COME IDENTIFICARE IL PRODOTTO?
1.
2.
3.
4.
Storia chimica del prodotto
Separazione (distillazione frazionata, cristallizzazione, separazione acido-base o cromatografica
Purificazione
Controllo della purezza (punto di eb., punto di fus., unicità cromatografica, analisi elementare). Se
non è sufficientemente puro si ricristallizza o si esegue un’altra cromatografia
5. Saggi chimici, analisi spettroscopiche (IR, UV, NMR) e spettrometria di massa
TECNICHE SEPARATIVE:
1) CRISTALLIZZAZIONE (e ricristallizzazione) = consiste nel disciogliere la sostanza solida nel
solvente appropriato ad alte temperature e lasciar formare i cristalli mentre si raffredda, così che le
impurità si separino dal composto. Generalmente si cristallizza la sostanza presente in maggiore
quantità. Una volta ottenuti i cristalli si controlla il grado di purezza e si ricristallizza se necessario.
La solubilità è la capacità di una sostanza solida, liquida o gassosa di disciogliersi in un solvente
per formare una soluzione omogenea, nella quale le particelle di soluto assumono una dimensione
< 1nm. La soluzione si forma perché il soluto e il solvente instaurano tra di loro delle interazioni
migliori rispetto a quelle che avevano con sé stessi.
Quasi tutti i solidi si sciolgono di più ad alte temperature rispetto alle basse e sia la cristallizzazione
che la ricristallizzazione sfruttano questa caratteristica. La precipitazione del solido e quindi la
formazione de cristalli dipendono dalla differenza di solubilità del soluto nel solvente nel range di
temperatura scelto: come estremo superiore si sceglie di solito il punto di eb. del solvente mentre
come estremo inferiore si può scegliere la temperatura di un bagno di ghiaccio (0°C), di un bagno di
ghiaccio e sale (-20°C) oppure di un bagno di ghiaccio secco-acetone (-78°C). Gli step di una
cristallizzazione sono:
 scelta del solvente opportuno
 scioglimento del soluto a temperature vicine il punto di eb. del solvente
 filtrazione per rimuovere eventuali impurità
 raffreddamento della soluzione per permettere la formazione dei cristalli
 isolamento dei cristalli tramite filtrazione
 drying the crystals
Il solvente che si sceglie deve essere:
-
uno che forma cristalli con un grado elevato di purezza
solubile con il soluto ad alte temperature
insolubile o quasi con il soluto a basse temperature
In questo modo si evita di usare una grande quantità di solvente e si può ottenere un prodotto con
un grado di purezza più elevato
-
insolubile con le impurità sempre o debolmente solubile a basse temperature altrimenti
cristallizzano insieme al prodotto desiderato
il suo punto di eb. non deve essere troppo alto in modo da poterlo rimuovere facilmente dalla
soluzione e generalmente inferiore al punto di fusione del solido
non deve reagire con le sostanze in soluzione
Per scegliere un solvente si deve guardare anche la polarità del composto (like dissolves like).
Tuttavia, nonostante un composto altamente polare non si dissolverà in un solvente apolare ad alte
temperature, potrebbe sciogliersi se lo si mette a basse temperature. In questo caso è meglio
scegliere un solvente a polarità intermedia. Si possono usare anche miscele di solventi.



Polari= H2O, MeOH, EtOH, IPA, AcOH
Apolari= etere di petrolio, esano, toluene, CCl4
Intermedi= EtOAc, Et2O, THF, CH2Cl2
1
Il m.p. di una sostanza è la temperatura in cui la fase solida e liquida della sostanza coesistono e
sono in equilibrio. Viene espresso come il range di t. da quando il solido inizia a fondersi a quando è
completamente liquido.
Se la sostanza è pura e il m.p. determinato correttamente, il range dovrebbe essere stretto (intorno
a 1°C). La presenza di impurità normalmente abbassa il m.p.
2) CROMATOGRAFIA = una miscela i cui composti si distribuiscono all’interno di due fasi immiscibili
(FM, FS): la fase mobile è di solito un liquido o un gas che si muove costantemente lungo la fase
stazionaria, un solido o in liquido che invece rimane fermo. A seconda della diversa affinità dei
componenti con le fasi, si vengono a formare degli equilibri in cui i composti si legano alla FM o alla
FS ed è possibile separarli. Le tecniche cromatografiche sono:
 TLC (thin layer chromatography) = è una cromatografia ad assorbimento solido-liquido
utilizzata per effettuare analisi rapide dei campioni volte a monitorare il progresso della
separazione cromatografica e a scegliere il corretto solvente per la colonna. La TLC non può
essere usata con campioni gassosi aventi punto di eb. inferiore a 150°C. La FS è costituita
da un solido assorbente (generalmente Al2O3 oppure SiO2 x H2O, entrambi polari) su cui
viene applicata la porzione di campione da analizzare; viene inserita poi in un contenitore
chiuso con all’interno il solvente, o la miscela di solventi, che costituisce la FM (è importante
che il solvente non superi il punto in cui è collocato il campione altrimenti si dissolve in
soluzione). Una volta messo nel recipiente, il solvente risale il solido assorbente e separa i
componenti presenti nel campione: tanto più velocemente i composti risaliranno la FS, tanto
più debole sarà l’assorbimento da parte del solido assorbente. La forza di assorbimento
dipende dalla polarità e dalla natura della FS ma anche dal tipo di gruppi funzionali presenti
nel campione.
