espectroscopia resonancia magnetica nuclear

Modulo III

TEMA Nº 5Espectroscopia de Resonancia magnética

nuclear

El giro de las cargas eléctricas del núcleo hace que se

comporte como un pequeño imán

En presencia de un campo magnético externo B0 el

núcleo es capaz de orientarse a favor o en

contra

momento magnético (μ)

Los dos estados tienen diferente energía. Esa

diferencia aumenta con la intensidad del campo

magnético

5.1. Fundamentos físicos de la espectroscopia RMN

La energía necesaria para producir un

tránsito entre estados (resonancia) es del

orden de las radiofrecuencias

Para el protón (H-1) en un campo Ho de 14 Teslas, la frecuencia de resonancia sería de 600 MHz, lo que equivale a una energía de 0.2 J/mol.

Para campos magnéticos más intensos son necesarias frecuencias mayores

SE DENOMINA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR AL FENÓMENO POR EL QUE UN NÚCLEO SALTA DE UN ESTADO DE ESPÍN A OTRO CUANDO ES IRRADIADO CON LUZ DE LA ENERGÍA (FRECUENCIA DE LARMOR)

ADECUADA

En ausencia de un campo magnético externo, los de los

distintos núcleos pueden asumir cualquier dirección (como un imán)

B0

Al colocar un núcleo con momento angular P y momento

magnético en un campo magnético externo, el momento angular se alineará respecto al

campo externo, con un leve exceso alineado a favor del

campo.

Bo = 0

Bo > 0 DE = h n

a

b

Para un núcleo de I = ½

Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del campo Bo

La energía necesaria para pasar de un estado de spin al otro está determinada por la siguiente ecuación:

E = h = h B0 / 2

0 = B0 / 2 ECUACIÓN DE LARMOR

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

longitud de onda (cm)

rayos rayos x UV VIS IR m-ondas radio

0 = frecuencia de Larmor

Para imanes de campo magnético entre 2.35 y 18.6 Tesla, 0 se encontrará en el rango de 100 a 800 MHz, es decir

corresponderá a una frecuencia de radio

En una molécula, cada núcleo magnéticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y característica, es decir absorberá radiación

electromagnética de una frecuencia determinada para cambiar de estado de spin.

Sólo tienen una frecuencia de resonancia característica (cuando se someten a un campo magnético) aquellos núcleos cuyo número másico o número atómico sea impar (o ambos)

Nº MÁSICO Nº ATÓMICO SEÑAL RMN EJEMPLOS

PAR PAR NO 12C6 , 16O8

PAR IMPAR SI 2H1, 10B5,

14N7

IMPAR PAR SI 13C6, 17O8

IMPAR IMPAR SI 1H1, 11B5,

15N7

Frecuencias características a 10000 Gaus (1T)

Núcleo Abundancia Natural (%)

Espín

Momento Magnético (mag.nuc)

Frecuencia RMN

(MHz)*

Sensibilidad

Relativa

Cte. γ.108 (SI)

1H1 99.9844 1/2 2.79268 42.5759 1.000 2.6752

2H1 0.0156 1 0.857386 6.53566 0.00964 0.4107

13C6 1.108 1/2 0.70220 10.705 0.159 0.6726

19F9 100 1/2 2.6273 40.055 0.834 2.5167

31P15 100 1/2 1.1305 17.236 0.0664 1.0829

¿Todos los núcleos manifiestan resonancia magnética nuclear?

Núcleo Abundancia Natural I

1H 99.985 % 1/2

2H 0.015 % 1

12C 98.9 % 0

13C 1.1 % 1/2

14N 99.63 % 1

15N 0.37 % 1/2

16O 99.76 % 0

17O 0.04 % 5/2

18O 0.2 % 0

31P 100 % 1/2

¿Cómo se obtiene un espectro de RMN?

