Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) - e

Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
È basata sulle interazioni tra la componente magnetica di una radiazione
elettromagnetica, dell’ordine delle radiofrequenze, con i nuclei delle molecole poste
in un forte campo magnetico.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Permette di ottenere informazioni relative a:
•
•
•
•
intorno del nucleo atomico (natura del gruppo funzionale)
connettività tra gli atomi
distanze tra gli atomi
dinamica molecolare
Principali applicazioni:
• determinazione strutturale dei composti organici (in fase gassosa, liquida,
solida)
• studio della dinamica dei sistemi molecolari all'equilibrio
• diagnostica medica
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Proprietà di spin dei nuclei atomici
Caratteristiche nucleari:
M = massa (protoni + neutroni)
Z = numero atomico (protoni)
I = numero quantico di spin (0, 1/2, 1, 3/2, 2….)
Le particelle nucleari, protoni e neutroni, (come gli elettroni), sono dotate di spin.
I nuclei che possiedono un numero dispari di protoni e un numero dispari di neutroni
possiedono un momento angolare intrinseco p, o “spin”, che classicamente può essere
associato alla rotazione del nucleo attorno a se stesso.
P
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Proprietà di spin dei nuclei atomici
Il momento angolare p è quantizzato attraverso il numero quantico di spin nucleare I.
Può avere valore intero o semintero (0, ½, 1, 3/2, 2….) a seconda dell’isotopo ed è
legato al numero di protoni e di neutroni che costituiscono il nucleo.
Numero di protoni pari e numero di neutroni pari danno uno spin nucleare
complessivo nullo ( I = 0 )
Nucleo
1H
2H
31P
23Na
14N
13C
19F
Protoni non
appaiati
1
1
1
1
1
0
1
Alcuni nuclei con SPIN
Neutroni non
M
Z
appaiati
(protoni + neutroni)
dispari
0
dispari
dispari
1
pari
dispari
0
dispari
dispari
2
dispari
dispari
1
pari
pari
1
dispari
dispari
0
dispari
Spin totale
I
1/2
1
1/2
3/2
1
1/2
1/2
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Analisi dei Medicinali I – G. Poce
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Stati di spin nucleare
 Un nucleo con spin nucleare (1H, 13C, 15N, 19F, 31P , I = ½) è una carica che ruota
sul proprio asse e per questo genera campi magnetici di debole intensità,
comportandosi come un piccolo magnete.
 In assenza di perturbazioni esterne questi magneti si orientano in maniera
casuale.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Stati di spin nucleare
 In presenza di un campo magnetico esterno (B0) gli spin nucleari si allineano
secondo due possibili orientazioni (stati di spin): parallela ed antiparallela.
B
0
I=1/2
1 1
m = ,
2 2
I
1/2 ℏ
z=1/2 ℏ
z= -1/2 ℏ
 Queste due orientazioni hanno diversa energia: orientazione parallela (α, I = +½)
minore energia; orientazione antiparallela (β, I = -½) maggiore energia.
 In generale: un nucleo con spin nucleare (I ≠ 0), immerso in un campo magnetico
esterno omogeneo, potrà assumere un numero di orientazioni (stati di spin) pari
a 2I +1.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Stati di spin nucleare
 La rotazione del nucleo produce un momento magnetico µ associato al momento
angolare p tramite una costante di proporzionalità, γ (rapporto giromagnetico), che
è caratteristica di ciascun nucleo:
µ=γ·p
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Stati di spin nucleare
I=1/2, mI=1/2, -1/2
In assenza di
campo magnetico
energia
mI=-1/2, 
B0
mI=1/2, 
In presenza di campo magnetico
La differenza di energia tra i due livelli energetici:
ΔE = (hγ/2π) B0 → ΔE è proporzionale al campo magnetico
h= costante di Plank
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Stati di spin nucleare
Una transizione dallo stato ad energia inferiore a quello ad energia superiore può
essere promossa applicando una radiazione avente una frequenza esattamente uguale
a quella richiesta per un dato campo magnetico applicato. Il valore di radiofrequenza
è correlato con il campo magnetico secondo l’equazione:
 =  B0/2
Tale frequenza (frequenza di Larmor)
dipende dal nucleo (attraverso il rapporto
giromagnetico ) e dall’intensità del campo
magnetico applicato.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Risonanza
Il protone possiede due livelli energetici (2I+1=2).
Si può fornire energia sottoforma di radiofrequenza (ν1) per promuovere la transizione
tra questi 2 livelli energetici in un campo magnetico stazionario B0 secondo
l’equazione:
 =  B0/2
Fornendo al protone una frequenza di 100MHz in un campo magnetico B0 di 2.35
tesla (T) esso risuona  l’energia viene assorbita dal protone che passa ad uno stato
energetico superiore
E
mI= -1/2, E
E
mI=1/2, E
0
B0
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Risonanza
Il protone possiede due livelli energetici (2I+1=2).
Si può fornire energia sottoforma di radiofrequenza (ν1) per promuovere la transizione
tra questi 2 livelli energetici in un campo magnetico stazionario B0 secondo
l’equazione:
 =  B0/2
Fornendo al protone una frequenza di 100MHz in un campo magnetico B0 di 2.35
tesla (T) esso risuona  l’energia viene assorbita dal protone che passa ad uno stato
energetico superiore
E
mI= -1/2, E
E
mI=1/2, E
0
B0
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Cosa succede dopo che il sistema è stato
irradiato?
z
x
y
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Cosa succede dopo che il sistema è stato
irradiato?
