Presentación. RMN: una perspectiva histórica _una_perspectiva... · de todos, la magnetización...

Metodologías para la determinación estructural de fármacos y el estudio de fenómenos de

reconocimiento molecular

Programa de doctorado en Química Médica

1USP-CEU

Presentación.RMN: una perspectiva histórica

Javier Pérez Castells

Metodologías para la determinación estructural de fármacos Universidad CEU San Pablo. Urbanización Montepríncipe.

Ctra. Boadilla del Monte Km 5.3. Teléfono: 913726433 (Javier Pérez Castells)

Aulas 103B y 101, Edificio C.

Metro Ligero: Estación Montepríncipe. Servicio de autobuses www.farmacia.uspceu.es

23 mayo 24 mayo 25 mayo 26 mayo 27 mayo

9.30-10.30

RMN. Una perspectiva Histórica

J. Pérez-Castells

Escalas de tiempo en RMN

Gema Domínguez

Péptidos y ProteínasJ. Pérez-Castells

RMN en Química farmacéutica y diseño de

fármacos. STD, waterlogsy y análogos.

Ana Ramos

10.30-11.30

Desplazamientos químicos

Gema Domínguez

RMN bidimensional. Conceptos básicos

Correlación Homonuclear.COSY,

TOCSYJ. Pérez-Castells

Estructura 3D de biomoléculas. Una

aproximación combinada de RMN y modelado molecularJ. Pérez-Castells

Aproximaciones basadas en el receptor:

Perturbaciones de desplazamiento químico

Sonsoles Martín

11.30-12.30

Constantes de Acoplamiento

Correlación Heteronuclear HMQC,

HSQCJ. Pérez-Castells

RMN en elucidación estructural productos

Naturales

SAR by NMR. El método shapes. Diseño basado en

fragmentosSonsoles Martín

2USP-CEU

AcoplamientoAna Ramos

NaturalesGema Domínguez,Ana Gradillas12.30-

13.30

Aspectos prácticos sobre preparación de muestras y partes de un equipo de

RMNAna Gradillas

Métodos rápidos en RMNAntonio Herrera

14:30-15:30

Incorporación de lantánidos para el

análisis estructural de biomoléculas por RMNAlvaro Mallagaray

15.30-16.30

El efecto NOEJavier Cañada

16.30-17.30

Correlación Homonuclear.

NOESY, ROESY y análogos

Javier Cañada

17.30-18.30

RMN en la industria Farmacéutica

Juan F. Espinosa

RMN. Una perspectiva Histórica

3USP-CEU

Javier Pérez Castells

¿Qué es la RMN?• Descrita por Isidor Rabi en 1938, aunque fueron Félix Bloch y Edward Mills

Purcell en 1946 quienes la aplican a líquidos y sólidos, por lo que compartieron el Premio Nobel de física en 1952.

• Purcell había trabajado en el desarrollo del radar y sus aplicaciones durante la segunda guerra mundial.

• Observaron que los núcleos magnéticos, como 1H y 31P, podían absorber energía de RF cuando colocaban en un campo magnético de una potencia específica y así lograban identificar los núcleos. Cuando esa absorción ocurre, los núcleos se describen como estando en resonancia. Diferentes núcleos

4USP-CEU

los núcleos se describen como estando en resonancia. Diferentes núcleos atómicos dentro de una molécula resuenan a diferentes frecuencias de radio para la misma fuerza de campo magnética..

•La resonancia magnética nuclear(RMN ) es un fenómeno físico basado en las propiedades mecánico-cuánticas de los núcleos atómicos. RMN también se refiere a las aplicaciones para estudiar moléculas (espectroscopia de RMN), macromoléculas (RMN biomolecular), así como tejidos y organismos completos (imagen por resonancia magnética).

Premios Nobel en RMNPhysics 1952"for their development of newmethods for NMprecisionmeasurements and discoveriesin connection therewith"

F. Bloch E.M. Purcell

Chemistry 1991"for his contributions to the development of the

5USP-CEU

R.R. Ernst

K. Wüthrich

"for his contributions to the development of the methodology of high resolution nuclear magnetic resonance(NMR) spectroscopy (FT)"

Chemistry 2002"for his development of nuclear magnetic resonancespectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution"

¿Por qué estudiamos RMN?

