NMR del protone

Applicazione di diverse tecniche analitiche nella

determinazione della struttura di composti organici

+ 13

Tecniche: NMR del H e del C , spettrometria di massa a impatto

elettronico, IR

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Spesso per avere una risposta completa bisogna mettere assieme la

risposta di più tecniche, si inizia con l’NMR (è quella che da più

informazioni) ma può dare diverse ipotesi tutte compatibili con lo

spettro NMR, si passa così alla massa che magari ne esclude tutte

tranne una e otteniamo la nostra risposta

GENERALITA’:

obiettivi

-determinare la struttura di una molecola incognita -qualitativa (la

vedremo di più)

-o determinare la quantità di un composto i cui spettri sono noti

-quantitat. (meno)

Cosa ci serve per determinare una struttura:

abbiamo un composto che non conosciamo

1)la prima cosa da fare è determinare la formula bruta (quanti e

quali atomi ci sono nella molecola), otteniamo come informazione

anche il PM

Si determinano tramite analisi elementare o la massa esatta ci sono

solo questi due metodi

Da questo poi si ricava anche il grado di insaturazione (numero

di legami multipli o cicli presenti) formula:

2)bisogna determinare quali sono i gruppi funzionali all’interno della

molecola

Si può usare la spettrometria IR, NMR, MS, UV-VIS (quest ultima non da

moltissime informazioni)

3)capire come i gruppi funzionali sono collegati tra loro

Per questo c’è solo l’NMR

4)per conoscere la stereochimica si usa NMR o CD (dicroismo circolare)

L’interpretazione degli spettri è empirica cioè non ci da la risposta il

macchinario ma solo un’indicazione, per il resto l’interpretazione è

legata all’esperienza dell’osservatore

Es: glucosio

Analisi elementare: otteniamo rapporto tra C,H,O 1:2:1 e quindi la

formula minima sarà (CH O)

2 n

spettro di massa: ricaviamo il peso molecolare (180 uma)

da qui possiamo arrivare alla formula bruta, visto che la formula

minima trovata prima pesa 30 uma per arrivare a 180 bisogna

moltiplicare·6 -> C H O

6 12 6

ora tra tutti gli isomeri con questa formula bruta bisogna capire

quale abbiamo noi.

quando abbiamo una MS con un certo grado di frammentazione

possiamo anche avere informazioni strutturali oltre al PM. La

formazione di frammenti carichi segue delle regole che ci

permettono di avere info strutturali.

IR anche da info strutturali in quanto osserviamo le frequenze di

vibrazione delle molecole ed ogni gruppo funzionale ha la sua e ne

permette l’identificazione.

Ma la tecnica che da maggiore info (nonostante sia la meno

sensibile) è l’NMR

(la tecnica migliore è quella che ci da più informazioni ed è di solito la meno sensibile il che

vuol dire che bisogna lavorare con quantità elevate di campione)

↑queste cose dette valgono per l’ambito qualitativo

↓quando parliamo di un’analisi quantitativa invece

In questo caso invece la tecnica migliore è quella più sensibile in

quanto si vuole determinare con la maggior precisione possibile

quanto composto è presente nel campione -3 -4

In questo caso l’NMR non va molto bene (lavora nell’ordine di 10 /

M-un campione magari in quantità davvero molto piccola non si

-12

vede) la massa invece è perfetta (anche 10 M)

Es esercizio:

Formula bruta C H O

3 6 2

3-6/2+1 =1 grado di insaturazione quindi sappiamo che la molecola

avrà o un doppio legame o un ciclo

Primo grafico sulla dx spettro di massa a impatto elettronico qui

+·

viene definito lo ione molecolare M ( se il picco di M è troppo basso per essere

, più altri picchi dei frammenti

visto c’è scritto che non si vede)

