Come possiamo identificare gli anelli eteroaromatici utilizzando la spettroscopia NMR?

Ehilà! In qualità di fornitore di anelli eteroaromatici, spesso mi viene chiesto come possiamo identificare queste piccole molecole stravaganti utilizzando la spettroscopia NMR. Quindi, ho pensato di sedermi e scrivere un post sul blog per condividere alcuni spunti su questo argomento.

Prima di tutto, esaminiamo rapidamente cosa sono gli anelli eteroaromatici. Questi sono composti aromatici che contengono almeno un eteroatomo (come azoto, ossigeno o zolfo) nella struttura ad anello. Sono estremamente importanti nella chimica organica, in particolare nello sviluppo di prodotti farmaceutici, agrochimici e nella scienza dei materiali. Puoi trovare un sacco di diversi anelli eteroaromatici nel nostro catalogo, come4-isopropilpiridina,7-bromo-2,4-dicloro-6,8-difluorochinazolina, EN-(6-bromoimidazo[1,2-a]piridin-2-il)-2,2,2-trifluoroacetammide.

Passiamo ora alla spettroscopia NMR. La NMR, o risonanza magnetica nucleare, è una potente tecnica analitica che ci consente di determinare la struttura e la dinamica delle molecole. Funziona applicando un campo magnetico a un campione e quindi misurando l'assorbimento e l'emissione della radiazione a radiofrequenza da parte dei nuclei atomici nelle molecole.

Quando si tratta di identificare gli anelli eteroaromatici mediante NMR, ci sono alcuni elementi chiave che cerchiamo.

Cambiamenti chimici

Lo spostamento chimico è una delle informazioni più importanti che otteniamo da uno spettro NMR. Ci parla dell'ambiente elettronico attorno ai nuclei della molecola. Negli anelli eteroaromatici, gli spostamenti chimici dei protoni (o di altri nuclei) possono essere molto diversi da quelli dei composti non eteroaromatici.

Ad esempio, i protoni sull'anello aromatico di un composto eteroaromatico sono solitamente deschermati a causa della presenza dell'eteroatomo. Ciò significa che si presentano a spostamenti chimici più elevati (downfield) nello spettro 1H NMR rispetto ai protoni su un normale anello aromatico. Gli anelli eteroaromatici contenenti azoto, come la piridina, hanno tipicamente protoni con spostamenti chimici compresi tra 7 e 9 ppm. I valori esatti dipendono dalla posizione del protone rispetto all'atomo di azoto e agli altri sostituenti sull'anello.

Se hai un sostituente sull'anello eteroaromatico, può anche influenzare gli spostamenti chimici. I sostituenti che attraggono gli elettroni deschermeranno ulteriormente i protoni, spostando i loro segnali verso spostamenti chimici ancora più elevati. D'altra parte, i sostituenti donatori di elettroni proteggeranno i protoni, facendo sì che i loro segnali si spostino verso spostamenti chimici più bassi (upfield).

Costanti di accoppiamento

Le costanti di accoppiamento (valori J) sono un altro aspetto importante degli spettri NMR. Ci parlano dell'interazione tra nuclei vicini. Negli anelli eteroaromatici, le costanti di accoppiamento possono fornire preziose informazioni sulla struttura e sulla connettività degli atomi nell'anello.

Ad esempio, in un anello piridinico, l'accoppiamento tra protoni adiacenti (orto-accoppiamento) è tipicamente di circa 6 - 9 Hz, mentre l'accoppiamento tra meta-protoni è di circa 1 - 3 Hz. Questi valori possono aiutarci a confermare la posizione dei sostituenti sull'anello. Se vediamo una costante di accoppiamento che non corrisponde ai valori attesi per una particolare struttura, potrebbe indicare che sta succedendo qualcosa di insolito, come una diversa forma tautomerica o un cambiamento conformazionale.

Integrazione

L'integrazione in uno spettro NMR ci dà un'idea del numero relativo di nuclei che danno origine a ciascun segnale. Negli anelli eteroaromatici, questo può essere utile per determinare il modello di sostituzione.

Diciamo di avere un anello eteroaromatico disostituito. Osservando i valori di integrazione dei segnali protonici, possiamo capire quanti protoni sono presenti in ciascuna parte dell'anello. Se conosciamo il numero totale di protoni nell'anello e i valori di integrazione dei segnali, possiamo calcolare il numero di protoni in diversi ambienti e quindi dedurre lo schema di sostituzione.