Come solvente è meglio sceglierne uno che non compete con la FS per i siti di legame
 Colonna cromatografica = cromatografia ad assorbimento solido-liquido. Come FS si
utilizza soprattutto la silice e l’ossido di alluminio (come per le TLC)
 HPLC (high pressure or high performance liquid chromatography) si basa sull’interazione tra
una fase solida e una liquida
 GC (gas chromatography) ha una FM gassosa e una FS liquida inserite in un supporto
solido
Al termine delle cromatografie si controlla se la separazione è avvenuta correttamente tramite
TLC, si raccolgono le sostanze e viene effettuato un controllo della purezza.
3) SEPARAZIONE A-B= La separazione acido/base di due sostanze in un solvente organico avviene
aggiungendo una soluzione acquosa acida o basica a seconda della natura dei composti. Acidi
carbossilici e fenoli contengono dei gruppi -OH che è polare e idrofilo ma le catene di carbonio
idrofobiche a cui sono legati fanno sì che entrambi i composti siano insolubili o poco solubili in H2O.
Sono solubili invece in solventi organici come il diclorometano o il dietil etere. Per questo motivo se
si prova ad estrarre un acido carbossilico con H2O, l’acido rimarrà quasi tutto disciolto nel solvente
organico.
Fattore di ritenzione= è definito come la distanza precorsa dal composto (dc) diviso la distanza
percorsa dal solvente(ds).
Rf = dc/ds
Se un composto percorre 2.1 cm e il solvente 2.8 cm, il fattore di ritenzione Rf è 0.75
Estrazione con base:
Quando una soluzione organica viene estratta con una soluzione basica acquosa, se la base
è abbastanza forte i composti acidi verranno convertiti nella base coniugata corrispondente
che invece è solubile in acqua. La base coniugata viene poi neutralizzata aggiungendo un
acido come HCl che la protona, riformando l’acido insolubile. In questo modo si riesce a
separare la sostanza acida da quella neutra presente in soluzione. Per scegliere la base [B-]
appropriata si utilizzano i valori di pKa dell’acido [HA] e dell’acido coniugato della base [HB]
HA + B- ⇄ A- + HB
2
Ka(HB) =
Keq =
[𝐵−][𝐻3𝑂+]
[𝐻𝐵]
[𝐴−][𝐻𝐵]
[𝐻𝐴][𝐵−]
=
𝐾𝑎(𝐻𝐴)
𝐾𝑏(𝐻𝐵)
log10 Keq = log10 Ka(HA) – log10 Ka(HB)
Se la pKa dell’acido ha un valore più piccolo della pKa dell’acido coniugato della base allora
log10 Keq > 1 e di conseguenza quella base è appropriata per separare la sostanza acida
dalla soluzione organica.
Consideriamo una soluzione contenente acido benzoico e naftalene in dietil etere.
Entrambi i composti sono insolubili in H2O per questo una strategia da adottare per separarli
è quella di convertire l’acido benzoico nella sua base coniugata che invece è solubile in
acqua. La pKa dell’acido benzoico è 4.2 quindi qualsiasi acido coniugato avente una pKa
maggiore darà log10 Keq > 1. Lo ione idrossido OH-, la cui base coniugata è H2O (pKa =
15.7 a 25 °C) è una base molto efficiente per l’estrazione di tanti composti organici; in
alternativa si potrebbero usare in questo caso il carbonato o il bicarbonato aventi come acidi
coniugati rispettivamente il bicarbonato (pKa = 10.3) e l’acido carbonico (pKa = 6.4). L’acido
carbonico, tuttavia, è altamente instabile e tende a degradarsi in CO2 e H2O che, a seconda
della strumentazione usata, possono causare problemi durante l’estrazione: utilizzare un
imbuto separatore, per esempio, è sconsigliato in questi casi perché il gas sprigionato dalla
reazione aumenta la pressione all’interno dell’imbuto rischiando si romperlo e spargere la
soluzione sul tavolo di laboratorio.
Se avessimo una soluzione di 2-naftolo e naftalene in dietil etere
La pKa del 2-naftolo è 9.5 quindi il bicarbonato non è più una base appropriata perché il suo
acido coniugato ha una pKa troppo bassa.
