Protoni legati ad eteroatomi. Protoni legati a un eteroatomo Protoni legati ad un atomo di ossigeno, di azoto o di zolfo possiedono uno spostamento.

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1 Protoni legati ad eteroatomi

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3 Protoni legati a un eteroatomo Protoni legati ad un atomo di ossigeno, di azoto o di zolfo possiedono uno spostamento chimico molto variabile e differiscono dai protoni legati a un atomo di carbonio perché: possono formare legami a idrogeno sono soggetti a reazioni di scambio intermolecolare Il loro chemical shift può essere fortemente influenzato da concentrazione, temperatura e solvente.

4 Protoni legati a un eteroatomo

5 Protoni legati ad eteroatomi: effetto del legame a idrogeno Il legame idrogeno riduce la densità elettronica intorno al protone La formazione di legami a idrogeno ha effetto deschermante. Maggiore è la forza del legame a idrogeno, maggiore è lo spostamento a frequenze più alte. Maggiore è la possibilità di formare legami a idrogeno maggiore è lo spostamento chimico diluendo in un solvente apolare un composto in grado di formare legami idrogeno intermolecolari diminuisce lo spostamento chimico aumentando lagitazione termica diminuisce lo spostamento chimico

6 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio Quando si hanno due specie di protoni acidi i segnali che si osservano sono correlati alla velocità di scambio e alla differenza di chemical shift tra i protoni acidi.. R-O-Ha + R-O-Hb R-O- Hb + R-O- Ha

7 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio Quando si hanno due specie di protoni acidi i segnali che si osservano sono correlati alla velocità di scambio e alla differenza di chemical shift tra i protoni acidi.. R-O-Ha R-O-Hb Ha Hb R-O-Ha + R-O-Hb R-O- Hb + R-O- Ha

8 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio R-O-Ha R-O-Ha + R-O-Hb equimolari in condizioni di scambio rapido, (i.e. frequenza di scambio >> differenza di frequenza dei due segnali) Il segnale si trova in corrispondenza della media dei valori di spostamento chimico (pesata in base alla frazione molare di ciascun componente). Ha Hb R-O-Hb Quando si hanno due specie di protoni acidi i segnali che si osservano sono correlati alla velocità di scambio e alla differenza di chemical shift tra i protoni acidi.. R-O-Ha + R-O-Hb R-O- Hb + R-O- Ha

9 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio R-O-Ha R-O-Ha + R-O-Hb equimolari in condizioni di scambio rapido, (i.e. frequenza di scambio >> differenza di frequenza dei due segnali) Il segnale si trova in corrispondenza della media dei valori di spostamento chimico (pesata in base alla frazione molare di ciascun componente). Ha Hb HaHb R-O-Ha + R-O-Hb equimolari in condizioni di scambio lento, (i.e. frequenza di scambio << differenza di frequenza dei due segnali) si osservano i segnali separati R-O-Hb Quando si hanno due specie di protoni acidi i segnali che si osservano sono correlati alla velocità di scambio e alla differenza di chemical shift tra i protoni acidi.. R-O-Ha + R-O-Hb R-O- Hb + R-O- Ha

10 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio R-O-Ha R-O-Ha + R-O-Hb equimolari in condizioni di scambio rapido, (i.e. frequenza di scambio >> differenza di frequenza dei due segnali) Il segnale si trova in corrispondenza della media dei valori di spostamento chimico (pesata in base alla frazione molare di ciascun componente). Hb HaHb R-O-Ha + R-O-Hb equimolari in condizioni di scambio lento, (i.e. frequenza di scambio << differenza di frequenza dei due segnali) si osservano i segnali separati In condizioni di scambio intermedie, passando dallo scambio lento a quello veloce, si osserva dapprima un allargamento dei due picchi, e quindi la loro fusione per formare un unico picco allargato R-O-Hb Quando si hanno due specie di protoni acidi i segnali che si osservano sono correlati alla velocità di scambio e alla differenza di chemical shift tra i protoni acidi.. R-O-Ha + R-O-Hb R-O- Hb + R-O- Ha Ha

11 Scambio LENTO: Si osservano due segnali distinti Aumento della velocità di scambio Scambio MODERATO: Allargamento e fusione dei segnali Scambio VELOCE: Unico segnale mediato

12 Protoni legati ad eteroatomi: effetto dello scambio Lo scambio può essere sfruttato per identificare protoni acidi: si tratta la specie con D 2 O R-X-H + D 2 O R-X-D + D-O-H Lo scambio H D al livello del protone acido ne determina la relativa scomparsa dallo spettro 1 H NMR, mentre appare un segnale relativo alla specie HOD.

13 Protoni legati allossigeno Alcoli: nellintervallo 0.5 - 6 ppm, fortemente influenzati dalla concentrazione, temperatura e solvente.

