Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Spettroscopia di risonanza magnetica.

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1 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare Docente: Dott.ssa Francesca Mocci Dipartimento di Scienze Chimiche, Cittadella Universitaria di Monserrato Orario di ricevimento: tutti i giorni, previo appuntamento Tel: 0706754490 Email: fmocci@unica.it

2 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Testi consigliati Silverstein, Webster, Kiemle Identificazione spettrometrica di composti organici Seconda edizione, Casa Editrice Ambrosiana. Cap. 3,4,5,6,7 Stradi, Ballabio, Rossi Guida al corso di metodi fisici in chimica organica, Edizioni CUSL Vol III: NMR Chiappe, DAndrea Tecniche spettroscopiche e identificazione di composti organici, Edizioni ETS, Cap. 5, 6, 7 Lucidi delle lezioni – scaricabili dal sito della facoltà (Docente -> materiale didattico) – http://it.geocities.com/francimocci/index.html

3 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Esercizi Per esercitarsi nell'interpretazione degli spettri NMR: »Stradi (Vol III) » 1 H - Silverstein, Cap. 3 » 13 C - Silverstein, Cap. 4 NMR+IR: »http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/ NMR+IR+MASSA: »Problemi risolti: Silverstein Cap. 7. »Da risolvere: Silverstein Cap. 8; »http://www.nd.edu/~smithgrp/structure/workbook.html

4 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Software consigliati Per la visualizzazione di queste diapositive: –Openoffice : http://it.openoffice.org (con Microsoft office potrebbero cambiare la formattazione e le animazioni) Per la visualizzazione delle molecole –Molden : http://www.cmbi.ru.nl/molden/molden.html

5 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Altri consigli Seguire le lezioni con costanza e attenzione, cercando di risolvere gli esercizi proposti Rivedere a casa gli argomenti trattati

6 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Cosa vedremo oggi? Piccolo ripasso: Cosa sono le tecniche spettroscopiche Introduzione alla spettroscopia NMR che cosè? le proprietà magnetiche dei nuclei il fenomeno della risonanza magnetica

7 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Tecniche Spettroscopiche Tecniche di indagine delle proprietà della materia basate sullinterazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia. c= λ c: velocità della luce, nel vuoto 3x10 8 m s -1 : lunghezza donda [m] : frequenza della radiazione [s -1 ] numero d'onda [cm -1 ] E=h h: costante di Planck = 6.626x10 -34 J s molecola -1

8 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Le radiazioni elettromagnetiche vengono indicate con dei nomi diversi a seconda dell'intervalllo di frequenza che coprono. Tecniche Spettroscopiche

9 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari h: costante di Planck = 6.626x10-34 J s molecola -1. Tecniche di indagine delle proprietà della materia basate sullinterazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia. EbEb EaEa Gli atomi e le molecole possono trovarsi solo in definiti stati energetici, e il passaggio dalluno allaltro richiede assorbimento o emissione di energia. Le transizioni tra i vari livelli energetici di una molecola possono essere indotte fornendo al sistema la quantità appropriata di energia, E, sotto forma di radiazione elettromagnetica utilizzando una radiazione di frequenza, tale che E=h E Tecniche Spettroscopiche

10 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari È basata sulle interazioni tra la componente magnetica di una radiazione elettromagnetica, dellordine delle radiofrequenze, con i nuclei delle molecole poste in un forte campo magnetico. Permette di ottenere informazioni relative a: intorno del nucleo atomico (natura del gruppo funzionale,..) connettività tra gli atomi angoli diedri distanze tra gli atomi dinamica molecolare Principali applicazioni: determinazione strutturale dei composti organici (in fase gassosa, liquida, solida) studio della dinamica dei sistemi molecolari all'equilibrio diagnostica medica La spettroscopia NMR

11 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Proprietà dei nuclei atomici I nuclei di alcuni isotopi naturali della maggioranza degli elementi possiedono un momento angolare intrinseco, o spin, che classicamente può essere associato alla rotazione del nucleo attorno a se stesso. P Massa Carica Momento angolare Lo spin nucleare Quali sono le transizioni promosse? Transizioni tra stati di spin nucleare

