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Alfonso Mangoni » 20.Spettroscopia NMR - 7 - Disaccoppiamento di spin, NOE, rilassamento


Il disaccoppiamento di spin

Se non è influenzato dell’esterno, un protone rimane nel suo stato di spin α o β.

Se però il protone è irradiato con continuità alla sua frequenza di risonanza, la radiazione elettromagnetica causa un continua variazione del suo stato di spin α a β e viceversa (si tratta di una serie continua di assorbimenti ed emissioni stimolate).

Senza disaccoppiamento, il protone A rimane nello stato (ɑ o β) in cui si trova

Senza disaccoppiamento, il protone A rimane nello stato (ɑ o β) in cui si trova

Col disaccoppiamento il protone passa continuamente da ɑ a β e viceversa

Col disaccoppiamento il protone passa continuamente da ɑ a β e viceversa


Il disaccoppiamento di spin

Consideriamo ora un sistema AX, e supponiamo di registrare uno spettro (ad onda continua o in trasformata di Fourier) mentre è in corso una continua irradiazione del nucleo A.

Il protone X non si trova più nelle vicinanze di un protone nello stato α oppure nello stato β, ma nelle vicinanze di un protone che cambia continuamente il suo stato di spin. Il protone X risente quindi dello momento magnetico medio del nucleo A, che è zero.

Senza disaccoppiamento, il protone X è schermato oppure deschermato

Senza disaccoppiamento, il protone X è schermato oppure deschermato

Col disaccoppiamento il protone X è prima schermato, poi deschermato, e così via

Col disaccoppiamento il protone X è prima schermato, poi deschermato, e così via


Il disaccoppiamento di spin

In definitiva, se si irradia con continuità sul nucleo A, il nucleo X non risente più dell’accoppiamento con il nucleo A, e risuona come singoletto, cioè come se il nucleo A non ci fosse (ma eventuali accoppiamenti con altri nuclei continuano ad esistere!).

Spettro NMR di un sistema AX

Spettro NMR di un sistema AX

Spettro di un sistema AX disaccoppiato su A: X diventa un singoletto

Spettro di un sistema AX disaccoppiato su A: X diventa un singoletto


Il disaccoppiamento di spin

Nello stesso tempo, il segnale del nucleo A non è più presente nello spettro, poiché la continua irradiazione fa sì che le popolazioni degli stati α e β diventino identiche.

Col disaccoppiamento è possibile stabilire quali protoni sono accoppiati ad un certo protone. Questa informazione si ricava oggi più facilmente dall’esperimento NMR bidimensionale COSY.

Per il nucleo A – le popolazioni degli stati ɑ e β diventano uguali: il segnale scompare

Per il nucleo A - le popolazioni degli stati ɑ e β diventano uguali: il segnale scompare


Un esempio di disaccoppiamento di spin


Un esempio di disaccoppiamento di spin


L’effetto nucleare Overhauser (NOE)

L’effetto nucleare Overhauser è una variazione dell’intensità del segnale di un protone in seguito all’irradiazione di un protone che si trova nelle vicinanze del protone osservato.

Il fenomeno del NOE è legato all’accoppiamento dipolare, e quindi vicini significa vicini nello spazio, e non separati da pochi legami.

Di solito si osserva un aumento dell’intensità (NOE positivo) per molecole organiche piccole, diminuzione per macromolecole (NOE negativo).

Per i NOE omonucleari l’aumento di intensità è in genere piccolo, con un valore massimo teorico del 50% e valori reali che sono tipicamente compresi tra l’1% ed il 10%.

L’effetto nucleare Overhauser (NOE)

Non spiegheremo in dettaglio il meccanismo del NOE.

Diciamo solo che l’irradiazione su un nucleo fa sì che la differenza di popolazione tra gli stati α e β si annulla. Di conseguenza* nei nuclei accoppiati dipolarmente (quindi vicini), la differenza di popolazione tra gli stati α e β dei nuclei varia (aumenta sa il NOE è positivo), e per questo l’intensità del segnale di questo nuclei aumenta.

* Perché questo sia una conseguenza non lo spieghiamo!

