Metodi fisici in chimica organica: spettroscopia NMR, IR, UV-Vis e spettrometria di massa applicate a composti organici

2019-2020

Claudio Di Santillo

Francesca ferraro

SPETTROSCOPIA NMR

METODI SPETTROSCOPICI PER

L’IDENTIFICAZIONE DI COMPOSTI ORGANICI

Identificare un composto partendo dalle sue caratteristiche (spettroscopiche o non) per analizzare

la posizione dei sostituenti, i legami formati e le proprietà stereochimiche, per vedere se ci sono

enantiomeri/ diasteroisomeri ecc...

Per analizzare C e H nelle molecole si usava l’analisi per combustione, per capire cioè quanti C, O e

H erano presenti sulla molecola attraverso una combustione.

Ci sono diverse tecniche spettroscopiche

1. Spettroscopia NMR

2. Spettroscopia IR: per capire quali gruppi funzionali sono presenti

3. Spettroscopia UV-visibile

4. Spettrometria di massa: per capire il peso molecolare, dà un’informazione minimale.

La spettrometria di massa è una tecnica distruttiva, non permette cioè di recuperare il campione

dopo l’analisi (anche se serve pochissimo campione). Le altre tecniche sono spettroscopiche,

utilizzano la luce, cioè studiano i fenomeni che comportano lo scambio di energia tra radiazione e

materia. Tutte le spettroscopie si possono riassumere col fatto che da uno stato ad energia più

bassa si va a uno stato di energia più alto. Nelle varie spettroscopie cambia il fenomeno fisico al

quale corrispondono questi livelli (l’NMR riguarda l’inversione di spin, l’IR lo stato vibrazionale e

rotazionale della molecola). 

In una molecola le forme di energia sono quantizzate Quando una molecola è esposta a

radiazioni E.M. si creano le condizioni per l’assorbimento e la transizione da un livello energetico

ΔE

superiore solo se l’energia hν del fotone è esattamente uguale alla differenza di energia tra i

livelli implicati nella transizione (ciò vale per tutte le spettroscopie):

ΔE = hν

1 H NMR: utilizziamo basse energie (siamo nel campo delle onde radio) con conseguente

inversione di spin del nucleo.

IR: utilizziamo energie più alte affinché avvenga una transizione tra livelli energetici vibrazionali (i

protagonisti sono le vibrazioni delle molecole)

Uv-Visibile: utilizziamo energia ancora più alta affinché avvenga una transizione elettronica (i

protagonisti sono gli e-). 1

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Spettroscopia NMR (Nuclear Magnetic Resonance)

Si fa per capire di che molecola si tratta, si può fare sia del nucleo dell’H sia del C.

Si basa sulla risonanza cioè irraggiando un nucleo con un campo magnetico otterrò una risposta

rappresentata dallo spettro (quindi il nostro composto “risuona”).

La spettroscopia NMR si basa sulla misura dell’assorbimento nella regione delle radiofrequenze da

parte di determinati nuclei. Alcuni nuclei possiedono un momento di spin e un momento

magnetico. Di conseguenza la loro esposizione ad un campo magnetico dovrebbe portare allo

splitting dei loro livelli energetici.

Pauli vide che inserendo un elemento all’interno di un campo magnetico, aumentava il numero

delle righe nel suo spettro atomico, mediante un fenomeno di suddivisione di queste. Capì quindi

che il campo magnetico influenzava lo spettro suddividendo le sue righe e successivamente

suggerì che i nuclei avessero un momento di spin e un momento magnetico. Studi successivi

spiegarono che alcuni nuclei, anche se non tutti, riescono ad assorbire determinate frequenze

elettromagnetiche.

La NMR oltre che permettere l’identificazione di sostanze incognite permette di conoscere la

cinetica di una reazione, l’analisi della sintesi opportuna ma viene anche usata in medicina

(risonanza magnetica nucleare).

La NMR è dunque quella tecnica per cui determinati nuclei dotati di momento magnetico di spin

quando sono immersi in un campo magnetico sono in grado di assorbire una radiofrequenza. La

radiofrequenza che io do è proprio quell’energia necessaria per passare tra due stadi, i due stadi

sono due livelli energetici che sono stati indotti proprio dalla presenza del campo magnetico

esterno. (Ecco perché Pauli aveva visto che le righe dello spettro aumentavano quando l’elemento

era immerso in un campo magnetico!!)

