Academic Year 2023/2024 - Teacher: GIUSEPPE FLORESTA

Expected Learning Outcomes

The course aims to provide students with the theoretical and practical bases to interpret the IR, NMR and Mass spectra of organic compounds. The course provides all the necessary tools for the interpretation of spectra and the recognition of unknown organic structures. During the lessons, the student acquires the skills necessary for the recognition of organic functions, the quantification of the atoms present in an organic molecule and the connectivity between them. The student becomes able to apply spectroscopy to the recognition of compounds of organic nature with development of  critical ability in spectroscopic analysis.

Course Structure

Three modules: infrared spectroscopy, mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy.

Required Prerequisites

Organic Chemistry

Attendance of Lessons

Attendance according to the rules of the CdS in CTF

Detailed Course Content

IR spectroscopy

The electromagnetic radiation. Fundamental characteristics of electromagnetic radiation. Infrared (IR) radiation. The IR spectrum. IR absorption. The wave number. Transmittance (T) and Absorbance (A). Molecular vibrations. The degrees of freedom. Theoretical number of fundamental vibrations. Hooke's law. IR absorption regions in accordance with Hooke's law. C-H stretching calculation. Coupled interactions. Fermi resonance and overtone. Hydrogen bond in IR. The instrumentation. Fourier transform. Dispersion spectrophotometer and Fourier transform (FTIR). Sample preparation. Reflectance methods - Attenuated total reflectance (ATR). IR measurement (FT-IR). IR measurement (ATR FT-IR). Interpretation of spectra. IR of chemical classes: Linear Alkanes, Alkanes with branched chains, Cyclic Alkanes, Alkenes, Linear non-conjugated Alkenes, Cyclic and cumulative Alkenes, Conjugated Alkenes, Alkynes, Aromatic hydrocarbons, Alcohols and phenols, Ketones, Conjugated ketones, b-diketones, cyclic ketones, aldehydes, carboxylic acids, esters and lactones, amides and lactams, amines. Quantitative IR spectroscopy. Raman spectroscopy. Stokes and anti-Stokes lines. Raman spectroscopy - Selection rules. Raman spectroscopy - applications. IR spectra report.

Mass spectrometry

Characteristics of a typical mass spectrometer. High vs. low resolution. Methods of ionization. Electronic impact (EI), Chemical ionization (CI). Ionization methods by desorption: Ionization by bombardment with fast atoms, Ionization by laser desorption (MALDI). Desorption vs. EI-CI. Evaporative Ionization Methods: Thermospray Mass Spectrometry, Electrospray Mass Spectrometry (ESI or ES). ES and EI mass spectra of lactose. ES mass spectra of the VGSE peptide. Mass Analyzers. Mass analyzers: magnetic sector, Mass analyzers: time-of-flight (TOF), Mass analyzers: quadrupole (QMF), Mass analyzers: ion trap (3D QIT). MS-MS mass tandem. HPLC-DAD-APCI-MS / MS. Detectors: Destructive Detector. Recognition of the molecular ion peak. Common fragmentations. Nitrogen rule. Low resolution molecular ion. Isotopic peaks and exact masses. High resolution molecular ion. Hydrogen deficiency index. Main fragmentation reactions of organic compounds. a cleavage. Relative abundance of ionic fragments generated by a cleavage. Benzyl and allyl cleavage. Splitting of "not activated" bonds. Retro Diels-Alder reaction (RDA). McLafferty transposition. Onio reaction. Elimination of CO. Mass spectra of some chemical classes: Hydrocarbons, Alcohols, Ethers, Ketones, Aldehydes, Carboxylic acids, Esters, Amines, Nitriles, Nitro compounds, Sulfur compounds, Halogenated compounds. Halogenated Compounds - Simulated profile of M, M + 2, M + 4, Isotopic peaks. Elementary composition: binomial approach. Elementary composition: grid approach. Calculate the isotope pattern for molecules such as: Cl2Br, Br2, SBr2, SiClBr, Cl3 etc. Mass spectra report.