Spettro IR ci permette di vedere le bande di stretching più

significative di particolari gruppi funzionali, ad esempio qui vediamo

-1

quello di un carbonile C=O a 1715cm e abbiamo così identificato

anche l’insaturazione

3500-2500 banda a sx molto allargata è indice della presenza di un

eteroatomo legato ad H il quale dà leg a H, qui -OH

Poi abbiamo l’NMR del C ci mostra un primo grafico in basso con 3

segnali, avendo noi 3 C ed essendoci 3 segnali che li indicano vuol

dire che non avremo equivalenze tra quei C e che sono quindi 3

distinti e quindi la molecola non è simmetrica, i due segnali tra 0 e

30 ppm saranno alifatici, il segnale a 180 ppm invece indica un C

carbonilico

Poi c’è il DEPT, paragonando i due grafici il segnale del C che nel

DEPT scompare indica che quel C non è legato a nessun H (in

questo caso infatti il segnale del nostro C carbonilico scompare), il

segnale in fase negativa indica invece che quel C è legato a 2H, in

fase positiva invece può essere o un CH o un CH

3

NMR del protone è un nmr contenente gli integrali relativi ad un

determinato gruppo di H

Di questi vengono misurate le aree proprio col righello misurando

questa altezza

Conoscendo il numero di atomi di H poi lo mettiamo in relazione con

le aree e capiamo quanti H rappresentano ogni segnale.

Nelle note vediamo scritto scambio con D O, ci dice che quel

2

segnale a 11-12 che vale 1 H scambia con acqua deuterata, indica

che c’è stato uno scambio tra quel protone e quello dell’acqua

deuterata (che è invisibile all’nmr), questo scambio avviene solo

quando si hanno protoni acidi come quelli degli ossidrili (OH-),

siamo quindi in presenza di un gruppo OH ciò si ricollega a quanto

detto con l’IR e anche nella massa si osserva un frammento 74-

54=17 cioè un frammento di OH

Sempre nell’nmr vediamo i due integrali degli H all’inizio, il primo

ne vale 3 il secondo 2, il dept ci diceva che avremmo avuto un CH2

e un CH3 o CH sapendo che quello che abbiamo ne vale 3 sarà un

CH3

Inoltre lo capiamo dal fatto che abbiamo multipletti -> abbiamo un

quartetto che vale 2H vede i 3H dell’altro e si rappresenta come

quartetto, viceversa i 3H che vedono i 2H saranno rappresentati

come un tripletto

Quindi avremo -CH2-CH3

la nostra molecola sarà quindi l’acido propanoico

NMR

(Dandoci più informazioni è la parte più estesa del corso)

SPETTROMETRIA: è la risposta che si ottiene quando si fa

interagire una radiazione elettromagnetica con la materia

La materia può assorbire la radiazione (e lo fa perché l’E è

quantizzata) e in base a come lo fa ci dà informazioni;

l’assorbimento dipenderà dalla natura della molecola e della

radiazione stessa

Radiazione elettromagnetica: interazione tra campo elettrico e

magnetico che si trasmette nello spazio alla velocità della lice

È un’onda con una frequenza direttamente proporzionale all’E in

quanto E=hν

Invece maggiore sarà la lunghezza d’onda minore sarà la

λ

frequenza e anche E più basse

Spettro elettromagnetico

Queste radiazioni vengono assorbite e promuovono l’eccitazione a

stati di E della materia più alti

le microonde promuovono transizioni rotazionali, IR vibrazionali, uv-

vis transizioni elettroniche (elettrone all’interno della molecola che

viene promosso ad un orbitale più alto in E)

usando il range dei metri le onde radio sono appunto in range di

metri (sono quelle che vengono trasmesse a più grandi distanze), le

microonde nel range dei cm (il forno a microonde è misurabile in cm

appunto), IR dimensioni di una cellula e poi si va sempre a diminuire

con valori sempre più piccoli

---

NMR lavora sulle onde radio a molto basse e quindi molto

ν λ

lunghe

La base dell’nmr sono le proprietà magnetiche dei nuclei,

 quindi noi osserviamo il comportamento dei nuclei degli atomi

di una molecola irradiati

I nuclei sono tutti carichi positivamente, in alcuni questa carica

ruotando su un asse (hanno quindi uno spin) produce un dipolo

magnetico orientato parallelamente all asse di rotazione

Avremo un momento magnetico “mi” μ

I

è quantizzato e viene descritto da (numero quantico di spin

nucleare) tipico di ogni nucleo – assume valori 0, ½, 2, 3/2 ecc và a

seminteri la formula e questa è il rapporto

γ

giromagnetico I

ogni nucleo ha quindi un suo e un suo γ

Tab indica i valori che può assumere I in base alla natura del nucleo

Il semintero lo abbiamo quando abbiamo massa atomica dispari

numero atomico dispari o pari

-> questo è caratteristico di H massa atomica e numero atomico 1

dispari e dispari I=

13

Massa atomica dispari e numero atomico pari C ½ sempre

Nmr lo possiamo fare solo su alcuni tipi di nuclei e sui più semplici

quindi questi due con I= ½ sono i più utili

1 13 1

H e C sono quelli che usiamo, H ha un’abbondanza del 99%

13

rispetto ai suoi isotopi quindi ok, C rispetto al 12 no ha

abbondanza dell’1% ciò vuol dire che si deve lavorare a conc più

alte e tempi di acquisizione più lunghi

I=0

(NB quando hanno questi nuclei non sono visti dall’nmr e non

posso essere usati – il motivo è che non possono essere eccitati e

quindi non assorbono)

