Chimica organica - NMR, spettroscopia di risonanza magnetica nucleare

B E



N  kT

=e

N 

Eppure è proprio lo scarto in eccesso nello stato α misurabile in ppm a determinare il

segnale NMR.

Produzione del segnale NMR

Nei primi strumenti NMR, a onda continua (CW-NMR) , l'analisi veniva eseguita

irradiando il campione immerso nel campo magnetico B con un fascio di onde radio

0

di frequenza via via crescente in modo da eccitare in sequenza tutti i nuclei in esame.

Oggi invece con i moderni spettrometri il segnale viene generato con la tecnica

impulsiva a trasformata di Fourier (FT). Quest'ultimo consente

di portare contemporaneamente in risonanza tutte le frequenze

di interesse con un impulso di radiofrequenza molto potente

(250 W circa) e per di più molto breve (μs) .

Per capire come l'impluso di radiofrequenza interagisca con i

nuclei in esame bisogna introdurre un vettore detto di

Magnetizzazione Macroscopica M che è la risultante di tutti

0

i momenti magnetici nucleari. Dato che esiste un leggero

eccesso di nuclei nello stato α, diremo che M è allineato lungo

0

la direzione del campo magnetico esterno B (ovvero l'asse z).

0

Se il campione viene irradiato lungo l'asse x con un impulso di

radiofrequenza che contiene anche la frequenza di precessione

dei nuclei in esame ν, questi come già detto, assorbono energia

e subiscono una transizione di spin.

A livello macroscopico si osserva che il vettore M ruota allontanandosi dall'asse z

0

per avvicinarsi al piano xy, così come mostrato in figura

A questo punto si interrompe l'impulso di radiofrequenza emesso lungo l'asse x , ma i

nuclei eccitati continuano ad emettere per qualche istante un debole segnale di

radiofrequenza. Il tempo necessario affinchè venga recuperato il 66% della

magnetizzazione M è detto tempo di rilassamento.

z

Per registrare questo segnale oscillante entra in funzione un circuito ricevente posto

lungo l'asse y che ha lo scopo di misurare l'oscillazione della componente lungo y di

M 0.

Il segnale raccolto che si smorza nel tempo

viene detto FID che sta per free induction

decay, un segnale nel dominio dei tempi. Per

passare allo spettro NMR vero e proprio bisogna

applicare ai dati contenuti nel FID l'operatore

matematica di trasformata di Fourier.

Esecuzione di uno spettro

Per poter eseguire un'analisi all'NMR è necessario sciogliere la sostanza in esame in

un solvente deuterato, dopo aver effettuato le opportune prove di solubilità.

Il campione, di solito pochi milligrammi, viene sciolto in circa 5 mL di solvente.

Le couvette che si utilizzano sono normalmente da 5 mm e

possono essere di divera qualità a seconda del grado di

accuratezza dell'esperimento.

Si procede poi alle operazioni di LOCK e SHIMMING, più

avanti descritte nel dettaglio.

Infine si effettua il settaggio dei parametri e si procede

all'acquisizione del FID.

1

Spettroscopia H NMR 1

I parametri ricavabili da uno spettro H NMR sono:

Chemical shift

Molteplicità

Integrazione

Chemical shift

Il segnale NMR di ogni nucelo risulta spostato nello spettro a frequenze differenti a

seconda del suo intorno chimico.

Questo accade perchè gli elettroni sono particelle

cariche e, come tali, quando sono immersi in un

campo magnetico B , si muovono generando un

0

piccolo campo magnetico indotto, che si oppone al

campo magnetico esterno.

Il campo magnetico effettivo di cui risente il nucleo

è pari a B = B – σB

eff 0 0

σ è detto fattore di schermo, adimensionale.

Il campo magnetico indotto esercita quindi un effetto schermante; il campo

magnetico di cui risente il nucleo risulta modificato dagli elettroni che determinano la

posizione del segnale nello spettro (chemical shift).

Lo spostamento chimico assoluto è la differenza tra la frequenza (in Hz) del segnale

NMR del nucleo in esame e quella del TMS (Si(CH ) , tetrametilsilano), preso come

3 4

riferimento.

La scelta del TMS è dovuta alle seguenti ragioni:

È una sostanza liquida facilmente volatile (P = 26°C)

• b

che può essere aggiunta al campione in esame senza

pericolo di reazioni secondarie;

I protoni delle comuni sostanze organiche sono nella maggioranza dei casi più

• deschermate di quelli del TMS;

Il TMS non dà facilmente associazioni intermolecolari con le molecole del

• solvente o del campione: questa è una garanzia dell’immutabilità dell’intorno

elettronico dei protoni del TMS e quindi della costanza della posizione del

segnale di riferimento;

Tutti i protoni del TMS sono chimicamente equivalenti e danno un’unica

• frequenza di assorbimento;

Possiede ben 12 protoni e ciò permette di ottenere un segnale molto intenso.

• 1 13

Per convenzione, sia per H NMR che per C NMR lo zero della scala degli

spostamenti è attribuito al TMS.

Lo spostamento chimico assoluto però, è proporzionale al campo applicato, dunque

per rendere questo parametro indipendente dallo strumento che si utilizza (che sia un

400 MHz o un 500 MHz) si fa riferimento allo spostamento chimico relativo, o

meglio alla scala di δ : 6

δ = [ Δν (Hz) / ν (Mhz)]*10

spettrometro

In questo modo il chemical shif è misurato in ppm (Hz/MHz).