Gli spin nucleari tornano alla situazione di
equilibrio, attraverso una serie di processi noti
come
fenomeni
di
rilassamento,
che
permettono alla magnetizzazione totale di
allinearsi al campo magnetico.
z
x
Per effetto del rilassamento la componente
della magnetizzazione nel piano xy si riduce
sino ad annullarsi, e di conseguenza si riduce
anche la corrente elettrica oscillante rivelata
dalla bobina posta nell’asse y. Questo è il
segnale NMR.
y
FID: Free Induction Decay
Decadimento (decay) all’equilibrio,
libero (free) dall’influenza del campo a rf
ed indotto (induced) nella bobina
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Il segnale che rappresenta il decadimento dell’induzione magnetica in funzione del
tempo può essere convertito, applicando la trasformata di Fourier, in un segnale
in funzione della frequenza.

f(ω( =  f(t)e dt
iωω
intensità

tempo
intensità
Trasformata di Fourier
(FT)
frequenza
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
In un campione reale i nuclei di un dato isotopo non risuonano alla stessa
frequenza, in quanto il campo magnetico che effettivamente viene sentito dal
nucleo dipende dalla distribuzione elettronica attorno al nucleo, la quale a sua
volta dipende dal contesto molecolare in cui è inserito il nucleo.
Per fare entrare contemporaneamente in risonanza tutti i nuclei protonici si
inviano contemporaneamente tutte le frequenze entro l’intervallo in cui risuonano
i nuclei protonici.
Questo viene fatto inviando una radiazione monocromatica ν0 per un tempo molto
breve (dell’ordine dei µs): un breve pulso di durata tP converte la radiazione
monocromatica in una banda di frequenze aventi tutte la stessa intensità entro
un intervallo di +/- 1/4tP Hz.
1
tp
4t P
1/tp
0
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
FT
frequenza
tempo
FT
frequenza
tempo
FT
tempo
frequenza
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
Inserimento nel Magnete
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
B0
z
Inserimento nel Magnete
z
x
x
y
y
Magnetizzazione
18
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
Inserimento nel Magnete
B0
z
x
y
Impulso rf
a 90°
x
z
y
Magnetizzazione
x
Perturbazione: irraggiamento
y
19
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
Inserimento nel Magnete
Magnetizzazione
z
B0
Perturbazione: irradiamento
x
Risposta
y
Rivelazione
20
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
Inserimento nel Magnete
Magnetizzazione
Perturbazione: irradiament
Risposta
Rivelazione
Raccolta Dati
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Campione
Inserimento nel Magnete
Magnetizzazione
Perturbazione: irradiament
Risposta
Rivelazione
Raccolta Dati
intensità
FT
Trasformata di Fourier
Spettro NMR
frequenza
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione
Strumenti di 1a generazione - spettrometri a onda continua
I primi spettrometri, costruiti a partire dal 1953, utilizzavano magneti permanenti o
elettromagneti con campi da 1.41, 1.87, 2.2 o 2.35 tesla.
Questo tipo di strumento utilizza elettromagneti che arrivano a intensità massime di
circa 2.35 T  bassa intensità di campo  bassa intensità di segnale
In genere si mantiene costante il campo magnetico applicato B0 e si fa variare nel
tempo la frequenza della radiofrequenza applicata
23
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione
 Strumenti di 2a generazione - spettrometri a impulsi o a Trasformata di Fourier
Questo tipo di strumento utilizza crio-magneti (superconduttori che possono essere
magnetizzati a bassissime temperature). Questi consentono di raggiungere intensità
di campo magnetico molto elevate.
Strumenti a 11.7 T (500 MHz per 1H) sono comuni, si arriva oltre i 18.8 T (800 MHz
per 1H
24
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione
In questi strumenti si invia un impulso di radiofrequenza nel range di frequenze di
risonanza del nucleo in studio, perpendicolarmente al campo magnetico applicato B0.
Questo impulso induce la transizione di tutti i nuclei interessati dallo stato di spin α
allo stato β.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione: Spettrometri a Trasformata di Fourier
I nuclei che sono passati nello stato di spin a più alta energia ritornano allo stato
fondamentale riemettendo una radiazione nel campo delle radiofrequenze. Viene
emessa una serie di radiofrequenze, una per ogni differente nucleo presente che nel
loro insieme costituisce il FID (free induction decay - segnale di decadimento a
induzione libera), un insieme di frequenze modulate nel dominio del tempo.
Un ricevitore di radiofrequenze registra e amplifica il FID (intensità vs tempo)
Il FID viene elaborato mediante trasformata di Fourier per ottenere lo spettro
(intensità vs frequenza)
26
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione: Spettrometri a Trasformata di Fourier
Ogni sequenza di acquisizione base consiste di una serie regolare di operazioni:
1) impulso di radiofrequenza,
2) da un breve tempo morto (non si acquisisce segnale)
3) tempo di acquisizione sufficientemente lungo
4) eventuale intervallo intersequenza.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione: Spettrometri a Trasformata di Fourier
Le sequenze di acquisizione possono essere ripetute in successione una serie molto
lunga di volte e i FID ottenuti possono essere sommati.
