Chimica organica nei prodotti alimentari

Il ruolo della chiralità

Quando è presente uno stereocentro, ovvero quattro sostituenti diversi legati ad un carbonio, si ha una molecola chirale. Gli enantiomeri sono l'immagine speculare l'uno dell'altro e hanno proprietà chimico-fisiche e magnetiche uguali, ma non ottiche. I diastereoisomeri, invece, hanno proprietà chimico-fisiche e magnetiche diverse.

Per ulteriori informazioni sulle conformazioni di H e H nelle proiezioni di Newman, si veda la pagina 111.

presenza di uno stereocentro fa sì che i due protoni non abbiano mai lo stesso intorno; questo porta ad una non equivalenza chimica. Tali due protoni non possono essere considerati un CH normale, ma ognuno di loro avrà una propria frequenza di risonanza e saranno trattati separatamente. Gli spettri potrebbero apparire più complicati ma comunque razionalizzabili con la presenza di stereocentri nella molecola.

Più in generale questi protoni su un CH possono essere definiti omotopici, enantiotopici o diastereotopici. Omotopici vuol dire equivalenti ed è ciò che abbiamo visto fino ad ora. Enantiotopici sono ancora equivalenti da un punto di vista di proprietà magnetiche, cioè hanno la stessa frequenza di risonanza come gli omotopici. Questi primi due sono isocroni cioè risuonano alla stessa frequenza di risonanza. Diastereotopici si comportano ognuno con la sua frequenza e con tutte le loro costanti di accoppiamento e sono definiti

Anisocroni risuonando a frequenze diverse. Quindi come facciamo a riconoscerli? (pag. 113-114)

a. Consideriamo tutti gli elementi di simmetria (di solito non si usa)

b. Ricorriamo ad un artificio (è solo scritto su carta)

CASO A – Vediamo un 1,1-dicloroetano CH Cl . Disegnandolo sostituiamo2 2alternativamente, prima ad un protone e poi ad un altro, un deuterio. Queste duemolecole ora come sono? Hanno stereocentri? NO, perché continuano ad esseresovrapponibili. I protoni sono allora omotopici.

Vediamo un 1,1-dicloroetilene. Andiamo a fare la sostituzione ed anche queste sonoperfettamente sovrapponibili. Sono omotopici.

CASO B – Sostituendo il deuterio otteniamo questa volta una molecola in cui èpresente un carbonio chirale, con quattro sostituenti diversi; quindi, i protoni conquesta sostituzione fittizia appartengono ad un carbonio chirale. Sono definitienantiotopici.

CASO C – C’è già uno stereocentro; noi comunque andiamo a

sostituire il deuterio e siforma un altro stereocentro. Quindi la definizione di diastereotopici è: quando sonopresenti due o più carboni asimmetrici (uno solo sono enantiomeri, più di duediastereoisomeri). Nella molecola sottostante non c'è uno stereocentro di partenza macomunque se ne formano due con l'artificio del deuterio, in questo caso si chiamanocentri prochirali, comunque è anch'esso un diastereoisomero.

NMR DINAMICO o A TEMPERATURA VARIABILE (Pag. 121)

Fino ad ora abbiamo registrato gli NMR a temperatura ambiente, intorno ai 25°C.

ESEMPIO – N,N-Dimetilformammide

Questa molecola ha due forme di risonanza come vediamo a pag. 140 in alto a dx. Atemperatura ambiente (35°C) prevale la forma con doppio legame N=C più a dx cioèquella minore energia, più stabile: possiamo dedurre che a temperatura ambiente laforma più favorita è quella più ad energia minore. In grafico i due

metili formano infattidue singoletti che integrano 3; perché ognuno dei due, avendo un intorno chimicodiverso, saranno separati.

Per verificare se la molecola è tutt’altra cosa oppure è proprio questa che abbiamotrovata a t° ambiente dobbiamo fornire l’energia, in forma energia termica, necessariaalla molecola per superare quella condizione.

Per vedere se la struttura B esiste o non esiste dobbiamo scaldare il punto dov’èappoggiato il nostro tubo. Scaldando cominciamo a vedere che questi due singoletticominciano ad avvicinarsi fino ad arrivare, in questo caso, a 118°C dove non sidistinguono più i due picchi e questa temperatura si chiama di coalescenza.

Continuando a scaldare otteniamo quel segnale unico che ci saremmo aspettati edintegra 6. A 170°C allora abbiamo dimostrato la presenza del gruppo di sx.

*È UNA PROVA MOLTO SPESSO INDISPENSABILE PER RIUSCIRE A CAPIRE COSASUCCEDE? PERCHÉ LI VEDO SEPARATI? CI SONO STEREOCENTRI,

NON SONO EQUIVALENTI, HO ESTRATTO QUALCOSA DI SBAGLIATO? NO, MAGARI È SEMPLICEMENTE PERCHÉ QUEL SISTEMA È “BLOCCATO” A QUELLA TEMPERATURA E RENDE QUALCOSA IN MANIERA DIVERSA. ESEMPIO – Cicloesano In questo caso a temperatura ambiente i protoni assiali-equatoriali interconvertano velocemente, soprattutto più veloce del tempo di acquisizione dell’NMR. Otteniamo allora uno stesso segnale, ma noi sappiamo che non è così: dovremmo averne uno per i protoni assiali ed uno per i protoni equatoriali. Quindi andiamo a raffreddare cioè a rallentare, bloccare questo movimento. Il singoletto inizia a slargarsi e a -60°C c’è un segnale attribuibile a due segnali (coalescenza) a -100°C vediamo bene i segnali dei due protoni assiali ed equatoriali. C NMR 13 12 Per quanto riguarda l’acquisizione di spettri NMR il C con abbondanza 98% ha 13 numero quantico di spin I=0 ed è inattivo; dobbiamo utilizzare il C con...

