Spettrometria NMR del 13 C - Testi consigliati: Stradi (Silverstein, Chiappe) Introduzione Disaccoppiamento di 1 H ed effetto NOE Intensità dei picchi Equivalenza del chemical shift Fattori da cui dipende lo spostamento chimico

Fornisce informazioni sulla struttura e la stereochimica dei composti organici, complementari a quelle della spettroscopia 1 H-NMR. Permette di osservare direttamente i carboni dello scheletro delle molecole; numerosi gruppi funzionali che, non avendo di atomi di idrogeno, sono invisibili nella spettroscopia 1 H-NMR possono essere osservati nello spettro NMR del 13 C (carbonili, nitrili etc) Spettrometria NMR del 13 C

Abbondanza naturale 1.1% C (1/4) H Spettrometria NMR del 13 C I=1/2 Molti aspetti in comune con 1 H-NMR Sensibilità molto inferiore rispetto a quella del protone

C-13 =6.7 H-1 =26.4 C-13 1/4 H-1 Sensibilità del segnale NMR 3 (Segnale 13 C)/(Segnale 1 H)=(1/4) 3 = 1/64= Abbondanza naturale 13 C=1.1% Segnale 13 C=(1/6000) Segnale 1 H

Abbondanza naturale del nuclide molto bassa non si osserva accoppiamento 13 C- 13 C Presenza di atomi di H: accoppiamento 13 C- 1 H Lo spettro NMR del 13 C

Abbondanza naturale del nuclide molto bassa non si osserva accoppiamento 13 C- 13 C Presenza di atomi di H: accoppiamento 13 C- 1 H intensità (già bassa) del segnale viene ripartita su più righe le costanti di accoppiamento C-H hanno valori molto elevati: spesso le linee relative ai vari segnali sono sovrapposte e lo spettro risulta troppo complicato per evitare questi inconvenienti si registrano gli spettri disaccoppiando il carbonio dal protone in questo modo si perdono importanti informazioni relative al numero di protoni legati al carbonio; esistono tecniche, come la sequenza DEPT, che permettono di ottenere questa informazione in maniera semplice. Lo spettro NMR del 13 C

Disaccoppiamento totale dal protone Si irradia il campione con una seconda banda di radiofrequenze che comprende lintero intervallo di frequenze di risonanza dei protoni Nello spettro del 13 C disaccoppiato si osserva un picco sottile per ogni atomo di 13 C non equivalente presente nel composto (la sovrapposizione casuale è molto rara per via della sottigliezza dei picchi disaccoppiati e per via dellampia estensione dellintervallo di spostamenti chimici del C-13)

Leffetto NOE La procedura mostrata per il disaccoppiamento permette anche di incrementare lintensità dei picchi relativi ad atomi di carbonio legati a protoni grazie alleffetto NOE: le variazioni di popolazione prodotte dalla radiazione nei livelli energetici dei protoni inducono delle variazioni di popolazione nei livelli energetici degli nuclei di 13 C con i quali interagiscono attraverso le interazioni dipolo-dipolo. Tali variazioni si traducono in una variazione dellintensità dei segnali

Leffetto NOE L'incremento massimo del segnale del 13 C ottenibile è: Fattore NOE = 1/2 * H / C = 1.98 Per effetto NOE si può quindi ottenere un segnale di intensità tripla rispetto allintensità in assenza di tale effetto. per registrare uno spettro disaccoppiato è sufficiente un numero di acquisizioni inferiore a quello di uno spettro accoppiato.

Se registrato con totale disaccoppiamento dal protone ha un aspetto estremamente semplice: una serie di singoletti che cadono in un intervallo compreso tra ppm (il riferimento è il TMS). ciascun picco corrisponde ad un atomo di C, o a un gruppo di atomi di C equivalenti; sono molto rare le sovrapposizioni casuali. Le intensità dei picchi non corrispondono al numero di nuclei che generano il segnale Morfologia dello spettro NMR del 13 C

Larea di un picco nello spettro 1 H-NMR è proporzionale al numero di protoni che generano il picco, questo non è vero negli spettri 13 C-NMR. Perché? A causa: dei T1 che variano notevolmente al variare del contesto chimico delleffetto NOE Intensità dei picchi

Spettri 1 H-NMR: Il tempo che intercorre tra due impulsi successivi è sufficiente a far avvenire il rilassamento di tutti i protoni. Spettri 13 C-NMR: Al variare del contesto chimico i 13 C hanno T1 che possono differire notevolmente gli uni dagli altri, e possono essere anche molto lunghi (proibitivamente lunghi). Tra due pulsi successivi i diversi nuclei 13 C non rilassano tutti nella stessa misura e le intensità dei segnali dipendono dallentità di Mz al momento del pulso. Inoltre leffetto NOE è diverso per i vari 13 C che si trovano in contesti chimici diversi Intensità dei picchi

