La Spettroscopia
Il nome spettroscopia deriva dal latino spectrum che vuol dire immagine. Questa
disciplina racchiude in sè l’insieme delle tecniche, dette appunto spettroscopiche,
attraverso le quali è possibile ottenere informazioni sulle proprietà strutturali dei
corpi, studiando l’interazione della materia con l’energia elettromagnetica.
In opportune condizioni sperimentali, il campione di una sostanza è capace di
emettere, assorbire o diffondere radiazioni elettromagnetiche di frequenza
caratteristica. L'analisi spettrale che ne deriva consente di rivelare nel campione preso
in esame la presenza di piccolissime quantità di ogni elemento chimico e di molti
composti chimici, o determinati gruppi di atomi contenuti in molecole molto
complesse; in altri termini lo spettro prodotto da una data sostanza è strettamente
legato alla natura e ai legami chimici dei costituenti della sostanza, tanto da poter
essere considerato come una specie di “impronta digitale” della sostanza. Il
diagramma della intensità della radiazione emessa o assorbita o diffusa dal campione
in funzione della frequenza si chiama spettro, rispettivamente di emissione o di
assorbimento o di diffusione. A seconda che il campione sia allo stato atomico o
molecolare si parla di spettroscopia atomica o molecolare.
Lo Spettro Elettromagnetico
La radiazione elettromagnetica è una forma di energia che si propaga attraverso lo
spazio ad altissima velocità. Essa si può presentare sotto forme diverse, le più comuni
delle quali sono la luce ed il calore radiante. Altre forme, meno comuni,
comprendono i raggi gamma, i raggi X, l’ultravioletto, le micronde e le radiazioni a
radiofrequenza. L´insieme delle radiazioni elettromagnetiche costituisce lo spettro
elettromagnetico.
La radiazione elettromagnetica (e.m.)
La radiazione e.m. può essere trattata secondo due punti di vista.
La e.m. è, dal punto di vista dell'elettromagnetismo classico, un fenomeno
ondulatorio dovuto alla contemporanea propagazione di perturbazioni periodiche di
un campo elettrico e di un campo magnetico, oscillanti in piani tra di loro ortogonali
(teoria ondulatoria).
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Le caratteristiche della radiazione, in quanto onda, sono:
a) la lunghezza d´onda, che fisicamente rappresenta la lunghezza di una
oscillazione completa. E' definita come la distanza tra due punti dell’onda aventi la
stessa fase. Il modo più semplice per rappresentare la lunghezza d’onda, è
considerare la distanza tra due creste successive (massimi) o tra due valli successive
(minimi), equivalenti sia in termini di direzione sia di propagazione, che di
posizione. Questa distanza può essere espressa in metri, centimetri, microns,
nanometri o Angstrom.
b) la frequenza per un’onda che viaggia attraverso un punto nello spazio è pari al
numero di onde complete che passano per quel punto in un determinato intervallo di
tempo. Così, la frequenza è indicata di solito come il numero di cicli che passano in
un secondo. L’unità di misura della frequenza è 1/sec ed è detta Hertz.
c) numero d’onda (reciproco della lunghezza d’onda).
Queste grandezze sono correlate tra loro nel seguente modo, c=in cui
c(=2,99792*108 m/s) rappresenta la velocità’ con cui le onde elettromagnetiche
viaggiano attraverso lo spazio ed e’ nota come velocita´ della luce. Poiché c è una
grandezza costante, si può risalire alla frequenza di una radiazione e.m.
conoscendone la lunghezza d’onda e viceversa.
Il carattere ondulatorio della radiazione si manifesta in fenomeni come
l’interferenza e la diffrazione, ma invece per fenomeni come l’effetto fotoelettrico è
conveniente descrivere la radiazione come un flusso di particelle, o quanti di energia
radiante. Secondo il modello corpuscolare, la radiazione è costituita da un fascio di
particelle (fotoni o quanti) che si propagano in modo rettilineo con moto sinusoidale
2
di frequenza . Ciascun fotone è dotato di un’energia E=hdove h = 6.2810-34 J s
(costante di Planck). Il numero di fotoni che formano il fascio di radiazioni determina
l’intensità della radiazione. L'energia di un fascio di fotoni dipende quindi dal loro
numero. La radiazione elettromagnetica, come del resto tutte le forme d’energia, non
è distribuita in modo continuo ma in modo quantizzato. Ciò rappresenta un punto
d’unione tra la teoria corpuscolare e la teoria ondulatoria. Infatti, è vero che la
radiazione elettromagnetica si propaga ondulatoriamente e risponde a tutti i fenomeni
fisici della fisica ondulatoria (diffrazione, rifrazione), ma è anche vero che trasmette
l’energia secondo pacchetti discreti.
