SPETTROSCOPIA 1H-NMR Laboratorio di Chimica Organica 2 - Prof. Cristina Cimarelli L27 - CHIMICA - AA 2015-2016

momento magnetico nucleare m NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE La Risonanza Magnetica Nucleare è una spettroscopia di assorbimento in cui in condizioni opportune e all’interno di un campo magnetico un campione può assorbire una radiazione elettromagnetica nel campo delle radiofrequenze, a valori caratteristici del campione stesso. L’assorbimento è funzione di alcuni nuclei nel campione. associato a numero quantico di spin I = 0 / alcuni hanno momento magnetico nucleare m carica tutti hanno Nuclei In termini quantomeccanici il numero di spin I determina il numero n di orientazioni che un nucleo può assumere all’interno di un campo magnetico esterno uniforme: n = 2I + 1

I NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE numero quantico di spin nucleare, intero o frazionario in unità h/2p, I risultante degli spin nucleonici (protoni e neutroni) Numero di massa Numero atomico I Nuclei dispari intero 11H (1/2); 199F (1/2); 3115P (1/2) pari I = (2n + 1)/2 136C (1/2) ; 178O (1/2) ; 2914Si(1/2) 21H (1) 126C (0) ; 168O (0) ; 3416S (0)

m = g I h/2p I = 0 / m = 0 / NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE n.ro quantico di spin nucleare momento magnetico nucleare costante giromagnetica I = 0 / m = 0 /

I m = 2I + 1 1H 13C I = 1/2 m = 2 x 1/2 + 1=2 b  m = -1/2 NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE n.ro totale n di stati di spin che un nucleo può assumere I m = 2I + 1 1H 13C I = 1/2 m = 2 x 1/2 + 1=2 2 stati di spin b  m = -1/2 a  m = +1/2 Se B = 0 a e b degeneri  DE = 0 Se B = 0 / a e b  DE = 0

DE = h g B0/2p NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE Come si valuta la differenza di energia tra i due diversi stati di spin? DE = h g B0/2p dipende dal campo magnetico applicato dipende dal nucleo in esame I = 1/2 E B b, - 1/2 a, + 1/2 Maggiore è l’intensità del campo magnetico, maggiore è la differenza di energia tra i due stati di spin

Nb/Na = e-DE/kT NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE Il campo magnetico esterno B determina l’esistenza di due livelli energetici per ciascun nucleo nella molecola con spin non nullo. Introducendo energia sotto forma di radiofrequenza (n) i nuclei possono effettuare la transizione tra i due livelli energetici. La frequenza introdotta è data in MHz. Per il protone, per una frequenza di 100 MHz è necessario un campo magnetico di 2.65 T. A questo rapporto il sistema è in risonanza: l’energia viene assorbita dal nucleo che passa allo stato a più alta energia e può essere registrato un spettro. Il rapporto tra le popolazioni dei due stati è dato dall’equazione di Boltzmann Nb/Na = e-DE/kT k  costante di Boltzmann (1.385 x 10-23 JK-1) T  temperatura assoluta (K)

DE = h n DE = h g B0/2p n = g B0/2p NMR = RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE La differenza di energia tra i due livelli secondo l’equazione di Plank è: La differenza di energia in funzione del campo magnetico è data da: DE = h n DE = h g B0/2p Uguagliando le due equazioni si ha: n = g B0/2p Equazione fondamentale dell’NMR che correla la frequenza al rapporto giromagnetico

Ci si aspetterebbe che l’interazione tra la radiofrequenza, un forte campo magnetico e i protoni di una molecola desse un solo segnale, secondo l’equazione già vista: n = g B0/2p In realtà l’equazione deve essere corretta in questo modo: n = B0 (g /2p) (1-s) dove s è la costante di schermo, il cui valore è proporzionale al grado di schermaggio di ciascun protone, esercitato dalla propria nube elettronica.

campo magnetico esterno B Il campo magnetico esterno infatti induce la circolazione degli elettroni del nucleo, che a sua volta genera un campo magnetico opposto al campo magnetico esterno. campo magnetico esterno circolazione degli elettroni del nucleo campo magnetico opposto al campo magnetico esterno. induce genera nucleo linee di forza del campo magnetico indotto (è opposto a B) B circolazione elettronica campo magnetico esterno B