I segnali risuonano sempre alla stessa frequenza mentre il rumore di fondo risuona a
frequenze casuali  sommando i FID si incrementa molto di più il segnale rispetto al
rumore di fondo  notevole miglioramento del rapporto segnale / rumore, con
notevole incremento della sensibilità.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Strumentazione: Spettrometri a Trasformata di Fourier
Vantaggi dell’FT-NMR
 Campi magnetici applicati stabili e molto intensi
 aumento dell’intensità del segnale di risonanza
 possibilità di effettuare spettri di NMR su quantità più esigue di campione
 maggiore risoluzione dei segnali
 Possibilità di acquisire in tempi molto brevi un FID
 Possibilità di sommare più FID dello stesso campione in modo da migliorare il
rapporto segnale / rumore
 Con modeste differenze strumentali si possono acquisire
strumentazione spettri di più nuclei (1H, 13C, 19F, 31P…)
con
la
stessa
29
Liq N2
Liq He
Magnete
30
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
31
Probe
Spire
del
Magnete
Probe
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Bobine di
shimming
32
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Sorgente RF
33
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Amplificatore
Timer
Sorgente RF
34
z
Probe
z
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
x
y
90°
x
y
Amplificatore
Timer
Sorgente RF
35
z
z
Amplificatore
x
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
y
90°
x
y
Ricevitore
Timer
Sorgente RF
36
Amplificatore
Sottrae la
frequenza
proveniente dal
probe dalla
frequenza
operativa
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Ricevitore
Detector
Timer
Sorgente RF
37
Amplificatore
Trasforma il segnale da
analogico (elettrico) in
digitale (cioè in numeri
che possano poi essere
analizzati dal computer)
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Convertitore
AD
Ricevitore
Detector
Timer
Sorgente RF
38
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Amplificatore
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
FT
Computer
Convertitore
AD
Ricevitore
Detector
Timer
Sorgente RF
39
Amplificatore
Probe
Probe
Bobine di shimming
Magnete
Per aumentare la sensibilità
intrinsecamente bassa della
spettroscopia NMR si
registra lo stesso spettro per
un numero anche molto
elevato di volte
Computer
Convertitore
AD
Ricevitore
Detector
Timer
Sorgente RF
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Preparazione del campione
Tubi
I tubi sono in quarzo, sono lunghi da 17 a 22 cm e per l’uso più comune sono larghi 5 mm.
Per nuclei meno sensibili (17O) si utilizzano tubi larghi 10 mm.
Gli spinner servono a tenere il tubo contenente il campione all’interno del probe dello spettrometro
e a permettergli di ruotare velocemente e senza vibrazioni.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
Preparazione del campione
Solventi
Si utilizzano solventi deuterati (D2O, CDCl3, CH3OD, (CD3)2CO, (CD3)2SO, C6D6,
CD3CN……) con percentuali di D > 99.5-99.8%
Non danno segnali nel campo delle frequenze osservate (1H,
13C, 15N, 19F….)
Il segnale del D può essere utilizzato come riferimento per compensare
elettronicamente (circuito di LOCK) lo spostamento degli altri segnali dovuti alle
oscillazioni di intensità del campo magnetico B0
42
Clean
clear
solution
GOOD!
Suspension
or opaque
solution
Precipitate
Concentration
gradient
Two
phases
Not
enough
solvent
Bad Samples!
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Lo spettro
Gli assorbimenti NMR sono in genere in forma
di picchi stretti
I valori di assorbimento NMR sono relativi alla posizione di un
composto di riferimento, il tetrametilsilano (TMS) cui si assegna
il valore 0
I segnali sono riportati con valori crescenti di chemical shift da destra a sinistra
La maggior parte dei protoni assorbe da 0 a 10 ppm
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Lo spettro
In uno spettro di NMR-protonico guardiamo:
 Il numero di segnali  ci dice quanti tipi di H equivalenti ci sono nella
molecola
La posizione dei segnali  ci dà informazioni sul tipo di
H presenti (aromatici, alchilici, vinilici, alcolici,
ammidici……)
Intensità dei segnali  ci dice quanti H dello stesso tipo ci sono
Molteplicità del segnale  ci da
informazioni sul numero di H vicini a
quello considerato
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Numero di segnali
•Il numero di segnali è uguale al numero di differenti tipi di H presenti nel composto
•H con un diverso intorno chimico (non equivalenti) danno differenti segnali
•H equivalenti danno lo stesso segnale
46
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Numero di segnali
Per determinare gli H equivalenti in alcheni e cicloalcani conviene esplicitare tutti gli
H
Possiamo dire che due H sono equivalenti solo se sono entrambi cis (o trans) rispetto
allo stesso gruppo
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Numero di segnali
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Intensità dei segnali
L’area sottesa a ciascuno dei picchi che compongono uno spettro NMR viene definita
come intensità del segnale e viene rappresentata con una curva a gradino detta
integrale.
Nella spettroscopia 1H le aree associate ai vari picchi sono direttamente proporzionali
al numero dei protoni che danno origine al segnale stesso.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Intensità dei segnali
Si misura l’area del segnale e si calcola il numero di H che lo hanno dato  2 casi
 Si conosce la formula bruta della sostanza in esame
 Si somma il valore dell’altezza di tutti gli integrali e si divide per il numero
totale di H presenti nella molecola. Si calcola l’altezza di integrale
corrispondente ad un H. Si divide poi l’altezza di ciascun integrale per il valore
precedentemente calcolato e si ottiene il numero di
 Non si conosce la formula bruta della sostanza in esame
 Si divide il valore dell’altezza di ciascun integrale per il valore di altezza
corrispondente all’integrale meno alto. Se si hanno numeri frazionari si
moltiplicano tutti i valori per un numero intero tale da ottenere numeri interi
più piccoli possibile.
