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Risonanza Magnetica Nucleare

Appunti di analisi dei medicinali 3 sulla RMN: tecnica strumentale, descrizione e funzionamento basati su appunti personali del publisher presi alle lezioni del prof. Manfroni dell’università degli Studi di Perugia - Unipg. Scarica il file in formato PDF!

Esame di Analisi dei medicinali III docente Prof. G. Manfroni

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Anche in questo caso la distanza tra i livelli energetici è dipendente dal campo magnetico esterno applicato

e la distribuzione della popolazione è dettata dall'equazione di Boltzmann.

Quindi per poter registrare uno spettro RMN con maggiore semplicità è necessario applicare un campo

magnetico esterno B più forte possibile in quanto il ΔE e cioè distanza energetica tra i due livelli, parallelo e

0

antiparallelo, deve essere il più elevato possibile.

Altro protagonista importante dell’RMN è la radiazione elettromagnetica. Infatti, per poter osservare un

fenomeno di risonanza magnetica nucleare (dopo che il nucleo è stato sottoposto ad un campo magnetico

esterno forte e si è distribuito secondo i due livelli parallelo è antiparallelo), dobbiamo accendere una

sorgente luminosa che emette radiazioni che cadono nella zona delle radio frequenze. Queste radiazioni

andranno a colpire i nuclei α che hanno lo spin parallelo al campo magnetico esterno B (popolazione più

0

abbondante e a più bassa energia) e osserverò il fenomeno di RMN solo se l’onda elettromagnetica avrà

una frequenza che è perfettamente identica alla frequenza di rotazione del nucleo. Questa frequenza è

detta frequenza di Larmor (v ).

0

Quindi ho un nucleo che viene sottoposto ad un campo magnetico esterno che è associato ad una velocità

angolare omega ω (ω =ϒ*B ) e a questa velocità angolare è associata una frequenza di rotazione v (v =

0 0 0 0 0

ϒ*B /2π). Quando colpisco il nucleo con questa frequenza si ha assorbimento e si avrà che il nucleo

0

assorbendo la radiazione sarà eccitato e di conseguenza una parte della popolazione α invertirà la sua

rotazione cioè invertirà lo spin e quindi da α passerà a β. Però non invertiranno lo spin tutti i nuclei, ma

soltanto quelli che sono distribuiti nella popolazione α poiché quelli in β sono già invertitie e i noltre la

migrazione dei nuclei da α a β riguarda soltanto i nuclei che in α sono in eccesso rispetto in β. Se migrano

tutti i nuclei da α a β, invece, non si vedrà più il segnale.

PROCESSO DI RILASSAMENTO DEI PROTONI

Il processo di rilassamento dei protoni è un processo di tipo non radiativo, che non emette fotoni, che

permette ai protoni che sono passati da α a β e quindi si sono eccitati ed hanno dato luogo a RMN, di

ritornare allo stato fondamentale, da β ad α. Quando i protoni α in eccesso passano alla popolazione β si

arriva ad uno stato di equilibrio del sistema che permette di osservare il fenomeno della RMN. A questo

punto servono processi di rilassamento che mi permettono di far ritornare il sistema allo stato iniziale, con

un eccesso di popolazione in α rispetto a β, in modo da poter eccitare e rilassare il sistema più volte .

Esistono due tipi di processi di rilassamento ovvero rilassamento spin-reticolo (o longitudinale) e il

rilassamento spin-spin (o trasversale).

Nel RILASSAMENTO SPIN-RETICOLO osservo un decadimento esponenziale del primo ordine che avviene al

tempo T e si manifesta o con innalzamento della temperatura o con variazioni rotto vibrazionali. Cioè il

1

nucleo per tornare dal livello β al livello α o dissipa l'energia acquisita sottoforma di innalzamento della

temperatura oppure inducendo i legami della molecola in cui è contenuto il nucleo a vibrare e muoversi

dando luogo a variazioni rotto vibrazionali. Il tempo T di rilassamento è importantissimo in quanto ci dice il

1

tempo necessario affinché il nucleo torna dallo stato eccitato allo stato fondamentale α e può essere

nuovamente eccitato.

