Teoría Básica de RMN

La RMN es otro tipo de Espectroscopía de Absorciónp

Base de la RMN: Absorción de energía por un núcleo atómico que provocatransiciones entre niveles de energía nucleares (o entredistintos estados del espín nuclear)

Los niveles energéticos se deben a: Las distintas orientaciones de los espinesnuclearesdentrodeuncampomagnéticoHnucleares dentro de un campo magnético Ho

La diferencia de energíaentre los distintos niveleses de tal magnitud que:g g q

La frecuencia de absorción cae en el campo de las radiofrecuencias6 La E asociada a las transiciones es del orden de 10-6 Kcal/mol

Espectroscopía de Resonancia Magnética nuclear ( RMN )

Muchos núcleos atómicos poseen unMuchos núcleos atómicos poseen unmovimiento giratorio en torno a un eje yse dice , así, que poseen spin nuclear.Uno de tales núcleos es el hidrógeno,gescrito como 1H ( el isótopo de masa 1del hidrógeno) para diferenciarlo de susotros isótopos [deuterio (2H),y tritio(3H)]. El núcleo de la forma más simpledel hidrógeno es el protón. Puesto que

el protón está cargado positivamente , su giro crea un campo magnético (como ocurrecon cualquier partícula cargada). El resultado neto es que podemos considerar alprotón como una minúscula barra magnética flotando libremente en solución ó en elespacio. Cuando el protón es expuesto a un campo magnético externo de fuerza H0,puede adoptar dos orientaciones: puede alinearse conH0, una elección energeticamentefavorecida , ó ( a diferencia de una barra magnética normal) en contra de H0, unaorientación más alta en energía. Las dos posibilidades se denominan estados de α

i d β i ti tspin and β spin , respectivamente.Esos dos estados, diferentes energéticamente, proporcionan la condición necesaria para espectroscopía . Irradiación de la muestra a justo la frecuencia adecuada ( frecuencia de radioondas) para anular la diferencia de energía entre los estados α andfrecuencia de radioondas) para anular la diferencia de energía entre los estados α and β produce resonancia con H0 , en la que la absorción de energía promueve un protón desde el estado de α spin al estado de spin β , como se ilustra en la siguiente Fig.

(A) Cuando los protones son expuestos a un campo magnético externo, se generandos estados de espín (α-spin y β-spin) que difieren en energía por ΔE = hν (B)dos estados de espín (α spin y β spin) que difieren en energía por ΔE hν . (B)Irradiación con energía de frecuencia apropiada ν (radiofrecuencia), produceabsorción y transición del spin nuclear del protón desde el estado α al estado β(resonancia). (C) Diagrama de energía, que muestra a un protón (indicado por una(resonancia). (C) Diagrama de energía, que muestra a un protón (indicado por unaúnica flecha) ganando la energía ΔE = hν y sufrieno la transición desde el estado αal estado β. Recuerde que los dos núcleos mostrados están rodeados por elconjunto de los núcleos en la que hay sólo un ligero exceso de estados α sobrej q y gestados β . El proceso de absorción solo hace que esta proporción esté más próximaa 1:1.

Después de éste proceso de excitación, los núcleos se relajan y retornan a susestados originales por una variedad de rutas energéticas (que no discutiremos aquí).Así, en la resonancia, se produce una secuencia contínua de exitaciónes yp yrelajaciones.La cantidad de energía para promocionar el estado de spin α al estado de spin β esmuy pequeña; así a una frecuencia de radiondas de 300 MHz, ΔEβ – α = h. ν es delβorden de 3 x 10–5 kcal mol–1 (1.5 × 10–4 kJ mol–1 ). El equilibrio entre los dosestados es, así, rápido y en general, muy poco mas de la mitad de toda la poblaciónde núcleos protónicos en el campo magnético adoptarán el estado de spin α,

β Cpermaneciendo el resto en el estado de spin β. Cuando se alcanza la resonancia,esta diferencia disminuye, al promocionar los núcleos con espines α a espines β,pero la proporcionalidad no cambia demasiado. Así, la sensibilidad de la técnica no

d ( 9 400 G ól 6 d t 2 ill d ú l b b áes muy grande (a 9.400 Gauss, sólo 6 de entre 2 millones de núcleos absorberánradiación.Sin embargo, la diferencia de enegía, ΔE, entre los estados de spin α y βdepende directamente de la intensidad del campo magnético externo Hdepende directamente de la intensidad del campo magnético externo, H0.Cuanto más fuerte es el campo magnético, mayor es la diferencia de energíaentre los estados de α spin y β spin : La frecuencia de absorción, ν, esproporcional a H como se muestra en la Fig de la siguiente trasparencia Asíproporcional a H0, como se muestra en la Fig. de la siguiente trasparencia. Así,la frecuencia de resonancia para los núcleos de hidrógeno es de 90 MHz (megahertz, millones de hertz) a H0 = 21,150 gauss, abreviado G), 180 MHz a H0=42 300 G; 300 MHz at H0 = 70 500 G etc42,300 G; 300 MHz at H0 70,500 G, etc.Por tanto, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético externo, mejoraconsiderablemente la sensibilidad de la técnica.

