TUTORIAL PARA LA INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE PROTÓN.

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1 TUTRIAL PARA LA INTERPRETACIÓN DE ESPECTRS DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE PRTÓN. Juan A. Palop

2 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR Ficha número 01 bjetivo : descripción e instrucciones operativas. PRTÓN ( 1 -rmn) El objeto del presente tutorial es suministrar al alumno un material didáctico que le permita ejercitarse en la interpretación práctica de espectros de resonancia magnética nuclear de protón tras haber realizado el correspondiente estudio teórico del tema. No incluye, por tanto, explicaciones teóricas que ya se suponen conocidas y estudiadas en otros textos reglados, sino que se centra en presentar casos prácticos ayudando a su interpretación y haciendo hincapié en los aspectos de mayor dificultad. Se trata pues de un documento para el trabajo personal autodirigido de alumnos principiantes en esta técnica. La repetición es un arma pedagógica necesaria en el terreno práctico. Se van a presentar muchos espectros y aunque cada uno se trae para ejemplificar un aspecto determinado, es muy interesante interpretar completos todos los espectros para adquirir esa agilidad y soltura que proporciona el ejercicio repetitivo. Los espectros presentados son teóricos, obtenidos por un programa informático que, tomando como base múltiples datos reales, calcula el espectro esperado para una estructura dada. Los espectros, por tanto, pueden presentar pequeñas diferencias con los reales pero tales errores son insignificantes para los efectos docentes que se pretenden. Algunos espectros no están completos y muestran exclusivamente la parte que interesa para un objetivo didáctico concreto. Este tutorial está constituido por fichas temáticas independientes y aunque es conveniente seguir el orden que se indica para su estudio, puede prescindirse del conocimiento de alguna ficha. Los aspectos tratados en las correspondientes fichas son los siguientes : Ficha 01 Ficha 0 Ficha 03 Ficha 04 Ficha 05 Ficha 06 Ficha 07 Ficha 08 Ficha 09 Ficha 10 Ficha 11 Ficha 1 Ficha 13 Descripción e instrucciones operativas. Información primaria disponible en un espectro de rmn. Distorsión de las alturas de los picos de un grupo de señales. idrógenos alifáticos : efecto del grado de sustitución del carbono sobre el desplazamiento químico. idrógenos alifáticos : efecto de los sustituyentes electronegativos sobre el desplazamiento químico. idrógenos alifáticos : influencia de la distancia en los efectos electrónicos y su repercusión en el desplazamiento químico. Estudio de hidrógenos vinílicos y alquínicos. Estudio de hidrógenos unidos a anillo aromático. Forma característica de las señales de y N. Distinción del solapamiento de señales múltiples. Efecto del valor de frecuencia al que trabaja el equipo. Expresión abreviada de datos de rmn. Ejemplos de elucidación de estructuras.

3 1 -RMN Juan A. Palop TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : información primaria disponible en un espectro de 0 rmn. El estudio de un espectro de resonancia magnética nuclear permite la obtención de apreciable información sobre la estructura de un compuesto orgánico a la que es conveniente acceder de una forma sistematizada para conseguir un más alto rendimiento. Cuatro son los aspectos primarios en cuanto a información que deben investigarse : 1º. Número de señales (o grupos) presentes que se corresponden con el número de tipos de hidrógeno distintos existentes en la molécula, entendiendo por tipos de hidrógeno no diferencias en cuanto a la naturaleza del elemento que, lógicamente, en todos es igual sino los distintos alrededores moleculares, electrónicos y estéricos, que puede percibir un hidrógeno por su situación concreta en una molécula. Compruebe que existen seis tipos distintos de hidrógenos en la molécula siguiente : C N cuyo espectro se incluye a continuación con la correspondiente asignación de las seis señales existentes correspondientes a los distintos tipos de hidrógeno : [5] C 4 3 N [6] [4]