Nel RILASSAMENTO SPIN-SPIN invece sono coinvolti due nuclei, cioè il rilassamento di un nucleo avviene a

discapito di un altro nucleo. Una volta che un nucleo ha dato luogo ad inversione di spin può fare eccitare

un nucleo vicino dal punto di vista spaziale cedendo la sua energia a questo nucleo e quindi lui si rilassa

(ritorna in α) e l'altro nucleo si eccita. In questo caso si parla di tempo T importante in quanto definisce il

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grado di eccitabilità dei protoni e dà altre informazioni complesse. Il tempo T il tempo T sono

1 2

fondamentali per l’acquisizione e registrazione del spettro NMR e infatti questi due vengono inseriti

durante il settaggio dello strumento. 3

Vediamo adesso come possiamo distinguere due nuclei identici ma con natura chimica diversa. Bisogna

infatti tenere conto anche della nube elettronica contenuta nelle molecole, che può influenzare il

fenomeno di RMN. Infatti, se ho un nucleo e lo sottopongo ad un campo magnetico esterno forte B , non si

0

muoverà soltanto il nucleo dando luogo a rotazione, ma si muoveranno anche gli elettroni generando delle

correnti circolari che producono a loro volta un campo magnetico indotto che è sempre opposto al campo

magnetico esterno B . Dobbiamo perciò introdurre due effetti che influenzano gli elettroni e cioè L’EFFETTO

0

INDUTTIVO e L’EFFETTO ANISOTROPO.

L'EFFETTO INDUTTIVO è legato all'elettronegatività e quindi un atomo può essere elettron-attrattore o

elettron-donatore in funzione della propria elettronegatività. Questo effetto è importante perché mi dà

indicazioni sulla densità elettronica intorno ad un determinato nucleo. Se io H-O oppure H-C e vado a

registrare la RMN avrò che l’elettronegatività influenzerà la registrazione. Gli elettroni generano sempre un

campo magnetico indotto che è opposto al campo magnetico esterno B ma i due idrogeni H-O e H-C sono

0

sottoposti allo stesso campo magnetico effettivo oppure no? Innanzitutto posso notare la diversa

elettronegatività di O e C legati ad H, in cui O è più elettronegativo e quindi attira a sè più elettroni e

l'idrogeno ne sarà impoverito. Quindi, il campo magnetico indotto dagli elettroni di H che è stato

impoverito da O sarà molto inferiore rispetto al campo magnetico indotto dallo stesso protone H quando è

legato a C che non è elettronegativo. Quindi il protone sarà sottoposto ad un campo magnetico effettivo

diverso a seconda dell'atomo a cui è legato se è più o meno elettronegativo. Quindi i nuclei identici che

hanno un intorno chimico diverso, cioè una densità elettronica diversa, risuonano a valori di frequenza e di

campo magnetico diverso e quindi è come se fossero nuclei diversi.

Parliamo quindi di campo magnetico effettivo B per un dato protone che è:

eff

dove B è il campo magnetico esterno applicato a cui è stato sottratto , dove sigma è detta costante

0

di schermo, valore proprio per ciascun protone legato ai diversi atomi che varia in funzione della densità

elettronica del protone stesso. La costante di schermo sarà quindi più elevata nel legame H-C perché

questo protone sarà sottoposto ad un campo magnetico indotto dagli elettroni maggiore rispetto quello

indotto del legame H-O dove H è impoverito dall'ossigeno.

Quindi la frequenza di risonanza effettiva applicando l'equazione fondamentale di RMN diventa:

Però non è possibile calcolare la costante di schermo σ quindi dobbiamo introdurre un altro parametro,

direttamente proporzionale a σ, che è chiamato spostamento chimico o chemical shift. Ogni nucleo avrà

una costante di schermo diversa che dipenderà dagli e dagli elettroni intorno al nucleo.

Dato che non posso calcolare la costante di schermo e grazie al fatto che esiste una relazione tra frequenza

e campo magnetico, possiamo costruire una scala relativa dove posizionare i protoni in funzione della loro

costante di schermo, ma senza indicarla in modo esplicito. Questo lo si fa rispetto ad una molecola di

riferimento che è il tetrametilsilano, TMS, che ha una massima costante di schermo, cioè quella dei protoni

nella legati al carbonio legato a sua volta al silicio. Questi protoni hanno la più alta costante di schermo e

questo significa che rispetto a tante le altre molecole organiche questi avranno una più elevata densità

elettronica e quindi possiamo dire che il TMS, essendo il composto con costante di schermo più alta, dà uno

spostamento chimico pari a zero e lo imponiamo come punto di riferimento.

Rispetto al TMS, tutti i protoni che hanno una costante di schermo più bassa saranno spostati verso valori

di spostamento chimico positivi rispetto il TMS, mentre tutti i protoni che hanno una costante di schermo

più alta del TMS avranno uno spostamento chimico negativo. Però il 97-98% delle molecole organiche oggi

conosciute contengono protoni che hanno uno spostamento chimico positivo e cioè i valori di costante di

schermo più bassi dei protoni del TMS. 4

Si è scelto come riferimento il TMS perché, innanzitutto ha un più alto valore di costante di schermo, ha poi

12 protoni che sono tutti equivalenti che hanno quindi la stesso valore di costante di schermo, è un liquido

volatile e può essere allontanato facilmente dal campione, è chimicamente inerte e non reagisce con altre

sostanze, non è corrosivo ed è poco tossico.

il chimica shift o spostamento chimico, indicato con delta , lo possiamo calcolare ed è uguale a:

è dato dalla differenza tra la frequenza del protone H del campione meno la frequenza del TMS diviso la

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frequenza alla quale lavora lo strumento, tutto moltiplicato per il fattore di conversione 10 (lo strumento

lavora in MegaHertz, mentre le frequenza del campione e del TMS sono date in Hertz).

