Analitica strumentale

ORIGINE DELLO SPOSTAMENTO CHIMICO.

La frequenza di radiazione che viene assorbita da un dato nucleo è influenzata dal suo intorno

chimico e ci fornisce una miriade di informazioni.

Analizzando uno spettro notiamo che il tracciato mostra 3 picchi. Dal valore del rapporto si

possono indicare le specie che questi picchi rappresentano. Nella determinazione di spettri ad

idrogeno esistono poche differenze nelle frequenze di assorbimento che dipendono dal gruppo con

cui l’idrogeno è legato. Questo effetto si chiama spostamento chimico.

Uno spettro più risoluto mostra che i picchi hanno dei picchi addizionali. Questo effetto si

sovrappone al chemichal shift e si chiama splitting.

I due fenomeni sono facilmente distinguibili, in quanto i picchi risultanti dallo spostamento sono

direttamente proporzionali alla forza del campo o alla frequenza dell’oscillatore e li fenomeno di

splitting non è influenzato dalla variazione della frequenza di oscillazione.

Lo spostamento chimico è provocato da piccoli campi magnetici generati dagli elettroni quando si

muovono intorno al nucleo e si oppongono al campo esterno, quindi i nuclei sono esposti ad un

campo più piccolo rispetto a quello esterno e questa grandezza è direttamente proporzionale a

quella del campo esterno. La costante di proporzionalità che lega queste due misure è la costante

di schermo che è determinata dalla densità elettronica, che dipende dalla struttura del composto

contenente il nucleo, e dalla densità intono al nucleo. In alcuni casi il campo applicato deve essere

maggiore rispetto al valore di risonanza dell’idrogeno isolato.

Poiché il valore della costante di schermo è diverso per protoni messi in gruppi funzionali diversi, il

campo applicato deve variare da gruppo a gruppo.

ORIGINE DELLA SPLITTING.

La separazione dei picchi avviene quando il momento magnetico di un nucleo interagisce con i

momenti magnetici degli altri nuclei.

Il campo magnetico del nucleo rotante influenza la distribuzione degli elettroni nei suoi legami con

altri nuclei. Questo cambiamento della distribuzione elettronica produce delle variazioni nei campi

magnetici dei nuclei adiacenti e provoca una separazione dei livelli energetici, quindi transazione

multiple. Questo accoppiamento magnetico dei nuclei, che è trasmesso dai nuclei di legame è

chiamato interazione di polarizzazione. Questi effetti sono indipendenti dal campo applicato e si

sovrappongono a quelli di separazione.

USO DEL TMS COME STANDARD.

Trovare il valore assoluto dell’intensità del campo è praticamente impossibile. È consigliabile

presentare a posizione dei picchi NMR relativamente al picco di risonanza si una sostanza di

riferimento (standard) che può essere misurato contemporaneamente nel campione. L’uso di uno

standard interno è inoltre vantaggioso perché gli spostamenti chimici possono essere espressi in

termini che sono indipendenti dalla frequenza dell’oscillatore. Il prodotto più usato è il TMS

(tetrametilsilano). Tutti i protoni presenti in questo composto sono identici e la cosante di schermo

è maggiore rispetto a quella degli altri protoni. Questo composto dà luogo, una volta applicato un

intenso camp magnetico, ad un unico picco appuntito e isolato dagli altri picchi dello spettro.

INVARIANZA DELLA SCALA IN PPM COL CAMPO.

Per descrivere lo spostamento chimico di un nucleo in termini quantitativi rispetto al TMS, quando

la misura venga eseguita ad un intensità di campo costane, bisogna definire il parametro dello

spostamento chimico con una quantità δ adimensionale che esprime lo spostamento chimico in

ppm.

δ ha lo stesso valore sia se si usa uno strumento a 200 o 800 MHz.

COSTANTI DI SCHERMO E CONO DI ANISOTROPIA.

Un esame degli spettri NMR di molecole che hanno doppi e

tripli legami, mostrano certi picchi protonici che non sono

spiegabili con gli effetti diamagnetici locali. Quello che si nota

è che i valori di δ sono molto bassi rispetto a quelli che si

avrebbero in teoricamente. Questi effetti possono essere

spiegati considerando le proprietà anisotropiche di questi

composti. Per esempio i composti aromatici differiscono

notevolmente tra loro, a seconda della posizione dell’anello con il campo. Se il piano è

perpendicolare al campo il campo entra nel nella molecola e fa sì che gli elettroni ruotino

nell’anello come un circuito. Io questa situazione si crea un campo indotto che si oppone al campo

passante per la molecola pertanto i protoni aromatici richiedono un campo magnetico più basso

per entrare in risonanza.

ORIGINE DELLE COSTANTI DI ACCOPPIAMENTO.

La separazione tra i picchi di un multipletto viene chiamata costante di accoppiamento J, e viene

misurata in Hz. Valori tipici per J raramente eccedono i 20 Hz ed è importante notare che gruppi di

protoni accoppiati tra loro mostrano esattamente la stessa costante di accoppiamento. Inoltre il

valore delle aree nel multipletto è dato dal triangolo di tartaglia.

Queste osservazioni hanno origine dal fatto che l’effetto degli spin che un gruppo di nuclei ha

influenza un ‘altro gruppo, cioè i gruppi adiacenti hanno interazione tra loro.

La molteplicità è appunto la separazione di questi picchi.

SPETTRI DI PRIMO ORDINE E DI ORDINI SUPERIORI.

Uno spettro di primo ordine è uno spettro in cui lo spostamento chimico è molto più grande

rispetto a ala costante di accoppiamento.

