Introduccin a la Resonancia Magntica Nuclear

Qumica Orgnica III

Primer Semestre

2014

Referencias empleadas en esta presentacin:

McMurry, John. Qumica Orgnica. 8. Edicin. CENGAGE.

Wade, L.J. Qumica Orgnica. 7. Edicin. Pearson.

Introduccin

La Resonancia Magntica Nuclear (RMN) es la herramienta ms til para la elucidacin estructural de molculas orgnicas.

Nos permite dar la posicin relativa de tomos dentro de una molcula.

Se basa en la absorcin de energa electromagntica (ondas de radio) por molculas inmersas en un fuerte campo magntico.

Cules tomos podemos ver en RMN?

Se pueden obtener espectros de una gran variedad de ncleos, pero vemos cada uno de ellos individualmente:

1H

13C

15N

19F

31P

Origen del fenmeno

La imagen clsica de un ncleo es una partcula cargada positivamente que gira sobre su eje (spins).

Todo ncleo atmico posee un momento angular intrnseco P y un momento magntico asociado, .

Ambos son magnitudes vectoriales.

P = I (I + 1) h

De acuerdo a la mecnica cuntica el momento angular

P est cuantizado:

I = nmero cuntico de spin o simplemente SPIN

I representa el spin total del ncleo, es mltiplo de

y sus valores van de 0 a 6.

Si el n de masa (A) es impar I = n/2 con n : impar

Si A es par y Z es impar I = n

Si A y Z son pares, I = 0

Spin Nuclear Un ncleo con nmero atmico impar o masa

atmica impar, presenta el fenmeno conocido como spin nuclear.

El ncleo es una partcula cargada que gira (spins) y por lo mismo, tiene un campo magntico asociado.

Spin nuclear

Si I = 0 el ncleo no tiene momento magntico y NO ES OBSERVABLE EN RMN. (12C, 16 O, 18O )

Si I = el ncleo es un dipolo magntico y es observable en RMN. (1H, 13C , 31P, 15N)

Si I = 1 el ncleo no tiene simetra esfrica de carga (ncleo cuadrupolar) y es ms difcil de observar en RMN (14N, 2H)

Efecto del campo magntico externo

Podemos hacer la siguiente analoga: si un pequeo imn se coloca dentro de la influencia de un imn mucho ms poderoso, el campo magntico externo (Bo) har que el imn ms pequeo se oriente con Bo.

Los ncleos que presentan spn nuclear tienen un momento magntico asociado y se comportarn de manera similar al

imn de la analoga anterior, al estar dentro de un B0

E y campo magntico La diferencia de energa es directamente

proporcional al campo magntico externo:

E = h = h B0 / 2

0 = B0 / 2 ECUACIN DE LARMOR

0 = frecuencia de Larmor

La razn giromagntica, , es una constante caracterstica para cada ncleo (por ejemplo, 26,753 s-1gauss-1 para 1H).

Cuando Bo es 14,092 gauss (1.4 T), se necesita un fotn de 60 MHz para la inversin de un protn.

En una molcula, cada ncleo magnticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y caracterstica, es decir absorber radiacin electromagntica de una frecuencia determinada para cambiar de estado de spin.

Por lo mismo, podemos ver cada ncleo de manera individual, p.e. slo protones o slo 13C.

Ncleos en dos estados de energa

Un ncleo entra en resonancia cuando se irradia con fotones (de radiofrecuencia) con una energa igual a la diferencia de energa entre estados de spin.

La absorcin de energa causa que el ncleo invierta su spin.

2 millones

1 milln + 8

1 milln -8

1 milln + 64

1 milln - 64

1 milln + 32

1 milln - 32

E = 16 = 64 = 128

B0 (Tesla) 0 T 2.35 T

(100 MHz)

9.4 T

(400 MHz)

18.8 T

(800 MHz)

An as, el

exceso de

poblacin

con el que

se trabaja

es muy

pequeo

E aumenta con B0

Proteccin magntica

Si todos los protones absorbieran la misma cantidad de energa al estar inmersos dentro de un campo magntico, no obtendramos mucha informacin, pero

Estn rodeados de otros electrones y estos pueden protegerlos del Bo, al ser partculas cargadas que circulan, creando un campo magntico inducido, que se opone a Bo.