12 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari numero quantico di spin nucleare I: numero quantico di spin nucleare. Può avere valore intero o semintero (0, ½, 1, 3/2, 2….) a seconda dellisotopo ed è legato al numero di protoni e di neutroni che costituiscono il nucleo. Lampiezza del momento angolare di spin (P) è data da: P Pari Dispari Num. di massa 16 8 O, 12 6 CZeroPari 2 1 H(1), 14 7 N(1)InteroDispari 17 8 O(5/2), 13 6 C(1/2)Semi-interoPari 1 1 H(1/2), 15 7 N(1/2)Semi-interoDispari EsempiINum. atomico Lo spin nucleare

13 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari 1001/2 31 P 1001/2 19 F 0.0385/2 17 O 99.760 16 O 0.3681/2 15 N 99.6321 14 N 1.071/2 13 C 98.890 12 C 0.1151 2H2H 99,98851/2 1H1H Abbondanza naturale Numero quantico di spin I Isotopo Lo spin nucleare

14 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Ad ogni particella carica in movimento è associato un campo magnetico; ad es. su scala macroscopica ad un corrente i che percorre un circuito è associato un momento magnetico di dipolo, che per una spira circolare di area A è dato da: = i A Una carica ruotante su se stessa può essere interpretata classicamente come un insieme di spire infinitesime percorse da corrente Questo fenomeno si verifica anche su scala atomica, e tutti i nuclei che possiedono un momento angolare possiedono anche un momento magnetico. ll momento magnetico nucleare e quello angolare P sono correlati dalla relazione: = P In cui è il rapporto giromagnetico, una costante caratteristica di ogni nucleo, che può essere sia positiva che negativa (e quindi il momento magnetico e quello angolare possono essere sia paralleli che antiparalleli). Il momento magnetico nucleare

15 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Secondo la teoria quantistica, il momento angolare di spin P, e quindi anche il momento magnetico nucleare immerso in un campo magnetico può assumere solo determinate orientazioni. In particolare il momento magnetico nucleare di un nucleo avente momento angolare di spin I, può assumere 2I+1 orientazioni rispetto alla direzione z del campo. m I : numero quantico magnetico o numero quantico di orientazione Nuclei in un campo magnetico

16 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari I=1/2 B0B0 z =1/2 z = -1/2 1/2 Nuclei in un campo magnetico

17 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari m I =1 ( >0) z = m I = -1 ( >0) z = - m I = 0 z = 0 B0B0 Nuclei in un campo magnetico I=1

18 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari In assenza di un campo magnetico lenergia di un nucleo isolato è indipendente dal numero quantico magnetico m I, ovvero non dipende dal suo orientamento. Se inseriamo un nucleo in un campo magnetico B 0 le 2I+1 orientazioni che il nucleo può assumere rispetto alla direzione del campo hanno diversa energia. Lenergia E di un nucleo avente momento magnetico immerso in un campo B 0 è data dalla relazione: E = - B 0 = - z B 0 = - m I B 0 Esercizio: Dato un nucleo avente I=1/2 immerso in un campo magnetico B 0, calcolare l'energia per le possibili orientazioni che esso può assumere Nuclei in un campo magnetico

19 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari E = - B 0 = - z B 0 = - m I B 0 B0B0 m I =1/2 ( >0) z =1/2 m I = -1/2 ( >0) z =-1/2 1/2 I=1/2 E=-1/2 B 0 E=1/2 B 0 E m I =1/2 m I = -1/2 Nuclei in un campo magnetico

20 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari E = - B 0 = - z B 0 = - m I B 0 I=1 E m I =1 m I = -1 B0B0 m I =1 ( >0) z = m I = -1 ( >0) z = - E=- B 0 E= B 0 m I = 0 z = 0 E=0 m I = 0 Nuclei in un campo magnetico

21 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Per I=1/2 la differenza in energia tra i due livelli energetici è: E -E =(1/2) B 0 –(-1/2) B 0 E= B 0 E B0B0 E m I =1/2, E m I = -1/2, E 0 Nuclei in un campo magnetico

22 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Se consideriamo un campione reale.. Nuclei in un campo magnetico In assenza di campo magnetico m I =-1/2, B0B0 m I =1/2, energia In presenza di campo magnetico I=1/2, m I =1/2, -1/2 Il rapporto tra le popolazioni dei nuclei nei due stati aventi differenza di energia E è dato dalla Distribuzione di Boltzmann N è la popolazione del livello più basso, N è la popolazione del livello più alto, k la costante di Boltzmann, T la temperatura.

