Chimica

Richiami di teoria sulla spettroscopia NMR a trasformata di Fourier; momento magnetico dei nuclei, nuclei con spin 1/2 e nuclei quadrupolari. Magnetizzazione macroscopica, descrizione del fenomeno della risonanza secondo il modello classico, schema di una sequenza a impulsi, free induction decay (FID). Trasformata di Fourier, parte reale e immaginaria di una spettro, errori di fase di ordine zero e primo, correzione di fase. Hardware di uno spettrometro NMR, struttura di un probe, analogic-to-digital converter. Acquisizione e digitalizzazione del FID: frequenza di Nyquist, risoluzione digitale, dwell time, tempo di acquisizione, larghezza spettrale. Apodizzazione, troncamento del FID, funzioni finestra di tipo esponenziale e gaussiano, incremento di sensibilità e di risoluzione, funzione “matched filter”. Esercitazioni pratiche in aula di trattamento del FID attraverso l’uso di MestreC. L’esperimento NMR: lock, correzione della disomogeneità di campo, shimming e matching. Sensibilità di un esperimento NMR, thermal noise, metodi per il miglioramento del rapporto segnale/rumore, cryoprobe, microprobe. Larghezza di linea e principio di indeterminazione di Heisenberg, processi di rilassamento longitudinale (spin-reticolo) e trasversale (spin-spin), tempi T1 e T2. Meccanismi di rilassamento longitudinale: interazione dipolo-dipolo (DD), anisotropia di chemical shift (CSA), spin-rotazione (SR) e meccanismo quadrupolare (Q). Tempi di correlazione, relazione tra processi di rilassamento T1 e T2 con i moti e la struttura molecolare. Sequenza “Inversion recovery” e misura del T1. Chemical shift e struttura molecolare: brevi richiami con esempi su schermaggio diamagnetico, anisotropia diamagnetica, effetti di campo elettrico, legame idrogeno, effetti del solvente. Effetti anisotropici sullo spettro NMR e determinazione strutturale: diagramma di Johnson-Bovey. Equivalenza chimica e simmetria molecolare. Classificazione dei protoni chimicamente equivalenti di Mislow. Accoppiamento spin-spin: accoppiamento scalare, ordine di uno spettro. Brevi richiami sulla notazione di Pople e sui più importanti sistemi di spin, interpretazione di multipletti di primo ordine, inverted splitting tree e deconvoluzione di un multipletto. Effetti strutturali sulla grandezza delle costanti di accoppiamento geminale e vicinale. Equazione di Karplus e sue applicazioni a problemi conformazionali e stereochimici. Accoppiamenti long-range: accoppiamenti a W, accoppiamenti allilici e propargilici. Accoppiamento forte e accoppiamento virtuale. Disaccoppiamento omonucleare. Effetto Nucleare Overhauser (NOE): peturbazione delle popolazioni dei livelli, diagrammi ed equazione di Solomon, relazione tra NOE e meccanismo di rilassamento dipolo-dipolo, spin diffusione e “relay”-NOE. NOE omonucleare, spettri per differenza di NOE. Esempi di applicazione del NOE alla determinazione strutturale, conformazionale e stereochimica. Reagenti di shift, effetti di contatto e pseudocontatto. Esempi di miglioramento degli spettri con l’impiego di reagenti di shift. Nuclei magneticamente attivi diversi da 1H e 13C, nuclei quadrupolari e loro proprietà spettorscopiche. Spettroscopia di 31P e 19F: chemical shifts e costanti di accoppiamento. Picchi satellite, uso dei picchi satellite per la determinazione strutturale e di rapporti tra specie. 1H-NMR e stereochimica: determinazione dell’eccesso enantiomerico attraverso reagenti di shift chirali. Derivatizzazione chimica e determinazione della configurazione assoluta: metodo di Mosher. NMR dinamico. Studio di processi dinamici. Processi di scambio. Esempi di processi dinamici e di equilibri che possono essere studiati attraverso NMR. 13C-NMR: Rilassamento dei carboni. Richiami sul chemical shift delle principali classi di composti organici, calcolo del chemical shift attraverso correlazioni empiriche, equazione di Grant e Paul, effetto gamma, effetto atomo pesante. Accoppiamento 13C–1H. Spettro 13C non disaccoppiato. Spettri BBD, effetto NOE eteronucleare. Recuperando informazioni: sequenze Gated- ed Inverse Gated Decoupling. Sequenze ad impulso complesse di tipo spin-echo: APT. Trasferimento di polarizzazione. Esercitazioni in aula di interpretazione strutturale di molecole grazie all’impiego combinato di spettri 1D di protone e di carbonio. 2D NMR Principi di un esperimento 2D, struttura di una sequenza 2D, rappresentazione grafica di uno spettro 2D, contour plot e stacked plot. Spettroscopia J-resolved omo- ed eteronucleare. Spettroscopia di correlazione di chemical shift: sequenza di Jeener, esperimento omonucleare COSY e le sue varianti, esperimento eteronucleare HETCOR. Esercitazioni di interpretazione di spettri 2D. Spettroscopia 2D inversa: principi e vantaggi. Correlazioni attraverso i legami a breve e lunga distanza: esperimenti HMQC, HSQC, HMBC e TOCSY. Correlazioni attraverso lo spazio: esperimenti NOESY. Spettroscopia NMR di diffusione. Esperimento DOSY.

Gli studenti devono avere una conoscenza soddisfacente di NMR monodimensionale nei suoi aspetti fondamentali (principi di base, accoppiamento, chemical shift). Requisito fondamentale.

Per i contenuti di base: Silverstein et al. "Spectrometric Identification of Organic Compounds",Eight edition, Wiley 2014 Per i contenuti del corso: Friebolin "One and Two-Dimensional NMR Spectrocopy", Fifth Edition, Wiley VCH 2010. Claridge "High-resolution NMR Tecniques in Organic Chemistry", Second Edition, Elsevier 2009. Gunther "NMR Spectroscopy", Third Edition, Wiley 2013. Per l'interpretazione degli spettri 2D: Field, Li, Magill "Organic Structures from 2D NMR spectra", Wiley 2015. Randazzo "Guida Pratica all'Interpretazione di Spettri NMR", Loghia 2018.

Lezioni Frontali della durata di 2 ore con intervallo di 15 minuti.

La frequenza del corso è vivamente consigliata agli studenti, pur non essendo obbligatoria.

Prova scritta di conoscenza delle caratteristiche spettroscopiche di una molecola assegnata. Interrogazione orale della durata di circa 40 min con domande secondo programma.

Il corso verrà svolto attraverso lezioni frontali in aula. Sono previste esercitazioni in classe di interpretazione di spettri NMR.