 Bisogna tenere presente che se la molecola è simmetrica si può osservare un
numero di H inferiore a quello realmente presente  si conosce solo il
rapporto tra gli H che hanno dato i vari segnali
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Intensità dei segnali
C11H13NO4
1+1+1+1+1+1,5=6,5
6,5/13=0,5
1H=0,5
2H
2H
2H
2H
2H
3H
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Intensità dei segnali
Valore di integrale più
piccolo = 5.00  divido
tutti i valori di integrale
per 5
a  5.00/5 = 1
b  7.51/5 = 1.5
c  7.49/5 = 1.5
Moltiplico tutto per 2
per arrivare ai più
piccoli valori interi
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2H
3H
3H
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Intensità dei segnali
Valore di integrale più piccolo
= 1.50 divido tutti i valori di
integrale per 1.5
a  1.50/1.5 = 1
b  1.51/1.5 = 1
c  2.26/1.5 = 1.5
Moltiplico tutto per 2 per
arrivare ai più piccoli valori
interi
a  2H
b  2H
c  3H
Osservati in totale 7 H
La formula bruta è C6H14O
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
In prossimità del nucleo, il campo magnetico generato dalla circolazione degli
elettroni fa diminuire l’intensità del campo magnetico che effettivamente agisce sul
nucleo. In virtù della presenza degli elettroni i nuclei sono magneticamente
schermati, ciò vuol dire che risentono di un campo effettivo che è minore rispetto al
campo magnetico applicato.
I differenti nuclei di H in una stessa molecola avranno differenti schermature e
quindi differenti frequenze di risonanza
55
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Gli elettroni sono particelle cariche e, come tali, quando vengono immersi nel campo
magnetico Bo, si muovono e generano un piccolo campo magnetico indotto –βi
opposto a quello molto più forte applicato.
Questo campo magnetico indotto scherma il nucleo dalla piena forza del campo
applicato.
Il campo magnetico sentito dal nucleo è quindi B = Bo – βi.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Gli elettroni sono particelle cariche e, come tali, quando vengono immersi nel campo
magnetico Bo, si muovono e generano un piccolo campo magnetico indotto –βi
opposto a quello molto più forte applicato.
Questo campo magnetico indotto scherma il nucleo dalla piena forza del campo
applicato.
Il campo magnetico sentito dal nucleo è quindi B = Bo – βi.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Per l’atomo di idrogeno, che possiede un elettrone ed una distribuzione di carica
simmetrica (sferica), lo schermo è principalmente dato da quello che, viene definito
termine di schermo diamagnetico, che viene calcolato, facendo riferimento al moto di
un elettrone su un orbita circolare.
In pratica, questo effetto diamagnetico fa sì che il campo magnetico esterno sul
nucleo venga schermato dalla carica elettronica.
58
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Questo non è valido se prendo in considerazioni protoni all’interno di una molecola.
Viene meno l’assunto iniziale della distribuzione di carica sferica e simmetrica.
Gli elettroni negli orbitali p non hanno simmetria sferica.
Essi daranno luogo a campi magnetici più intensi (relativamente al nucleo
interessato) originando uno spostamento a frequenze maggiori (ex low field shift).
Questo "deshielding" viene detto paramagnetic shift.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Per l’atomo di idrogeno:
SCHERMO (Shielding) equivale al campo magnetico che si oppone e quindi significa:
•
maggiore densità elettronica intorno al nucleo
•
minore frequenza precessionale (il nucleo risente di un Beff minore) valori più
bassi di chemical shift (ppm) =low-freq shift (ex upfield shift)
DESCHERMO (Deshielding) vuol quindi significare:
•
minore densità elettronica al nucleo (minore schermo dovuto ad es. alla vicinanza
di gruppi elettron-attrattori)
•
maggiore frequenza precessionale (il nucleo risente di un Beff maggiore)
•
valori più alti di chemical shift (ppm)=hi-freq shift (ex downfield shift)
60
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Gli elettroni di legame, in particolare, possono trovarsi più vicini o più lontani
dall’atomo in esame (ad es. 1H) a seconda dell’elettronegatività dell’altro atomo
legato.
61
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
La differenza nella posizione di assorbimento di un particolare protone rispetto alla
posizione di assorbimento di un protone di riferimento viene detto spostamento
chimico (chemical shift)
Il composto di riferimento più utilizzato è il tetrametilsilano (TMS)
CH3
H3C Si CH3
Vantaggi:
CH3
• Chimicamente inerte
• Simmetrico
• E’ volatile e può essere allontanato dal campione per recuperare quest’ultimo
• Solubile nella maggior parte dei solventi organici
I 12 H del TMS producono un solo picco e sono i più schermati tra i protoni organici.
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
• In un insieme di nuclei quelli meno schermati “sentono” maggiormente il campo
magnetico applicato (B0) rispetto a quelli più schermati.
• I nuclei deschermati, rispetto a quelli schermati, sentono un campo magnetico più
intenso e richiedono una maggiore frequenza per la risonanza.
• Le frequenze più alte sono a sinistra nello spettro NMR, quindi segnali di nuclei
maggiormente deschermati si spostano a frequenze di risonanza più elevate
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Il protone Hb più vicino a Cl, atomo elettronegativo, risulta
maggiormente deschermato rispetto ad Ha risuona a
frequenze più alte (downfield shift)
Il protone Hb vicino a F, atomo più elettronegativo rispetto a
Br,
risulta maggiormente deschermato rispetto ad Ha
risuona a frequenze più alte (downfield shift)
Il protone Hb vicino a due atomi di Cl risente di un maggior
effetto deschermante rispetto ad Ha risuona a frequenze più
alte (downfield shift)
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Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
65
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
•In uno spettro 1H-NMR le differenze nelle frequenze di risonanza tra i vari tipi di H
sono molto piccole se riportate in MHz (differenze di Hz su valori di campo in MHz)
•La frequenza di risonanza di un nucleo (quindi anche le differenze nelle frequenze di
risonanza) dipende dal campo magnetico applicato B0 e dallo strumento utilizzato.