23 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Calcolare la differenza di popolazione tra i due stati di spin per dei nuclei 1 H immersi in un campo di 4.70 Tesla, a temperatura ambiente. k = 1,38*10 -23 J/molecola K -1 T = 298 K = 26.7522 * 10 7 rad s -1 T -1 B 0 = 4.70 T h = 6.63 * 10 -34 J*s Nuclei in un campo magnetico: ESERCIZIO

24 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari k = 1,38*10 -23 J/molecola K -1 T = 298 K = 26.7522 * 10 7 rad s -1 T -1 B 0 = 4.70 T h = 6.63 * 10 -34 J*s E = B 0 = (26.7522 * 10 7 s -1 T -1 )*(6.63*10 -34 J*s/(2*3.142))* 4.70T = = (26.7522 )*(1.05 * 10 -27 J*)* 4.70= 1.32*10 -25 J E/kT=1.32*10 -25 J/(298 K*1.38*10 -23 J K -1 )=3.2*10 -5 Nuclei in un campo magnetico: ESERCIZIO

25 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Usando unappropriata radiazione elettromagnetica si possono indurre transizioni tra i vari livelli energetici. Tali transizioni obbediscono alla legge di Bohr, per cui si ha trasferimento di energia quando E, la differenza tra i livelli energetici considerati, è uguale ad, dove è la frequenza della radiazione. E= = m I B 0 = ( /2 ) m I B 0 regola di transizione La regola di transizione che governa queste transizioni è m I = 1, quindi le transizioni NMR di un nucleo avente rapporto giromagnetico immerso in un campo magnetico B 0 possono essere indotte da radiazioni in cui: = ( /2 ) B 0 condizione di risonanza Il valore della frequenza necessaria per provocare la transizione tra I due stati di spin è proporzionale all'intensità del campo magnetico applicato Interazione con la radiazione elettromagnetica

26 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Nucleo avente I = ½ immerso in un campo magnetico di intensità B 0 = ( /2 ) B 0 E Interazione con la radiazione elettromagnetica

27 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Calcolare la frequenza di risonanza per il protone immerso in un campo di 4.70 Tesla, a temperatura ambiente. = 26.7522 * 10 7 rad s -1 T -1 B 0 = 4.70 T = B 0 /2 = (26.7522 * 10 7 s -1 T -1 /2 )*4.70 T = = (26.7522 * 10 7 s -1 /6.284)*4.70 = 20.009*10 7 =200*10 6 = 200 MHz Calcolare la frequenza di risonanza per il C-13 immerso in un campo di 4.70 Tesla, a temperatura ambiente. = 6.728284 * 10 7 rad s -1 T -1 = B 0 /2 = ( 6.728284 * 10 7 s -1 T -1 /2 )*4.70 T= = ( 6.728284 * 10 7 s -1 /6.284)*4.70 =50.323*10 6 = ca. 50 MHz

28 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Frequenze di risonanza in MHz di alcuni nuclei magnetici in un campo magnetico di 2,34 T

29 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Per comprendere i fenomeni alla base degli esperimenti NMR è utile una rappresentazione vettoriale dei meccanismi coinvolti. In termini di meccanica classica, un singolo magnete nucleare che compie un moto di rotazione attorno a se stesso, si comporta in un campo magnetico esterno in maniera analoga ad una trottola sotto leffetto del campo gravitazionale: compie un moto di precessione attorno allasse del campo magnetico, noto come precessione di Larmor, la cui frequenza è data dalla relazione: = B 0 /2 Tale frequenza (frequenza di Larmor) dipende dal nucleo (attraverso il rapporto giromagnetico ) e dallintensità del campo magnetico applicato. Interazione con la radiazione elettromagnetica

