opzioni per trovare la formula bruta; la migliore consiste nell’utilizzare uno spettrometro di massa ad elevata precisione che fornisce informazioni sia su quali elementi sono presenti e sia in quali quantità. Se non si ha questo strumento, si esegue un'analisi elementare.

L'analisi elementare è una tecnica analitica in cui il composto viene distrutto per combustione, e si vanno ad analizzare i gas liberati:

• Dalla quantità di CO2 si ottiene la percentuale di C presente nella molecola
• Dall'acqua si ottiene la percentuale di H
• La percentuale di N si ottiene dalla quantità di NO_x,
• La presenza di alogeni X viene calcolata tramite titolazione.
• La quantità di O si ottiene per differenza una volta trovate tutte le altre percentuali: %O = 100 – (%C + %H + %N + %X).

Esempio: Dal laboratorio di analisi ottengo la seguente informazione circa la composizione elementare di una sostanza: C=70%, H=20%, N=5%, nessun alogeno. Vuol dire che O è il 5% poiché 100-(70+20+5)=5.

Una volta ottenute le percentuali, bisogna ottenere le moli: supponendo che si abbiano 100g di composto, si trasformano le percentuali in grammi e poi si trovano le moli:

È possibile fare questo perché il numero di moli di un certo elemento è uguale alla quantità in grammi dello stesso diviso il suo peso atomico (PA).

Nel caso dell’esempio 1 il numero di moli di C sarà 70g/(12.011 g/mol) = 5.83 mol.

In questo modo si può ottenere il numero di moli di ciascun elemento presente in 100g di sostanza incognita e la stessa proporzione sarà presente anche nella molecola.

Questi numeri di solito saranno frazionari e non interi e, quindi, non possono essere utilizzati per scrivere la formula bruta; per questo bisogna trovare il minimo comune multiplo che permette a tutti gli elementi di avere un numero intero.

Nel caso in cui si ottenesse per un certo composto il seguente numero di moli: C = 5.5, H = 12 è chiaro che il minimo moltiplicatore sarà 2. Infatti, 5.5×2 =11 e 12×2 = 24 e la formula bruta minima sarà C H .^{11 24}

Esempio: Calcolare la formula bruta minima di un composto incognito la cui analisi elementare sia: C=67.5%; H=5.0%; N=17.5%.

• Calcolare la % di O, visto che l’analisi % non dà conto del 100% degli elementi: %O = 100 - (67.5+5.0+17.5) = 10.0
• Calcolare il numero di moli (n) di ogni elemento presenti in 100 g di composto incognito:

nC=67.5/MMC = 5,62
nH=5/MMH = 4,96
nN=17.5/MMN= 1,25
nO=10/PAO = 0,625

Poiché la formula della molecola dovrà avere un numero intero di atomi bisogna procedere con la normalizzazione. La cosa più semplice da fare è moltiplicare per 1/0.625 (valore di moli più piccolo), in modo che il numero di atomi di ossigeno diventa 1, ossia il minimo possibile.

Il risultato è: C=8.99; H=7.94; N=2; O=1

Poiché l’analisi elementare è un dato sperimentale affetto da errore si può arrotondare ai numeri interi per cui la formula bruta minima è C H N .^{9 8 2}O

Però, bisogna tenere presente che la formula bruta minima (o semplicemente minima) non è necessariamente la formula bruta della sostanza incognita.

Qualunque molecola la cui formula sia costituita da multipli interi della formula bruta minima avrà la stessa percentuale di elementi.

La formula bruta deve essere comunque confermata con l'analisi allo spettrometro di massa.

2. Trovare i gradi di insaturazione

Dalla formula bruta minima si può ricavare un numero che rappresenta la «carenza» di idrogeno, ossia il grado di insaturazione U, della molecola incognita. Questo dato è importante per avere alcune idee su certe caratteristiche della molecola di cui si sta analizzando la composizione.

Per una molecola di formula bruta C -H -N -O -X , il grado di insaturazione è espresso dalla formula:^{c h n o x}

I gruppi funzionali che contribuiscono con 1 grado di insaturazione sono:

I gruppi funzionali che contribuiscono con 2 gradi di insaturazione sono:

Ovviamente in una stessa molecola potranno essere presenti più gruppi funzionali e ciascuno di essi contribuirà al grado di insaturazione complessivo.

Per esempio, il grado di insaturazione di benzene, naftalene e difenilmetano è, rispettivamente, di 4, 7 e 8.

Prima di analizzare gli spettri di qualunque composto incognito bisogna sempre determinare la sua formula bruta e da questa ricavare il grado di insaturazione.

In linea di principio il grado di insaturazione ottenuto dalla formula bruta minima può essere diverso da quello della formula bruta corretta.

Spettrometria di massa

È una tecnica analitica che fornisce il/i rapporto/i massa su carica (m/z) della molecola oggetto dell’analisi o dei frammenti di tale molecola. Quindi, uno spettrometro di massa separa gli ioni secondo il loro rapporto massa su carica (m/z).

Da questi si possono ricavare:

• Peso molecolare
• Formula molecolare
• Struttura molecolare

Questa tipologia di analisi può avere moltissime applicazioni come nella proteomica, metabolomica, sviluppo di farmaci, controlli alimentari, scienze forensi, caratterizzazione di prodotti naturali, studi di reazioni ione-molecola, analisi di complessi inorganici, caratterizzazione di polimeri.

