NMR del protone

Applicazione di diverse tecniche analitiche nella determinazione della struttura di composti organici

Tecniche: NMR dell'H e del C-13, spettrometria di massa a impatto elettronico, IR.

Spesso per avere una risposta completa bisogna mettere assieme la risposta di più tecniche, si inizia con l’NMR, è quella che dà più informazioni, ma può dare diverse ipotesi tutte compatibili con lo spettro NMR, si passa così alla massa che magari ne esclude tutte tranne una e otteniamo la nostra risposta.

Generalità

Obiettivi

• Determinare la struttura di una molecola incognita, qualitativa, la vedremo di più.
• O determinare la quantità di un composto i cui spettri sono noti, quantitativa, meno.

Cosa ci serve per determinare una struttura

Abbiamo un composto che non conosciamo.

1) La prima cosa da fare è determinare la formula bruta, quanti e quali atomi ci sono nella molecola, otteniamo come informazione anche il PM.

Si determinano tramite analisi elementare o la massa esatta, ci sono solo questi due metodi.

Da questo poi si ricava anche il grado di insaturazione, numero di legami multipli o cicli presenti, formula.

2) Bisogna determinare quali sono i gruppi funzionali all’interno della molecola.

Si può usare la spettrometria IR, NMR, MS, UV-VIS, quest'ultima non dà moltissime informazioni.

3) Capire come i gruppi funzionali sono collegati tra loro.

Per questo c’è solo l’NMR.

4) Per conoscere la stereochimica si usa NMR o CD, dicroismo circolare.

L’interpretazione degli spettri è empirica cioè non ci dà la risposta il macchinario ma solo un’indicazione, per il resto l’interpretazione è legata all’esperienza dell’osservatore.

Esempio: glucosio

Analisi elementare: otteniamo rapporto tra C, H, O 1:2:1 e quindi la formula minima sarà (CH₂O)_n.

Spettro di massa: ricaviamo il peso molecolare, 180 uma.

Da qui possiamo arrivare alla formula bruta, visto che la formula minima trovata prima pesa 30 uma per arrivare a 180 bisogna moltiplicare ·6 -> C₆H₁₂O₆.

Ora tra tutti gli isomeri con questa formula bruta bisogna capire quale abbiamo noi.

Quando abbiamo una MS con un certo grado di frammentazione possiamo anche avere informazioni strutturali oltre al PM. La formazione di frammenti carichi segue delle regole che ci permettono di avere info strutturali.

IR anche dà info strutturali in quanto osserviamo le frequenze di vibrazione delle molecole ed ogni gruppo funzionale ha la sua e ne permette l’identificazione.

Ma la tecnica che dà maggiore info, nonostante sia la meno sensibile, è l’NMR.

La tecnica migliore è quella che ci dà più informazioni ed è di solito la meno sensibile il che vuol dire che bisogna lavorare con quantità elevate di campione.

Queste cose dette valgono per l’ambito qualitativo.

Analisi quantitativa

Quando parliamo di un’analisi quantitativa invece, in questo caso invece la tecnica migliore è quella più sensibile in quanto si vuole determinare con la maggior precisione possibile quanto composto è presente nel campione.

In questo caso l’NMR non va molto bene, lavora nell’ordine di 10^-3/10^-4 M, un campione magari in quantità davvero molto piccola non si vede; la massa invece è perfetta, anche 10^-12 M.

Esercizio

Formula bruta C₃H₆O₂.

3-6/2+1 = 1 grado di insaturazione quindi sappiamo che la molecola avrà o un doppio legame o un ciclo.

Primo grafico sulla dx spettro di massa a impatto elettronico qui viene definito lo ione molecolare M^+·, se il picco di M è troppo basso per essere visto c’è scritto che non si vede, più altri picchi dei frammenti.

Spettro IR ci permette di vedere le bande di stretching più significative di particolari gruppi funzionali, ad esempio qui vediamo quello di un carbonile C=O a 1715 cm^-1 e abbiamo così identificato anche l’insaturazione.

3500-2500 banda a sx molto allargata è indice della presenza di un eteroatomo legato ad H il quale dà legame a H, qui -OH.

Poi abbiamo l’NMR del C ci mostra un primo grafico in basso con 3 segnali, avendo noi 3 C ed essendoci 3 segnali che li indicano vuol dire che non avremo equivalenze tra quei C e che sono quindi 3 distinti e quindi la molecola non è simmetrica, i due segnali tra 0 e 30 ppm saranno alifatici, il segnale a 180 ppm invece indica un C carbonilico.