Un aspetto importante è che il chemical shift non cambia al variare della campo magnetico applicato o al

variare della frequenza o della natura chimica del protone, ma dato che è un rapporto tra frequenze rimane

costante. Quindi io posso utilizzare il chemical shift per identificare determinati tipi di protone. Ad esempio,

un protone aldeidico ha un chemical shift compreso tra 6-8 ppm (parti per milione), rispetto al TMS dove è

pari a zero. Tuttavia è importante lavorare a valori di campi magnetici più alti possibili o a frequenze più

alte possibili per due motivi, il primo motivo è per la divergenza dei due livelli energetici e tanto maggiore è

il campo magnetico tanto maggiore sarà ΔE esistente tra la popolazione α e β e quindi il segnale elettrico

che ne consegue sarà di maggiore intensità e più semplice da registrare. Il secondo motivo è che lavorare a

valori di campo magnetico via via più elevati e quindi a frequenze più elevate è importante perché cambia

la risoluzione dello spettro. Se passo da 60 MHz a 100 MHz osserverò che cambia il numero di frequenze

contenute per unità di ppm. Cioè se uso uno strumento che lavora 60 MHz questo produce 60 frequenze

per unità di ppm, se invece lavora frequenza di 100 MHz il numero di frequenze prodotte nell'unità di ppm

aumenta a 100 da 0 a 1 ppm e così via progressivamente all'aumentare della frequenza dello strumento.

Quindi si ha una dilatazione della scala dei chimical shift, dove i protoni saranno sempre posizionati allo

stesso valore di chemical shift, ma dilatandosi la scala aumenta la risoluzione dello spettro e quindi potrò

distinguere meglio i picchi prodotti e di conseguenza potrò interpretare con più facilità lo spettro.

Quindi i protoni che si trovano più vicini al TMS sono quelli che hanno la costante di schermo più elevata e

più basso chemical shift e sono detti SCHERMATI rispetto il TMS, mentre quelli più lontani hanno una

costante di schermo più bassa, un più elevato chemical shift e sono detti DESCHERMATI rispetto il TMS.

Se ad esempio abbiamo un protone H che è vicino all'ossigeno O, come nell'etanolo (CH3CH2OH), il CH2

sarà sicuramente quello più a sinistra dello spettro in quanto è più vicino all'ossigeno che è elettronegativo

e che per effetto induttivo è elettron-attrattore e quindi O tira gli elettroni dal C che a sua volta li tira da H

-

e quindi quei protoni (del CH2) saranno meno ricchi di carica elettronica (di e ) e di conseguenza avranno

una più bassa costante di schermo e più elevato chemical shift e sono deschermati.

I protoni deschermati, con chemical shift più alto, risuoneranno a frequenze di risonanza via via maggiori e

danno luogo a RMN a valori di campo magnetico effettivo più basso. Invece i protoni schermati, con

chemical shift che diminuisce (in cui i protoni si avvicinano al TMS), risuonano a valori di frequenza via via

più bassa e a campi magnetici effettivi invece più elevati (e cioè avrò bisogno di un campo magnetico più

forte per mandarli risonanza). Questo perché più è alta la costante di schermo, più aumenta σ*B e avrò

0

bisogno di più campo magnetico per la risonanza. Quindi in RMN esistono protoni schermati e protoni

deschermati per effetto induttivo o per effetto anisotropo.

Il TMS ha costante di schermo pari a zero, ma dove si posizionano gli altri protoni rispetto ad esso?

I protoni delle catene alifatiche sono protoni che hanno un elevato valore di costante di schermo e quindi si

dice che sono schermati. Man mano però che aumenta la catena alifatica e la ramificazione che succede al

chemical shift? In teoria gli alchili danno un effetto induttivo elettron-donatore sul C che a sua volta lo dà su

H. Quindi, aumentando le ramificazioni dovrebbe aumentare la costante di schermo in quanto aumenta la

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densità elettronica sul carbonio e poi sull'idrogeno e aumentando la costante di schermo i protoni

dovrebbero essere sempre più schermati. In realtà i protoni sono leggermente deschermati. Perché?