Elucidacion estructural (química)

Productos naturales.Síntesis orgánica.

Estudio de procesos dinámicos

Cinéticas de reacción.Estudio de equilibrio.

6USP-CEU

Medicina - RMI

Estudio de equilibrio.

Estudios estructurales tri-dimensionales

Proteínas.ADN/ARN. Complejos de proteínas y ADN/ARN.Polisacáridos.

Diseño de fármacos

Relaciones de Estructura-Actividad por RMN.

1951, 1951, 11erer espectro EtOHespectro EtOH

Espectrómetro de 30 MHzEspectrómetro de 30 MHz

7USP-CEU

Espectro 1D de RNasa A, Espectro 1D de RNasa A, 40 MHz, 195740 MHz, 1957

Espectro 2D de Heveina, Espectro 2D de Heveina, 600 MHz, 1997600 MHz, 1997

• Espectroscopia de absorción (o emisión), igual que IR o UV. Detecta la absorción de radiofrequencias (radiación electromagnética) por ciertos núcleos en una molécula.

• El fundamento teórico es difícil

• Solo núcleos con numero cuántico de spin nuclear (I ) ≠≠≠≠ 0 absorben radiación electromagnética.

Fundamentos teóricos de RMNFundamentos teóricos de RMN

8USP-CEU

electromagnética.

• Masa y numero atómico par:I = 0 (12C, 16O)• Masa atómica par & numero atómico impar:I = 1(14N, 2H, 10B)

• Masa atómica impar:I = 1/2 (1H, 13C, 15N)

• El estado del spindel núcleo (m) esta cuantificado. A m se le llama numerocuántico magnético

m = I , (I - 1), (I - 2), … , - I

µµµµ

H


9USP-CEU

H

H

• Para 1H, 13C, 15N, 31P (núcleos biológicamente relevantes con I = 1/2):

• Esto significa que hay solo dos estados para estos núcleos.

• Otro parámetro importante de cada núcleo es el momento magnético (µµµµ):

2 2m = 1/2, -1/2

µµµµ = γγγγ mh / 2ππππ


10USP-CEU

• Es una magnitud vectorial que nos da la dirección y magnitud del ‘imán nuclear’

• h es la constante de Planck• γγγγ es la relación giromagnética, y depende del núcleo en consideración.

• Cada núcleo tiene su momento magnético.

• La energía de un spin en un campo magnético depende del campo magnético, que llamaremos Bo, y del m:

µµµµ = γγγγ mh / 2ππππ

Al aplicar un campo magnético Bo, los espines tienen dos estados de energía posibles: a favor del campo, y en contra. La energía es el producto escalar entre losvectores correspondientes:

Bo µµµµ Bo µµµµE = - µ µ µ µ .... Bo

Eαααα = - γγγγ h Bo / 4ππππ Eββββ = γγγγ h Bo / 4ππππ


11USP-CEU

La diferencia de energía entre los dos niveles, αααα y ββββ, es:

•Cuanto mas grande el campo Bo, mas la energía. Además, el cociente de poblacionesde los dos niveles depende de ∆Ε∆Ε∆Ε∆Ε, y la podemos calcular como distribución de Boltzman.

∆∆∆∆E = γγγγ h Bo / 2ππππ

Nαααα / Nββββ = e ∆∆∆∆E / RT

• El ∆∆∆∆E para 1H’s a 400 MHz (Bo = 9.4 T) es 4 x 10-5 Kcal / mol.

• En un millón de spines, tenemos una diferencia de solo 64: El RMN tiene baja sensibilidad comparado con UV o IR.


• La distribucion Nαααα / Nβ β β β es solo 1.000064.

12USP-CEU

• A mayor γγγγ más energía absorbe un núcleo y por lo tanto más sensible es. La sensibilidad es proporcional a µµµµ, a Nαααα / Nββββ, y al ‘flujo magnético’ de la bobina, y todos dependen de γγγγ. En suma, es proporcional a γγγγ3.

γγγγ13C = 6,728 rad / G

γγγγ1H = 26,753 rad / G

• 1H es ~ 64 veces mas sensibleque 13C sólo por el γγγγ.

