B012903 - SPETTROSCOPIA NMR IN CHIMICA ORGANICA

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.

Conoscenze: Finalita’ ed obiettivi: mettere in grado lo studente di determinare mediante l'impiego delle moderne tecniche spettroscopiche NMR la struttura di molecole organiche di media complessita’.

Corsi vincolanti: Chimica Organica I e II

Numero di ore totali del corso: 120
Numero di ore per studio personale e altre attivita’ formative di tipo individuale:
Numero di ore relative alle attivita’ in aula: 54
Numero di ore relative ad attivita’ di laboratorio (lezioni in laboratorio): 0
Numero di ore relative ad attivita’ di esercitazioni (in laboratorio e in campo): 45
Numero di ore relative ad attivita’ seminariali: 0
Numero di ore relative ad attivita’ di stage: 0
Numero di ore per prove in itinere: 15

Orario di ricevimento
al termine della lezione o previo appuntamento telefonico allo 055 457 3537 o via e-mail a stefano.chimichi@unifi.it

Sono previste tre prove scritte di accertamento intermedio.Prove non obbligatorie; in caso negativo e’ prevista una prova scritta propedeutica all'esame orale. Cinque appelli/anno

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 densita’ 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 velocita’ 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 sensitivita’). Spettroscopia 13C-NMR monodimensionale: Il concetto di recettivita’, l'importanza del metodo ad impulsi. Fattori che influenzano l'intensita’ 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 riconducibilita’ 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 molteplicita’ 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 sensitivita’. 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, fattibilita’. 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.