mÉtodos espectroscÓpicos aplicados a determinaciÓn...

Resonancia Magnética Nuclear

RMN 01

MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS APLICADOS A DETERMINACIÓN DE

ESTRUCTURAS MOLECULARES

Espectroscopía de RMN es una forma de espectroscopia de Absorción.

Resonancia Magnética Nuclear

La mayoría de las espectroscopias requieren transiciones de electrones (p.ej. – UV-Visible e Infrarrojo) En RMN, son los núcleos de los átomos los que producen la respuesta. Es necesario aplicar un campo magnético para que se produzcan los niveles energéticos que se lugar a las transiciones que por absorción de energía.

Nucleo de espín½ = “Barra Magnética”

Aparición de estados energéticos de núcleos en presencia de un campo magnético.

Nucleo de espín½ = “Barra Magnética

Aparición de estados energeticos de núcleos en presencia de un campo magnético.

Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H (espín ½) en un campo magnético

Sin la aplicación de un campo magnético, no existe división de energia

Ea 0hvE C

amp

o m

agn

étic

o a

plic

ado

Bo

Los núcleos como los electrones tienen la propiedad de “espín”, que está caracterizada por:

p momento angular cuantizado en unidades de h/(2π) I número cuántico de espin toma valores enteros o semienteros

El momento angular esta relacionado directamente con el momento dipolar magnético μ, a través de

2

1h

IIp

2

1h

IIp

γ constante giromagnética, depende del tipo de núcleo

Estados energéticos de los núcleos en presencia de campos magnéticos

Estados energéticos de los núcleos en presencia de campos magnéticos

I I-1 I-2 -I ●●●

Existen 2I+1 estados energéticos discretos:

Este es el caso de 1H, 13C, 19F y 31P que tiene espín ½, por lo tanto tienen:

½ -½

La situación mas simple se da para un sistema con dos estados de energía, p.ej. – I = ½.

Este es llamado el estado magnético cuántico, mI.

Descripción mecano-cuántica de la RMN

El momento angular está cuantizado Niveles nucleares de Zeeman

I es un número cuántico de espín que viene determinado principalmente por el número de protones y neutrones desapareados.

Los núcleos con I = 0, L= 0, lo que implica que =0 y no son activos en RMN o no dan señal RMN.

Descripción mecano-cuántica de la RMN

Nucleos magnéticamente activos

Z es par y A es par I = 0 I

A

Z

Z es par o impar y A es impar I =

½, 3/2, 5/2… I

A

Z

C 12

6 O

16

8 S

32

16

H 1

1 C

13

6 P

31

15

Z es impar y A es par I = entero

1,2,3…. I

A

Z H

2

1 Li

6

3 N

14

7

Todos 1/2

Todos 1

I = 0 inactivo I > ½ Núcleo cuadrupolar (poseen momento eléctrico cuadrupolar, -carga nuclear no esferica-posee rápida relajación) I = ½ nucleo activo

Propiedades Magnéticas de los cuatro núcleos mas comúnmente usados en RMN.

Todos estos nucleos tiene spin I = ½!

http://www.chem.tamu.edu/services/NMR/periodic/index.shtml

Núcleo Cte giromagnetica

(radian T-1 s-1) Sensibilidad

Relativa Frecuencia de

absorción (MHz)

1H

13C

19F

31P

2.6752 x 108

6.7283 x 107

2.5181 x 108

1.0841 x 108

1.00

0.016

0.83

0.066

400

100.6

376.5

162.1

Nucleos magnéticamente activos

Energía Potencial, E, y la diferencia de diferencia entre los dos estados :

0

02

14

Bh

E

02

14

Bh

E

02

Bh

E

Cam

po m

agné

tico

apl

icad

o B

o

Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H (espín ½) en un campo magnético

Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H (espín ½) en un campo magnético

La población relativa depende de la ecuación de Boltmann

02

Bmh

Em

En general, la energía potencial, E, de una energía estado/orientación esta relacionado al número cuántico:

Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H (espín ½) en un campo magnético

