ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) se basa en la medida de la absorción de la radiación electromagnética en la región de las radiofrecuencias aproximadamente de 4 a 900MHz. En contraste con la absorción ultravioleta, visible e infrarroja, en el proceso de absorción están implicados los núcleos de los átomos en vez de los electrones exteriores. Además, es necesario colocar el analito en un intenso campo magnético, con el fin de que aparezcan los estados de energía de los núcleos que hagan posible la absorción. Las bases teóricas de la espectroscopia RMN fueron propuestas por W. Pauli en 1924, quien sugirió que ciertos núcleos atómicos deberían tener propiedades de espín y momento magnético y que, como consecuencia, el exponerlos a un campo magnético conduciría a un desdoblamiento de sus niveles de energía. Durante el siguiente decenio se consiguió la verificación experimental de estos postulados. Pero no fue hasta 1946, cuando Bloch en Stanford, y Purcell en Harvard, trabajando independientemente, demostraron que los núcleos en un campo magnético intenso absorben radiación electromagnética, como consecuencia del desdoblamiento de niveles de energía inducido por el campo magnético. En 1952 los dos físicos compartieron el Premio Nobel por su trabajo. En la actualidad se utilizan dos tipos generales de espectrómetros de RMN, de onda continua (CW) y de impulsos, o de transformada de Fourier (FT/RMN). Los primeros estudios se realizaron con los instrumentos de onda continua. Sin embargo, hacia 1970 aparecieron en el comercio los espectrómetros de transformada de Fourier, y en la actualidad este tipo de instrumentos es el que domina el mercado. En ambos tipos de instrumentos, la muestra se coloca en un potente campo magnético con una intensidad de varios teslas. Los espectrómetros de onda continua son semejantes en principio a los instrumentos ópticos de absorción en que se monitoriza la señal de absorción a medida que se barre lentamente la frecuencia de la fuente. Casi todos los instrumentos de RMN que se fabrican en la actualidad son del tipo de transformada de Fourier, y el uso de los instrumentos de onda continua está muy limitado a especiales aplicaciones de rutina, tales como la determinación del grado de hidrogenación del petróleo en su procesado y la determinación de agua en aceites, productos alimentarios y materiales agrícolas. A pesar del predominio de los instrumentos de impulsos en el mercado, se ha creído conveniente basar el desarrollo inicial de la teoría de la RMN en los experimentos de onda continua, y pasar desde aquí a la discusión de las medidas de impulsos de trasformada de Fourier.

TEORÍA DE LA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR Al igual que con la espectroscopia óptica, tanto la mecánica clásica como la cuántica resultan útiles para explicar el fenómeno de la RMN. Los dos tratamientos conducen a idénticas relaciones. Sin embargo, la mecánica cuántica proporciona una útil relación entre las frecuencias de absorción y los estados de energía de los núcleos, mientras que la mecánica clásica proporciona una descripción física clara del proceso de absorción y de la forma de medirlo. En esta sección, se da primero una descripción cuántica de la RMN que es aplicable tanto a las medidas de RMN de onda continua como a las de impulsos. A continuación, se da un enfoque clásico de la RMN y se muestra cómo éste proporciona una descripción útil de la RMN de onda continua. Por último, se completa este apartado con una discusión de las medidas de transformada de Fourier basada de nuevo en la descripción clásica.

Descripción cuántica de la RMN Para explicar las propiedades de ciertos núcleos, es necesario suponer que giran alrededor de un eje y de este modo tienen la propiedad de espín. Los núcleos con espín tienen un momento angular p. Además, la componente observable máxima de este momento angular está cuantizada y debe ser un múltiplo

entero semientero de h/2, donde h es la constante de Planck. El número máximo de componentes de espín o valores de p para un núcleo en particular, depende de su número cuántico de espín l. Se encuentra entonces que un núcleo tendrá 21 + 1 estados discretos. La componente del momento angular de estos estados en cualquier dirección elegida tendrá los valores de 1, 1 - 1, 1 - 2,... En ausencia de un campo externo, los distintos estados tienen energías idénticas. Los cuatro núcleos que han sido de más interés para químicos orgánicos y bioquímicos son 1H, 23C,19Fy 31P, y serán los únicos cuatro que consideraremos El número cuántico de espín de esos núcleos es 1/2.Por tanto, cada núcleo tiene los estados de espín, que corresponden a I = +1/2 e I=-1/2. Los núcleos más pesados tienen números de espín que varían desde cero, lo que implica que no tienen componente de espín neto, hasta por lo menos 9/2. Puesto que un núcleo posee carga, su espín origina un campo magnético análogo al campo que se produce cuando una corriente eléctrica fluye a través de una bobina. El momento magnético resultante se orienta a lo largo del eje del espín y es proporcional al momento angular p. De este modo,

Niveles de energía en un campo magnético

Figura 19-1. Momentos magnéticos y niveles de energía para un núcleo con un

número cuántico de espín de 1/2.