Spettri NOE difference

Poiché l’aumento di intensità è piccolo, normalmente il NOE viene misurato utilizzando spettri differenza (NOE difference).

Si effettua uno spettro con irradiazione e uno senza irradiazione, e si fa la differenza tra i due.

Nello spettro differenza sono presenti solo i protoni che variano di intensità tra i due spettri, e che quindi mostrano NOE.

Nello spettro differenza compaiono solo i segnali i protoni che mostrano NOE

Nello spettro differenza compaiono solo i segnali i protoni che mostrano NOE


NOE e stereochimica delle molecole

Il NOE è in generale considerato prova della vicinanza spaziale (diciamo entro 3-4 Å) di due protoni.

Al contrario, l’assenza di NOE suggerisce soltanto, ma non dimostra, che i due protoni siano lontani.

Il NOE è di grande utilità per determinare la stereochimica delle molecole.

In figura: un effetto NOE tra i protoni in 2 e in 4 indica vicinanza spaziale tra i due protoni, e quindi che i due protoni sono in cis.


NOE e disaccoppiamento

Sia NOE che disaccoppiamento di spin sono provocati dall’irradiazione su un protone. In un esperimento ad onda continua, i due fenomeni avvengono contemporaneamente.

Questo è un problema, perché il disaccoppiamento, facendo variare le molteplicità, rende difficile l’uso dell’esperimento differenza.

In un esperimento a trasformata di Fourier, tuttavia, i due fenomeni possono essere tenuti ben distinti.

C’è NOE o no? Ecco cosa succede quando si tenta di sottrarre due segnali con molteplicità diversa

C'è NOE o no? Ecco cosa succede quando si tenta di sottrarre due segnali con molteplicità diversa


NOE e disaccoppiamento

L’intensità del segnale NMR dipende dalla differenza di popolazione tra gli stati α e β al momento dell’impulso.

Quindi nel NOE è necessario che l’irradiazione (che provoca una variazione nella differenza di popolazione) sia prima dell’impulso.

Nel disaccoppiamento di spin l’irradiazione fa variare la frequenza a cui il nucleo emette, e quindi l’irradiazione deve avvenire durante l’emissione, cioè dopo l’impulso.


Il rilassamento

Il rilassamento è il ritorno all’equilibrio di un sistema che è stato perturbato.

Il rilassamento è un processo esponenziale, la cui costante di tempo T (il cosiddetto tempo di rilassamento) ci dice quanto velocemente il sistema rilassa.

Per quanto riguarda l’NMR, il tempo di rilassamento T2 ci dice quanto velocemente il FID decade, ed il tempo di rilassamento T1 quanto velocemente il sistema torna alla distribuzione di equilibrio di Boltzmann (i due processi sono diversi, ma in molecole piccole vanno più o meno alla stessa velocità).

Rilassamento veloce (T2 piccolo)

Rilassamento veloce (T2 piccolo)

Rilassamento lento (T2 grande)

Rilassamento lento (T2 grande)


Rilassamento e risoluzione

Nel FID in alto nella slide precedente, il segnale decade più velocemente, e la frequenza è più indefinita: dopo la trasformata di Fourier, i segnali saranno più larghi e meno risolti.

Quindi: un rilassamento veloce (tempo di rilassamento piccolo) riduce la risoluzione.

Rilassamento veloce (T2 piccolo)

Rilassamento veloce (T2 piccolo)

Rilassamento lento (T2 grande)

Rilassamento lento (T2 grande)


Rilassamento e sensibilità

Abbiamo visto nella lezione scorsa che ripetendo più volte un esperimento e sommando i risultati aumenta il rappoto segnale/rumore (e quindi la sensibilità).

Però, prima di poter ripetere l’esperimento NMR, dobbiamo attendere che si ristabilisca la distribuzione di popolazioni di Boltzmann.

Se il tempo di rilassamento è lento, dobbiamo aspettare molto tempo, e possiamo ripetere l’esperimento meno volte per unità di tempo: il rapporto segnale/rumore scende.

Quindi: un rilassamento lento (tempo di rilassamento grande) riduce la sensibilità.

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