1

1.¿Por qué no ‘sirve’ la RMN de onda continua?

¿Qué se mide en la técnica de onda continua (CW)?

Cuando los núcleos se orientan respecto a B0, el exceso en

N1 crea un vector magnetización M

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Si se irradia con una frecuencia a la que resuena algún núcleo, la

dirección de M cambia y genera una señal en el detector

Figura 3.16

Figura 3.17

2

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

En 13C, el rango de 200 ppm supone un barrido de 15000 Hz

Es un proceso lento y proporciona espectros de baja resolución

Se transmite un pulso con todas las frecuencias

También se aplica a otros núcleos: 1H, 14N, 19F, 31P, …

2. ¿Qué medimos en una experiencia de pulsos?

En CW sabemos que cuando M cambia de dirección un núcleo ha

resonado a la frecuencia irradiada

Con un pulso, M cambia porque todos los núcleos resuenan

simultáneamente: No nos dice a qué frecuencias ha resonado

3

¿Qué le ocurre al vector M después del pulso?

Elegimos una sustancia con un único tipo de núcleo, CHCl3 o DMSO

Suponemos que antes del pulso, M está en el eje z (a) y, que tras el pulso, M

queda en el eje y (b)

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Figura 3.18

Y a partir de ese momento ¿cómo varía M con el tiempo?

4

Con el pulso, el núcleo cambia de orientación perdiendo la distribución

de Boltzman

Tras el pulso, los procesos de relajación devuelven el sistema al estado

inicial: D. de Boltzman y vector M al eje z, (e)

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Figura 3.18

Los procesos de relajación no son instantáneos y la dirección del vector M

varía con el tiempo, (c) y (d)

Cada cambio genera una corriente inducida en el detector

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Si representamos la corriente inducida en el detector vs tiempo

La señal registrada parece una nube de puntos (a)

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Figura 3.19

(a)

(b)

(c)

que con t más largos, se

amortigua (c)

Pero, con más perspectiva, se observa su forma sinusoidal (b)

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3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

La señal se conoce como FID: free induction decay

Sus parámetros característicos son:

i) periodo (P=t0) o frecuencia constante ( = 1/t0) (R. espín-red)

ii) amortiguación (relacionada con la relajación espín-espín)

iii) intensidad

Pero ¡aún no sabemos cuál ha sido la frecuencia de resonancia!

1/t0 está relacionada con la frecuencia del proceso de relajación

Esta frecuencia tb. se relaciona con la frecuencia de resonancia

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FID proporciona todos los datos para reconstruir el espectro:

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

FID (dominio t) Espectro (dominio )

i) Periodo (t0, P en Fig. 3.21) posición ()

ii) Amortiguación (T) anchura de las señales

iii) T y amplitud (A) área

Figura 3.21

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¿Qué ocurre si tenemos más de un tipo del núcleo estudiado (a)?

La FID global es la suma de las FID individuales (b), tb. Fig. 2.26

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

¿Cómo extraemos la P (t0), T o A de cada tipo de la FID global?

Recurriendo a la transformada de Fourier (c)

Figura 3.22

(a) (b) (c)

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3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

3. ¿Qué es y qué hace la transformada de Fourier?

F(w) = f (t)e−iwtdt

−∞

∞

∫

Es un serie de funciones seno y cosenoidales que ajusta la FID:

¡Ojo al papel de ciertos parámetros matemáticos del programa!

El ajuste de la FID permite reconstruir el espectro en el dominio

Figura 3.23

10

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

4. Ventajas de la técnica de pulsos

Los ciclos pulso-adquisición son muy cortos

Se pueden repetir el nº de veces que queramos

El ruido se promedia mientras que la señal se suma

Relación señal-ruido mejora ostensiblemente

En 13C:la sensibilidad aumenta por 10 vs CWel tiempo se reduce por 100

5. Tiempo de espera (D1)

Tras el pulso, se necesita un tiempo para recuperar la D. Boltzman

t = T1 ≈ 36.8% sin relajarse t = 5 T1 para el 100%

Si lanzamos el 2º pulso antes de 5 T1 resonarán menos núcleos

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La relación de áreas sólo es representativa si esperamos 5 T1 del núcleo

más lento en relajarse

Ej. Supongamos que pasan dos segundos entre 2 pulsos y,

Núcleo 1 tiene T1 = 0.4 s 5 T1 = 2 s) el º

Núcleo 2 tiene T1 = 2 s 5 T1 = 10 s) el º≈ 63.2

El núcleo 2 dará una señal ≈ 1/3 menos intensa de su valor teórico

Si el tiempo entre pulsos es inferior a 5 T1:

la relación de áreas depende de su nº, efecto NOE (13C) y su T1

T1 del 13C son muy grandes (C cuaternarios, CO, > C = , CN > 60 s)