NMR spectroscopy

Magnetic properties of nuclei. Quantum number of spins. Excitation of nuclei with spin ½. Larmor frequency. Magnetization vector. Longitudinal spin relaxation. Transverse spin relaxation. Instrumentation. Choice of solvent and sample preparation. Sensitivity of NMR experiments. Chemical shift and spin-spin coupling. Shielded and unshielded protons. Tetramethylsilane (TMS) as a reference compound. Chemical shift. Electronegativity and Chemical shift. Diamagnetic anisotropy. Acetylene. Acetaldehyde alkenes. and aromatic compounds. Electronic effects and chemical shifting: a, b-unsaturated ketones, substituted vinyl ether, aniline, nitrobenzene. General regions of proton chemical shifts in organic molecules. Spin coupling. Rule of n + 1 (2nI + 1). Pascal's triangle. Spin coupling - ethyl cleavage model. Spin coupling - the coupling constant. Relationship between the Chemical shift and the spin coupling constant. first order multiplet. First order complex multiplet. Loosely coupled system. Strongly coupled system. One-bond coupling (1J). Geminal couplings (2J). H-C-H angle in geminal coupling. Spin coupling - 3J. Bond angle and 3J. Karplus relationship. Long-range couplings. 4J allyl coupling. 4J propargyl coupling. 4J homoalllic coupling. 4J homopropargyl coupling. 4J coupling W. Pople's notation, chemically equivalent protons. Magnetically equivalent protons. Homotypic protons. Enantiotopic protons. Diastereotopic protons. Diastereotopic hydrogens: ethyl 3-hydroxybutanoate. Protons on heteroatoms. Exchangeable protons. Coupling of protons with 19F. Coupling of protons with D (2H). Coupling of protons with 31P and 29S. Coupling of protons with 13C. 1H NMR of some chemical classes: Alkanes, Alkenes, Aromatic compounds, Alkynes, Alkyl halides, Alcohols, Ethers, Amines, Nitriles, Aldehydes, Ketones, Esters, Carboxylic acids, Amides, Nitroalkanes. Selective spin decoupling: double resonance. Nuclear overhauser effect (NOE). Cross-polarization: origin of the NOE. NOE for difference (NOE difference). NOESY (Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY). Report of 1H and 13C NMR spectra. 13C NMR Aspects that differ from 1H NMR, 1H decoupling techniques. Comparison between the 1H and 13C NMR chemical displacement scales. T1 relaxation. “Inversion-recovery” method for T1 measurement. NOE and spin coupling 13C-1H. Controlled proton decoupling. Values of 1J-CH coupling constants. Values of 2J-CH coupling constants. Coupling constants with other nuclei: 19F, 31P and D. Solvents in 13C NMR. 13C quantitative NMR. Reverse controlled proton decoupling. Chemical equivalence for 13C NMR. 13C not equivalent. Monosubstituted aromatic rings. Disubstituted aromatic rings. ATP and DEPT. The magnetization vector M during the ATP experiment in methine, methylene, methyl and quaternary carbons. DEPT 90 and DEPT 135 interpretation. 13C chemical shifts for main classes of organic compounds. Additive shift parameters in linear and branched aliphatic hydrocarbons, alkenes and aromatic compounds. 2D NMR spectroscopy: COSY, HETCOR, HSQC, HMBC, TOCSY, NOESY, ROESY, INADEGUATE.


Practical guide to preparing NMR experiments. Processing of 1H and 13C spectra with common software. Creation of a calibration line with known compound. Identification and quantification of caffeine in Energy Drinks.

Textbook Information

  1. R. M. Silverstein, F. x. Webster, D. J. Kiemle- Identificazione Spettrometrica di Composti Organici Terza edizione - Casa Editrice Ambrosiana.
  2. G. M. Lampman, D. L. Pavia, G. S. Kriz, And J. R. Vyvyan - Introduction to Spectroscopy Fifth edition- CENGAGE Learning.
  3. M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh - Metodi Spettroscopici nella Chimica Organica Seconda edizione – EdiSES.
  4. A. Randazzo - Guide to NMR Spectral Interpretation - Loghia.