Como se indica en la Figura 19-1, cuando un núcleo con un número cuántico de espín de un medio se somete a un campo magnético externo Bo, su momento magnético se orienta en una de las dos direcciones posibles con respecto al campo, en función de su estado cuántico magnético. La energía potencial E de un núcleo en estas dos orientaciones, o estados cuánticos, viene dada por

La energía para el estado de menor energía m =+1/2 (véase Fig. 19-1) viene dada por

Distribución de las partículas entre los estados cuánticos magnéticos En ausencia de un campo magnético, las energías de los estados cuánticos magnéticos de un núcleo son idénticas. En consecuencia, un conjunto grande de protones contiene un número idéntico de núcleos con números cuánticos magnéticos de +1/2 y -1/2. Pero cuando se colocan en un campo magnético, los núcleos tienden a orientarse de modo que predomine el estado de menor energía (m = +1/2). Es instructivo calcular la extensión de esta predominancia en un experimento de RMN característico. Con este propósito, la ecuación de Boltzmann (página 209) puede escribirse en la forma:

Descripción clásica de la RMN

Para comprender el proceso de absorción, y en particular la medición de la absorción, resulta más útil la descripción clásica del comportamiento de una partícula cargada en un campo magnético. Precesión de los núcleos en un campo

En primer lugar se considera el comportamiento de un cuerpo magnético que no está en rotación, como una aguja de brújula, en un campo magnético externo. Si se desplaza momentáneamente de su alineamiento con el campo, la aguja oscilará en un plano alrededor de su pivote como consecuencia de la fuerza ejercida por el campo sobre sus dos extremos; en ausencia de fricción, los extremos de la aguja oscilarán indefinidamente de un lado a otro alrededor del eje del campo. Sin embargo, se produce un movimiento totalmente distinto si el imán está girando rápidamente alrededor de su eje norte sur. Debido al efecto giroscópico, la fuerza aplicada por el campo sobre el eje de rotación provoca un movimiento no en el plano de la fuerza sino perpendicular al mismo; por consiguiente, el eje de la partícula en rotación se mueve en una trayectoria circular. Esto es, el eje de rotación de la partícula que gira precesa alrededor del vector que representa al campo magnético aplicado. Este movimiento, que se ilustra en la Figura 19-2, es similar al movimiento de un giroscopio cuando se desplaza de la vertical por la aplicación de una fuerza lateral.

La velocidad angular de este movimiento 0 en radianes por segundo, viene dada por

El proceso de absorción con onda contínua

La energía potencial E de la partícula cargada en precesión que se muestra en la igura 19-2 viene dada por:

donde es el ángulo entre el vector campo magnético y el eje de giro de la partícula,

es el momento magnético de la partícula, z es la componente de en la dirección del campo magnético. Por tanto, cuando un núcleo absorbe energía de radiofrecuencias,

su ángulo de precesión cambia. Por consiguiente, se puede imaginar que cuando un núcleo que tiene un número cuántico de espín de ½ absorbe, implica una inversión brusca del momento magnético que está orientado en la dirección del campo a un estado en que el momentos encuentra orientado en el sentido opuesto. El proceso se representa en la Figura 19-3.

Proceso de relajación en RMN Cuando se exponen núcleos a una radiación de frecuencia adecuada, la absorción tiene lugar debido al ligero exceso de núcleos en el estado de menor energía cuando se encuentran en un campo magnético intenso. Dado que este exceso es pequeño siempre existe el riesgo de que el proceso de absorción igual a el número de núcleos en los dos estados, y en este caso la señal de absorción disminuirá y se aproximará a cero. Cuando ocurre esto, se dice que el sistema de espín está saturado. A fin de evitar la saturación, es necesario que la velocidad de relajación de los núcleos excitados a sus estados de menor energía sea igual, o mayor, que la velocidad de absorción de la energía de radiofrecuencia. Una forma de relajación evidente consiste en la emisión de una frecuencia que corresponda a la diferencia de energía entre los dos estados, lo que da lugar a fluorescencia. Sin embargo, la teoría de la radiación indica que la probabilidad de reemisión espontánea de fotones varía con el cubo de la frecuencia, y que, en las radiofrecuencias, este proceso no tiene lugar de forma significativa. Por tanto, en los procesos de RMN es de gran importancia la relajación no radiante.