Espectrmetro RMN

Espectrmetro RMN

Tubo de muestra

La muestra se disuelve en un disolvente adecuado, que NO debe dar seal en el espectro, usualmente es CDCl3

Protones en una molcula

Mas protegidos, absorben a campo alto

Menos protegidos, absorben a campo bajo

Espectro RMN

Las energa de resonancia relativa de un ncleo en particular, resultado de su entorno electrnico, se conoce como desplazamiento qumico.

Se emplea una sustancia de referencia, normalmente tetrametilsilano (TMS) para establecer el cero en la escala.

Escala de desplazamiento qumico

Se usa una escala arbitraria, llamada escala delta () que equivale a una parte por milln (ppm) de la frecuencia de funcionamiento del espectrmetro:

Desplazamiento qumico observado (Hz)

Frecuencia del espectrmetro en MHz

En el caso de RMN de 1H, la escala va de 0 a 10 ppm, y para 13C, de 1 a 220.

=

Es importante notar que, puesto que la escala es relativa, no cambiar aunque cambie la frecuencia de operacin del instrumento.

Qu informacin nos da un espectro de RMN de 1H?

Nmero de seales: nos indica el nmero de protones distintos en una molcula.

Desplazamiento qumico (frecuencia) de las seales: nos indica el entorno qumico.

rea de las seales (slo para 1H): nos indica el nmero de cada tipo de 1H.

Multiplicidad de seales: nos indica el nmero de 1H vecinos.

Constante de acoplamiento, J: nos da informacin sobre la estereoqumica.

Intercambio de 1H: indica la presencia de ciertos grupos funcionales, como carboxilos, hidroxilos, aminas.

4.35 2.15 1.15

triplete multiplete triplete

rea de la seal

J

Factores que afectan el desplazamiento qumico

Desproteccin debido a la presencia de elementos electronegativos en la cercana del ncleo, que causan densidad electrnica disminuida. El efecto disminuye al aumentar la distancia respecto al tomo electronegativo.

Desproteccin por anisotropa, debido a la circulacin de electrones

Anillos aromticos

La circulacin de electrones en un anillo aromtico causa que los hidrgenos unidos al anillo perciban un Bo mayor (estn desprotegidos) , y por lo mismo, aparezcan a campo bajo

Dobles enlaces

Los electrones causarn un campo magntico inducido que refuerza Bo por lo que desprotege a los protones y la seal aparece a campo bajo.

Triples enlaces

En el caso de alquinos terminales, la geometra del enlace causa que los protones se encuentren protegidos y aparecen a campos ms altos que los alquenos.

Protones de aldehidos

Estn muy desprotegidos por efectos inductivos (el carbono carbonilo tiene densidad de carga parcial positiva) y por la circulacin de los electrones , por lo que aparece a campo bajo.

Desplazamientos qumicos para 1H

Ncleos equivalentes

Protones equivalentes tendrn la misma seal en RMN.

Equivalencia qumica y equivalencia magntica.

Protones qumicamente equivalentes son aquellos que, al ser reemplazados por X en la molcula, dan el mismo resultado.

Sern no equivalentes, si al reemplazarlos por X dan un distinto ismero constitucional.

Ejemplo

Ncleos equivalentes

Dos ncleos con distinto entorno electrnico son heterotpicos, son no equivalentes y tendrn distintas seales en RMN.

Dos ncleos que tienen igual entorno electrnico son homotpicos, se consideran equivalentes y tienen la misma seal en RMN.

Ncleos equivalentes

Dos ncleos que se relacionan como imgenes en el espejo, son enantiotpicos, darn una nica seal en RMN en ausencia de elementos quirales.