5.2. Instrumentación – Espectrómetro de RMN

Esquema aparato de RMN

13

ONDA CONTINUA TECNICA DE PULSOS (FT)

Espectrómetro de RMN

5.3. Espectro de RMN 1H

Referencia

ppm

Patrón universal en espectroscopia HRMN

Espectro del tetrametil silano (TMS)

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

H3C

CH3

CH3

CH3

Si

16

Espectro de Resonancia magnética nuclear

Reproducido de Volhardt, “Organic Chemistry”, 3ª Ed, 1999

B Bo = 2.1 Tesla Para Bo = 2.1 T no = 90.000.000 Hz (1H resuena a 90 MHz)

TMS (Ref)

En un espectro de RMN no se representan frecuencias absolutas de resonancia, porque darían lugar a números demasiado altos. Para evitarlo, se elige una señal como referencia y lo que se determina es la separación entre la frecuencia de resonancia de un núcleo y una frecuencia de referencia. Esta magnitud se mide en Hz.

480 Hz

320 Hz

17

Se trabaja con la diferencia respecto a una referencia

(nseñal – nref)

Problema: dependencia de n de Bo

Solución: dividir por no (n aparato)

(nseñal – nref)

no

Para Bo = 2.1 T no = 90.000.000 Hz480 / 90.000.000 = 5.33 x 10-6

Para Bo = 4.2 T no = 180.000.000 Hz960 /180.000.000 = 5.33 x 10-6

Problema: números muy pequeños

Solución: multiplicar por 106 (ppm)

(nseñal – nref)

no

106 d =

ClCH2OCH3

480 Hz 320 Hz

Bo (T)

2.1

4.2 960 Hz 640 Hz

Si

CH3

CH3

CH3

H3C

Tetrametilsilano (TMS)

REFERENCIA INTERNA:

18

(nseñal – nref)no

(nseñal – nref)no

106 d =

Desplazamiento químico (d) : Posición de una señal en el espectroSe expresa en función de la de una sustancia de referencia

n depende de la envoltura electrónica n depende de la estructura

Como patrón se utiliza TETRAMETILSILANO (TMS)

Ventajas del TMS :1) Señal única2) Líquido volátil3) Aparece a n < n señales (n TMS = 0 ppm)4) No interacciona con la muestra

Partes por millón(ppm)

19

480 Hz

320 Hz

B Bo = 2.1 Tesla Para Bo = 2.1 T no = 90.000.000 Hz (1H resuena a 90 MHz)

TMS (Ref)

5.33 ppm

3.55 ppm

¡ Observa: 1 ppm = 90 Hz !

Desplazamiento químico, δ

¿Qué información se puede obtener de un espectro RMN 1H?

• Número de señales: relacionada con el número de 1H diferentes de la muestra

• Frecuencia de las señales () : relacionada con el entorno molecular del núcleo.

• Área de las señales (integral): relacionada con la cantidad de cada tipo de 1H.

• Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H vecinos de cada tipo.

• Constantes de acoplamiento (J): brinda información estereoquímica.

• Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos funcionales (-COOH, -OH, -NH2)

5.4. Equivalencia química

Normalmente se emplean tres métodos para identificar el número de tipos de hidrógeno en una molécula:1.- Método de sustituciónSe sustituye cada hidrógeno por un átomo diferente (por ejemplo Cl) y se comprueba si se obtienen compuestos diferentes. Por ejemplo, en el cloroetano hay dos tipos de hidrógeno porque sustituyendo por cloro se pueden obtener dos compuestos diferentes, el 1,1-dicloroetano y el 1,2-dicloroetano2.- Descripción verbalSi necesita emplear distintos términos para describir dos átomos de hidrógeno es que representan dos tipos diferentes. Por ejemplo un -OH es diferente a un -CH , un -CH3 es diferente a un -CH2- y un sp3 C-H es diferente a un sp C-H3.- SimetríaLos átomos de carbono que puedan ser intercambiados por operaciones de simetría son equivalentes

Homotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar al mismo producto

Enantiotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar a dos enantiómeros

Diastereotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar a dos diastereómeros