Estrazione con acido:
Il composto basico può essere facilmente separato dalla soluzione organica aggiungendo un
acido
Le ammine sono composti basici e per separarli è necessario convertirli nei loro acidi
coniugati aggiungendo un acido come HCl. Una volta ottenuto il sale di ammonio, per
ritornare alle ammine basta neutralizzare la soluzione con una base acquosa che deprotona
lo ione
Le ammine poi precipitano o formano uno strato separato che può essere facilmente isolato
3
Nel caso della 4-nitroanilina (pKb = 13, base debole) aggiungendo HCl si forma il suo acido
coniugato che ha una pKa = 1. HCl in questo caso si può usare perché la sua pKa = 1.7
quindi è più acido dello ione nitroanilinio
TECNICHE DI ANALISI:



Spettroscopia IR= identificazione dei gruppi funzionali della molecola
Spettrometria di massa= informazioni sul peso molecolare
Spettroscopia NMR= identificazione e conferma della struttura molecolare
Spettroscopia IR
I legami covalenti tra gli atomi vanno costantemente incontro a stretching, twisting e bending. Le frequenze
e quindi le energie di queste vibrazioni dipendono dalla massa degli atomi e dal tipo di legame chimico.
Una buona approssimazione (delle frequenze) può essere data dalla legge di Hook per l’oscillatore
armonico
=
1
2𝑐
√
𝑘
𝑚∗
dove:
 = frequenza di assorbimento [cm-1]
k= costante di forza del legame
m* = massa ridotta
Sono visibili in IR solo le vibrazioni che causano un cambiamento nel momento di dipolo
Ogni gruppo funzionale ha una caratteristica vibrazione perché l’energia necessaria a causarla dipende dal
tipo di legame tra gli atomi; quando l’energia (e quindi la frequenza) della radiazione corrisponde a un
determinato movimento di bending, stretching o twisting allora la radiazione verrà assorbita dalla molecola.
Più grande sarà il momento di dipolo associato alla vibrazione, più efficace sarà il trasferimento di energia
alla molecola e quindi più forte sarà l’assorbimento che si osserva. Le spettroscopie IR moderne non si
basano tuttavia sull’assorbanza da parte del campione ma sulla trasmittanza
Trasmittanza= capacità di un campione di farsi attraversare dalla radiazione incidente
Le variabili sperimentali che determinano le intensità assolute dei picchi sono la concentrazione del
campione e la lunghezza della cella che lo contiene. Questi fattori determinano il numero di molecole che
verranno attraversate dalla radiazione e quindi quanto essa verrà assorbita
Nello spettro sotto l’assorbimento più forte avviene intorno a 1675 cm-1 e l’energia necessaria per produrre
l’eccitazione osservata diminuisce andando da destra a sinistra.
4
In generale, lo spettro IR di campioni solidi e liquidi dovrebbe mostrare dei picchi anche per assorbimenti
molto deboli e non dovrebbe essere possibile avere assorbimenti talmente deboli da non dare picchi. Un
metodo per effettuare la spettroscopia è quello di far sì che il picco più intenso sia vicino allo 0%T
(trasmittanza percentuale)
Ci sono due tipi di celle per il campione nella spettroscopia IR:


celle in cui la lunghezza del percorso è variabile (più costoso rispetto all’altro).
celle in cui lo spessore o la lunghezza del percorso sono fissi = sono costituite da due placche
separate da una guarnizione di plastica o metallo che determina lo spessore del campione nella
cella. Il campione viene caricato attraverso una siringa. Ogni sostanza che entra in contatto con la
cella, sia campione che solvente, deve essere asciutto (dry). I solventi migliori per pulire le celle
sono etanolo assoluto, diclorometano e cloroformio.
Per quanto riguarda i campioni:


liquidi = nello spettro IR di campioni liquidi l’intensità dei picchi può essere modificata solo agendo
sulla lunghezza del percorso, visto che la concentrazione non è variabile. Si possono utilizzare celle
con spessore fisso e lunghezza del percorso molto piccola di 0.020-0.030 mm che permette di
avere uno spettro in cui assorbimenti molto forti danno picchi che non vanno verso 0%T.
Un’alternativa è quella di avere celle in cui è possibile regolare lo spessore.
solidi = un metodo per analizzare campioni solidi è quello di diluirli in un solvente adatto (cloroformio
o disolfuro di carbonio). Due celle con spessore fisso e la stessa lunghezza di percorso contengono
una la soluzione con il campione e l’altra il solvente (cella di riferimento); l’obiettivo di usare una
cella di riferimento è quello di cancellare l’assorbimento dovuto alla presenza del solvente. Se lo
spettrometro è una trasformata di Fourier, la cella di riferimento non è necessaria perché lo spettro
del solvente puro è salvato nella memoria dello strumento e il software che lo controlla elimina
automaticamente gli assorbimenti del solvente.
Lo spettro IR viene usato per identificare i gruppi funzionali di una molecola, valutare la purezza di un
campione e determinare la struttura si una sostanza ignota. Ad ogni gruppo funzionale è associato un
range di assorbimento: ad esempio, lo stretching del gruppo carbonilico di un chetone appare nella regione
1760-1675 cm-1, mentre quello di un doppio legame carbonio-carbonio è intorno a 1680-1610 cm-1.