Para aquellos que dan señal, ésta aparecerá a una frecuencia determinadaa un campo magnético Ha un campo magnético H0 .

Espectro de RMN, hipotético, de CH2ClF at 70,500 G. Ya que cada núcleo RMN-activo resuena a una frecuencia característica en éste campo magnético Hopaticular, se observarían seis líneas. Se muestran aquí a alturas diferentes parasimplicidad, pero la abundancia natural de los isótopos 2H and 13C es mucho menor

l d l t E t t t l t d d lid dque la de los otros . Este espectro, tal como mostrado, no puede, en realidad,ser registrado en un sólo experimento, ya que la mayoría de los instrumentosde RMN deben ser sintonizados sólo para un núcleo, p. ej. 1H, ó 13C cada vez.

Espectroscopía de RMN de alta resoluciónHasta ahora hemos considerado las resonancias de núcleos aislados ¿Que ocurreHasta ahora hemos considerado las resonancias de núcleos aislados. ¿Que ocurrecuando los núcleos están formando parte de una molécula?. Consideremos , p. ej.,los espectros 1H RMN y 13C RMN del clorometil metil éter , ClCH2OCH3. Un barridoa 70,500 G entre 0 y 300 MHz daría un pico para cada uno de los elementosa 70,500 G entre 0 y 300 MHz daría un pico para cada uno de los elementos(como vimos arriba).

Al igual que un microscopio nos permite magnificar detalles del mundog q p p gmacroscópico, podemos centrarnos en cada una de esas señales y expandirlas pararevelar mucho más. Así, usando la técnica denominada Espectroscopía de RMN dealta resolución , podemos estudiar la resonancia del hidrógeno entre 300 y 3000MHz. Encontraremos que lo que parecía ser solamente un pico en esa regióncontiene realmente dos picos, que no fueron resueltos al principio (Figura en pg.siguiente). De manera similar, el espectro de 13C RMN de alta resolución medido enla vecindad a 75.3 MHz muestra también dos picos. Esas absorciones revelan lapresencia de dos tipos de hidrógeno y de carbono, respectivamente, en lamolécula. El hecho de que la espectroscopía de RMN de alta resolución sea

d di ti i t ú l t t d hid ó d bcapaz de distinguir entre núcleos, tanto de hidrógeno como de carbono,cuando están embebidos en diferentes entornos estructurales dentro de unamolécula, es lo que hace que constituya una poderosísima herramienta para lael cidacion de na estr ct ra El q ímico orgánico sa la espectroscopía de RMNelucidacion de una estructura. El químico orgánico usa la espectroscopía de RMNmás a menudo que cualquier otra técnica espectroscópica.

300-MHz 1H NMR spectrum of chloro(methoxy)methane. Because thefrequency range of interest starts at 300 MHz, we set this frequency to be0 Hz at the right-hand side of the recording paper for simplicity0 Hz at the right hand side of the recording paper, for simplicity.

Usando el Espectro de RMN Para Analizar la Estructura Molecular: El Desplazamiento Químico de Protón.El Desplazamiento Químico de Protón.

¿Porqué los dos grupos diferentes de hidrógenos en el clorometil metil éter ,ClCH OCH dan lugar a dos picos distintos en RMN? ¿Como afecta laClCH2OCH3 dan lugar a dos picos distintos en RMN?. ¿Como afecta laestructura molecular a la posición de una señal en el espectro de 1H RMN?.La posición de un pico de absorción para un Hidrógen en el espectro de RMN,denominada también desplazamiento químico depende de la densidaddenominada también desplazamiento químico, depende de la densidadelectrónica alrededor de dicho Hidrogeno. Esta densidad, a su vez, estádeterminada por el entorno estructural del núcleo de hidrógeno. Así, losdesplazamientos químicos de los hidrógenos en el espectro de RMN sondesplazamientos químicos de los hidrógenos en el espectro de RMN sonuna pista importante para determinar su estructura molecular. Al mismotiempo, la estructura de una molécula determina su comportamiento en unexperimento de RMN.experimento de RMN.