Transiciones de energía en estados de los núcleos

Ecuación de Planck relación entre ΔE y la frecuencia aplicada ν0

0hvE

00

000

0

0

0

2or

2

2

BEv

BvB

h

Bh

v

h

Ev

02

Bmh

Em

Relación entre frecuencia de resonancia y la fuerza del campo aplicado

00 BEv

MHzvTesla

v

Tesla

MHz

B

v

B

v

500 7.114.9

4002

2

0

2

10

1

2

MHzCv

Cv

MHz

MHz

MHz

Cv

Hv

Cv

Hv

125 500

100

400 13

213

2

13

2

1

2

13

1

1

1

Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1H (espín ½) en un campo magnético

El experimento de onda continua

El experimento de onda continua

μZ μ

ω0

ω

B0

m=+1/2

θ

Absorción*

Emisión

μZ μ

ω0

ω

B0

m=-1/2

θ

*radiación circularmente polarizada

μZ Vector de campo magnetico marco de referencia rotante μ espin axial del núcleo θ ángulo entre vector magnetico y el eje de espian de la particual

Primer espectro de un compuesto sólido – Purcell

Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

Premio Nobel en Física 1952 Felix Bloch y Edward Mills Purcell Por el desarrollo de un nuevo método para medir mediante un método preciso la resonancia magnética y los descubrimientos asociados "

Stanford University, Stanford, CA, USA Harvard University, Cambridge, MA, USA

Primer espectro de RMN observado por Bloch

Instrumentación – Primero equipos

Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

El experimento de onda continua

El experimento de onda continua

Cuando la explicación cuántica termina, comienza la clásica”

x

y

z

B0 B0

x

y

z

M0

El experimento de transformada de Fourier

Sistema de referencia del Laboratorio

(estático)

Sistema de referencia rotante

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

B0

x

y

z

M0

Rotating Frame of Reference

El experimento de transformada de Fourier

time

Delay

Puls

e

Dela

y

Acquisition

time

El experimento de transformada de Fourier

B0 x

y

z

M0

time

B0 x

y

z

M0

RF

B1

90º

El experimento de transformada de Fourier

B0 x

y

z

M0

RF

B1

α

B0 x

y

z

B1

Mz

My

1B α angle of rotation in radians γ magnetogyric ratio (radians T-1 s-1) B1 induced magnetic field (T) τ pulse width (s)

cos0MM y

El experimento de transformada de Fourier

time

B0 x

y

z

M0

El experimento de transformada de Fourier

time

x

y

z

M0

x

y

z

M0 x

y

z

M0 x

y

z

M0

0

El experimento de transformada de Fourier

Relajación de Mxy durante FT-RMN

Respuesta debido a T1 y T2

Las bases de la RMN con transformada de Fourier: El decaimiento inducido libre – Free induction decay

Mejora de la relación señal-ruido

nN

S

nn

nn

n

n

N

S

nN

nS

Con la acumulación digital de FIDs,

Donde n es el número total de “scans” adquiridos

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

El experimento de transformada de Fourier

Instrumentación RMN: Imán superconductor

Diseño standard magneto de equipos de

300-600 MHz

Frequency Synthesizer

Pulse Switch

RF Transmitter

“Preamp”

Phase Sensitive Detector

Computer to Perform FT

Output (Video/Hard Copy)

S N

RF Amplifier

Directional Coupler

HIGH SPEED Data Recorder

Instrumentación: Componentes principales del equipo

Instrumentación: Equipos de alto campo. 1000 MHz

Etapa 1: Definición de un Punto de refencia En RMN de 1H el standard interno es el tetrametil silano (TMS), oos grupos metilo están islados, y todos protones son magneticamente equivalentes. La contante de apantallamiento del TMS es mayor que la mayoria de los protones presente en compuestos orgánicos. Etapa 2: Definición de una escala La frecuencia de resonancia es dependiente de la magnitud de campo magnético aplicado, debido a esto es necesaria una escala que permita comparar espectros independientemente del equipo en que fueron adquiridos (independiente del campo magnético)

r

rs

v

vv

νr frecuencia de resonancia de referencia (TMS para RMN de 1H) νs frecuencia de resonancia del nucleo

Desplazamiento químico () - Terminología

r

sr

r

sr

r

rs

srrsrs

ss

rr

r

rs

k

k

v

vv

kkkvv

kv

kv

v

vv

11

11

1

1

106

Debido a lo que sabemos (para RMN de 1H NMR para espectro de TMS como estandar interno) σr << 1, entonces

sr

r

rs

v

vv

Desplazamiento químico () - Terminología

sr

r

rs

v

vv

Etapa 2: Definición de una escala (cont.) Para que los valores de desplazamiento tengas magnitudes manejables,se aplica la sieguiente definición.