Per comprendere meglio la spettroscopia ed i processi relativi allo scambio di
energia tra radiazione e.m. e materia è utile rifarsi alla natura corpuscolare della
radiazione.
Interazione radiazione-materia
Nella fisica classica l’energia di un sistema corrisponde ad un continuo, e di
conseguenza se si definiscono le condizioni iniziali del sistema e la legge del suo
movimento (es. E=1/2 mv2), il sistema assume, nei diversi tempi, tutti i possibili
lavori dell’energia. La fisica quantistica invece, nega la possibilità di avere qualunque
energia. Secondo la fisica quantistica, una molecola viene descritta come un sistema
avente diversi valori possibili quantizzati di energia, per esempio rotazionale in virtù’
della rotazione intorno al suo centro di massa, vibrazionale per gli spostamenti
periodici degli atomi dalla loro posizione di equilibrio, elettronica poiché’ gli
elettroni intorno all’atomo o quelli di legame sono in continuo movimento.
L'energia di una molecola (elettronica, vibrazionale, rotazionale) e di un
atomo (elettronica) non variano in modo continuo ma sono quantizzate, ossia
una molecola o un atomo possono esistere solo in determinati stati energetici.
Ad esempio, una molecola può esistere in differenti stati elettronici, ciascuno di essi
caratterizzato da una certa configurazione elettronica. La configurazione a più basso
contenuto di energia è lo stato elettronico fondamentale. Qualsiasi altra
configurazione corrisponde ad uno stato eccitato. La differenza di energia tra due
stati elettronici contigui è dell’ordine di 10-102 kcal/mole. Questa differenza è molto
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grande, per cui le molecole tendono ad occupare esclusivamente lo stato elettronico
fondamentale. Tra due stati elettronici contigui non esistono stati intermedi, quindi la
molecola non può assumere valori di energia elettronica intermedi (l'energia è
quantizzata)
Quando una radiazione elettromagnetica interagisce con la materia possono
verificarsi diversi fenomeni, tutti riconducibili al succedersi, più o meno rapido, di
due fondamentali eventi:
un trasferimento di energia dalla radiazione alla materia (eccitazione) cui segue la
completa restituzione di energia sotto diverse forme (rilassamento).
A temperatura ambiente, atomi e molecole si trovano in genere nel rispettivo stato
fondamentale, cui corrisponde la minima energia; tuttavia, quando vengono
sollecitati da una opportuna quantità di energia, passano in uno stato eccitato, cui
corrisponde una maggiore energia. Lo stato eccitato non è stabile e dura per tempi
brevissimi perché atomi e molecole tendono a ritornare quasi istantaneamente nello
stato di partenza, restituendo all'ambiente l'energia assorbita.
L’interazione della materia con la radiazione si può schematizzare semplicemente
con le due seguenti equazioni:
Assorbimento:
Molecola + h Molecola*
Emissione:
Molecola* Molecola + h
in cui l’asterisco indica che la molecola è ad un livello quantico di energia maggiore.
Il trasferimento di energia di un fotone ad una molecola o atomo avviene per quanti:
un fotone non può cedere solo una parte della propria energia alla molecola: o la cede
tutta, oppure niente. D'altra parte, la molecola non può acquistare energia se il nuovo
contenuto energetico totale che si troverebbe ad avere non corrisponde a nessun
livello possibile (abbiamo detto prima che l'energia della molecola è quantizzata; tra
due livelli contigui generici, es. 1 e 2, non esistono altri possibili livelli, quindi la
molecola può avere il contenuto energetico totale che compete al livello 1, o quello
che compete al livello 2. Non sono possibili contenuti energetici intermedi).