Poi c’è il DEPT, paragonando i due grafici il segnale del C che nel DEPT scompare indica che quel C non è legato a nessun H, in questo caso infatti il segnale del nostro C carbonilico scompare, il segnale in fase negativa indica invece che quel C è legato a 2H, in fase positiva invece può essere o un CH o un CH₃.

NMR del protone è un nmr contenente gli integrali relativi ad un determinato gruppo di H.

Di questi vengono misurate le aree proprio col righello misurando questa altezza.

Conoscendo il numero di atomi di H poi lo mettiamo in relazione con le aree e capiamo quanti H rappresentano ogni segnale.

Nelle note vediamo scritto scambio con D₂O, ci dice che quel segnale a 11-12 che vale 1 H scambia con acqua deuterata, indica che c’è stato uno scambio tra quel protone e quello dell’acqua deuterata, che è invisibile all’nmr, questo scambio avviene solo quando si hanno protoni acidi come quelli degli ossidrili, OH-, siamo quindi in presenza di un gruppo OH ciò si ricollega a quanto detto con l’IR e anche nella massa si osserva un frammento 74-54=17 cioè un frammento di OH.

Sempre nell’nmr vediamo i due integrali degli H all’inizio, il primo ne vale 3 il secondo 2, il dept ci diceva che avremmo avuto un CH₂ e un CH₃ o CH sapendo che quello che abbiamo ne vale 3 sarà un CH₃.

Inoltre lo capiamo dal fatto che abbiamo multipletti -> abbiamo un quartetto che vale 2H vede i 3H dell’altro e si rappresenta come quartetto, viceversa i 3H che vedono i 2H saranno rappresentati come un tripletto.

Quindi avremo -CH₂-CH₃.

La nostra molecola sarà quindi l’acido propanoico.

NMR

Dandoci più informazioni è la parte più estesa del corso.

Spettrometria: è la risposta che si ottiene quando si fa interagire una radiazione elettromagnetica con la materia.

La materia può assorbire la radiazione, e lo fa perché l’E è quantizzata, e in base a come lo fa ci dà informazioni; l’assorbimento dipenderà dalla natura della molecola e della radiazione stessa.

Radiazione elettromagnetica: interazione tra campo elettrico e magnetico che si trasmette nello spazio alla velocità della luce.

È un’onda con una frequenza direttamente proporzionale all’E in quanto E=hν.

Invece maggiore sarà la lunghezza d’onda λ minore sarà la frequenza e anche E più basse.

Spettro elettromagnetico

Queste radiazioni vengono assorbite e promuovono l’eccitazione a stati di E della materia più alti.

Le microonde promuovono transizioni rotazionali, IR vibrazionali, UV-VIS transizioni elettroniche, elettrone all’interno della molecola che viene promosso ad un orbitale più alto in E.

Usando il range dei metri le onde radio sono appunto in range di metri, sono quelle che vengono trasmesse a più grandi distanze, le microonde nel range dei cm, il forno a microonde è misurabile in cm appunto, IR dimensioni di una cellula e poi si va sempre a diminuire con valori sempre più piccoli.

NMR lavora sulle onde radio a ν molto basse e quindi λ molto lunghe.

Base dell’NMR

La base dell’nmr sono le proprietà magnetiche dei nuclei, quindi noi osserviamo il comportamento dei nuclei degli atomi di una molecola irradiati.

I nuclei sono tutti carichi positivamente, in alcuni questa carica ruotando su un asse, hanno quindi uno spin, produce un dipolo magnetico orientato parallelamente all’asse di rotazione.

Avremo un momento magnetico “mi” μ.

I è quantizzato e viene descritto da numero quantico di spin nucleare tipico di ogni nucleo, assume valori 0, ½, 2, 3/2 ecc., va a seminteri la formula e questa è il rapporto giromagnetico γ.

Ogni nucleo ha quindi un suo I e un suo γ.

Tab indica i valori che può assumere I in base alla natura del nucleo.

Il semintero lo abbiamo quando abbiamo massa atomica dispari numero atomico dispari o pari.

Questo è caratteristico di H massa atomica e numero atomico 1 dispari e dispari I=1/2.

Massa atomica dispari e numero atomico pari C-13, ½ sempre.