L’assenza di assorbimento non necessariamente indica l’assenza di quel gruppo funzionale.
Per valutare la purezza del campione si confronta il suo spettro con lo spettro noto della sostanza pura: la
presenza nello spettro del campione di picchi estranei allo spettro della sostanza pura indica che sono
presenti delle impurità. Tuttavia, livelli di impurità nel range di 1-5% potrebbero facilmente non venir rilevati.
La determinazione di una sostanza tramite la spettroscopia IR si basa sulla premessa (accettata) che gli
spettri di due campioni siano sovrapponibili e quindi due spettri uguali indicano che la sostanza è la stessa.
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Spettrometro di massa
La spettrometria di massa è una tecnica utilizzata per determinare il peso molecolare delle sostanze e la
loro composizione elementare. A differenza di IR, NMR e UV-Vis., il campione durante l’analisi viene
distrutto. Tuttavia, i vantaggi sono che è molto più veloce di altre tecniche e richiede anche una quantità
minore di sostanza (~10-6g).
Gli spettrometri di massa hanno 5 componenti principali, 3 dei quali (2,3,4) racchiusi all’interno di una
camera dove la pressione viene mantenuta intorno ai 10-7 torr (questo perché durante l’analisi vengono
generate specie ioniche gassose reattive e tenere la pressione molto bassa fa sì che le reazioni tra di esse
vengano ridotte):
1. sistema di input = permette l’introduzione del campione solido, liquido, gassoso o in soluzione
all’interno della camera di ionizzazione
2. camera di ionizzazione = tramite bombardamento con elettroni ad elevata energia, metodi chimici o
irradiazione con laser, il campione viene ionizzato
3. analizzatore di massa = dopo aver ottenuto gli ioni, questi in fase gassosa vengono trasportati
nell’analizzatore di massa che si occupa di dividerli in base al rapporto massa/carica grazie ad un
campo magnetico
4. detector di ioni = il detector si occupa di convertire l’intensità del fascio di ioni in un segnale
elettrico; l’intensità del segnale (e quindi del fascio di ioni) dipende dal numero di ioni con una
determinata massa/carica che raggiungono il detector
5. processore = si occupa di processare il segnale elettrico nello spettro di massa
A volte viene usato in contemporanea allo spettrometro la gas cromatografia o la cromatografia liquida per
separare le miscele
Gli spettrometri di massa possono essere classificati in base alla tecnica di ionizzazione o al metodo
impiegato per separare gli ioni carichi
Ionizzazione:



impatto elettronico (EI)
ionizzazione chimica (CI)
fast atom bombardment (FAB)
11


ionizzazione electrospray (ESI)
matrix assisted laser desorbtion ionization (MALDI)
Tecniche di separazione:




campo magnetico
quadrupolo
mass filter o ion trap
time of flight
Impatto elettronico (EI) = nella sorgente ionica il campione in fase gassosa è bombardato con un fascio di
elettroni con energia costante pari a 70 eV generati da un filamento di tungsteno. Il bombardamento fa sì
che il campione perda un elettrone e generi uno ione molecolare M+. Questo ione si frammenta generando
una serie di altri ioni che andranno a comporre i picchi lo spettro. Poiché l’energia della radiazione è
costante in ogni apparecchio, la quantità dei frammenti e quindi il tipo di spettro che si ottiene dipendono
solo dal tipo di sostanza.
Ionizzazione electospray (ESI) = La sorgente ESI consiste in un ago finissimo che immette in forma di
spray una soluzione del campione da analizzare. Le goccioline sono caricate positivamente quando escono
dal capillare e quando il solvente evapora, l’analita si ritrova in fase gassosa carico positivamente. Esso
viene accelerato e mandato all’analizzatore. Con questo metodo si hanno specie con cariche multiple, per
cui si ottengono
una serie di picchi dovuti ai vari m/e. Una rielaborazione permette di risalire al valore della massa della
specie in esame.
Non ci dovrebbe essere frammentazione, quindi il dato dovrebbe riferirsi al peso molecolare della sostanza
analizzata (o delle sostanze in miscela).
La electrospray ionization permette l’analisi di macromolecole come proteine, peptidi e oligonucleotidi e
può lavorare insieme ad una HPLC.
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Come leggere uno spettro di massa?
Nel caso del metano, quando viene bombardato con
elettroni ad elevata energia può produrre dei radicali
cationici, CH4+, aventi la stessa massa della molecola
originale e chiamati ioni molecolari. Questi ioni, tuttavia,
sono instabili e all’interno della camera possono
frammentarsi in ioni figli, organizzati secondo il loro
rapporto massa/carica.