En una molécula, los átomos de hidrógeno están rodeados por orbitales cuyadensidad electrónica varía dependiendo de: la polaridad del enlace el tipo dedensidad electrónica varía dependiendo de: la polaridad del enlace, el tipo dehibridación de los orbitales, de la existencia ó no de efectos dedeslocalización electrónica y de la presencia ó no de grupos atrayentes ódonantes de electrones.donantes de electrones.

Cuando un núcleo rodeado por electrones es expuesto a un campo magnético defuerza H0, esos electrones se mueven de tal modo que generan un pequeño campomagnético local h opuesto a H (Ley de Lenz) Como consecuencia la fuerzamagnético local, hlocal, opuesto a H0 (Ley de Lenz). Como consecuencia, la fuerzatotal de campo magnético en la proximidad del núcleo de hidrógeno, se reduce, y sedice que el núcleo esta apantallado de H0 por su nube electrónica (Fig. abajo). Elgrado de apantallamiento depende de la cantidad de densidad electrónica que rodeagrado de apantallamiento depende de la cantidad de densidad electrónica que rodeaal núcleo. Adición de electrones incrementa el apantallamiento; eliminación deelectrones causa desapantallamiento.

Efecto de apantallamiento sobre un hidrógeno enlazado covalentemente.

El núcleo desnudo, H+, que no tiene electrones de enlace apantallantes, estámenos apantallado; en otras palabras, su señal aparece a la izquierda delespectro, o a bajo campo. Un hidrógeno unido a, por ejemplo, un grupo terc-butilo está apantallado por los electrones de enlace que le rodean; en éstecaso, para compensar el apantallamiento la fuerza del campo externo H0 seincrementa para lograr resonancia ( recuerde que H0 es proporcional a ν) yasí su señal aparece más a la derecha en el espectro o a campo más alto.

Espectro de 1H RMN (300-MHz) de 2,2-dimetil-1-propanol (conteniendo un poco detetrametilsilano como referencia interna) en cloroformo deuterado, CDCl3. Se) , 3observan tres picos para los tres conjuntos de hidrógenos diferentes en la molécula.Los Hidrógenos equivalentes quimicamente muestran picos en la mismaposición. (La escala al fondo indica el desplazamiento químico en δ)

Descripción del espectro: 1H NMR(300 MHz, CDCl3): 0.89(s),1.80(s),3,26(s) ppm

Si en la proximidad del núcleo existe mas de un átomo electronegativo sus efectos desapantallantes son acumulativos

L i fl i d t ll t d l átLa influencia desapantallante de los átomos electronegativos disminuye rapidamente con la distancia

Integración de las señales de Absorción

Integraciòn, revela el número relativo de hidrógenos responsables para un pico en RMN

Acoplamientos Spin -SpinLos espectros de de RMN de alta resolución presentados hasta ahora muestran unpatrón simple de picos agudos aislados también llamados singuletes Lospatrón simple de picos agudos aislados, también llamados singuletes. Loscompuestos que dan lugar a esos espectros tienen todos un hecho en común: en cadacompuesto, hidrógenos no equivalentes están separados por al menos un átomo decarbono ó de oxigenocarbono ó de oxigeno.Esos ejemplos fueron elegidos por una buena razón, ya que la presencia de núcleos de hidrógeno vecinos puede complicar el espectro como resultado de un fenómeno denominado acoplamiento spin spin que puede darnos información estructural

La Fig. de la pg. siguiente muestra que el espectro de RMN a 90 MHz del 1,1-dicloro-

denominado acoplamiento spin-spin, que puede darnos información estructural adicional.

2,2-dietoxietano, tiene cuatro absorciones, características de cuatro conjuntos dehidrógenos equivalentes entre sí (Ha – Hd). En lugar de señales agudas únicas(Singuletes), esas señales adoptan patrones más complejos denominados

lti l t 2 b i d d i ó d bl t ( l d ) dmultipletes: 2 absorciones de dos picos, ó dobletes (en azul y verde); una decuatro picos ó cuarteto (en negro); y una de tres picos ó triplete (en rojo). Laapariencia detallada de esos multipletes depende del número y clase de átomos dehidrógeno directamente adyacentes al núcleo de hidrógeno que da lugar a lahidrógeno directamente adyacentes al núcleo de hidrógeno que da lugar a laabsorción analizada.Analizados conjuntamente con los desplazamientos químicos y la integral, los acoplamientos spin spin nos ayudan con frecuencia a establecer la estructuraacoplamientos spin-spin, nos ayudan, con frecuencia, a establecer la estructura completa de un compuesto desconocido.