Relajación espín-red. Los núcleos que absorben en un experimento de RMN forman parte de un conjunto mayor de átomos que constituyen la muestra. La totalidad del conjunto se denomina la red, independientemente de si la muestra es un sólido, un líquido o un gas. En los dos últimos estados en particular, los distintos núcleos que constituyen la red se encuentran en un violento movimiento vibratorio y rotatorio, que origina un campo complejo alrededor de cada núcleo magnético. El campo de red que resulta contiene así un número infinito de componentes magnéticas, algunas de las cuales corresponderán en frecuencia y fase a la frecuencia de precesión del núcleo magnético de interés. Estas componentes originadas vibracional y rotacionalmente interaccionan con los núcleos y hacen que éstos pasen desde el estado de espín más alto al más bajo, de modo que la energía absorbida simplemente aumenta la amplitud de las vibraciones o rotaciones térmicas. Este cambio origina un ligero aumento de la temperatura de la muestra. La relajación espín-red es un proceso de disminución exponencial de primer orden, que se puede caracterizar por un tiempo de relajación T1, que es una medida del tiempo de vida promedio de los núcleos en el estado de mayor energía. Además de depender de la relación giromagnética de los núcleos que absorben, T1 está fuertemente afectado por la movilidad de la red. En los sólidos cristalinos y en los líquidos viscosos, donde las movilidades son bajas, T1 es grande. Al aumentar la movilidad (por ejemplo, a elevadas temperaturas), aumentan las frecuencias de vibración y de rotación y, por tanto, la probabilidad de que exista una fluctuación magnética de la magnitud apropiada para que se produzca una transición de relajación; como consecuencia de ello, T1 disminuye. Por otra parte, con movilidades muy altas, las frecuencias de fluctuación también aumentan y se distribuyen en un intervalo tan amplio que la probabilidad de que se dé una frecuencia adecuada para una transición espín- red disminuye de nuevo. Relajación espín-espín. Algunos otros efectos tienden a disminuir los tiempos de relajación y, por tanto, a ensanchar las líneas de RMN. Estos efectos normalmente se agrupan y se describen mediante el tiempo de relajación transversal o espín-espín T2. Los valores de T2 generalmente son tan pequeños para sólidos cristalinos o líquidos viscosos (unos 10-

4s) como para impedir el uso de estas muestras para espectros de elevada resolución no ser que se utilicen técnicas especiales. Estas técnicas se describen brevemente en una sección posterior que trata de estudios de sólidos con RMN de 13C

Tipos de espectros RMN

Existen varios tipos de espectros de RMN, en función de la clase de instrumento utilizado, del tipo de núcleo implicado, del estado físico de la muestra, del entorno del núcleo del analito y del uso que se vaya a hacer de los datos. Sin embargo, la mayoría de los espectros de RMN se pueden clasificar como de línea ancha o bien de alta resolución.

Espectros de líneas anchas

Los espectros de líneas anchas son aquellos en los que la anchura de banda de la fuente de líneas es suficientemente grande como para enmascarar la estructura fina debida al entorno químico. La Figura 19-11 muestra un espectro de líneas anchas que corresponde a una mezcla de varios isótopos. Cada especie se asocia con un solo pico. Los espectros de líneas anchas son útiles para la determinación cuantitativa de isótopos y para estudiar el entorno físico de las especies absorbentes. Los espectros de líneas anchas se obtienen por lo general con campos magnéticos relativamente poco intensos.

Espectros de alta resolución

Los espectros RMN más utilizados son los de alta resolución, para cuya obtención se utilizan instrumentos capaces de distinguir diferencias de frecuencia muy pequeñas del orden de 0,01 ppm o menores. En tales espectros, para un isótopo determinado, se encuentran por lo común varios picos como consecuencia de los efectos del entorno molecular. La Figura 19-12 muestra dos espectros de alta resolución para los protones del etanol. En el espectro superior, se observan tres picos que provienen de la absorción de los protones del CH3, CH2 y OH. Como se muestra en el espectro de más resolución de la Figura 19-12b, dos de los tres picos se pueden resolver en picos adicionales. Los aspectos que se tratan a continuación se refieren exclusivamente a los espectros de alta resolución.