Per il metano la frammentazione avviene semplicemente
perdendo atomi di idrogeno dallo ione molecolare
Molecole più complesse del metano producono una
frammentazione più complicata, come nel caso del 2metilbutano: lo ione molecolare è rappresentato dal picco a m/z
= 72; accanto m/z = 73 si ha per via della presenza degli isotopi
2
H e 13C. Il picco più intenso a m/z = 43 non rappresenta lo ione
molecolare ma è chiamato picco base
Gli spettrometri di massa sono in grado di distinguere anche ioni
aventi una differenza di rapporto massa/carica pari a 1 uma
(unità di massa atomica) e per questo motivo spesso appaiono
molteplici picchi che rappresentano lo ione molecolare e i suoi
frammenti. Ogni picco deriva dal fatto che sia lo ione che i
frammenti sono isotopi stabili.
Per esempio, lo spettro di massa della CO2 ha un picco a m/z = 28 che corrisponde all’isotopo 12C16O.
Accanto si può trovare un altro picco a m/z = 29 che rappresenta l’isotopo 13C17O. Conoscere il valore del
rapporto m/z permette di avere informazioni importanti sulla struttura dei frammenti in un composto ignoto.
Spettroscopia NMR
La spettroscopia NMR dipende dalle proprietà nucleari di spin possedute dai nuclei quando vengono
esposti ad un campo magnetico. Durante la spettroscopia si osserva come lo spin nucleare si riallinea in
seguito all’azione del campo magnetico applicato, H0.
Ogni nucleo ha una carica che in alcuni di essi ruota intorno all’asse nucleare generando un dipolo
magnetico lungo di esso. Questo spin nucleare in meccanica quantistica è definito dal numero quantico “l”.
A seconda del tipo di nucleo si avrà un diverso valore di l:



nuclei con A e Z pari avranno l =0 [12C, 16O e 32S]
nuclei con A pari e Z dispari avranno l intero (1, 2, ecc…) [14N, 2H e 10B]
nuclei con A dispari avranno l = 1/2 [1H, 13C, 15N e 31P]
Solo i nuclei con l ≠ 0 sono sensibili all’azione di un campo magnetico e quindi è possibile studiarli tramite
NMR e la frequenza con cui si muovono allineandosi lungo l’asse del campo magnetico è chiamata
frequenza di Larmor
w =  H0
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Nuclei come 1H, 13C, 15N e 31P possono avere solo due valori di spin nucleare (+1/2 e -1/2), a cui
corrispondono due livelli energetici. In condizioni normali i due livelli hanno la stessa energia e di
conseguenza sono ugualmente popolati; applicando un campo magnetico esterno i nuclei degli atomi si
possono orientare solo in due modi (paralleli o antiparalleli rispetto alla direzione del campo). Questo fa sì
che si crei una differenziazione tra i nuclei che non avranno più la stessa energia.
La differenza di popolazione tra i livelli è data dall’equazione di distribuzione di Boltzmann
Na/Nb = eΔE/kT
Se il sistema è sottoposto ad una radiazione avente energia adeguata (E = h), può avvenire una
transizione di stato da parte della popolazione nei livelli con conseguente assorbimento di parte o tutta la
radiazione che può essere registrato.
In pratica: se abbiamo un nucleo sensibile (1H) e lo mettiamo in un campo magnetico si generano due
livelli di spin nucleare a diversa energia e diversamente popolati. Se si irradia tale nucleo con una
radiofrequenza di frequenza giusta, si induce una transizione con conseguente assorbimento della
radiazione.
L’energia associata alla transizione tra due livelli di spin nucleare dipende dalla forza del campo magnetico
e dal rapporto giromagnetico, .
E = hH0 / 2
E = differenza di energia tra due stati di spin
h = costante di Planck
 = rapporto giromagnetico (caratteristico dei nuclei)
H0 = forza del campo magnetico applicato [MHz o tesla; usare i MHZ corrisponde a dire che il campo è tale
che per indurre la transizione di un protone isolato è necessaria una frequenza di tot MHz]
Dalla formula si vede che l’energia che ogni singolo nucleo può assorbire dipende dall’inensità del campo
magnetico: più è intenso il campo, più è sensibile lo spettro
Per un nucleo avente due stati di spin (±1/2, dove ±indica l’allineamento dei due spin nucleari rispetto alla
direzione del campo magnetico) E aumenta insieme a H0. Questo tipo di energie sono associate nello
spettro elettromagnetico al range delle radio-frequenze, per questo motivo un oscillatore a r-f è incorporato
all’interno dello spettrometro per fornire l’energia necessaria all’eccitazione degli spin nucleari.
Quando la condizione di risonanza è raggiunta (la componente del campo magnetico deve essere uguale a
w), la transizione di spin può avvenire. Questa condizione è regolata dalla formula
h = hH0 / 2
oppure
 =H0 / 2
 = frequenza dell’oscillatore
Un modo per ottenere la condizione di risonanza è quello di tenere il campo magnetico costante e variare
la frequenza dell’oscillatore o viceversa. Nel caso dello spettrometro a onda continua è applicato il primo
metodo; nel caso della trasformata di Fourier tutte le frequenze di risonanza sonbo prodotte
simultaneamente e il campo magnetico è reso costante.
Il nucleo di idrogeno 1H ha spin nucleare Iz = ½ e la tecnica spettroscopica associata ad esso è la 1HNMR.