Perché in RMN sull'effetto induttivo elettron-donatore del carbonio prevale l'elettronegatività globale che è

dettata dalla somma delle elettronegatività dei C quando sono legati ad uno stesso atomo di C che a sua

volta è legato ad H. Quindi in RMN prelevare l'effetto globale elettron-attrattore e non l'effetto elettron-

donatore del singolo carbonio, per cui osserverò un effetto di deschermo invece che di schermo. I H

verranno impoveriti di elettroni e risuoneranno a valori di campo magnetico più bassi in quanto è più bassa

la costante di schermo e sarà più alto il chemical shift.

Grazie ai valori di chemical shift posso quindi riconoscere nello spettro RMN il tipo di protone.

Vediamo adesso l’EFFETTO ANISOTROPO. Un altro motivo per cui il chemical shift può variare è la natura

degli atomi X a cui è legato il protone, H-X.

L'anisotropia dipende praticamente dalla orientazione che un determinato legame (H-X) ha rispetto il

campo magnetico applicato B , che per convenzione si muove sempre dal basso verso l'alto. I legami

0

possono disporsi nello spazio rispetto al campo magnetico applicato secondo due orientazioni che sono

dette orientazioni magneticamente prevalenti, una perpendicolare a B l’altra parallela a B . In tutti e due i

0 0

casi verrà prodotto un campo magnetico da parte degli elettroni di X che è sempre opposto al campo

magnetico esterno B m che ha un effetto completamente diverso.

0

Nel primo caso, quando il legame H-X si dispone perpendicolarmente rispetto a B , il campo magnetico

0

indotto prodotto dagli elettroni di X produce un effetto magnetico su protone H che stiamo analizzando. Il

campo magnetico effettivo al quale sarà sottoposto il protone H sarà maggiore rispetto B e di conseguenza

0

avrò bisogno di meno campo magnetico esterno (controllo questo valore dall’esterno) per portare quel H in

risonanza. Lavoreremo quindi a valori di B più bassi, le frequenza e il chemical shift saranno più alti. Quindi

0

osserverò un effetto di deschermo del protone nel legame H-X rispetto al TMS dovuto all’anisotropia del

legame (cioè al comportamento magneticamente prevalente del legame rispetto a B ).

0

Nel secondo caso si ha l’effetto opposto, cioè quando il legame H-X si dispone parallelamente rispetto a B ,

0

il campo magnetico indotto prodotto dagli elettroni di X si oppone al campo magnetico esterno B e quindi

0

il protone H sarà sottoposto ad un campo magnetico effettivo che è minore di B , e per questo dovrò

0

lavorare a valore di campo magnetico esterno B maggiore (controllato dall’esterno) e il protone sarà

0

schermato. Vediamo l’effetto dell’anisotropia nei vari casi.

- doppio legame: tutti i doppi legami hanno disposizione magneticamente prevalente che è perpendicolare

a B , quindi i protoni che si trovano sul piano del doppio legame (quando non è sostituito) saranno tutti

0

deschermati, questo perché i protoni che si trovano sul piano del doppio legame risentiranno del campo

magnetico effettivo che è maggiore di B e quindi avrò bisogno di meno campo magnetico applicato

0

dall’esterno e questo comporta un effetto deschermante. Se però ho una molecola molto complessa e

alcuni protoni di questa molecola si dispongono sopra e sotto il piano, questi saranno schermati. Quindi

un doppio legame produce deschermo sul piano e schermo sotto sopra o sotto il piano. Questo dipende

dalla sua anisotropia e cioè dal fatto che il doppio legame, una volta sottoposto ad un campo magnetico

esterno si distribuisce secondo una distribuzione magneticamente prevalente che è perpendicolare a B e

0

produce un campo magnetico indotto dagli elettroni (che è sempre opposto a B ) che fa sì che sul piano i

0

protoni risentono di un campo magnetico maggiore a B mentre sopra e sotto il piano risentiranno di un

0

campo magnetico inferiore a B .

0

- triplo legame: tutti i tripli legami quando vengono colpiti da un campo magnetico forte B si disporranno

0

secondo una distribuzione magneticamente prevalente che è parallela al campo magnetico esterno B . Gli

0

elettroni iniziano a muoversi generando un campo magnetico indotto (sempre opposto a B ) e in questo

0

caso osserverò che i protoni che si trovano sul piano del triplo legame verranno schermati e hanno

chemical shift più bassi, mentre i protoni che si trovano sopra e sotto il triplo legame saranno

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DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in farmacia (a ciclo unico - 5 anni)
SSD:
Università: Perugia - Unipg
A.A.: 2015-2016

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher sarahlog di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Analisi dei medicinali III e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Perugia - Unipg o del prof Manfroni Giuseppe.

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