4 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón cada tipo de hidrógeno aparece como una señal simple, después veremos que también podrán ser múltiples (grupo de señales). º. Posición de las señales, en referencia al valor de abscisa con que cada señal aparece en el espectro y que es función del campo magnético necesario para hacer resonar cada tipo de hidrógeno influenciado por alrededores electrónicos moleculares distintos. En el siguiente espectro en el que se indican las asignaciones, se incluye además una tabla que muestra el tipo de hidrógeno (group, numerado en la fórmula) al que se refiere cada fila, el número de hidrógenos equivalentes que pertenecen a ese tipo (n), su posición en la escala δ (abscisa proporcional a la intensidad de campo magnético, denominada habitualmente desplazamiento químico, shift) y finalmente el error de cálculo al tratarse de un espectro obtenido teóricamente : [4] Group n Shift Escala δ 3º. Multiplicidad de las señales. Como puede apreciarse, en los espectros estudiados hasta ahora en esta ficha, las señales que representan a los distintos tipos de hidrógeno son señales simples, singletes, es decir señales compuestas de un único pico, sin embargo, es muy frecuente encontrar en los espectros señales múltiples conteniendo varios picos, con una proporción definida, representando el conjunto a un sólo tipo de hidrógeno. La causa de esta multiplicidad es el efecto magnético que ejercen los núcleos de hidrógeno contiguos sobre el hidrógeno en resonancia, lo que se conoce como acoplamiento spin-spin. Esto puede observarse en el sencillo espectro que se muestra a continuación : 4

5 1 -RMN Juan A. Palop [4] [4] [4] En este espectro se ven acoplados los hidrógenos de los carbonos 1 y que son vecinos y también hay acoplamiento entre los hidrógenos de los carbonos 3 y 4. Normalmente el efecto de acoplamiento spin-spin sólo se aprecia entre hidrógenos de carbonos vecinos. La multiplicidad que se observa es la siguiente : los hidrógenos 1 aparecen como doblete porque tienen un único hidrógeno vecino, el del carbono, apareciendo este hidrógeno como septuplete (señal compuesta por siete picos) al ser seis los vecinos que tiene su carbono contiguo, el 1. Al otro lado del grupo éster también se muestran acoplados los hidrógenos 3 y 4, siempre con una multiplicidad que responde a un número de picos igual a n+1 donde n es el número de hidrógenos de los carbonos inmediatamente contiguos, así 3 es un cuadruplete (3 vecinos) y 4 un triplete ( vecinos). A veces, como ocurre con las señales 1 y 4, los grupos múltiples están muy próximos o incluso pueden solaparse, pero su diferenciación puede hacerse ya que las alturas de los picos que componen una misma señal responden a valores definidos lo que permite su identificación. La separación entre dos picos cualesquiera de cada una de dos señales múltiples acopladas es siempre un valor constante que se denomina constante de acoplamiento. Se simboliza esta constante por J y se expresa en unidades de frecuencia (hertzios). 4º. Área bajo las señales. La absorción de energía que se produce al entrar en resonancia un tipo de hidrógeno es directamente proporcional al número de hidrógenos que integran ese tipo, porque a más hidrógenos se requiere absorber más energía y se aprecia una mayor intensidad en la señal generada. La mejor forma de medir esta magnitud proporcional a la absorción es medir el área bajo las señales. Este área no se expresa en unidades absolutas de superficie sino con una línea de saltos los cuales son en su altura proporcionales a la superficie contenida bajo las curvas por lo que la medida tiene carácter relativo, no absoluto, a no ser que sea conocido el número total de hidrógenos que posee la molécula en estudio lo que permitirá deducir el salto que corresponde a cada hidrógeno dividiendo el salto total entre el número total de hidrógenos. Los saltos quedan reflejados en la línea de integración que aparece en los espectros por encima de las señales. En las señales múltiples, el salto atribuible a un 5

6 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón grupo es la suma de todos los saltos que producen los distintos picos que lo componen. A continuación se muestra un ejemplo que recoge los aspectos indicados : Finalmente, como resumen de todo lo dicho, estúdiense las informaciones contenidas en el siguiente espectro y hágase su correspondiente asignación : Group n Shift Error [4] 8 9 [7] [8] [7] [6] [6] [9] [9] [1] [11] [10] [10] [10]

7 1 -RMN Juan A. Palop TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : distorsión de alturas en picos de un grupo de señales. 03 Los picos que componen las señales múltiples guardan determinadas proporciones en cuanto a sus respectivas alturas, así por ejemplo un doblete presenta dos picos de la misma altura, un triplete es un conjunto de tres picos en la proporción 1::1, un cuadruplete ha de respetar la proporción 1:3:3:1, un quintuplete debe presentarse en proporción 1:4:6:4:1, un sextuplete muestra alturas proporcionales a 1:5:10:10:5:1 y, en general, un multiplete aparece con sus picos proporcionales a los coeficientes del desarrollo del binomio de Newton (a + b) n que se recogen en el denominado triángulo de Pascal. La razón teórica de este hecho se encuentra en la influencia que ejercen los núcleos de hidrógeno contiguos sobre la resonancia de un hidrógeno concreto (acoplamiento spin-spin) según las distintas combinaciones de orientación de spin que puedan presentar dichos hidrógenos vecinos. Frecuentemente las alturas esperadas que se acaban de enunciar sufren una distorsión en mayor o menor grado por razones teóricas que tiene una utilidad práctica que vamos a comentar. Entre dos grupos de señales correspondientes a hidrógenos acoplados y por tanto múltiples, se observa una distorsión de alturas que se refleja en mayores alturas que las correspondientes teóricas para los picos interiores del conjunto de ambos grupos de señales y alturas inferiores para las señales más alejadas del centro respecto a ambos grupos de señales. En el siguiente caso, espectro del 1,4-dietoxibenceno, se aprecia este fenómeno : Como puede observarse el pico de la izquierda del triplete a 1,40 δ (interior del conjunto de ambos grupos de señales ) es de mayor altura que el de la derecha (exterior del conjunto) cuando en principio deberían ser iguales. Lo mismo ocurre en el 7