EFECTOS DEL ENTORNO MOLECULAR EN LOS ESPECTROS RMN La frecuencia de la radiación de RF que se absorbe por un núcleo determinado se ve afectada fuertemente por su entorno molecular, esto es, por los núcleos y electrones vecinos. Como consecuencia de ello, incluso las moléculas más simples proporcionan una abundante información espectral que puede servir para elucidar sus estructuras químicas. La discusión que sigue se centra en los espectros de protón, porque el 1H ha sido el isótopo más ampliamente utilizado. Sin embargo, los conceptos introducidos se aplican también en muchos casos a los espectros de otros isótopos. Tipos de efectos del entorno

Los espectros del etanol, que se muestran en la Figura 19-12, ilustran dos tipos de efectos del entorno. La curva de la Figura 19-12a, obtenida con un instrumento de baja resolución, muestra tres picos del protón con áreas en la proporción de 1:2:3 (de izquierda a derecha). Tomando como base esta proporción, parece lógico atribuir los picos al hidroxilo, al metileno y al metilo, respectivamente. Otra evidencia confirma esta conclusión; por ejemplo, si el átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo se sustituye por deuterio, el primer pico desaparece de esta parte del espectro. Por tanto, se presentan pequeñas diferencias en la frecuencia de absorción

Origen del desplazamiento químico El desplazamiento químico se origina por los pequeños campos magnéticos que se generan debido al movimiento de los electrones alrededor de los núcleos. Estos campos, por lo general, se oponen al campo aplicado. Como consecuencia, los núcleos están expuestos a un campo efectivo que en general es algo menor que el campo externo. La magnitud del campo que se genera internamente es directamente proporcional al campo externo aplicado, por lo que se puede escribir:

donde Bapl es la intensidad del campo aplicado, y Befec es la intensidad del campo resultante, que determina el comportamiento de resonancia del núcleo. La magnitud (J es la constante de apantallamiento, la cual viene determinada por la densidad de electrones y su distribución espacial alrededor del núcleo; la densidad electrónica depende de la estructura del compuesto que contiene el núcleo.

Teoría del desplazamiento químico

Como se ha indicado anteriormente, los desplazamientos químicos se deben a los campos magnéticos secundarios producidos por la circulación de los electrones en la molécula. Estas corrientes denominadas corrientes diamagnéticas locales se inducen por el campo magnético fijo, y originan unos campos secundarios que pueden reducir o aumentar el campo al que un protón en particular responde. Los efectos son complejos, y sólo se consideran aquí los principales aspectos del fenómeno.

Reglas para la interpretación de los espectros de primer orden Las siguientes reglas determinan la apariencia de los espectros de primer orden.

1. Los núcleos equivalentes no interaccionan entre sí para dar picos de absorción múltiples. Los tres protones del grupo metilo en el etanol solamente originan el desdoblamiento de los protones del metileno adyacente, y no de sí mismos.

2. Las constantes de acoplamiento disminuyen significativamente con la separación de los grupos, y raras veces se observa acoplamiento a distancias mayores que cuatro longitudes de enlace.

3. La multiplicidad de una banda se determina por el número n de protones equivalentes magnéticamente en los átomos vecinos, y viene dada por n + l. De este modo, la multiplicidad de la banda del metileno en el etanol está determinada por el número de protones en los grupos metilo adyacentes, y es igual a 3 + 1 = 4.

4. Si los protones unidos al átomo B están afectados por los protones de los átomos A y e que no son equivalentes, la multiplicidad de B es igual a (nA + l)(nc + 1), donde nA y nc son el número de protones equivalentes de A y e, respectivamente.

5. Las áreas relativas aproximadas de un multiplete son simétricas alrededor del punto medio de la banda y son proporcionales a los coeficientes de los términos la serie (x + 1)n. La aplicación de esta regla se muestra en la Tabla 19-3 y en los ejemplos que siguen.

6. La constante de acoplamiento es independiente del campo aplicado; así, los multipletes se distinguen con facilidad de los picos de desplazamiento químico poco separados, registrando los espectros a dos intensidades de campo diferentes.

