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• Miguel Adrian Gaona

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Resonancia  Magnética  Nuclear Fundamentos  e  interpretación  de   espectros Dr.  Juan  Francisco  Palacios  Espinosa

Fundamentos • • • • •

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La  espectroscopía de  Resonancia  Magnética  Nuclear  (RMN)   es  una  de  las  técnicas  analíticas  que  mayor  información   estructural  proporciona. Es  una  de  las  herramientas  más  valiosas  con  las  que  cuenta   el  químico  (orgánico,  analítico,  bioquímico,  etc). Se  observan  los  núcleos  de  los  átomos  y  la  influencia  del   entorno  molecular  sobre  cada  uno  de  ellos. C, H, O, N, S, P; son de los átomos más abundantes en las moléculas orgánicas. Esto permite utilizar una muestra muy pequeña para realizar la obtención del espectro. Se basa en la medida de energía que absorben los núcleos atómicos dentro de un campo magnético que se les irradia con energía de radiofrecuencia en la región comprendida entre 4-­‐900 MHz. Los núcleos son los que participan en este fenómeno, a diferencia de otras técnicas como IR, UV, etc.

Fundamentos • Técnicas espectroscópicas y espectrométricas IR (Grupos funcionales). • UV (Absorción de energía). • EM (Peso molecular y fórmula). • RMN (Tipo de protones y carbonos, ambiente que los rodea).

Fundamentos • W.  Pauli  (1924),  estableció  las  bases  teóricas  de   la  RMN  sugiriendo  que  ciertos  núcleos  atómicos   tienen  propiedades  de  espín  y  momento   magnético. • Implica  que:  en  un  campo  magnético  se  dividirían   en  niveles  de  energía. • Hasta  1946,  Felix Bloch (Stanford)  y  Edward   Purcell (Harvard),  de  manera  independiente,   demostraron  que  los  núcleos  absorben  radiación   electromagnética  en  un  campo  magnético  como   resultado  del  desdoblamiento  de  los  niveles  de   energía  inducidos  por  el  campo  magnético. • Ambos  compartieron  el  premio  Nobel  (1952).

Fundamentos • Después del descubrimiento de la RMN, los químicos de dieron cuenta de que el entorno influía en la absorción de la radicación. • Dicha influencia se podía correlacionar con la estructura molecular.

Fundamentos • Para  cuantificar  las  propiedades  de   ciertos  núcleos,  debemos  asumir   que  ellos  rotan.   • Debido  a  sus  cargas,  estos  núcleos   se  comportan  como  pequeños   imanes  e  interactúan  con  un  campo   magnético  externo  (B0). • No  todos  actúa  igual  (1H  y  13C  por   fortuna…  si).

Propiedades  magnéticas  de  los   núcleos

Propiedades  magnéticas  de  los   núcleos

Fundamentos • Fenómeno  de  resonancia.

– La experimentan ciertos núcleos que poseen un espín nuclear distinto a cero. – Imagine que cada núcleo gira sobre si mismo (espín nuclear), generando un campo magnético débil propio. – En estado normal, pueden adoptar cualquier dirección espacial. – En el caso del 1H y 13C por tener un espín nuclear de ½ solo tiene dos opciones. – Al aplicar un campo magnético externo fuerte, los núcleo adoptan orientaciones específicas (paralelo y antiparalelo). – Paralelo (menor energía) y antiparalelo (mayor energía).

Fundamentos •

Fenómeno  de  resonancia

– Ahora  irradiamos  esos  núcleos  con  radiación  electromagnética  de  una   frecuencia  apropiada  (barrido). – Los  núcleos  absorben  energía  y  pasan  de  un  estado  de  menor  a  uno  de   mayor  energía  (invierte  el  espín) – A  eso  se  le  denomina  que  los  núcleos  han  entrado  en  “resonancia” – La  frecuencia  necesaria  para  la  transición  depende  de  la  fuerza  del  campo   magnético  aplicado  y  del  núcleo

Fundamentos • La  cantidad  de  energía  requerida   para  la  inversión  del  espín  de  un   núcleo  depende  de  la  fuerza  del   campo  magnético  externo  y  del   núcleo  mismo. • Campo  4.7  T  se  requiere  una   energía  de  rf de  200  MHz  para   poner  en  resonancia  a  un  núcleo   de  1H  y  tan  solo  187  MHz  para  un   núcleo  de  19F.  Para  el  caso  de  13C,   en  el  mismo  campo,  se  requiere   50  MHz  para  ponerlo  en   resonancia.

Fundamentos • Ecuación  de  Larmor ν0 =  Frecuencia  de  energía  absorbida γ =  Tipo  de  núcleo  y  su  constante  giromagnética B0 =  Campo  magnético

Fundamentos • No  se  puede  aplicar  a  cualquier  núcleo

Protección  y  desprotección • • •

• •

Todos  los  núcleos  en  las  moléculas  están  rodeadas  de  electrones,  cada   uno  de  ellos  genera  un  pequeño  campo  magnético.  Estos  actúan  en   oposición  al  campo  aplicado. Campo  efectivo  [B efectivo=  B aplicado  – B local] Cada  núcleo  absorbe  distinta  cantidad  de  energía  (depende  de  su   entorno  electrónico),  lo  cual  es  una  ventaja  porque  nos  indica  que   ambiente  rodea  a  dicho  átomo  (influencia  de  los  electrones  oponiéndose   al  campo  magnético  aplicado). De  otra  manera,  todos  los  núcleos  absorberían  la  misma  cantidad  de   energía  y  obtendríamos  una  sola  señal  (nada  útil). Protección  y  desprotección.