8 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón cuadruplete, en el que los picos de la derecha de esta señal múltiple (interiores del conjunto) son más altos respectivamente que los de la izquierda (exteriores del conjunto). La distorsión es proporcional a la distancia a la que se encuentran los grupos de señales en el espectro (diferencia de desplazamientos químicos) : cuanto más cercanos, mayor es la distorsión como puede comprobarse en los siguientes espectros : C 3 N 3 1 En el espectro anterior se recogen las señales correspondientes a los metilenos de la molécula de dibencil-3,3-dimetilbutilamina : los tripletes que se atribuyen al metileno unido a tert-butilo y al metileno unido a nitrógeno, están acoplados entre sí, están distorsionados y distan aproximadamente 1 δ en el espectro, mientras que en el espectro siguiente de 4-oxopentanoato de etilo están más próximos y también más distorsionados, se asigna el unido a éster a,40 δ y el unido a cetona a 3,05 δ : bsérvese en el espectro anterior cómo el triplete y cuadruplete del grupo etoxilo respectivamente a 1,5 δ y 4,10 δ aparecen menos distorsionados al estar más alejados entre sí. Aún es más marcado el efecto en la siguiente molécula de metilenos tan 8

9 1 -RMN Juan A. Palop parecidos que aparecen en el espectro sólo a una distancia de 0,40 δ (el contiguo a fenilo aparece a 3,0 δ y el contiguo a trinitrofenilo a 3,60 δ) : N N + N En la interpretación de espectros complicados ésta distorsión puede utilizarse para identificar qué señales están acopladas entre sí o, dicho de otra manera, con la observación de la distorsión puede deducirse dónde buscar a su derecha o izquierda en el espectro la señal acoplada con la que está en estudio. bserve el siguiente espectro : al estudiar las señales múltiples de la derecha se aprecia por la distorsión que los dos tripletes no pueden estar acoplados entre sí pues tienen sus picos orientados ambos hacia la derecha mirando al grupo con el que ambos están acoplados, el quintuplete a 1,80 δ. Vea también cómo el triplete más próximo al quintuplete está más distorsionado. Asigne las señales sabiendo que se trata de 1-bromometoxi-3-fenilpropano. En el siguiente ejemplo se aprecia también la ayuda que puede prestar interpretar correctamente la distorsión de las señales al asignarlas a una estructura : 9

10 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón N puede hacerse la siguiente deducción de partida : el triplete a 5,60 δ tiene necesariamente que estar acoplado con el doblete a 3,65 δ que tiene la orientación inversa de sus picos y no con el triplete a 1,00 δ aunque también tenga orientación inversa porque si así fuera deberían estar acoplados también entre sí el doblete a 3,65 δ y el cuadruplete a,5 δ, lo que es imposible ya que tienen los picos interiores de sus señales de menor altura que los exteriores. Por último, analicemos el espectro que se muestra a continuación, en el que cabe la duda de si el triplete a 5,70 δ está acoplado con el triplete a 1,30 δ o con el doblete a 3,0 δ pues ambas tienen la misma orientación en la distorsión de sus picos. Prescindiendo de otros datos podría sospecharse que el acoplamiento del triplete de la izquierda deberá establecerse con el doblete pues, si se realizara con el triplete a 1,10 δ, al estar tan alejados casi no se produciría distorsión en la proporción de sus picos :

11 1 -RMN Juan A. Palop TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : efecto del grado de sustitución del carbono sobre el 04 desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos. Un mayor grado de sustitución del carbono al que está unido el hidrógeno en estudio supone desapantallamiento, es decir, un mayor desplazamiento químico (valor de δ) para el mismo, entendiéndose todos sustituyentes de tipo alquílico para poder comparar sin la interferencia de otros efectos. El siguiente espectro muestra de izquierda a derecha cómo aparecen en sus respectivas posiciones normales metino (1,55 δ), metilenos (1,30 δ) y metilos (1,05 δ) del compuesto 3-etilpentano : 3C C3 C a continuación, para observar el detalle, se registra el espectro con ampliación de escala :