Nmr lo possiamo fare solo su alcuni tipi di nuclei e sui più semplici quindi questi due con I=½ sono i più utili.

¹H e ¹³C sono quelli che usiamo, H ha un’abbondanza del 99% rispetto ai suoi isotopi quindi ok, ¹³C rispetto al 12 no ha abbondanza dell’1% ciò vuol dire che si deve lavorare a concentrazioni più alte e tempi di acquisizione più lunghi.

I=0, NB quando hanno questi nuclei non sono visti dall’nmr e non posso essere usati, il motivo è che non possono essere eccitati e quindi non assorbono.

Esistono 2I+1 stati di spin possibili, quindi se I=½ avremo solo due stati possibili + e – ½, stadio alfa e beta, è quanto può valere il dipolo magnetico.

Ovviamente se non c’è un B ext l’E dei due stadi alfa e beta sono uguali.

Quello che noi osserviamo con l’nmr è il passaggio tra questi due stati, quindi dobbiamo per forza applicare un campo magnetico esterno fisso per diversificarli in E.

Se irradiamo ad es. il deuterio quindi ci aspettiamo già degli spettri più complessi perché avrà I=1 e quindi più stadi possibili non lo facciamo sennò non capiamo un cazzo.

Applicazione di B e diversificazione degli stati

Applicazione di B e diversificazione degli stati che ora non sono più degeneri.

Quanto più è grande l’E del campo tanto più sarà ΔE cioè la differenza tra i due stadi.

La frequenza a cui avviene la risonanza del nucleo è chiamata frequenza di Larmor.

Quello che noi vediamo con l’nmr è la transizione tra uno stato ad E più bassa α e quello a E più alta β grazie ad un assorbimento, l’intensità di questo assorbimento dipende dalla probabilità di assorbimento la quale dipende a sua volta dalla differenza di popolazione tra i due stadi.

Questa dipende dal ΔE, quanto maggiore è tanto più la popolazione di nuclei allo stato fondamentale è maggiore rispetto a quelli nello stato eccitato.

Questo è descritto dall’equazione di Boltzmann che ci permette di calcolare la distribuzione di popolazione tra i due livelli energetici, visto che stiamo parlando di onde radio avremo valori di ΔE molto piccoli e quindi la differenza di popolazione non è troppo alta tra i due stadi per questo l’nmr non è molto sensibile, però ci dà molte informazioni quindi compensa.

La sensibilità può essere aumentata aumentando la differenza di E, quindi il ΔE e lo si fa aumentando il campo sembra semplice ma costa parecchio.

Cosa succede quando applichiamo B al nucleo

Esso inizia ad oscillare intorno alla direzione del campo ruota così si dice precessione.

La frequenza di questa precessione sarà proprio quella di Larmor.

Ovviamente noi abbiamo tanti nuclei non uno solo che svolgono questo movimento tutti con uguale frequenza, stesso elemento, questi sono tutti nuclei in rotazione attorno all’asse z del campo.

La risultante cioè la magnetizzazione totale, che è un vettore M lungo z, è la somma del comportamento di questi nuclei, verso l’alto α, e verso il basso β, ed è lungo l’asse z, la parte alfa sarà più grande di quella beta.

Irradiamo il nucleo

Irradiamo lungo l’asse x, l’intensità del campo avrà forma sinusoidale, perché è oscillante, quando assume la stessa frequenza di quella di Larmor allora il sistema viene perturbato e abbiamo un assorbimento di E, il vettore magnetizzazione si disallinea dall’asse z e si sposta, così la sua componente sull’asse x-y non è più 0.

Il campo magnetico della radiazione entra così in risonanza con il nucleo, ecco perché risonanza magnetica nucleare.

Lungo l’asse x irradiamo, lungo la y avremo un rivelatore che ci indica che la componente di M lì non è più zero e capiamo che il nucleo ha assorbito e che è entrato in risonanza.

Potenza di uno strumento nmr, 300, 400, 600 Mhz es.: in base all’intensità del campo magnetico che lo strumento può applicare sul campione, è espresso come frequenza perché è la radiazione applicata ad un determinato nucleo e cioè ¹H.

Se la potenza è di 400 Mhz vuol dire che il campo magnetico prodotto è tale che il H presenterà una frequenza di Larmor di 400 Mhz.

Dopo l’assorbimento inizia il rilassamento, M oscilla e ritorna sempre più verso z con un andamento di questo tipo.

