fundamentos da ressonância magnética nuclearjoinqui.qui.ufmg.br/2010/download/mc14-1.pdf · grupo...

Fundamentos da

Ressonância Magnética

Nuclear

José Daniel Figueroa-Villar

Grupo de Química Medicinal

Departamento de Química

Instituto Militar de Engenharia

Rio de Janeiro, Brasil

[email protected]

Por que RMN é tão importante?

1. É um dos mais importantes “sensos químicos e físicos” a nível molecular.

2. Desde seu descobrimento está em constante processo de evolução.

3. Aplicação em inúmeros tipos de estudos. Por exemplo:

a. Estrutura e conformação molecular.

b. Interações intermoleculares.

c. Dinâmica molecular.

d. Cinética enzimática e de reações químicas.

e. Predição de parâmetros por métodos de cálculo.

f. Metabolômica.

g. Análise de misturas.

h. Métodos de “high through-put screening”

i. Monitoramento da composição e propriedades de objetos.

j. Estudos de metabolismo celular.

k. Estudos de materiais em alto e baixo campo.

Felix Bloch Edward Mills Purcell

Premio Nobel em Física 1952

Por seu desenvolvimento de novos métodos para medições com

precisão em ressonância magnética nuclear e descobrimentos

nessa área

Premio Nobel em Química 1991

Richard R. Ernst

Por suas contribuições no desenvolvimento de metodologias

em ressonância magnética nuclear de alta resolução.

Premio Nobel em Química 2002

Kurt Wüthrich

Por seu desenvolvimento de espectroscopia de ressonância magnética

nuclear para a determinação da estrutura tridimensional de

macromoléculas biológicas em solução.

Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield

Premio Nobel em Fisiologia e Medicina 2003

Por seus descobrimentos sobre imagens por ressonância magnética

Computador Console Magneto

Sonda

Amostra

Furo interno

Altura da solução: A cm ou 0,7 mL

Rotor

Local da sonda

Bobina do Magneto

Câmara

de vácuo

Local da amostra

Torre do Hélio

Portas do Hélio

Portas do Nitrogênio

Torre do Nitrogênio

Tampa metálica

Furo

inte

rno

MAGNETO

Parâmetro Símbolo Informação Fornecida

Intensidade do sinal I Número de Núcleos

Deslocamento químico Ambiente Químico e Físico dos Núcleos

Constante de acoplamento J Conectividade e Geometria

Tempos de relaxação T1 e T2 Dinâmica e Dimensões Moleculares

Efeito Ovehauser Nuclear NOE Interações Espaciais e distâncias interatômicas

Difusão Molecular D Dinâmica e Dimensões Moleculares

Parâmetros e Informações da RMN

Aplicações da RMN

• Identificação de substâncias químicas (puras e misturas).

• Determinação de estruturas moleculares: – Fármacos.

– Proteínas.

– Ácidos nucléicos (DNA e RNA).

• Estudos de interações inter-moleculares:

• Estudos de dinâmica molecular.

• Estudos de cinética enzimática e de reações químicas.

• Estudos de metabólitos em sistemas fisiológicos.

• Obtenção de imagens (MRI).

• Análise de amostras líquidas ou sólidas.

Fundamentos da RMN

No

prótonsNo

nêutronsspin Exemplos

Par Par 0 12C e 16O

Par Impar ½, 3/2, 5/2... 13C, 29Si, 119Sn, 129Xe

Impar Par ½, 3/2, 5/2... 1H, 7Li, 11B, 15N, 27Al, 59Co

Impar Impar 1, 2, 3... 2H, 6Li, 10B, 14N, 50V, 138La

Spin: propriedade de uma partícula que confere a

mesma um momento magnético. •Não tem equivalente clássico

•É definido pela composição e estrutura nuclear

I>1/2 Distribuição não esférica da carga nuclear (quadrupolar)

Elementos acessíveis por RMN

Momento Magnético Nuclear

Z

Bo

Orientações dos

momentos

magnéticos para

núcleos atômicos

de spin ½

Bo=0 Bo 0

Efeito do campo magnético Bo

Energia igual Energia diferente

Efeito do campo magnético Bo

E

Bo=0 Bo>0

E=E - E

Deslocamento Químico

(Hz)

(Hz)

(Hz)

(MHz)


Frequência da amostra

Frequência da referência

Frequência do espectrômetro

Frequência do espectrômetro

Escala

CH3

H3C CH3

750 210

6302250

Bo = 2,35 Tesla

Bo = 7,05 Tesla

00

r0r

a0a

B2

1B2

1B2

MHz

Hz10x 6

ar0

ra

2,10 ppm7,50 ppm

7,50 ppm 2,10 ppm

Bo = 2,35 Tesla

Bo = 7,05 Tesla

A escala delta

independe do campo

magnético usado,

mas implica no uso

de uma referência

CH3

H3C CH3

Algumas Referências Importantes

•1H, 13C e 29Si (CH3)4Si ou TMS

•31P H3PO4 1,0 M em D2O

•15N CH3NO2

•27Al Al(NO3)3 1,0 M em D2O

•17O D2O

•51V VOCl2


• Mudanças de ambiente químico (livre-ligado)

• Mudanças conformacionais (livre-ligado)

• Baixa sensibilidade

• Controle rigoroso de condições:

– Temperatura

– Meio (pH, solvente, concentração, força iônica, etc.)

