Spettroscopia - spettroscopia nmr

Tabella 4. Valori medi di chemical shift del C per le principali classi di composti organici e gruppi funzionali.

C-CH -NO2 2

C-CH -N2

C=C-CH -C=C2

N-CH -CO-2

-O-CH -CO-2

-O-CH -O-, -Arile2

Relativi al TMS 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -1

CH-Alchile

CH-Alogeno

C-CH-O-

C-CH-N

CO-CH-C=C

CH-Arile,-NR-,-O-

-C≡CH

CH=C-

Ar-H

Alchile-, Arile-CHO

Alchile-OH

Arile-OH

R-COOH

Alchile-SH

Arile-SH

Alchile-NH , Alchile -NH2 2

Arile-NH , Arile -NH2 2

R-CO-NH-R-C=NR’-H-

-CO-NH-CO

Relativi al TMS 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 -113

Tabella 4. Valori medi di chemical shift del C per le principali classi di composti organici e gruppi funzionali.

Relativi al TMS 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

H C-C- primario3

H C-S-3

H C-N3

H C-O-3

-H C-C secondario2

Ciclopropani

-H C-S-2

-H C-N2

-H C-O-2

-H C-Alogeno2

1. CH-C- terziario
2. CH-S-
3. CH-N
4. CH-Alogeno
5. C-C quaternario
6. C-S-
7. C-N
8. CH-O-; C-O-
9. Alchini
10. C=C=C Alleni
11. C=C Alcheni
12. Composti Aromatici
13. Composti Eteroaromatici
14. -S-CN Tiocianati
15. -N=C=S Isotiocianati
16. -O-CN
17. -N=C=O
18. -CN
19. -NC
20. C=N- Azometini
21. (-CO) O Anidridi2
22. -COOR
23. -CONHR
24. (CO) NR Immidi2
25. -COOH
26. -COCl
27. -CHO
28. >C=O, >C=O coniugato

Relativo al TMS 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

Alchini

C=C=C Alleni

C=C Alcheni

Composti Aromatici

Composti Eteroaromatici

-S-CN Tiocianati

-N=C=S Isotiocianati

-O-CN

-N=C=O

-CN

-NC

>C=N- Azometini

(-CO) O Anidridi2

-COOR

-CONHR

(CO) NR Immidi2

-COOH

-COCl

-CHO

>C=O, >C=O coniugato

Relativo al TMS 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

6. Architettura di uno Spettrometro.-Un moderno spettrometro è costituito da due parti principali: il magnete e la consolle (fig. 7). Il magnete superconduttore (fig. 8) è formato da due vasi di dewar concentrici, l'uno nell'altro, quello più interno contiene, immerso in

elio16liquido (-269°C), il solenoide superconduttore che genera il campo magnetico, quello esterno contiene azoto liquido (-196°C) in modo da creare, con l’ausilio di-7 mm/Hg), una barriera una terza camera in cui è stato praticato vuoto spinto (10 con l’esterno per ridurre al minimo l’evaporazione dell’elio liquido. Il dewar è collegato all’esterno con appositi condotti (fig. 9) provvisti di valvole di ritegno che consentono i rabbocchi dei gas liquidi.

Figura 7. Schema di un assemblaggio dei componenti di un ospettrometro.

La consolle rappresenta la zona gestionale dello strumento, essa contiene l’elettronica, la sorgente di radiofrequenza e l’impulsatore, il ricevitore di radiofrequenza e l’interfaccia che trasferisce i dati ad un computer che, attraverso un software adatto, li elabora.

Figura 8. Pianta del dewar di un superconduttore

Vuoto Elio Liquido Azoto Liquido Contenitore e supporto Bobina superconduttore

Figura 9.

La radiazione di radiofrequenza (RF.), generata dal sintetizzatore dello strumento, viene inviata, attraverso un cavo con doppia schermatura, alla bobina che circonda il campione, (Fig. 12). Nella figura 12b) sono visibili i condensatori variabili che consentono di accordare la frequenza che irraggia i nuclei. Tale operazione deve essere effettuata all'inizio di ciascun esperimento per evitare si acadute di potenza che la formazione di onde stazionarie nel sistema. Nella figura 10 è mostrato un Probe dell'ultima generazione, funzionante in vapori di elio liquido (-250 °C) in grado di aumentare di circa 4 volte il rapporto S/N di un normale spettrometro. Figura 10. Un moderno probe Magnet CryoCooling He (g) BRUKER (Cold) Transfer Line He (g) Water Chiller (Warm) Vacuum Line (opt.) TM CryoProbe Transfer Line Support He (g) Cylinder 20 Figura 11. Schema di controllo di temperatura variabile Campione Probe Temp Aria dry o Monitor azoto Controllo Controller Linea di temp. azoto liquido Computer

Figura 12. Bobine a sella rice-trasmittenti RF

Spettrometro

Spettroscopia NMR ad impulso.