30 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Cosa succede se irradiamo il campione con una radiazione di opportuna frequenza prodotta da un oscillatore rf avente lasse perpendicolare allasse del campo magnetico B 0 ? Il campo magnetico oscillante B 1 associato alla radiofrequenza trasmessa lungo lasse x, può essere scomposto in due componenti, che possiamo rappresentare come due vettori di uguale intensità che ruotano nel piano xy in direzione opposta. B0B0 x y Possiamo scomporre il vettore del momento magnetico nelle sue componenti lungo lasse z e sul piano xy. Se la componente di B 1 che ruota nella stesso verso della componente xy del momento magnetico ha anche la stessa velocità angolare, essa entra in risonanza con il momento magnetico e promuove le transizioni tra i livelli energetici. Interazione con la radiazione elettromagnetica

31 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Cosa succede se irradiamo il campione con una radiazione di opportuna frequenza prodotta da un oscillatore rf avente lasse perpendicolare allasse del campo magnetico B 0 ? Il campo magnetico oscillante B 1 associato alla radiofrequenza trasmessa lungo lasse x, può essere scomposto in due componenti, che possiamo rappresentare come due vettori di uguale intensità che ruotano nel piano xy in direzione opposta. Possiamo scomporre il vettore del momento magnetico nelle sue componenti lungo lasse z e sul piano xy. Se la componente di B 1 che ruota nella stesso verso della componente xy del momento magnetico ha anche la stessa velocità angolare, essa entra in risonanza con il momento magnetico e promuove le transizioni tra i livelli energetici. B0B0 x y Interazione con la radiazione elettromagnetica

32 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari I momenti magnetici nucleari dellinsieme dei nuclei che fanno parte del campione si orientano rispetto al campo magnetico in modo che la loro componente lungo lasse del campo sia o -1/2 o +1/2. La loro componente lungo gli assi x ed y può assumere qualunque valore, e quindi la componente di ciascun momento magnetico nel piano xy può assumere qualunque orientazione. B0B0 z x y I momenti magnetici si dispongono quindi su due coni, e precedono attorno al campo magnetico con la frequenza di Larmor. Interazione con la radiazione elettromagnetica

33 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari La differenza di popolazione nei due livelli energetici per un protone in un campo magnetico di 4.7 T è molto piccola, dellordine di un paio di protoni ogni 100.000. Questa piccola differenza genera una magnetizzazione globale del campione, che ha componente nulla nel piano xy e non nulla lungo lasse del campo magnetico. B0B0 z x y z x y Interazione con la radiazione elettromagnetica

34 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Interazione con la radiazione elettromagnetica z x y z Consideriamo gli effetti di una radiazione incidente, di opportuna frequenza, inviata lungo la direzione dell'asse x

35 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Interazione con la radiazione elettromagnetica z 1. Transizione tra gli stati di spin - 1/2,1/2 2. Coerenza di fase nel moto di precessione dei nuclei attorno allasse z si perde la casualità nella distribuzione dei vettori Consideriamo gli effetti di una radiazione incidente, di opportuna frequenza, inviata lungo la direzione dell'asse x z x y z

36 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Interazione con la radiazione elettromagnetica z x y 1. Transizione tra gli stati di spin - 1/2,1/2 2. Coerenza di fase nel moto di precessione dei nuclei attorno allasse z si perde la casualità nella distribuzione dei vettori si genera una componente significativa della magnetizzazione totale nel piano xy. Consideriamo gli effetti di una radiazione incidente, di opportuna frequenza, inviata lungo la direzione dell'asse x z x y z y z x y

37 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Interazione con la radiazione elettromagnetica z x y z z x y z x y 1. Transizione tra gli stati di spin - 1/2,1/2 2. Coerenza di fase nel moto di precessione dei nuclei attorno allasse z si perde la casualità nella distribuzione dei vettori si genera una componente significativa della magnetizzazione totale nel piano xy. Consideriamo gli effetti di una radiazione incidente, di opportuna frequenza, inviata lungo la direzione dell'asse x La componente della magnetizzazione nel piano xy precede attorno allasse del campo magnetico con la frequenza di Larmor, e può essere rivelata mediante una bobina posta nel piano xy..

