J - Appunti esami Farmacia e CTF

Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Parametri da cui dipendono le costanti di accoppiamento
2 J: può essere negativa o positiva
| 2 J| ≈ 12-15 Hz se Csp 3 ; 2-4 Hz se Csp 2
3 J: a) angolo diedro (v. curva di Karplus)
b) lunghezza legame tra gli atomi di C cui sono legati gli H
(cresce al diminuire della lunghezza del legame)
c) valore dell’angolo tra il legame C—C e il legame C—H
(cresce al diminuire dell’angolo)
d) presenza di gruppi elettronattrattori
(diminuisce al crescere di –I)
a)
Curva di Karplus
angolo diedro
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H
H
60°
circa 7 Hz nei
H
sistemi saturi
in libera rotazione
alcheni cis: 0°
alcheni trans: 180°
H
Negli alcheni:
3 Jtrans > 3 J cis
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Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
4J: si osserva solo nei sistemi insaturi o nei sistemi saturi rigidi
(non in rotazione) tra atomi separati da 4 legami disposti nello
spazio a W o M; può essere negativa o positiva, il valore
assoluto è 0-3 Hz
4 Jcis
4 Jtrans
| 4 J trans | = 1,33 Hz
| 4 J cis | = 1,75 Hz
| 4 J trans | > | 4 J cis |
5 J: raramente si osserva nei sistemi aromatici (H in para); 0-1 Hz
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7,5 Hz è un tipico
valore di una J tra
protoni legati a due
atomi di carbonio
adiacenti in un sistema
in libera rotazione
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Le linee tratteggiate rappresentano i chemical shifts dei due gruppi
di protoni; la separazione tra le linee di ciascun multipletto misurata
in Hz rappresenta la costante di accoppiamento; poichè il CH 3 e il
CH 2 sono accoppiati fra di loro le costanti sono uguali come pure la
distanza tra le linee in ambedue i multipletti
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C 4H 6O 2 U=2
non è indicato un singoletto
a δ=12 di integrale 1H
dq
dq
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dd
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50

C 4H 8Cl 2 U=0
sestetto
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t
q
d
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C 5H 9OCl U=1
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t
t
q
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t
52

C 3H 7NO 2 U=1
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Spettri del primo e del secondo ordine
Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
La molteplicità dei segnali di gruppi di protoni dovuti all’accoppiamento
con altri protoni ed illustrata nei due casi di pp. 41 e 42 è rispettata solo
nel caso di sistemi del primo ordine.
Un sistema di due gruppi di protoni che accoppiano fra di loro è del primo
ordine se:
∆ω
J
≥ 10 dove ∆ω rappresenta la differenza di frequenza di
risonanza tra i due gruppi di protoni (misurata in Hz)
e J è la costante di accoppiamento
Nel caso in cui ∆ω/J

ω
ω
ω
δ A
δ A
δ A
δ A
δ A
δ A
δ A
δ A =
δ B
δ B
δ B
δ B
δ B
δ B
δ B
δ X
Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Questa serie di spettri
rappresenta che cosa si
osserva quando l’accoppiamento
tra due protoni passa da
una situazione del 1° ordine
(primo spettro in alto) ad una
di secondo ordine. Dall’alto
in basso si è variato il chemical
shift dei due protoni mantenendo
invariata la loro costante di
accoppiamento. Nell’ultimo
spettro i chemical shifts
coincidono.
Per convenzione i protoni
del primo spettro (1° ordine)
sono chiamati AX (due lettere
lontane dell’alfabeto) mentre
quelli degli spettri successivi
(2° ordine) sono chiamati AB
(due lettere vicine dell’alfabeto)
I protoni dell’ultimo spettro
avendo identico chemical shift
sono chiamati A 2
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2° ordine
AB
1° ordine
AX
J J
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J
J
Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Passando da uno spettro del
1° ordine ad uno del 2° ordine
le intensità delle linee di ciascun
doppietto non sono più uguali.
Le linee centrali crescono mentre
quelle laterali calano.
Inoltre il chemical shift di ciascun
protone non è più al centro della
coppia di righe ma si sposta verso
quella più alta.
La costante di accoppiamento
rimane la distanza (in Hz) tra i
due segnali
Analogamente agli spettri del
2° ordine che coinvolgono due
protoni (AB) si potranno avere
spettri che coinvolgono più
protoni (ABC, A 2 B ecc..).
Questi spettri sono molto più
complicati da analizzare di uno
spettro di tipo AB.
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In generale la notazione che usa le lettere dell’alfabeto per indicare i protoni
porta alla seguente classificazione dei sistemi del PRIMO ORDINE nei quali
un protone (A) accoppia con uno o più protoni (o altri nuclei come negli ultimi
due esempi) con una (sistemi AX n ) o due (sistemi AX n M y ) costanti di
accoppiamento
s d t q dd
td dt tt
Possiamo ora estendere la notazione “alfabetica” per definire una coppia
di protoni che non siano magneticamente equivalenti pur avendo lo stesso
chemical shift (vuol dire cioè che non hanno la stessa costante di
accoppiamento con tutti i nuclei con i quali accoppiano)
X X
X
HA HA' HA HA' Questi sistemi vengono chiamati
AA’BB’
HB HB' HB HB' (X e Y sono due sostituenti
qualsiasi)
57
Y