2I+1 I=

Esistono stati di spin possibili, quindi se ½ avremo solo due

stati possibili + e – ½ , stadio alfa e beta (è quanto può valere il

dipolo magnetico)

Ovviamente se non c’è un B ext l’E dei due stadi alfa e beta sono

uguali

Quello che noi osserviamo con l’nmr è il passaggio tra questi due

stati, quindi dobbiamo per forza applicare un campo magnetico

esterno fisso per diversificarli in E

(se irradiamo ad es il deuterio quindi ci aspettiamo gia degli spettri

più complessi perché avrà I=1 e quindi più stadi possibili non lo

facciamo sennò non capiamo un cazzo)

Applicazione di B e diversificazione degli stati che ora non sono più

degeneri:

(quanto più è grande l’E del campo tanto più sarà ΔE cioè la

differenza tra i due stadi)

La frequenza a cui avviene la risonanza del nucleo è chiamata

frequenza di Larmor

Quello che noi vediamo con l’nmr è la transizione tra uno stato ad E

più bassa α e quello a E più alta grazie ad un assorbimento,

β

l’intensità di questo assorbimento dipende dalla probabilità di

assorbimento la quale dipende a sua volta dalla differenza di

popolazione tra i due stadi

Questa dipende dal ΔE, quanto maggiore è tanto più la popolazione

di nuclei allo stato fondamentale è maggiore rispetto a quelli nello

stato eccitato

Questo è descritto dall’equazione di Boltzmann che ci permette

di calcolare la distribuzione di popolazione tra u due livelli

energetici (visto che stiamo parlando di onde radio avremo valori di ΔE

molto piccoli e quindi la differenza di popolazione non è troppo alta tra i due

stadi per questo l’nmr non è molto sensibile, però ci dà molte informazioni

quindi compensa.

La sensibilità può essere aumentata aumentando la differenza di E, quindi il ΔE

e lo si fa aumentando il campo sembra semplice ma costa parecchio)

-

Cosa succede quando applichiamo B al nucleo:

esso inizia ad oscillare intorno alla direzione del campo

ruota così si dice precessione

La frequenza di questa precessione sarà

proprio quella di Larmor

Ovviamente noi abbiamo tanti nuclei non uno solo che svolgono

questo movimento tutti con uguale frequenza (stesso elemento)

questi sono tutti nuclei in rotazione attorno

all’asse z del campo

la risultante cioè la magnetizzazione totale (che

è un vettore M lungo z) è la somma del

comportamento di questi nuclei (verso l’alto α,

e verso il basso ed è lungo l’asse z (la parte

β)

alfa sarà più grande di quella beta)

Irradiamo il nucleo:

Irradiamo lungo l’asse x, l’intensità del campo avrà forma

sinusoidale, perché è oscillante, quando assume la stessa frequenza

di quella di Larmor allora il sistema viene perturbato e abbiamo un

assorbimento di E, il vettore magnetizzazione si disallinea dall’asse

z e si sposta, così la sua componente sull’asse x-y non è più 0

Il campo magnetico della radiazione entra così in risonanza con il

nucleo (ecco perché risonanza magnetica nucleare)

Lungo l’asse x irradiamo, lungo la y avremo un rivelatore che ci

indica che la componente di M lì non è più zero e capiamo che il

nucleo ha assorbito e che è entrato in risonanza

Potenza di uno strumento nmr (300, 400, 600Mhz es): in base

all’intensità del campo magnetico che lo strumento può applicare

sul campione – è espresso come frequenza perché è la radiazione

1

applicata ad un determinato nucleo e cioè H.