ESPECTRÓMETROS DE RMN

Los espectrómetros de RMN que se comercializan son de dos tipos: espectrómetros de líneas anchas y espectrómetros de alta resolución. Los instrumentos de líneas anchas tienen imanes con intensidades de unas pocas décimas de tesla y son considerablemente más simples y más baratos que los instrumentos de alta resolución. Los instrumentos de alta resolución emplean imanes con intensidades que oscilan entre 1,4 y 14 T, que corresponden a frecuencias de protón de 60 a 1.000MHz. Antes de aproximadamente1970, los espectrómetros de RMN de alta resolución eran todos de onda continua y usaba imanes permanentes o electroimanes para producir el

campo magnético. Este tipo de instrumentos ha sido ampliamente sustituido por los espectrómetros de transformada de Fourier en los que el campo magnético lo proporcionan unos solenoides superconductores. Los ordenadores son una parte integral de estos instrumentos, que digitalizan y almacenan la señal, realizan la transformación de Fourier de la FID para proporcionar la señalen el dominio de la frecuencia, y proporcionan muchos otros tratamientos de datos y control de las funciones del instrumento. Componentes de los espectrómetros de transformada de Fourier

La Figura 19-21 es un diagrama de bloques simplificado que muestra los componentes de un espectrómetro característico de RMN con transformada de Fourier. El componente central del instrumento es un imán de gran estabilidad en el que se coloca la muestra que se rodea por una bobina transmisora/ receptora. La radiación de radio frecuencia se produce mediante un cristal sintetizador de frecuencia controlada con una frecuencia de salida vc. Esta señal pasa por un interruptor pulsador y un amplificador de potencia, lo que origina un impulso de radiación de radiofrecuencia intenso y reproducible en la bobina transmisora. La radiación de RF resultante incide en la muestra que está contenida en el interior de la bobina. La duración, amplitud, forma y fase del impulso, son seleccionados por el operador, se introducen en la consola y se controlan mediante un ordenador.

En la Figura 19-21 se muestra un impulso de 5 s de duración. La señal de FID que resulta es recogida por la misma bobina que ahora sirve como receptor. La señal es amplificada y se transmite a un detector sensible a la fase. Los circuitos del detector

determinan la diferencia entre las señales nucleares vn y la señal de salida del cristal oscilador vc, lo que origina la señal de dominio del tiempo de baja frecuencia que se muestra en la parte derecha de la figura. Esta señal se digitaliza y se almacena en un ordenador para realizar su análisis mediante el programa de transformada de Fourier y otros softwares de análisis de datos. La señal de salida tras este tratamiento se representa, obteniéndose un espectro de dominio de la frecuencia Imanes El componente principal de los instrumentos de RMN tanto de onda continua como de transformada de Fourier es el imán. La sensibilidad y la resolución de ambos tipos de espectrómetros dependen críticamente de la intensidad y calidad de sus imanes (véase Ejemplo 19-2y Fig. 19-13). Puesto que tanto la sensibilidad como la resolución aumentan con el aumento de la intensidad del campo, resulta ventajoso operar a la mayor intensidad de campo posible. Además, el campo debe ser muy homogéneo y reproducible. Estos requisitos convierten imán en el componente más caro, con diferencia, de un espectrómetro de RMN. En los espectrómetros de RMN se han utilizado tres tipos de imanes: imanes permanentes, electroimanes convencionales y solenoides superconductores. Actualmente, los electroimanes convencionales rara vez se incorporan a los instrumentos de RM Sonda de la muestra Un componente clave de los espectrómetros de RMN es la sonda de la muestra, la cual tiene múltiples funciones. Mantiene la muestra en una posición fija dentro del campo magnético, contiene una turbina de aire para rotar la muestra, y aloja la bobina o bobinas que permiten la excitación y la detección de la señal de RMN. Además, la sonda por lo común contiene otras dos bobinas transmisoras, una para el sistema de control y la otra para los experimentos de desacoplamiento que se tratan en el Apartado 19E-1. Por último, la mayoría de las sondas pueden trabajar a temperatura variable. Las cubetas de muestra usuales para RMN consisten en un tubo de vidrio de 5 mm de diámetro externo y con una capacidad de aproximadamente 0,4 mL de líquido. También existen microtubos para volúmenes de muestra más pequeños y tubos mayores para aplicaciones especiales. El detector y el sistema de procesamiento de los datos En el detector mostrado en la Figura 19-21, la señal de radio de alta frecuencia se convierte primero en una señal de audiofrecuencia que es mucho más fácil de digitalizar. La señal del amplificador de radiofrecuencia se puede imaginar como si estuviera constituida por dos componentes: una señal portadora que tiene la frecuencia del oscilador utilizado para producida, y una señal superpuesta de RMN del analito. La señal del analito difiere en frecuencia de la portadora en unas pocas partes por millón Por ejemplo, los desplazamientos químicos en un espectro de protón abarcan normalmente unas10ppm. Así, los datos de RMN de protón generados por un espectrómetro de 200 MHz estarían en el intervalo de frecuencia de 200.000.000 a 200.002.000 Hz. No resulta práctico digitalizar señales de frecuencia tan elevada ni extraer de las señales digitalizadas las pequeñas diferencias atribuibles a la muestra; por ello, la frecuencia portadora vc se resta electrónicamente de la señal de frecuencia del analito vn en el dominio analógico. En el ejemplo, este proceso conduciría a una señal (vn – vc), que se encuentra dentro del intervalo de audiofrecuencias de O a 2.000 Hz. Este proceso es idéntico a la forma en que los aparatos de radio domésticos separan las señales de audio de la señal de radiofrecuencia portadora.

