1.83MB

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
stessi (spin). 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
disporsi con orientamento uguale (+ stabile) 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:
E = hν
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1
Campo magnetico nucleare
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Basi fisiche
In ambito organico il nucleo di maggiore interessante e’ quello del
protone (1H).
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!).
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2
Basi fisiche
Considerando l’intensità’ del campo magnetico esterno e la costante
nucleare (rapporto giromagnetico) e’ possibile identificare la
frequenza necessaria:
dove e’ la frequenza il rapporto giromagnetico ed
il campo
magnetico in gauss.
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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.
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3
Spettroscopia NMR
Gli spettrometri di risonanza magnetica nucleare sono
degli strumenti che permettono di misurare
l’assorbimento di energia da parte dei nuclei (1H e 13C
sono interessanti in ambito organico) impiegando dei
magneti molto potenti.
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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.
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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.
Si osservino gli spettri di NMR di composti quali: p-xilene e
acetato di terz-butile.
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5
Spettro NMR dell’acetato di
t-butile
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Spettro NMR del p-xilene
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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
di un legame σ 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
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Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio
Il piccolo campo magnetico generato dalla circolazione
degli elettroni si chiama campo indotto.
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.
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Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio e deschermaggio
Il grado di schermaggio a cui è sottoposto un protone da parte
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.
Nel caso degli elettroni π delocalizzati la circolazione elettronica
genera dei campi magnetici che possono sia schermare che
deschermare i protoni adiacenti. L’effetto dipende dalla
posizione del protone.
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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
circolazione degli elettroni π è una delle prove più conclusive
a sostegno della delocalzzazione degli elettroni π nei sistemi
aromatici.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Effetto deschermante nel C6H6
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
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Posizione e numero dei segnali
Effetti di schermaggio e deschermaggio
La circolazione degli elettroni π 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:
(campi bassi) sp < sp2 < sp3 (campi alti)
In realtà, i protoni acetilenici assorbono tra δ= 2,0 e δ=3,0. Per
cui l’ordine sperimentale è il seguente:
(campi bassi) sp2 < sp < sp3 (campi alti)
Lo spostamento dell’assorbimento dei protoni acetilenici a campi
più alti è la conseguenza dello schermaggio esercitato dalla
circolazione degli elettroni del triplo legame.
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Effetto schermante del H-C≡C-H
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Chemical Shifts
Sono gli spostamenti dei segnali, rispetto allo standard,
dovuti ai fenomeni di schermaggio e deschermaggio sono
indicati come chemical shifts.
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(CH3)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).
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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)
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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.
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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).
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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.
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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 .
Ad esempio i segnali dei protoni (a) e (b) dell’acetato di terz-butile
non mostrano la struttura fine.
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Acetato di t-butile
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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.
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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 Ha è suddiviso in due picchi
a causa dei due orientamenti possibili
del protone sul carbonio adiacente, Hb.
(Ha e Hb non sono equivalenti).
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Accoppiamento SPIN-SPIN: tripletto
Quando sul carbonio adiacente sono presenti due protoni equivalenti
il segnale del protone in esame viene suddiviso in un tripletto con
rapporti d’intensità 1:2:1.
Il diagramma di questo tipo è illustrata nella figura in basso.
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Accoppiamento SPIN-SPIN:
quadrupletto
Ci sono dei composti che presentano dei tre protoni equivalenti, Hb, su un
carbonio adiacente che suddividono il segnale di Ha in un quartetto con rapporti di
intensità 1:3:3:1. Un gruppo di n protoni equivalenti suddivide il segnale PMR di
un protone legato ad un atomo adiacente in n+1 picchi.
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Caratteristiche dei segnali accoppiati
Nel caso di spettri più complessi si utilizzano altre due proprietà
per avere informazioni sulla struttura molecolare:
1. La distanza tra i picchi dà il valore delle costanti di
accoppiamento. I doppietti, tripletti, quadrupletti che hanno
costanti di accoppiamento il fenomeno di spin-spin è reciproco.
Anche se due segnali, ad esempio un tripletto ed un
quadrupletto, venissero a cadere in una zona ricca di altri
segnali, la misura della costante di accoppiamento dovrebbe
rivelare che il tripletto ed il quadrupletto sono in relazione tra
loro. Per esempio, i due tipi di protoni dell’etile mostrano un
tripletto ed un quadrupletto. Le distanze tra i picchi di questi
ultimi due (ovvero le costanti di accoppiamento Jab) sono le
stesse in quanto hanno origine da accoppiamenti spin-spin
reciproci.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Caratteristiche dei segnali accoppiati
Tenuto conto del fatto che le costanti di accoppiamento Jab
sono dipendenti dalla posizione reciproca degli atomi di
idrogeno, si intuisce come il loro valore possa fornire
informazioni interessanti relativamente alla conformazione
della molecola in studio:
Ha
Ha
Hb
Hb
j = 2-6 Hz
j = 5-14 Hz
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Caratteristiche dei segnali accoppiati
2. I veri mutipletti non sono esattamente simmetrici. Negli
spettri visti prima sono simmetrici.