La radiofrequenza è assorbita dal nucleo, permettendo un’eccitazione di stati energetici INDOTTI,

GENERATI dalla presenza di un campo magnetico, fondamentale differenza con le altre

spettroscopie che invece sfruttano due stadi che esistono già! (es stati vibrazionali/rotazionali o

HOMO e LUMO sono stati che esistono a prescindere da qualunque intervento esterno).

La Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) è una tecnica analitica molto potente

che permette di ottenere dettagliate informazioni sulla struttura molecolare dei composti in

esame. La spettroscopia NMR misura l'assorbimento di radiazione elettromagnetica in molecole

immerse in un forte campo magnetico. Questo assorbimento avviene ad opera dei nuclei di

1 13

particolari atomi (tipicamente H o C). Quindi con l'NMR si esaminano direttamente i nuclei

atomici e non gli elettroni. Ogni informazione sull'intorno chimico viene dedotta osservando il

comportamento dei nuclei atomici. 2

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Spin nucleare

Sono osservabili all'NMR solo i nuclei che hanno un momento magnetico nucleare di spin, e che

quindi si comportano come l'ago di una bussola che si può orientare in un campo magnetico

applicato. Il momento magnetico nucleare di spin m è dato dalla relazione

ℎ

= 2

dove γ è il rapporto giromagnetico, I è il numero quantico di spin nucleare, h è la costante di

Planck. Lo spin nucleare viene prodotto dalle particelle che costituiscono il nucleo, protoni e

neutroni. Queste si comportano come se fossero in rotazione (spin) attorno al loro asse, e hanno

spin 1/2. 12

In molti atomi (come nel C) gli spin sono tutti appaiati, uno in opposizione all'altro e quindi si

annullano reciprocamente e il nucleo atomico ha uno spin risultante I uguale a zero. In alcuni

1 13

atomi, però, (come in H e in C) il nucleo possiede uno spin risultante I diverso da zero. Le regole

per determinare lo spin nucleare si possono così riassumere:

12 16

Rientrano nel primo caso C e O che hanno I = 0 e quindi non hanno momento magnetico di

spin e non sono osservabili all'NMR.

1 19 13 31 15

Rientrano nel secondo caso H, F, C, P e N che hanno I = 1/2 e quindi sono osservabili

all'NMR. 2 14

Rientrano nel terzo caso H e N che hanno I = 1 e quindi anche questi sono osservabili all'NMR. 3

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Livelli energetici in un campo magnetico

Quando un nucleo dotato di spin viene immerso in un

campo magnetico, si comporta come l’ago di una

bussola ed è sottoposto ad una coppia di forze che

fanno allineare il suo momento magnetico m al campo

magnetico esterno B . Dato però che il nucleo oscilla

0

come una trottola, il suo momento magnetico non può

essere veramente allineato, ma è allineata la sua

proiezione il cui valore è governato dal numero

quantico m che può assumere i valori da -I a +I con

incrementi di una unità e quindi può assumere (2I + 1)

valori diversi. Per esempio, un nucleo con spin ½ (come

1 H) può avere solo due versi sull’asse B :

0

1 1

= − = +

(discorde) e (concorde).

2 2 2

Un nucleo con spin 1 (come deuterio H) può avere tre

orientazioni con m = -1, 0, +1. 1

Consideriamo ora il caso più semplice, quello con spin ½ di H: i due stati possibili del nucleo non

hanno la stessa energia, ma lo stato con m: +1/2 (allineato al campo) si trova ad energia

leggermente minore di quello con m: -1/2 (opposto al campo).

Come si vede nella figura, il momento magnetico nucleare m non è perfettamente allineato col

campo, ma continua ad oscillare attorno al campo magnetico applicato compiendo un moto

Bo

di precessione simile a quello di una trottola.

Il moto di precessione dei momenti magnetici nucleari avviene con una frequenza proporzionale

alla differenza di energia tra i due livelli detta frequenza di Larmor data dalla formula:

= ∆ = ℎ = ℎ

0 0

2 2

dove γ è il rapporto giromagnetico che dipende dal nucleo in esame. All’aumentare del campo

applicato B , aumenta la frequenza di Larmor e quindi aumenta la differenza di energia tra i due

0 -6 -1

livelli. Poiché la differenza di energia tra i due livelli è piccolissima, dell'ordine di 9 10 kcal mol ,

la popolazione di nuclei nei due stati è praticamente identica con una piccolissima prevalenza per

1

lo stato a bassa energia concorde con il campo. Nel caso dei nuclei di idrogeno H, a temperatura

ambiente, in un campo magnetico di 1,41 Tesla, la frequenza è ν = 60 MHz e abbiamo un nucleo in

più nello stato di bassa energia ogni duecento-mila nuclei, mentre in un campo di 7,05 Tesla, la 4

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frequenza è ν= 300 MHz e abbiamo 5 nuclei in più nello stato di bassa energia ogni duecentomila

nuclei.

