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Supponiamo di aver isolato una nuova proteina precedentemente sconosciuta alla scienza. Sai che contiene, ad esempio, gruppi idrossilici e zolfo, ma non sai in quale punto della molecola si trovino, né come la catena proteica si ripieghi nella sua forma tridimensionale. Utilizzando la spettroscopia NMR, sarai in grado di determinare la posizione di questi gruppi e la struttura della proteina.In…
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Jetzt kostenlos anmeldenSupponiamo di aver isolato una nuova proteina precedentemente sconosciuta alla scienza. Sai che contiene, ad esempio, gruppi idrossilici e zolfo, ma non sai in quale punto della molecola si trovino, né come la catena proteica si ripieghi nella sua forma tridimensionale. Utilizzando la spettroscopia NMR, sarai in grado di determinare la posizione di questi gruppi e la struttura della proteina.
La spettroscopia NMR si basa su alcuni concetti complessi, ma il processo in sé è relativamente semplice. I passaggi da seguire sono i seguenti:
La spettroscopia NMR, acronimo di spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, è una tecnica analitica utilizzata principalmente per individuare la struttura delle molecole. Si basa sul comportamento di alcuni nuclei in un campo magnetico esterno.
I nuclei del campione assorbono ed emettono onde radio a seconda degli altri atomi o gruppi ad essi legati. Queste onde vengono rilevate da un rilevatore. Il rilevatore produce uno spettro che mostra l'energia assorbita rispetto a una proprietà chiamata chemical shift.
Come abbiamo detto, gli spettri NMR mostrano il chemical shift dei nuclei. Si tratta di una proprietà legata alla frequenza di risonanza magnetica. Il chemical shift si misura in parti per milione, o ppm.
Riasssumendo. Alcuni nuclei, quando vengono posti in un campo magnetico esterno, assumono uno dei due stati: parallelo, noto come allineato con lo spin; o antiparallelo, noto come opposto allo spin. Se forniamo loro un'energia sufficiente, possono passare dallo stato parallelo a quello antiparallelo. Questa energia è chiamata frequenza di risonanza magnetica.
La frequenza di risonanza magnetica è l'energia necessaria a un nucleo per passare dallo stato parallelo a quello antiparallelo in un campo magnetico esterno.
La frequenza di risonanza magnetica varia a seconda dell'ambiente in cui si trova un atomo (anche detto intorno chimico).
L'intorno chimico di un atomo è costituito da diversi gruppi chimici ad esso legati.
Nuclei identici dello stesso elemento possono avere frequenze di risonanza magnetica e valori di spostamento chimico (chemical shift) diversi se sono legati a gruppi diversi, perché si trovano in ambienti diversi. Questo è il concetto fondamentale alla base della spettroscopia NMR.
Solo i nuclei con numeri di massa dispari possono essere utilizzati nella spettroscopia NMR. Questo perché hanno una proprietà chiamata spin.
Figura 1. Uno spettrometro NMR ad ultra-potenza. Fonte: commons.wikimedia.org
Come abbiamo detto in precedenza, la spettroscopia NMR produce dei grafici chiamati spettri, che riportano l'energia assorbita dal campione in funzione del chemical shift. I grafici mostrano una serie di picchi diversi. I nuclei di atomi identici producono picchi con valori di chemical shift diversi a seconda degli altri atomi o gruppi di atomi ad essi legati. Si noti il picco mostrato a 0 ppm. È dato dal TMS, una molecola di riferimento.
Il tetrametilsilano, noto anche come TMS, è una molecola comunemente usata come standard di riferimento nella spettroscopia NMR.
Figura 2. Esempio di spettro NMR. Il picco a 0 ppm corrisponde alla molecola di riferimento, TMS.
Ci sono due cose importanti da ricordare:
In che modo ci aiutano queste informazioni? Se lo spettro presenta due picchi chiari, il campione deve contenere nuclei in due diversi intorni chimici. È quindi possibile confrontare il valore dello spostamento chimico (chemical shift) dei picchi con i valori riportati in un database, che ci dirà in quale tipo di intorno si trovano i nuclei e i diversi gruppi funzionali ad essi collegati. Questo ti aiuterà a risalire alla struttura della molecola presente nel tuo campione.