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Da quanto detto, si evince che un fotone può trasferire la propria energia alla
molecola solo se questa è uguale alla differenza di energia tra due livelli
possibili della molecola. In altri termini, se si irradia una molecola con un
fotone di energia E = h pari alla differenza tra il livello in cui si trova la
molecola e il livello di un suo possibile stato eccitato, la molecola può assorbire il
fotone e compiere una transizione passando nello stato eccitato.
Efotone = h = Estato eccitato - E stato fondamentale = E
Una molecola per esempio può compiere transizioni elettroniche, cioè passaggi dallo
stato elettronico fondamentale al primo stato eccitato (più correttamente si tratta di
transizioni vibroelettroniche, poichè dallo stato vibrazionale fondamentale associato
allo stato elettronico fondamentale si può arrivare ad uno qualsiasi degli stati
vibrazionali associati al primo stato elettronico eccitato) oppure transizioni
vibrazionali, cioè passaggi dallo stato vibrazionale fondamentale al primo stato
vibrazionale eccitato, v = 1 (più raramente al secondo stato vibrazionale eccitato, v =
2). Per compiere transizioni elettroniche, la molecola deve assordire l'energia
trasmessa da radiazioni appartenenti al campo del visibile-ultravioletto (spettroscopia
UV-Vis), mentre le transizioni vibrazionali avvengono per interazione con radiazioni
della zona dell'infrarosso (spettroscopia IR) (Figura 1).
Figura 1 Rappresentazione della distribuzione dei livelli energetici di una molecola
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Lo spettro d´assorbimento
Abbiamo detto che quando un atomo o molecola assorbono energia, viene
promossa una transizione da un livello di energia più basso ad uno più alto.
Immaginiamo di avere a disposizione tanti fasci di fotoni di frequenza 1, 2, 1,
.....n di intensità I01, I02, I03,....I0n. Inviamo uno alla volta questi fasci di fotoni su un
campione di N molecole e misuriamo quindi l'intensità del fascio che emerge dal
campione, I1, I2, I3,....In.
I casi sono due:
1. la frequenza del fascio di fotoni incidente non corrisponde a nessuna transizione
possibile per le molecole in esame. In tal caso, l'intensità del fascio in uscita dal
campione (I) sarà identica a quella del fascio in entrata (I0) in quanto nessun fotone è
stato assorbito (I0 = I);
2. la frequenza del fascio di fotoni incidente corrisponde ad una transizione
possibile: un certo numero di fotoni sarà assorbito, in relazione alla probabilità di
transizione e al numero di molecole presenti, e quindi l'intensità della radiazione in
uscita (I) sarà minore di quella in entrata (I0).
Ora costruiamo un grafico che porti in ascisse una grandezza legata alla natura
della radiazione (solitamente la lunghezza d'onda nella spettroscopia elettronica e il
numero d’onda nella spettroscopia vibrazionale) e in ordinata una grandezza legata
alla variazione di intensità della radiazione. Un tale grafico si chiama spettro. Gli
elementi caratteristici dello spettro sono la linea base, costituita dall'insieme dei punti
di ordinata zero corrispondenti a tutte le frequenze1 non assorbite, e i picchi di
assorbimento, ciascuno corrispondente ad una frequenza assorbita (Figura 2).
1
Nel gergo comune una radiazione di frequenza si indica semplicemente con il termine
frequenza .
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Figura 2. Rappresentazione di uno spettro d'assorbimento
In genere, anzichè picchi si possono avere bande di assorbimento, costituite
dall'inviluppo di picchi vicini e non risolti. Analizzando la qualità delle frequenze
assorbite e la quantità dell’assorbimento è possibile trarre indicazioni sulla struttura
della molecola.
Le tecniche spettroscopiche d´assorbimento molecolare che vedremo sono la
Spettroscopia Ultravioletto-Visibile e la Spettroscopia InfraRossa
Prima di vedere in particolare queste tecniche spettroscopiche è bene impadronirsi
dei termini e dei simboli comunemente impiegati nella spettroscopia d’assorbimento.
La Legge di Lambert-Beer
Sia dato un campione in soluzione irradiato con luce monocromatica e siano Io
l'intensità della radiazione che entra nel campione ed I l'intensità della radiazione in
uscita dal campione.