•Lo spostamento chimico assoluto, è proporzionale al campo applicato, quindi
strumenti che usano campi magnetici più intensi producono spostamenti chimici
assoluti maggiori.
NECESSITA’ DI UNIFORMARE I CHEMICAL SHIFT
INDIPENDENTEMENTE DAI CAMPI MAGNETICI
APPLICATI E QUINDI DI DIVERSI STRUMENTI
UTILIZZATI
66
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Scala δ del chemical shift
Per rendere indipendente la posizione del segnale rispetto al campo applicato si
utilizza la scala δ (in ppm)
In questo modo lo spostamento chimico δ, misurato in ppm (Hz/MHz), è
indipendente dal campo applicato, quindi è uguale su tutti gli strumenti
indipendentemente dall’intensità del loro campo magnetico.
67
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Sono QUATTRO i principali fattori che determinano la posizione (sulla scala ppm )
dei principali tipi di protoni:
1. Deschermatura per la presenza di atomi elettronegativi (effetto induttivo).
2. Campi di anisotropia di solito dovuti a elettroni π nella molecola.
3. Deschermatura dovuta a legami H.
4. Effetto del solvente.
68
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
1. Effetto induttivo Csp3-H
In una molecola contenete gruppi elettron-attrattori esiste un campo elettrico che
influenza la distribuzione della densità elettronica all’interno della molecola e quindi
lo schermo magnetico dei nuclei.
La diminuzione di densità elettronica per effetto di gruppi elettronegativi comporta
deschermaggio.
Gli effetti di elettronegatività sono trasmessi attraverso gli orbitali molecolari e si
risentono non solo sul H legato ad un C a sua volta legato direttamente ad X ma
anche su H legati a C vicinali.
69
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
1. Effetto induttivo Csp3-H
Es: Il Cloro “descherma” il protone, diminuendo la densità elettronica del C, che a
sua volta diminuisce la densità elettronica dell’ idrogeno deschermando quindi il
protone.
70
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
1. Effetto induttivo Csp3-H
71
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
1. Effetto induttivo Csp3-H
72
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
I legami chimici sono in genere magneticamente anisotropi  hanno
comportamento magnetico differente nelle tre direzioni dello spazio cartesiano.
un
Il momento magnetico indotto da un campo applicato non è quindi uguale in tutte le
direzioni dello spazio e lo schermo di un nucleo dipende essenzialmente dalla sua
posizione nella geometria della molecola.
73
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
Quando un qualsiasi legame covalente è sottoposto ad un campo magnetico esterno
Bo, il movimento degli elettroni impegnati nel legame genera delle linee di forza.
L’effetto globale della costante di schermo determinato da queste linee di forza può
essere calcolato. Si determinano così delle zone, i cosiddetti coni di anisotropia
diamagnetica, che si possono sommare o opporre (schermare o deschermare + o - ) al
campo Bo
74
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
Per un Csp3 il H cade in
una zona di schermo
Per un Csp2 il H cade in
una zona di deschermo
(CH=C tra 5 e 7 ppm, CH=O
tra 9 e 10 ppm)
Per un Csp il H cade in una
zona di schermo (CHC tra 1
e 3 ppm)
75
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
Es: Acetilene
Molecola lineare ed il triplo legame è simmetrico rispetto all’asse della molecola. Se
tale asse si trova allineato con il campo magnetico applicato, gli elettroni π del legame
acquistano un moto circolare perpendicolare al campo applicato generando un campo
magnetico indotto che si oppone a quello applicato.
76
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
Es: Acetilene
L’idrogeno, che si trova direttamente sull’asse del cono di schermo risuonerà a
frequenze più basse (2.88 ppm) rispetto ad un normale CH ad esempio rispetto ad
C=CH ( 5.28 ppm).
77
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
Anche se la densità elettronica dei doppi legami C=C e C=O non è proprio a
simmetria assiale, l’anisotropia per questi gruppi può essere calcolata, osservando
che i coni di schermo e deschermo risultano invertiti rispetto a quelli visti per
l’acetilene.
78
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H)
L’anisotropia del gruppo carbonilico spiega per esempio perché gli idrogeni aldeidici
risuonano a 9-10 ppm. Il protone aldeidico infatti si trova nel cono dove il contributo
di schermo è negativo per cui risulterà fortemente deschermato.
79
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H). Effetto della corrente d’anello
Quando una molecola con un sistema di elettroni delocalizzato viene posta in un
campo magnetico si genera una corrente d’anello.
Anelli aromatici  4n+2 elettroni liberi di muoversi in una corrente d’anello
80
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H). Effetto della corrente d’anello
La corrente d’anello genera un campo magnetico le cui linee di forza al centro del
sistema aromatico sono opposte al campo applicato e pertanto determineranno un
effetto di schermo (+). Gli idrogeni dell’anello aromatico si trovano invece in una
regione dello spazio in cui le linee di forza hanno la stessa direzione per cui si
sommano producendo un effetto di deschermo (-).
81
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
2. Campi di anisotropia (Csp2-H e Csp-H). Effetto della corrente d’anello
82
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
3. Legami idrogeno
Protoni legati ad ossigeni attraverso legami ad idrogeno sono particolarmente
deschermati il valore di chemical shift è in molti casi superiore a 10.