Supponiamo di avere il seguente spettro per una molecola incognita.
Figura 3. Uno spettro 13C NMR.
Si possono notare picchi a circa 58 ppm, 18 ppm e 9 ppm. Confrontiamo questi valori con una tabella.
Tipo di carbonio | δ/ppm |
5-40 | |
10-70 | |
20-50 | |
25-60 | |
50-90 | |
90-150 | |
110-125 | |
110-160 | |
160-220 |
Tabella 1. Dati per uno spettro 13C NMR.
Il picco a 58 ppm corrisponde ai valori per un gruppo RCH2O, che vanno da 50 a 90 ppm. Possiamo quindi dedurre che questa molecola contiene quel particolare gruppo. Allo stesso modo, possiamo vedere che il picco a 18 ppm rientra nell'intervallo per il gruppo RCH2R, e il picco a 9 ppm rientra nell'intervallo per un gruppo RCH3.
Quale molecola conoscete con questi gruppi? Mettiamoli insieme:
Figura 4. La nostra molecola misteriosa è l'1-propanolo.
In sintesi, confrontando i valori di chemical shift con i valori presenti in un database, possiamo dedurre i diversi gruppi all'interno di una molecola ed elaborare la sua struttura complessiva.
Non tutti i nuclei possono essere utilizzati nella spettroscopia NMR. La maggior parte non è influenzata da un campo magnetico esterno e non può essere quindi rilevata con questa tecnica analitica. Due tipi di nuclei che producono risultati nella spettroscopia NMR sono i nuclei di carbonio-13 e i nuclei di idrogeno-1.
Ricordiamo che il carbonio-13 indica che abbiamo un isotopo del carbonio con un numero di massa 13. Il numero di massa è il numero combinato di protoni e neutroni del carbonio. Il carbonio ha numero atomico 6, cioè ha sei protoni, e quindi gli atomi di carbonio-13 devono avere 13 - 6 = 7 neutroni.
Entrambi i tipi di spettroscopia seguono la tecnica generale descritta in precedenza e rilevano il chemical shift rispettivamente dei nuclei di carbonio-13 e dei nuclei di idrogeno-1. Tuttavia, i picchi relativi al chemical shift dei nuclei di carbonio-13 e di idrogeno-1 sono più frequenti, in particolare, quelli dell'idrogeno-1 rientrano in un intervallo molto più piccolo.
La spettroscopia NMR dell'idrogeno-1 è nota anche come spettroscopia protonica. Un nucleo di idrogeno-1 non ha neutroni o elettroni: è solo un protone.
Figura 5. Un atomo 1H.
La spettroscopia NMR dell'idrogeno-1 presenta alcuni vantaggi rispetto a quella del carbonio-13:
Figura 6. Questo spettro 1H NMR mostra accoppiamento spin-spin.
Per saperne di più sull'NMR del carbonio-13 e dell'idrogeno-1 si veda rispettivamente Carbonio -13 NMR e Idrogeno -1 NMR.
La spettroscopia NMR ha molte applicazioni nella scienza moderna. Come abbiamo visto, la sua funzione principale è l'analisi della struttura delle molecole. Tuttavia, viene utilizzata anche per i seguenti scopi:
La spettroscopia NMR ha sia pro che contro. Consideriamoli di seguito.
La spettroscopia NMR ha molte applicazioni nella scienza moderna. Tra le quali:
Carbonio-12 (13C) e Idrogeno-1 (1H)
La spettroscopia NMR è una tecnica analitica utilizzata principalmente per individuare la struttura delle molecole. Si basa sul comportamento di alcuni nuclei in un campo magnetico esterno.
La risonanza magnetica e la risonanza magnetica nucleare sono la stessa cosa! Nota: si è iniziato ad utilizzare il temine "risonanza magnetica" invece di "risonanza magnetica nucleare" perchè molte persone venivano spaventate dal nome completo, associandolo all'energia nucleare.
Uno spettro NMR si legge guardando i valori di chemical shift. Ogni picco sarà in corrispondenza di un valore unico di chemical shift. In base al chemical shift, che ci dà informazioni sull'intorno chimico, possiamo identificare la molecola.
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