Skoog, et al., definieron el Desplazamiento químico con la letra δ según

610 sr

Y se expresa en unidades de ppm (partes por millón)

Desplazamiento químico () - Terminología

55

r

rs

v

vv

1 3 5 7

1.00 ppm

400.00 Hz 399.978 Hz

Desplazamiento químico ()

Desplazamiento químico ()

1.00 2.00

610

resonancia de Frecuenciappm 1

Origen del apantallamiento y las diferencias en el desplazameinto químico

1. Los electrones cercanos al núcleo The closest electrons to a nucleus are those that bond the nucleus to its neighboring atoms.

2. Bajo al influencia del campo magnético, los electrones de enlaces tiene a precesar en un plano perpendicular al campo aplicado.

3. Cualquier factor que afecta la distribución de estos electrones de enlace también afectará el grado de apantallamiento que el núcleo experimenta. Por lo tanto, la electronegatividad de los enlaces de los átomos cercanos son extremadamente importantes.

Electrones circulantes

Campo magnético opuesto σB0

B0

Diferencias en el desplazamiento químico

Compuesto CH3X CH3H CH3I CH3Br CH3Cl CH3F

Elemento X H I Br Cl F

Electronegatividad X 2.1 2.5 2.8 3.1 4.0

Desplazamiento qco (δ) 0.23 2.16 2.68 3.05 4.26

Diferencias en el desplazamiento químico

Verde

Azul

Diferencias en el desplazamiento químico

CH3 H3C

CH2 H2C

CH HC

Incr

eas

ing

Ele

ctro

nega

tivi

ty

2.9

5.8

0.9

δ

Diferencias en el desplazamiento químico

• Circulation of electrons within molecular orbitals results in local magnetic fields that oppose the applied magnetic field.

• A higher shielding of the nuclear results in a lower Beff for the nucleus of interest. A smaller value for B means a slightly lower energy of transition.

Diferencias en el desplazamiento químico

Corriende de anillo

Campo magnético

B0

H H

σB0 σB0

Diferencias en el desplazamiento químico

CH3 H3C

CH2 H2C

CH HC

Incr

eas

ing

Ele

ctro

nega

tivi

ty

2.9

5.8

0.9

δ

Diferencias en el desplazamiento químico

B0

H

C C

H

H

H

B0

H

C

H

C

Diferencias en el desplazamiento químico

Corriente de anillo en alquinos

69

Corrientes de anillo en compuestos carbonílicos

70

Corriente de anillo

Campo magnético

B0

H H

σB0 σB0

Anisotropia de compuestos aromáticos

La anisotropía (opuesta de isotropía) es la propiedad general de la materia según la cual cualidades como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas.

71

CH3

CH3

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

ring 8.14-8.64 ppm

Me -4.25 ppm

H H

ring 7.27-6.95 ppm

Me -0.51 ppm

OUTSIDE 9.28 ppm

INSIDE -2.99 ppm

H

H

H

H

H

H

H

H H

H

H

H

H

HH

H

H

H

Anisotropia de compuestos aromáticos

72

Anisotropia de compuestos aromáticos

73

Anisotropia de compuestos aromáticos

74

Anisotropia de compuestos aromáticos

75

CH2

O

CH3

CH2

+

O-

CH3

Desprotección

O

O

O

H

H

7.10 ppm

COOEt

COOEt

H

H

COOEt

H

H

EtOOC

6.83 ppm 6.28 ppm

O

H

H7.71 ppm

6.10 ppm

O

H

H

H

H7.07 ppm 6.38 ppm

6.28 ppm

5.93 ppm

Efectos electrónicos

76

8 7 6 5 4 3

O12

3

4

5

6

O7

Efectos electrónicos conjugación con carbonilo.

77

8 7 6 5 4 3 2

O1

2

34

56

7.75

6.20

desprotección

Efectos electrónicos conjugación con carbonilo.