83
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
3. Legami idrogeno
84
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
3. Legami idrogeno
85
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Fattori che influenzano il Chemical shift
4. Effetto del solvente
Quando un composto viene sciolto in determinato solvente, lo
magnetica nucleare, o meglio i valori di chemical shift,
interazione con le molecole di solvente. Anche se non è
generalizzazione si può sicuramente affermare che effetti diversi
da un solvente apolare (CHCl3) ad un solvente polare (DMSO).
spettro di risonanza
dipenderanno dalla
possibile fare una
si avranno passando
86
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
87
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
H con un dato intorno chimico (appartenenti a determinati gruppi funzionali) hanno
chemical shift entro certi limiti prevedibili
88
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Alcani
La principale influenza nel chemical shift dei protoni negli alcani è dovuto alla
presenza di sostituenti.
I segnali relativi agli alcani sono distribuiti su un range piuttosto vasto di c.s.
Alcune regole generali:
• l’effetto induttivo di deschermo è direttamente proporzionale alla elettronegatività
del sostituente
• considerando lo stesso sostituente i protoni metilici (CH3) sono più schermati dei
metilenici (CH2) e dei metinici (CH).
89
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Alcani
90
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
Alcani
Nei cicloalcani il c.s. dei protoni dipende innanzitutto dalle dimensioni dell’anello,
dalla sua mobilità conformazionale e da eventuali costrizioni steriche.
La costrizione d’anello nel ciclopropano produce una forte anisotropia diamagnetica
che porta a segnali molto schermati (0.22 ppm).
Tale schermo diminuisce avvicinandosi al cicloeptano, oltre il quale non si osserva
più variazione considerevole di c.s.
91
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
92
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
93
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
ALCHENI
I protoni olefinici di etileni variamente sostituiti si incontrano solitamente nel range
compreso tra 4 e 7.5 ppm.
I sostituenti sul doppio legame influenzano il chemical shift dei protoni olefinici per
effetto induttivo, mesomerico o sterico.
94
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
ARENI
Per quanto riguarda i composti aromatici, lo schermo è principalmente determinato
dall’effetto mesomerico dei sostituenti.
Es: nell’anilina le posizioni orto e para sono più schermate rispetto alle meta poiché,
come si ricava dalle strutture limite, sono le posizioni dove la densità di carica
negativa è maggiore.
95
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Chemical shift, posizione dei segnali
ARENI
Iprotoni 2,4 e 6 sono schermati rispetto al classico valore di risonanza degli idrogeni
del benzene (7,27 ppm).
Questo schermo è quindi dovuto all’effetto mesomerico (+M) del gruppo amminico.
96
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Regole di Shoolerey
Sulla base dell’osservazione dei dati sperimentali, è possibile quantizzare gli effetti sul
chemical shift di un protone dovuti alla presenza di vari gruppi funzionali.
Poiché tali effetti sono spesso additivi, è possibile applicare delle formule semplici per la
“predizione” del chemical shift.
Regole di Shoolerey
97
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Regole di Shoolerey
δ = 0.23 + σW +δZ
98
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Regole di Shoolerey
99
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Regole di Shoolerey
100
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Regole di Shoolerey
101
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
H su eteroatomi
Protoni su eteroatomi, quali ad es. quelli di gruppi OH, NH2, SH:
 Questi sono protoni “scambiabili” nel senso che formano legami a H con altre
molecole della stessa natura e con acqua e/o acidi presenti nel solvente.
R-OH + D2O  R-OD + HDO
Il segnale del gruppo -OH scompare
 Il loro δ pertanto è variabile e dipende dalla concentrazione, purezza e temperatura.
 Sono suscettibili di legami ad idrogeno.
 Sono spesso soggetti ad effetti del quadrupolo magnetico nucleare dell’eteroatomo,
14N.
 Per tali motivi essi possono avere chemical shift variabili in funzione della
concentrazione, della temperatura e del solvente, e appaiono di norma non
accoppiati.
102
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
H su eteroatomi
Protoni su eteroatomi, quali ad es. quelli di gruppi OH, NH2, SH:
In genere sono segnali allargati poiché contengono il contributo di tutte le specie
intermedie di scambio. Ragionevolmente, aumentando la temperatura, aumenterà la
velocità di scambio per cui il segnale diverrà più stretto.
103
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
H su eteroatomi
Un metodo per mettere in evidenza la presenza di idrogeni di tipo X-H è quello di
sfruttare la loro acidità e quindi la loro facilità a dare processi di scambio.
Per trattamento con acqua deuterata, più o meno velocemente, questi idrogeni vengono
scambiati con deuterio. Come risultato, dal punto di vista spettroscopicico, si ha che
scompariranno dallo spettro NMR protonico tutti i segnali relativi a protoni X-H.
104
Analisi dei Medicinali I – G. Poce
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
H su eteroatomi
Gruppi -OH
 chemical shift variabile δ 2-6 ppm
 shift a campi bassi per effetto di leg H
 singoletti stretti per rapido scambio che impedisce l’accoppiamento; protoni fenolici,
più acidi, risuonano generalmente tra d 4 e 7.5 ppm.
 Leg H intramolecolari portano i segnali a campi bassi, fino a d 10-12.
 gruppi OH di enoli ed acidi carbossilici: d 10 - 16 ppm.
 evidenziabili per trattamento con D2O (scompaiono).
105
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
H su eteroatomi
Gruppi -NH momento di quadrupolo magnetico di
14N
 velocità di scambio variabile, alta per ammine (picchi stretti non accoppiati),
intermedia per ammine aromatiche alchilate (picco largo parzialmente accoppiato),
bassa per ammidi primarie e secondarie, pirroli, indoli (picchi larghi, protoni adiacenti
accoppiati).
 ammine alifatiche d 0.5 -3 ppm; ammine aromatiche d 3-5 ppm, ammidi, pirroli e
indoli d 5-9 ppm.
 shift a campi bassi in presenza di dimetilsolfossido.
 scambiano in presenza di D2O (velocità variabile).
