Metodi Fisici in Chimica Organica e Laboratorio

Anno accademico 2012/2013

Obiettivi formativi del corso

Nella prima parte di lezioni frontali il corso si propone di fornire allo studente i mezzi necessari per l'analisi strutturale di molecole organiche mediante l'impiego di tecniche spettroscopiche avanzate. Obbiettivo della seconda parte del corso è l'apprendimento delle tecniche 1D e 2D NMR più comuni mediante pratica di laboratorio sugli strumenti.

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The aim of the first part of the course is to provide students with a thorough knowledge of the advanced tools for the structural analysis or organic compounds using monodimensional and bidimensional NMR spectroscopy. The acquisition of the most common 1D and 2D NMR techniques will be attained in the second part of the course through an extensive laboratory practice on the instruments.

Risultati dell'apprendimento

L'esame sarà costituito da una prova scritta e da una prova orale. Nella prova scritta i candidati dovranno assegnare ad un composto organico di struttura nota le risonanze di diversi spettri 1D e 2D NMR. La prova orale riguarderà domande sulle tematiche teoriche della prima parte del corso.

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The final examination will include a written part in which the candidates have to assign the structure of a known organic compounds to the resonances of several 1D and 2D NMR spectra. In the following oral part, the candidates will be enquired on the theoretical topics discussed during the first part of the course. 

Note

Il corso impiegherà lezioni frontali di 1 o 2 ore distribuite su tre mattine per settimana. L'esercitazione pratica sugli strumenti si dipana in due ore per settimana in genere al pomeriggio. 

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The format of the class will be lectures of one or two hours each spread over three mornings per week. A regular class meetings will be composed of lecture and class exercises, while the practical training on the instrument(s) will take two hours per week usually in the afternoon.

Programma

• Proprietà dei nuclei: momento angolare e momento angolare di spin. Magnetismo microscopico. Correlazione tra magnetismo e momento angolare di spin.
• Frequenze NMR e “Chemical Shift”. Forma e larghezza dei segnali. Accoppiamento scalare. L'esperimento NMR di base.
• Livelli energetici e spettri NMR. Spettro per uno spin. Livelli energetici per due spin accoppiati. Spettro NMR per due spin accoppiati.
• Modello Vettoriale. La magnetizzazione. Precessione degli spin e frequenza di Larmor. Rilevamento segnale NMR. Impulsi. Impulsi "on resonance". Campo di riferimento rotante. Sequenza base impulso-acquisizione. Calibrazione degli impulsi. Spin-Echo. Impulsi di diversa fase. Effetti "off-resonance" e impulsi "soft".
• Trasformata di Fourier e data processing. Rappresentazione del FID. Forma e fase del segnale. Manipolazione del FID e dello spettro. Zero filling.
• Concetti fondamentali di spettroscopia 2D NMR. Esperimenti 2D NMR con trasferimento di coerenza mediante J-coupling. COSY e DQF-COSY : sequenza impulsi ed interpretazione degli spettri. Spettroscopia NMR a doppio quanto. Spettroscopia 2D NMR eterocorrelata HMQC, HSQC e HMBC: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri.  Spettroscopia di correlazione TOCSY: sequenza di impulsi ed interpretazione dello spettro.
• Rilassamento e Effetto Overhauser Nucleare (NOE). L'origine del fenomeno di rilassamento nucleare. Meccanismi di rilassamento. Il tempo di correlazione. Popolazione degli stati. Rilassamento longitudinale di spin rosolati. Rilassamento longitudinale dipolare di due spin. NOE. Rilassamento trasversale. Rilassamento dovuto ad anisotropia di chemical shift. Rilassamento incrociato.
• NOEDif, NOESY e ROESY: sequenze di impulsi ed interpretazione degli spettri. 
• Esercitazioni: determinazione della struttura di molecole organiche complesse mediante spettroscopia 2D NMR.
• Funzionamento di un moderno Spettrometro NMR. Magnete e Probe, Lock Channel, Shim e omogeneità del campo magnetico. Sintetizzatore di RF, amplificatore e duplexer. Ricevitore e Quadrature detection. Convertitore analogico-digitale e limiti della digitalizzazione.
• Acquisizione e manipolazione di spettri 1D (1H e 13C) NMR.

Testi consigliati e bibliografia

• J. Keeler "Understanding NMR Spectroscopy", 2nd Edition, Wiley, 2010.
• T. D. W. Claridge "High-Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry", 2nd edition, Tetrahedron Organic Chemistry, Vol. 27, Elsevier, Amsterdam, 2009.
• N. E. Jacobsen "NMR Spectroscopy Explained: Simplified Theory, Applications and Examples for Organic Chemistry and Structural Biology, Wiley, 2007.