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Alfonso Mangoni » 22.Spettroscopia NMR bidimensionale


Spettroscopia 2D NMR

Un normale spettro NMR (detto anche NMR monodimensionale o 1D NMR, figura in alto) è il grafico di una intensità in funzione di una frequenza (n).

È possibile realizzare anche spettri NMR in cui l’intensità è funzione di due frequenze (indicate con n1 e n2 o, più spesso, F1 e F2).

Si parla in questo caso di NMR bidimensionale o 2D NMR. In questo caso il grafico che rappresenta lo spettro è un grafico tridimensionale (figura in basso).

Uno spettro 1D NMR: intensità in funzione della frequenza.

Uno spettro 1D NMR: intensità in funzione della frequenza.

Uno spettro 2D NMR: intensità in funzione di due frequenze.

Uno spettro 2D NMR: intensità in funzione di due frequenze.


Spettroscopia 2D NMR II

Le due frequenze sono spesso (ma non sempre) chemical shift. In uno spettro 2D NMR, ogni picco definisce quindi due frequenze di risonanza, e quindi mette in correlazione i due nuclei che risuonano a quelle frequenze.

Il significato della correlazione (che può essere accoppiamento scalare tra i due nuclei, oppure NOE, ecc.) dipende dal particolare tipo di esperimento 2D NMR che si sta effettuando.

Uno spettro 2D NMR è rappresentato da una superficie, che qui è vista in prospettiva.

Uno spettro 2D NMR è rappresentato da una superficie, che qui è vista in prospettiva.

Uno spettro 2D NMR è rappresentato da una superficie, che qui è vista in prospettiva.


Rappresentazione degli spettri 2D NMR

Come si può rappresentare su carta (quindi in due dimensioni) un esperimento 2D NMR, che è un grafico tridimensionale?

Una possibilità è utilizzare il colore per codificare l’intensità del segnale, per esempio usando un colore tanto più caldo quanto maggiore è l’intensità.

In questo caso anche se si osserva lo spettro “dall’alto”, cioè dalla direzione dell’intensità, la posizione dei picchi rimane evidente.

L’intensità del segnale è codificata con il colore.

L'intensità del segnale è codificata con il colore.


Rappresentazione degli spettri 2D NMR II

Quello che si fa normalmente però è utilizzare le curve di livello, curve che uniscono punti dello spettro in cui l’intensità è la stessa, così come avviene nelle carte geografiche.

È come guardare lo spetto dall’alto (dalla direzione dell’intensità): gli assi che si vedono sono F1 e F2, ed i picchi di correlazione appaiono come macchie (in realtà serie di anelli concentrici), le cui coordinate sono i chemical shift dei nuclei messi in correlazione (perché accoppiati, vicini nello spazio, ecc.).

Lo spettro precedente vidto “dall’alto”…

Lo spettro precedente vidto "dall'alto"…

… e rappresentato con curve di livello.

… e rappresentato con curve di livello.


Esperimenti 2D NMR

Poiché mette in correlazione nuclei diversi la spettroscopia 2D NMR è anche detta spettroscopia di correlazione.

Gli esperimenti 2D NMR sono realizzati con sequenze multiimpulso, ma non spiegheremo come è possibile ottenere spettri di questo tipo.

Oggi esistono varie centinaia di esperimenti 2D NMR diversi, anche se tutti possono essere raggruppati in una decina di esperimenti fondamentali.

I vari esperimenti bidimensionali differiscono per:

  • significato della frequenza sull’asse orizzontale (F2);
  • significato della frequenza sull’asse verticale (F1);
  • fenomeno messo in evidenza dal picco di correlazione.

I principali esperimenti NMR


Esperimenti 2D NMR omonucleari: COSY

Un esperimento 2D NMR si dice omonucleare se F1 e F2 sono relativi allo stesso nucleo. Un tipico esperimento omonucleare è il COSY.

Negli esperimenti 2D NMR omonucleari sono presenti picchi di correlazione a F1=F2 (come se un nucleo fosse correlato con se stesso). Questi picchi sono detti picchi diagonali perché sono sulla diagonale dello spettro.

Il COSY contiene picchi diagonali, che non danno informazioni…

Il COSY contiene picchi diagonali, che non danno informazioni…


COSY

I picchi al di fuori della diagonale, che sono quelli che realmente forniscono informazioni, sono invece detti picchi di correlazione o in inglese cross peaks.

Lo spettro COSY è inoltre simmetrico rispetto alla diagonale.

… e picchi di correlazione, che danno informazioni.

… e picchi di correlazione, che danno informazioni.


COSY II

Normalmente sui bordi di uno spettro 2D NMR sono riportati gli spettri 1D relativi alle due frequenze (quindi in questo caso lo spettro protonico in entrambi i lati) per facilitare la lettura dello spettro.

Ai lati degli spettri 2D sono spesso rappresentati gli spettro 1D.

Ai lati degli spettri 2D sono spesso rappresentati gli spettro 1D.


Uso del COSY


NOESY e ROESY

Il NOESY, il ROESY ed il TOCSY si leggono allo stesso modo del COSY, e hanno un aspetto molto simile. Cambia naturalmente il significato del picco di correlazione.

Un picco di correlazione nello spettro NOESY indica che tra i due protoni c’è NOE, ed i due nuclei sono vicini nello spazio.

Un picco di correlazione nello spettro ROESY indica che tra i due protoni c’è ROE. Il ROE è un fenomeno simile al NOE (dipende dalla vicinanza spaziale tra i nuclei), che però può essere messo in evidenza solo con esperimento 2D, ed al contrario del NOE è sempre positivo.

TOCSY

Un picco di correlazione nello spettro TOCSY indica che i protoni sono nello stesso sistema di spin: è possibile arrivare da un protone all’altro attraverso una serie di accoppiamenti scalari spin-spin.

Nello spettro del composto in figura è presente un picco di correlazione tra HD e HA, poiché HA è accoppiato con HB, HB con HC, ed HC con HD. Invece non c’è picco di correlazione tra HD ed HE.


Esperimenti 2D NMR eteronucleari: HSQC e HMQC

Un esperimento 2D NMR si dice eteronucleare se F1 e F2 sono relativi a nuclei diversi (qui 13C e 1H). Tipici esperimenti omonucleari sono l’HMQC e l’HSQC.

In questi esperimenti il picco di correlazione indica una 1JCH tra il carbonio ed il protone.

L’esperimento HSQC/HMQC permette di identificare i protoni che sono legati a un certo carbonio, e viceversa.

Negli esperimenti 2D NMR eteronucleari non ci sono picchi diagonali, e tutti i picchi sono picchi di correlazione.

Un esperimento HSQC.

Un esperimento HSQC.


Uso dell’HSQC


Un altro esempio di HSQC

L’esperimento HSQC permette spesso di attribuire completamente lo spettro 13C NMR.

Inoltre permette di identificare facilmente:

  • protoni su eteroatomi (non sono correlati a C);
  • protoni metilenici non equivalenti (due protoni correlati allo stesso C).

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