106
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Il campo magnetico di un nucleo risente dell’orientazione degli spin dei nuclei vicini
attraverso gli elettroni di legame, poiché c’è una certa tendenza da parte di un
elettrone di legame ad accoppiare il proprio spin con quello del protone vicino.
Nuclei attivi (protoni) che sono legati (o concatenati) tra loro accoppiano.
Questo accoppiamento determina una separazione tra righe, cioè il segnale relativo ad
un protone appare come un insieme di linee. Vedere un segnale con una molteplicità
di linee significa che il protone in esame “vede” un altro protone.
107
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Il campo di cui risente Hb è influenzato dagli stati di spin di Ha e viceversa.
A seconda dell’orientazione dello spin di Ha (parallela o antiparallela), il campo di
risonanza di Hb sarà di poco inferiore o di poco superiore rispetto al valore in assenza
di Ha.
Il segnale di Hb è pertanto sdoppiato da Ha in due linee di intensità uguale (doppietto)
equidistanti dal valore di chemical shift che avrebbe avuto in assenza di Ha.
Il chemical shift di Hb è il valore medio dei due valori in cui il segnale di Hb è
sdoppiato
Il fenomeno è definito accoppiamento spin-spin. L’accoppiamento si manifesta solo
tra nuclei non equivalenti
Hb
Cl
Br
Ha
108
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Il momento magnetico del nucleo produce una piccola polarizzazione degli elettroni di
legame e questa è trasmessa attraverso la sovrapposizione orbitalica all’altro nucleo.
Quindi per il H non vi sarà un unica transizione Hα-Hβ ma 2 possibili transizioni.
L’interazione si propaga attraverso gli elettroni di legame H-C-H (sp3)
109
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
L’energia di interazione tra i due spin A-B è :
JAB è la costante di accoppiamento scalare (tra
i legami) ed è indipendente dal sistema di
riferimento usato
110
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
La distanza tra i segnali, detta costante di accoppiamento (J), si misura in Hz, è
indipendente dal campo magnetico applicato ed assume lo stesso valore per i due
nuclei che accoppiano.
La J si ottiene misurando la differenza in chemical shift tra due picchi di un
multipletto (in ppm) e moltiplicando questo valore per la frequenza corrispondente al
campo magnetico applicato (B0 – propria dello spettrometro utilizzato).
Hb
Cl
Br
Ha
111
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Generalmente l’accoppiamento perde importanza dopo il terzo legame.
In genere, nei sistemi alifatici, l’accoppiamento spin-spin si manifesta attraverso
massimo 3 legami (J3).
Si osservano J4 o superiori nei sistemi aromatici (J meta 4 legami, J para 5 legami) e
J long range nei sistemi coniugati (allilici) o saturi ma conformazionalmente bloccati
X
X
Z
Z
X
Ha
Hb
J geminale - 2 legami
Z
Ha
Hb
J vicinale - 3 legami
112
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
In due segnali reciprocamente accoppiati il valore di J è lo stesso.
113
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
114
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
La molteplicità del segnale è data dalla formula generale:
m=2nI+1
dove: m = molteplicità; n = numero di nuclei accoppiati;
I = numero quantico di spin dei nuclei accoppiati.
Per 1H,
13C, 19F
aventi I = ½ la formula diventa m = n + 1
Per cui si è soliti dire che :
- un CH che accoppia con un protone è un doppietto (d)
- un CH che accoppia con 2 protoni equivalenti è un tripletto (t)
- un CH che accoppia con 3 protoni equivalenti è un quartetto (q)
- un CH che accoppia con 4 protoni equivalenti è un quintetto (quint)
- un CH che accoppia con 5 protoni equivalenti è un sestetto (sest)
115
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Il protone Hb risente degli stati di spin dei due nuclei Ha che esistono in quattro stati possibili con
la stessa probabilità. Il segnale è diviso pertanto in 3 picchi di cui quello centrale di intensità
doppia (tripletto di aree 1:2:1).
116
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
I protoni del CH2 risentono dei possibili stati di spin dei 3 protoni del metile. Gli stati a spin tra
loro antiparalleli hanno nel complesso due effetti sul chemical shift del CH2 ed hanno probabilità
tripla rispetto agli stati a spin tra loro paralleli. Il segnale è diviso pertanto in 4 picchi di cui quelli
interni di intensità tripla (quartetto di aree 1:3:3:1).
117
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Accoppiamento dell’isopropile
118
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
L’intensità relativa delle linee, per numero quantico di spin I = ½, corrisponde ai
coefficienti del teorema binomiale (triangolo di Tartaglia o Pascal).
Dallo studio della molteplicità m di un segnale possiamo risalire al numero n di nuclei
equivalenti adiacenti n = m - 1.
119
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Sistemi del primo ordine
Un sistema di spin è l’insieme di nuclei (protoni) che accoppiano tra di loro.
Saper analizzare un sistema di spin permette di avere un’idea precisa sulle
molteplicità attese per i vari gruppi di protoni equivalenti e quindi avere informazioni
sulla connettività.
Protoni chimicamente equivalenti: sono protoni che presentano lo stesso intorno
chimico. Per essi si usa una lettera dell’alfabeto con un numeratore che indica il
numero di protoni equivalenti ( A2).
Se i sistemi sono del primo ordine Δν / J ≥ 10 si usano lettere lontane dell’alfabeto
(AX, A2X) se sono di ordine superiore Δν / J < 10 si usano lettere vicine (AB, XY ecc).