78

OH

H

O+

C-

H

H

SH

H

6.06 ppm

5.48 ppm

S

H H

5.81 ppm

O

H H5.78 ppm

OH

H4.82 ppm

6.22 ppm

protegido

Efectos electrónicos enoles

79

6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5

12

34

O5

Efectos electrónicos enoles

80

7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

12

34

O5

2.65 2.60 2.55

6.35 6.30 4.95 4.90

protegido

Efectos electrónicos enoles

81

O CH3

8 7 6 5 4 3 2

8.0 7.5

desprotegido

desprotegido

o

p

m

Efectos electronicos: conjugación con carbonilo

82

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5

O

CH3

7.3 7.2 7.1 7.0 6.9 6.8

Efectos electrónicos: conjugación con heteroátomo

protegido

protegido

o

p m

83

NH

CH3

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

7.0 6.5

Protegido

Protegido

o

p

m

Efectos electrónicos: conjugación con heteroátomo

84

Enlace hidrógeno

85

Efectos electrónicos: grupo carbonilo

86

Efectos electrónicos: grupo carbonilo

87

Efectos electrónicos: grupo alquino

88

Origen del desdoblamiento espin-espin

El desdoblamiento espin-espin occurre cuando el momento magnético de un núcleo (µA) interacciona con el momento magnético del núcleo adyancente (µB, µC, etc.).

A X

Interacciones Polarizantes : Los momentos magnéticos son transmitidos a través de los electrones de los enlaces. El acoplamiento puede transmitirse a traves de enlaces lejanos y poder producir un efecto visible, generando un desdoblamiento. La constante de acoplamiento es INDEPENDIENTE del campo aplicado debido a que se transmite por los electrones. El cambio del campo en un espectro cambia el patron pero no el desplazamiento químico.

Origen del desdoblamiento espin-espin

Origen del desdoblamiento espin-espin

CH3-CH2-OH

Origen del desdoblamiento espin-espin

Ene

rgy

B0

CH3-CH2-OH

Origen del desdoblamiento espin-espin

Ene

rgy

B0

Because the neighboring nuclei oppose B0, the magnetic field felt by the methyl protons is lessened.

CH3-CH2-OH

Origen del desdoblamiento espin-espin

Ene

rgy

B0

I

II

III

CH3-CH2-OH I

II

III

Origen del desdoblamiento espin-espin

Ejemplo: etanol

CH3-CH2-OH

Ene

rgy

B0

Origen del desdoblamiento espin-espin

CH3-CH2-OH

Ene

rgy

B0

I

II

III

IV

Origen del desdoblamiento espin-espin

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

ν0 = 399.978 MHz

HA HB HC HD

ν0 = 399.978 MHz

HA HB

JAB JBA

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

ν0 = 399.978 MHz HA

JAB

JAC JAC

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

ν0 = 399.978 MHz

ν0 = 499.983 MHz

4 Hz 4 Hz

10 Hz

10 Hz

4 Hz 4 Hz

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

ν0 = 399.978 MHz

ν0 = 499.983 MHz

4 Hz 4 Hz

10 Hz

4 Hz 4 Hz

12.5 Hz

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

Constantes de acoplamiento en diferentes campos

pico n

En los espectros de primer orden el valor de desplazamiento químico de los núcleos que interaccionan es más grande que las cosntante de acoplamiento, J. Para garantizar conducta de primer orden se debe tener δ/J > 8. En la mayoría de los casos se usan valores mayores para tener primer orden Se debe tener en cuenta que:

Núcleos equivalentes no producen desdoblamiento Las constantes de acoplamiento disminuyen con la distancia, es raro ver acoplamientos a mas de 4 enlaces. La regla n + 1 aplica cuando n es el numero de núcleos magnéticamente equivalentes