Fundamentos • Una  vez  alineados  e  irradiados  con  energía  de  una  radiofrecuencia  apropiada,   estos  núcleos  dejan  de  irradiarse  y  se  relajan  (técnica  de  pulsos) • Esto  último  permite  que  el  núcleo  emita  energía  de  la  misma  longitud  que  la   absorbió  y  eso  se  detecta  para  obtener  una  lectura  mediante  un  traductor  de   señales. • Se  denomina  FID  (free  induction decay)

Transformada  de  Fourier • Para  obtener  información  útil  de  esta  técnica  es  necesario  transformar  al  FID     (dependiente  del  tiempo)  en  un  espectro  de  RMN  (dependiente  de  la  frecuencia). • Richard  Ernst  (premio  nobel  de  Química  1991)  descubrió  que  era  posible  extraer     esas  frecuencias  de  resonancia  de  los  núcleos  a  partir  del  FID  mediante  la   Transformada  de  Fourier  (TF).

Transformada  de  Fourier • Para  obtener  información  útil  de  esta  técnica  es  necesario  transformar  al  FID     (dependiente  del  tiempo)  en  un  espectro  de  RMN  (dependiente  de  la  frecuencia). • Richard  Ernst  (premio  nobel  de  Química  1991)  descubrió  que  era  posible  extraer     esas  frecuencias  de  resonancia  de  los  núcleos  a  partir  del  FID  mediante  la   Transformada  de  Fourier  (TF)  en  un  equipo  de  computo. • Separa  los  diferentes  tonos. • Entre  mayor  cantidad  de  núcleos  diferentes,  mayor  complejidad  del  FID.

Transformada  de  Fourier

Técnica  de  pulsos Acumulación  de  espectros • De  manera  normal,  un  FID  tiene  una  intensidad  muy  débil  después  de  la   TF. • Una  de  las  ventajas  de  esta  técnica  es  que  se  obtiene  un  FID  en   relativamente  poco  tiempo. • La  acumulación  de  un  número  importante  de  FIDs individuales  (suma)  y   después  de  la  TF  se  obtiene  un  espectro  de  mucho  mejor  resolución

Instrumentación El  imán  es  el  componente  esencial  en  cualquier   espectrómetro  de  RMN – Imanes  permanentes – Electroimanes – Solenoides  superconductores  enfriados  con  He

• El  campo  magnético  debe  ser  fuerte  (la  sensibilidad  del   experimento  de  RMN  se  incrementa  con  la  fuerza  del   campo  magnético  aplicado • El  campo  magnético  debe  ser  extremadamente   homogéneo,  de  manera  que  todas  las  partes  de  la  muestra   se  irradien  del  mismo  modo  (muestra  girando) • El  campo  magnético  debe  ser  muy  estable  durante  todo  el   experimento  (horas  o  días)

Instrumentación Frecuencias  de  resonancia  de  1H  y  13C  a  diferentes  B0

Instrumentación

Instrumentación Preparación de muestras • Normalmente se miden en solución empleando tubos de vidrio (5 mm de diámetro). • Se requiere un volumen de entre 300-­‐400 µl, dependiendo del núcleo y de la cantidad de muestra • Para espectros de RMN 1H desde 1-­‐5 mg es suficiente • Para RMN de 13C se necesita una cantidad mucho mayor (50-­‐100 mg) • La muestra debe ser totalmente soluble en el disolvente que se utilice (no partículas sólidas) • Dicho disolvente no debe contener núcleos activos que interfieran con la lectura de la muestras (CCl4 y CS2) • Hoy en día se cuenta con disolventes de baja y alta polaridad (CDCl3, DMSO-­‐6D, MeOD, etc)

Instrumentación Preparación de muestras • Se emplean disolventes deuterados porque estos no darán señales que interfieran con la muestra, sin embargo, la deuteración no es al 100% y siempre se observarán pequeñas señales. • Es importante localizarlas

Aspecto  de  un  espectro  de  RMN  1H • • • • • • •

Son gráficos que muestran la fuerza del campo aplicado que aumenta de izquierda a derecha Zona la de izquierda se denomina “campo bajo” y la zona de la derecha “campo alto” Los núcleos que absorben energía en el lado del campo bajo requieren una fuerza de campo menor para entrar en resonancia Los núcleos que absorben energía en el campo alto requieren de un campo mayor para entrar en resonancia Para definir la posición de una absorción se calibra con TMS (única señal en campos más altos) El valor donde aparecen las señales se le denomina desplazamiento químico (δ), esta dado en ppm y es constante independientemente de la frecuencia empleada. En 1H va de 0-­‐12 o un poco más y en 13C va de 0-­‐240 o un poco más.