Eppure, sono proprio questi pochi nuclei in eccesso allineati con il campo magnetico B quelli che

0

permettono di generare il segnale NMR.

Si noti che in un campo magnetico 5 volte più intenso (7,05 T) c’è una differenza di energia tra i

livelli 5 volte maggiore, quindi una frequenza di Larmor (300 MHz) 5 volte maggiore, un numero

di nuclei in più allineati con il campo 5 volte maggiore e quindi l’analisi 1HNMR ha una sensibilità

e una risoluzione (come vedremo più avanti) 5 volte maggiori.

Assorbimento di energia

Se il campione viene irradiato con una radiazione elettromagnetica di frequenza uguale alla

frequenza di Larmor, ci sarà una interazione della componente magnetica della radiazione con i

momenti magnetici nucleari (anche questi oscillanti alla frequenza di Larmor). L'energia della

radiazione potrà così essere trasferita ai nuclei. Ogni assorbimento di radiazione comporta

un cambiamento di orientazione dello spin nucleare che ruoterà da allineato con il campo ad

opposto al campo. Quando si verifica questa transizione di spin, si dice che i nuclei sono in

risonanza con la radiazione applicata, da qui il nome di Risonanza Magnetica Nucleare, NMR.

Anche nello stato di massima eccitazione, la popolazione dei nuclei nei due livelli permessi sarà 5

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circa uguale, data la piccolissima differenza di energia tra i livelli. Lo stato eccitato sarà solo

leggermente più popolato di quello fondamentale con un rapporto di popolazioni invertito, cioè, in

1

un campo di 7.05 Tesla (300MHz per H ) ci potranno essere 5 nuclei in più nello stato di alta

energia ogni duecentomila nuclei.

Produzione del segnale NMR

Nei primi strumenti NMR l’analisi veniva eseguita irradiando il campione, immerso nel campo

magnetico B , con un fascio di onde radio di frequenza via via crescente in modo da eccitare in

0

sequenza tutti i nuclei in esame e quindi veniva registrata l’entità della radiazione assorbita. Questa

tecnica, però, risulta troppo lenta e non è più utilizzata.

Negli strumenti moderni FT-NMR il segnale viene generato con il metodo ad impulso e la

trasformata di Fourier. Con questa tecnica tutti i nuclei di una specie vengono eccitati

contemporaneamente da un impulso di radiofrequenza che contiene tutto l’intervallo di frequenze

necessario, i dati vengono poi elaborati al computer con la tecnica della trasformata di Fourier.

Per capire come l’impulso a radiofrequenza interagisce con i

nuclei in esame, dobbiamo introdurre un vettore chiamato

Magnetizzazione Macroscopica M che è la risultante di tutti

0

i momenti magnetici nucleari. Dato che esiste un leggero

eccesso di nuclei che si trovano allineati col campo magnetico

B , il vettore M è piccolo e allineato col campo. Chiamiamo

0 0

asse z questa direzione. Se ora il campione viene irradiato

lungo l’asse x con un impulso di radiofrequenza che contiene

anche la frequenza di Larmor dei nuclei in esame (ad es. 1H),

questi assorbono energia e subiscono una transizione di spin.

Si osserva che il vettore Magnetizzazione Macroscopica M

0

ruota allontanandosi dall’asse z per avvicinarsi al piano xy e

inizia un moto di precessione attorno all’asse z

A questo punto si interrompe l’impulso di radiofrequenza emesso dall’oscillatore B1 lungo l’asse

x, ma i nuclei eccitati continuano ad emettere per qualche istante un debole segnale di

radiofrequenza che si spegne nel tempo, una specie di eco del segnale assorbito. Per registrare

questo segnale entra in funzione un circuito ricevente B2 posto lungo l’asse y che ha lo scopo di

misurare l’oscillazione della componente y del vettore M.