Nella 1HNMR per produrre condizioni di risonanza per nuclei identici è necessaria la stessa energia; avere
nuclei identici significa che tutti gli atomi di idrogeno sono sottoposti agli stessi livelli di fattori esterni e
questo è molto difficile che avvenga ( in quel caso si avrebbe una singola banda di assorbimento) perché la
stuttura tridimensionale elettronica della molecola produce cambiamenti nel campo magnetico percepito dai
nuclei di H.
Il riallineamento degli spin nucleari èm associato ad un determinato valore di w che dipende dal rapporto
giromagnetico e dal campo magnetico
w =  H0
14
Tuttavia, i nuclei risentiranno anche di un campo magnetico locale derivato dagli altri nuclei che farà da
schermo a H0. La frequenza di Larmor diventa
w =  Heff
dove Heff è il campo magnetico sentito realmente dai nuclei
Heff = H0 (1 - )
Chemical shift ()
Il valore di chemical shift indica quanto il campo magnetico applicato è schermato da un campo magnetico
locale generato dagli elettroni che ruotano intorno ai nuclei. Nuclei con diverso chemical shift risentiranno di
uno schermo diverso e quindi apparterranno ad un diverso set di idrogeni (nel caso dell’ 1HNMR). Il primo
step per analizzare un gruppo di protoni è vedere se hanno la stessa la stessa connettività molecolare:


se sono connettivamente non equivalenti hanno diverso chemical shift e vengono detti eterotopici
(alcuni picchi potrebbero comunque fare overlap nello spettro)
se sono connettivamente equivalenti allora possono essere analizzati attraverso dei test di
sostituzione
Il test di sostituzione è effettuato sostituendo il nucleo di idrogeno con un nucleo diverso (ex. deuterio)



Se si sostituiscono Ha1, Ha2, Ha3 con atomi di
deuterio, si ottengono tre nuove molecole identiche tra
loro e sovrapponibili. Questi atomi di idrogeno
vengono detti omotopici e sono chimicamente
equivalenti, ovvero hanno lo stesso intorno chimico
anche dopo aver effettuato operazioni di simmetria
Applicare lo stesso processo a Hb e Hc, dà
rappresentazioni enantiomeriche e gli idrogeni
vengono detti enantiotopici. Nuclei enantiotopici sono
chimicamente equivalenti solo se l’atomo a cui sono
legati non è un centro stereogenico e quindi la
molecola è achirale
Se la molecola contiene un centro stereogenico o è
soggetta ad una rotazione limitata (come è nel caso degli
anelli o legami ) alcuni idrogeni appartenenti allo stesso
set non sono chimicamente equivalenti e, nel caso dei
c.s., vengono detti diastereotopici
Nel caso del 2-clorobutano si hanno 5 set di protoni
chimicamente non equivalenti (H del C2, gli
idrogeni dei gruppi metili e due protoni in C3).
Per il 4-metilpentene si hanno 3 set di protoni
chimicamente non equivalenti
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Il valore di
chemical
shift dipende dall’elettronegatività dei gruppi funzionali legati ai protoni e al campo magnetico locale che
interferisce con il campo magnetico applicato. Entrambi gli effetti derivano dalla circolazione degli elettroni
nella molecola: quando H si lega, la sua densità elettronica attorno al nucleo si deforma verso l’elemento a
cui è legato tanto più è elettronegativo o è legato a gruppi elettronegativi (effetto induttivo).
Ex: il chemical shift degli alogenuri metilici è 4.3 per CH3-F, 3.0 per CH3-Cl, 2.7 per CH3-Br e 2.2 per CH3-I
All’aumentare dell’elettronegatività aumenta anche il chemical shift e i protoni sono meno schermati.
Quando una molecola è sottoposta ad un campo magnetico esterno, gli elettroni del legame covalente
generano linee di forza il cui effetto sul chemical shift può essere calcolato
16
 = (1 / 3r34) (II - ) (1 - cos2)
Appliando la formula si riescono a trovare delle zone, dette coni di anisotropia diamagnetica, il cui efferro
sul campo magnetico esterno può essere schermante o deschermante (+ o -)





Per un C sp3 (fig. 1), l’anisotropia diamagnetica è circa 0
Per un C sp2 (fig.2), l’atomo di H si trova in una zona di deschermo ( = 5-8 ppm)
Per un C sp (fig.3), l’atomo di H si trova invece in una zona di schermo ( = 1-3
ppm)
Per un’aldeide (fig.4), il protone si trova in una zona di deschermo ( = 9-10 ppm)
Per gli anelli aromatici, i protoni all’esterno si trovano in una zona di deschermo (=
7-8 ppm)
Una buona approssimazione per determinare il chemical shift di un protone è la reogola di Shoolery:
 C sp3 – H
 = 0.23 + () = 0.23 + W + Z
 C sp2 – H
 Aromatici
 = 5.25 + Rgem + Rcis + Rtrans
 = 7.26 + Rorto + Rmeta + Rpara
 Eteroatomi
I protoni legati agli eteroatomi formano legami a idrogeno con altre
molecole della stessa natura, H2O e acidi. Per questo motivo il loro
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chemical shift dipende dalla concentrazione della soluzione, dalla purezza e dalla temperatura del
sistema; più il protone è acido, maggiore sarà il chemical shift e quindi è più deschermato
Spin-spin splitting:
Protoni che sono concatenati tra loro tendono ad accoppiarsi e in seguito all’accoppiamento le righe dello
spettro si separano dando luogo ad una molteplicità di picchi.