38 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Cosa succede dopo che il sistema è stato irradiato? z x y Acquisizione del segnale

39 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari z x y Cosa succede dopo che il sistema è stato irradiato? Gli spin nucleari tornano alla situazione di equilibrio, attraverso una serie di processi noti come fenomeni di rilassamento, che permettono alla magnetizzazione totale di allinearsi al campo magnetico. Per effetto del rilassamento la componente della magnetizzazione nel piano xy si riduce sino ad annullarsi, e di conseguenza si riduce anche la corrente elettrica oscillante rivelata dalla bobina posta nellasse y. Questo è il segnale NMR. FID: Free Induction Decay Decadimento (decay) allequilibrio, libero (free) dallinfluenza del campo a rf ed indotto (induced) nella bobina Acquisizione del segnale

40 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Il segnale che rappresenta il decadimento dellinduzione magnetica in funzione del tempo può essere convertito, applicando la trasformata di Fourier, in un segnale in funzione della frequenza. tempo frequenza intensità Trasformata di Fourier (FT) Acquisizione del segnale

41 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Rivediamo il concetto utilizzando delle animazioni tratte da http://fias.uni-frankfurt.de/~berger/teaching/spectroscopy/index.html Acquisizione del segnale

42 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari In un campione reale i nuclei di un dato isotopo non risuonano alla stessa frequenza, in quanto il campo magnetico che effettivamente viene sentito dal nucleo dipende dalla distribuzione elettronica attorno al nucleo, la quale a sua volta dipende dal contesto molecolare in cui è inserito il nucleo. Per fare entrare contemporaneamente in risonanza tutti i nuclei protonici si inviano contemporaneamente tutte le frequenze entro lintervallo in cui risuonano i nuclei protonici. Questo viene fatto inviando una radiazione monocromatica 0 per un tempo molto breve (dellordine dei s): un breve pulso di durata t P converte la radiazione monocromatica in una banda di frequenze, che hanno tutte la stessa intensità entro un intervallo di +/- 1/4t P Hz. tptp 1/t p 0 Acquisizione del segnale

43 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari FT tempo frequenza tempo frequenza FT tempo frequenza Acquisizione del segnale

44 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR Campione Inserimento nel Magnete

45 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR Campione Inserimento nel Magnete Magnetizzazione B0B0 z x y z x y

46 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR z x y z x y Impulso rf Perturbazione: irraggiamento B0B0 Campione Inserimento nel Magnete Magnetizzazione

47 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR Perturbazione: irraggiamento Campione Inserimento nel Magnete Magnetizzazione Risposta Rivelazione z x y B0B0

48 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR Perturbazione: irraggiamento Campione Inserimento nel Magnete Magnetizzazione Risposta Rivelazione Raccolta Dati tempo intensità

49 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari L'esperimento NMR Perturbazione: irraggiamento Campione Inserimento nel Magnete Magnetizzazione Risposta Rivelazione Raccolta Dati Spettro NMR Trasformata di Fourier frequenza intensità FT tempo intensità

50 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Perché si possa eseguire un esperimento di risonanza magnetica deve essere presente un magnete! I primi spettrometri, costruiti a partire dal 1953, utilizzavano magneti permanenti o elettromagneti con campi da 1.41, 1.87, 2.2 o 2.35 tesla. Per raggiungere intensità di campo superiori a 2.35 T, e quindi per avere risonanze protoniche superiori a 100 MHz, si devono usare magneti superconduttori, che lavorano a basse temperature e devono essere raffreddati mediante gas liquidi. Per questo motivo il solenoide superconduttore è racchiuso entro due vasi Dewar, quello più interno contiene elio liquido, quello più esterno azoto liquido.