Criterio de sustitución

Núcleos equivalentes

Problemas resueltos

Veremos que sus seis protones, solo dan una señal. Los dos grupos metilo poseen protones que no solo son equivalentes entre sí (protones dentro del mismo grupo metilo) sino que además son equivalentes a los protones del otro grupo metilo de la molécula. Esto se debe a que ambos grupos metilos son uno respecto al otro como una imagen refleja o especular. La molécula de acetona tiene un plano de simetría en torno al grupo funcional (C=O) carbonilo.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

0.400.35

1.22

TMSCH2

CH3

ppm

CH3CH2CH2CH3

cualquier molécula simétrica como por ejemplo, el n-butano:

CH3 CH2 CH2 CH3

1 2 3 4

muestra un plano de simetría que pasa entre el carbono 2 y 3. Si esto es así, entonces, todos los protones de los carbonos 1 y 4 son equivalentes, al igual que todos los protones de los carbonos 2 y 3.

TMSCH

CH2

CH3 CH3

Cl

CH3CH2CHCH3

ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

1.001.46

1.67

3.90

aa

bb

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.00

1.32

3.14

ppm

TMS

CH3CH2CCH2CH3

O

a b b a b

a

3-pentanona

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.00

1.01

2.352.943.81

ppm

TMS

CH3CH2CCH2CH2Cl

O

a b c d d c b

a

1-cloro-3-oxopentano

La sustitución de un protón en el carbono 1, rompe la simetría haciendo que ahora todos los protones sean diferentes.

Problemas propuestos

A continuación se muestra el espectro RMN-H de un compuesto desconocido

 Identify in the molecules below all pairs/groups of hydrogens that are homotopic, enantiotopic, or diastereotopic. When appropriate, label prochiral hydrogens as HR or HS

51

Exercise 1:Identify the number of signals expected in the 1H NMR spectrum of the following compounds.

1 signal

1 signal

2 signals

2 signals

4 signals

4 signals

5 signals

3 signals

52

Exercise 2:Determine whether the two protons shown in red are homotopic, enantiotopic, or diastereotopic.

homotopic

enantiotopic

diastereotopicdiastereotopic

enantiotopic

homotopic

5.4. Desplazamiento Químico

Apantallamiento atómico

(electrones en torno al núcleo)

Apantallamiento molecular

(entorno atómico)

El campo local no es igual al externo

Cambio frecuencia Cambio campo magnéticoo

DESPLAZAMIENTO QUÍMICO δ

¿Todos los núcleos de una muestra muestran resonancia a una misma frecuencia?

Los núcleos de una muestra entran en resonancia con ondas de radio de frecuencias ligeramente diferentes. Esta circunstancia, debida a las diferencias de sus entornos químicos, permite diferenciar unos

núcleos de otros.

Factores que afectan al desplazamiento químico de los protones

Efecto inductivo:Si un átomo más electronegativo retira carga eléctrica que previamente estaba en torno a un protón, el campo local que se oponía al externo disminuye, en consecuencia la resonancia se produce con un campo externo menos intenso. Ojo: En términos de frecuencia diríamos que se produce a mayor frecuencia, más a la izquierda

Apantallamiento en protonesLos protones en distintos entornos químicos están apantallados en distintas cantidades. El protón hidroxilo no está tan apantallado como los protones metilo, por lo que el protón hidroxilo absorbe a un campo más bajo que los protones metilo. Decimos que el protón está algo desapantallado por la presencia de átomos de oxígeno electronegativos.

Cuando los protones se encuentran en distintos entornos de la molécula y la molécula está expuesta a una frecuencia constante, los protones absorberán la radiación a distintas intensidades del campo magnético. La RMN variará el campo magnético y representará un gráfico de la absorción de energía como función de la intensidad del campo magnético.

Los protones de metilo más apantallados aparecen hacia la derecha del espectro (campo más alto); el protón hidroxilo menos apantallado aparece hacia la izquierda (campo más bajo).