14 Protoni legati allossigeno Alcoli: nellintervallo 0.5 - 6 ppm, fortemente influenzati dalla concentrazione, temperatura e solvente. Fenoli: più acidi degli alcoli, risuonano a frequenza maggiori ( 4.0 - 9) e come per gli alcoli, il dipende dalla concentrazione, temperatura e solvente.

15 Protoni legati allossigeno Alcoli: nellintervallo 0.5 - 6 ppm, fortemente influenzati dalla concentrazione, temperatura e solvente. Fenoli: più acidi degli alcoli, risuonano a frequenza maggiori ( 4.0 - 9) e come per gli alcoli, il dipende dalla concentrazione, temperatura e solvente. 413256708 TMS Ph-OH in CDCl 3 1%2%5%10%100%

16 Protoni legati allossigeno Alcoli: nellintervallo 0.5 - 6 ppm, fortemente influenzati dalla concentrazione, temperatura e solvente. Fenoli: più acidi degli alcoli, risuonano a frequenza maggiori ( 4.5 - 9) e come per gli alcoli, il dipende dalla concentrazione, temperatura e solvente. 413256708 TMS Ph-OH in CDCl 3 1%2%5%10%100% La possibilità di formare legami a idrogeno INTRAMOLECOLARI solitamente conduce a valori elevati di chemical shift, che risultano inoltre meno sensibili alla concentrazione: =12.05 praticamente invariante con la concentrazione =15.5 ppm 4-idrossipent-3-ene-2-one o-idrossiacetofenone

17 Protoni legati allossigeno Acidi carbossilici: in solventi non polari, anche se molto diluiti, esistono come dimeri stabili uniti da forti legami a idrogeno 10 - 14 ppm, poco influenzati dalla concentrazione. In solventi polari viene in parte distrutta la struttura dimerica, e il picco viene spostato. I protoni carbossilici scambiano rapidamente con quelli degli alcoli e dellacqua unico picco la cui posizione dipende dalla concentrazione.

18 Protoni legati allazoto e allo zolfo Ammine alifatiche e cicliche: 0.5 - 3 ppm Ammine Aromatiche: 3 - 5 ppm Entrambe sono influenzate da concentrazione, temperatura e solvente e hanno in genere elevata velocità di scambio (intermedia nel caso di alcune ammine aromatiche alchilate) Ammidi: 5 - 8.5 ppm meno influenzate da concentrazione, temperatura e solvente rispetto alle ammine, hanno bassa velocità di scambio. I protoni legati ad atomi di zolfo sono influenzati da concentrazione, temperatura e solvente, ma hanno intervalli di risonanza più ristretti rispetto a quelli legati ad O e N: Mercaptani alifatici: 1.2 - 1.6 ppm Mercaptani aromatici: 2.8 - 3.5 ppm La velocità di scambio non è elevata, pertanto di solito si osservano segnali distinti da quelli dei protoni ossidrilici, carbossilici, enolici, amminici e ammidici.

19 Regole di addittività per la stima del chemical shift

20 Sulla base di numerosi dati NMR sul 1 H e assumendo laddittività delleffetto dei sostituenti sul chemical shift del protone, sono state formulate delle regole empiriche per calcolare lo spostamento chimico in funzione dei sostituenti. Regola di Shoolery Protoni metilici e metilenici. Y-CH 2 - Z Lo spostamento chimico di un gruppo metilenico legato a due gruppi funzionali può essere calcolato mediante la formula: = 0.23 + Y + Z = 0.23 + Y + Z utilizzando i valori delle costanti di alcuni sostituenti (riportati in tabella). 3.13-OSO 2 R2.94-OPh 1.64-SR(H)2.36-OR 3.36-NO 2 2.56-OH 1.97-N 3 2.19-I 2.27-NHC(=O)R2.33-Br 2.04-NHPh2.53-Cl 1.57-NR 2 (H 2) 3.30-F 1.59 -C N 1.14-CF 3 1.47-C(=O)NR 2 (H 2 )1.12-CF 2 1.46-C(=O)OR1.83-Ph 1.90-C(=O)Ph1.44 -C C 1.50-C(=O)R1.32-C=C 3.27-OC(=O)Ph0.68-CH 3 3.01-OC(=O)R0.34-H ( ) Y o Z ( ) Y o Z

