Risonanza magnetica nucleare (NMR): leggere la struttura delle molecole

La risonanza magnetica nucleare (NMR) è la tecnica più potente per determinare la struttura di una molecola organica: dove sono gli atomi, come sono legati, in che rapporto. Dove l’infrarosso riconosce i gruppi funzionali, l’NMR ricostruisce l’intera impalcatura. È lo strumento di riferimento nei laboratori di sintesi e di controllo qualità della chimica fine e farmaceutica.

Vediamo perché i nuclei “risuonano” in un campo magnetico, come si legge uno spettro, che cosa significano spostamento chimico, molteplicità e integrazione, e come si usa l’NMR nella pratica.

Perché i nuclei risuonano

Alcuni nuclei atomici — come l’idrogeno (¹H) e il carbonio-13 (¹³C) — si comportano come piccole calamite perché possiedono una proprietà chiamata spin. Immersi in un forte campo magnetico, questi nuclei si allineano e possono assorbire energia a una frequenza ben precisa, detta frequenza di risonanza:

ν = γ · B₀2π

dove B₀ è l’intensità del campo magnetico e γ il rapporto giromagnetico, caratteristico di ogni tipo di nucleo. In pratica: più forte è il magnete, più alta la frequenza di lavoro e migliore la qualità dello spettro. È per questo che gli strumenti si indicano in MHz (300, 400, 600 MHz…).

Come si legge uno spettro NMR

Lo spettro riporta l’intensità del segnale in funzione dello spostamento chimico, in ppm, con l’asse — come in IR — che decresce da sinistra a destra (lo zero, il TMS, è a destra). Ogni gruppo di atomi di idrogeno con lo stesso intorno dà un segnale a una posizione caratteristica.

Da che cosa dipende lo spostamento chimico

Il valore di δ si calcola normalizzando la differenza di frequenza rispetto al riferimento, così da renderlo indipendente dal campo dello strumento:

δ = ν_campione − ν_rifν_strumento × 10⁶

Grazie a questa normalizzazione, uno stesso protone cade allo stesso δ (in ppm) su uno strumento da 300 o da 600 MHz: gli spettri sono confrontabili tra laboratori. Gli idrogeni vicino a ossigeno, azoto o anelli aromatici risuonano a ppm alti; quelli delle catene alifatiche a ppm bassi.

Molteplicità: l’accoppiamento tra nuclei

I segnali spesso non sono singoli ma si “sdoppiano” in più righe: è l’accoppiamento con gli idrogeni vicini. Vale la regola pratica n+1: un idrogeno con n idrogeni equivalenti su atomi adiacenti dà un segnale con n+1 righe. Un protone senza vicini è un singoletto; con un vicino un doppietto; con due un tripletto, e così via. La molteplicità è una mappa diretta della connettività degli atomi.

Integrazione: contare gli idrogeni

L’area sotto ogni segnale è proporzionale al numero di idrogeni che lo generano. Confrontando le aree (l’integrazione) si ricavano i rapporti: ad esempio 3:2:1 indica gruppi con 3, 2 e 1 idrogeni. Insieme a posizione e molteplicità, l’integrazione completa il puzzle strutturale.

¹H, ¹³C e strumentazione

L’NMR del protone (¹H) è la più rapida e informativa; quella del carbonio (¹³C) mappa lo scheletro carbonioso ma è meno sensibile, perché il ¹³C è poco abbondante in natura. Gli strumenti moderni sono a trasformata di Fourier (FT-NMR): inviano un impulso che eccita tutti i nuclei insieme e ricostruiscono lo spettro, accumulando molte scansioni per migliorare il rapporto segnale/rumore.

Schermatura, costante di accoppiamento e rilassamento

La posizione di un segnale dipende dalla schermatura: gli elettroni intorno al nucleo lo “proteggono” dal campo magnetico. Più un nucleo è schermato, più il suo segnale cade a ppm bassi; un atomo elettronegativo vicino sottrae densità elettronica (deschermatura) e sposta il segnale a ppm alti. È questo che rende lo spostamento chimico una mappa dell’intorno chimico.

L’accoppiamento tra nuclei vicini si quantifica con la costante di accoppiamento J, misurata in hertz: è la distanza tra le righe di un multipletto. A differenza dello spostamento chimico, J non dipende dall’intensità del campo magnetico, quindi si conserva identica su strumenti diversi ed è un dato strutturale prezioso (dice quali idrogeni sono effettivamente vicini).

Infine il rilassamento: dopo l’eccitazione, i nuclei tornano all’equilibrio con tempi caratteristici (rilassamento spin-reticolo). Questi tempi determinano quanto velocemente si possono accumulare le scansioni e influenzano l’aspetto quantitativo dello spettro: per integrazioni accurate occorre lasciare ai nuclei il tempo di rilassare completamente tra un impulso e l’altro.

Il trio dell’identificazione: NMR, IR e massa

Nella pratica della chimica fine e farmaceutica, l’identificazione di una molecola raramente si affida a una sola tecnica. Si lavora con un trio complementare: la spettrometria di massa dà la massa molecolare e la formula, l’infrarosso conferma i gruppi funzionali presenti, e l’NMR ricostruisce la connettività completa, dicendo come quei pezzi sono assemblati. Quando i tre dati convergono, l’identità di un composto è praticamente certa. È questo approccio integrato, e non il singolo spettro, lo standard nei laboratori di sintesi e di controllo qualità.

NMR e conformità

Nel controllo qualità l’NMR conferma l’identità e la purezza di principi attivi e intermedi, rivela impurezze strutturali e quantifica i rapporti tra componenti. È un dato di alto valore che sostiene i certificati di analisi e la coerenza di quanto dichiarato nelle schede dati di sicurezza. I solventi deuterati usati per le misure restano comunque rifiuti chimici da gestire.

Vedi anche. Esiste una tecnica gemella che ascolta gli spin degli elettroni spaiati invece dei nuclei: la risonanza paramagnetica elettronica (EPR), usata per radicali e ioni di metalli di transizione.

Per le molecole complesse si usa la NMR bidimensionale.

Domande frequenti

Che differenza c’è tra NMR e IR?

L’IR riconosce rapidamente i gruppi funzionali presenti; l’NMR ricostruisce l’intera struttura, dicendo quanti atomi di un tipo ci sono e come sono connessi. Sono complementari: spesso si usano insieme, con la spettrometria di massa, per identificare una molecola con certezza.

Perché serve un campo magnetico così forte?

Perché aumenta la separazione tra i segnali e migliora la sensibilità: a campo più alto i picchi sono più risolti e lo spettro più leggibile. Per questo gli strumenti più potenti (600 MHz e oltre) danno spettri di qualità superiore.

Che cos’è l’integrazione?

È la misura dell’area di ciascun segnale, proporzionale al numero di idrogeni che lo producono. Permette di stabilire i rapporti tra i diversi tipi di idrogeno nella molecola, informazione essenziale per ricostruirne la struttura.

Perché si usa il TMS come riferimento?

Il tetrametilsilano (TMS) dà un unico segnale netto, è chimicamente inerte e risuona lontano dalla maggior parte dei composti organici: è il punto zero ideale della scala dei ppm.

L’NMR è distruttiva?

No: il campione, una volta sciolto nel solvente deuterato, non viene alterato dalla misura e può essere recuperato. È uno dei vantaggi della tecnica rispetto, ad esempio, alla spettrometria di massa.