Si confrontino ad esempio il quadrupletto ed il tripletto non
simmetrici con quelli simmetrici, nella figura precedente.
La linea che passa per l’apice dei segnali più esterni di
ciascun multipletto è inclinata nella direzione dei picchi con
cui esso è accoppiato.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Caratteristiche dei segnali accoppiati
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
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Altre caratteristiche dei segnali NMR
1. I segnali si possono sovrapporre.
2. Si possono avere accoppiamenti spin-spin tra protoni di
atomi non adiacenti. Questo si verifica tra gli atomi di
carbonio che legano i protoni accoppiati si inseriscono
atomi con legami π.
3. La struttura fine dei segnali dei protoni aromatici è
difficile da analizzare.
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Risonanza magnetica
nucleare 13C (CMR)
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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 13C.
Lo spettro 13C-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 13C 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.
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Spettroscopia NMR carbonio-13
(CMR)
Il numero di segnali indica quanti atomi di carbonio
differenti - o gruppi differenti di atomi di carboni
equivalenti - ci sono in una molecola.
La struttura fine di un segnale indica quanti idrogeni
sono legati a ciascun carbonio.
Il chemical shift indica lo stato di ibridazione (sp3, sp2,
sp) di ciascun carbonio.
Il chemical shift dà indicazioni circa l’intorno elettronico
di ciascun carbonio rispetto ad altri atomi di carbonio
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.
Occasionalmente un 13C è sufficientemente vicino ad un
altro 13C in modo da formare un accoppiamento di spin 13C
- 13C. Per cui gli spettri CMR generalmente non mostrano
una struttura fine carbonio-carbonio dei segnali, e
diventano estremamente più semplici.
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Struttura fine
La struttura fine dei segnali è dovuta ai protoni: in uno
spettro CMR non si possono osservare gli assorbimenti dei
protoni perché questi segnali sono completamente fuori
scala.
Tuttavia si può osservare la struttura fine dei segnali del
carbonio dovuta ai protoni siti sul medesimo atomo o su
atomi di carbonio più distanti. Lo spettro consisterà quindi
di molti multipletti sovrapposti, molto difficili da
interpretare, ameno che non si usi qualche accorgimento.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
Struttura fine
La struttura fine non voluta può essere eliminata per
disaccoppiamento dello spin del 13C da quello del protone,
utilizzando due metodi principali che dipendono dalla
frequenza usata nella doppia risonanza.
Uno dei metodi di disaccoppiamento fornisce uno spettro
completamente senza accoppiamenti protonici, che
quindi 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.
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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,
relativo al composto bromuro di sec-butile, molecola che
possiede quattro carboni diversi, cioè non equivalenti.
a
c
d
H3C
CH2
CH
b
CH3
Br
4 segnali CMR
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CMR con disaccoppiamento
protonico
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Disaccoppiamento off-resonance
Un secondo metodo di disaccoppiamento,
denominato off-resonance, 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 13C-H e non 13C -CH o 13C -C-C-H; questo tipo di spettro viene anche
indicato con il termine di accoppiamento
protonico.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Struttura fine
La molteplicità dei segnali di ciascun carbonio
dipende perciò dal numero di protoni ad esso
legati:
C
Nessun protone
Singoletto
H
H
C
C
C
H
H
H
Un protone
Doppietto
Due protoni
Tripletto
H
Tre protoni
Quadrupletto
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CMR. Struttura fine
Nella figura che segue è riportato nuovamente
uno spettro CMR del bromuro di sec-butile, ma
con l’accoppiamento protonico per cui ogni picco
presenta una molteplicità: si osservano un
doppietto, un tripletto e due quadrupletti.
q
t
d
H3C
CH2
CH
q
CH3
Br
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Struttura fine
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
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CMR. 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
quello con 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, lo
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.
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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
estende da δ 0 a δ 200, più larga di 30 volte
rispetto a PMR.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift
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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
ibridazione sp3 a campi alti, tra δ 14,1 e δ 34,0 e quelli con
ibridazione sp2 a campi più bassi di più di 100 ppm, a δ 113 e δ
140.
14,1
22,9
32,1
29,3
29,1
34,1
139
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
CH2
CH
114
CH2
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1-ottene
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29
CMR. Chemical shift
Anche i carboni aromatici che hanno una ibridazione sp2 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 sp3) e a campi bassi, con una differenza di 100 ppm, un
gruppo dovuto ai carboni dell’anello (ibridazione sp2) .
29,1
15,6
H2C
CH3
144,2
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 sp3 e
sp2 come mostrato per l’1-esino nella figura seguente.