Reglas para la interpretación de espectros de primer orden

Singlete

Doblete

Triplete

Cuarteto

Multipletes

Contante de acoplamiento iguales

n=2 n=3 n=4 n=5 n=6

Patrones de acoplamiento: Triangulo de Pascal

C C

Ha Hb

C C

Ha Hb

Hb

C C

Ha Hb

C

Hb

C C

Ha Hb

Hb

Hb

C C

Ha Hb

Hb

Hb

C

Hb

Hb

Hb

Acoplamiento escalar: ejemplos

2.5 2.0 1.5

2.70

2n + 1 lineas n = 0 1 2 3

4 5 6

1 1 1

1 2 1 1 3 3 1

1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1 CH3CH3

doublete

septeto

a b

a

b

Acoplamiento escalar

2n + 1 lineas n = 0 1 2 3

4 5 6

1 1 1

1 2 1 1 3 3 1

1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

2 x triplete

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0

3.40 3.30 3.20 3.10 3.00

Br

7.50 7.40 7.30 7.20 7.10 7.00

a

a

b

b

o

o

m

m

p

p

Acoplamiento escalar

2n + 1 lineas n = 0 1 2 3

4 5 6

1 1 1

1 2 1 1 3 3 1

1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

2 x triplete 1 quinteto

Br

3.0 2.5 2.0

a

b

c

a

b

c

Acoplamiento escalar

CH2 1.35

CH3 CH2 Roof effect 0.9 ppm

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

C7 H14 O2 I = 7 -14/2 + 1 = 1 2n + 1 lines

n = 0 1 2 3

4 5 6

1 1 1

1 2 1 1 3 3 1

1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

2 x triplete

Triplete:

cuatriplete

Quintuplete Multiplete:

3H

3H

(ppm) Int mult J (Hz) COMMENT 0.9 3H triplete 7 CH3->(CH2) 1.1 3H triplete 7 CH3->(CH2) 1.35 2H sextuplete 7 CH2 (CH3, CH2) 1.55 2H quintuplete 7 CH2 (CH2, CH2) 2.3 2H cuatriplete7 =C- CH2 (CH3) 4.1 2H triplete 7 CH2 -O (CH2)

CH2 2.3 CH3

1.1

2H 2H

2H

2H

CH2 O

O

Acoplamiento escalar

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0

2nI + 1 lines n = 0 1 2 3

4 5 6

1 1 1

1 2 1 1 3 3 1

1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

2 x triplete 6 1

CH31 2

3

4

O 5

CH36

OTriplete:

4

Cuartriplete: 5

Quintuplete: 3 Multiplete:

2

Acoplamiento escalar

Acoplamiento geminal 2JH-H

Orientación del enlace

Efecto de electronegatividad del sustituyente

Acoplamiento geminal 2JH-H

3JHH Acoplamiento vecinal 3JH-H

C C

Ha Hb

Hb’

C C

Ha Hb

C

Hb’

C C C

Hb

Ha Hb

Hb

Hc

Jab = Jab’

Jab Jab

Jab’

C C

Ha Hb

C

Hb’

Hb

C C

Ha Hb

C

Hc’

Hb’

td

qd

Acoplamiento escalar: ejemplos

Acoplamiento vecinal 3JH-H

Curva acoplamiento vecinal en cicloalcanos. Ecuación de Bothner-By

Acoplamiento vecinal 3JH-H

Las constantes de acoplamiento vecinal de

pueden usar para estrablecer la

esteriquímica de compuestos cíclicos

Jab

Jad

Ha

Jac

Acoplamiento vecinal 3JH-H

Acoplamiento a larga distancia 4JH-H y 4JH-H

N

H1

H7

H5

H4 4JH1-H3 = 1.07 Hz

5JH1-H4 = 1.21 Hz 5JH1-H5 = 0.95 Hz 5JH4-H7 = 0.67 Hz

H

H

4JH-H = 1-2 Hz

H

H

4JH-H = 1.1 Hz

H C C C H

4JH-H = 9 Hz

H C C C H

4JH-H = 3 Hz

H C C C C H

5JH-H = 3 Hz

H C C C C H

5JH-H = 3 Hz

Acoplamiento a larga distancia 4JH-H y 4JH-H

8 7 6 5 4 3 2 1 0

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.

8 7 6 5 4 3 2 1 0

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.

1,40 1,35 1,30 1,25 1,20 1,15 1,10 1,05 1,00 0,95 0,90 0,85 0,80

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.

7 6 5 4 3 2 1 - 0

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.

8 7 6 5 4 3 2 1 0

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.

8 7 6 5 4 3 2 1 0

300 MHz ¹H NMRIn C D C l3

A LL R IG H TS R ESER V ED

© Sigma -A ldric h C o.