ESPECTROSCOPIA POR RESONANCIA MAGNETICA

Patzi Virnia. Analisis Instrumental. Facultad de Ciencias Puras y Naturales. Campus Universitario Cota Cota c/27. Unversidad Mayor de San Andres.

Resumen

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica empleada principalmente   en   la   elucidación   de   estructuras  moleculares,   aunque   también   se puede emplear con fines cuantitativos.

La técnica se ha empleado en química orgánica, química inorgánica y bioquímica. La misma tecnología también ha terminado por extenderse a otros campos, por ejemplo en medicina, en donde se obtienen imágenes por resonancia magnética.

1. Introduction

Algunos núcleos atómicos sometidos a un campo magnético externo absorben radiación electromagnética en la región de las frecuencias de radio o radiofrecuencias. Como la frecuencia exacta de esta absorción depende del entorno de estos núcleos, se puede emplear para determinar la estructura de la molécula en donde se encuentran éstos.Para que se pueda emplear la técnica los núcleos deben tener un momento magnético distinto de cero. Esta condición no la cumplen los núcleos con número másico y número atómico par (como el 12C, 16O, 32S). Los núcleos más importantes en química orgánica son: 1H, 13C, 31P, 19F y 15N. Otros núcleos importantes: 7Li, 11B, 27Al, 29Si,77Se, 117Sn, 195Pt, 199Hg, 203Tl, 205Tl, 207PbSe prefieren los núcleos de número cuántico de espín nuclear igual a 1/2, ya que carecen de un momento cuadrupolar eléctrico que produce un ensanchamiento de las señales de RMN. También es mejor que el isótopo sea abundante en la naturaleza, ya que la intensidad de la señal dependerá de la concentración de esos núcleos activos. Por eso, uno de los más útiles en la elucidación de estructuras es el 1H, dando lugar a la espectroscopia de resonancia magnética nuclear de protón. También es importante en química orgánica el 13C, aunque se trata de un núcleo poco abundante y poco sensible.

1.1. Objetivos

- Conocer la manera de interpretar los espectros por resonancia magnética.

- Realizar el procedimiento de medir un espectro por resonancia magnética.

2. Fundamento Teórico 2.1. El espectrómetro de resonancia

magnética nuclear.

De forma esquemática los principales componentes de un equipo para medidas de resonancia magnética nuclear son:1.- Un imán estable, con un controlador que produce un campo magnético estable de fuerza Bo.2.- Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias precisas.3.- Un receptor muy sensible capaz de detectar señales débiles producidas por el núcleo en resonancia.4.- Un ordenador para controlar los pulsos de frecuencia y para almacenar datos.5.- Un aparato de impresión de los datos.Una parte importante del aparato es la sonda, que es la que determina la resolución del equipo. Las sondas son circuitos eléctricos LCR provistos de bobinas, condensadores y una resistencia al paso de corriente.El papel de las bobinas consiste en la generación de radiación electromagnética, ésta se induce por el paso de corriente a través de la bobina, la detección se produce por el principio de reciprocidad, esto es, la magnetización ( inicialmente en el eje z) al pasar al plano xy ( transversal) produce una variación del flujo magnético en la bobina receptora, hecho que induce una corriente en ésta ( se podrá medir un voltaje en el digitalizador).

2.2. Preparación de Muestras

Para realizar el espectro las muestras deben estar perfectamente disueltas en disolventes deuterados. Según el núcleo a tratar se recomienda usar una cantidad de muestra, ej: 1H y 19F se usa entre 2 y 15 mg para moléculas de tamaño medio.Para hacer el espectro de RMN, se coloca una pequeña cantidad del compuesto orgánico disuelto en medio mililitro de disolvente en un tubo de vidrio largo que se sitúa dentro del campo magnético del aparato.El tubo con la muestra se hace girar alrededor de su eje vertical. En los aparatos modernos, el campo magnético se mantiene constante mientras un breve pulso de radiación rf (radiofrecuencia) excita a todos los núcleos simultáneamente. Como el corto pulso de radiofrecuencia cubre un amplio rango de frecuencias los protones individualmente absorben la radiación de frecuencia necesaria para entrar en resonancia (cambiar de estado de espín). A medida que dichos núcleos vuelven a su posición inicial emiten una radiación de frecuencia igual a la diferencia de energía entre estados de espín. La intensidad de esta frecuencia disminuye con el tiempo a medida que todos los núcleos vuelven a su estado inicial.Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y convierte dichos datos en intensidad respecto a frecuencia, esto es lo que se conoce como transformada de Fourier ( FT- RMN). Un espectro de ese tipo puede registrarse en dos segundos utilizando menos de 5mg de muestra.Hoy en día los espectrómetros de RMN trabajan a 200, 300, 400, 500 hasta 900 MHz.

2.3. Campos de aplicación.

En la investigación científica:En la actualidad se están efectuando en estos equipos estudios que abarcan campos tanto de química

orgánica, inorgánica, química física o bioquímica, entre ellos podemos destacar:

Identificación y estudio estructural de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos.