Studiare lo splitting dei picchi nello spettro permette di avere informazioni sul numero di prossimi vicini
dell’atomo di idrogeno preso come riferimento. I prossimi vicini sono elementi aventi spin nucleare e che si
trovano a non più di tre legami o due atomi di distanza dall’atomo di interesse (nel caso dell’idrogeno si
parla di altri protoni). La regola generale per predire il numero di vicini aventi spin nucleare IZ =1/2,1,3/2… è
quello di utilizzare la formula
N = 2nIZ + 1
Dove:
N = numero di picchi ossevati
n = numero di prossimi vicini
IZ = spin nucleare dell’atomo preso come riferimento
Nel caso di atomi con spin nucleare IZ = 1/2 la formula si approssima a N = n +
1. Questa regola vale solo se sono rispettate due condizioni:
1) Il valore della costante di accoppiamento (J) dei prossimi vicini
accoppiati all’idrogeno di riferimento deve essere uguale per tutti i vicini
2) Il rapporto tra la differenza di chemical shift (Δ in Hz) dei nuclei
accoppiati e la loro costante di accoppiamento deve essere maggiore di
10
Δ
𝐽
 10
Se le condizioni sono valide e vale la regola n + 1, allora si dice che lo spettro è
di primo ordine e il numero di picchi per ogni set segue il triangolo di Pascal. Per i sistemi di promo ordine i
protoni equivalenti si indicano con le lettere distanti dell’alfabeto (AX, A2X …) mentre se i sistemi sono di
ordine superiore (Δ / J < 10) si indicano con le lettere vicine (AB, XY …)
Due o più protoni chimicamente equivalenti e con la stessa costante di accoppiamento sono anche
magneticamente equivalenti
Nel caso del 1-nitropropano, Ha e Hc hanno solo due prossimi vicini (Hb) mentre Hb ha 5 prossimi vicini (Ha
e Hc)
Con la diminuzione del valore Δ / J lo spettro diventa di secondo ordine e la separazione dei picchi non è
più prevedibile con la regola n + 1.
Nel caso del 1-butanolo i nuclei He e Hd quando si accoppiano producono un rapporto Δ / J > 10 quindi i
picchi dati dal loro segnale possono essere previsti con n + 1. L’accoppiamento tra i nuclei Hd e Hc invece
ha un rapporto Δ / J < 10 e quindi non è più possibile prevedere in quanti picchi avverrà la separazione
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Per il pentano si ha una sitazione analoga al 1-butanolo.
Può capitare a volte che il chemical shift di alune molecole cambi a seconda del solvente utilizzato come
nel caso del 1-butanolo: il protone idrossilico, Ha, tende a interagire con altre molecole di alcol o con
molecole d’acqua presenti in soluzione e come conseguenza si ha l’allargamento dei picchi associati a quel
protone. Usare come solvente un composto che impedisce questa interazione (come il DMSO-d6) rispetto
ad un altro (come il CDCl3) cambia l’aspetto dello spettro.
Finora si è previsto lo splitting dei picchi dovuto all’accoppiamento di nuclei magneticamente equivalenti.
Quando però i protoni hanno lo stesso chemical shift ma costante di accoppiamento diversa (non sono più
magneticamente equivalenti in questo caso) lo spettro si complica.
Nel caso del 4-bromonitrobenzene ci sono due set di nuclei omotopici, HaHa’ e
HbHb’ che però, se accoppiati tra di loro, non hanno la stessa costante di
accoppiamento. In particolare:
JHaHb = JHa’Hb’ ; JHaHb’ = JHa’Hb ; JHa’Hb ≠ JHa’Hb’ ; JHaHb ≠
JHaHb’
Questo significa che le coppie HaHa’ e HbHb’ sono magneticamente non equivalenti. Inoltre osservando la
struttura si nota che le coppie HaHb’ e Ha’Hb non sono prossimi vicini ma l’accoppiamento tra di loro si
verifica comunque. L’interazione tra due nuclei può avvenire anche tra atomi che si trovano a tre legami di
distanza, caratteristica delle molecole con legami  coniugati.
Il segnale dato da due protoni magneticamente non equivalenti appare nello spettro 1HNMR sotto forma di
una separazione ulteriore dei picchi, anche se il sistema è di primo ordine e segue la regola n + 1
Il valore (o magnitudo) della costante di accoppiamento dipende da due fattori:
1. Il numero di legami tra i nuclei accoppiati
2. L’angolo di legame tra i nuclei
Si definisce geminale l’accoppiamento tra protoni magneticamente diversi che si trovano legati allo stesso
atomo, mentre vicinale l’accoppiamento tra nuclei in atomi adiacenti che hanno un angolo diedro .