La situazione assomiglia a quando, dopo aver gridato di fronte ad una parete rocciosa, restiamo in

silenzio per ascoltare l’eco. L’energia assorbita dai nuclei viene lentamente ceduta come calore 6

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agli atomi vicini a causa di fenomeni di rilassamento spin-reticolo (con i dipoli delle molecole

circostanti) che influenzano la componente Mz, e fenomeni di rilassamento spin-spin (con i nuclei

di idrogeno vicini) che influenzano la componente My. A causa di questa dissipazione di energia, il

vettore M, compiendo delle spirali di precessione attorno all’asse z, si riporta al valore iniziale Mo,

posizione per la quale la componente My è nulla.

Il tempo necessario perché la magnetizzazione Mz venga recuperata per il 66% è detto tempo di

rilassamento T1, ed è di circa un secondo. Nell’indagine NMR in medicina, il tempo di rilassamento

spin-reticolo T1, è indicativo del tessuto nel quale sono immersi gli idrogeni in esame. La durata

t(i) dell’impulso di radiofrequenza deve essere determinata con precisione per produrre un forte

segnale NMR. Se t(i) è tale da piegare Mo di 90°, allora si produce il vettore My massimo. In

genere t(i) è di alcuni microsecondi.

Il segnale raccolto è un segnale oscillante con frequenza ν, la frequenza di Larmor del nucleo in

esame, che si smorza nel tempo e che viene detto FID (Free Induction Decay), libero decadimento

Il segnale raccolto è un segnale oscillante con frequenza ν, la frequenza di Larmor del nucleo in

esame, che si smorza nel tempo e che viene detto FID (Free Induction Decay), libero decadimento

dell’induzione. In figura è illustrato il FID del CH I per l’atomo di idrogeno.

3

Dato che nella molecola CH I tre idrogeni sono tutti equivalenti tra di loro, hanno tutti la stessa

3

frequenza di risonanza. Nel grafico questa frequenza ν è facilmente individuabile dato che la

lunghezza d'onda nel FID, cioè la distanza tra due creste successive, rappresenta il periodo T

dell’onda emessa dagli idrogeni e quindi la frequenza ν si ottiene dalla relazione:

A partire da un grafico in funzione del tempo, il FID, si ottiene così un nuovo grafico in funzione

delle frequenze, chiamato spettro NMR, che mostra la frequenza assorbita e poi emessa dagli

atomi di idrogeno nella molecola CH I:

3 7

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Se il campione contiene nuclei con differenti frequenze di risonanza, questi vengono tutti eccitati

contemporaneamente dall’impulso di radiofrequenza e quindi il segnale FID raccolto è una curva

complessa, chiamata interferogramma, data dalla combinazione di più FID semplici, uno per ogni

frequenza assorbita dai nuclei.

Per poter risalire alle singole frequenze che, combinandosi tra loro, hanno generato il tracciato FID

complesso, è necessario applicare una procedura matematica, detta trasformata di Fourier, che

permette di passare dal grafico in funzione del tempo, il FID, al grafico in funzione delle frequenze,

lo spettro NMR.

Come abbiamo visto esistono due tipi di rilassamento ma questi sono molto paragonabili,

soprattutto in un solvente liquido. Dal principio di indeterminazione di Heisenberg, considerando

anche che a nuclei diversi sono associati tempi di rilassamento diversi, T e T sono paragonabili in

1 2

quanto, essendo tempi relativamente lunghi, avranno un’incertezza nell’energia praticamente

trascurabile.

Se ho un tempo breve di permanenza, l’incertezza sull’energia (frequenza) è elevata. Viceversa,

rimanendo più a lungo in quegli stati, c’è meno incertezza sul ∆E.

La differenza dei tempi in base ai nuclei ci permette di sapere quando inviare nuovamente un

impulso essendo sicuri che i nuclei prima eccitati, siano tutti rilassati.

Preparazione del campione

Per preparare il campione quest’ultimo si deve sciogliere in un solvente che non ha protoni.

Questo perché altrimenti nello spettro vedremmo solo il solvente, essendo presente in quantità,

molto maggiore.

 Viene usato il deuterio (tipo cloroformio deuterato) che non compare nella finestra di analisi

del protone; Tuttavia accade che non si riesce nella realtà a deuterare completamente il solvente,

quindi è opportuno conoscere le frequenze di assorbimento dei solventi come standard degli 8

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spettri, prendendoli come riferimenti da cui far partire la nostra analisi. Compare praticamente

sempre anche lo spettro dell’acqua data l’umidità presente nel campione e nella macchina.

8 10

In conclusione, L’NMR copre un intervallo di frequenza molto breve tra 10 e 10 ma, in questo

piccolo intervallo di frequenza, riusciamo a identificare dal tipo di protone nume