Chimica organica - spettroscopia di risonanza magnetica al carbonio

Spettroscopia di risonanza magnetica al carbonio

La spettroscopia NMR riguarda l’assorbimento di radiazioni elettromagnetiche da parte di nuclei atomici magneticamente attivi immersi in un campo magnetico. Ogni nucleo atomico che possiede o massa atomica A dispari o numero atomico Z dispari o entrambi dispari, è magneticamente attivo ossia possiede un momento angolare di spin (P) e un momento magnetico nucleare (μ).

Il momento angolare di spin e il momento magnetico nucleare di un nucleo posto in un campo magnetico possono assumere due o più orientamenti, a ognuno dei quali è associato un diverso livello energetico. Le transizioni tra i livelli energetici generate dall'interazione con una radiofrequenza opportunamente rilevate danno luogo a uno spettro di risonanza magnetica.

Isotopi e numero quantico di spin

Il numero di possibili orientamenti è quantizzato ed è pari a 2I+1 dove I è il numero quantico di spin del nucleo. L’isotopo dell’idrogeno ¹H ha spin = 1/2 e in un campo magnetico può assumere due orientamenti. ¹H ha un'abbondanza naturale quasi del 100%, per cui in pratica tutti i nuclei di idrogeno presenti in una molecola "contribuiscono" alla creazione del segnale NMR.

La frequenza di risonanza è data da: l’isotopo più abbondante del carbonio è il ¹²C, che non è magneticamente attivo (I = 0). L'isotopo ¹³C invece ha numero quantico di spin 1/2 come il protone e quindi si comporterà come l'idrogeno dal punto di vista della risonanza magnetica nucleare con alcune importanti differenze:

• Abbondanza naturale dell’isotopo attivo all’NMR
• Rapporto giromagnetico
• Intervallo di osservazione
• Accoppiamenti scalari omo- e eteronucleare
• Intensità relativa dei picchi di risonanza e tempi di rilassamento
• Sequenze particolari di registrazione degli spettri NMR (disaccoppiato, off-resonance e effetto NOE)
• Spostamenti chimici (chemical shift)

Tabella delle caratteristiche isotopiche

Abbondanza e sensibilità

L’abbondanza naturale del ¹³C è solo dell'1.1%, per cui solo questa piccola percentuale di nuclei “contribuisce” alla creazione del segnale NMR con una sensibilità molto inferiore rispetto all’idrogeno, in pratica occorrono più acquisizioni. Inoltre, anche il valore del rapporto giromagnetico del nucleo in esame influisce sulla sensibilità della tecnica: l'ampiezza del segnale NMR è proporzionale circa al cubo della costante giromagnetica.

Poiché il rapporto giromagnetico del ¹³C è circa 1/4 di quello dell'¹H, il segnale di un ¹³C sarà circa 1/64 del segnale di un ¹H a parità di quantità del campione. A causa della bassa sensibilità dell'esperimento NMR applicato al ¹³C, solo strumenti a trasformata di Fourier possono registrare spettri significativi in tempi ragionevoli. Per questo motivo la tecnica ¹³C NMR è stata sviluppata dopo quella ¹H NMR.

Tecnica a impulsi e rilassamento

Nella tecnica a impulsi, tutte le frequenze di interesse vengono messe in risonanza nello stesso istante, utilizzando un impulso della giusta radiofrequenza molto potente e molto breve. Dopo l’irraggiamento, occorre attendere che l’eccesso di energia venga disperso dal sistema di spin attraverso vari processi di rilassamento prima di ripetere l’impulso di radiofrequenza. Questa tecnica permette di ottenere molti accumuli in poco tempo.

Tra due impulsi successivi, si dovrebbe ristabilire l’equilibrio di partenza tra gli spin di tutti gli atomi in esame attraverso processi di rilassamento di varia natura. Un meccanismo di rilassamento importante per i nuclei di ¹³C è dovuto alle interazioni dipolo-dipolo tra due nuclei ¹H e ¹³C e la sua velocità dipende da diversi fattori:

• Numero di protoni legati al ¹³C: T₁(CH₃) < T₁(CH₂) < T₁(CH) < T₁(C) ossia il tempo di rilassamento T₁ diminuisce all’aumentare del numero dei protoni direttamente legati al ¹³C.
• Dimensioni e simmetria della molecola: molecole piccole o molto simmetriche hanno tempi di rilassamento T₁ più lunghi di molecole grandi o complesse.
• Intorno chimico: a seconda del tipo di atomi di carbonio, atomi di carbonio diversi hanno tempi di rilassamento diversi. La variabilità del tempo di rilassamento T₁ è responsabile del fatto che l’integrazione dei picchi negli spettri ¹³C di routine NON è correlata al rapporto degli atomi di carbonio al contrario del protone che, avendo tempi di rilassamento T₁ brevi, genera segnali con intensità proporzionali al numero di nuclei coinvolti.