•Si además consideramos la abundancia natural, 13C (~1%) termina siendo 6400 veces menos sensible que 1H...

• La energía esta relacionada con la frecuencia (cuántica...):

∆∆∆∆E = h ννννoννννo = γγγγ Bo / 2ππππ


13USP-CEU

∆∆∆∆E = γγγγ h Bo / 2ππππ

• Para 1H’s en imanes normales (2.35 - 18.6 T), la frecuenciaesta entre 100 y 800 MHz. Para 13C, 1/4 de eso…

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102

longitud de onda (cm)

rayos-γ rayos-X UV VIS IR µ-onda radio

ννννo = γγγγ Bo / 2ππππ

• En suma un núcleo es un pequeño imán normalmente orientado en el espacio al azar.

• En un campo magnético los núcleos se alinean con él y se produce una pequeña diferencia de energía entre el estado alineado a favor y en contra del campo (efecto Zeeman)


14USP-CEU

Cuando se le irradia con una energía externa (hν) que corresponde a la diferencia de energía (∆E) entre esos dos estados, la energía es absorbida causando un “spin flip” hacia el estado de mayor energía. La energía necesaria cae en la zona de RF

Bo

El campo magnéticoEl campo magnéticoe-

e-

La manera de lograr un campo magnético alto es con un electroimán potente, y como la intensidad de corriente es proporcional al campo magnético se usan superconductores. Aunque el campo se mide en Teslas solemos utilizar la radiofrecuencia de resonancia del protón

15USP-CEU

N S

Bo

B1

Detector

Computadora

Iman

Generador de frecs.

Evolución de los imanes de RMN

Imanes superconductoresImanes superconductores

16USP-CEU

Imanes superconductoresImanes superconductores

•El vector momento angular de cada núcleo adopta un ángulo respecto a la dirección de Bo y precesiona.•Como hay algunos núcleos de más alineados a favor de campo la suma vectorial de todos, la magnetización macroscópica M queda como un vector paralelo al campo Bo y en su mismo sentido.


z

17USP-CEU

x

y

Bo

Frecuancia de precesión = frecuencia deLarmor ωo = -γ Bo (MHz)

z

Cuando se aplica B1 a la muestra a la frecuencia precisa, muchos espines saltan de nivel Lo que nosotros percibimos es la magnetización agregada de todos los espines de la muestra. Y a esa magnetización lo que le ocurre es que se aparta del eje z hacia el plano xy continuando su movimiento hasta que se apague B1. En cuanto se aparta de z empieza a precesionar.


18USP-CEU

Bo

z

x

y

Cuando se apaga el campo B1 la magnetización recupera su dirección en un proceso llamado relajación, asociado a una constante de relajación longitudinal T1 y a una constante de relajación transversal T2

Bo

zT1


19USP-CEU

Bo

x

y

T1 resulta del proceso de relajación “spin-red”

La magnetización macroscópica o su componente xy precesionan en el plano xy. La misma bobina que emitió la RF sirve, una vez apagada para detectar la energía emitida por la muestra, al recuperar su estado inicial.

zy


20USP-CEU

Bo

x

y

x

yy

Fundamentos teóricos de RMNFundamentos teóricos de RMNLa corriente inducida en la bobina de RF situada en el eje x será el resultado de la acción del vector magnetización, que, como va girando dará como resultado una señal oscilante y decreciente (por la relajación).

21USP-CEU

x x

y y

x

-y

-x

Fundamentos teóricos de RMNFundamentos teóricos de RMNVisto en un dominio de tiempos es la típica FID. Si bien se puede y se debe sacar información de la FID (sobretodo de la calidad esperable del espectro), no trabajamos con ella sino con su FT

22USP-CEU

x

time

frequency

• En las moléculas hay distintos tipos de 1H, cada tipo con su propia ωo, matizada por su entorno, y además variaciones debidas a la falta de homogeneidad del campo Bo.

• Como todo núcleo es a su vez un pequeño imán el campo percibido por núcleos con entornos diferentes es algo distinto.

• Necesitamos excitarlos todos y, a poder ser a la vez.

• Los primeros espectrómetros usaban una excitación continua.


23USP-CEU

• Los primeros espectrómetros usaban una excitación continua.