120
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Sistemi del primo ordine
121
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Sistemi del primo ordine
In tal caso
interpretare
secondo i
molteplicità
E’ possibile
J.
è possibile
lo spettro
criteri di
visti prima.
calcolare le
122
c
b
H
H
a
H
X
Y
H
c
b
H
H
J a,b = 9 Hz
J b,c = 9 Hz
a
123
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Sistemi del primo ordine
AMX
124
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Molteplicità dei segnali, accoppiamento spin-spin
Sistemi del primo ordine
Nei sistemi di primo ordine le costanti di accoppiamento possono essere calcolate
scomponendo il segnale, misurando le differenze in ppm e moltiplicando per la
frequenza di risonanza in MHz
125
nucleo
δ
(ppm)
H
m
J
Ha
7.95
1
dd
1.5
7.5
Hb
7.44
1
td
1.5
7.5
Hc
6.98
1
td
1.5
7.5
Hd
6.83
1
dd
1.5
7.5
126
nucleo
δ
(ppm)
H
m
J
Ha
7.48
1
t
1.5
Hb
6.94
1
dt
1.5
Hc
7.32
1
t
7.5
Hd
7.59
1
dt
1.5
7.5
7.5
127
nucleo
δ
(ppm)
H
m
J
Ha
7.96
2
d
7.5
Hb
6.84
2
d
7.5
128
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica.
129
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica.
130
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica.
131
Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR)
1H-NMR:
Equivalenza chimica ed equivalenza magnetica.
Due o più protoni che sono chimicamente equivalenti sono anche magneticamente
equivalenti se, rispetto ad un qualsiasi altro protone con cui accoppiano, presentano
costanti di accoppiamento uguali.
132
133
Integrazione
1+1.5+1.5=4
4/8=0.5
1H=0.5
Assegnazione:
Segnale a 2.43 ppm= quadrupletto; 2H;CH2; Ha
Segnale a 2.1 ppm= singoletto; 3H; CH3; Hc
Segnale a 1.1 ppm= triplettto; 3H; CH3; Hb
Sistema di spin:
A3
A2X3
2.1
s
1.1
1.14
1.1
1.06
2.43
2.48
2.44
2.42
2.37
t
q
2H
3H
3H
134
135
Integrazione
1.5+1+1.5=4
4/8=0.5
1H=0.5
Assegnazione:
Segnale a 3.48 ppm= singoletto; 3H; CH3; Hc
Segnale a 2 ppm= quadrupletto; 2H; CH2; Hb
Segnale a 0.83 ppm= tripletto; 3H; CH3; Hc
Sistema di spin:
A3
A2X3
3.48
0.83
0.85
0.83
0.80
2.00
2.04
2.01
1.98
1.92
q
s
1.5
1
3H
2H
t
1.5
3H
136
137
Integrazione
1.5+4.5=6
6/4=1.5
1H=1.5
Assegnazione:
Segnale a 5.95 ppm= quadrupletto; 1H; CH; Ha
Segnale a 2.08 ppm= doppietto; 3H; CH3; Hb
Sistema di spin:
AX3
2.08
2.10
2.06
5.95
5.98
5.96
5.94
5.92
d
q
1.5
4.5
1H
3H
138
139
Integrazione
2+12=14
14/14=1
1H=1
Assegnazione:
Segnale a 3.28 ppm= singoletto; 2H; OH; Ha
Segnale a 1.25 ppm= singoletto; 12H; CH2; Hb
Sistema di spin:
A2
1.25
A12
3.28
s
s
2
2H
12
12H
140
141
Integrazione
0.23+0.23+0.11+0.22+0.21=1
1/9=0.11
1H=0.11
Assegnazione:
Segnale a 2.44
Segnale a 1.98
Segnale a 1.79
Segnale a 1.31
Segnale a 0.38
ppm= tripletto; 2H; CH2; Hb
ppm= doppio tripletto; 2H; CH2; He
ppm= tripletto; 1H; CH; Hf
ppm= quintupletto; 2H; CH2; Hc
ppm= singoletto broad; 2H; NH2; Ha
Sistema di spin:
A2M2X2
A2X
Scambia conD2O
dt
t
t
quint
s
2H
2H
1H
2H
2H
142
143
Integrazione
0.19+0.10+0.20+0.21+0.30=1
1/10=0.1
1H=0.1
2H
1H 2H
2H
3H
144
Integrazione
0.19+0.10+0.20+0.21+0.30=1
1/10=0.1
1H=0.1
Assegnazione:
Segnale a 0.30ppm= tripletto; 3H; CH3; Hb
Segnale a 1.25 ppm= quadrupletto; 2H; CH2; Ha
Sistema di spin:
A2X3
t
q
2H
3H
145
Integrazione
0.19+0.10+0.20+0.21+0.30=1
1/10=0.1
1H=0.1
Assegnazione:
Segnale a 7.90ppm= multipletto; 2H; CH; Hc
Segnale a 7.47 ppm= multipletto; 1H; CH; He
Segnale a 7.38 ppm= multipletto; 2H; CH; Hd
Sistema di spin:
AMX
m
m
m
2H
1H
2H
146
147
Integrazione
0.27+0.25+0.48=1
1/7=0.14
1H=0.14
2H 2H
3H
148
Integrazione
0.27+0.25+0.48=1
1/7=0.14
1H=0.14
Assegnazione:
Segnale a 1.75ppm= singoletto; 3H; CH3; Ha
Segnale a 7.12 ppm= multipletto; 2H; CH; Hc
Segnale a 6.90 ppm= multipletto; 2H; CH; Hb
Sistema di spin:
A
A2X2
m
m
2H
2H
149