Io
Soluzione
Campione
I
b
Si definisce come trasmittanza , T, il rapporto tra l'intensità’ I e Io:
T=I/Io
E come assorbanza, A:
A=-log(T)=log(Io/I)
Si definisce con il nome Legge di Lambert-Beer la relazione tra l´assorbanza, A e
la concentrazione della specie assorbente,c, in soluzione:
A=-log(T)=*b*c
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dove e´ il coefficiente di estinzione molare alla lunghezza d´onda (la cui unità di
misura è comunemente data in M-1 cm-1), c e´ la concentrazione dell´analita (M) e il
termine b rappresenta il cammino ottico attraversato dalla radiazione (generalmente è
pari a 1 cm).
E' evidente che applicando la legge di Lambert-Beer, se e´ noto il coefficiente di
estinzione molare di un analita ad una data lungheza d’onda , la concentrazione
dell'analita in soluzione puo´ essere determinata misurando la quantità di luce
assorbita dal campione alla lunghezza d´onda in esame.
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La Spettroscopia Uv-vis
La luce bianca contiene tutti i colori. In altre parole, contiene tutte le radiazioni
con lunghezza d’onda compresa fra 380 e 780 nm (1 nm = 10-9 m). La colorazione di
alcuni oggetti o di determinate sostanze deriva dal fatto che questi assorbono parte di
questa luce (determinate lunghezze d’onda): il risultato è che noi vediamo soltanto i
colori che non vengono assorbiti. Molte molecole organiche assorbono nel visibile
(400-700 nm) e danno luogo a colorazioni intense. E’ il caso di molecole quali il
carotene (colore della carota e delle foglie d’autunno), la clorofilla (colore delle
foglie verdi), del licopene (colore rosso dei pomodori). In altre invece l’assorbimento
della luce cade nel campo dell’ultravioletto (UV 150-380 nm) e tali sostanze sono
quindi incolori (nei liquidi e nelle soluzioni) o bianche (allo stato solido).
La Spettroscopia Uv-visibile studia gli spettri di assorbimento di molecole nella
regione compresa tra circa 10 e 700 nm. Le radiazioni della regione del visibile e
dell'ultravioletto possiedono energia sufficiente a promuovere un salto degli elettroni
nello stato fondamentale verso orbitali ad energia più alta in uno stato eccitato.
Essendo coinvolti elettroni di legame, la lunghezza d’assorbimento può essere
correlata con i tipi di legame presenti nella specie in esame.
Qui di seguito sono mostrate le più comuni transizioni energetiche:
Queste transizioni sono caratteristiche sia di composti organici sia di composti
inorganici. Il gruppo di atomi presente nella molecola che ha la capacità di assorbire
radiazione elettromagnetica nella regione del visibile e in quella dell’ultravioletto è
chiamato cromoforo. I cromofori più comuni sono caratterizzati da legami chimici
multipli e sono detti perciò insaturi: tra essi il gruppo etilenico C=C, acetilenico CC,
carbonilico C=O.
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E' evidente che, poiché l´assorbimento molecolare di tali radiazioni dipende dalla
struttura elettronica delle molecole, la spettroscopia UV-visibile può essere impiegata
per l'identificazione dei gruppi funzionali della molecola. In realtà, a causa della
bassa risoluzione degli spettri Uv-vis questa tecnica risulta poco utile al fine di una
analisi qualitativa. Gli spettri Uv-vis non sono infatti generalmente sufficienti a
risolvere problemi relativi alla delucidazione di strutture. Tuttavia, unitamente a
quelli IR o NMR, forniscono informazioni preziose circa la struttura elettronica di un
composto. Al contrario, la spettroscopia Uv-vis e’ di maggiore impiego per scopi
quantitativi (si veda il paragrafo "Legge di Lambert-Beer"). Le principale
caratteristiche della banda di assorbimento UV-visibile sono la sua posizione e la sua
intensità:
* La posizione del massimo d’assorbimento corrisponde alla lunghezza d'onda
della radiazione che induce la transizione elettronica.
* L'intensità della banda è strettamente legata alla probabilità che avvenga tale
transizione. La quantomeccanica consente di prevedere quali transizioni sono
permesse e quali sono proibite e stabilisce le regole di selezione che
governano tali previsioni. L'approfondimento di questo argomento non è
oggetto di queste dispense.