• Actualmente se hace con pulsos.

−ω ωTF

•• Tenemos dos formas de afinar un piano: Una consiste en ir tecla por tecla Tenemos dos formas de afinar un piano: Una consiste en ir tecla por tecla grabando cada nota (i.e., cada frecuencia). La otra, sería darle un martillazo fuerte y grabando cada nota (i.e., cada frecuencia). La otra, sería darle un martillazo fuerte y grabar el ruido que haga. Todas las frecuencias (notas) van a estar en la grabación.grabar el ruido que haga. Todas las frecuencias (notas) van a estar en la grabación.

•• Lo que necesitamos es el equivalente al martillo. Algo que tenga todas las Lo que necesitamos es el equivalente al martillo. Algo que tenga todas las frecuencias del espectro. Un frecuencias del espectro. Un pulso pulso corto de radiofrecuencia tiene estas corto de radiofrecuencia tiene estas

Trasformada de FourierTrasformada de Fourier

24USP-CEU

frecuencias del espectro. Un frecuencias del espectro. Un pulso pulso corto de radiofrecuencia tiene estas corto de radiofrecuencia tiene estas características.características.

•• Para explicarlo, usamos un algoritmo matemático, Para explicarlo, usamos un algoritmo matemático, La La transformada de Fouriertransformada de Fourier: : Transforma información del dominio del tiempo Transforma información del dominio del tiempo al de frecuencia (y al de frecuencia (y vice versavice versa).).

S(ωωωω) = ∫ S(t) e-iωωωωt dt

S(t) = 1/2 ππππ ∫ S(ωωωω) eiωωωωt dt0

∞

-∞

∞

•Un pulso de radiofrecuencia es el producto de una onda con una función escalón:

• Esta es la forma del pulso en el dominio de tiempo. Si le hacemos una TF:

* =tp

Trasformada de FourierTrasformada de Fourier

25USP-CEU

• Esta es la forma del pulso en el dominio de tiempo. Si le hacemos una TF:

• El resultado es una señal centrada en ωωωωo que cubre un rango de frecuencias. Cuanto más corto es el pulso más ancho el rango de frecuencias porque f ∝∝∝∝ 1 / t.

TF

ωωωωo

El ancho de pulso no se selecciona por el rango de frecuencias (o banda de

barrido), pues se comprueba que hay “de sobra” sino por el ángulo que se desea

dar a la magnetización. El tiempo que el campo B1 esta encendido determina el

ángulo z

x

Mxy

z

xMo

B1

θθθθtptp

RMN de pulsosRMN de pulsos

26USP-CEU

• Como el ancho de pulso para cierto ángulo θθθθtp va a depender del equipo (B1), siempre nos referimos a los pulsos en términos de cuanto rotan a la magnetización (θθθθtp). Tenemos pulsos de ππππ / 4 (o 45), ππππ / 2 (o 90), ππππ (o 180)…

θθθθtp = γγγγ * tp * B1

Mxyyy

B1

• El pulso mas usado es el ππππ / 2, porque pone la mayor cantidad de magnetización posible en el plano <xy> (la señal mas grande que el instrumento puede detectar):

z

x

Mxyy

z

x

y

Mo ππππ / 2

RMN de pulsosRMN de pulsos

27USP-CEU

• El pulso ππππ también es importante, ya que tiene el efecto de invertir las poblaciones del sistema de espines...

yy

z

x

-Moy

z

x

y

Mo ππππ

• Las secuencias de pulsosson una serie de eventos (básicamente pulsos de

radiofrecuencia separados por periodos de tiempos odelays) aplicados en el

tiempo de modo secuencial, ordenado y predefinido, que provocan una

modificación específica sobre el estado de los espines que luego se pueden

relacionar con algún parámetro molecular a partir del análisis del espectro de

RMN resultante.

Secuencias de pulsosSecuencias de pulsos

28USP-CEU

Pulso de 90º iguala las poblaciones

Pulso de 180º invierte las poblaciones

Secuencias de pulsos

Secuencias de pulsosSecuencias de pulsos

29USP-CEU

• Hablemos un poco de la ‘Free Induction Decay’ (FID)‘Free Induction Decay’ (FID). Es la señal que aparece en la bobina receptora después de que la magnetización neta quede en el plano <xy> (después de un pulso ππππ / 2).

