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Spettroscopia nmr

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 questo articolo introdurremo l'argomento della spettroscopia NMR.
  • Inizieremo ad esplorare cos'è prima di imparare come si interpretano gli spettri.
  • In seguito, esamineremo i diversi tipi di spettroscopia NMR.
  • Infine, discuteremo gli usi della spettroscopia NMR.

Come funziona la spettroscopia NMR?

La spettroscopia NMR si basa su alcuni concetti complessi, ma il processo in sé è relativamente semplice. I passaggi da seguire sono i seguenti:

  • Sciogliere il campione in un solvente adatto.
  • Aggiungere una piccola quantità di una molecola di riferimento standard, come il TMS.
  • Posizionare il campione in un campo magnetico esterno.
  • Eccitare il campione con un impulso a radiofrequenza.
  • Misurare la frequenza dei segnali emessi dal campione.

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.

Che cos'è il 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.

Spettroscopia NMR spettrometro NMR StudySmarterFigura 1. Uno spettrometro NMR ad ultra-potenza. Fonte: commons.wikimedia.org

Interpretare gli spettri NMR

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.

Spettroscopia NMR esempio spettro NMR StudySmarterFigura 2. Esempio di spettro NMR. Il picco a 0 ppm corrisponde alla molecola di riferimento, TMS.

Ci sono due cose importanti da ricordare:

  • L'intorno chimico con determinati gruppi funzionali produce un chemical shift che rientra in un particolare intervallo.
  • La presenza di determinate molecole, produce chemical shift caratteristici.

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.

Spettroscopia NMR esempio spettro NMR StudySmarterFigura 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

Molecola uno. StudySmarter

5-40

Molecola due. StudySmarter

10-70

Molecola quattro. StudySmarter

20-50

Molecola cinque. StudySmarter

25-60

Molecola tre. StudySmarter

50-90

Molecola sei. StudySmarter

90-150

Molecola sette. StudySmarter

110-125

Molecola otto. StudySmarter

110-160

Molecola otto. StudySmarter

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:

Spettroscopia NMR interpretazione spettri propanolo StudySmarterFigura 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.

Diversi tipi di spettroscopia NMR

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.

Spettroscopia NMR atomo idrogeno-1H  StudySmarterFigura 5. Un atomo 1H.

La spettroscopia NMR dell'idrogeno-1 presenta alcuni vantaggi rispetto a quella del carbonio-13:

  • La maggior parte degli atomi di idrogeno è costituita dall'isotopo idrogeno-1, mentre solo il 10% circa degli atomi di carbonio è costituito dall'isotopo carbonio-13. Ciò significa che gli spettri dell'idrogeno-1 danno risultati più chiari e distinti.
  • La dimensione dei picchi negli spettri dell'idrogeno-1 è proporzionale al numero di nuclei di idrogeno-1 in quel particolare ambiente, cosa che non avviene per i picchi NMR del carbonio-13. Questo viene mostrato utilizzando una traccia di integrazione.
  • I picchi dell'idrogeno-1 presentano un fenomeno chiamato accoppiamento spin-spin. Questo è il caso in cui si dividono in picchi più piccoli a seconda del numero di atomi di idrogeno presenti negli ambienti adiacenti e ci fornisce ulteriori informazioni sulla struttura della molecola.

Spettroscopia NMR spettro 1H NMR accoppiamento spin-spin StudySmarterFigura 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.

Applicazioni della spettroscopia 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:

  • Determinazione del ripiegamento delle proteine.
  • Screening e progettazione di farmaci.
  • Scoprire come le molecole interagiscono nelle reazioni chimiche.
  • Determinare la proporzione di solidi e liquidi nei lipidi.

Pro e contro della spettroscopia NMR

La spettroscopia NMR ha sia pro che contro. Consideriamoli di seguito.

Vantaggi

  • Gli spettri sono unici, ben risolti e generalmente prevedibili per le molecole più piccole.
  • Produce segnali distinguibili per i diversi gruppi funzionali.
  • Può anche essere utilizzata per distinguere lo stesso gruppo funzionale in diversi intorni chimici.

Limitazioni

  • Richiede campioni di grandi dimensioni, compresi tra 2 e 50 mg.
  • La strumentazione NMR è costosa da acquistare e gestire. Sono disponibili strumenti meno costosi, che però forniscono spettri a bassa risoluzione, in cui i picchi del chemical shift si sovrappongono e si confondono.
  • In genere può essere utilizzato solo per le sostanze solubili, poiché l'analisi dei solidi richiede una macchina dedicata e fornisce spettri a risoluzione inferiore.
  • È un processo lento e non può essere utilizzato per reazioni veloci.