Un núcleo de hídrógeno vecino, divide la señal de un núcleo en resonancia en un doblete.

Se genera un doblete, porque el hidrógeno bajo observación tiene dos tipos(magneticamente diferentes) de vecinos. (A) Cuando el núcleo vecino Hb está en suestado α, adiciona un campo local, hloca, a Ho lo que resulta en un desplazamiento acampo más bajo del pico de Ha. (B) cuando el núcleo vecino está en su estado β, sucampo local se opone al campo externo, y el pico de Ha se desplaza a campo másalto. (C) El patrón del pico observado es un doblete centrado en la resonanciaesperada para Ha sin Hb como vecino. El doblete integra para un protón.

Constantes de acoplamiento, JSiguiendo con el ejemplo del espectro de 1H RMN del 1,1-dicloro-2,2-dietoxietano, laseñal para Hb está sujeta a consideraciones similares. Este hidrógeno también tienep j gdos tipos de hidrógenos como vecinos: Ha(α) y Ha(β). En consecuencia, sus lineas deabsorción aparecen también en forma de un doblete. Se dice, así que Hb “estáacoplado con Hb”. La cantidad de este acoplamiento mutuo es igual; es decir, que ladistancia (en hertz) entre los dos picos de cada doblete es idéntica. Esta distancia es alo que se le denomina Constante de acoplamiento, J. En nuestro ejemplo, Jab = 7Hz. Puesto que la constante de acoplamiento está relacionada exclusivamente a lascontribuciones al campo magnético por parte de los núcleos vecinos que secomunican a través de los enlaces intervinientes, es independiente de la fuerza delcampo externo. Las constantes de acoplamiento, J, son, así, constantes ei d di t d l i t t d l t ó t d RMN dindependiente del instrumento del espectrómetro de RMN usado.

En Muchos Casos el Acoplamiento spin-spin Viene Dado por la Regla N+1Podemos sumarizar nuestro análisis hasta ahora, por un conjunto de reglas simples:1 Núcleos eq i alentes locali ados ad acentes a n hidrógeno ecino res enan1. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a un hidrógeno vecino resuenan

como un doblete.2. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a dos hidrógenos de un segundo

conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un tripleteconjunto de núcleos equivalentes resuenan como un triplete.3. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a tres hidrógenos de un segundo

conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un cuarteto.

Algunas complicaciones1. Las relaciones exactas de intensidad dictadas por el triángulo de Pascal y laregla N+1, se observan solamente cuando la diferencia entre losdesplazamientos químicos de los protones acoplados es mucho mayor que suconstante de aciplamiento: Δν J. Bajo esas circunstancias se dice que el

t d i d Si b did dif iespectro es de primer orden. Sin embargo, a medida que esas diferencias sehacen más pequeñas, el patrón esperado para los picos se vé sujeta a una distorcióncada vez mayor..

2. El acoplamiento a vecinos no equivalentes puede modificar la regla simple N+1

3. Intercambio rápido de protón desacopla los hidrógenos del grupo alcohólico de los alcoholes

Resonancia Magnética Nuclear de Carbono-13 (13C RMN)

RMN bidimensional

HMQC

TheThe Nobel Nobel PrizePrize in in PhysiologyPhysiology oror Medicine 2003Medicine 2003 TheThe Nobel Nobel AssemblyAssemblyat at KarolinskaKarolinska InstitutetInstitutet has has awardedawarded thethe Nobel Nobel PrizePrize in in PhysiologyPhysiology ororM di i M di i j i tlj i tl tt P l P l L t bL t b d P t M fi ld d P t M fi ld ff th ith iMedicine Medicine jointlyjointly toto Paul Paul LauterburLauterbur and Peter Mansfield and Peter Mansfield forfor theirtheirdiscoveriesdiscoveries concerningconcerning ""magneticmagnetic resonanceresonance imagingimaging". ". TheseThese discoveriesdiscoveriesmademade itit possiblepossible toto developdevelop modernmodern magneticmagnetic resonanceresonance imagingimaging, MRI,, MRI,hi hhi h b k h hb k h h i i di ldi l di i ddi i d hhwhichwhich representsrepresents a a breakthroughbreakthrough in in medicalmedical diagnosticsanddiagnosticsand researchresearch..

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DIFRACCION DE RAYOS X (Proyección ORTEPT)

Identidad y estructura de una molécula