Laboratorio di preparazioni estrattive e sintesi dei farmaci - spettri NMR e protonico
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Risonanza magnetica
nucleare protonica
(NMR - PMR)
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Basi fisiche
I nuclei degli atomi hanno un movimento di rotazione intorno a se
(spin)
stessi . Posto che ogni carica dotata di moto genera un
campo magnetico, risulta evidente che intorno ad ogni nucleo
sia presente un campo magnetico (per quanto di bassa
intensità) e quindi ogni nucleo puo’ essere considerato alla
stregua di un piccolo magnete.
Se un nucleo viene posto in un campo magnetico esterno il suo
momento magnetico ne risulta influenzato: esso potrà
(+ stabile (-
disporsi con orientamento uguale ) o contrario
stabile
) rispetto al campo esterno.
Volendo modificare il naturale orientamento (+ stabile) e’
necessario fornire energia al nucleo. Allo scopo si utilizza una
radiazione elettromagnetica la cui frequenza dovrà essere
direttamente proporzionale all’intensità’ del campo magnetico
esterno: hν
E = F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 1
Campo magnetico nucleare
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Basi fisiche
In ambito organico il nucleo di maggiore interessante e’ quello del
1
protone ( H).
E’ stato dimostrato che in un campo magnetico di 14092 gauss la
rotazione del nucleo protonico richiede l’energia (modesta)
offerta da una radiazione elettromagnetica dotata di frequenza
pari a 60 MHz (onde radio!). F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 2
Basi fisiche
Considerando l’intensità’ del campo magnetico esterno e la costante
rapporto giromagnetico
nucleare ( ) e’ possibile identificare la
frequenza necessaria:
dove e’ la frequenza il rapporto giromagnetico ed il campo
magnetico in gauss. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Basi fisiche: differenze pratiche
rispetto I.R. ed U.V.
Nella spettroscopia infrarosso ed ultravioletto il campione da
analizzare e’ irradiato mediante fasci elettromagnetici di frequenza
variabile andando a registrare le lunghezze d’onda (e quindi le
frequenza) alle quali si osserva assorbimento.
Il medesimo approccio potrebbe, in linea di principio, essere utilizzato
anche per la risonanza magnetica nucleare (chiaramente
accoppiato ad un campo magnetico con intensità costante) ma
praticamente si utilizza una radiazione costante ed un campo
magnetico ad intensità variabile. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 3
Spettroscopia NMR
Gli spettrometri di risonanza magnetica nucleare sono
degli strumenti che permettono di misurare 1 13
l’assorbimento di energia da parte dei nuclei ( H e C
sono interessanti in ambito organico) impiegando dei
magneti molto potenti. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Spettroscopia NMR
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 4
Spettroscopia NMR
Il fenomeno della risonanza genera una debole corrente
elettrica nella spira che circonda il campione. Lo strumento
amplifica la corrente e la trasforma in un segnale (un picco
o una serie di picchi) su di una striscia di carta calibrata.
I protoni non solo hanno i rispettivi elettroni, ma sono
circondati da intorni, che a loro volta generano altri campi
magnetici e che sono i più vari.
Conseguentemente il campo magnetico “avvertito” dal
protone difficilmente sara’ della stessa intensità di quello
generato dallo strumento!
Per questo motivo i protoni sembrano assorbire a campi
magnetici di intensità differente. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Spettroscopia NMR
L’intensità del campo magnetico a cui avviene
l’assorbimento dipende dall’intorno magnetico di ciascun
protone. Questo intorno magnetico risente soprattutto di
due effetti:
i campi magnetici generati dalla circolazione degli elettroni
i campi magnetici generati da protoni vicini.
Una proprietà degli spettri NMR è che l’area delimitata da
ciascun segnale è proporzionale al numero di H che
originano quel segnale. p
Si osservino gli spettri di NMR di composti quali: -xilene e
terz
acetato di -butile. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 5
Spettro NMR dell’acetato di
t -butile F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
p
Spettro NMR del -xilene
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 6
Posizione e numero dei segnali
I protoni che presentano il medesimo intorno (chimico e
magnetico) sono detti equivalenti e danno origine ad
un unico segnale di entita’ direttamente proporzionale al
numero di nuclei coinvolti.