Course Planning

 SubjectsText References
1Spettroscopia IR
2La radiazione elettromagnetica.Testo 3. pag 33, Testo 1 pag 73, slides
3Caratteristiche fondamentali della radiazione elettromagnetica. La radiazione infrarossa (IR). Lo spettro IR. Assorbimento IR. Il numero d’onda. Trasmittanza (T) ed Assorbanza (A). slides, Testo 1 capitolo 2
4Le vibrazioni molecolari. I gradi di libertà. Numero teorico di vibrazioni fondamentali. Legge di Hooke. Regioni di assorbimento IR in accordo con la legge di Hooke. Calcolo stretching del C-H. Interazioni accoppiate.Testo 1 capitolo 2
5Risonanza di Fermi ed overtone.slides
6Legame ad idrogeno nell’IR.Testo 1 pag 78
7La strumentazione. Trasformata di Fourier. Spettofotometro a dispersione ed a trasformata di Fourier (FTIR). Preparazione del campione. Metodi a riflettanza - Attenuated total reflectance (ATR).Testo 1 pag 78-79, slides
8Misura IR (FT-IR). Misura IR (ATR FT-IR). Testo 1 pag 79-81
9Interpretazione degli spettri.Testo 1 pag 81-82
10IR di classi chimiche: Alcani lineari, Alcani con catene ramificate, Alcani ciclici, Alcheni, Alcheni lineari non coniugati, Alcheni ciclici e cumulate, Alcheni coniugati, Alchini, Idrocarburi aromatici, Alcoli e fenoli, Chetoni, Chetoni coniugati, b-dichetoni, Chetoni ciclici, Aldeidi, Acidi carbossilici, Esteri e lattoni, Ammidi e lattami, Ammine. Testo 1 pag 82-112
11Spettroscopia IR quantitativa. Testo 3 pag 68-69
12Spettroscopia Raman. Righe di Stokes ed anti-Stokes. Spettroscopia Raman - Regole di selezione. Spettroscopia Raman – applicazioniTesto 3 pag 69-72
13Report di spettri IR.slides
14Spettrometria di massa
15Caratteristiche di un tipico spettrometro di massa. Alta vs. bassa risoluzione.Testo 1 pag 1-2
16Metodi di ionizzazione. Impatto elettronico (EI). Ionizzazione chimica (CI).Testo 1 pag 3-4
17Metodi di ionizzazione per desorbimento: Ionizzazione per bombardamento con atomi veloci, Ionizzazione per desorbimento da laser (MALDI). Desorbimento vs. EI-CI.Testo 1 pag 4-6
18Metodi di ionizzazione evaporative: Spettrometria di massa termospray, Spettrometria di massa elettrospray (ESI o ES). Spettri di massa ES ed EI del lattosio. Spettri di massa ES del peptide VGSE.Testo 1 pag 6-7
19Analizzatori di massa. Analizzatori di massa: a settore magnetico, Analizzatori di massa: a tempo di volo (TOF), Analizzatori di massa: a quadrupolo (QMF), Analizzatori di massa: a trappola ionica (3D QIT). MS-MS massa tandem.Testo 1 pag 7-13
21Rivelatori: Destructive Detector. slides, Testo 3 pag 125-128
22Riconoscimento del picco dello ione molecolare. Testo 1 pag 14
23Frammentazioni comuni. Regola dell’azoto. Ione molecolare a bassa risoluzione. Picchi isotopici e masse esatte. Ione molecolare ad alta risoluzione. Indice di deficienza di idrogeno. Testo 1 pag 14-19
24Principali reazioni di frammentazione di composti organici. Scissione a. Abbondanza relativa di frammenti ionici generati per scissione a. Scissione benzilica ed allilica. Scissione di legami “non attivati”. Reazione di retro Diels-Alder (RDA). Trasposizione di McLafferty. Reazione onio. Eliminazione di CO. Testo 3 pag 250-269
25Spettri di massa di alcune classi chimiche: Idrocarburi, Alcoli, Eteri, Chetoni, Aldeidi, Acidi carbossilici, Esteri, Ammine, Nitrili, Nitro composti, Composti solforati, Composti alogenati. Composti alogenatiTesto 1 pag 19-38
26Profilo simulato dei picchi M, M + 2, M + 4, Picchi isotopici. Composizione elementare: approccio binomiale. Composizione elementare: approccio a griglia. Calcolare il pattern isotopico per molecole tipo: Cl2Br, Br2, SBr2, SiClBr, Cl3 etc. Report di spettri di Massa.slides
27Spettroscopia NMR
28Proprietà magnetiche dei nuclei. Numero quantico di spin. Eccitazione di nuclei con spin ½. Frequenza di Larmor. Vettore magnetizzazione. Rilassamento di spin longitudinale. Rilassamento di spin trasversale.Testo 1 pag 130-133
29Strumentazione. Scelta del solvente e preparazione del campione.Testo 1 pag 133-136
30Sensibilità degli esperimenti NMR.Testo 1 pag 135
31Spostamento chimico ed accoppiamento spin-spin.Testo 1 pag 136-149
