mÉtodos espectroscÓpicos aplicados a determinaciÓn...
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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.