• Necessidade de referência

• Muitos fatores afetam

Anel de teflon

Região de observação

Condição 1

Condição 2

-330

-50

230

50

230800

O

CH3

O

OH3C

OH(D)

Chalaça et col., J. Mol. Structure, 2000, 554(2-3), 225-231

ppb

Acoplamento Dipolar

.r

Br

Bp

z

P

cosr4

2B

3

or

senr4

B3

op

2i2ba

2i2ba

izbabza

izbabza

2baba

2zbza32

2oba

seneII4

3seneII

4

3

cosseneIIII2

3cosseneIIII

2

3

)1cos3(IIII4

1)1cos3(IIr8

h

ℋDD =

32

oba

r8

hR

Acoplamento Spin-spin

A B

A B C

a

b

Baixa energia

A BAlta energia

A B C

Baixa energia

Alta energia

A2

X1

X2 X2

A2

X1

A1

A isoladoAX

A+X

J = 0

A1

J > 0

A+X

AX

J AX1/4

X

b

A1+A2 X1+X2

X

a

X1A1

X

A2 X2

c

XX JAX/2JAX/2 JAX/2JAX/2

JAX JAX

Caso 1: Ha isolado

Caso 2: Ha e Hx sem

acoplar

Caso 3: Ha e Hx

acoplados

Constante de Planck

Permeabilidade do vácuo

Fator de Landée

Magneton de Bohr

Razão Magnetogírica de A

Razão Magnetogírica de B

BA

2

BsoAB

3

gh

3

2j

A2

X1

X2 X2

A2

X1

A1

A isoladoAX

A+X

J = 0

A1

J > 0

A+X

AX

J AX1/4

Ziioi

n

i

I2

)1(B+ ki

ki

ik I.IJH =

Acoplamento Spin-Spin

CH-CH2

A B C

j/2

b8b7

b6b5

b4b3

b2b1

b8b7

b6b5

b4b3

b2b1

a1

a3a2

a4a4

a3a2

a1

a b

ba

ba

A

B

C

a1-a4 b1-b8

a1

a2-a3

a4

b1-b4 b5-b8

jab jab jab

b1

b2

b3

b4

c1

c2

c3

c4

a1

a2

a3

a4

A A+B A+B+C jAB jAB+jAC

C C

HaHc

C

Hb

a b c

a1 a2 a3 a4 b1 b2 c1 c2

ab c

Jab

Jac

C C

HaHc

C

Hb

Triângulo de Pascal para I=1/2

n

0

1

2

3

411

11

11

1

1

1

2

3 3

4 46

Acoplamento para I>1/2

+1

0

-1

B0

z

1I

1m

0m

1m

I

I

I

101 EEE

E

E1

E0

E-1

Exemplo I=1, CDCl3

c1

c2

c3

d1

d2

d3

d4d4

d3

d2

d1

c1

c2

c3

d1 d2 d3

D

c1

c2

c3c4

C

jDC jDC jDC

Triângulo de Pascal para I=1

1 11

1

1 12 23

3 135 7 5

n

0

1

2

3

Hamiltonianos da RMN em Líquidos

Zo

Zeeman I2

)1(BH

ki

ki

ikZi

n

i

i I.IJIH

ki

ki

ikZiioi

n

i

I.IJI2

)1(BH

Acoplamento de Primeira Ordem

Sistema AX

ℋ= - AÎzA - XÎzX + JAX ÎZA.ÎZX

X1A1

X

A2 X2


JAX JAX

X - A >> jAX

Acoplamento de Primera Ordem

Sistema AX

Estados estacionários Níveis de energia

| E = h[ ½ ( A + X) + ¼ JAX]

| E = h[ ½ ( A - X) - ¼ JAX]

| E = h[- ½ ( A - X) - ¼ JAX]

| E = h[- ½ ( A + X) + ¼ JAX]

Acoplamento de Segunda Ordem

Sistema AB

BAABj

ℋ= - AÎzA - BÎzB + JAB ÎAz.ÎBz + ½ JAB (ÎA+ÎB- + ÎA-ÎB+)

A

AB

B 1

1

2

2

JABJAB

1/2( A+ B)

1/2( A+ B) - 1/2[( B- A)2+ JAB2]1/21/2( A+ B) + 1/2[( B- A)2+ JAB2]1/2

Função No Função de Onda Energia (Hz)

1 | - ½ ( A + B) + ¼ JAB

2 cos | + sen | ½ [( A - B)2 + JAB2]1/2 – ¼ JAB

3 sen | - cos | - ½ [( A - B)2 – JAB2]1/2 – ¼ JAB

4 | ½ ( A + B) + ¼ JAB

Acoplamento de Segunda Ordem

Sistema AB

2/12AB

22/12AB

2

2/12AB

2

}J])J({[

)J(cos

2/12AB

22/12AB

2

AB

}J])J({[

Jsen

Transição Freqüência Intensidade

A1(1 2) ½ ( A + B) -½ [( A - B)2 + JAB2]1/2 - ½JAB 1-sen2

B1(1 3) ½ ( A + B) +½ [( A - B)2 + JAB2]1/2 - ½JAB 1+sen2

A2 (2 4) ½ ( A + B) - ½ [( A - B)2 + JAB2]1/2 + ½JAB 1+sen2

B2 (3 4) ½ ( A + B) +½ [( A - B)2 + JAB2]1/2 + ½JAB 1-sen2

A

AB

B 1

1

2

2

JABJAB

1/2( A+ B)

1/2( A+ B) - 1/2[( B- A)2+ JAB2]1/21/2( A+ B) + 1/2[( B- A)2+ JAB2]1/2

fundamentos da ressonância magnética nuclearjoinqui.qui.ufmg.br/2010/download/mc14-1.pdf · grupo...

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