Se requieren muchos ciclos (≈ 2000-10000), por tanto,

es impracticable esperar 5 T1 del más lento

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

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Pero para asegurarse que en cada ciclo resuena un nº apreciable de núcleos

se programa un D1 pequeño (1-5 s)

Relación de áreas no será representativa (tb. debido a efecto NOE)

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

En nitrobenceno hay 4 C, Cx tiene T1 grande

D1 = 2 s:R. de áreas no es 2:2:1:1

D1 = 12 s:R.A. se acerca más a 2:2:1

D1 = 300 s, R.A es ≈ 2:2:1 pero insuficiente

para Cx

NO2xpmoom

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3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

En 13C la relación de áreas es fiable si:

- Desacoplamos los H pero eliminando efecto NOE

- Esperamos 5 T1

- Utilizamos agentes de relajación (aceleran estos procesos)

En el 1H, los T1 son mucho más pequeños pero,

Los H aromáticos y olefínicos suelen tener valores mayores

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Figura 3.25

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Para asegurarse la validez de la R. de áreas es recomendable programar un tiempo de espera (D1 = 5-15 s)

El nº de ciclos es menor (10-64) y no supone mucho más tiempo

Si sospechamos que la relación de áreas no es correcta (Tolueno, Fig. 3.25)

Habitual con los H aromáticos

de plastificantes tipo ftalatos

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6. Intensidad del pulso

Determina la variación del vector magnetización M (90º, 45º, …)

Nº de núcleos que resuenan en cada pulso (intensidad señal)

Se optimiza (se reduce) cuando:

i) la muestra está muy concentrada

ii) queremos un exceso apreciable en Ni (alternativa a D1)

7. Tiempo de adquisición (t)

Tiempo durante el cual se almacenan los datos de la FID

Depende del tipo de FID (núcleo)

Influye en la resolución y la anchura de las señales

Determina el tiempo necesario para realizar el espectro

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

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Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

(a) t pequeño

ciclo cortomala relación señal/ruidono se relaja al 100%

(b) t grande

ciclo largobuena relación señal/ruidose relaja al 100%nº muy alto de datos

(c) t intermedio

se registra la parte de la FID más importantetodos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptablemayoría de núcleos está relajado (D1)

Su valor está relacionado con T2: t = T2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈ T2

Figura 3.26

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se registra la parte de la FID más importantetodos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptablemayoría de núcleos está relajado (D1)

Su valor está relacionado con T2: t = T2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈ T2

(c) t intermedio

(b) t grande

Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

(a) t pequeño

ciclo cortomala relación señal/ruidono se relaja al 100%

ciclo largobuena relación señal/ruidose relaja al 100%nº muy alto de datos

Figura 3.26

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Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

(b) t grande

ciclo largobuena relación señal/ruidose relaja al 100%nº muy alto de datos

(c) t intermedio

se registra la parte de la FID más importantetodos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptablemayoría de núcleos está relajado (D1)

Su valor está relacionado con T2: t = T2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈ T2

Figura 3.26

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Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

(a) t pequeño

ciclo cortomala relación señal/ruidono se relaja al 100%

(b) t grande

ciclo largobuena relación señal/ruidose relaja al 100%nº muy alto de datos

se registra la parte de la FID más importantetodos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptablemayoría de núcleos está relajado (D1)

(c) t intermedio

Su valor está relacionado con T2: t = T2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈ T2

Figura 3.26

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La ventana espectral delimita el valor de t

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Figura 3.27

Esta variable fija el intervalo de

frecuencias incluidas en el pulso

El ordenador reserva una memoria a cada FID

Si la ventana espectral es muy grande debemos reducir t

En 13C, t es del orden de 0.8-1 s y en el 1H no existe límite

Si t es pequeño deberemos programar un tiempo de espera (D1)

La TF necesita un nº mínimo de datos para caracterizar la FID

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8. Ciclos habituales en RMN de 1H y de 13C

Ciclo (transitoria) consta de:

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

1. Pulso (intensidad)2. Tiempo de adquisición (t)3. Tiempo de espera (D1)4. Transformada de Fourier

En 13C: t ≈ 0.8-1 sD1 ≈ 1 s1500-20000 ciclos (1-14 hr.)