Questo effetto spiega il diamagnetismo mostrato da tutti i composti organici Il grado di schermaggio dipende dalla densità degli elettroni circolanti. Ad una prima grossolana valutazione, il grado di schermaggio di un particolare protone su un certo atomo di carbonio dipenderà dall’effetto induttivo degli altri gruppi legati a quell’atomo di carbonio. La differenza nella posizione dell’assorbimento di un particolare protone rispetto alla posizione di un altro protone, preso come riferimento, viene definito chemical shift di quel particolare protone. protoni in intorni chimici differenti chemical shift differenti protoni nello stesso intorno chimico stesso chemical shift

La posizione degli assorbimenti di risonanza nucleare non può essere definita su scala assoluta di frequenze n o campo magnetico B0, perché n = f(B0), come risulta dall’ Equazione fondamentale dell’NMR che correla la frequenza al rapporto giromagnetico. E’ necessario quindi definire un composto di riferimento ed è stato preso il tetrametilsilano Dà un picco singolo, stretto ed intenso E’ solubile nella maggior parte dei solventi organici I suoi protoni sono più schermati di quasi tutti i protoni organici S i C H 3 E’ chimicamente inerte E’ una molecola simmetrica E’ volatile (p.eb 27°C)

Storicamente, ed ora per convenzione, il picco di riferimento del TMS viene collocato all’estremità destra dello spettro e posto come zero sia della scala in Hz che di quella in ppm. Frequenze più alte deschermato Frequenze più basse schermato d (ppm) 9 2700 8 2400 7 2100 6 1800 5 1500 4 1200 3 900 2 600 1 300 10 3000 n (Hz) Ne consegue che i protoni, ad esempio del metil etere, fortemente deschermati, sono più esposti all’effetto del campo magnetico esterno rispetto a quelli del TMS. Quindi la risonanza si verifica a frequenze più alte rispetto a quelle del TMS. Sia la scala in Hertz che quella in ppm riflettono il fatto che, a valore di B costante, andando verso sinistra si applica una frequenza aumentata, mentre verso destra si applica una frequenza diminuita.

Vediamo adesso la scala NMR. I chemical shifts vengono riportati in unità adimensionali (d o ppm) a partire dallo zero che è dato dal picco del TMS e sono indipendenti dalla frequenza dello spettrometro in uso. Si ottengono dividendo il chemical shift in Hz di un picco per la frequenza dello strumento. Questo consente di non andare a misurare la frequenza a cui un segnale viene rivelato, ma di esprimere la risonanza come differenza tra il segnale di un picco di riferimento ed il segnale rivelato. risuona a 1200 Hz sulla scala dei 300 MHz d = 1200 Hz / 300 MHz = 4. H STRUMENTI DIVERSI, STESSO CHEMICAL SHIFT risuona a 2400 Hz sulla scala dei 600MHz d = 2400 Hz / 600 MHz = 4.

Negli strumenti con frequenza più alta, la distanza tra i picchi corrisponde ad un maggiore numero di Hz e questo significa che i picchi sono meglio risolti. 10 3000 9 2700 8 2400 7 2100 6 1800 5 1500 4 1200 3 900 2 600 1 300 n (Hz) d (ppm) 10 6000 9 5400 8 4800 7 4200 6 3600 5 3000 4 2400 3 1800 2 1200 1 600 n (Hz) d (ppm)

Fino ad un certo punto il concetto di elettronegatività è utile per valutare il chemical shift. Esso ci dice infatti che la densità elettronica attorno al protone del TMS è alta perché il silicio è elettropositivo rispetto al carbonio, e di conseguenza questo protone sarà fortemente schermato. Poiché il carbonio è più elettronegativo dell’idrogeno, la sequenza degli assorbimenti protonici nella serie degli atomi di carbonio saturi sarà: R3CH, R2CH2, RCH3, CH4 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Composto Chemical shift (CH4)Si 0.00 (CH3)2O 3.27 CH3F 4.30 RCOOH 10.80 Le differenze di chemical shift di questa tabella si spiegano in termini di elettronegatività:

Però trovare i protoni dell’acetilene a 1 Però trovare i protoni dell’acetilene a 1.80 ppm, cioè più schermati dei protoni dell’etilene che si trovano a 5.25 ppm, sembra illogico, così come invece trovare il protone legato al carbonile dell’acetaldeide a 9.97 ppm. Bisogna quindi tenere conto anche di altri importanti fenomeni che influenzano la magnetizzazione dei nuclei di una molecola. Passiamo all’idea dell’anisotropia magnetica. Anisotropia: proprietà per cui il valore di una grandezza fisica in una sostanza dipende dalla direzione che si considera. 

