Spettroscopia nmr

Come funziona la spettroscopia NMR?

La spettroscopia NMR si basa su alcuni concetti complessi, ma il processo in sé è relativamente semplice. I passaggi da seguire sono i seguenti:

• Sciogliere il campione in un solvente adatto.
• Aggiungere una piccola quantità di una molecola di riferimento standard, come il TMS.
• Posizionare il campione in un campo magnetico esterno.
• Eccitare il campione con un impulso a radiofrequenza.
• Misurare la frequenza dei segnali emessi dal campione.

I nuclei del campione assorbono ed emettono onde radio a seconda degli altri atomi o gruppi ad essi legati. Queste onde vengono rilevate da un rilevatore. Il rilevatore produce uno spettro che mostra l'energia assorbita rispetto a una proprietà chiamata chemical shift.

Che cos'è il chemical shift?

Come abbiamo detto, gli spettri NMR mostrano il chemical shift dei nuclei. Si tratta di una proprietà legata alla frequenza di risonanza magnetica. Il chemical shift si misura in parti per milione, o ppm.

Riasssumendo. Alcuni nuclei, quando vengono posti in un campo magnetico esterno, assumono uno dei due stati: parallelo, noto come allineato con lo spin; o antiparallelo, noto come opposto allo spin. Se forniamo loro un'energia sufficiente, possono passare dallo stato parallelo a quello antiparallelo. Questa energia è chiamata frequenza di risonanza magnetica.

La frequenza di risonanza magnetica varia a seconda dell'ambiente in cui si trova un atomo (anche detto intorno chimico).

Nuclei identici dello stesso elemento possono avere frequenze di risonanza magnetica e valori di spostamento chimico (chemical shift) diversi se sono legati a gruppi diversi, perché si trovano in ambienti diversi. Questo è il concetto fondamentale alla base della spettroscopia NMR.

Figura 1. Uno spettrometro NMR ad ultra-potenza. Fonte: commons.wikimedia.org

Interpretare gli spettri NMR

Come abbiamo detto in precedenza, la spettroscopia NMR produce dei grafici chiamati spettri, che riportano l'energia assorbita dal campione in funzione del chemical shift. I grafici mostrano una serie di picchi diversi. I nuclei di atomi identici producono picchi con valori di chemical shift diversi a seconda degli altri atomi o gruppi di atomi ad essi legati. Si noti il picco mostrato a 0 ppm. È dato dal TMS, una molecola di riferimento.

Figura 2. Esempio di spettro NMR. Il picco a 0 ppm corrisponde alla molecola di riferimento, TMS.

Ci sono due cose importanti da ricordare:

• L'intorno chimico con determinati gruppi funzionali produce un chemical shift che rientra in un particolare intervallo.
• La presenza di determinate molecole, produce chemical shift caratteristici.

In che modo ci aiutano queste informazioni? Se lo spettro presenta due picchi chiari, il campione deve contenere nuclei in due diversi intorni chimici. È quindi possibile confrontare il valore dello spostamento chimico (chemical shift) dei picchi con i valori riportati in un database, che ci dirà in quale tipo di intorno si trovano i nuclei e i diversi gruppi funzionali ad essi collegati. Questo ti aiuterà a risalire alla struttura della molecola presente nel tuo campione.

Supponiamo di avere il seguente spettro per una molecola incognita.

Figura 3. Uno spettro 13C NMR.

Si possono notare picchi a circa 58 ppm, 18 ppm e 9 ppm. Confrontiamo questi valori con una tabella.

Tabella 1. Dati per uno spettro 13C NMR.

Il picco a 58 ppm corrisponde ai valori per un gruppo RCH₂O, che vanno da 50 a 90 ppm. Possiamo quindi dedurre che questa molecola contiene quel particolare gruppo. Allo stesso modo, possiamo vedere che il picco a 18 ppm rientra nell'intervallo per il gruppo RCH₂R, e il picco a 9 ppm rientra nell'intervallo per un gruppo RCH₃.