Aspecto  de  un  espectro  de  RMN  1H • Protección y desapantallamiento)

desprotección

(apantallamiento

y

– Si la densidad electrónica del enlace C-­‐H aumenta, el apantallamiento o protección aumenta y las señales aparecen desplazadas a campo alto – Si la densidad electrónica en el enlace C-­‐H disminuye, el apantallamiento disminuye y las señales aparecen desplazadas a menor campo

Aspecto  de  un  espectro  de  RMN  1H • Protección y desapantallamiento)

desprotección

(apantallamiento

y

– Si la densidad electrónica del enlace C-­‐H aumenta, el apantallamiento o protección aumenta y las señales aparecen desplazadas a campo alto – Si la densidad electrónica en el enlace C-­‐H disminuye, el apantallamiento disminuye y las señales aparecen desplazadas a menor campo Sustituyente  X  en  el   Efecto  (desplazamiento   CH3

químico  ppm)

-­‐F

4.13

-­‐OH

3.20

-­‐NH2

2.50

-­‐CH=CH2

2.05

-­‐CH3

0.86

-­‐H

0.23

(H3C)4-­‐Si

0.0

Interpretación  del  RMN  13C • El 13C es el isótopo con una abundancia natural de 1.1% (1 de cada 100 carbonos). • Es el único observable en RMN por tener espín nuclear (12C no tiene espín). • La baja abundancia del 13C se resuelve por el uso del promedio de la señal y la TF. • Otro problema es el excesivo ruido presente en este tipo de espectros (señales son muy débiles • Hay que hacer cientos de experimentos para obtener un buen espectro de 13C

Interpretación  del  RMN  13C

Espectros  de  RMN  13C  del  1-­‐pentanol  (a)  un  solo  experimento,  (b)   doscientos  experimentos

Interpretación  del  RMN  13C

Desplazamientos  químicos  de  distintos  grupos  que  contiene  carbono

Interpretación  del  RMN  13C

Espectro  de  RMN  de  13C  del  acetato  de  metilo

Interpretación  del  RMN  13C

Espectro  de  RMN  de  13C  de  la  2-­‐butanona

Interpretación  del  RMN  13C

Espectro  de  RMN  de  13C  de  la  p-­‐bromoacetofenona

Interpretación  del  RMN  13C

Interpretación  del  RMN  13C

Interpretación  del  RMN  13C

Interpretación  del  RMN  13C

Interpretación  del  RMN  1H • Desplazamiento  químico – En  ppm(independiente  del  aparato) – En  Hz  (dependiente  del  aparato)

Interpretación  del  RMN  1H • Referencia  TMS

Interpretación  del  RMN  1H • Referencia  TMS

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H Integración  de  las  señales

Interpretación  del  RMN  1H Desdoblamiento    de  las  señales  (Regla  n+1)

Interpretación  del  RMN  1H Desdoblamiento    de  las  señales  (Regla  n+1)

Interpretación  del  RMN  1H Desdoblamiento    de  las  señales  (Regla  n+1)

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H • Factores que influyen en el desplazamiento químico de un núcleo. – Cualquier efecto que altere la densidad electrónica alrededor de los protones variará su grado de apantallamiento y, por lo tanto, sus desplazamientos químicos. – Efectos electrónicos por parte del sustituyente (Efectos inductivos). – Hibridación del átomo sp3, sp2 o sp, al que se encuentra unido el protón (efectos mesómeros) – Cercanía de grupos magnéticamente anisotrópicos (efecto anisotrópico)

Interpretación  del  RMN  1H • Efecto de la electronegatividad

Interpretación  del  RMN  1H • Efectos  mesómeros  (hibridación  del  átomo   vecino)

Interpretación  del  RMN  1H • Efectos  mesómeros  (oleofínicos)

Interpretación  del  RMN  1H

Interpretación  del  RMN  1H • Efectos anisotrópicos – Estos efectos no se transmiten a través de los enlaces como los inductivo y mesómeros sino que se transmiten a través del espacio

Interpretación  del  RMN  1H • Efectos anisotrópicos – La diferencia de desplazamiento se debe a que el anillo aromático es un grupo muy anisotrópico

Interpretación  del  RMN  1H • Calculo teórico químicos – Reglas de Shoolery

de

los

desplazamientos

Interpretación  del  RMN  1H • Calculo teórico químicos

de

– Reglas de Shoolery – Protones óleofínicos

los

desplazamientos

Interpretación  del  RMN  1H • Calculo teórico de los desplazamientos químicos – Reglas de Shoolery – Protones aromáticos

Interpretación  del  RMN  1H • Protones isocronos: Son aquéllos que aparecen al mismo desplazamiento químico debido a que presentan entornos químicos idénticos (son químicamente equivalentes). • Protones anisocronos: Son aquéllos que aparecen a distinto desplazamiento químico debido a que presentan entornos químicos diferentes (no son químicamente equivalentes).

Interpretación  del  RMN  1H