La Spettroscopia. Lo Spettro Elettromagnetico. La radiazione elettromagnetica (e.m.)

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1 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). 1

2 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*10 8 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

3 di frequenza. Ciascun fotone è dotato di un energia E=h dove h = 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 mv 2 ), 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 kcal/mole. Questa differenza è molto 3

4 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). 4

5 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. E fotone = h = E stato 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 5

6 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 I 01, I 02, I 03,...I 0n. 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, I 1, I 2, I 3,...I n. 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 (I 0 ) in quanto nessun fotone è stato assorbito (I 0 = 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 (I 0 ). 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 frequenze 1 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. 6

7 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. I o 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 7

8 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. 8

9 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 ( 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 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 C C, carbonilico C=O. 9

10 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 10

11 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) nm; numero d onda= cm MIR (medio IR) nm ; numero d onda= cm FIR (lontano IR) nm ; numero d onda = 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 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: 11

12 a) Stiramento simmetrico b) Stiramento antisimmetrico + - 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 CO 2, 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: 12

13 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. la zona delle impronte digitali (compresa tra 1200 e 600 cm -1 ) 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

14 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 1 H, 19 F 13 C, 31 P e 15 N. Infine 2 H e 14 N hanno I = 1 14

15 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 1 H 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 (H 0 ), 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 H 0 /2 in 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

16 Orientazione del vettore momento magnetico nucleare per un nucleo con I=1/2 in presenza di un campo magnetico esterno (H 0 ) 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 H 0 E h = E h /off 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. Processi di Rilassamento Magnetico 16

17 Direzione campo magnetico applicato 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. Nucleo Direzione del campo magnetico di natura elettronica Nuvola 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 H 0 /2. In generale, i nuclei 1 H o 13 C adiacenti ad atomi elettronegativi risultano deschermati, ossia sentono un campo magnetico applicato più intenso. 17

18 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) * ( Hz) RF 6 dove ν è la frequenza di risonanza del nucleo nel campione in esame, ν 0 è la frequenza di risonanza dello stesso nucleo in un campione standard e ν RF 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 H 0 ). Lo standard utilizzato per gli spettri protonici e del carbonio-13 è il Si(CH 3 ) 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. 18