NMR eteronucleare

Oltre all'¹H NMR, possiamo anche utilizzare tecniche NMR eteronucleari, come ¹³C NMR e ¹⁵N NMR, per identificare anelli eteroaromatici.

¹³C NMR è particolarmente utile perché ci fornisce informazioni sugli atomi di carbonio nell'anello. Gli spostamenti chimici degli atomi di carbonio negli anelli eteroaromatici sono influenzati anche dalla presenza dell'eteroatomo e dei sostituenti. Ad esempio, gli atomi di carbonio adiacenti a un atomo di azoto in un anello piridinico presentano tipicamente spostamenti chimici nell'intervallo 120-150 ppm.

¹⁵N NMR può fornire informazioni dirette sugli atomi di azoto nell'anello eteroaromatico. Tuttavia, ¹⁵N ha un'abbondanza naturale molto bassa e una bassa sensibilità, quindi spesso richiede tecniche speciali e tempi di acquisizione più lunghi. Ma quando possiamo ottenere buoni dati ¹⁵N NMR, può essere estremamente utile per confermare la struttura degli anelli eteroaromatici contenenti azoto.

Casi di studio

Diamo un'occhiata ad un paio di esempi per vedere come funzionano queste tecniche NMR nella pratica.

Esempio 1: 4 - Isopropilpiridina

4 - Isopropilpiridinaha un anello piridinico con un gruppo isopropilico in posizione 4. Nello spettro ¹H NMR, ci aspetteremmo di vedere segnali per i protoni sull'anello piridinico nell'intervallo 7 - 9 ppm. I protoni sul gruppo isopropilico si presenterebbero a spostamenti chimici inferiori. I protoni metilici del gruppo isopropilico apparirebbero come un doppietto (a causa dell'accoppiamento con il protone metina) e il protone metina apparirebbe come un settetto.

Nello spettro NMR ¹³C vedremmo segnali per gli atomi di carbonio nell'anello piridinico e nel gruppo isopropilico. Gli atomi di carbonio nell'anello piridinico avrebbero spostamenti chimici caratteristici, e anche gli atomi di carbonio nel gruppo isopropilico avrebbero i propri spostamenti distinti.

Esempio 2: 7 - Bromo - 2,4 - dicloro - 6,8 - difluorochinazolina

7 - Bromo - 2,4 - dicloro - 6,8 - difluorochinazolinaè un composto eteroaromatico più complesso. La presenza di più sostituenti alogeni e del sistema ad anello chinazolinico rende lo spettro NMR più complicato.

Nello spettro 1H NMR ci aspetteremmo di vedere pochissimi segnali di protoni perché la maggior parte delle posizioni sull'anello sono sostituite. Gli spostamenti chimici dei restanti protoni sarebbero influenzati dagli effetti di attrazione degli elettroni degli atomi di alogeno. Nello spettro NMR ¹³C, gli atomi di carbonio mostrerebbero un'ampia gamma di spostamenti chimici dovuti ai diversi sostituenti e agli eteroatomi nell'anello.

Esempio 3: N-(6 - Bromoimidazo[1,2 - a]piridin-2-il)-2,2,2 - trifluoroacetammide

Lo spettro ¹H NMR della N-(6 - Bromoimidazo[1,2 - a]piridin - 2 - ill)-2,2,2 - trifluoroacetammidemostrerebbe segnali per i protoni sull'anello imidazo[1,2 -a]piridinico e sul gruppo ammidico. Il sostituente bromo deschermerebbe i protoni adiacenti, facendo sì che i loro segnali appaiano a spostamenti chimici più elevati.

Lo spettro ¹³C NMR fornirebbe informazioni sugli atomi di carbonio nell'anello e sul gruppo ammidico. La presenza del gruppo trifluoroacetile avrebbe anche un effetto sugli spostamenti chimici degli atomi di carbonio vicini.

Conclusione

In conclusione, la spettroscopia NMR è uno strumento incredibilmente potente per identificare gli anelli eteroaromatici. Osservando gli spostamenti chimici, le costanti di accoppiamento, l'integrazione e utilizzando tecniche NMR eteronucleari, possiamo determinare la struttura, la connettività e il modello di sostituzione di queste importanti molecole.

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Riferimenti

• Silverstein, RM, Webster, FX e Kiemle, DJ (2014). Identificazione spettrometrica di composti organici. Wiley.
• Breitmaier, E. (2002). Spettroscopia NMR: principi di base, concetti e applicazioni in chimica. Wiley-VCH.