32Protoni schermati e deschermati.Testo 1 pag 137-139
33Tetrametilsilano (TMS) come composto di riferimento. Chemical shift.Testo 1 pag 137-138
34L’elettronegatività e lo spostamento chimico.Testo 1 pag 138-139, slides
35 Anisotropia diamagnetica. Acetilene. Acetaldeide ed alcheni. Effetto di corrente di anello. Testo 1 pag 139-140
36Effetti elettronici e lo spostamento chimico: chetoni a,b-insaturi, vinil etere sostituito, anilina, nitrobenzene.Testo 1 pag 140-141, slides
37Regioni generali degli spostamenti chimici protonici nelle molecole organiche.Testo 1 pag 141
38Accoppiamento di spin. Regola dell’n + 1 (2nI + 1). Triangolo di Pascal. Accoppiamento di spin - modello di scissione dell'etile. Accoppiamento di spin – la costante di coupling. Relazione tra lo spostamento chimico e la costante di accoppiamento di spin. Multipletto semplice del primo ordine. Multipletto complesso del primo ordine.Testo 1 pag 142-146
39Sistema debolmente accoppiato. Sistema fortemente accoppiato.Testo 1 pag 142-143
40Accoppiamento one-bond (1J). Accoppiamenti geminali (2J). Angolo H-C-H in accoppiamenti geminali. Accoppiamento di spin - 3J. Angolo di legame e 3J. Relazione di Karplus. Accoppiamenti a lungo raggio (long-range). 4J accoppiamento allilico. 4J accoppiamento propargilico. 4J accoppiamento omoalllico. 4J accoppiamento omopropargilico. 4J accoppiamento W. Testo 2 pag 350-360
41 La notazione di PopleTesto 1 pag 146
42Protoni chimicamente equivalenti. Protoni magneticamente equivalenti.Testo 1 pag 156-160, Testo 2 pag 363-366
43Protoni omotopici. Protoni enantiotopici. Protoni diastereotopici.Testo 1 pag 157, Testo 2 pag 366-368
44Idrogeni diastereotopici: 3-idrossibutanoato di etile. Testo 2 pag 368-372
45Protoni su eteroatomi. Protoni scambiabili.Testo 1 pag 149-154
46Accoppiamento di protoni con 19F.Testo 2 pag 416-418
47Accoppiamento di protoni con D(2H). Testo 1 pag 154-155
48Accoppiamento di protoni con 31P e 29S.Testo 1 pag 155, Testo 2 pag 418-420
49Accoppiamento di protoni con 13C. Testo 1 pag 155-156
501H NMR di alcune classi chimiche: Alcani, Alcheni, Composti aromatici, Alchini, Alogenuri alchilici, Alcoli, Eteri, Ammine, Nitrili, Aldeidi, Chetoni, Esteri, Acidi carbossilici, Ammidi, Nitroalcani. Testo 2 pag 252-270
51Disaccoppiamento di spin selettivo: doppia risonanza.Testo 1 pag 168
52Effetto nucleare overhauser (nuclear overhauser effect, NOE).Testo 1 pag 168-169
53Cross-polarization: origine del NOE.Testo 2 pag 299-302
54NOE per differenza (NOE difference).Testo 2 pag 487-489
55NOESY (Nuclear Overhauser Enhancement SpectroscopY).Testo 1 pag 267-269
56Report di spettri 1H e 13C NMR.slides
5713C NMR Aspetti che differiscono da 1H NMRTesto 1 pag 197, slides
58Tecniche di disaccoppiamento da 1H.Testo 1 pag 197-198
59Confronto tra le scale di spostamenti chimici 1H e 13C NMR.Testo 1 pag 198-199
60 Il rilassamento T1. Metodo di “inversione-recupero” per misura T1.Testo 1 pag 199-201
61 NOE ed accoppiamento di spin 13C-1H. Disaccoppiamento protonico controllato.Testo 1 pag 201-203
62Valori di costanti di accoppiamento 1J-CH. Valori di costanti di accoppiamento 2J-CH. Costanti di accoppiamento con altri nuclei: 19F, 31P e D. Solventi in 13C NMR.Testo 1 pag 202-204
6313C NMR quantitativo. Disaccoppiamento protonico controllato inverso. Testo 1 pag 205-207
64Equivalenza chimica per 13C NMR. 13C non equivalenti. Testo 1 pag 207-208
65Anelli aromatici monosostituiti. Anelli aromatici disostituiti. slides
66ATP e DEPT. Il vettore magnetizzazione M durante l’esperimento ATP in Carboni metinici, metilenici, metilici e quaternari. Testo 1 pag 209-210, Testo 2 pag 519-526
67 Interpretazione DEPT 90 e DEPT 135.Testo 1 pag 209-210
683C chemical shifts per principali classi di composti organici. Parametri di shift additivi in idrocarburi alifatici lineari e ramificati, negli alcheni e nei composti aromatici.Testo 1 pag 210-221
69Spettroscopia NMR in 2D: COSY, HETCOR, HSQC, HMBC, TOCSY, NOESY, ROESY, INADEGUATE.Testo 1 cap 5, slides

Learning Assessment

Learning Assessment Procedures

Test + oral interview