21 Regola di Shoolery Protoni metilici e metilenici. Y-CH 2 -Z = 0.23 + Y + Z = 0.23 + Y + Z Ad es.in C 6 H 5 CH 2 Br Y=C 6 H 5, Z=Br =0.23+…. 3.13-OSO 2 R2.94-OPh 1.64-SR(H)2.36-OR 3.36-NO 2 2.56-OH 1.97-N 3 2.19-I 2.27-NHC(=O)R2.33-Br 2.04-NHPh2.53-Cl 1.57-NR 2 (H 2) 3.30-F 1.59 -C N 1.14-CF 3 1.47-C(=O)NR 2 (H 2 )1.12-CF 2 1.46-C(=O)OR1.83-Ph 1.90-C(=O)Ph1.44 -C C 1.50-C(=O)R1.32-C=C 3.27-OC(=O)Ph0.68-CH 3 3.01-OC(=O)R0.34-H ( ) Y o Z ( ) Y o Z Regole di addittività per la stima del chemical shift

22 Ad es.in C 6 H 5 CH 2 Br Y=C 6 H 5, Z=Br =0.23+1.83+2.33=4.39 3.13-OSO 2 R2.94-OPh 1.64-SR(H)2.36-OR 3.36-NO 2 2.56-OH 1.97-N 3 2.19-I 2.27-NHC(=O)R2.33-Br 2.04-NHPh2.53-Cl 1.57-NR 2 (H 2) 3.30-F 1.59 -C N 1.14-CF 3 1.47-C(=O)NR 2 (H 2 )1.12-CF 2 1.46-C(=O)OR1.83-Ph 1.90-C(=O)Ph1.44 -C C 1.50-C(=O)R1.32-C=C 3.27-OC(=O)Ph0.68-CH 3 3.01-OC(=O)R0.34-H ( ) Y o Z ( ) Y o Z Regola di Shoolery Protoni metilici e metilenici. Y-CH 2 -Z = 0.23 + Y + Z = 0.23 + Y + Z Regole di addittività per la stima del chemical shift

23 Ad es.in C 6 H 5 CH 2 Br Y=C 6 H 5, Z=Br =0.23+1.83+2.33=4.39 Sperimentale: 4.43 3.13-OSO 2 R2.94-OPh 1.64-SR(H)2.36-OR 3.36-NO 2 2.56-OH 1.97-N 3 2.19-I 2.27-NHC(=O)R2.33-Br 2.04-NHPh2.53-Cl 1.57-NR 2 (H 2) 3.30-F 1.59 -C N 1.14-CF 3 1.47-C(=O)NR 2 (H 2 )1.12-CF 2 1.46-C(=O)OR1.83-Ph 1.90-C(=O)Ph1.44 -C C 1.50-C(=O)R1.32-C=C 3.27-OC(=O)Ph0.68-CH 3 3.01-OC(=O)R0.34-H ( ) Y o Z ( ) Y o Z Regola di Shoolery Protoni metilici e metilenici. Y-CH 2 -Z = 0.23 + Y + Z = 0.23 + Y + Z Regole di addittività per la stima del chemical shift

24 Regole di addittività - protoni metinici Protoni metinici CHXYZ Lo spostamento chimico di un gruppo metinico legato a tre gruppi funzionali, di cui almeno due elettronattrattori, può essere calcolato mediante la formula: = 2.50 + x + Y + Z = 2.50 + x + Y + Z utilizzando i valori delle costanti di alcuni sostituenti riportati nella tabella relativa. Ad es.in (C 6 H 5 ) 3 CH =.... 0-R 0.94-SO 2 R 0.61-SH, -SR 1.22-COAr 0.60-CONH 2 0.47-COR, -COOR, - COOH 0.66 -C N 0.79 -C C 0.46-C=C 0.99-Ar 2.07-OCOR 1.79-OAr 1.14-OH, -OR 1.80-NHCOR 1.34-NH 3+ 0.64-NH 2 1.84-NO 2 1.53-Br 1.56-Cl 1.59-F ( ) Gruppo

25 Regole di addittività - protoni metinici Protoni metinici CHXYZ Lo spostamento chimico di un gruppo metinico legato a tre gruppi funzionali, di cui almeno due elettronattrattori, può essere calcolato mediante la formula: = 2.50 + x + Y + Z = 2.50 + x + Y + Z utilizzando i valori delle costanti di alcuni sostituenti riportati nella tabella relativa. Ad es.in (C 6 H 5 ) 3 CH =2.5+0.99*3= 5.47 Sperimentale: 5.56 0-R 0.94-SO 2 R 0.61-SH, -SR 1.22-COAr 0.60-CONH 2 0.47-COR, -COOR, - COOH 0.66 -C N 0.79 -C C 0.46-C=C 0.99-Ar 2.07-OCOR 1.79-OAr 1.14-OH, -OR 1.80-NHCOR 1.34-NH 3+ 0.64-NH 2 1.84-NO 2 1.53-Br 1.56-Cl 1.59-F ( ) Gruppo