• Cuando la magnetización vuelve al equilibrio (z) precesionando, la bobina receptora detecta una señal sinusoidal que decae (para un solo tipo de spin):

M

La FIDLa FID

30USP-CEU

ωωωω = ωωωωo

Mxy

ωωωω - ωωωωo > 0

tiempo

Mxy tiempo

• En una muestra real tenemos muchos sistemas de spin con frecuencias distintas, y por lo tanto todas están combinadas en la bobina receptora. A esta señal la llamamos ‘‘Free Induction Decay’ (o FID ):

0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00t1 sec

La FIDLa FID

31USP-CEU

• La TF de esta señal nos da el espectro de RMN:

• Sistema de detección. El ordenador detecta una FID continua pero sólo trabaja con datos digitales. El ADC se ocupa de “samplear” la FID tomando puntos (velocidad de sampleadoo sampling rate, DW en Bruker). Cuantas va a depender de las frecuencias que tengamos en la FID.

• El Teorema de Nyquist dice que tenemos que samplear al menos dos veces mas rápido que la señal mas rápida (o el ancho de espectroo spectral width, SW):

Teorema de Nyquist

32USP-CEU

• Si sampleamosal doble de la frecuencia no hay problema, pero si vamos muy lentos la señal queda digitalizada en la computadora a 1/2 de la frecuencia real. Estos picos aparecen en el espectro fuera de fase.

SR = 1 / (2 * SW)

CorrectoIncorrecto

• En los primeros equipos de RMN-TF, la frecuencia de B1se ponía mas abajo de las posibles frecuencias del espectro. Esto se hacia para que todas las señales fuesen o mas rápidas o mas lentas que la portadora, de modo que la computadora siempre supiese el signo de las frecuencias en la FID.

portadora

Detección en cuadratura

33USP-CEU

• Esto implica más ruido, y necesidad de pulsos de muy buena calidad, El mejor lugar para la frecuencia portadora es en el centro del espectro:

portadora

portadora

¿Como saber si la frecuencia va mas rápido o mas lento que la portadora? Ponemos 2 bobinas receptoras con una diferencia de fase de 90 grados:

ωωωω (B1)

L

R

L

R

Fase = 0

Fas

e =

90

Detección en cuadratura

34USP-CEU

Fas

e =

90

Fas

e =

0F

ase

= 9

0

R

R

L

L

Sirven para mejorar la relación señal ruido y por tanto el aspecto del espectro.El ruido es igual al lo largo de toda la FID. Al principio es poco en relación con la magnetización luego mucho. Pero no debemos cortar la FID muy pronto porque perderíamos resolución (las frecuencias se van diferenciando cada vez más. Hay que llegar a un compromiso.

Señal + ruido... Ruido...

Funciones de ventana

35USP-CEU

• Lo que se hace es multiplicar la FID por una función que haga disminuir el ruido.

0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50t1 sec

Esta función de ventana se llama multiplicación exponencial, y tienela siguiente forma matemática:

• En el dominio de frecuencias equivale a multiplicar el espectro por una función Lorentziana con ancho de pico a media altura igual a la constante de decaimiento, o ensanchado de línea(‘line broadening,’ LB), en Hz. Ese factor se introduce en

F(t) = e - ( LB * t ) - o - F(t) = e - ( t / τ τ τ τ )

36USP-CEU

o ensanchado de línea(‘line broadening,’ LB), en Hz. Ese factor se introduce en el aparato

LB

Si usamos un LB negativo, la exponencial crece en vez de decaer, y deja que señales mas finas pasen, mejorando la resolución pero empeorando la relación señal/ruido.