En 1H: t ≈ 3-4 sD1 ≈ 0 s10-100 ciclos (5-15 min.)

Figura 3.28

22

Paso previo o lock

Cada muestra requiere una optimización del campo B0

Se utiliza la señal del deuterio

Si no se utilizan dvtes. deuterados (CCl4, 13C) hay que añadir una pequeña cantidad de otro deuterado

Se modifican ciertos parámetros principalmente la orientación de unas bobinas accesorias (Zi) (shimies)

Si no se hace bien el espectro sale mal resuelto:

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Figura3.29

s. anchashombros (tail) bandas ssb

hombros

Influyen en la integral

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Paso previo o lock

Cada muestra requiere una optimización del campo B0

Se utiliza la señal del deuterio

Si no se utilizan dvtes. deuterados (CCl4, 13C) hay que añadir una pequeña cantidad de otro deuterado

Se modifican ciertos parámetros principalmente la orientación de unas bobinas accesorias (Zi) (shimies)

Si no se hace bien el espectro sale mal resuelto:

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

s. anchashombros (tail) bandas ssb

Figura 3.29

hombros

Tienen importancia al trazar la integral

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En 13C los disolventes no tienen porque ser deuterados, pero

El 2D se necesita para el lock

Dvtes. protonados dan señales muy intensas por el efecto NOE

Dvtes. con pocos tipos de C y se utilizan como 2º referencia

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

Tabla 3.2. Desplazamientos químicos de los disolventes habituales

Acetona 205.4 30.5Acetona-d6 205.7 29.8Benceno 128.5Benceno-d6 128.0Cloroformo 77.2Cloroformo-d 77.0Ciclohexano 27.6Ciclohexano-d12 26.3Dimetilsulfóxido 40.6Dimetilsulfóxido-d6 39.7Metanol 49.9Metanol-d4 49.0Piridina 150.3 135.9 123.9Piridina-d5 149.8 135.3 123.4Sulfuro de carbono 192.8Tetracloruro de carbono 96.1Ácido trifluoroacético 163.8 (q) 115.7 (q)

¡ojo! Los varían

ligeramente del dvte.

protonado al deuterado

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Los diferentes C salen en el rango 0-210 (600 con e- no apareados)

Depende de:i) Apantallamiento diamagnético (corrientes electrónicas)

ii) A. paramagnético (estados electrónicos). Mayor peso

iii) Anisotropía (anillos, d. enlaces, etc.). Pesa menos que en el 1H

iv) Hibridación

v) Sustitución. A mayor distancia que en 1H (4 enlaces C alifáticos)

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 6. Desplazamientos químicos del 13C

C alifáticos (sp3) 0-60 ppmC C (sp) 60-90 ppmC N (sp) 110-120 ppmC = C alqueno (sp2) 100-150 ppmC = C aromático (sp2) 100-165 ppmC = O carbonilo (sp2) 160-210 ppm

Intervalo según su naturaleza:

26

3. Teoría de RMN aplicada al 13C. 6. Desplazamientos químicos del 13C

04080120160200

RCOX: X = H, R'

RCOY: Y = OH, OR, N, X

C-O aromático

C Aromáticos

C Alquinos

CN

C Alquenos

C-OY: Y = H, R

C-N

C-X

C alifáticos

i) El O es el más desapantallante:

C-O siempre > 50. Con otros (X, N, …) depende

Figura 3.30

iii) CO aislados (cetonas y aldehidos) en un rango y CO unidos a grupos

electronegativos (O, N, X) en otro bien diferenciado

ii) C olefínicos, C

aromáticos y CN se

solapan

C olefínicos tienen un

rango a más bajos y

estrecho que

aromáticos