12 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : efecto de los sustituyentes electronegativos sobre el 05 desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos. La presencia de grupos electroatrayentes en la molécula provoca una modificación en el desplazamiento químico en el sentido de aumento del valor δ (menor campo). La magnitud del efecto depende de la intensidad de la electroatracción. bsérvese en los espectros siguientes cómo la presencia de un grupo nitro o cloro afecta al desplazamiento químico al comparar la posición del hidrógeno más afectado con su situación normal que viene representada por el hidrocarburo -metilpropano (primer espectro) donde el hidrógeno de metino está centrado en,10 δ : 3 C la presencia de un grupo nitrilo lleva a este hidrógeno hasta,65 δ : N

13 1 -RMN Juan A. Palop La sustitución de un cloro da el siguiente espectro con un desplazamiento químico para el hidrógeno en estudio de 4,15 δ : 3 C 3 C bsérvese cómo, aunque en menor grado, el grupo electroatrayente en los dos últimos espectros también afecta a los grupos metilo próximos de manera que aparecen entre 1,40-1,50 δ cuando en un hidrocarburo sin grupos electroatrayentes como el del espectro primero debe aparecer hacia 0,90 δ. Estos efectos se acumulan aditivamente como puede compararse en el siguiente caso : C en el que existen metilenos desplazados (3,40 δ el de grupo etoxilo y a 3,60 δ los metilenos centrales de la molécula) por la presencia de un oxígeno contiguo y otros doblemente afectados por dos oxígenos (4,50 δ). 13

14 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : influencia de la distancia en los efectos electrónicos y 06 su repercusión en el desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos. El valor del efecto inductivo que ejerce un sustituyente sobre otro punto de la molécula se ve muy afectado por la distancia entre ambos. En resonancia magnética nuclear se aprecia este fenómeno en la magnitud del campo magnético necesario para hacer resonar los hidrógenos situados a diferentes distancias de un grupo electroatrayente sustituido. Estudiemos el efecto del cloro sobre los hidrógenos de los carbonos 1, y 3 en la molécula de 1-cloro-1,,3-trifenil-4,4-dimetilpentano : Véase en la ampliación de escala siguiente cómo el potente efecto electoatrayente del grupo cloro va disminuyendo con la distancia creciente : 4,50 δ (separados cloro e hidrógeno en estudio por dos enlaces), 4,5 δ (tres enlaces) y 3,70 δ (4 enlaces) En el siguiente gráfico se muestra el espectro de otro ejemplo de interés, la molécula de,6-dicloroheptano : 14

15 1 -RMN Juan A. Palop Los hidrógenos de metino directamente unido a cloro (carbonos y 6) que son los más afectados por su efecto inductivo aparecen a menor campo, 4,10 δ, a continuación (,50 δ) aparecen los hidrógenos de metinos con los números 3 y 5 de la cadena, donde el efecto es menor y, finalmente, los hidrógenos del metino central (carbono 4) a 1,50 δ. Sin embargo, este efecto electrónico interno de la cadena no es el único que interviene como puede apreciarse al estudiar la posición de los metilos de esta misma molécula. Los hidrógenos de los metilos más cercanos a los cloros (carbonos 1 y 7) aparecen en el espectro como doblete a 1,50 δ, los sustituidos sobre los carbonos 3 y 5 a mayor campo, 0,90 δ, pero los hidrógenos del metilo sustituido en 4 aparece a menor campo que estos últimos aún estando más alejado por enlaces y esto es porque se han de considerar también efectos electrónicos externos debidos a las posiciones espaciales relativas de los grupos entre sí como también se puede apreciar en el espectro siguiente : C3 3C C El hidrógeno del carbono 4 aparece a mayor valor delta (3,75 δ) que el del carbono 3 (triplete a 3,00 δ). Esto puede explicarse porque en las conformaciones más estables de la molécula la proximidad del del carbono 4 al grupo triclorometilo sea mayor que la del del carbono 3, entendiéndose por el exterior no contando enlaces por la cadena 15