L’acetilene è una molecola lineare contenente un triplo legame, simmetrico lungo l’asse molecolare. Quando l’asse del legame è allineato con il campo magnetico applicato B, gli elettroni p circolano perpendicolarmente alle linee di forza del campo applicato. Questa corrente indotta genera a sua volta un campo magnetico che si oppone a quello esterno B. circolazione elettronica indotta (perpendicolare al piano del foglio) B campo magnetico applicato H NELLA ZONA DEL PROTONE IL CAMPO MAGNETICO GENERATO DALLA CORRENTE INDOTTA SI OPPONE A QUELLO APPLICATO: IL PROTONE E’ PIU’ SCHERMATO 5.25 1.80 linee di forza del campo magnetico indotto (sul piano del foglio)

campo magnetico applicato Questo effetto dipende dall’anisotropia magnetica. I protoni sono schermati o deschermati a seconda dell’orientazione della molecola rispetto al campo magnetico applicato. Il protone del gruppo aldeidico subisce un fenomeno analogo. In questo caso l’effetto del campo magnetico applicato è maggiore lungo l’asse perpendicolare al piano del carbonile. La geometria è tale che il protone aldeidico si trova nella porzione deschermante del campo magnetico indotto. Allo stesso modo può essere spiegato l’effetto deschermante che si osserva sugli alcheni. linee di forza del campo magnetico indotto (sul piano del foglio) B campo magnetico applicato circolazione elettronica indotta (perpendicolare al piano del foglio) IL CAMPO MAGNETICO GENERATO SUL PROTONE ALDEIDICO SI SOMMA A QUELLO APPLICATO: IL PROTONE E’ MENO SCHERMATO

campo magnetico applicato Il cosiddetto “ring-current effect” è un altro effetto di anisotropia magnetica e giustifica il fatto che i protoni dell’anello benzenico siano fortemente deschermati. linee di forza del campo magnetico indotto (sul piano del foglio) IL CAMPO MAGNETICO GENERATO SUI PROTONI AROMATICI SI SOMMA A QUELLO APPLICATO: I PROTONI SONO MENO SCHERMATI B campo magnetico applicato H Circolazione elettronica (perpendicolare al piano del foglio) Lo stesso effetto spiega che, al contrario, i protoni che si trovano direttamente sopra o sotto l’anello benzenico dovrebbero a loro volta essere schermati, e questo si può osservare negli 1,4-polimetilenbenzeni.

campo magnetico applicato In alcune zone della molecola gli effetti di anisotropia dovuti a gruppi diversi si possono sommare. Tutti i protoni dell’anello aromatico dell’acetofenone sono deschermati a causa della corrente d’anello. Però quelli in orto sono ulteriormente deschermati dall’effetto addizionale del gruppo carbonilico IL GRUPPO CARBONILICO E L’ANELLO BENZENICO SONO COPLANARI. QUANDO IL CAMPO MAGNETICO APPLICATO È PERPENDICOLARE AL PIANO DELLA MOLECOLA, GLI ELETTRONI p DEL CARBONILE CIRCOLANTI SCHERMANO LE ZONE AL DI SOPRA E AL DI SOTTO DEL DOPPIO LEGAME C=O, MENTRE DESCHERMANO LE ZONE LATERALI IN CUI SI TROVA ANCHE IL PROTONE ORTO. B campo magnetico applicato

Alcuni annuleni mostrano spettacolari effetti dovuti a questo fenomeno: in questo composto, a T = - 60°C, c’è una enorme differenza di chemical shift tra i protoni esterni all’anello e quelli interni. A T = 110°C invece si registra un solo segnale a d 5.3 dovuto alla rapida interconversione conformazionale. d 9.3 d -3.0