En un espectro RMN el campo magnético aumenta desde la izquierda hacia la derecha. Las señales del lado de la derecha están en la parte más alta del espectro y las de la izquierda están en la parte más baja. Los protones apantallado aparecen en la parte alta.

Escala delta (δ) RMN.Utilización de la escala δ con espectrómetros de 60 y 300 MHz. El desplazamiento del TMS se define como O. La escala aumenta de derecha a izquierda (hacia el campo más bajo). Cada unidad δ se diferencia 1 ppm del TMS: 60 Hz a 60 MHz y 300 Hz a 300 MHz.

El desplazamiento químico de los protones se mide en partes pos millón (ppm), independientemente del campo y la frecuencia del instrumento utilizado. Cuanto más altas son las frecuencias del espectrómetro, más detallado es el espectro

Espectro de RMN del metanolLos protones metilo absorben a δ = 3.4 ppm y los protones hidroxilo absorben a δ = 4.8 ppm.

Los tres protones metilo son equivalentes, por lo que producirán sólo una señal.

Espectro de RMN de protón para un compuesto de fórmula C6H12O2.

5.5. Curva integral

Curva de integración. La intensidad relativa de una señal en la espectroscopia de RMN-H es proporcional al número de protones que contribuyen a la señal. La curva superpuesta a las señales del espectro, que se puede observar en la figura anterior, es la llamada curva de integración. La altura del escalón permite calcular el número de átomos de hidrógeno que dan origen a cada señal.

Información disponible a partir de la integral

La línea integral (verde) indica la

intensidad del pico e informa del número de protones que producen

la señal

Ejercicio: En el primer caso las dos señales están en la proporción 3:2. Como el número total de protones

es de 10, una corresponde a 6 protones y la otra a 4. ¿Y en los

otros dos casos?

Se mide una altura para cada escalón 7.0 cm y 1.6 cm. Para calcular el número de átomos de hidrógeno que originan cada señal se procede del siguiente modo: 1º. Se suman las dos integraciones y se divide por el número total de hidrógenos de la estructura: 7.0 cm + 1.6 cm = 8.6 cm

2º. Para saber el número de hidrógenos de cada señal se multiplica su integración por el valor anterior

Así pues, la señal más intensa se debe a 9 protones (tres metilos de la estructura) mientras que la menos intensa se debe a tan sólo dos protones (metileno).

La molécula tiene dos tipos de protones equivalentes en una relación 9:3. Esta relación integral puede ser reducido a 3:1 indicado.

5.6. Acoplamiento espín-espín

La mayoría de los ejemplo de acoplamiento espín-espín implican el acoplamiento entre protones que están separados por tres enlaces, por lo que están unidas a los átomos de carbono adyacentes.

El acoplamiento es uno de los fenómenos más observados cuando los hidrógenos se unen a los átomos de carbono adyacentes. El acoplamiento espín-espín entre los átomos de carbono germinales se puede producir si los hidrógenos tienen distintos entornos (no equivalentes).

En la mayoría de los casos de acoplamiento espín-espín implican acoplamiento entre protones que están separados por tres enlaces, por que están enlazados a átomos de carbono adyacentes.

Cuando los hidrógenos constan de cuatro enlaces o más, el acoplamiento espín-espín no se suele observar. Cuando realmente tiene lugar, se denomina "acoplamiento de gran rango".

Constantes de acoplamiento de protón.

Árbol de desdoblamiento del estireno.

La señal Ha del estireno está desdoblada con una Jab = 17 Hz por acoplamiento con Hb, y también desdoblada con una Jac = 11 Hz, por acoplamiento con Hc.

En la elaboración de un árbol de desdoblamiento es útil comenzar con la constante de acoplamiento más alta. El acoplamiento trans  (J = 15 Hz) es mayor que el acoplamiento cis (10 Hz), y ambos son más grandes que el acoplamiento germinal (2 Hz). En el caso de Ha, el árbol empieza con el acoplamiento trans, después el cis, y por último el germinal.

Espectro de RMN de protón del estireno.