Uno spettro di ordine superiore sono spettri in cui hanno J/δ maggiore di 0.1 quindi aumentano il

numero di righe e le spaziature tra chemichal shift indistinguibili.

INTERPRETAZIONE DEI SEGNALI.

Per interpretare uno spettro NMR, è opportuno seguire la seguente procedura:

1) Contate il numero di picchi nello spettro. Corrispondono agli idrogeni chimicamente diversi nella

molecola incognita.

2) Sommate l’area di ogni picco e confrontatela con il numero di idrogeni presenti nella formula

bruta per capire a quanti idrogeni corrisponde ogni picco.

3) Analizzare la formula bruta e gli altri dati disponibili per individuare i gruppi funzionali e la

eventuale presenza di doppi legami o di anelli.

4) Analizzate i chemical shift di ogni picco per capire che tipo di idrogeni sono presenti nella

molecola. Usate le tabelle A e B per aiutarvi nella interpretazione.

5) Analizzate la molteplicità m di ogni picco per capire quanti idrogeni sono vicini all’idrogeno in

questione applicando la formula: H vicini = m – 1.

6) Cominciate ad analizzare lo spettro da sinistra, cioè dagli idrogeni più deschermati, quelli legati

ai gruppi funzionali.

7) Scrivete la struttura di ogni piccola porzione di molecola individuata, cominciando dal gruppo

funzionale e individuando le sequenze di atomi concatenati sfruttando gli accoppiamenti di spin tra

idrogeni vicini.

8) Utilizzate i dati raccolti per ipotizzare una struttura molecolare.

9) Verificate che la formula bruta, i chemical shift, le aree dei picchi e le molteplicità per la

molecola proposta siano compatibili con i dati dello spettro incognito.

INTERGRAZIONE DI SEGNALI.

Un’ulteriore caratteristica della spettroscopia 1H-NMR è il fatto che l’intensità del segnale è

proporzionale al numero di idrogeni che generano il segnale; ovvero, l’area dei picchi (l’integrale) è

direttamente proporzionale al numero di idrogeni che li hanno prodotti. Le integrazioni sono date

come i più semplici numeri interi che si ottengono dal rapporto tra le aree dei picchi.

EQUIVALENZA MAGNETICA.

Sono magneticamente equivalenti nuclei che hanno lo stesso chemical shift e che accoppiano nello

stesso modo con tutti gli atri gruppi di nuclei della molecola.

Esempio CH F Sistema A B

2 2 2 2

Sono magneticamente non equivalenti nuclei che hanno diverse costanti d’accoppiamento tra loro

Esempio CH =CF Sistema AA’BB’ (10 linee!)

2 2

In [I] i due H sono magneticamente equivalenti, in [II] no, perché J(Hb-Fa) J(Hb-Fd) sono diverse.

Nuclei magneticamente equivalenti si comportano come se non accoppiassero

SPETTROMETRI IN ONDA CONTINUA E A TRASFORMATA DI FOURIER.

In un normale esperimento CW NMR, lo spettrometro è strutturato in modo da osservare la

componente della magnetizzazione sfasata di 90° rispetto al campo B1, ottenendo il segnale di

assorbimento. Occasionalmente si osserva la componente in fase u, che dà il segnale in modo di

dispersione. Nell’ NMR in onda continua (CW), la tecnica CW prevede il raggiungimento della

risonanza in due possibili modi:

•variando B1 con un valore costante di B0 (frequency sweep)

•variando B0 e tenendo ν1 costante (field sweep).

In tutti e due i modi, nel metodo CW lo spettro è

registrato “punto per punto”, tenendo comunque

presente che prima di passare da una frequenza alla

successiva bisogna aspettare circa 5T1, tempo

necessario affinché il sistema ritorni all’equilibrio. Il

metodo CW è adatto per nuclei “sensibili”, con

elevato momento magnetico, e elevata abbondanza

naturale (1H, 19F, 31F).

Un metodo alternativo è usare lo spettrometro a

trasformata di Fourier.

Questo spettrometro, anziché registrare l’assorbimento di radiazioni a frequenze via via diverse, si

sottopone il campione ad un unico impulso brevissimo si radiofrequenza. Questo impulso eccita

tutti i nuclei di un certo tipo indipendentemente dal chemichal shift istantaneamente.

Dopo la fine dell’impulso i nuclei ritornano alla normale distribuzione di Boltzman emettendo fotoni,

ogni nucleo ad una frequenza precisa.

L’emissione non va avanti all’infinito ma decresce in maniera esponenziale.

Già con due nuclei le due onde interferiscono da sole.

E con quattro il FID, interferogramma, diventa incomprensibile. Il FID è una sovrapposizione di

radiofrequenze, cioè di onde sinusoidali che decrescono in funzione del tempo, proveniente dai

diversi nuclei.

L’operazione matematica che permette la trasformazione di questo segnale in un uno spettro NMR

si chiama trasformata di Fourier, che mi cambia il segnale in intensità in funzione della frequenza.

PREPARAZIONE DEI CAMPIONI.

Generalmente i campioni devono essere trasformati in liquidi non viscosi.

I solventi non devono avere risonanze proprie nello spettro di interesse e devono essere deuterati.

Il solvente più comune per gli organici è il cloroformio deuterato. Per i composti polari l’acetone.

Si possono anche raccogliere informazioni di spettri da campioni solidi, si usano per polimeri,

combustibili fossili e molecole con alto peso molecolare e generalmente sono spettri del carbonio

SPETTROMETRIA DEL CARBONIO.

Il carbonio produce un segnale debole, in quanto l’abbondanza de