16 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón carbonada como puede apreciarse en la imagen siguiente de modelo molecular de la conformación de mínima energía de la molécula en estudio : El fragmento de espectro que se muestra a continuación contiene los hidrógenos de metino que posee la estructura de 3,4-difenil-,,6,6-tetrametil-5-nitroheptano : 3C N + - 3C En este compuesto, el metino (carbono 4) vecino al grupo nitro y que aparece como triplete a 4,90 δ por encima, incluso, que el metino directamente unido al grupo nitro (carbono 5) que sale a 4,60 δ, debido a la proximidad al grupo nitro por el exterior de la molécula tan impedida en su movimiento por la presencia de grupos voluminosos. En muchas estructuras se manifiestan simultáneamente varios efectos como ocurre en el siguiente ejemplo donde, además del efecto distancia que estamos comentando, se aprecia el efecto que ejerce el grado de sustitución del carbono unido al hidrógeno en estudio. En este caso, los dos efectos tienen resultados convergentes, un desplazamiento a mayor número delta, pero en otros casos podrían compensarse en mayor o menor grado con resultados impredecibles : 16

17 1 -RMN Juan A. Palop El carbono 3 es el más próximo al grupo electroatrayente (fenóxido) y también el más sustituido por lo que aparece a un desplazamiento químico de 4,30 δ, ambos efectos se van amortiguando al alejarnos hacia los extremos de las cadenas : los carbonos y 4 aparecen a 1,50 δ y los carbonos 1 y 5 a 0,90 δ. Finalmente, estudie este efecto realizando la asignación de señales a los grupos de hidrógenos de la molécula de 1,1-diclorobutano cuyo espectro se incluye a continuación: Group n Shift Error como puede apreciarse en la tabla de desplazamientos el hidrógeno del metino, muy afectado por el efecto inductivo de dos cloros aparece a 5,60 δ, el metileno siguiente (carbono ) a 1,90 δ, el siguiente a 1,40 δ y el último, donde ya el efecto es débil, a 1 δ. Como ejercicio final de esta ficha asigne las señales del espectro de resonancia magnética nuclear de la molécula de,3,4,4,5,6-hexametil-,5-ciclohexadienona : 3C

18 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : estudio de hidrógenos vinílicos y alquínicos. 07 Vinílicos son aquellos hidrógenos que están sustituidos sobre carbonos que mantienen un doble enlace (olefínicos). Su intervalo δ usual de aparición es entre 5,50 y 7,50 δ. Por la parte inferior de este intervalo pueden confundirse con los hidrógenos alifáticos menos apantallados y por la parte superior interfieren con los hidrógenos aromáticos. En el espectro siguiente se muestra un ejemplo típico en el que no se aprecian solapamientos : N aromáticos bajos vinílicos alifáticos altos N La estructura siguiente posee dos hidrógenos vinílicos situados respectivamente en ambos extremos del intervalo indicado, posiciones causadas por las influencias de dos grupos, uno fuertemente electrodonante y el otro fuertemente electroatrayente : 3 N

19 1 -RMN Juan A. Palop En ocasiones, a causa de determinadas geometrías y distribuciones electrónicas peculiares se generan ambientes magnéticos que se traducen en desplazamientos químicos excepcionales para ciertos hidrógenos vinílicos que se alejan del intervalo normal : 3.1 N 1 N N + - Br 3 4 ( 8.56 ) [4] 3.77[4] como en los espectros anteriores las señales de hidrógenos vinílicos que aparecen centradas a 3,73 δ ( espectro izquierda) y a 8,56 δ (espectro derecha). Los alquenos sustituidos con un grupo electrodonante y otro electroatrayente presentan, en su distribución electrónica, un momento dipolar que se traduce experimentalmente en un espectro que presenta a mayor δ el hidrógeno más próximo a la zona positiva del dipolo, o sea, unido al grupo electrodonante y a menor δ el próximo al grupo electroatrayente y, por tanto, polo negativo del dipolo alquénico. Esto se aprecia en los siguientes casos : 3 4 N Br [4] 1 aromáticos N [4] [4] [4] Esto es común a los isómeros cis que se acaban de mostrar como a los trans que se incluyen a continuación. Puede observarse que no hay diferencias muy marcadas entre los desplazamientos químicos de los hidrógenos vinílicos según estén en disposición cis o trans, el factor más importante es el efecto electrónico de los sustituyentes que afecta la densidad electrónica del doble enlace. Los espectros de los isómeros trans son : 19

20 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón 3.07 Br 4 1. N aromáticos N [4] 4.43[4] [4] 6.4[4] Cuando los grupos sustituidos poseen efectos electrónicos similares, los desplazamientos de los hidrógenos vinílicos también son semejantes : (b) (b) (a) (a) N / 1 3 N 1 J 4,5 = 4.1 z 4 5 J = 1.9 z [5] [5] [4] [4] Dándose la igualdad total, en desplazamiento químico y sin acoplamiento, en aquellas estructuras que son totalmente simétricas : - N + N