Esempio di uno spettro Uv-vis
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La Spettroscopia IR
La spettroscopia IR studia l'assorbimento da parte di molecole delle radiazioni e.m.
nella regione dell´infrarosso (fra 0.78 e 100 m). Lo studio degli spettri di
assorbimento IR permette di trarre informazioni sulla flessibilità delle molecole (cioè
sulla facilità con cui le lunghezze e gli angoli di legame possono variare rispetto ai
valori che essi posseggono all’equilibrio) e ha estese applicazioni in analisi
qualitative e quantitative. Il suo uso più importante e caratteristico riguarda
l'identificazione di composti organici il cui spettro IR fornisce una impronta digitale
univoca.
La spettroscopia IR si occupa di 3 regioni principali:
1.
NIR (vicino IR) 700- 2500 nm; numero d’onda= 12800-4000 cm-1
2.
MIR (medio IR) 2500-16000 nm ; numero d’onda= 4000-200 cm-1
3.
FIR (lontano IR) 16000-50000 nm ; numero d’onda =200-10 cm-1
L’assorbimento di fotoni (di energia) provoca modifiche di energia vibrazionale (NIR
e MIR) o rotazionale (FIR) delle molecole colpite tale da indurre un cambiamento nel
momento di dipolo elettrico della molecola. La regione più utile per l'identificazione
di composti organici è tra 4000 – 670 cm-1.
I modi vibrazioni in una molecola possono essere divisi in due categorie: lo
stretching (stiramento) e il bending (deformazione).
Con il termine stretching si fa riferimento ad un movimento degli atomi lungo
l´asse di legame che può allungare o diminuire la distanza interatomica. Mentre il
termine bending fa riferimento alla variazione dell´angolo di legame tra legami aventi
un atomo in comune:
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b)
Stiramento antisimmetrico
a)
Stiramento simmetrico
+
Torsione fuori dal piano
A forbice nel piano
+
Oscillazione nel
piano
+
Ondeggio fuori dal
piano
Secondo le regole di selezione della quantomeccanica, solo le vibrazioni
accompagnate da una variazione del momento di dipolo sono osservabili nella
spettroscopia IR.
Per esempio, nel caso della molecola CO2, la vibrazione di stretching simmetrico
e´ inattiva all´IR poiché non causa alcuna variazione del momento di dipolo elettrico
e per cui non compare nello spettro IR di questa molecola.
Esaminando lo spettro IR di una qualsiasi molecola, possiamo distinguere due
regioni:
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la regione delle frequenze di gruppo (circa tra 3600 e 1200 cm-1) che
comprende la frequenze (o bande) di vibrazione dei gruppi funzionali
caratteristici del composto.
-1
la zona delle impronte digitali (compresa tra 1200 e 600 cm ) le cui bande
d'assorbimento sono dovute all'insieme delle vibrazioni dell'intera molecola
di cui rappresentano una caratteristica unica ed irrepetibile
Dall'esame delle bande dei gruppi funzionali, si può risalire alla composizione
della molecola, mentre la seconda regione rappresenta una specie di carta
d'identità di quell'unico composto
La posizione delle bande IR e´ generalmente espressa in termini di numero d´onda
la cui unità di misura e´cm-1. Spesso il numero d´onda e´ chiamato frequenza che
ovviamente non e´ rigorosamente corretto. L'intensità delle bande viene espressa
comunemente come Trasmittanza. I parametri che caratterizzano una banda IR sono:
posizione (lunghezza d’onda o numero d’onda del massimo d’assorbimento)
che dipende dallo stato fisico del campione, dalla natura del solvente, e dalla
natura dei sostituenti.
intensità che dipende dall'entità della variazione del momento di dipolo che
accompagna la vibrazione;
forma: stretta o larga; i polimeri per esempio hanno bande più larghe dei
monomeri
L’interpretazione di uno spettro IR non e’ pero’ cosi’ semplice come può
sembrare; alcune bande possono essere nascoste dalla sovrapposizione di altre bande,
vi sono bande provocate da vibrazioni armoniche che si trovano ad esempio ad una
frequenza multipla di quella della banda fondamentale e soprattutto le bande dovute
ad un singolo gruppo possono essere spostate da svariate caratteristiche strutturali
(coniugazione, repulsione elettronica da parte di gruppi vicinali..).