0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50t1 sec

LB = -1.0 HzLB = 5.0 Hz

Un ejemplo de uso de una función de ventana

Funciones de ventanaFunciones de ventana

37USP-CEU

0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50t1 sec0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50

t1 sec

TF TF

Otras funciones de ventana útilesOtras funciones de ventana útilesGaussiana/Lorentziana: Mejora la resolución sin empeorar mucho la Gaussiana/Lorentziana: Mejora la resolución sin empeorar mucho la sensibilidad. Preferible a usar solo LB negativo:sensibilidad. Preferible a usar solo LB negativo:

F(t) = e - ( t * LB + σσσσ2 t2 / 2 )

Funciones de ventanaFunciones de ventana

38USP-CEU

•• Coseno/Seno: Se usan para espectros 2D/3D:Coseno/Seno: Se usan para espectros 2D/3D:

•• La función de ventana adecuada depende del experimento, y hay que jugar con La función de ventana adecuada depende del experimento, y hay que jugar con los parámetros...los parámetros...

F(t) = cos( ππππ t / tmax )

Otra cosa importante es el tamaño (en ‘bytes’) de los datos (SI). Está relacionado con el ancho del espectro (la velocidad de sampleado). También esta relacionado con el tiempo total en el que sampleamos la FID. Mas tiempo significa mas datos. Incluso teniendo mucha memoria, mas tiempo de sampleo reduce las repeticiones que podemos hacer en cierto tiempo.

• Definimos la resolucion digital(digital resolution, DR) como el numero de Hz por punto en la FID para cierto SW:

Tamaño de datos y ‘zero-filling’’

39USP-CEU

por punto en la FID para cierto SW:

DR = SW / SI

• Entonces, con un SW de 5 KHz y una FID de 16K, tenemos una resolución digital de 0.305 Hz/punto.• Un problema obvio es que si tenemos un SW grande y un SI pequeño, la resolución puede no ser suficiente para distinguir algunas líneas en el espectro.

DR - digital resolutionSW - spectral width (Hz)SI - data size (puntos)

Se puede mejorar la resolución digital (i.e., el numero de puntos) sin tener que aumentar el AQ . El truco se llama ‘zero-filling .’ Lo que hacemos es aumentar el numero de puntos antes de hacer la TF agregando ceros al final de la FID. Generalmente agregamos una potencia de 2 de ceros (8K, 16K, etc.).

0 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2t1 sec

FID de 8K 8K de ceros

Tamaño de datos y ‘zero-filling’’

40USP-CEU

• Así aumentamos el ratio Hz/punto, y podemos mejorar el espectro.

FID de 8K FID de 16K

• El área bajo una señal de RMN es proporcional al número de protones que la produce.

• Un espectrómetro NMR automáticamente integra el área bajo los picos, e imprime una curva sobre el espectro.

• La proporción de integrales da la proporción de protones en un espectro. Es una proporción, y no el número absoluto, de protones.

IntegralesIntegrales

41USP-CEU

• La carencia de multiplicidad en un 13C es una consecuencia de la baja abundancia natural del 13C.

• La posibilidad de que dos 13C estén contiguos se reduce al 0.01 %.• El acoplamiento del 13C NMR con los protones cercanos sí se vería pero suele

ser eliminada usando una técnica instrumental que desacoplamiento de banda ancha. Se irradia por un canal adicional todas las frecuencias de H con una alta intensidad. Al hacer esto los H se saturan, hay muchos emitiendo y absorbiendo energía a la vez y el resultado es su aparente desaparición.

Resonancia de 13C

42USP-CEU

absorbiendo energía a la vez y el resultado es su aparente desaparición.• Sin embargo se mantiene el efecto NOE de los H haciendo que la intensidad de

las señales de 13C sea hasta un 300% mayor.(y no sea proporcional al número de carbonos)

• Seguiremos viendo acoplamientos con F, P etc.

Resonancia de 13C

43USP-CEU

RMN multidimensional• El uso de pulsos de formas, frecuencias y duraciones diferentes

combinados en secuencias de pulsos permite al espectroscopista extraer muchos tipos diferentes de información sobre la molécula. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear bidimensional consiste en experimentos con al menos dos pulsos y, al menos, un período de tiempo variable entre ellos. como el experimento es repetido, la secuencia de pulso es variada.

• Estos intervalos de tiempo permiten (entre otras cosas) la transferencia

44USP-CEU

• Estos intervalos de tiempo permiten (entre otras cosas) la transferencia de magnetización entre núcleos y, por lo tanto, la detección de las interacciones nucleares. Las interacciones pueden ser escalares o espaciales, éstas son consecuencia del efecto nuclear Overhauser.

