ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR (RMN)MACARENA ROJAS POBLETE

Porqu estudiar RMN?Elucidacin EstructuralProductos NaturalesSntesis OrgnicaEstudio de procesos dinmicosCintica de ReaccionesProcesos de Equilibrio Estudios Estructurales 3DProtenas ADN complejosPolisacridos Diseo de DrogasRelacin estructura - actividadMedicina Diagnstico por Imgenes Control de CalidadAnlisis de origen de alimentos Falsificacin de patentes

Como en otros mtodos espectroscpicosEl fenmeno de RMN consiste en la absorcin de energa de radiacin electromagntica por parte de ncleos que tienen un momento magnticoLa absorcin ocurre a frecuencias caractersticas que dependen del tipo de ncleo (1H, 13C, 31P, etc) y del entorno molecular en que se encuentra.

A diferencia de otras espectroscopas.El fenmeno solo se manifiesta en presencia de un campo magntico que diferencia en trminos de energa a las posibles orientaciones del momento magntico nuclear.Las cantidades de energa involucradas son extremadamente pequeas y solo son medibles cuando el campo magntico es muy intenso. La radiacin electromagntica utilizada corresponde a las ondas de radio.

Qu observamos en RMN?

EspectroscopiaOrigenInformacinUV - VisibleTransiciones electrnicasCromforosIRTransiciones vibracionalesGrupos funcionalesEspectrometra de MasaIonizacin y fragmentacin de molculasRelacin m/z de fragmentosRMNNcleos Atmicostomos individuales (entorno)

Origen del fenmeno de RMNTodo ncleo atmico posee un momento angular intrnseco P y un momento magntico asociado La imagen clsica de un ncleo es de una esfera cargada rotando sobre un ejeAmbos momentos son magnitudes vectorialesP

P = I (I + 1) hDe acuerdo a la mecnica cuntica el momento angular P est cuantizado: I = nmero cuntico de spin o simplemente SPIN

Si I = 0 el ncleo no tendr momento magntico y no ser observable por RMNDos de los ncleos ms importantes en qumica orgnica, 12C y 16O tienen I = 0Los ncleos con I = son dipolos magnticosLos ncleos con I > no presentan simetra esfrica de cargaNcleos cuadrupolaresPresentan mayores dificultades para su observacin por RMN

NcleoAbundancia NaturalI1H99.985 %1/22H0.015 %112C98.9 %013C1.1 %1/214N99.63 %115N0.37 %1/216O99.76 %017O0.04 %5/218O0.2 %031P100 %1/2

En ausencia de un campo magntico externo, los de los distintos ncleos pueden asumir cualquier direccin (como un imn)B0Al colocar un ncleo con momento angular P y momento magntico en un campo magntico externo, el momento angular se alinear respecto al campo externo, con un leve exceso alineado a favor del campo.

Espin Nuclear

Espin Nuclear Ubicados en un campo magntico, los espines nucleares se alinean en la direccin del eje del campo magntico aplicado. La figura es una aproximacin no correcta: El comportamiento mecnico cuntico permite solo algunas orientaciones discretas.

El nmero de orientaciones posibles es determinado por el Nmero Cuantico de espin I

Espin NuclearNo todos los nucleos se alinean paralelamenteEl nmero de ncleos con orientaciones paralelas y antiparalelas es descrita por la ecuacion de Boltzmann :

Nm = No mNm: nmero de espines en el estado p mNo: nmero total de espinesEm: energa del estado mk : constante de BoltzmannT: temperatura

Espin NuclearCul es la diferencia entre espines paralelos y antiparalelos?

N+ - N- = No DE /2kT

considerando: Bo = 1 Tesla (43MHz)No = 2.000.000N+ = 1.000.001N- = 999.999

Espin NuclearDE = g h Bom=-1/2m=1/2Los niveles de energia se llaman niveles de Zeeman

Bo = 0Bo > 0DE = h nabPara un ncleo de I = Dos estados energticos posibles: a favor o en contra del campo BoLa energa necesaria para pasar de un estado de spin al otro est determinada por la siguiente ecuacin:

E = h = h B0 / 2 0 = B0 / 2 ECUACIN DE LARMOR 10-1010-8 10-6 10-4 10-2 100 102 longitud de onda (cm) rayos rayos x UV VIS IR m-ondas radio0 = frecuencia de LarmorPara imanes de campo magntico entre 2.35 y 18.6 Tesla, 0 se encontrar en el rango de 100 a 800 MHz, es decir corresponder a una frecuencia de radioEn una molcula, cada ncleo magnticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y caracterstica, es decir absorber radiacin electromagntica de una frecuencia determinada para cambiar de estado de spin.