Perché i T1 sono diversi? Nel caso del 13 C il meccanismo di rilassamento spin-reticolo è correlato alle interazioni dipolo - dipolo tra il nucleo stesso e i protoni ad esso direttamente legati. In genere T1 diminuisce allaumentare del numero di protoni direttamente legati al nucleo 13 C. I carboni metilenici (CH 2 ) hanno T1 pari circa alla metà dei carboni metinici (CH)

Perché i T1 sono diversi? Nel caso del 13 C il meccanismo di rilassamento spin-reticolo è correlato alle interazioni dipolo - dipolo tra il nucleo stesso e i protoni ad esso direttamente legati. In genere T1 diminuisce allaumentare del numero di protoni direttamente legati al nucleo 13 C. I 13 C che non hanno H legati hanno T1 più lunghi ed inoltre per questi nuclei leffetto NOE è praticamente nullo Il picco dei carboni quaternari è molto basso e pertanto i segnali di tali carboni possono essere distinti dagli altri.

T1 dipende anche dalla velocità dei moti molecolari 3.1 s 2.2 s 1.6 s 1.1 s0.8 s 0.6 s

Analisi 13 C quantitativa Quando? Analisi quantitativa di miscele a due o più componenti Indagini strutturali in cui sia dubbio se uno (o più segnali) siano da attribuire a uno o a più atomi di carbonio. Come? Mantenendo basso il NOE Utilizzando R d che consentano di a tutti i C-13 il ritorno allequilibrio Utilizzando un reagente di rilassamento paramagnetico

Ftalato dietilico Disaccoppiato standard Niente NOE ma Rd troppo corto OK!

Analogamente a quanto visto per il protone si definiscono chimicamente equivalenti carboni che possono essere scambiati attraverso una qualsiasi operazione di simmetria o attraverso un meccanismo di interscambio rapido nella scala NMR Carboni chimicamente equivalenti danno un unico segnale nello spettro 13 C NMR nello spettro di molecole contenti carboni equivalenti si ha una discrepanza tra il numero di segnali nello spettro e il numero di carboni nella molecola Equivalenza di chemical shift

Equivalenza di chemical shift: esempi

Più fattori influenzano la costante di schermo: Contributo paramagnetico locale: è importante in sistemi con elettroni p e d in cui si ha una forte distorsione dalla simmetria sferica della nuvola elettronica (quindi non è importante per lidrogeno). È opposto al diamagnetico (quindi è deschermante) e può essere decisamente superiore a quello diamagnetico: nuclei in cui predomina tale effetto sono caratterizzati da range di frequenza di risonanza molto più ampi di quelli del protone. Non dipende dalla densità elettronica ma dipende: dalle energie di eccitazione degli elettroni più vicini al nucleo. dal grado di asimmetria della distribuzione elettronica vicina al nucleo Nella risonanza del 13 C il termine param è particolarmente importante mentre il termine di anisotropia non ha grande importanza.

Lequazione di Karplus-Pople 1 1) M. Karplus, J. A. Pople, J. Chem. Phys., 38, 2803 (1963)

ibridizzazione dei legami del carbonio effetto induttivo effetto mesomerico effetti di campo elettrico deficienza di carica elettrica presenza di un doppietto elettronico non impegnato effetto isotopico effetti sterici Fattori da cui dipende lo spostamento chimico del 13 C

Ibridizzazione dei legami del carbonio sp 3 sp 1 sp 2

La successione corrisponde a quella che si osserva per le frequenze di risonanza dei protoni saturi, acetilenici e olefinici.

sp 3 sp 1 sp

Effetto induttivo I sostituenti elettronegativi deschermano il carbonio in, proporzionalmente alla loro elettronegatività (Ex)

Effetto dellatomo pesante Sostituzione con elementi elettronegativi ma schermaggio! Mentre la sostituzione con il Fluoro e il Cloro provoca deschermaggio, come ci si aspetta per effetto induttivo, la progressiva sostituzione con gli alogeni più pesanti scherma il carbonio sostituito

Effetto mesomerico C 6 H 6= ppm

Effetto mesomerico C 2 H 4 =123.3 ppm

Deficienza ed eccesso di carica I carbocationi sono fortemente deschermati e risuonano a frequenze decisamente alte, sino a 400 ppm. I carbanioni assorbono a campi più bassi di ca. 50 ppm rispetto alle corrispondenti specie neutre.

Effetti di campo elettrico Il campo elettrico generato dalle cariche altera la nube elettronica del nuclei vicini influenzandone sia il contributo paramagnetico che quello diamagnetico e leffetto complessivo può essere diverso da quanto si potrebbe prevedere … Carica positiva ma schermaggio!

Effetto di anisotropia del sostituente Diversamente da quanto visto per la risonanza del 1 H, questo effetto non è apprezzabile nella spettrometria del 13 C Effetti sterici I chemical shift del 13 C è molto sensibile agli effetti di affollamento sterico -> schermaggio Effetto isotopico Gli isotopi più pesanti di solito hanno un effetto di schermatura sui carboni in e in.