13
Spettroscopia di
Risonanza Magnetica Nucleare
La Spettroscopia di Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) studia l’interazione tra
radiazioni a radiofrequenza e i nuclei di molecole orientati da un campo magnetico
applicato. Mediante l'osservazione dei segnali NMR è possibile acquisire dettagliate
informazioni sui diversi aspetti della proprietà molecolari quali struttura, legami
molecolari e comportamento dinamico.
Il fenomeno della risonanza magnetica
Alle particelle nucleari, protoni e neutroni, come tutte le particelle del mondo
microscopico, viene associata una proprietà quantizzata, cioè lo spin. La grandezza
fisica che viene influenzata dallo spin è il “momento angolare”, grandezza tipica di
tutti gli oggetti rotanti. Essa tende a conservarsi e dipende dalla massa, dal raggio e
dalla velocità angolare ed è associabile anche ai nuclei degli atomi. Anche nel caso
degli atomi essa si conserva ed ha una variabile in più, il numero di spin I:
I = 1/2 n
dove n è un numero intero 0, 1, 2, 3 ... ecc.
Il numero di spin puo’ essere calcolato in base alla massa atomica ed al numero
atomico:
Massa atomica pari e numero atomico pari I = 0
Massa atomica pari e numero atomico dispari I = 1, 2, 3 . .
Massa atomica dispari I = 1/2, 3/2, . .
I nuclei per i quali I = 0 non possiedono momento angolare di spin e non possono
essere studiati con la spettroscopia N.M.R. I nuclei
12
C e
16
O cadono in questa
categoria. Nuclei per i quali I = 1/2 includono 1H, 19F 13C, 31P e 15N. Infine 2H e 14N
hanno I = 1
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Da queste prime considerazioni si nota come il
12
C e l’
16
O, che sono gli isotopi
del carbonio e dell’ossigeno più importanti e maggiormente presenti in natura non
possano essere studiati con la spettroscopia N.M.R. Ciò spiega perché inizialmente
la tecnica N.M.R. è stata utilizzata solo per lo studio dell’isotopo 1H dell’idrogeno,
presente per il 99,98% sulla terra. Quindi i chimici hanno studiato i composti organici
basandosi sull’idrogeno. Poi, a seguito di numerosi e rapidi progressi tecnologici, si
sono potuti studiare anche altri nuclei quali
13
C ed
15
N, anch’essi molto importanti
nell’identificazione dello scheletro molecolare.
Poichè i nuclei atomici possiedono una carica, un nucleo che ruota genera una
piccola corrente elettrica e ha un piccolo campo magnetico associato. Quindi,
associato al momento angolare (rotazione del nucleo), c’è anche un momento
magnetico µ. In virtù dei loro momenti angolari, in presenza di un campo magnetico
applicato (H0), nuclei con spin non nullo si orientano in modo non statico rispetto alla
direzione del campo magnetico compiendo movimenti di precessione intorno all’asse
del campo. La frequenza con cui avviene questa precessione è detta frequenza di
Larmor (L H0/2in cui il rapporto giromagnetico rappresenta una
proprietà intrinseca di ciascun nucleo.
precessione del momento magnetico di spin intorno al campo magnetico applicato B.
Nel caso di nuclei con spin pari a 1/2, il nucleo può assumere due orientazioni
fisiche diverse legate al vettore magnetico:
1) parallelamente al campo magnetico portante .
2) antiparallelamente al campo magnetico portante.
La prima situazione è quella a più bassa energia.
15
Orientazione del vettore momento magnetico nucleare per un nucleo con I=1/2 in presenza di un
campo magnetico esterno (H0)
Se i nuclei orientati vengono ora irradiati con una radiazione elettromagnetica di
opportuna frequenza, gli stati di energia più bassa assorbono un quanto di energia e
ruotano il proprio spin per assumere lo stato di alta energia.
Fenomeno di
Risonanza Magnetica
H0
E
h=E
h/off
Processi di
Rilassamento
Magnetico
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.
Perché sia soddisfatta la condizione di risonanza, la frequenza della radiazione
elettromagnetica deve essere uguale alla frequenza di Larmor dei nuclei.
Dopo la stimolazione con la radiazione elettromagnetica, gli spin tendono a
ripristinare l’equilibrio di popolazioni originario e trasferiscono l’energia assorbita
dalla radiazione elettromagnetica all’ambiente circostante.