Per ottenere uno spettro esistono due tecniche fondamentalmente diverse: quella ad onda continua (CW) e quella impulsiva a trasformata di Fourier (FT). I dati spettroscopici che si ottengono da entrambe le tecniche sono assolutamente simili. Quella più largamente utilizzata è quella impulsiva che, come descritto in seguito, offrendo enormi vantaggi, rappresenta l'unica usata sia per l'H che per i restanti nuclei, con spettrometri operanti da 90 a 900 MHz. L'osservazione ad onda continua è relazionabile, non tanto a quegli spettrometri i cui magneti operavano a campi compresi tra 5000 e 24000 Gauss, bensì al loro sistema di trasmissione di radiofrequenza a bassa potenza e al modo di porre in risonanza una frequenza alla volta e registrare contemporaneamente su carta come un grafico di intensità su frequenze. Ciò comporta un enorme

dispendio di tempo (circa 2’ per spettro) e,data la scarsa riproducibilità dei segnali non è possibile né accumulare piùscansioni né analizzare gli eventuali dati raccolti. Un moderno strumentoimpulsivo a trasformata di Fourier (PFT) consente di mettere contemporaneamentein risonanza tutte le frequenze di interesse con un impulso di radiofrequenza moltopotente di quello ad onda continua (250 W circa, a seconda del tipo di nucleo inDopodichéesame) e molto breve (μsec). resta da attendere (di solito pochi secondi)che l’eccesso di energia venga disperso dal sistema di spin attraverso processi dirilassamento, prima di un altro impulso a RF. E’ possibile con tale tecnicaaccumulare molti transienti a beneficio della scarsa sensibilità della metodica esoprattutto di quei nuclei meno abbondanti. Qui di seguito si riporta uno schemaper l’acquisizione di singoli transienti e immaginando di esaminare un solo nucleo

più nuclei equivalenti. Figura 13 nPW t acquisizione d1 1d tempo di pausa comprendente impulso e acquisizione (0,1-10 sec)1 = )PW = tempo dell’impulso di RF (μsect tempo di acquisizione nella memoria del computer (1-5 sec)1 = Nella figura 14 è rappresentato il vettore B che è riferito come la fig. 130ad un solo nucleo o a più nuclei con uguale spostamento chimico. In condizione diequilibrio termico, il vettore B ruota, con moto detto di precessione intorno alla0direzione del campo magnetico principale B , con velocità angolare che è data da0ω = γB . Per semplificare la rappresentazione sia grafica che matematica del0comportamento del vettore magnetizzazione, si considera un sistema di assicartesiani che ruota con lo stesso moto di precessione. Nella Figura 14b B0coincide con l’asse Z, ed è parallelo al campo magnetico applicato. 23Figura 14. Vettore magnetizzazione di un singolo nucleoBo a) In presenza di

campo magnetico Boω zBo zMo 90°y yx xb) Nel sistema di riferimento rotante c) Dopo un impulso di 90°xz zMz MzMy Myy yxx d) e)Ritorno graduale all'equilibrioApplichiamo una radiofrequenza, in risonanza con il nucleo inintorno all'asse X di 90°.osservazione, in forma impulsiva, che faccia ruotare B 0Terminato l'impulso, il vettore è sul piano XY e genera una risposta nelle bobinedel ricevitore dello strumento. Poiché il campo B è sempre presente, il vettore0tende a disporsi nella direzione dell'asse Z per raggiungere di nuovo l'equilibrio.La sua componente B diminuisce, mentre la componente Bz aumenta fino aYraggiungere la condizione di equilibrio. 24Facendo riferimento alla tipica sequenza di impulsi di Figura 13 (PW,t1,d1) ed allostato dopo l'impulso PW, la diminuzione della componente My viene osservatadurante il tempo t1. Rilassamento, T , T ed effetto NOE1 2Con la tecnica ad impulso si eccitano

contemporaneamente un insieme di γ nuclei della stessa specie, ovvero caratterizzati dallo stesso Accettiamo per il momento senza prove che l' eccitazione di un certo nucleo, ovvero il mutamento della distribuzione degli spin nucleari, sia rappresentabile mediante lo spostamento M dalla sua condizione di equilibrio lungo l'asse Z del vettore magnetizzazione.

Questo moto implica l' esistenza di una componente vettoriale Mxy, rotante nel piano xy, e detta magnetizzazione trasversale. La presenza di questo vettore induce un segnale elettrico in una spira che è posta attorno al campione montata con il suo asse longitudinale nel piano xy. È lo stesso fenomeno che si registra quando il piccolo magnete ruota all' interno di una spira ai cui capi è collegato un galvanometro. Questo voltaggio indotto, o meglio, il suo comportamento nel tempo è chiamato FID (Free Induction Decay). Il nome indica che il voltaggio del segnale decade col tempo, proprio come