RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR

RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR

Cuando termine el estudio de ésta unidad el estudiante estará en capacidad de:

1-Explicar las características de resonancia magnética nuclear, que la hacen diferenciar de otros métodos espectroscópicos, detallando el fenómeno que se produce.

2-Diferenciar aquellos núcleos que producen la señal en la resonancia magnética nuclear y de aquellos que no la producen.

3-Explicar la preparación de las muestras y el fundamento de la instrumentación.

4-Determinar el fundamento de la multiplicidad de las señales que producen los núcleos en base a su ambiente.

5-En base a los fenómenos de protección de los núcleos, explicar el desplazamiento químico de de ellos.

6-Correlacionar tablas de desplazamiento, estructura orgánica en el desarrollo de los espectros de RMN-1H.

7-Determinar las estructuras de compuestos orgánicos desconocidos , utilizando la información que contienen los espectros como son : a)número de señales.

b)Posición de señales. c)Intensidad de señales. d)Desdoblamiento de señales.

Cuando termine el estudio de ésta unidad el estudiante estará en capacidad de:

1-Explicar las características de resonancia magnética nuclear, que la hacen diferenciar de otros métodos espectroscópicos, detallando el fenómeno que se produce.

2-Diferenciar aquellos núcleos que producen la señal en la resonancia magnética nuclear y de aquellos que no la producen.

3-Explicar la preparación de las muestras y el fundamento de la instrumentación.

4-Determinar el fundamento de la multiplicidad de las señales que producen los núcleos en base a su ambiente.

5-En base a los fenómenos de protección de los núcleos, explicar el desplazamiento químico de de ellos.

6-Correlacionar tablas de desplazamiento, estructura orgánica en el desarrollo de los espectros de RMN-1H.

7-Determinar las estructuras de compuestos orgánicos desconocidos , utilizando la información que contienen los espectros como son : a)número de señales.

b)Posición de señales. c)Intensidad de señales. d)Desdoblamiento de señales.

introducción

En 1946 dos grupos de investigación: Block, Hansen y Packard y otros Purcell, Torrey y Pound. Independientemente observaron por primera vez señales de rmn. Block y Purcell ganaron el premio nobel de física de 1952 por su descubrimiento.

Propiedades de los núcleos

Los núcleos poseen dos tipos de propiedades reseñables:

Propiedades mecánicas, que podemos imaginar suponiendo un símil planetario:

El momento angular que se debe al movimiento de los núcleos en torno a un punto dado y

el espín nuclear (I) que se debe al movimiento rotacional de los mismos y depende de la relación carga/masa del mismo.

Propiedades de los núcleos Propiedades eléctricas: Poseen una carga eléctrica; un Momento magnético (μ) ocasionado por

el movimiento rotacional de cualquier cuerpo cargado eléctricamente y

un Momento cuadrupolar debido a la distribución no uniforme de una carga sobre una superficie y que aparece cuando el núcleo no es absolutamente esférico.

Estados de Spin Nuclear

Algunos núcleos atómicos sometidos a un campo magnético absorben rem en la región de las radiofrecuencias.

Condiciones para que un núcleo absorba Rf

Momento magnético diferente de 0 NA ( impar) y PM( par ó impar)

+ +

-

-

+

+

--

Geometría condición núcleos resonancia

EsféricaGira NA imparPA par o impar

12 C ; 14 N16 O ; 24 Mo

No hay resonancia

EsféricaGira NA imparPA par

1H13C

Si hay resonancia

ElipsoideProlatoGira NA imparPA parMomento quadrupolar

14 N2H

Bandas anchas en el espectro

ElipsoideOblatoGira NA ImparPA parMomento quadrupolar

17 O Bandas anchas en el espectro

Ho

Para cada núcleo con spín el número permitido de estados de spín permitidos que podría adoptar, está cuantizado y esta determinado por su Nº cuántico de spín nuclear (I). Este número es una constante física. Para un núcleo de Nº cuántico de spín I, hay 2I+1 estados de spín, con una diferencia integral de +I y –I.

Elemento 1H 2H 12C 13C 14N 16O 17O 19F 31P

Spín 1/2 1 0 1/2 1 0 5/2 1/2 1/2

Nº de estados de spín

2 3 0 2 3 0 6 2 2

ENERGIA DE ABSORCION

El núcleo del hidrógeno tiene un Nº cuántico de spin I= ½ por lo tanto tiene

(2 (½) + 1 = 2 estados de spin) de igual manera el cloro con una I = 3/2 presenta cuatro estados de spin (2 (3/2) +1 = 4).

E absorbida= (E -1/2- E+1/2)

ΔE = f ( Ho)

-1/2

- ½ contra el campo

+ 1/2 favor de campo

+1/2

sin campo con campo magnético Ho Aplicado alineado

S

N

N

S S

N

S

N.

