Laboratorio di preparazioni estrattive e sintesi dei farmaci - spettri NMR e protonico

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

(spin)

stessi . 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 puo’ 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

(+ stabile (-

disporsi con orientamento uguale ) o contrario

stabile

) rispetto al campo esterno.

Volendo modificare il naturale orientamento (+ stabile) e’

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: hν

E = F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 1

Campo magnetico nucleare

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Basi fisiche

In ambito organico il nucleo di maggiore interessante e’ quello del

1

protone ( H).

E’ 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!). F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 2

Basi fisiche

Considerando l’intensità’ del campo magnetico esterno e la costante

rapporto giromagnetico

nucleare ( ) e’ possibile identificare la

frequenza necessaria:

dove e’ la frequenza il rapporto giromagnetico ed il campo

magnetico in gauss. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Basi fisiche: differenze pratiche

rispetto I.R. ed U.V.

Nella spettroscopia infrarosso ed ultravioletto il campione da

analizzare e’ 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. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 3

Spettroscopia NMR

Gli spettrometri di risonanza magnetica nucleare sono

degli strumenti che permettono di misurare 1 13

l’assorbimento di energia da parte dei nuclei ( H e C

sono interessanti in ambito organico) impiegando dei

magneti molto potenti. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Spettroscopia NMR

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 4

Spettroscopia NMR

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 sara’ della stessa intensità di quello

generato dallo strumento!

Per questo motivo i protoni sembrano assorbire a campi

magnetici di intensità differente. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

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. p

Si osservino gli spettri di NMR di composti quali: -xilene e

terz

acetato di -butile. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 5

Spettro NMR dell’acetato di

t -butile F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

p

Spettro NMR del -xilene

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 6

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 entita’ 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). F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Schermaggio elettronico del protone in C-H

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 7

Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio

Il piccolo campo magnetico generato dalla circolazione

campo indotto

degli elettroni si chiama .

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. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio e deschermaggio

a cui è sottoposto un protone da parte

Il grado di schermaggio

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.

π

Nel caso degli elettroni delocalizzati la circolazione elettronica

genera dei campi magnetici che possono sia schermare che

deschermare i protoni adiacenti. L’effetto dipende dalla

posizione del protone. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 8

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

π

circolazione degli elettroni è una delle prove più conclusive

π

a sostegno della delocalzzazione degli elettroni nei sistemi

aromatici. F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II

Effetto deschermante nel C H

6 6

F. Ortuso - Analisi dei Medicinali II 9

Posizione e numero dei segnali

Effetti di schermaggio e deschermaggio

π

La circolazione degli elettroni 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)