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La parte vinilica dei protoni dello stirene è un sistema AMX
con tre J: J AX , J AM e J MX
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δ AA’
δ AA’
δ AA’
δBB’ δAA’ δBB’ Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Un sistema del 2* ordine di tipo AA’BB’ è molto complicato ma è caratterizzato
da un elemento di simmetria costituito dal piano ortogonale che taglia a metà
il multipletto
δ BB’
In molti casi il sistema è “apparentemente” semplice in quanto si vedono
solo 4 segnali più intensi (qui marcati con un pallino) che lo rendono simile
ad un sistema AB 59
δ BB’

C 8H 10O 2
U=4
Sistema AA’BB’
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NMR e chiralità
Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Per sostituzione di uno di questi due H
con un gruppo diverso si ottengono due
enantiomeri: i due H sono enantiotopici
Per sostituzione di uno di questi due H
con un gruppo diverso si ottengono due
diastereoisomeri: i due H sono diastereotopici
Due protoni (o gruppi di protoni) enantiotopici hanno lo stesso intorno
magnetico (= stesso δ) mentre due protoni (o gruppi di protoni)
diastereotopici hanno intorno magnetico diverso (e quindi δ diverso)
Ovviamente in quest’ultimo caso può capitare che casualmente i due δ siano uguali 61

Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
La conseguenza è che gli spettri NMR di due enantiomeri (in un
solvente achirale) sono identici mentre gli spettri NMR di due
diastereoisomeri sono diversi l’uno dall’altro: non si può quindi
conoscere in questo modo qual’è l’eccesso enantiomerico di un
composto chirale
Per sapere se due protoni (o gruppi di protoni) sono enantiotopici
o distereotopici basta verificare se esiste un elemento di simmetria
che li trasforma uno nell’altro. Una molecola può avere un elemento di
simmetria ciononostante presentare protoni diastereotopici.
In una molecola chirale (priva di elementi di simmetria) tutte le
coppie di protoni (o di gruppi di protoni) legate allo stesso atomo di
carbonio sono diastereotopiche.
La molecola
H H
H
non possiede
alcun elemento
di simmetria (c’è
CH3 OH
un carbonio
asimmetrico):
i due H sono
diastereotopici
H
H
H
CH 3
Ar
OH
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H
H 3C
CH 3 CH 2
H
H H H
Ar
H H
CH 3
CH 3
H
La molecola
possiede un
piano di
simmetria ma
questo non
converte i due H
l’uno nell’altro
(non esiste un
piano di
simmetria che
biseca l’angolo
formato da
H—C---H) 62

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protoni
diastereotopici:
hanno δ diverso
e, ovviamente,
si vede l’accoppiamento
tra di
loro
sistema
ABX 3
d
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c
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Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Quali tra questi protoni sono enantiotopici e quali diastereotopici?
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Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Come si può conoscere l’eccesso enantiomerico di una miscela
di enantiomeri attraverso l’NMR?
a) usando un solvente chirale
b) aggiungendo alla soluzione un addittivo chirale che
interagisca con il soluto (coppia ionica, legami ad H,
reagente di shift –vedi più avanti-)
c) trasformando gli enantiomeri in diastereoisomeri attraverso
la formazione di un legame covalente con un reagente chirale
H
CH 3
Cl
racemo
il metile sarà:
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In un solvente achirale un doppietto
in quanto non è possibile differenziare
i due enantiomeri
In un solvente chirale due doppietti,
uno per ciascuno dei due enantiomeri
(in quanto avranno chemical shift
diverso)
65

se il composto è racemo
i due doppietti avranno
lo stesso integrale (ee=0)
H
CH 3
Cl
(in solvente
chirale)
se il composto non è
racemo i due doppietti
avranno integrale diverso
e l’eccesso enantiomerico
può essere calcolato:
differenza integrali
ee% = x 100
somma integrali
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eagente di shift
con quantità crescenti
di reagente di shift
senza reagente
di shift
Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Un reagente di shift è costituito da una molecola con un nucleo (in
genere un metallo di transizione, un lantanide) che ha particolari
proprietà dette paramagnetiche. Un nucleo paramagnetico
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descherma i nuclei
che gli sono vicini
ma allarga anche
il loro segnale in
quanto ne altera i
tempi di rilassamento.
Va quindi usato
in piccole quantità.
Un reagente di shift
chirale permette di
separare i segnali di
una coppia di
enantiomeri e quindi
di determinare
l’eccesso enantiomerico.
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Metodi Fisici in Chimica Organica - NMR
Esercizio sull’uso degli integrali nella determinazione del rapporto
molare in miscele di composti.
Supponiamo di avere una miscela di CHCl 3 e CH 2 Cl 2 : vogliamo
conoscere la composizione molare mediante NMR
10 mm
7 6 5
10 mm
I due integrali sono uguali ma il
cloroformio ha un solo protone
mentre il diclorometano ne ha due!
integrale di A/protoni A
Rapporto molare=
integrale di B/protoni B
Nel nostro caso i due integrali misurano 10 mm; il rapporto è:
10/1 : 10/2 cioè 2:1.
Il cloroformio è il doppio del diclorometano
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