26 Protoni metinici CHXYZ Lo spostamento chimico di un gruppo metinico legato a tre gruppi funzionali, di cui almeno due alchilici o a bassa polarità (XY), può essere calcolato mediante la formula: = (CH 3 ) 2 CHZ + XY = (CH 3 ) 2 CHZ + XY utilizzando congiuntamente i valori delle costanti riportati in due tabelle: (CH 3 ) 2 CHZ una contiene lo spostamento chimico del protone metinico di derivati isopropilici (CH 3 ) 2 CHZ laltra contiene un fattore di correzione per i sostituenti a bassa polarità Regole di addittività - protoni metinici 2.89C6H5C6H5 2.44R 2 (H 2 )NC(=O) 2.52R(H)OC(=O) 3.58C 6 H 5 C(=O) 2.54R(H)C(=O) 1.85XCH 2 1.50R 1.56H3CH3C 1.33H (ppm) OSS Z (CH 3 ) 2 CHZ +0.90R-CH(-Z)-C 6 H 5 +1.15CH 3 -CH(-Z)-C 6 H 5 +0.40CH 3 -CH(-Z)-CH=CH 2 +0.20CH 3 -CH(-Z)-CH 2 X -0.40R-CH(-Z)R -0.20CH 3 -CH(-Z)-R 0.00CH 3 -CH(-Z)-CH 3 Fattori di correzione per sostituenti metinici a bassa polarità.

27 Protoni metinici CHXYZ Lo spostamento chimico di un gruppo metinico legato a tre gruppi funzionali, di cui almeno due alchilici o a bassa polarità (XY), può essere calcolato mediante la formula: = (CH 3 ) 2 CHZ + xY = (CH 3 ) 2 CHZ + xY utilizzando congiuntamente i valori delle costanti riportati in due tabelle: (CH 3 ) 2 CHZ una contiene lo spostamento chimico del protone metinico di derivati isopropilici (CH 3 ) 2 CHZ laltra contiene un fattore di correzione per i sostituenti a bassa polarità Regole di addittività - protoni metinici 2.89C6H5C6H5 2.44R 2 (H 2 )NC(=O) 2.52R(H)OC(=O) 3.58C 6 H 5 C(=O) 2.54R(H)C(=O) 1.85XCH 2 1.50R 1.56H3CH3C 1.33H (ppm) OSS Z (CH 3 ) 2 CHZ +0.90R-CH(-Z)-C 6 H 5 +1.15CH 3 -CH(-Z)-C 6 H 5 +0.40CH 3 -CH(-Z)-CH=CH 2 +0.20CH 3 -CH(-Z)-CH 2 X -0.40R-CH(-Z)R -0.20CH 3 -CH(-Z)-R 0.00CH 3 -CH(-Z)-CH 3 Fattori di correzione per sostituenti metinici a bassa polarità. Ad es.in C 6 H 5 CH(CH 3 )CH=CH 2 il sostituente più polare è il fenile (CH 3 ) 2 CHC 6 H 5 =2.89, (CH 3 ) 2 CHC 6 H 5 =2.89, questo valore va corretto per il contributo degli altri due sostituenti = 2.89 + 0.00 + 0.40 = 3.29 = 2.89 + 0.00 + 0.40 = 3.29 sperimentale: 3.44

28 1.4-F 1.9-Br 2.0-Cl 2.9-O-CO-C 6 H 5 2.7-O-CO-alchile 2.3-O-C 6 H 5 1.5-O-alchile 1.7-OH 1.3-S-H,S-alchile 3.0-NO 2 1.0-NH 2,NH-alchile,N(alchil) 2 1.2 -C N 1.6-CO-C 6 H 5 1.2-CO-H, -CO-alchile 1.3-C 6 H 5 0.8-C=C- 0.0-alchile Incremento ISostituente R 1 -CH-R 2 R 3 R 1 -CH 2 -R 2 Regole di addittività – ATTENZIONE!! Regola di Shoolery MODIFICATA per la stima degli spostamenti chimici di protoni metilenici e metinici R 1 CH 2 R 2 R 1 CH R 2 R3R3R3R3 =1.25+I 1 +I 2 =1.25+I 1 +I 2 =1.50+I 1 +I 2 +I 3 =1.50+I 1 +I 2 +I 3

29 Regole di addittività - protoni olefinici

30 2-metilacrilato di metile Exp 5.57 6.10

31 Regole di addittività - protoni olefinici 2-metilacrilato di metile Exp 5.57 6.10

32 Regole di addittività - protoni benzenici

33 para meta orto SOSTITUENTE 0.380.260.95-NO 2 0.370.310.58-NO -0.28-0.070.12-NH-COCH 3 0.310.360.69-N + (CH 3 ) 3 I - -0.67-0.18-0.66-N(CH 3 ) 2 -0.68-0.22-0.80-NH-CH 3 -0.65-0.25-0.75-NH 2 Exp 6.03 6.11 6.93