Alcuni esempi puntualizzano l’uso dell’effetto induttivo e della delocalizzazione elettronica, in combinazione anche con l’anisotropia magnetica, nel razionalizzare il chemical shift dei vari nuclei. In un chetone a,b-insaturo la risonanza descherma il protone b. e scherma il protone b per risonanza In un vinil etere sostituito l’atomo di ossigeno descherma il protone a per effetto induttivo

Lo shift di protoni orto, meta o para ad un sostituente su un anello aromatico sono correlati con le densità elettroniche e con gli effetti nei confronti di reagenti elettrofili. Ad esempio i protoni orto e para del fenolo sono schermati a causa della maggiore densità elettronica generata dal gruppo ossidrile nelle stesse posizioni. La stessa densità elettronica spiega perché sia predominante la sostituzione orto e para nel fenolo. Analogamente i protoni orto e para del nitrobenzene saranno deschermati e i protoni orto maggiormente.

Nello spettro quindi troviamo una serie di picchi di assorbimento che rappresentano protoni in differenti intorni chimici. L’area sottesa da ciascun picco è proporzionale al numero di detti protoni. Nello spettro del butanale possiamo ritrovare alcune considerazioni fatte finora La catena alchilica laterale con i protoni via via più deschermati passando dal CH3 al CH2 e al CH2 legato al carbonile elettronattratore Il protone aldeidico fortemente deschermato Gli integrali in rapporto 3 : 2 : 2 : 1 da destra a sinistra, proporzionali al numero di protoni che danno lo stesso segnale

C’è un ulteriore fenomeno che fa sì che gli spettri di NMR protonico abbiano il loro caratteristico aspetto, ed è lo spin coupling (accoppiamento di spin). Spin coupling: accoppiamento di spin protonici lungo gli elettroni di legame Secondo il principio di Pauli gli elettroni di legame tra due nuclei sono appaiati e quindi i loro spin sono antiparalleli.

In un campo magnetico ciascun nucleo tende ad accoppiare il proprio spin ad uno di quelli degli elettroni di legame, in modo che la maggior parte sia antiparallela, essendo questo lo stato più stabile. cicli piccoli sistemi a ponte tensione d’anello non oltre 3 legami sistemi insaturi anelli aromatici delocalizzazione tranne che coupling 4 legami in configurazione W long range coupling geminali vicinali 2J 3J

Ciò provoca la divisione del segnale di un protone in due bande, ciascuna corrispondente all’orientamento dello spin dell’elettrone di legame, parallelo o antiparallelo. chemical shift diversi spin influenzato reciprocamente DOPPIETTO protoni vicinali C H proporzionale all’effettiva intensità del coupling Dn in Hertz costante di accoppiamento 0 < J < 20 Hz J indipendente dal campo magnetico applicato B

La forma del picco dipende da Dn/J H La forma del picco dipende da Dn/J doppietto Dn/J i due doppietti si avvicinano i centrali si alzano i laterali si abbassano EFFETTO TETTO In uno strumento ad alta frequenza i segnali vengono rilevati su un range di frequenze maggiori. Il valore del chemical shift rimane uguale, perché deriva sempre dal rapporto tra la differenza dei segnali rivelato e standard e la frequenza dello strumento, però aumenta il rapporto Dn/J. I sistemi sono più leggibili.

Ad esempio: n + 1 MULTIPLETTO SEMPLICE DEL PRIMO ORDINE Dn/J > 8 CH  tripletto CH2  doppietto Splitting dell’assorbimento del CH da parte del CH2. I picchi si sovrappongono perché le J sono uguali. Splitting dell’assorbimento del CH2 da parte del CH. Le J sono uguali per ciascun protone del CH2. MULTIPLETTO SEMPLICE DEL PRIMO ORDINE n = numero dei protoni geminali o vicinali ugualmente accoppiati Dn/J > 8 n + 1 il numero dei picchi dipende dal numero degli accoppiamenti dei protoni geminali o vicinali con J uguale J = differenza in Hz tra le frequenze dei picchi del multipletto il multipletto è centrosimmetrico, con il picco più intenso al centro (triangolo di Pascal)

sono coinvolte più J MULTIPLETTO COMPLESSO DEL PRIMO ORDINE Dn/J < 8 sono coinvolte più J maggiore è la frequenza dello strumento, più facile è l’interpretazione di multipletti complessi del primo ordine. Protoni che accoppiano l’un l’altro ma non accoppiano al di fuori del sistema di spin. SISTEMI DI SPIN Non è necessario che ciascun multipletto sia accoppiato con tutti gli altri Un sistema di spin è isolato da altri sistemi di spin da eteroatomi e da atomi di carbonio quaternari. Si può avere long-range coupling, ma di solito questo appare come un allargamento dei picchi. PRIMO ORDINE SEMPLICE MULTIPLETTI PRIMO ORDINE COMPLESSO ORDINE MAGGIORE