Se la potenza è di 400Mhz vuol dire che il campo magnetico

prodotto è tale che il H presenterà una frequenza di Larmor di

400Mhz

Dopo l’assorbimento inizia il rilassamento, M oscilla e ritorna

sempre più verso z con

un andamento di questo tipo

↑questo è il “sistema ad onda continua” un metodo vecchio, non si

usa più perché ha tempi di acquisizione molto lunghi e sensibilità

ancora più bassa di quella dei metodi attuali, perché in questo caso

si fa una singola irradiazione e ne si varia la frequenza per vedere

quando c’è risonanza

Ora si utilizza un sistema molto più sensibile: “NMR a impulso”

si basa sul principio di indeterminazione, ad un impulso di rem di

durata 1ms è associata un’indeterminazione di 1000Hz sulla

frequenza. Quindi un impulso conterrà un range di frequenze più

ampie considerando questa indeterminazione permettendo a tutti i

nuclei che vogliamo (che risuonano in un range ristretto di

1

frequenze) di risuonare – cioè tutti i nuclei di H

a differenza dell’onda continua dove nel tempo si faceva variare la

frequenza della radiazione, ora nella durata di un impulso sto

irradiando tutto l’intervallo di frequenze che ci interessano

questi impulsi sono molto brevi nell’ordine dei microsecondi da 1 a

10μs (quindi stiamo diminuendo il tempo e allargando l’intervallo di

frequenza)

mandiamo l’impulso, tutti i nuclei entrano in risonanza e terminato

l’impulso lungo y avremo la somma di tutte le risposte dei nuclei

di cui ognuno sempre con questa forma (questa si

chiama FID FREE

INDUCION DECAY – decadimento oscillante nel

tempo)

sommati tutti i FID la rappresentazione è più complessa

il fid è illeggibile e va’ trasformato con la TRAFRORMATA DI

FOURIER:

il fid è nel dominio del tempo, la FT lo trasforma dal dominio del

tempo a quello delle frequenze e ci diche a che frequenze quei

nuclei sono andati in risonanza

es:

fid semplice 6H tutti equivalenti che risuonano quindi alla stessa

frequenza e avremo come risultato un solo segnale

con questo metodo si ha sia vantaggio di tempo che sensibilità

->(proprio perché possiamo mandare più impulsi di seguito

acquisire i fid e sommare anche questi tra loro, così aumentiamo il

rapporto segnale rumore -> sommando i fid il segnale aumenta

mentre il rumore di fondo essendo casuale tende a zero)

La forma della strumentazione è un bidone, la parte di nmr è

piccola ma c’è bisogno di un superconduttore attorno che generi il

campo magnetico e il superconduttore per essere tale deve essere

raffreddato a T bassissime e il tutto deve essere isolato.

1) Preparazione del campione

Di solito sottoforma di soluzione quindi il campione viene sciolto in

un opportuno solvente (deve essere deuterato perché D non viene

visto dall’NMR)

I nuclei di deuterio del solvente sono sensibili all’nmr ma a

frequenze diverse da quelle che usiamo per l’analisi; è importante

questo perché il D viene usato per regolare lo strumento per

“centrare” il campo B 1

I solventi deuterati possono contenere una piccola frazione di H e

l’nmr lo vede e quindi abbiamo il segnale del solvente, ovviamente

vediamo e sappiamo qual è in base al solvente usato (nel caso di

CDCl cloroformio deuterato è un singoletto a 7,26 ppm)

3

1

NMR H

Gli H che risuonano sono diversi e ricadono in punti diversi dello

spettro per influenza del loro intorno chimico

Vedremo:

H EQUIVALENTI

CHEMICAL SHIFT

Variazioni di chemical shift - Elettronegatività di atomi vicini

- Ibridazione

- Anisotropia magnetica

- Acidità e leg H

- solvente

INTEGRALI

MOLTEPLICITA’

H EQUIVALENTI



Danno un unico segnale

CHEMICAL SHIFT -

 spostamento chimico o chemical shift è il fenomeno per il quale

un atomo risente energeticamente delle interazioni del suo intorno chimico

Gli elettroni carichi negativamente presenti, sottoposti al campo B,

inizieranno a ruotare generando un controcampo che si oppone a

quello applicato.

Quanti più elettroni ci saranno tanto più questo controcampo sarà

grande e tanto più “schermerà” cioè proteggerà il nucleo di H, che

per risuonare avrà bisogno di B maggiori e cadrà in valori di (ppm)

δ

più bassi

Il campo effettivo che quindi agisce sul nucleo sarà B =(1-S)B dove

eff

S è il fattore di schermaggio

-EFFETTO DELL’ELETTRONEGATIVITA&