2 millones1 milln + 81 milln -81 milln + 641 milln - 641 milln + 321 milln - 32E = 16 = 64 = 128B0 (Tesla)0 T2.35 T (100 MHz)9.4 T (400 MHz)18.8 T (800 MHz)An as, el exceso de poblacin con el que se trabaja es muy pequeo E aumenta con B0

400MHz = 9.395 T (tesla)= 9.395*104 G (gauss)

Basics of NMR Spectroscopy

Que se observa ?

Magnetizacin macroscpica de los espines nucleares

FID

En una muestra real se tienen muchos sistemas de espin con diferentes frecuencias de resonancia a un campo B1 determinado (or carrier frequency). Puesto que el pulso usado excita efectivamente todas las frecuencias en una muestra, la combinacion de todas ellas es recibida en conjunto FID (Free Induction Decay)):

La FT de sta seal entrega el espectro de RMN

Informacin obtenida

Sample: Strychnine Solvent: CDCl3 Spectrometer: AVANCE 400 Probehead: Inverse Broadband with z-Gradients Experiment: Conventional 1H spectrum Pulse program: zg30 ( Pulse Diagram) Experiment Time: 50 seconds Details: AVANCE Tutorial Acquisition: Advanced use

COSY H H

- C - C - -

13 C

HSQCH H H

C- C - C - N - C

HMBC

ResumenLos nucleos poseen un espin que genera un campo magnetico.Debido al momento magntico el nucleo puede orientarse frente a un campo magnetico generando un magnetizacion llamada magnetizacin macroscopica (en z).Esta magnetizacin puede ser perturbada por pulsos de radiofrecuencias, creando un vector magnetizacion en el plano x, y.La magnetizacion rota en el plano x,y, induciendo un voltage en el receiver coil!.La seal inducida es procesada por FT (Fourier transformation)

Para cada tipo de ncleo la frecuencia de Larmor puede sufrir pequeas variaciones que dependen del entorno molecular:Los electrones de los alrededores producen pequeos campos magnticos que se agregan a B0Desplazamiento Qumico (ppm de la frecuencia)Los ncleos de los alrededores con momento magntico dan lugar a desplazamientos simtricos de las frecuenciasAcoplamiento spin-spin: J (Hz)

Qu informacin se puede obtener de un espectro RMN 1H? Nmero de seales: relacionada con el nmero de 1H diferentes de la muestra Frecuencia de las seales () : relacionada con el entorno molecular del ncleo. rea de las seales (integral): relacionada con la cantidad de cada tipo de 1H. Multiplicidad de cada seal: relacionada con el nmero de 1H vecinos de cada tipo. Constantes de acoplamiento (J): brinda informacin estereoqumica. Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos funcionales (-COOH, -OH, -NH2)

Apantallamiento en protonesLos protones en distintos entornos qumicos estn apantallados en distintas cantidades. El protn hidroxilo no est tan apantallado como los protones metilo, por lo que el protn hidroxilo absorbe a un campo ms bajo que los protones metilo. Decimos que el protn est algo desapantallado por la presencia de tomos de oxgeno electronegativos.Cuando los protones se encuentran en distintos entornos de la molcula y la molcula est expuesta a una frecuencia constante, los protones absorbern la radiacin a distintas intensidades del campo magntico. La RMN variar el campo magntico y representar un grfico de la absorcin de energa como funcin de la intensidad del campo magntico.

Los protones de metilo ms apantallados aparecen hacia la derecha del espectro (campo ms alto); el protn hidroxilo menos apantallado aparece hacia la izquierda (campo ms bajo).En un espectro RMN el campo magntico aumenta desde la izquierda hacia la derecha. Las seales del lado de la derecha estn en la parte ms alta del espectro y las de la izquierda estn en la parte ms baja. Los protones apantallado aparecen en la parte alta.