I = ½ edabbondanza naturale di circa l’1%, questo comporta una sensibilità di circa 6000 volteminore rispetto allo spettro protonico.

ASPETTI PRATICI. Un aspetto sul quale fino ad ora non ci siamo soffermati molto ècome avviene l’acquisizione di uno spettro NMR. Questa un tempo veniva fatta in onda13continua (consideriamola una singola scansione) ed in pratica per uno spettro C nonsi vede nulla poiché l’isotopo attivo è così poco abbondante che non riesco a vederlo.Ad oggi viene fatta in trasformata di Fourier dove acquisisco tanti spettri (centinaia dimigliaia) che poi vengono sommati insieme. Funziona meglio perché il rumore di fondo13va ad annullarsi mentre il segnale del C continua a sommarsi.

Uno spettro H si registra con un 10mg di prodotto in 10min e se ne richiedono circa1320 spettri. Uno spettro C si registra con 100mg (non sono molti ovviamente madipende da cosa sto cercando, potrebbero essere anche troppi) in

Circa 30 minuti e si può arrivare a 20mila-30mila acquisizioni.

a. POSIZIONE DEI SEGNALI – FREQUENZA. Il rapporto giromagnetico del carbonio è circa ¼ di quello del protone quindi anche la frequenza di Larmour è circa ¼; quindi, se registro uno spettro (segnale) H a 400Mhz, con lo stesso strumento, per il C troveremo 100Mhz. Sappiamo poi che il campo di cui risente un nucleo non è esattamente H, ma H (1-σ); gli aspetti qualitativi non cambiano molto rispetto al protone; sono diversi dal punto di vista quantitativo (ergo le regole sottoelencate valgono anche per il protone). Una differenza che possiamo però evidenziare è che nei protoni il contributo paramagnetico che si oppone al diamagnetico lo abbiamo definito trascurabile, nel caso del C invece compare perché non ha solo elettroni nell’orbitale 1s ma anche in p. Gli spettri vedono segnali fra i 200-250ppm quindi una scala più ampia rispetto.

alprotonico con 1-10pppm.

Effetto induttivo – causa effetto deschermo o schermo, perché c’è un elemento elettronattrattore o donatore che diminuisce o aumenta la densità elettronico attorno al nostro C.

Effetto mesomero o di risonanza – Un’ammide diminuisce la frequenza di risonanza perché la forma risonante con il doppietto dell’azoto delocalizzato sull’ossigeno aumenta la densità elettronica attorno a C.

Effetti di ibridazione – All’aumentare del carattere “s” aumenta l’elettronegatività del legame (gli elettroni sono meno densi attorno al carbonio perché passano del tempo in condivisione per un doppio legame) e quindi l’effetto deschermante. Carboni 3 2sp risuonano a frequenze più basse di carboni sp. Per sp ci dovremmo aspettare un segnale ancora più deschermato; invece, si pone fra i due; questo perché l’anisotropia diamagnetica.

(quell'effetto schermo dato dalla formazione dei coni) fa sì che nel caso degli acetileni lungo l'asse di legame abbiamo un forte effetto schermante.
13b. AREA - INTEGRALI. Nel C l'area dei segnali NON è proporzionale al numero dei carboni; quindi, non possiamo utilizzare gli integrali e non sappiamo a quanti carboni corrisponde quel segnale. Perché? Noi ci troveremo ad avere CH /CH /CH/C, Ora il carbonio di CH cede, come sappiamo, ai nuclei attivi nell'intorno; che sono H per il 99% e un C per appena l'1%. Se pensiamo ad un carbonio quaternario circondato da soli C attivi per appena l'1%, perché solo l'1% è C, il tempo da lui impiegato ad accumulare una certa quantità (area) di segnale è diverso e soprattutto non proporzionale a quello impiegato da CH . Tutto questo vuol dire che se facciamo l'integrale ci verrà mostrato un segnale più intenso per CH e poco intenso per

C, quando in realtà sono identici. Questa grossa differenza è dovuta ai tempi di rilassamento, poiché C ha un tempo di rilassamento lunghissimo dovuto al fatto che c'è solo l'1% di C nel suo intorno a cui cedere energia.

C. FORMA - MOLTEPLICITÀ. Il protone, anche se non è stato detto, accoppia con il 13carbonio, solo che avendo il C un'abbondanza molto bassa quest'ultimo nell'MNR13protonico non si vede. Viceversa, nel C NMR si vede bene perché il C accoppia con un nucleo (il protone) estremamente abbondante ed in particolare si vedono bene le J1 2dirette ( J). Le J hanno valori molto bassi e di solito con l'indagine non si va oltre a1queste. Per quanto riguarda anche J c-c sono molto rare perché si tratterebbe di avere accoppiamento fra due C con abbondanza 1% e