Manipulación de la muestra Hasta hace poco, los estudios de RMN de alta resolución se habían restringido a las muestras que se podían obtener en un estado líquido no viscoso. Normalmente se utilizan disoluciones de la muestra de 12 al 15 por 100, aunque las muestras de líquidos puros se pueden también examinar tal cual, si sus viscosidades son suficientemente pequeñas. Los mejores disolventes para la espectroscopia de RMN de protón no contienen protones; desde este punto de vista, el tetracloruro de carbono es ideal. La baja solubilidad de muchos compuestos en tetradoruro de carbono limita su utilidad general como disolvente para experimentos RMN, sin embargo, en su lugar se utilizan un cierto número de disolventes deuterados. El cloroformo deuterado (CDCl3) y el benceno deuterado APLICACIONES DE LA RMN DE PROTÓN Indiscutiblemente, la aplicación más importante de la espectroscopia de RMN de protón, es la identificación y la elucidación estructural de moléculas orgánicas, organometálicas y bioquímicas. No obstante, además, este método constituye muchas veces un procedimiento útil para la determinación cuantitativa de las especies que absorben. Identificación de compuestos Un espectro de RMN, al igual que un espectro de infrarrojo, pocas veces basta por sí mismo para la identificación de un compuesto orgánico. Sin embargo, si se utiliza junto con otras informaciones, tales como los espectros de masas, infrarrojos y ultravioleta, así como el análisis elemental, la RMN es una herramienta poderosa e indispensable para la caracterización de los compuestos puros. Los ejemplos que seguirán dan una idea de la clase de información que puede obtenerse de los espectros de RMN. Aplicaciones de la RMN al análisis cuantitativo Uno de los aspectos singulares de los espectros de RMN es la proporcionalidad directa entre las áreas de los picos y el número de núcleos responsables de la aparición del pico. Como consecuencia, la determinación cuantitativa de un compuesto específico no requiere muestras puras del compuesto para la calibración. Así, si el pico identificable de uno de los constituyentes de una muestra no se superpone con los picos de los otros componentes, puede emplearse el área de este pico para establecer directamente la concentración de la especie, siempre que se conozca el área de la señal por protón. Este último parámetro puede obtenerse fácilmente a partir de un patrón interno de concentración conocida. Por ejemplo, si el disolvente presente en una cantidad conocida fuera, el benceno, el ciclohexano o el agua, las áreas del pico aislado de los protones de estos compuestos podrían usarse para obtener la información deseada. Por supuesto, el pico del estándar interno no debe superponerse con ningún pico de muestra. Los derivados orgánicos silicio resultan especialmente adecuados para fines de calibración, debido a que sus picos de protones se localizan en campos muy altos.