Quale molecola conoscete con questi gruppi? Mettiamoli insieme:

Figura 4. La nostra molecola misteriosa è l'1-propanolo.

In sintesi, confrontando i valori di chemical shift con i valori presenti in un database, possiamo dedurre i diversi gruppi all'interno di una molecola ed elaborare la sua struttura complessiva.

Diversi tipi di spettroscopia NMR

Non tutti i nuclei possono essere utilizzati nella spettroscopia NMR. La maggior parte non è influenzata da un campo magnetico esterno e non può essere quindi rilevata con questa tecnica analitica. Due tipi di nuclei che producono risultati nella spettroscopia NMR sono i nuclei di carbonio-13 e i nuclei di idrogeno-1.

Entrambi i tipi di spettroscopia seguono la tecnica generale descritta in precedenza e rilevano il chemical shift rispettivamente dei nuclei di carbonio-13 e dei nuclei di idrogeno-1. Tuttavia, i picchi relativi al chemical shift dei nuclei di carbonio-13 e di idrogeno-1 sono più frequenti, in particolare, quelli dell'idrogeno-1 rientrano in un intervallo molto più piccolo.

Figura 5. Un atomo 1H.

La spettroscopia NMR dell'idrogeno-1 presenta alcuni vantaggi rispetto a quella del carbonio-13:

• La maggior parte degli atomi di idrogeno è costituita dall'isotopo idrogeno-1, mentre solo il 10% circa degli atomi di carbonio è costituito dall'isotopo carbonio-13. Ciò significa che gli spettri dell'idrogeno-1 danno risultati più chiari e distinti.
• La dimensione dei picchi negli spettri dell'idrogeno-1 è proporzionale al numero di nuclei di idrogeno-1 in quel particolare ambiente, cosa che non avviene per i picchi NMR del carbonio-13. Questo viene mostrato utilizzando una traccia di integrazione.
• I picchi dell'idrogeno-1 presentano un fenomeno chiamato accoppiamento spin-spin. Questo è il caso in cui si dividono in picchi più piccoli a seconda del numero di atomi di idrogeno presenti negli ambienti adiacenti e ci fornisce ulteriori informazioni sulla struttura della molecola.

Figura 6. Questo spettro 1H NMR mostra accoppiamento spin-spin.

Per saperne di più sull'NMR del carbonio-13 e dell'idrogeno-1 si veda rispettivamente Carbonio -13 NMR e Idrogeno -1 NMR.

Applicazioni della spettroscopia NMR

La spettroscopia NMR ha molte applicazioni nella scienza moderna. Come abbiamo visto, la sua funzione principale è l'analisi della struttura delle molecole. Tuttavia, viene utilizzata anche per i seguenti scopi:

• Determinazione del ripiegamento delle proteine.
• Screening e progettazione di farmaci.
• Scoprire come le molecole interagiscono nelle reazioni chimiche.
• Determinare la proporzione di solidi e liquidi nei lipidi.

Pro e contro della spettroscopia NMR

La spettroscopia NMR ha sia pro che contro. Consideriamoli di seguito.

Vantaggi

• Gli spettri sono unici, ben risolti e generalmente prevedibili per le molecole più piccole.
• Produce segnali distinguibili per i diversi gruppi funzionali.
• Può anche essere utilizzata per distinguere lo stesso gruppo funzionale in diversi intorni chimici.

Limitazioni

• Richiede campioni di grandi dimensioni, compresi tra 2 e 50 mg.
• La strumentazione NMR è costosa da acquistare e gestire. Sono disponibili strumenti meno costosi, che però forniscono spettri a bassa risoluzione, in cui i picchi del chemical shift si sovrappongono e si confondono.
• In genere può essere utilizzato solo per le sostanze solubili, poiché l'analisi dei solidi richiede una macchina dedicata e fornisce spettri a risoluzione inferiore.
• È un processo lento e non può essere utilizzato per reazioni veloci.