(or, What is NMR Spectgroscopy?)
Nuclear Magnetic Resonance (NMR) fu osservata per la prima volta in modo sperimentale alla fine del 1945, quasi contemporaneamente dai gruppi di ricerca di Felix Bloch, alla Stanford University e Edward Purcell alla Harvard University. I primi spettri NMR furono pubblicati nello stesso numero di Physical Review nel gennaio del 1946. Bloch e Purcell ricevettero insieme il premio Nobel per la fisica nel 1952 per la loro scoperta della spettroscopia di risonanza magnetica nucleare.
Il fenomeno NMR si basa sull’interazione dei nuclei di alcuni isotopi atomici con un campo magnetico statico. Questo campo magnetico fa sì che i possibili stati di spin del nucleo differiscano in energia, e usando le tecniche NMR gli spin possono essere fatti per creare transizioni osservabili tra gli stati di spin. I comuni nuclei attivi NMR sono 1H, 13C, 31P, 15N, 29Si, e molti altri. Quasi ogni elemento ha almeno un isotopo che è attivo NMR.
Da allora, la spettroscopia NMR è diventata uno strumento indispensabile per la determinazione della struttura molecolare, lo studio della dinamica molecolare, e la caratterizzazione dei materiali a livello molecolare da chimici, fisici e biologi molecolari. Per i primi decenni, i ricercatori si sono affidati agli spettri NMR unidimensionali dei nuclei attivi NMR. Questi spettri hanno un asse di frequenza e l’analisi si basa sugli spostamenti di frequenza relativi tra nuclei chimicamente ineguali, combinati con la differenza nelle intensità integrate relative dei picchi. Durante gli anni ’70, la NMR bidimensionale è stata scoperta e ha rapidamente evoluto la NMR nel potente strumento che è oggi per la determinazione strutturale molecolare. Gli spettri NMR bidimensionali hanno due assi di frequenza, che possono corrispondere a nuclei simili (cioè 1H-1H) o a nuclei diversi (cioè 1H-13C), e una terza dimensione di intensità dei picchi. Più recentemente, sono stati sviluppati esperimenti NMR che contengono informazioni in tre, quattro e persino cinque dimensioni. Il potere della NMR di chiarire la struttura molecolare sembra quasi illimitato. Ad illustrare l’importanza della NMR per la comunità scientifica sono i successivi premi Nobel assegnati a R.R. Ernst nel 1991 (chimica), K. Wütrich nel 2002 (chimica), e P. Lauterbur & P. Mansfield nel 2003 (medicina).
L’utilità della NMR deriva dal fatto che nuclei chimicamente diversi differiscono nella frequenza di risonanza nello stesso campo magnetico. Questo fenomeno è noto come spostamento chimico. Inoltre, le frequenze di risonanza sono perturbate dall’esistenza di nuclei attivi NMR vicini, in un modo che dipende dagli elettroni di legame che collegano i nuclei. Questo è noto come accoppiamento spin-spin, o “J”. L’accoppiamento spin-spin permette di identificare le connessioni tra gli atomi di una molecola, attraverso i legami che li collegano. Combinato con la capacità di usare informazioni quantitative dall’intensità dei picchi, si può determinare molto accuratamente come gli atomi si combinano per formare una struttura molecolare unica.
Un esempio di come gli spettri NMR possono essere usati per identificare la struttura di una molecola comune
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