Spettroscopia NMR - Punti chiave

  • La spettroscopia NMR è una tecnica analitica utilizzata per determinare la forma e la struttura delle molecole.
  • Per effettuare un esperimento di spettroscopia NMR, si scioglie il campione in un solvente adatto, si aggiunge una piccola quantità di molecola di riferimento TMS, si pone il campione in un campo magnetico esterno e si eccita il campione con impulsi di radiofrequenza. Un rivelatore produce un grafico dell'energia assorbita rispetto a una proprietà chiamata spostamento chimico (chemical shift).
  • L'ambiente di un nucleo è costituito da tutti i diversi atomi e gruppi di atomi che lo circondano. Nuclei diversi hanno valori di spostamento chimico diversi a seconda del loro ambiente.
  • Per individuare i gruppi funzionali presenti in una molecola, è possibile confrontare i valori di chemical shift con gli intervalli riportati in un libro di dati.
  • I due tipi più comuni di spettroscopia NMR sono l'NMR al carbonio-13 e l'NMR all'idrogeno-1. La spettroscopia NMR a idrogeno-1 fornisce maggiori informazioni sull'ambiente dei nuclei che rileva attraverso le tracce di integrazione e l'accoppiamento spin-spin.
  • La spettroscopia NMR produce spettri unici e ben risolti. Può essere utilizzata per distinguere tra diversi gruppi funzionali e ambienti in una molecola. Tuttavia, è costosa e richiede tempo.

Domande frequenti riguardo Spettroscopia nmr

La spettroscopia NMR ha molte applicazioni nella scienza moderna. Tra le quali:

  • Determinazione del ripiegamento delle proteine.
  • Screening e progettazione di farmaci.
  • Scoprire come le molecole interagiscono nelle reazioni chimiche.
  • Determinare la proporzione di solidi e liquidi nei lipidi.

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.

Quiz Finale Spettroscopia nmr

Domanda

Elencare tre vantaggi della spettroscopia NMR.

Visualizza la risposta

Risposta

  • Gli spettri sono unici, ben risolti e generalmente prevedibili per le molecole più piccole. 
  • Produce segnali distinguibili per i diversi gruppi funzionali.
  • Può anche essere utilizzata per distinguere lo stesso gruppo funzionale in diversi intorni chimici.


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Domanda

A cosa fa riferimento l'acronimo NMR?

Visualizza la risposta

Risposta

Risonanza magnetica nucleare (dall'inglese Nuclear Magnetic Resonance).

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Domanda

Che informazioni sono presenti in uno spettro NMR?

Visualizza la risposta

Risposta

L'energia assorbita dal campione e il relativo chemical shift.

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Domanda

Che cos'è il chemical shift?

Visualizza la risposta

Risposta

Il chemical shift è una proprietà legata alla frequenza di risonanza magnetica ed è l'energia che necessita un nucleo per passare dallo stato parallelo a quello antiparallelo in un campo magnetico esterno. 

Visualizza la domanda

Domanda

Qual è l'unità di misura del chemical shift?

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Risposta

Parti per milione, ppm.

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Domanda

Che cos'è l'intorno chimico di un atomo?

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Risposta

Fa riferimento a tutti i gruppi chimici legati all'atomo.

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Domanda

Vero o falso? Un atomo in un determinato intorno chimico produce valori di chemical shift che cadono in un specifico intervallo.

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Risposta

Vero

Visualizza la domanda

Domanda

Un spettro 13C NMR mostra tre picchi. Cosa si può dire della molecola?

Visualizza la risposta

Risposta

Contiene un gruppo CH3

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Domanda

Vero o falso? Tutti i nuclei possono essere rilevati tramite spettroscopia NMR.

Visualizza la risposta

Risposta

Vero

Visualizza la domanda

Domanda

Quali dei seguenti sono tipi comuni di spettroscopia NMR?

Visualizza la risposta

Risposta

Idrogeno-1 (1H)

Visualizza la domanda

Domanda

Elenca tre differenze tra NMR 13C e NMR 1H.

Visualizza la risposta

Risposta

  • La maggior parte degli atomi di idrogeno è costituita dall'isotopo idrogeno-1, mentre solo il 10% circa degli atomi di carbonio è costituito dall'isotopo carbonio-13. Ciò significa che gli spettri dell'idrogeno-1 danno risultati più chiari e distinti.
  • La dimensione dei picchi negli spettri dell'idrogeno-1 è proporzionale al numero di nuclei di idrogeno-1 in quel particolare ambiente, cosa che non avviene per i picchi NMR del carbonio-13. Questo viene mostrato utilizzando una traccia di integrazione. 
  • I picchi dell'idrogeno-1 presentano un fenomeno chiamato accoppiamento spin-spin. Questo è il caso in cui si dividono in picchi più piccoli a seconda del numero di atomi di idrogeno presenti negli ambienti adiacenti e ci fornisce ulteriori informazioni sulla struttura della molecola.

Visualizza la domanda

Domanda

Elenca tre applicazioni della spettroscopia NMR.

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Risposta

  • Determinazione del ripiegamento delle proteine.
  • Screening e progettazione di farmaci.
  • Scoprire come le molecole interagiscono nelle reazioni chimiche.

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