Determinazione strutturale di molecole organiche e naturali mediante NMR. Teoria ed applicazioni della spettroscopia 1H e 13C NMR: chemical shift, costanti di accoppiamento, rilassamento, spettri di primo ordine e di ordine superiore, equivalenza chimica e magnetica. NMR e stereochimica. APT, DEPT, INEPT. Effetto nOe. 2D NMR (COSY, DQF-COSY, TOCSY, HETCOR, COLOC, INADEQUATE, HMBC, HSQC, H2BC, 2DNOESY, ROESY).NMR di eteronuclei.
L’elenco dei testi di consultazione viene fornito all'inizio del corso.
Obiettivi Formativi
Mettere in grado lo studente di determinare mediante l'impiego delle moderne tecniche spettroscopiche NMR la struttura di molecole organiche di media complessità.
Prerequisiti
Corsi vincolanti: Chimica Organica I e II
Corsi raccomandati: nessuno
Metodi Didattici
Numero di ore relative alle attività in aula: 48
Numero di ore relative ad attività di esercitazioni (in laboratorio e in campo): 35
Modalità di verifica apprendimento
Sono previste tre prove scritte di accertamento intermedio. Prove non obbligatorie; in caso negativo è prevista una prova scritta propedeutica all'esame orale. Cinque appelli/anno.
Programma del corso
Significato della elucidazione di una struttura. Il peso molecolare e la formula bruta. Numero di insaturazione. Il contributo delle varie tecniche spettroscopiche. Spettroscopia NMR: Introduzione teorica. Principi dell'esperimento NMR. Gli spettri in onda continua ed il metodo ad impulsi. I nuclei magneticamente attivi. La condizione di risonanza. I magneti. Il moto degli spin nel sistema di riferimento rotante. La rappresentazione vettoriale degli impulsi. Dominio dei tempi e delle frequenze. Campionamento del segnale, la risoluzione digitale ed il tempo di acquisizione, lo zero-filling, la “cosmesi” dello spettro. La quadratura di fase, il folding dei segnali: Teorema di Nyquist. Il rilassamento. I parametri spettrali: il chemical shift, il riferimento, lo schermo nucleare. Esercizi L'accoppiamento di spin. Spettri del primo ordine e di ordine superiore. I concetti di equivalenza chimica e magnetica. I sistemi di spin. Esempi. Classificazione, nomenclatura ed importanza. Considerazioni sperimentali. Esercizi Spettroscopia 1H-NMR monodimensionale: Influenza della densità di carica sulla costante di schermo. Teoria di Lamb. Effetti dei gruppi vicini. Effetti di anisotropia magnetica. Teoria di McConnell. Correnti di anello. Teoria di Karplus-Pople. Effetto di campi elettrici. Interazioni intermolecolari. Legame a ponte di idrogeno ed effetto solvente. Effetti isotopici. I protoni legati ad eteroatomi. La velocità di scambio chimico, gli effetti quadrupolari.Esercizi NMR e stereochimica: protoni omotopici, enantiotopici e diastereotopici. Teoria di Gutowski. Determinazione dell'eccesso enantiomerico. Esame dei chemical shifts nelle principali classi di composti organici alifatici aciclici e ciclici, aromatici ed eteroaromatici.Esempi La struttura fine degli spettri 1H-NMR. Teoria dell’interazione dipolare diretta e teoria di Ramsey-Fermi. Esame delle costanti di accoppiamento. La costante dia accoppiamento ridotta, il segno della costante di accoppiamento. L'accoppiamento geminale (2J(H,H)): dipendenza dall'angolo di legame, effetto dei sostituenti, importanza diagnostica nei sistemi olefinici. Accoppiamento vicinale (3J(H,H)): dipendenza dall'angolo diedro, effetto dei sostituenti, regola di Karplus. Importanza nei sistemi sp2 e sp3. L'accoppiamento H-H nei sistemi aromatici. Le costanti di accoppiamento long-range (alliliche ed omoalliliche). Esercizi. I metodi di semplificazione degli spettri di ordine superiore: esperimenti di doppia risonanza (disaccoppiamento