Laboratorio di preparazioni estrattive e sintesi dei farmaci - spettri NMR e protonico

Caratteristiche dei segnali accoppiati

Hb Hb= 2-6 Hz = 5-14 Hzj j F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 18

I veri mutipletti non sono esattamente simmetrici. Negli2. spettri visti prima sono simmetrici.Si confrontino ad esempio il quadrupletto ed il tripletto nonsimmetrici con quelli simmetrici, nella figura precedente.La linea che passa per l’apice dei segnali più esterni diciascun multipletto è inclinata nella direzione dei picchi concui esso è accoppiato. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Caratteristiche dei segnali accoppiatiF. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 19

Altre caratteristiche dei segnali NMR

1. I segnali si possono sovrapporre.
2. Si possono avere accoppiamenti spin-spin tra protoni diatomi non adiacenti. Questo si verifica tra gli atomi dicarbonio che legano i protoni accoppiati si inserisconoπ.atomi con legami
3. La struttura fine dei segnali dei protoni aromatici èdifficile da analizzare. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali

IIRisonanza magnetica nucleare C (CMR) F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 20

Spettroscopia NMR carbonio-13(CMR) Fra gli atomi che, come il protone, danno origine a spettri NMR vi è uno degli isotopi del carbonio, il C-13. Lo spettro C-NMR (CMR) viene generato nello stesso modo in cui si forma lo spettro NMR protonico (PMR). Ottenere uno spettro CMR è più difficile rispetto a quello PMR e occorrono apparecchiature più sofisticate. Oggi la spettroscopia CMR viene usata per completare i dati di spettroscopia NMR protonica. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Spettroscopia NMR carbonio-13(CMR) L'isotopo C costituisce solo l'1,1% del carbonio che si trova in natura. Lo spettro CMR fornisce pressappoco le stesse informazioni del NMR protonico che, però, in questo caso riguardano lo scheletro di atomi di carbonio e non solo i protoni legati ad esso. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 21

Spettroscopia NMR carbonio-13(CMR) Il numero di segnali indica

Quanti atomi di carbonio differenti - o gruppi differenti di atomi di carbonio equivalenti - ci sono in una molecola.

La struttura fine di un segnale indica quanti idrogeni sono legati a ciascun carbonio. 3 2

Il chemical shift indica lo stato di ibridazione (sp , sp , sp) di ciascun carbonio.

Il chemical shift dà indicazioni circa l'intorno elettronico di ciascun carbonio rispetto ad altri atomi di carbonio o rispetto ad altri atomi di carbonio o gruppi funzionali vicini. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Struttura fine

Uno dei più importanti problemi pratici della spettroscopia CMR è la struttura dei segnali: in teoria si potrebbe avere una suddivisione dei segnali troppo grande, tale da rendere gli spettri tanto complicati da essere di difficile interpretazione. 13

Occasionalmente un C è sufficientemente vicino ad un altro C in modo da formare un accoppiamento di spin C13- C. Per cui gli spettri CMR generalmente non mostrano una struttura fine carbonio-carbonio

dei segnali, ediventano estremamente più semplici. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 22

Struttura fine

La struttura fine dei segnali è dovuta ai protoni: in unospettro CMR non si possono osservare gli assorbimenti deiprotoni perché questi segnali sono completamente fuoriscala.Tuttavia si può osservare la struttura fine dei segnali delcarbonio dovuta ai protoni siti sul medesimo atomo o suatomi di carbonio più distanti. Lo spettro consisterà quindidi molti multipletti sovrapposti, molto difficili dainterpretare, ameno che non si usi qualche accorgimento.F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Struttura fine

La struttura fine non voluta può essere eliminata per13disaccoppiamento dello spin del C da quello del protone,utilizzando due metodi principali che dipendono dallafrequenza usata nella doppia risonanza.Uno dei metodi di disaccoppiamento fornisce uno spettrocompletamente senza accoppiamenti protonici, chequindi non mostra alcuna

struttura fine e consiste in un gruppo di picchi singoli, uno per ogni atomo di carbonio - o ciascun tipo di carboni equivalenti - nella molecola. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 23

Struttura fine

Questo spettro disaccoppiato è semplice anche nel caso di molecole complesse e viene normalmente registrato per la determinazione della struttura. Esempio di tale spettro è illustrato nella figura che segue, sec-butile, molecola che relativo al composto bromuro di possiede quattro carboni diversi, cioè non equivalenti.

dc baH C CH CH CH3 2 3Br4 segnali CMR F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

CMR con disaccoppiamento protonico F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 24

Disaccoppiamento off-resonance

Un secondo metodo di disaccoppiamento, off-resonance denominato, fornisce uno spettro che mostra la struttura fine dei segnali del carbonio dovuta soltanto ai protoni legati direttamente a quel carbonio. Vale a dire che si vedono solo gli accoppiamenti C-H e non C -C-13H o C -C-C-H;

questo tipo di spettro viene anche indicato con il termine di accoppiamento protonico. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