Tutti gli altri nuclei sono non equivalenti.
Inoltre si consideri che il campo magnetico applicato induce
una circolazione di elettroni intorno al protone, in un
piano perpendicolare al campo applicato. Gli elettroni in
movimento generano, in quanto particelle cariche, dei
piccoli campi magnetici.
Consideriamo, per esempio, la circolazione degli elettroni
σ
di un legame C-H intorno al protone che genera un
campo magnetico (vedi figura seguente). F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Schermaggio elettronico del protone in C-H
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 7
Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio
Il piccolo campo magnetico generato dalla circolazione
campo indotto
degli elettroni si chiama .
Di solito il campo indotto si oppone al campo magnetico
applicato. Questo significa che il campo magnetico
effettivo sentito dal protone è inferiore al campo
magnetico applicato. In questo caso il protone si dice
schermato.
Un protone schermato assorbe a campi magnetici applicati
più alti; infatti il campo applicato dovrà essere più forte
per compensare l’effetto contrario del piccolo campo
indotto. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio e deschermaggio
a cui è sottoposto un protone da parte
Il grado di schermaggio
della circolazione degli elettroni dipende dalla densità
elettronica intorno al protone.
Questa densità elettronica dipende in gran parte
dall’elettronegatività degli atomi presenti.
Questi atomi attirano fortemente gli elettroni dal legame C-H se
sono legati direttamente al gruppo C-H.
π
Nel caso degli elettroni delocalizzati la circolazione elettronica
genera dei campi magnetici che possono sia schermare che
deschermare i protoni adiacenti. L’effetto dipende dalla
posizione del protone. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 8
Posizione e numero dei segnali
Effetti di deschermaggio
Ad esempio i protoni aromatici dei composti benzenici sono
deschermati in quanto sono situati nella regione di spazio in
cui il campo magnetico indotto rinforza il campo magnetico
applicato.
A causa di questo effetto deschermante l’assorbimento di
energia da parte dei protoni benzenici avviene a campi
magnetici relativamente bassi.
Il deschermaggio dei protoni aromatici dovuto alla
π
circolazione degli elettroni è una delle prove più conclusive
π
a sostegno della delocalzzazione degli elettroni nei sistemi
aromatici. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Effetto deschermante nel C H
6 6
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 9
Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio e deschermaggio
π
La circolazione degli elettroni provoca anche lo schermaggio
dei protoni acetilenici. Infatti, sulla base dell’elettronegatività del
carbonio nei suoi tre stati di ibridazione, dovremmo aspettarci il
seguente ordine per la posizione dei segnali dei protoni legati a
ciascun tipo di carbonio: 2 3
(campi bassi) sp < sp < sp (campi alti)
δ= δ=3,0.
In realtà, i protoni acetilenici assorbono tra 2,0 e Per
cui l’ordine sperimentale è il seguente:
2 3
(campi bassi) sp < sp < sp (campi alti)
Lo spostamento dell’assorbimento dei protoni acetilenici a campi
esercitato dalla
più alti è la conseguenza dello schermaggio
circolazione degli elettroni del triplo legame. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Effetto schermante del H-C≡C-H
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 10
Chemical Shifts
Sono gli spostamenti dei segnali, rispetto allo standard,
dovuti ai fenomeni di schermaggio e deschermaggio sono
chemical shifts
indicati come .
I chemical shifts sono riferiti alla posizione del segnale dei
protoni di un composto preso come riferimento di cui il
più usato è il tetrametilsilano (TMS) Si(CH ) .
3 4
Nella pratica si aggiunge una piccola quantità di TMS al
campione della sostanza in esame ed il segnale dei dodici
protoni equivalenti del TMS definisce il punto zero della
scala dei delta (δ). F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Chemical Shifts
Poiché i dodici idrogeni del TMS sono tutti
equivalenti, essi danno un segnale singolo.
Poiché il silicio è meno elettronegativo del carbonio, i
protoni del TMS si trovano in una zona di alta densità
elettronica.
Essi sono perciò fortemente schermati, per cui il
segnale del TMS cade in una regione dello spettro in
cui ben pochi idrogeni assorbono.