El espectro muestra el desdoblamiento exacto razonado a través del árbol de desdoblamiento

Árbol de desdoblamiento del estireno.

La señal del protón Hb del estireno está desdoblada por acoplamiento con Ha (Jab = 17 Hz), y también por acoplamiento con Hc (Jbc = 1.4 Hz).

En la elaboración de un árbol de desdoblamiento es útil comenzar con la constante de acoplamiento más alta. El acoplamiento trans  (J = 15 Hz) es mayor que el acoplamiento cis (10 Hz), y ambos son más grandes que el acoplamiento germinal (2 Hz). En el caso de Ha, el árbol empieza con el acoplamiento trans, después el cis, y por último el germinal.

Hay tres diferentes tipos de átomos de H en el acetate de etilo.

Los Hidrógenos (H) sobre el acetato CH3COO- no se acoplan con otrosa átomos de hidrogeno y aparecen como un singulete, pero los hidrógenos del -CH2- y -CH3 del grupo etilo (-CH2CH3) estan acoplados unos con otros, resultando en un cuartete y triplet respectively.

Desplazamientos químicos más frecuentes en el espectro de RMN de protón.

Los protones directamente enlazados a los carbonilos están muy desapantallados y sus señales se encontrarán en el campo bajo del espectro. Las señales de los protones vinílicos se pueden encontrar centradas alrededor de 5 - 6 ppm, mientras que los protones aromáticos están en el campo más bajo a aproximadamente 7.0 ppm.

Se ha escogido una sustancia de referencia (en el caso de los protones el tetrametilsilano, TMS). Su señal está a la derecha del espectro y a partir de ella se miden las posiciones a las que aparecen las demás señales

La posición del resto de señales se indica mediante el desplazamiento químico (δ) medido de la siguiente manera:

δ = (f-fLOC)106/ fo (ppm)

Frecuencia del aparato

RMN de protones

Aumenta el campo magnético a frecuencia fijaCampo bajo Campo alto

Aumenta la frecuencia a campo fijo

Protones más apantallados,

resuenan a campos más

altos y frecuencias más

bajas

Protones menos apantallados,

resuenan a campos más bajos y

frecuencias más altas

Rangos de desplazamientos químicos de protones*

Región de campo bajo

Región de campo alto

Para muestra disueltas en CDCl3. La escala δ es relativa a TMS δ = 0

Anisotropía magnética de los sistemas π:Cuando los sistemas de electrones π son sometidos al campo

magnético externo inducen otro campo que se opone al anterior.

Aromáticos: el campo magnético efectivo que sienten los protones aumenta y, por tanto, lo hace la

frecuencia de resonancia (resuenan a campo bajo)

Otros sistemas con electrones π

INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO RMN DE PROTONES

En el HRMN de la propanona sólo hay una señal porque todos los protones son equivalentes

La señal se presenta a 2,2 ppm, zona en que resuenan los protones unidos a un carbono unido, a su vez, a un grupo carbonilo (1,5 – 2,5).

1.- Información disponible a partir del desplazamiento químico (espectro de baja resolución)

Ejercicio: Justifique las cuatro señales que aparecen en el HRMN del fenol

Equivalencia química:

Dos átomos de hidrógeno son equivalentes cuando al ser sustituidos por otro átomo dan el mismo compuesto

3.- Información disponible a partir del acoplamiento espín-espín (espectro de alta resolución)

En muchos casos los picos aparecen como grupos de picos debido al acoplamiento que sufren los espines con núcleos vecinos

El espectro RMN del 1,1-dicloroetano presenta dos señales:

δ = 5,9 ppm ; integración = 1 corresponde a -CHCl2

δ = 2,1 ppm ; integración = 3 corresponde a -CH3

¿Por qué las señales se han desdoblado y aparecen con 4 y 2 picos respectivamente?

INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO RMN DE PROTONES

El desdoblamiento de las señales se produce por el efecto del campo magnético vecino sobre el aplicado externamente, provocando que la frecuencia de resonancia cambie

Efecto de grupo -CH- sobre el grupo -CH3

El espín del grupo metino -CH puede adoptar dos orientaciones con

respecto al campo externo aplicado. Como resultado de ello la señal del

grupo -CH3 vecino se desdobla en dos líneas de igual intensidad, un doblete.

Efecto del grupo -CH3 sobre el grupo -CH

Los espines de los tres protones del grupo metilo pueden adoptar 8

combinaciones, que se pueden agrupar en cuatro opciones diferentes (en dos

casos hay tres combinaciones equivalentes). Como resultado de ello

la señal del grupo vecino -CH se desdobla en cuatro líneas con

intensidades respectivas 1:3:3:1, un cuartete

Podemos afirmar que la proximidad de n protones equivalentes en un carbono vecino provoca el desdoblamiento de la señal en n+1 líneas,

el número de éstas se conoce como multiplicidad de la señal. Los protones equivalentes no se acoplan entre sí.

Nº de protones equivalentes Nº de picos (multiplicidad) Relaciones de área

0 1 (singulete) 1

1 2 (doblete) 1 1

2 3 (triplete) 1 2 1

3 4 (cuadruplete) 1 3 3 1

4 5 (quintuplete) 1 4 6 4 1

5 6 (sextuplete) 1 5 10 10 5 1

6 7 (septuplete) 1 6 15 20 15 6 1

Regla N + 1

Cuando en el acoplamiento intervienen dobles enlaces la situación no sigue la

regla del n+1

J es independiente del campo magnético aplicado

La constante de acoplamiento mide la intensidad de la interacción entre pares de protones. Tiene el

mismo valor en las señales acopladas.

Ejemplo: Espectro de 1H del estireno

Ha

Hb

HcHa

17Hz

11Hz11Hz

Jab = 17 HzJac = 11 Hz

doble doblete

Hb

17Hz

1.4 Hz1.4 Hz

Hc

11Hz

1.4 Hz

Ejercicio: ¿A cuál de las tres sustancias corresponde el RMN?

Ácido propanoico

Ejercicio: ¿Qué información puede obtener del siguiente espectro sabiendo que la fórmula molecular del compuesto es C4H8O2 ?

3 entornos diferentes para los átomos de hidrógeno

Los átomos de hidrógeno en estos tres ambientes están en una relación 2:3:3

Como son 8 hidrógenos, hay un grupo CH2 y dos grupos CH3

El grupo CH2 de 4.1 ppm tiene junto a él un grupo CH3

El grupo CH3 de 1.3 ppm tiene junto a él un grupo CH2

El grupo CH3 de 2.0 ppm tiene junto a él un carbono sin hidrógeno

Están presentes 5 tipos de H en la proporción 5 : 2 : 2 : 2 : 3. Hay un singlete de 5 H, dos tripletes de 2 H cada uno, un cuartete de 2 H y un triplete de 3 H. Cada triplete indica que hay 2H en la posición adyacente, y un

cuartete 3H en la misma posición. Por ello los picos a 4,4 y 2,8 ppm deben estar conectados como unidad CH2CH2.

Los picos a 2,1 y 0,9 ppm deben formar CH2CH3 . Usando la tabla de desplazamiento químico los H pueden ser asignados de la

siguiente manera: 7.2ppm (5H) = ArH

4.4ppm (2H) = CH2O 2.8ppm (2H) = Ar-CH2

2.1ppm (2H) = O=CCH2CH3

0.9ppm (3H) = CH2CH3

Ejercicio: Interpretación del espectro RMN 1H:

C3H6O2

3:2:1

Ejercicio: Elucidación estructural.

Teniendo en cuenta los espectros y la fórmula molecular, justificar qué sustancia los produce.

C3H6O2

1:1

Ejercicio: Elucidación estructural.

Teniendo en cuenta los espectros y la fórmula molecular, justificar qué sustancia los produce.

Acetato de metilo

Atomos a 3,65 ppmAtomos a 2,05 ppm