Come leggere uno spettro HNMR?
Lo spettro può dare informazioni riguardo la struttura di una molecola:
-
il chemical shift dei picchi dà info sul tipo di gruppi funzionali legati agli idrogeni
lo spin-spin pattern e la regola n+1 danno info sul numero di atomi di idrogeno vicini al protone
che produce l’assorbimento
l’integrazione permette di studiare l’area al di sotto dei picchi e definire il numero relativo di tipi
di protoni presenti nella molecola
Per leggere adeguatamente uno spettro bisogna seguire 3 step:
1) determinare il numero relativo dei diversi tipi di atomi di idrogeno misurando l’integrale dei picchi
(spesso il numero assoluto è scritto sotto i picchi)
2) misurare il chemical shift e dedurre i gruppi funzionali che potrebbero essere presenti nella
molecola
3) analizzare lo spin-spin splitting di ogni gruppo per determinare il numero dei nuclei di idrogeno più
vicini ad ogni protone
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Struttura di uno spettroscopio NMR
1) Generatore di frequenza = genera la corrente
alternata che induce il campo magnetico. Può
essere ad onda continua o pulsata
2) Magnete
3) Detector = sottrae la frequenza base alla
frequenza in uscita
4) Recorder
13
CNMR
Il carbonio-12 non ha spin nucleare e di conseguenza non può essere utilizzato nella spettroscopia NMR, a
differenza del suo isotopo 13C che invece ha spin nucleare IZ = ½ come 1H. Tuttavia, l’abbondanza sulla
Terra di 13C è di circa 1.1% quindi solo una piccola percentuale di carbonio andrà incontro al riallineamento
causato dal campo magnetico che produce il sgnale di assorbimento nello spettro. Inoltre la sensitività
magnetica di 13C è corrisponde a circa l’1.6% rispetto al protone (è 1/5700 volte meno sensibile di 1H). Per
questi motivi quando si lavora con 13CNMR è necessario usare maggiori quantità di prodotto.
Il funzionamento di un 13CNMR è lo stesso di un 1HNMR: viene applicato un campo magnetico e gli atomi
di 13C assumono uno dei due stati di spin (± 1/2). A dfferenza del 1HMNR che si basa sull’accoppiamento
degli atomi di idrogeno, il 13CNMR funziona tramite il disaccoppiamento dei protoni che sono prossimi vicini
dell’atomo di 13C preso di riferimento. Il disaccoppiamento di atomi di carbonio è molto più raro per via della
scarsità dell’isotopo.
Nel caso del 2-butanone, i 4 tipi di atomi di carbonio producono 4 picchi (uno per ogni atomo); il picco a  =
79.5 ppm corrisponde al solvente deuterio cloroformio (CDCl3) in cui si verifica lo splitting del picco perché
la spettroscopia 13CNMR non disaccoppia le coppie deuterio-carbonio.
Una tecnica associata al 13CNMR è la polarizzazione potenziata senza distorsione (DEPT). LA DEPT è
molto semplice da interpretare:

se il numero di idrogeni attaccati all’atomo di carbonio è dispari (come per -CH3), lo spettro avrà un
picco positivo allo stesso valore di chemical shift dello spettro del 13CNMR

se il numero di idrogeni attaccati all’atomo di carbonio è pari (come per il metilene, -CH2), il picco
nello spettro sarà negativo

nessun picco vuol dire che nessun idrogeno è attaccato all’atomo di carbonio
Lo spettro del 2-butanone usando la DEPT appare:
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Nella parte superiore si ha lo spettro ottenuto con la DEPT mentre sotto quello standard del 13CNMR, con il
picco a   80 ppm che rappresenta il solvente CDCl3. Nello spettro DEPT ci sono due picchi positivi che
rappresentanoi gruppi metili e un picco negativo che rappresenta il metilene- il picco presente a  = 210
ppm nello spettro sotto è scomparso in quello sopra perché rappresenta il carbonio carbonilico che non ha
idrogeni attaccati.
A differenza degli spettri disaccoppiati che sono più semplici da interpretare, quelli accoppiati possono
essere complessi per via del fatto che la costante di accoppiamendo di 1H-13C varia in un range di valori
molto ampio e questo può portare all’overlap di alcuni picchi. Una tecnica per semplificare lo spettro è la
off-resonance, secondo la quale nella regola n + 1 valida per gli spettri di primo ordine, n indica i protoni
direttamente legati al carbonio di riferimento invece che essere il numero di prossimi vicini.
Il chemical shift degli atomi di carbonio è molto più sensibile alle condizioni esterne rispetto agli idrogeni
quindi è molto difficile trovare due atomi di carbonio con lo stesso . Per questo motivo si può supporre che
ogni picco (escluso il solvente) indichi un solo carbonio.
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