21 1 -RMN Juan A. Palop Aunque la localización del desplazamiento químico puede ser problemática en algunos casos, el verdadero problema en los hidrógenos vinílicos es la interpretación de su multiplicidad pues se producen acoplamientos entre ellos, entre sus relativas posiciones cis y trans, entre hidrógenos no equivalentes sobre el mismo carbono y con los alifáticos contiguos, lo que supone normalmente bastante complejidad. Van a analizarse algunos de estos casos de interés a continuación. Como los alifáticos, los hidrógenos vinílicos vecinales se acoplan, si bien, la rigidez del doble enlace hace que los hidrógenos vecinos se relacionen de distinta forma según sus posiciones relativas sean cis o trans : a C 3 b a b b b a a en el b las diferencias son menos marcadas pero el a pasa de 6,80 δ a 7,55 δ de estar en cis a estar en trans, pues la rigidez del sistema hace que se produzca cierto cambio en la distribución electrónica y, en definitiva, en el entorno magnético. Esta diferencia se aprecia también en los valores de las constantes de acoplamiento : 11,9 z en el cis y 16,4 z en el trans. Los valores estándar para las constantes de acoplamiento son en valores aproximados : idrógenos geminales = 0 a 3 z, idrógenos cis = 7 a 11 z e idrógenos trans = 1 a 18 z, como se esquematiza a continuación : 1-18 R

22 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón Los hidrógenos geminales suelen aparecer a bajos valores δ y, como se ha indicado, con pequeñas constantes de acoplamiento : C [5] 5.3[4] N J 3,4 =.68 z 3 J 4,5 = 1.7 J,3 = [4] 5.11[4] el primero de los espectros muestra para los hidrógenos vinílicos 3 y 4 dos dobletes con sus picos muy próximos como los hidrógenos 4 y 5 del segundo espectro que son también geminales y se diferencian bien de los cis y 3. Ahora se proponen dos espectros, uno en disposición cis y otro en trans que presentan valores típicos para las constantes de acoplamiento J de estos isómeros : [5] [5] 1 4 S 3 [1,3] J 1, = J 3,4 = 10.0 z J 3,4 = z [,4] [,4] [1,3] [4] [4] El doble enlace es un sistema adecuado para que se produzcan acoplamientos entre hidrógenos que están más distantes de las posiciones vecinas entre las que se han estudiado los acoplamientos más usuales, en estos casos se habla de acoplamientos a larga distancia como el que se aprecia en el siguiente caso del que primero se recoge el espectro normal donde las multiplicidades son difíciles de ver por los valores tan pequeños de las constantes de acoplamiento (1, z) y después se ofrecen las señales ampliadas para poder apreciar en detalle la multiplicidad :

23 1 -RMN Juan A. Palop tro ejemplo lo constituye el ácido 3-cloro-4-fenil-Z-butenoico : J = 1. 5 z el hidrógeno vinílico se acopla con el metileno bencílico a larga distancia. Cuando existen tres o más hidrógenos vinílicos próximos, los acoplamientos son tales que resultan espectros difíciles de interpretar : [4] [4] [4] 3 5 [4] [4] [5] [5] [5] [5] [5] [4] [4] [4] [5] [5] [4]

24 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón idrógenos alquínicos son los unidos a un alquino terminal. Aparecen en el intervalo,0 a 3,5 δ : 3.41 C ppm Br Br C 1 Br Pueden darse acoplamientos a larga distancia cuando existen hidrógenos en un carbono vecino al triple enlace como se ve en el siguiente caso : 4 4 N 1 3 C J,3 =.7 z 3 triplete así mismo se aprecia la multiplicidad en el siguiente ejemplo donde el hidrógeno alquínico se observa como doblete con una constante de acoplamiento de,7 z : C

