Spettroscopia - Spettroscopia NMR

Risonanza magnetica nucleare protonica (NMR - PMR)

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Basi fisiche

I nuclei degli atomi hanno un movimento di rotazione intorno a se stessi (spin). Posto che ogni carica dotata di moto genera un campo magnetico, risulta evidente che intorno ad ogni nucleo sia presente un campo magnetico (per quanto di bassa intensità) e quindi ogni nucleo può essere considerato alla stregua di un piccolo magnete.

Se un nucleo viene posto in un campo magnetico esterno il suo momento magnetico ne risulta influenzato: esso potrà disporsi con orientamento uguale (+ stabile) o contrario (- stabile) rispetto al campo esterno.

Volendo modificare il naturale orientamento (+ stabile) è necessario fornire energia al nucleo. Allo scopo si utilizza una radiazione elettromagnetica la cui frequenza dovrà essere direttamente proporzionale all’intensità del campo magnetico esterno: hνE =

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Campo magnetico nucleare

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Basi fisiche

In ambito organico il nucleo di maggiore interesse è quello del ¹H protone.

È stato dimostrato che in un campo magnetico di 14092 gauss la rotazione del nucleo protonico richiede l’energia (modesta) offerta da una radiazione elettromagnetica dotata di frequenza pari a 60 MHz (onde radio!).

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Basi fisiche

Considerando l’intensità del campo magnetico esterno e la costante rapporto giromagnetico nucleare ( ) è possibile identificare la frequenza necessaria: dove è la frequenza, il rapporto giromagnetico ed il campo magnetico in gauss.

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Basi fisiche: differenze pratiche rispetto I.R. ed U.V.

Nella spettroscopia infrarosso ed ultravioletto il campione da analizzare è irradiato mediante fasci elettromagnetici di frequenza variabile andando a registrare le lunghezze d’onda (e quindi le frequenza) alle quali si osserva assorbimento.

Il medesimo approccio potrebbe, in linea di principio, essere utilizzato anche per la risonanza magnetica nucleare (chiaramente accoppiato ad un campo magnetico con intensità costante) ma praticamente si utilizza una radiazione costante ed un campo magnetico ad intensità variabile.

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Spettroscopia NMR

Gli spettrometri di risonanza magnetica nucleare sono degli strumenti che permettono di misurare l’assorbimento di energia da parte dei nuclei (¹H e ¹³C sono interessanti in ambito organico) impiegando dei magneti molto potenti.

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Spettroscopia NMR

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Il fenomeno della risonanza genera una debole corrente elettrica nella spira che circonda il campione. Lo strumento amplifica la corrente e la trasforma in un segnale (un picco o una serie di picchi) su di una striscia di carta calibrata.

I protoni non solo hanno i rispettivi elettroni, ma sono circondati da intorni, che a loro volta generano altri campi magnetici e che sono i più vari.

Conseguentemente il campo magnetico “avvertito” dal protone difficilmente sarà della stessa intensità di quello generato dallo strumento!

Per questo motivo i protoni sembrano assorbire a campi magnetici di intensità differente.

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Spettroscopia NMR

L’intensità del campo magnetico a cui avviene l’assorbimento dipende dall’intorno magnetico di ciascun protone. Questo intorno magnetico risente soprattutto di due effetti:

• I campi magnetici generati dalla circolazione degli elettroni
• I campi magnetici generati da protoni vicini.

Una proprietà degli spettri NMR è che l’area delimitata da ciascun segnale è proporzionale al numero di H che originano quel segnale.

Si osservino gli spettri di NMR di composti quali: p-xilene e terz-acetato di butile.

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Spettro NMR dell’acetato di t-butile

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Spettro NMR del p-xilene

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Posizione e numero dei segnali

I protoni che presentano il medesimo intorno (chimico e magnetico) sono detti equivalenti e danno origine ad un unico segnale di entità direttamente proporzionale al numero di nuclei coinvolti.

Tutti gli altri nuclei sono non equivalenti.

Inoltre si consideri che il campo magnetico applicato induce una circolazione di elettroni intorno al protone, in un piano perpendicolare al campo applicato. Gli elettroni in movimento generano, in quanto particelle cariche, dei piccoli campi magnetici.

Consideriamo, per esempio, la circolazione degli elettroni σ di un legame C-H intorno al protone che genera un campo magnetico (vedi figura seguente).

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Schermaggio elettronico del protone in C-H

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Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio

Il piccolo campo magnetico generato dalla circolazione degli elettroni si chiama campo indotto.

Di solito il campo indotto si oppone al campo magnetico applicato. Questo significa che il campo magnetico effettivo sentito dal protone è inferiore al campo magnetico applicato. In questo caso il protone si dice schermato.

Un protone schermato assorbe a campi magnetici applicati più alti; infatti il campo applicato dovrà essere più forte per compensare l’effetto contrario del piccolo campo indotto.

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Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio e deschermaggio

Il grado di schermaggio a cui è sottoposto un protone da parte della circolazione degli elettroni dipende dalla densità elettronica intorno al protone.

Questa densità elettronica dipende in gran parte dall’elettronegatività degli atomi presenti.

Questi atomi attirano fortemente gli elettroni dal legame C-H se sono legati direttamente al gruppo C-H.

Nel caso degli elettroni π delocalizzati la circolazione elettronica genera dei campi magnetici che possono sia schermare che deschermare i protoni adiacenti. L’effetto dipende dalla posizione del protone.

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Posizione e numero dei segnali

Effetti di deschermaggio

Ad esempio i protoni aromatici dei composti benzenici sono deschermati in quanto sono situati nella regione di spazio in cui il campo magnetico indotto rinforza il campo magnetico applicato.

A causa di questo effetto deschermante l’assorbimento di energia da parte dei protoni benzenici avviene a campi magnetici relativamente bassi.

Il deschermaggio dei protoni aromatici dovuto alla circolazione degli elettroni π è una delle prove più conclusive a sostegno della delocalizzazione degli elettroni π nei sistemi aromatici.

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Effetto deschermante nel C₆H₆

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Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio e deschermaggio

La circolazione degli elettroni π provoca anche lo schermaggio dei protoni acetilenici. Infatti, sulla base dell’elettronegatività del carbonio nei suoi tre stati di ibridazione, dovremmo aspettarci il seguente ordine per la posizione dei segnali dei protoni legati a ciascun tipo di carbonio: ^{2 3} (campi bassi)