Estudios de Biomacromoléculas. Determinación de velocidades y mecanismos de

reacción. Estudios de comportamientos flusionales. Identificación de compuestos y productos naturales

para la industria farmacéutica, cosmética, alimentaria,etc.

Identificación de compuestos presentes en formulaciones de plaguicidas, de gran importancia en la química agrícola.

Verificación del grado de pureza de materias primas. Control de calidad de productos químicos. Análisis de drogas y fármacos. Desarrollo de productos químicos. Aplicaciones a la medicina.

A partir del descubrimiento de la Resonacia Magnética Nuclear esta fue aplicada a la medicina a partir de los años 80, siento una técnica que permite obtener imágenes del organismo de forma incruenta no invasiva, sin emitir radiación ionizante en cualquier plano del espacio.Posee la capacidad de diferencia mejor que cualquier otra prueba radiológica las distintas estructuras anatómicas.La obtención de las imágenes consigue mediante la estimulación del organismo a la acción de un campo electromagnético con un imán de 1.5 T como máximo.Este imán atrae a los protones que están contenidos en los átomos de los tejidos que se alinearán con el campo magnético. Cuando se interrumpe el pulso, los protones vuelven a su posición original de reposo, liberando energía y emitiendo señales de radio que son captadas por un receptor y analizadas por un ordenador que las transformará en imágenes. Esta transformación se realiza por medio de unos parámetros denominados T1 y T2 que en función del tejido producen unas señales diferentes.En la resonancia las imágenes se realizan mediante cortes en tres planos: Axial, coronal y sagital, sin necesidad de cambiar de posición al paciente.

3. Parte Experimental 3.1. Procedimiento

En términos generales, se procede de la siguiente manera:

- Se enciende el espectrómetro.- Se configura el sistema.

- Se carga la muestra preparada.- Se procede a la medición.

3.2. Descripción del Equipo

Espectrómetro avance DRX Bruker 300 Mhz contiene:

Ordenador de control: Silicon graphics O2. Sofware: Iris 6.5, xwinnmr 3.0 Gradientes en Z. Accesorio para temperatura variable. Cambiador automático de muestras, con capacidad

para 60 muestras.- Sondas:

- Sonda dual de 5mm QNP tetranuclear: H1, C13, P31, F19, gradientes en Z.

- Sonda dual inversa de 5mm QNI H1-F19.

4. Datos, Gráficos y Resultados

Se realizaron dos pruebas. Una con acido acetil salicílico y otra con etil benceno. Para ver los graficos ir a anexos.

4.1. Acido Acetil salicílico

4.2. Etil benceno

5. Conclusiones

En el laboratorio aprendimos a usar la técnica de espectroscopia de RMN de 1H.

- Un protón –del hidrógeno– está expuesto a diferentes ambientes electrónicos que lo rodean y por tanto no producirá una sola señal, sino varias, dependiendo del ambiente que lo rodee. Así pues, un protón cercano a átomos muy electronegativos tenderá a estar desapantallado pues el átomo vecino se ha llevado –estadísticamente– su electrón. En cambio, un átomo de hidrógeno que esté vecino a un átomo muy electropositivo tenderá a conservar –estadísticamente– su electrón.

- Los protones equivalentes presentan sólo una señal en el espectro y no varias, en lugar de ello, la señal tiene un área mayor. Se entiende por protón equivalente a aquél dentro de una molécula que de ser cambiado por otro elemento daría el mismo compuesto que si dicho elemento remplazara a otro protón, si es así, se tratará de un protón equivalente. Cuando

se hace un espectro de RMN de hidrógeno, no aparece un solo pico de señal, sino un multiplete en algunos casos. El multiplete se debe a la interferencia de los otros protones y ésta interferencia no se da más allá de tres enlaces de distancia.

-  Un espectro de RMN es más específico que uno de IR

- El RMN de 1H presenta señales acopladas y multiplotes los cuales, lejos de ser una molestia  son de gran ayuda para determinar el ambiente electrónico que rodea a los protones.

-  Un espectro de RMN de 13C no presenta acoplamiento ni multiplotes –debido a que es muy difícil que una molécula de carbono-13 se encuentre en la misma molécula con otra de carbono-13–

- Se pueden obtener espectros de RMN de todos aquellos átomos que tengan número impar de protones.

-  Para conocer de qué compuesto se trata en un espectro es aconsejable realizar otras pruebas para conocer qué átomos están presentes y/o la masa molecular del compuesto a identificar.

6. Bibliografía - H. Günteher, Basic Principles, concepts, and

Applications in Chemistry, John Wiley and Sons, 1995.

- P. Joseph-Nathan y E. Díaz, Introducción a la Resonancia Magnética Nuclear, Editorial Limusa-Wiley, México, D.F.

ANEXO A: ETILBENCENO