RMN DE CARBONO 13 La resonancia magnética nuclear de carbono 13 se estudió por primera vez en 1957, pero no se utilizó ampliamente hasta principios de los años setenta. La razón de este retraso fue el tiempo que se necesitó para desarrollar instrumentos suficientemente sensibles que permitieran la detección de las débiles señales de RMN del núcleo del l3C.La baja intensidad de señal se relaciona directamente con la poca abundancia isotópica natural del isótopo (1,1 por 100) y la pequeña relación giromagnética, que es aproximadamente la cuarta parte de la del protón. Estos factores se combinan para hacer la RMN de l3e unas 6.000 veces menos sensible que la RMN de protón. Los desarrollos más importantes en el aumento de la señal de RMN, que condujeron a un enorme crecimiento de la espectroscopia de resonancia magnética de l3e incluyen: los imanes de alta intensidad de campo y los instrumentos de transformada de Fourier. Sin estos desarrollos la RMN de 13C se restringiría al estudio de sólidos muy solubles de baja masa molecular, líquidos puros y a compuestos enriquecidos isotópicamente2 Aplicación de la RMN de 13C a la determinación de estructuras Como en el caso de la RMN de protón, las aplicaciones de la RMN de 13C más importantes y extendidas son la determinación estructural de especies orgánicas y bioquímicas. Estas determinaciones se basan en gran parte en los desplazamientos químicos, y en ellas desempeñan un papel menor los datos de espín-espín a diferencia de la RMN de protón.

La Figura 19-32 muestra algunos de los desplazamientos químicos que se observan para el

13C en

distintos entornas moleculares. Como en los espectros de protón, estos desplazamientos son relativos al tetrametilsilano, con valores de f¡ comprendidos entre O y 200 ppm. En general, los efectos del entorno son análogos a los que se dan con el protón, los cuales se han descrito en la Sección 19B-2. Sin embargo, en contraste con los espectros del protón, el efecto de los sustituyentes en los desplazamientos de

13C no se limitan a los átomos vecinos. Por

ejemplo, sustituyendo un hidrógeno por un cloro en el carbono CI, del n-pentano se tiene para este carbono un desplazamiento químico de 31 ppm. Cuando la sustitución por cloro es en el carbono C2, el desplazamiento para el CI es de 10 ppm; de manera análoga sustituciones en los carbonos C3, C4 y C5 originan desplazamientos de 5,3; 0,5 y 0,1 ppm, respectivamente.

Aplicaciones de la RMN de 13C a muestras sólida Como se ha subrayado anteriormente, en el pasado los espectros de RMN de sólidos no fueron muy útiles para estudios estructurales debido al ensanchamiento de línea, el cual elimina o enmascara la forma aguda característica de los picos individuales de RMN. En su mayor parte este ensanchamiento es atribuible a dos causas: a las interacciones dipolares estáticas entre I3e y 1H Y a la anisotropía en los tensores de apantallamiento del 13C.En los líquidos isótropos, estos efectos se compensan debido al movimiento rápido y aleatorio de las moléculas. En los sólidos, las interacciones dipolares heteronucleares entre los núcleos magneticotas l, es como el I3e y los protones, originan un desdoblamiento de línea dipolar característico, que depende del ángulo entre los enlaces C-H y el campo externo. En un sólido amorfo, existen un gran número de orientaciones fijas de esto enlaces y, por ello pueden tener lugar un gran IMAGEN POR RESONANCIA MAGNÉTICA Durante las dos últimas décadas, la tecnología de la RMN se ha aplicado de forma creciente a otros campos diferentes de la química, tales como la biología, ingeniería, el control de calidad industrial y la medicina. Una de las aplicaciones más importantes de la RMN es la obtención de imágenes por resonancia magnética, o RMI. En la RMI, los datos de la excitación con impulsos de RF de objetos sólidos o semisólidos, se someten a una transformación de Fourier y se convierten en imágenes tridimensionales del interior de los objetos. La principal ventaja de la RMI es que las imágenes de los objetos se obtienen de forma no invasiva. Esto significa que existe poco o ningún potencial de lesión por la radiación o cualquier otro daño para los seres humanos o animales, como podría tener lugar con escáneres con rayos X por TAC o con otros métodos similares. En los últimos párrafos de este capítulo, se describirán brevemente los principios de la obtención de imágenes por resonancia magnética y se tratarán algunas de sus aplicaciones.

La idea fundamental de la RMI se representa en la Figura 19-37. En estos experimentos, se varía intencionadamente la intensidad del campo magnético a través del sujeto en estudio para obtener un perfil como el que se muestra en la parte superior de la figura. Esta variación lineal, o gradiente del campo B, se crea por bobinas auxiliares en el hueco del imán que están bajo control del ordenador del instrumento de resonancia magnética. Los protones que tienen diferentes localizaciones en el sujeto, experimentan diferente intensidad del campo magnético, tales como B1 y B2, para dos de las regiones mostradas en la figura.