Le radiazioni elettromagnetiche utilizzate nella spettroscopia NMR sono
radiazioni a radiofrequenze. Poichè queste radiazioni hanno un basso contenuto
energetico, la spettroscopia NMR è classificata come tecnica d’indagine non invasiva
e risulta particolarmente indicata per lo studio di sistemi biologici.
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Il segnale NMR
Un segnale NMR è caratterizzato da tre proprietà:
posizione
intensità
larghezza
Dato che il dipolo magnetico µ di un certo nucleo è una costante per il nucleo stesso,
si potrebbe prevedere che tutti i nuclei di un certo tipo debbano risuonare esattamente
alla stessa frequenza in un determinato campo magnetico applicato. Se le cose
stessero così, la spettroscopia NMR sarebbe del tutto inutile perchè nello spettro
NMR so osserverebe un unico segnale.
Per fortuna, nelle molecole reali, questo fatto accade molto raramente. Infatti il
segnale NMR di un certo nucleo risulta spostato nello spettro a frequenze più alte o
più basse a seconda del suo intorno chimico. Questo accade perché gli elettroni nella
molecola, essendo particelle cariche in movimento, possono generare un campo
magnetico locale che tende ad opporsi al campo magnetico applicato, schermando il
nucleo dalla piena forza del campo applicato.
Direzione campo
magnetico
applicato
Nucleo
Direzione del campo
magnetico di natura
elettronica
Nuvola
elettronica
Tanto più grande è la densità elettronica, tanto maggiore è questa schermatura. Si
deduce che i nuclei che si trovano in un intorno ricco di elettroni sono più
schermati (ossia sentono un campo magnetico più basso) rispetto a nuclei con un
intorno più povero di elettroni. Pertanto, risuoneranno ad una frequenza più
bassa (si ricorda la relazione L H0/2 . In generale, i nuclei 1H o 13C
adiacenti ad atomi elettronegativi risultano deschermati, ossia sentono un campo
magnetico applicato più intenso.
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Lo spostamento nella riga di risonanza dovuto allo schermo è quindi
caratteristico della densità elettronica e della distribuzione della nube
elettronica attorno al nucleo e costituisce una sorta di impronta digitale della
struttura chimica del frammento nel quale il nucleo è allocato.
Ci sono stati numerosi tentativi di calcolare teoricamente l'entità dello schermo
elettronico ma nessuno ha dato una corrispondenza esatta con i valori misurati
sperimentalmente. Quello che sappiamo e che si può estrapolare sia dalla teoria che
dalla pratica sperimentale è che le frequenze di risonanza di un composto sono
strettamente legate alla distribuzione elettronica sulla molecola. Tale spostamento
chimico (chemical shift) è pertanto influenzato dalla presenza di tutti quei sostituenti
che modificano tale distribuzione.
Lo spostamento chimico viene espresso attraverso un parametro adimensionale (δ),
definito dalla seguente relazione:
0 ( Hz)
*106
6
RF 10 ( Hz)
dove ν è la frequenza di risonanza del nucleo nel campione in esame, ν0 è la
frequenza di risonanza dello stesso nucleo in un campione standard e νRF è la
frequenza della radiofrequenza utilizzata. Il vantaggio offerto dalla equazione
sovrastante consiste nel fatto che lo spostamento chimico risulta indipendente dal
campo magnetico applicato, e quindi dallo strumento utilizzato (in quanto sia il
numeratore che il denominatore nell'espressione di sono direttamente proporzionali
a H0). Lo standard utilizzato per gli spettri protonici e del carbonio-13 è il Si(CH3)4
(tetrametilsilano, TMS). Per convenzione la scala degli spostamenti chimici negli
spettri NMR aumenta da destra a sinistra.
L’intensità di un segnale NMR contiene informazioni di tipo quantitativo sul numero
di nuclei che risuonano ad una data frequenza. Infatti, quando sono soddisfatte
determinate condizioni sperimentali, l’area integrata di un segnale è direttamente
proporzionale al numero di nuclei che lo generano.
La larghezza del segnale NMR è determinata dai processi di natura dinamica la cui
trattazione non è prevista in queste dispense.
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