Ncleos no equivalentes

Ncleos diasterotpicos son aquellos que tienen distinto entorno electrnico y por lo mismo, darn distintas seales en RMN.

Protones vinlicos

Reemplazar protones cis o trans dar productos diasteromros, por lo que no son equivalentes: son protones diasterotpicos

C(CH3)3

Intensidad de las seales En el caso de 1H, el rea bajo las seales es

proporcional al nmero de ncleos que las originan. El rea est dada por la seal de un integrador, y para picos estrechos, el rea se calcula a partir de la altura del pico.

Multiplicidad de las seales: desdoblamiento spin-spin

Las seales en RMN a menudo se dividen en picos mltiples debido a la interaccin con los protones vecinos no equivalentes.

Esto se conoce como desdoblamiento spin-spin y da origen a picos (seales) mltiples.

El desdoblamiento hace que la seal de n+1 picos, donde n es el nmero de protones vecinos.

Desdoblamiento spin-spin

Un pico: singulete

Dos picos: doblete

Tres picos: triplete

Cuatro picos: cuarteto o cuadruplete

Muchos picos: multiplete

Vecinos Intensidad relativa Multiplicidad

Multiplicidad de seales en el bromoetano: constante de acoplamiento J

La magnitud de J es independiente de Bo

Valores de las constantes de acoplamiento

El p-nitrotolueno tiene dos pares de hidrgenos no equivalentes, a y b, que son orto entre s. J para hidrgenos orto es aproximadamente 8 Hz, por lo que los picos de la seal estarn separados por aproximadamente 8 Hz.

En el caso de la 4,4-dimetilciclohexa-2-en-1-ona, se tiene 4 clases de protones no equivalentes entre s y se observan 4 seales: un singulete, que corresponde a los 6 protones metlicos, dos tripletes, que corresponden a los protones metilenos del anillo y dos dobletes, que corresponden a los protones vinlicos.

Acoplamientos complejos

Las seales pueden ser afectadas por varios protones que no son equivalentes entre s, con diferentes J.

C C

H

H

Ha

b

c

Por ejemplo, en el estireno los protones a, b y c no son equivalentes ya que son ncleos diasterotpicos. La seal del protn a, se dividir al acoplarse con b (trans, J =17 Hz) y con c (cis, J=11 Hz)

Diagrama de rbol La seal de Ha se acoplar con

Hb, causando que se divida en dos, los picos estarn separados por Jab = 17 Hz. Estas seales, a su vez, se dividirn en dos, por el acoplamiento con Hc (Jac=11 Hz) y tendremos como resultado una seal que es un doblete de dobletes, todos con intensidades relativas 1:1:1:1.

En la realidad, las seales estn distorsionadas y la intensidad relativa no se observa como se esperara.

Diagrama de rbol

Lo mismo sucede con la seal de Hb, que estar acoplado con Ha (Jab=17 Hz) y con Hc (Jbc=1.4 Hz)

Acoplamiento complejo

Los tomos de hidrgeno de las posiciones 1 y 2 en el 1,2-dicloropropano son diasterotpicos (no equivalentes) y dan lugar a seales complejas.

Seales de protones unidos a tomos electronegativos: -OH, -NH-

En general, al obtener un espectro RMN se logra la imagen promedio de las molculas, que se encuentran cambiando rpidamente sus conformaciones; tal es el caso de ciclohexano, en donde normalmente no se distinguen las posiciones axiales y ecuatoriales.

Los protones unidos a tomos electronegativos forman puentes de hidrgeno y pueden intercambiarse rpidamente, por lo que generalmente no se observa su acoplamiento con protones vecinos.

Intercambio de Hidrgeno

En el caso de OH y NH- el desplazamiento qumico de sus seales depender del disolvente y la concentracin.

Para asegurar la identificacin correcta de la seal, se puede usar D2O como disolvente, con lo cual habr intercambio entre el protio y el deuterio y la funcin OH (o NH-) pasar a ser OD, que no tendr actividad en RMN.

Fin parte I