Escala delta () RMN.Utilizacin de la escala con espectrmetros de 60 y 300 MHz. El desplazamiento del TMS se define como 0. La escala aumenta de derecha a izquierda (hacia el campo ms bajo). Cada unidad se diferencia 1 ppm del TMS: 60 Hz a 60 MHz y 300 Hz a 300 MHz.El desplazamiento qumico de los protones se mide en partes pos milln (ppm), independientemente del campo y la frecuencia del instrumento utilizado. Cuanto ms altas son las frecuencias des espectrmetro, ms detallado es el espectro

Espectro de RMN del metanolLos protones metilo absorben a = 3.4 ppm y los protones hidroxilo absorben a = 4.8 ppm.Los tres protones metilo son equivalentes, por lo que producirn slo una seal.

Valores de algunos desplazamientos qumicosLos alcanos absorben en el campo alto (hacia la derecha) del espectro. Los carbonos hbridos sp2 absorben hacia la izquierda de los alcanos as como los haluros de alquilo. Los protones de benceno se pueden encontrar centrados alrededor de 7.2 ppm (campo bajo). Los cidos carboxlicos y los aldehdos estn aproximadamente entre 9-12 ppm.

Multiplicidad de sealestripletemultipletetripletefrecuencia ()constantes de acoplamiento: J (Hz)integrales

Integracin

Como se ha observado en los ejemplos no todas las lneas tienen igual altura. La razn es que la intensidad de una lnea (peak) est determinada por el nmero de protones contribuyentes.

En trminos prcticos se puede decir que la seal de la intensidad relativa es proporcional al rea bajo el peak.

Esta rea se determina por un proceso llamado Integracin.

Normalmente es conocido (NPA+NPB), el nmero total de protones en una formula molecular. En consecuencia se puede aplicar,

Desdoblamiento Spin-Spin (Spin-Spin Splitting)

En la mayora de los espectros NMR las seales aparecen desdobladas.

No aparecen seales nicas como se ha observado hasta ahora.

El desdoblamiento en un espectro de NMR aparece por el efecto de protones vecinos sobre los protones que componen una seal.

Ejemplo: CH3CH2Br

Reglas de desdoblamiento

Si existen n protones equivalentes en posiciones adyacentes, la seal de un protn, en un espectro NMR, se vera desdoblada en n+1 lneas. En el ejemplo, se dice que CH3 y CH2 estn acoplados.

El espacio entre las lneas de una seal, medido en Hz, se conoce como J, constante de acoplamiento. Dos protones acoplados tienen la misma J.

El desplazamiento qumico de una seal desdoblada se mide en el centro de la seal.

La intensidad de las lneas de una seal desdoblada, sigue un esquema bien definido entregado por el llamado tringulo de Pascal.

Las intensidades de las lneas cambian a medida que los se asemejan, este fenmeno se conoce como leaning.

Bases fsicas del desdoblamiento

Una molcula como R2CHa-CHbR2 tiene dos protones adyacentes los que se acoplan en el espectro NMR. En un campo aplicado Ho, Se observa la contribucin de spin del protn vecino: Hs. Para el protn a, el campo que sufre el protn a (Hp) es:

Hp = Ho + Hs (Spin del protn b = + )

Hp = Ho Hs (Spin del protn b = - )

Como ejemplo se puede mostrar la molcula,

La cual presenta dos protones independientes interactuando,

J se conoce como la constante de acoplamiento y es independiente del campo aplicado. Ntese que para el ejemplo anterior J para los dos grupos de seales es idntica, J se mide en Hz aunque algunas veces se expresa en ppm.

Modelo para explicar el acoplamiento:

Cmo la influencia de un estado magntico se transmite a un protn vecino?

Antecedentes

Los espnes nucleares y electrnicos tienden a estar pareados (tienen spines opuestos).Los dos electrones de enlace entre los tomos (A y B, carbonos vecinos) tienen tambin espines opuestos.Estos electrones tienden a estar en un momento junto a un tomo (A) y luego junto al otro (B).Los dos electrones cercanos al carbono en enlaces diferentes tienden a ser paralelos (igual spin)

Como el spin nuclear de los H`s es antiparalelo, se dice que J > 0 (definicin)Protones vecinales,J < 0 Los spines nucleares de los protones son paralelos.El nmero de lneas bajo cada protn viene dado por,

n = nmero de hidrgenos vecinales I = spin nuclear (1/2 para H)

En consecuencia, se presenta el siguiente arbol de desdoblamiento o malla de desdoblamiento para CClHAHB-CHCCl2 .

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