1

Per H NMR la scalta di δ va da 0 a 12 ppm.

Fattori che influenzano il chemical shift

Effetto Induttivo

In generale protoni legati ad atomi più elettronegativi risultano deschermati, quindi

risentono di un campo magnetico applicato più intenso e risuonano

conseguentemente a frequenze maggiori. Nello spettro si trovano a δ maggiori,

ovvero a campi più bassi.

Mentre protoni legati ad atomi meno elettronegativi risultano schermati, quindi

risentono di un campo magnetico applicato meno intenso e risuonano di conseguenza

a frequenze minori. Nello spettro si trovano 'a destra', a δ minori, ovvero a campi più

alti.

Anisotropia diamagnetica e corrente d'anello

Il chemical shift dei protoni vinilici (δ = 5-6) e aromatici (δ = 7-8) risulta molto più

alto di quanto sarebbe prevedibile in base alla bassa elettronegatività dell'atomo di

carbonio a cui sono legati.

In realtà gli elettroni π generano un campo magnetico indotto che scherma o

descherma a seconda della regione dello spazio.

Nel caso degli alcheni e dei composti aromatici il cono magnetico descherma i

protoni che risuonano quindi a campi più bassi, mentre nel caso degll'acetilene, ad

esempio, il cono magnetico “investe” i protoni terminali, schermandoli (δ = 2-3).

Molteplicità

Equivalenza chimica e magnetica

Due o più nuclei interconvertibili per rotazione intorno ad un legame semplice o per

un'operazione di simmetria, si dicono chimicamente equivalenti.

In altre parole hanno lo stesso chemical shift.

Due o più nuclei chimicamente equivalenti che si accoppiano allo stesso modo con

qualunque altro nucleo presente nella molecola, si dicono magneticamente

equivalenti.

Accoppiamento spin-spin

Il campo magnetico di un nucelo risente dell'orientazione degli spin dei nuclei

cicostanti attraverso gli elettroni di legame. 1

Facciamo un esempio: prendiamo in considerazione lo spettro H NMR del dietil

etere.

Mi aspetterei un segnale relativo ai protoni del CH , poiché legati all'ossigeno, a δ

2

maggiori, mentre il segnale relativo ai protoni del metile CH a δ minori.

3

In realtà la situazione è molto più complessa ; lo spettro mostra un quartetto e un

tripletto.

Questa molteplicità è dovuta a un fenomeno detto di accoppiamento di spin e nasce

dal fatto che il protone in esame è soggetto a due tipi di campo magnetico. Il primo è

B , ovvero il campo magnetico esterno, il secondo, β, è invece dato dai piccoli

eff

campi magnetici prodotti dai nuceli dei protoni vicini.

I tre protoni del metile, -CH , risentono del campo magnetico B aumentato o

3 eff

diminuito del campo magnetico β prodotto dal protone Ha a seconda

dell'orientazione del suo stato di spin.

Nella metà delle molecole, quindi, il campo magnetico di cui risentoni i tre protoni

del metile è pari a B + β, mentre nelll'altra metà il campo magnetico di cui risentono

eff

è pari a

B – β.

eff

Il risultato è lo sdoppiamento del segnale in due picchi uguali (doppietto).

Questo visto è il caso più semplice, ma ce ne sono molti altri.

Nel caso in cui il metile fosse vicino a due protoni Ha, come nel caso del dietiletere, i

possibili modi in cui i due nuclei Ha possono orientarsi sono:

Il risultato è che il segnale dei protoni dei metile viene suddiviso in 3 picchi

(tripletto) per opera dei due protoni Ha adiacenti.

Con ragionamento analogo si può ricavare il numero di picchi in cui viene suddiviso

il segnale NMR di un protone ad opera di 3, 4 e così via protoni vicini.

Esiste inolte una regola generale per stabilire la molteplicità di un segnale:

il segnale di un protone viene suddiviso da n protoni adiacenti in (nI+1) picchi.

L'intensità relativa dei picchi di un segnale si può ricavare anche attraverso il

triangolo di Tartaglia .

Costante di accoppiamento

La distanza tra i picchi che compongono un segnale è

detta costante di accoppiamento J, viene misurata in

Hz e non dipende dal campo applicato. Valori tipi per J

raramente eccedono i 20 Hz ed è importante notare che due gruppi di

protoni

accoppiati tra loro mostrano esattamente la stessa costante di accoppiamento.

Integrazione

L'area del picco di un segnale è misurata dalla linea di integrazione fornita dagli

spettrometri sottoforma di curva a gradini, che

rappresenta non altro che l'integrale della curva sottesa al

segnale. L'altezza del gradino è direttamente

proporzionale al numero di nuclei che assorbono in

quella regione dello spettro.

In pratica si misura l'altezza di ogni singolo gradino

partendo dal punto di flesso iniziale. Si dividono quindi

le varie altezze per il valore più piccolo misurato

ottenendo così il rapporto relativo tra i vari tipi di

protoni. Se i numeri ottenuti non sono interi è necessaio moltiplicarli per un numero

tale da ottenere tutti valori interi.

13

Spettroscopia C NMR 12

L'isotopo più abbondante del carbonio è il C che ha numero quantico di spin I nullo

e non può pertanto dar luogo a risonanza magnetica nucleare.

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L'isotopo C ha invece numero quantico di spin ½ ed è qu