+½ -½Alineado opuesto Dirección del favor opuesto Campo baja energía alta energía Magnético aplicado Ho Ho

MOMENTO MAGNETICO

ENERGIA DE ABSORCIÓN El fenómeno de

resonancia magnética nuclear ocurre cuando el núcleo alineado con el campo magnético es inducido para absorber energía y cambiar la orientación del spín con respecto al campo magnético. Ho

MECANISMO DE ABSORCIÓN Si en un Ho de 14,100

gauss la v de precesión será de ≈ 60.0 MHz, los núcleos precesionantes generan un campo magnético oscilante de la misma frecuencia.

Si la onda de radio suministrada está a la misma frecuencia del protón precesionante, la energía puede ser absorbida.

La energía de absorción es un proceso cuantizado y la energía absorbida debe ser igual a la diferencia de energía entre los dos estados de spin involucrados.

E absorbida = (E-½ - E +½) = Hν

E absorbida = (E-½ - E +½) = Hν

Ho

MECANISMO DE ABSORCIÓN En un campo magnético

Ho aplicado, el núcleo estará girando en su propio eje, con una frecuencia angular ω, similar a un trompo. El spin nuclear comienza a precesionar, la frecuencia en la cual el protón precesiona es directamente proporcional a la potencia del campo magnético Ho aplicado.

Resonancia V de la radiación Rf = V

núcleo precesionante.

Los dos campos pueden acoplarse y la energía puede ser transferida al núcleo, con el consiguiente cambio de spin, a este fenómeno se le conoce como RESONANCIA, y se dice que el núcleo resuena con la onda electromagnética.

Isótopo Potencia del campo Ho gauss

Frecuencia ν MHz.

1H 10,000 42.6

14,100 60.0

23,500 100.0

51,480 220.0

2H 10,000 6.5

13C 10,000 10.7

19F 10,000 40.0

35Cl 10,000 4.2

Frecuencias y potencias en que los núcleos tienen resonancia y absorben Energía.

ESPECTROFOTOMETRO DE RMN.

Espectroscopía de RMN con Onda Contínua (CW: Continuous Wave)

CW era, bien mantener constante el campo magnético e ir haciendo un barrido de frecuencias con un campo oscilante, o bien, lo que era usado más a menudo, se mantenía constante la frecuencia del campo oscilante, y se iban variando la intensidad del campo magnético para encontrar las transiciones (picos del espectro)

Desventajas

Baja sensibilidad ya que cada señal se registra una sola vez por cada barrido

baja relación señal-ruido Lento Mucho ruido Solo se da en nucleos homonucleares 1H y 13C.

Espectroscopía de RMN de pulsos y Transformada de Fourier

Esta técnica explora simultánea e instantáneamente todo un rango de frecuencias

. Dos desarrollos técnicos fueron fundamentales para poder hacer realidad la técnica FT-NMR: ordenadores capaces de llevar a cabo las operaciones matemáticas necesarias para pasar desde el dominio de tiempo al de la frecuencia .

La FT-NMR funciona con la muestra (espines nucleares) sometida a un campo magnético externo constante. Se irradia la muestra con un pulso electromagnético de muy corta duración en la región de las radiofrecuencias.

El pulso que se genera es por tanto policromático y cuanto más corto sea, es capaz de excitar un mayor rango de frecuencias

La aplicación de un pulso policromático en una región estrecha de la banda de radiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en esa región.

Antes del pulso el vector de polarización neta de cada unos de los espines nucleares se encuentra en situación de equilibrio alineado en la dirección del campo magnético. Durante el tiempo que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo magnético en una dirección perpendicular al campo principal del imán y el vector polarización realiza un determinado movimiento de precesión. Tras cesar el pulso, el vector polarización de todos los espines afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del campo magnético principal. En este momento, los espines comportándose como pequeños imanes polarizados comienzan a precesionar con su frecuencia característica en torno al campo magnético externo, induciendo una pequeña corriente oscilante de RF en una bobina receptora situada en las inmediaciones de la muestra.

A medida que los núcleos van regresando poco a poco a la situación inicial de equilibrio alineados con en el campo magnético principal, la señal detectada va disminuyendo de intensidad hasta hacerse cero. Esta caída de la señal se conoce como caída libre de la inducción (Free Induction Decay) (FID) que da lugar al espectro de RMN.

RMN de 2-dimensiones y multidimensional con transformada de Fourier.

RMN se ha expandido a la bioquímica, y en particular a la determinación de la estructura en disolución de biopolímeros como proteínas o incluso ácidos nucleicos de tamaño pequeño.

resonancia magnética nuclear en estado sólido. Magic Angle Spinning (MAS) permitió

incrementar la resolución de los espectros de sólidos varios ordenes de magnitud.

ESPECTRO

TMS PROTÓN DE REFERENCIA Químicamente inerte Magnéticamente isotópico Volátil P.E = 27°C Soluble en muchos compuestos orgánicos. Solo da un pico de absorción. Absorbe a mayor campo alto que muchos

compuestos orgánicos. Puede ser usado como referencia externa( en un

capilar) o como referencia interna ( disuelto en el compuesto

Sensibilidad La intensidad de la señal de RMN, y por tanto,

también la sensibilidad de la técnica depende de la fortaleza del campo magnético

Aplicación de la rmn en la elucidación estructural de compuestos orgánicos.

