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

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)

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 12

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

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 13

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

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.