Sistema ad onda continua

Questo è il “sistema ad onda continua”, un metodo vecchio, non si usa più perché ha tempi di acquisizione molto lunghi e sensibilità ancora più bassa di quella dei metodi attuali, perché in questo caso si fa una singola irradiazione e ne si varia la frequenza per vedere quando c’è risonanza.

NMR a impulso

Ora si utilizza un sistema molto più sensibile: NMR a impulso.

Si basa sul principio di indeterminazione, ad un impulso di rem di durata 1 ms è associata un’indeterminazione di 1000 Hz sulla frequenza. Quindi un impulso conterrà un range di frequenze più ampie considerando questa indeterminazione permettendo a tutti i nuclei che vogliamo, che risuonano in un range ristretto di frequenze, di risuonare, cioè tutti i nuclei di ¹H.

A differenza dell’onda continua dove nel tempo si faceva variare la frequenza della radiazione, ora nella durata di un impulso sto irradiando tutto l’intervallo di frequenze che ci interessano.

Questi impulsi sono molto brevi nell’ordine dei microsecondi da 1 a 10 μs, quindi stiamo diminuendo il tempo e allargando l’intervallo di frequenza.

Mandiamo l’impulso, tutti i nuclei entrano in risonanza e terminato l’impulso lungo y avremo la somma di tutte le risposte dei nuclei di cui ognuno sempre con questa forma, questa si chiama FID Free Induction Decay, decadimento oscillante nel tempo.

Sommati tutti i FID la rappresentazione è più complessa.

Il fid è illeggibile e va trasformato con la trasformata di Fourier.

Il fid è nel dominio del tempo, la FT lo trasforma dal dominio del tempo a quello delle frequenze e ci dice a che frequenze quei nuclei sono andati in risonanza.

Es.: fid semplice 6H tutti equivalenti che risuonano quindi alla stessa frequenza e avremo come risultato un solo segnale.

Con questo metodo si ha sia vantaggio di tempo che sensibilità -> proprio perché possiamo mandare più impulsi di seguito acquisire i fid e sommare anche questi tra loro, così aumentiamo il rapporto segnale rumore -> sommando i fid il segnale aumenta mentre il rumore di fondo essendo casuale tende a zero.

La forma della strumentazione è un bidone, la parte di nmr è piccola ma c’è bisogno di un superconduttore attorno che generi il campo magnetico e il superconduttore per essere tale deve essere raffreddato a T bassissime e il tutto deve essere isolato.

Preparazione del campione

Di solito sotto forma di soluzione quindi il campione viene sciolto in un opportuno solvente, deve essere deuterato perché D non viene visto dall’NMR.

I nuclei di deuterio del solvente sono sensibili all’nmr ma a frequenze diverse da quelle che usiamo per l’analisi; è importante questo perché il D viene usato per regolare lo strumento per “centrare” il campo B.

I solventi deuterati possono contenere una piccola frazione di ¹H e l’nmr lo vede e quindi abbiamo il segnale del solvente, ovviamente vediamo e sappiamo qual è in base al solvente usato, nel caso di CDCl₃ cloroformio deuterato è un singoletto a 7,26 ppm.

NMR H

Gli H che risuonano sono diversi e ricadono in punti diversi dello spettro per influenza del loro intorno chimico.

Vedremo:

• H equivalenti.
• Chemical shift.
• Variazioni di chemical shift - elettronegatività di atomi vicini.
• Ibridazione.
• Anisotropia magnetica.
• Acidità e leg H.
• Solvente.
• Integrali.
• Molteplicità.

H equivalenti

H equivalenti danno un unico segnale.

Chemical shift

Chemical shift, spostamento chimico o chemical shift, è il fenomeno per il quale un atomo risente energeticamente delle interazioni del suo intorno chimico.

Gli elettroni carichi negativamente presenti, sottoposti al campo B, inizieranno a ruotare generando un controcampo che si oppone a quello applicato.

Quanti più elettroni ci saranno tanto più questo controcampo sarà grande e tanto più “schermerà” cioè proteggerà il nucleo di H, che per risuonare avrà bisogno di B maggiori e cadrà in valori di δ, ppm, più bassi.

Il campo effettivo che quindi agisce sul nucleo sarà B_eff=(1-S)B dove S è il fattore di schermaggio.

Effetto dell’elettronegatività

Effetto dell’elettronegatività.