13,7
22,1
H3C
CH2
30,9
CH2
18,3
CH2
84,5
68,4
C
CH
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
31
CMR. Chemical shift
Quindi per collegare una struttura ai chemical shitfs
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 dello
schermaggio 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 sp3.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift
Osserviamo l’effetto del cloro sull’assorbimento dei
vari atomi di carbonio di una catena satura
prendendo come esempio gli spettri del n-pentano e
dell’1-cloropentano, i cui dati sono riportati sulle
formule:
13,7
22,6
H3 C
CH2
34,5
CH2
22,6
13,7
13,6
22,1
CH2
CH2
H3 C
CH2
H
29,2
CH2
32,7
CH2
44,3
CH2
Cl
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
dei 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, del segnale del C-1.
Lo spostamento che si riscontra per il carbonio che porta il
sostituente, è chiamato effetto α.
Il Cloro provoca uno spostamento a campi bassi, da 22,6 ppm a
32,7 ppm con una differenza di 10.1 ppm, del segnale del C-2. Lo
spostamento che si riscontra per il carbonio vicino a quello che
porta il sostituente, è chiamato effetto β .
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift – effetto γ
L’effetto del sostituente si nota sul C-3 è opposto ai casi
precedenti: in questo caso l’assorbimento è spostato a campi
alti, da 34,5 ppm a 29,2 ppm con una differenza di - 5,3 ppm.
Lo spostamento che si riscontra per il carbonio spostato di due
posizioni rispetto a quello che porta il sostituente, è chiamato
effetto γ.
+ 30.6
C
C
effetto α
C
Cl
+10.1
C
C
effetto β
- 5.3
C
Cl
C
C
effetto γ
C
Cl
L’effetto del Cloro, come quello degli altri sostituenti, è molto
piccolo oltre al carbonio γ.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
33
CMR. Chemical shift
Come tutti i sostituenti esercitano sugli atomi di carbonio aventi
ibridazione sp3 degli effetti con un andamento analogo a quello
del cloro: effetti α e β con spostamenti a campi bassi, l’α
maggiore del β; effetto γ ancora minore ma a campi alti.
Per la maggior parte dei sostituenti il valore di questi
spostamenti sono, come per il cloro, piuttosto notevoli, ad
esempio si possono considerare gli effetti provocati dai
seguenti sostituenti legati al C-1 del pentano: F, + 70,1 ppm;
Br, +19,3 ppm; NH2, +29,7 ppm; OH, + 48,3 ppm; NO2,
+64,5 ppm.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift
I gruppi alchilici hanno effetti inferiori a quelli degli altri sostituenti,
con un andamento un po’ diverso. Come esempio dell’effetto esercitato
da un gruppo metilico si usino i dati degli spettri del n-pentano e del nesano, quest’ultimo considerato come un n-pentano sostituito al C-1
da un gruppo metilico.
Si possono valutare i seguenti effetti del sostituente provocati dal
metile che sono tipici dell’influenza di un gruppo alchilico
sull’assorbimento di un carbonio saturo: effetti α e β a campi bassi di
intensità circa uguali (differenza tra i δ), ed effetti γ inferiori ma verso
campi alti.
13,7
22,6
H3C
CH2
34,5
CH2
22,6
13,7
13,9
22,9
32,0
32,0
22,9
CH2
CH2
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
H
CH3
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
34
CMR. Chemical shift
La presenza in una molecola di un doppio legame C=C può
introdurre un nuovo fattore, l’isomeria geometrica, che ha
una notevole influenza sugli assorbimenti dei carboni sp3.
Confrontiamo i dati dei chemical shift del propilene con
quelli del cis- e trans-2-butene per vedere come agisce
questo fattore stereochimico.
18,7
11,4
H3C
H3C
H
136
115
H
H
11,4
CH3
124
124
H
H
16,8
H
CH3
125
125
H3C
H
16,8
propilene
cis-2-Butene
trans-2-Butene
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
CMR. Chemical shift
Soffermiamo l’attenzione sul carbonio metilico del
propilene e osserviamo come varia l’assorbimento
quando un gruppo metilico viene sostituito a uno o
all’altro degli idrogeni vinilici, cioè valutiamo l’effetto γ.
18,7
H
CH3
H
H
propilene
16,8
11,4
H3C
H
CH3
H
cis-2-Butene
H
H3C
CH3
H
trans-2-Butene
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
35
CMR. Chemical shift
Questo effetto γ è sempre verso campi alti: ∆δ = -7,3
ppm per l’isomero cis e ∆δ = -1,9 ppm per quello trans,
quindi l’effetto γ è molto più forte, di 5,4 ppm , per
l’isomero cis.
-1,9
-7,3
H3C
H
CH3
H
H
H3C
CH3
H
Intensità dell'effetto gamma
cis > trans
Negli alcheni l’influenza stereochimica sugli effetti γ è
generale ed è estremamente utile per assegnare la
configurazione agli isomeri geometrici.
F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II
36