• Richard Ernst recibió el premio Nobel de Química en 1991 por su trabajo en FT NMR multidimensional. Este fue el comienzo del estudio de biomoléculas en solución. Kurt Wüthrich compartió (con John B. Fenn) en 2002 el premio Nobel en Química por su trabajo en estudios de estructuras de proteína en disolución por NMR

RMN de sólidos•Si se hace una RMN a un sólido se obtienen señales muy anchas, (varios kHz o incluso MHz), debido a la diferente movilidad de las moléculas. En estado líquido o en disolución, las moléculas se reorientan muy rápidamente promediando las interacciones anisótropas, que están presentes en muestras sólidas. •Andrew (1958) y Lowe (1959) mostraron que si una muestra sólida se gira suficientemente rápido alrededor de un eje que forma un ángulo de 54.7º con la

45USP-CEU

suficientemente rápido alrededor de un eje que forma un ángulo de 54.7º con la dirección principal del campo magnético externo, denominado ángulo mágico, el ensanchamiento dipolar se promedia y se pueden obtener espectros de alta resolución. MAS (magic angle spinning)•Schaefer y Stejskal combinaron el MAS con un método de polarización cruzada (CP “cross polarization”), que permitió la obtención de espectros de 13C de alta resolución con su abundancia natural en muestras sólidas.•También se han desarrollado secuencias multipulso específicas para sólidos (CRAMPS, Combined Rotation and Multiple Pulse Spectroscopy)

RMN de sólidos

• Polímeros, • vidrios,

Espectro MAS-RMN de una zeolita

Es una alternativa a los RX para materiales de baja cristalinidad

46USP-CEU

• vidrios, • cerámicas, • resinas, etc., • Materiales biológicos: virus, moléculas fibrilares (seda, colágeno,

celulosa), proteínas, carbohidratos...• Fármacos polimorfos. (Polimorfismo: habilidad que posee una

sustancia para existir como dos o mas fases cristalinas que tienen diferentes arreglos y/o formaciones moleculares en la red cristalina)

Estructura, Conformación y estereoquímica por RMN

Desplazamiento Químico

Sensible a pequeños cambios del entorno alrededor de un núcleo. Correlación con estructura secundaria de péptidos,

Corrientes de anillo

NOE, ROE, T-ROE

Desde ~1.8 hasta 5 ÅRestricción distancia

1 - 3 enlaces covalentes

Acoplamiento Escalar

Restricción del ángulo diedro

Enlaces de Hidrógeno

Mapa Ramachandran

Correlación Cruzada

ΓΓΓΓIM,IS

S

I

Estructura local

1.8 < dOH < 2.0 Å

HN

135º

47USP-CEU

Restricción distancia Restricción del ángulo diedro

Estructura localEstructura largo alcanceAcoplamientos Dipolares Residuales (RDC)

Orientación promedio de un fragmento “rígido” respecto al campo magnético de RMN

Los RDC permiten orientar fragmentosque estén muy alejados

distancias + ángulos diedros

2 - 3 enlaces covalentesM

S

Estructura local y largo alcance

Restricción ángulo diedro restricción distancia+ ángulo diedro

ON

2.7 < dON < 3.0 Å

RMN de imagen

• Se trata de la aplicación más conocida para el gran público. No es la única aplicación de la RMN en el campo de la medicina pues se realizan espectros monodimensionales de 1H, 13C, 31P, de tejidos para su estudio (MR in vivo).

• Para detectar agua en posiciones concretas del tejido a estudiar se

48USP-CEU

• Para detectar agua en posiciones concretas del tejido a estudiar se utilizan gradientes de pulso que deben ser especialmente potentes. Las interacciones de la bobina de gradientes con los campos del iman producen ruido.

• Se determina la densidad de agua en los tejidos y se le asigna un código de color negro a blanco.

RMN de imagen

49USP-CEU

Iman

Iman Consola

Muestra

TubosRotor

?

!

50USP-CEU

Iman Consola

Espectro

Presentación. RMN: una perspectiva histórica _una_perspectiva... · de todos, la magnetización...

Documents

Transcript of Presentación. RMN: una perspectiva histórica _una_perspectiva... · de todos, la magnetización...