La posible utilidad de la RMN en determinación estructural. En el análisis atómico e isotópico de la muestra, pues todos los núcleos idénticos deberían absorber a la misma frecuencia.

La gran utilidad de la RMN para los químicos, es que no todos los protones en una molécula tienen la misma resonancia a la misma frecuencia

Usos de la RMN para los químicos se debe a que varios protones en una molécula

tienen a su alrededor e- y existe una ligera diferencia de ambiente electrónico de uno a otro. Los protones están influenciados por los e- alrededor de ellos. En un campo magnético la e- de valencia circulante de los protones genera su propio campo magnético, el cual se opone al Ho aplicado. Así, cada protón esta escudado del Ho, que depende de la densidad de e- a su alrededor. A mayor densidad electrónica mayor es el campo inducido que se opone al Ho.

DESPLAZAMIENTO QUÍMICO. La cantidad de energía por la cual la resonancia del protón en estudio es desplazado del patrón de referencia Tetrametilsilano ( TMS) al que se le asigna el valor de cero, independiente de si la medición es hecha a 60 MHz o a 100 MHz., en ambos casos el desplazamiento es el mismo.

FACTORES QUE AFECTAN AL DESPLAZAMIENTO QUIMICO (δ) EN RMN PROTÓNICA

Los principales factores que afectan al desplazamiento químico son:1. El efecto inductivo.2. La anisotropía magnética de los enlaces químicos.3. La repulsiones de Van der Waals.4. La existencia de enlaces de hidrógeno.5. La utilización de reactivos de desplazamiento

1. EL EFECTO INDUCTIVO Si la densidad electrónica entorno al núcleo disminuye por efecto inductivo, el campo inducido por la carga también disminuye y la resonancia se puede alcanzar a un campo inferior”

átomo

CH3-C CH3-I CH3-N CH3-Br CH3-Cl CH3-O CH3-F

δ 0.9 2.16 2.3 2.68 3.05 3.3 4.26

EFECTO DE LA SUSTITUCIÓNComo puede observarse existe una relación, que es prácticamente

lineal, entre la electronegatividad de los sustituyentes y el desplazamiento químico protónico (δ). De igual forma se podría indicar para grupos metileno (CH2) y metino (CH)), con la única salvedad de que los desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitución, es decir el desplazamiento de los metinos suele ser mayor que el de los metilenos y el de estos que el de los metilos, tal y como se muestra en los siguientes ejemplos y en la tabla:

PROTON

CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl

CH2Br2 CH3Br CH3-CH2Br

CH3-CH2-CH2Br

δ 7.27 5.30 3.05 3.05 3.30 1.69 1.25

DESAPANTALLAMIENTO DE VAN DER WAALS En ciclohexanos sustituidos en posiciones axiales se producen repulsiones entre las nubes electrónicas de estos que hacen que los protones en posición axial salgan anormalmente desapantallados (hasta 1 ppm

dependiendo del sustituyente).

Acoplamiento spin-spin

En el espectro cada absorción de un spin es proporcional al número de protones vecinos. Es decir que existe una influencia del spin del protón vecino con el proton en estudio. Su influencia es tres enlaces vecinos.

Cada proton siente el número de protones equivalente del carbono vecino con los cuales está enlazado.

Regla n+1

CH3 - CH2-CH2-OH

HA 126 cps HB 588 cps

ppm =

OH

H

H H

A B

INTENSIDAD DE LAS SEÑALES 1 SINGULETE (s)

1 1 DOBLETE (d)

1 2 1 TRIPLETE (t)

1 3 3 1 CUARTETO (q)

1 4 6 4 1 quintuplete (m)

EQUIVALENCIA QUÍMICA.

Todos los protones en una molécula están en un ambiente químico idéntico y con frecuencia exhiben el mismo desplazamiento, así, los protones del TMS, del benceno, ciclo pentano y acetona aparecen en el mismo desplazamiento (δ)

H

H

HH

H

H

H

H

H

H

HH

HH

H

H

H

Si CH3

CH3

CH3

CH3

Br

Br

H

H

H

H

Cl

Br

H

H

H

H

a

b

a

b

CH3

CH3 CH3

O

CH3

O

CH3

AMBIENTE QUIMICO

Cada protón tiene una región limitada donde aparece la señal asi:

CH3 aparece entre 0.8-1 ppm

CH2 1.0-1.5 ppm

C-H 1.5-2.0 ppm

Protones SP2

H VINILICOS RESUENAN ENTRE 4.5 - 7.0 ppm H aromáticos 7.0 – 8.0 ppm H aldehídicos 9.0 -10.0 ppm

Protones intercambiables

Acidos R-COOH 10.5 – 12.0 ppm Fenoles Ar-OH 4.0 – 7.0 ppm Alcoholes R-OH 0.5 – 5.0 ppm Aminas R- NH2 0.5 – 5.0 ppm Enoles R = C-OH mayor de 15 ppm

ANISOTROPIA MAGNéTICA. Existe un número típico de protones cuyo desplazamiento no se puede explicar por simples consideraciones de electronegatividad del grupo unido al

protón en observación Cono de protección

Cono de desprotección