selettivo omonucleare), i reagenti di shift. Spettroscopia NMR di routine e test standard (line-shape, risoluzione e sensitività). Spettroscopia 13C-NMR monodimensionale: Il concetto di recettività, l'importanza del metodo ad impulsi. Fattori che influenzano l'intensità dei segnali: il rilassamento spin-reticolo e spin-spin, i meccanismi di rilassamento per nuclei a spin 1/2, introduzione all'effetto nucleare Overhauser. Il sistema di riferimento ruotante e l'effetto degli impulsi sulla magnetizzazione longitudinale. Lo spin-echo e la determinazione sperimentale del tempo di rilassamento T1; relazione tra il T1 e la struttura chimica. La larghezza dei segnali NMR. Il chemical shift del carbonio-13: importanza del termine paramagnetico nella valutazione della costante di schermo. L'equazione di Karplus-Pople e sua riconducibilità a termini organici. Esame dei chemical shifts dei principali gruppi funzionali. Regole empiriche per la determinazione del chemical shift.Esercizi Le costanti di accoppiamento C-H: accoppiamento ad un legame (1J(C-H)), dipendenza dall'ibridazione ed effetto dei sostituenti. Accoppiamento geminale (2J(C-H)), vicinale (3J(C-H)) e long-range. Accoppiamento C-H nei sistemi aromatici. Correlazioni tra gli accoppiamenti C-H ed H-H. Disaccoppiamento di spin nella spettroscopia 13C-NMR: Lo spettro 13C in condizioni di completo disaccoppiamento protonico. Acquisizione dello spettro. Esercizi Il problema della molteplicità degli atomi di carbonio (gruppi CH, CH2 e CH3). Gli spettri in condizioni di disaccoppiamento off-resonance, il metodo 'attached proton test' (APT).Esercizi Gli spettri 13C completamente accoppiati al protone: la tecnica 'gated decoupling'. Il disaccoppiamento selettivo eteronucleare. Metodi di inversione selettiva di popolazione e di trasferimento di polarizzazione (SPI e SPT). [2] La tecnica INEPT (INEPT e INEPT rifocalizzato): effetti sulla sensitività. La tecnica di elezione (DEPT) per la determinazione della molteplicita’. L'effetto nucleare Overhauser: Introduzione ed origine del fenomeno. Il sistema a due spin. Il rilassamento attraverso l'accoppiamento dipolare. Il NOE e le distanze internucleari. Il NOE massimo. Tecniche di misura ed aspetti sperimentali. Il metodo differenza (spettri NOEDIFF-NOESY-1D). Determinazione quantitativa. Esempi di applicazioni in campo omo- ed eteronucleare.Esercizi Spettroscopia NMR bidimensionale: L'esperimento NMR in due dimensioni. I periodi di preparazione, evoluzione e mescolamento. L'esperimento di Jeener. Il trasferimento di magnetizzazione. L'acquisizione dei dati. La rappresentazione grafica. Esperimenti bidimensionali J-resolved etero-(C,H) ed omo-(H,H) nucleari. Lo spettro di correlazione eteronucleare C-H (H,C-COSY od HETCOR), teoria ed applicazioni pratiche. Esercizi Le correlazioni long-range (COLOC). Esercizi Lo spettro di correlazione omonucleare H,H (H,H-COSY), teoria ed esempi di interpretazione; il COSY-90 e l'ottimizzazione per le costanti long-range (LR-COSY, COSY-45), l'esperimento phase-sensitive (PS-COSY).Esercizi Le coerenze di fase e selezione dei cammini di coerenza mediante i cicli di fase. L'esperimento double-quantum filtered COSY (DQF-COSY). Le correlazioni Carbonio-Carbonio: l'esperimento INADEQUATE bidimensionale. Rappresentazione, fattibilità. Esercizi La spettroscopia di scambio: l'esperimento NOESY. Tecniche di correlazione inversa C-H: l’esperimento inverse-INEPT. HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum Coherence) e HSQC (Heteronuclear Single Quantum Coherence). L’esperimento TOCSY (HOHAHA). Cenni all’impiego dei gradienti di campo magnetico (PFG) nelle moderne tecniche NMR.