25 1 -RMN Juan A. Palop TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : estudio de hidrógenos unidos a anillo aromático. 08 La distinción entre hidrógenos alifáticos y aromáticos resulta normalmente fácil porque sus desplazamientos químicos son muy distintos. Salvo casos excepcionales como el cloroformo (C 3 aparece a 7,8 δ), los hidrógenos alifáticos no aparecen por encima de 6 δ mientras que los aromáticos siempre lo hacen por encima de ese valor (intervalo normal de 6 a 8 δ). Con los hidrógenos vinílicos (intervalo normal de 5,5 a 7,5 δ) ya no resulta tan sencilla la distinción pues a veces pueden solaparse ambos en el intervalo entre 6 y 7 δ. Todos los tipos indicados se diferencian bien en el ejemplo que se ofrece a continuación : los distintos tipos de alifáticos se observan hasta 4,6 δ (desplazamiento del metino unido a cloro), a 6,85 δ los vinílicos y el conjunto de aromáticos a 7,1 δ. Para situar el desplazamiento químico de los hidrógenos aromáticos se toma como referencia la posición de los hidrógenos de benceno (7,4 δ) como estructura aromática pura sin influencias de otros grupos funcionales que puedan perturbar el ambiente electrónico ya que los grupos sustituidos sobre el anillo aromático ejercen una influencia sobre los hidrógenos del mismo porque sus efectos electrónicos modifica la densidad electrónica sobre el anillo lo que afecta al campo magnético que actúa sobre dichos hidrógenos. Véase como ejemplo el efecto que ejerce un grupo electrodonante débil como es un grupo alquilo en el desplazamiento químico de los hidrógenos aromáticos tomando como referencia los del benceno : los hidrógenos del areno aparecen a menor δ, mayor intensidad de campo magnético, que los de benceno. 5

26 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón ppm Los efectos son acumulativos por lo que mayor número de grupos alquilo sustituidos supone un mayor desplazamiento : 7.09 ppm Por el contrario, los grupos electroatrayentes producen desplazamientos a mayor número δ como se aprecia con la siguiente estructura : 7.9 ppm N N Así actúan los grupos : ciano, nitro, aldehído, cetona, ácido carboxílico y derivados. Su acumulación en un mismo anillo provoca una adición de efectos : 6

27 1 -RMN Juan A. Palop 8.33 ppm - N + N N + N ay ciertos sustituyentes que a pesar de poseer átomos electronegativos como N u, de los que podía esperarse un efecto inductivo electroatrayente, sin embargo se comportan de modo totalmente opuesto, desplazan los hidrógenos vecinos a menor número δ :.89 N Esto se produce cuando estos átomos están unidos directamente al sistema aromático y sus orbitales conteniendo parejas de electrones libres solapan con los orbitales vacíos del sistema π aromático por lo que pueden ceder temporalmente estos electrones por efecto de resonancia resultando así ser fuertes donadores. Éste es el caso del grupo amina, fenol, éter y similares que provocan fuertes descensos en el desplazamiento químico δ, al resultar más intenso el efecto donador por resonancia que el atractor por efecto inductivo. Cuando estos grupos no están conjugados con sistemas aromáticos muestran exclusivamente su efecto inductivo electroatrayente y desplazan a los hidrógenos vecinos a mayor número δ en función de la distancia como se aprecia comparativamente en los dos ejemplos que se ofrecen a continuación : 7

28 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón 7.01 ppm C ppm El caso de los halógenos es peculiar pues aún presentando los dos efectos contrapuestos, los muestran casi con la misma intensidad, quizá predominando aunque muy débilmente la donación por resonancia : 7.0 ppm obsérvese el pequeño desplazamiento producido en referencia al benceno (7,4 δ). La posición relativa del sustituyente respecto de un determinado hidrógeno afecta mucho a la influencia que sobre él se ejerce. En general, el efecto de un sustituyente del signo que sea es más marcado respectivamente sobre los hidrógenos que tiene en : RT > PARA > META pues no sólo afecta la distancia externa sino también los efectos intraanulares. En los siguientes ejemplos de moléculas se puede apreciar este fenómeno comparativamente : 8

29 1 -RMN Juan A. Palop N + - ( 8.06 ppm ) N + - N + - ( 6.5 ppm ) ( 7.03 ppm ) RT PARA META En el siguiente ejemplo, con un grupo fuertemente electrodonante, puede comprobarse cómo el efecto es más intenso en los hidrógenos en orto que en el hidrógeno en para : 1 N [4] [6] Group n Shift Error [5] [,3] Existen tablas donde se recoge la cuantificación de estos efectos de manera que se indica para un sustituyente dado, el desplazamiento positivo o negativo aproximado en unidades δ con relación al benceno (7,4 δ) que puede causar en los hidrógenos situados en las distintas posiciones del anillo, véanse como ejemplo los siguientes datos de sustituyentes frecuentes : 9