Quest’analisi si basa su 2 leggi:

• Legge di Lorentz

Una particella di carica puntiforme q che si muove a velocità v in un campo elettrico E e in un campo magnetico B è soggetta ad una forza elettromagnetica F data da:

F = q (E+v*B)

• Seconda legge di Newton, valida per particelle che si muovono a velocità inferiori di c

F = m*a

Se si uniscono queste due leggi si ottiene: (m/z)*a=E+(v*B) dove l'equazione afferma che se si tengono costanti il campo elettrico, il campo magnetico e la velocità dello ione, allora, grazie ai diversi rapporti m/z delle particelle, queste ultime subiranno accelerazioni diverse.

Lo schema generale dello spettrometro di massa è:

• Sorgente di ioni: necessaria per ottenere il campione carico in quanto produce gli ioni. A seconda delle sorgenti di ioni si possono analizzare molecole diverse.
• Magnete: gli ioni vengono velocizzati fino a una velocità nota da un campo elettrico, successivamente entrano in un campo magnetico, e, in base al loro rapporto massa su carica, verranno deviati in modo diverso.
• Rilevatore: viene colpito dallo ione deviato e va a rilevare l’impatto dello ione, trasformandolo in impulso elettrico, che viene trasmesso all’output, che trasmette i dati ottenuti a un computer che produrrà lo spettro.

Il primo stadio di un’analisi di spettrometria di massa è la ionizzazione della molecola di interesse (M). La ionizzazione può avvenire in diversi modi, uno fra quelli più utilizzati è la ionizzazione elettronica o «urto elettronico», in cui la molecola viene colpita da elettroni inviati ad alta velocità.

Quando la molecola viene colpita, può succedere che:

• 1. L'elettrone colpisce un elettrone di non legame della molecola facendolo uscire dalla molecola, formando uno ione molecolare catione, l’unico elemento che fornisce il dato effettivo della molecola.
• 2. L’elettrone colpisce un elettrone di legame della molecola, in questo modo si frammenta la molecola e si forma un frammento carico positivamente e un radicale.
• 3. M+e

Quindi, si possono ottenere 3 diversi prodotti:

• M+• Ione molecolare: è un radicale catione ed ha un numero dispari di elettroni
• R + , I +• Frammenti ionici primari: possono a loro volta frammentare
• R • Radicale che si è distaccato nella frammentazione

È importante tenere presente che le specie rilevabili con l'analisi di massa sono solo le specie cariche positivamente, non i radicali privi di carica.

Ottenere gli ioni m/z noti di una molecola è importante perché gli ioni danno informazioni sulla natura e la struttura della molecola da cui derivano. Se z = 1, m/z corrisponde alle masse della molecola e dei suoi frammenti. Infatti, in generale:

• Lo ione a m/z maggiore può essere lo ione molecolare da cui si può ricavare il peso della molecola in esame
• Picchi a m/z minori della massa della molecola corrispondono ai “pezzi” della molecola; da essi si può ricostruire la struttura della molecola; anche, se spesso, i frammenti non vengono rilevati.
• La differenza di m/z tra i picchi corrisponde anch’essa a “pezzi” della molecola.

Quindi, la massa della molecola sarà data dal rapporto m/z più alto, mentre gli altri saranno tutti frammenti della molecola, se non ci sono impurità presenti durante l’analisi.

Gli ioni, compresi lo ione molecolare e gli ioni radicali, vengono separati in base al loro rapporto m/z e rivelati in proporzione alla loro abbondanza.

Il grafico dello spettro ha come ordinata l'abbondanza relativa, cioè la quantità dello ione presente prendendo come riferimento il picco più alto e ponendolo a 100% ossia come “picco base”; mentre in ascissa si ha il rapporto massa/carica (m/z) dello ione.

Nella maggior parte dei casi, lo ione molecolare non è il più abbondante, ma con il sistema di ionizzazione elettronica, di solito, è il picco più a destra perché è il più pesante e il rapporto m/z è il più alto. Idealmente, quindi senza contaminazioni, dovrebbe avvenire questo poiché gli unici altri ioni presenti sono i frammenti della molecola che per forza hanno una massa minore.

Il picco più alto (picco base) di solito è il frammento più statisticamente possibile che si formi dalla pioggia elettronica e solitamente è un carbocatione molto stabile (terziario, benzile etc.) perché è quello più energeticamente più favorito a formarsi.

Definizione di massa

Quando si fanno i calcoli stechiometrici ci si riferisce alla massa molecolare media, ossia alla media ponderata delle masse degli isotopi in base alla loro abbondanza. Quindi, il peso atomico di un elemento riportato sulla tavola periodica è la media pesata delle masse atomiche dei diversi isotopi di quell’elemento.

Ogni atomo ha diversi isotopi, ma lo spettrometro di massa rileva la massa dell'isotopo, non la massa media. La massa dell'isotopo o viene arrotondata al numero intero, ossia si ha la massa nominale, oppure viene mantenuta fino alla quarta cifra, ottenendo la massa esatta.

Nella spettrometria di massa generalmente si usa la massa monoisotopica, che per un atomo corrisponde alla massa dell