La molteplicità dei segnali di ciascun carbonio dipende perciò dal numero di protoni ad esso legati:

• HH C HCCC HHH - Due protoni
• Tre protoni - Nessun protone
• Un protone - Tripletto
• Quadrupletto - Singoletto
• Doppietto - F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 25CMR. Struttura fine

Nella figura che segue è riportato nuovamente secuno spettro CMR del bromuro di -butile, ma con l'accoppiamento protonico per cui ogni picco presenta una molteplicità: si osservano un doppietto, un tripletto e due quadrupletti.

t qq dH C CH CH CH3 2 3Br - F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 26CMR. Struttura fine

Questi due spettri CMR ci danno informazioni diverse riguardo alla struttura della molecola; lo spettro con disaccoppiamento protonico indica quanti atomi di carbonio diversi sono presenti e quellocon accoppiamento protonico quanti protoni sono legati a ciascuno degli atomi di carbonio. Questi dati considerati insieme forniscono una descrizione molto dettagliata della molecola. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II CMR. Chemical shift Analogamente allo spettro NMR protonico, il spostamento chimico (chemical shift) nello spettro CMR è dovuto al fatto che ciascun nucleo del carbonio ha il suo proprio intorno elettronico che è diverso da quello di altri nuclei del carbonio non equivalenti; esso risente di un campo magnetico diverso e assorbe a una forza differente del campo applicato. Tuttavia gli spostamenti nel CMR differiscono per molti aspetti da quelli del PMR. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 27 CMR. Chemical shift Per prima cosa, i chemical shifts sono molto più espansi nel CMR che per l'NMR protonico, come si può osservare nella figura seguente che riassume gli spostamenti chimici dei diversi "tipi di atomi di carbonio": la scala si δ

δ estende da 0 a 200, più larga di 30 volte rispetto a PMR. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

CMR. Chemical shift

L'ibridazione del carbonio, un fattore che non interviene nel caso del protone, è quella che provoca i maggiori spostamenti dei segnali.

Osservando, per esempio, lo spettro dell'1-ottene, riportato nella figura seguente, si possono individuare i carboni con δ3 ibridazione sp a campi alti, tra 14,1 e 34,0 e quelli con δ2 ibridazione sp a campi più bassi di più di 100 ppm, a 113 e 140.

14,1 22,9 32,1 29,3 29,1 34,1 139 114

H C CH CH CH CH CH CH CH3 2 2 2 2 2 2

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

1-ottene F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

CMR. Chemical shift

Anche i carboni aromatici che hanno una ibridazione sp assorbono a campi bassi in una zona simile a quella dei carboni degli alcheni.

Nello spettro dell'etilbenzene che segue, si notano...

nuovamente due gruppi di picchi ben separati: a campi alti un gruppo dovuto ai carboni della catena laterale (ibridazione sp) e a campi bassi, con una differenza di 100 ppm, un gruppo dovuto ai carboni dell'anello (ibridazione sp). 15,6 29,1H C CH2 31 44,2 127,9 128,4 125,7 F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II Etilbenzene F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 30 CMR. Chemical shift

Gli assorbimenti degli atomi di carbonio che portano un triplo legame (ibridazione sp) cadono tra le regioni in cui si osservano i segnali dei carboni ibridati sp e sp come mostrato per l'1-esino nella figura seguente. 13,7 22,1 30,9 18,3 84,5 68,4H C CH CH CH C CH3 2 2 2 F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II CMR. Chemical shift

Quindi per collegare una struttura ai chemical shifts conviene iniziare dalla ibridazione del carbonio. Successivamente occorre considerare l'effetto dei sostituenti che si sovrappone all'effetto dell'ibridazione.

Come nel caso dell'NMR protonico, la maggior parte dei sostituenti, nella maggior parte delle posizioni, provoca una diminuzione delloschermaggio del nucleo e sposta il segnale a campi bassi. Tuttavia questi effetti nel caso del carbonio sono molto più evidenti, influiscono anche a distanza, e seguono andamenti diversi che cercheremo di spiegare esaminando gli effetti di svariati sostituenti sull'assorbimento di carboni con ibridazione sp. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II CMR. Chemical shift Osserviamo l'effetto del cloro sull'assorbimento dei vari atomi di carbonio di una catena saturaprendendo come esempio gli spettri del n-pentano e dell'1-cloropentano, i cui dati sono riportati sulle formule: 13,6 22,1 29,2 32,7 44,3 13,7 22,6 34,5 22,6 13,7 H C CH CH CH CH H C CH CH CH CH 3 2 2 2 2 3 2 2 2 2 Cl H F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 32 CMR. Chemical shift – effetti α e β Confrontando i valori dei chemical shifts di tutti gli atomi di carbonio,carboniodei due composti, si può notare che il Cl provoca un forte spostamento a campi bassi, da 13,7 ppm a 44,3 ppm, una differenza di +30.6 ppm.