Gli spostamenti sono misurati in unità di frequenza,
in Hertz (cicli/sec) F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 11
Chemical Shifts
I valori degli spostamenti chimici sono proporzionali
all’intensità del campo magnetico applicato.
Poiché può accadere di usare spettrometri NMR
protonico dotati di magneti che generano campi
magnetici di forza differente, è molto utile esprimere
gli spostamenti chimici in forma indipendente
dall’intensità del campo esterno.
Questo scopo è raggiunto esprimendo lo spostamento
chimico come frazione del campo magnetico applicato,
ossia dividendo lo spostamento osservato per la
radiofrequenza dello strumento. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Chemical Shifts
Poiché gli spostamenti chimici sono molto piccoli (< 500
Hz) in confronto all’intensità del campo magnetico
applicato (30, 60, anche 100 milioni di Hz), è conveniente
esprimere le frazioni suddette in unità di parti per milione
(ppm). Questa è l’origine della scala dei delta (δ).
spostamento osservato rispetto al TMS (in MHz)
δ = ———————————————————————
frequenza operativa dello strumento (in MHz)
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Struttura fine dei segnali:
fenomeno di splitting
Lo spettro di risonanza magnetica protonica (PMR) offre esempi
di struttura fine noti anche come “splitting” dei segnali.
La struttura fine dei segnali è un fenomeno legato all’influenza
magnetica degli idrogeni presenti sugli atomi adiacenti
all’idrogeno il cui segnale viene “splittato” (diviso).
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
1,1,2-tricloroetano
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Struttura fine dei segnali
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Struttura fine dei segnali
Il fenomeno dello splitting (o struttura fine) e’ legato
all’accoppiamento spin-spin:
Il campo magnetico sentito effettivamente da un certo
protone risente dello stato quantico di spin (parallelo
oppure antiparallelo) dei protoni adiacenti. Poiché il
protone possiede un momento magnetico, esso può
influenzare l’intorno magnetico di un altro protone
adiacente. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 14
Struttura fine dei segnali:
accoppiamento SPIN-SPIN
L’accoppiamento spin-spin si trasmette prevalentemente attraverso
gli elettroni di legame e non si osserva di regola quando i protoni
sono separati da più di tre legami .
Pertanto si osserverà la struttura fine dei segnali soprattutto quando i
protoni accoppiati si trovano su atomi adiacenti e legati con un
legame . terz
Ad esempio i segnali dei protoni (a) e (b) dell’acetato di -butile
non mostrano la struttura fine. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
t
Acetato di -butile
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 15
Struttura fine dei segnali:
accoppiamento SPIN-SPIN
I protoni chimicamente equivalenti, ossia enantiotopici,
non danno accoppiamento spin-spin. Nel caso dell’etano
non compare assolutamente nessuna struttura fine del
segnale dei sei idrogeni equivalenti.
Lo splitting dei segnali si deve osservare nel caso di
protoni che non hanno lo stesso spostamento chimico,
ossia di protoni che non sono chimicamente equivalenti.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Accoppiamento SPIN-SPIN: doppietto
I protoni si possono allineare nel campo
magnetico esterno con due
orientamenti distinti: orientamento
parallelo ed antiparallelelo.
Di conseguenza, il campo magnetico del
protone di cui stiamo osservando il
segnale PMR può essere influenzato dal
momento magnetico del protone
sull’atomo adiacente solamente in due
modi: il protone sull’atomo adiacente
somma il suo piccolo campo magnetico
al campo magnetico applicato, oppure lo
sottrae. La figura mostra che il segnale
del protone H è suddiviso in due picchi
a
a causa dei due orientamenti possibili
del protone sul carbonio adiacente, H .
b
H e H non sono equivalenti
( ).
a b F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 16
DESCRIZIONE APPUNTO
Appunti di Laboratorio di preparazioni estrattive e sintesi dei farmaci della professoressa Monforte sugli spettri NMR e protonico con analisi dei seguenti argomenti: risonanza magnetica nucleare protonica, campo magnetico nucleare, basi fisiche, spettroscopia NMR, chemical shifts, fenomeno di splitting.
I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher valeria0186 di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Laboratorio di preparazioni estrattive e sintesi dei farmaci e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Messina - Unime o del prof Monforte Anna Maria.
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