51 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Perché si possa eseguire un esperimento di risonanza magnetica deve essere presente un magnete! I primi spettrometri, costruiti a partire dal 1953, utilizzavano magneti permanenti o elettromagneti con campi da 1.41, 1.87, 2.2 o 2.35 tesla. Per raggiungere intensità di campo superiori a 2.35 T, e quindi per avere risonanze protoniche superiori a 100 MHz, si devono usare magneti superconduttori, che lavorano a basse temperature e devono essere raffreddati mediante gas liquidi. Per questo motivo il solenoide superconduttore è racchiuso entro due vasi Dewar, quello più interno contiene elio liquido, quello più esterno azoto liquido.

52 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Il campione, solitamente una soluzione entro un tubicino di 5mm di diametro, viene posto nel probe inserito allinterno del campo magnetico. Il campo sentito dal campione deve essere uguale in tutte le sue porzioni, altrimenti i protoni risuonerebbero a frequenze diverse in diverse parti del campione e il nostro segnale sarebbe confuso. Campo Disomogeneo campione fermo

53 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Per mediare le possibili variazioni di campo magnetico il probe, ovvero il dispositivo nel quale collochiamo il tubicino contenete il nostro campione, è dotato di uno spinner che fa ruotare il tubicino attorno al proprio asse verticale in modo da mediare le disomogeneità di campo. Inoltre, sono presenti altre bobine attorno al campione, le bobine di shimming, che hanno la funzione di controbilanciare i gradienti di campo magnetico e rendere il campo più omogeneo possibile. Campo Disomogeneo campione in rotazione Campo Disomogeneo campione fermo

54 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Spire del Magnete Probe Bobine di shimming

55 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR

56 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatore

57 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatore z z x y 90° x y

58 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatoreRicevitore z z x y 90° x y

59 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatoreDetectorRicevitore Sottrae la frequenza proveniente dal probe dalla frequenza operativa

60 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatoreRicevitore Trasforma il segnale da analogico (elettrico) in digitale (cioè in numeri che possano poi essere analizzati dal computer) Convertitore AD Detector

61 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatoreRicevitoreComputer Convertitore AD FT Detector

62 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Magnete Probe Bobine di shimming Sorgente RF Lo spettrometro NMR TimerAmplificatoreRicevitoreComputer Convertitore AD Per aumentare la sensibilità intrinsecamente bassa della spettroscopia NMR si registra lo stesso spettro per un numero anche molto elevato di volte Detector

63 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR z x y y 90° Acquisizione Intervallo di rilassamento (R d ) z x y y z x y

64 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Il segnale viene campionato e convertito in digitale. Quanto a lungo bisogna campionarlo? Il tempo dedicato alla campionatura del segnale viene definito tempo di acquisizione A t ed è inversamente proporzionale alla risoluzione che si vuole ottenere, cioè alla differenza in Hz tra due segnali che si vuole leggere nello spettro finale. In pratica se voglio discriminare due linee distanti tra loro Hz dovrò utilizzare un tempo di acquisizione pari a 1 / Δ. Ad es. per risolvere linee separate da 4 Hz A t 1/4Hz = 0.25 s Normalmente per l'acquisizione di uno spettro del protone A t è pari a 2-3 secondi, tempo che corrisponde ad una buona risoluzione ed è anche il tempo di decadimento totale del segnale, in pratica si osserva l'intero FID dalla sua parte ad ampiezza maggiore fino alla coda in cui il segnale è ormai nullo.

65 Corso di Metodi Fisici in Chimica Organica – Dott.ssa Francesca Mocci, Facoltà di Farmacia, Università di Cagliari Lo spettrometro NMR Il segnale viene campionato e convertito in digitale. Con quale frequenza? La frequenza di campionatura del FID dipende dalla massima frequenza che si vuole osservare. Per descrivere un ciclo di una radiofrequenza è necessario prendere almeno due punti. Velocità di campionatura >= 1/(2* MAX ) La sottrazione della frequenza della sorgente da quella che giunge al ricevitore permette di ridurre notevolmente la frequenza di campionatura senza ridurre il numero di informazioni.