Dn/J > 8 Dn/J < 8 POPLE’S NOTATION La notazione di Pople offre un metodo per descrivere multipletti, spin e spettri. I multipletti vengono definiti SET e ciascuno viene designato con una lettera maiuscola. Multipletto SET (di segnali) Dn/J > 8 set BEN SEPARATI lettere dell’alfabeto LONTANE p.es. AX Dn/J < 8 set MENO SEPARATI lettere dell’alfabeto VICINE p.es. AB tre set debolmente accoppiati AMX numero dei protoni del set pedice (>1) tre set: due fortemente accoppiati + due debolmente accoppiati ABX Ciascuna collezione di SET, isolata da tutti gli altri set, è un SISTEMA DI SPIN. AX  doppietto + doppietto A2X  doppietto + tripletto A2X2  tripletto + tripletto A3X2  tripletto + quartetto Sistemi di spin del primo ordine

Cn s EQUIVALENZA DEL CHEMICAL SHIFT (ISOCRONIA) Nuclei con chemical shift equivalenti costituiscono un set all’interno di un sistema di spin Due nuclei hanno chemical shift equivalente se sono INTERCAMBIABILI attraverso un’operazione di simmetria o tramite un processo rapido. EQUIVALENTI in un ambiente ACHIRALE un’operazione di simmetria intercambiabili tramite NUCLEI un processo rapido Le operazioni di simmetria vanno a creare una molecola SOVRAPPONIBILE all’originale Cn CH2Cl2 protoni OMOTOPICI s CH2ClF protoni ENANTIOTOPICI

EQUIVALENZA DEL CHEMICAL SHIFT (ISOCRONIA) rotazione attorno ad un ASSE OMOTOPICI: CH2Cl2 OPERAZIONI DI SIMMETRIA inversione attraverso un CENTRO = rotazione attorno ad un asse ALTERNATO riflessione attraverso un PIANO ENANTIOTOPICI: CH2ClF ENANTIOTOPICI Se i nuclei non sono intercambiabili allora sono DIASTEREOTOPICI CHEMICAL SHIFT EQUIVALENCE TAUTOMERIA SCAMBIO RAPIDO chetone  enolo: se è sufficientemente lenta si vedono i picchi di entrambi; a più alta temperatura lo scambio è più veloce e lo spettro è mediato p.es. nitrocomposti o ammidi. Si vede bene a basse temperature ROTAZIONE RISTRETTA INTERCONVERSIONE ATTORNO AL LEGAME SINGOLO DI UN ANELLO assiale  equatoriale INTERCONVERSIONE ATTORNO AL LEGAME SINGOLO DI UNA CATENA rotameri: H del metile CH3 del t-butile INDISTINGUIBILI

PROTONI LEGATI A O, N, S DANNO SCAMBIO CON D2O PROTONI LEGATI A O, N, S POSSONO DARE LEGAME AD IDROGENO QUELLI SULL’AZOTO SONO SOGGETTI A PARZIALE O TOTALE DISACCOPPIAMENTO

EQUIVALENZA MAGNETICA Se due protoni in un set accoppiano ALLO STESSO MODO con gli altri protoni del set, allora sono MAGNETICAMENTE EQUIVALENTI. P.es. i protoni del p-dietilftalato, sono equivalenti dal punto di vista magnetico: accoppiano tutti allo stesso modo con il protone che gli sta in posizione orto, meta o para. - 1 solo chemical shift Quelli del del p-cloronitrobenzene invece, non sono magneticamente equivalenti perché ciascuno di essi accoppia in modo diverso con il protone che gli sta in posizione orto, meta o para. -2 chemical shift -sistemi complessi, NON del primo ordine