30 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón sustituyente en orto en meta en para N 0,97 0,30 0,4 CMe 0,93 0,0 0,7 C 0,73 0,3 0,37 CMe 0,63 0,7 0,7 CN 0,50 0,0 0,0 CR 0,0 0,10 0,0 0,00 0,00 0,00 Me 0,15 0,10 0,10 Me 0,3 0,3 0,3 0,37 0,37 0,37 N 0,77 0,13 0,40 NMe 0,80 0,30 0,57 Puesto que los diferentes grupos sustituidos, según sus efectos electrónicos, ejercen distintas influencias en los hidrógenos del anillo y que, como se ha visto, el efecto también es distinto según la posición relativa, se dan algunas situaciones típicas que para su más fácil identificación van a estudiarse a continuación : A. CMPUESTS MNSUSTITUIDS 1. Con sustituyente alquílico puramente alifático, al menos en las proximidades del anillo aromático, como en el siguiente espectro de un areno : se observa un singlete que engloba a todos los hidrógenos aromáticos pues no existen diferencias en los ambientes magnéticos apreciados en las posiciones o, m y p. La posición, 7,18 δ, se debe al débil efecto inductivo electrodonante del grupo alquilo. Aunque la cadena carbonada sustituida tenga algún grupo funcional electroatrayente, si éste está situado en una posición alejada del anillo, su efecto no se aprecia : 30

31 1 -RMN Juan A. Palop Con sustituyente electrodonante fuerte todos los hidrógenos son desplazados a mayor campo (menos δ) pero la influencia es mayor en orto, algo menor en para y menor en meta. Como tienen alrededores distintos no son equivalentes los de las distintas posiciones y se acoplan entre sí mostrando la correspondiente multiplicidad. Estúdiese el espectro del isopropoxibenceno que se da a continuación : Los aromáticos aparecen bajo dos grupos de señales, los orto y para en un multiplete entre 6,80 y 6,97 δ y los meta en otro entre 7,15 y 7,7 δ. La multiplicidad es muy compleja. 3. Con sustituyente electroatrayente fuerte, benzoato de etilo : 31

32 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón todos sus hidrógenos aromáticos son desplazados a menor campo, mayor δ, pero la influencia es mayor en orto (8,10 δ), y menor en para (7,50 δ) y meta (7,40 δ), mostrándose todos acoplados. En general y salvo excepciones, los espectros de anillos monosustituidos presentan el siguiente aspecto según sus sustituyentes sean electrodonantes o electroatrayentes respectivamente : para electrodonante orto electroatrayente meta para meta orto

33 1 -RMN Juan A. Palop que registrándolos a mayor frecuencia (400 Mz), con lo cual se estrecharían las señales, podrían verse así respectivamente : para para orto orto meta meta En algunos casos pueden encontrarse monosustituciones menos claras con grupos electroatrayentes o electrodonantes como apreciamos en las siguientes estructuras que podemos calificar de excepciones por ambos extremos : N B. CMPUESTS DISUSTITUIDS 1. RT. Cuando los dos sustituyentes son de distinta naturaleza electrónica, los cuatro hidrógenos restantes sustituidos son todos ellos no equivalentes y se acoplan entre sí produciendo un conjunto de multipletes de difícil asignación como por ejemplo en : 33

34 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón N + - [5] [4] [4] [4] [4] Solamente cuando se estudian estructuras muy simétricas, con los dos sustituyentes iguales, resultan espectros más simples, por lo general con dos grupos de señales que integran cada uno, como se puede apreciar en los casos siguientes de grupos electroatrayentes : para-meta C orto-meta C N orto-meta orto-meta N para-meta para-meta los dos grupos de señales son bastante simétricos, acoplados entre sí y corresponden una a los hidrógenos más próximos a los sustituyentes (orto respecto a uno y meta respecto al otro sustituyente) y la otra a los hidrógenos más alejados (para respecto a uno y meta respecto al otro sustituyente). El desplazamiento químico de estos grupos se corresponde con el mayor efecto que ejercen los grupos electroatrayentes sobre los hidrógenos orto-meta (a mayor δ) que sobre los para-meta. Los sustituyentes electrodonantes desplazan a todos los hidrógenos hacia menor δ pero el efecto es más marcado en los orto-meta que en los para-meta : 34

35 1 -RMN Juan A. Palop N N N N Sin embargo, es muy frecuente que dos sustituyentes electrodonantes en orto provoquen entornos muy similares o casi iguales en las demás posiciones del anillo, por lo que no es difícil ver espectros de este tipo de compuestos donde todos los hidrógenos aromáticos aparecen sin acoplamiento y bajo un único singlete : META. Las estructuras meta producen también, si los sustituyentes son de efectos muy distintos, espectros muy complejos difíciles de interpretar : N N

36 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón pues realmente los cuatro hidrógenos resultan muy distintos y están acoplados. Sólo en algunos casos, cuando puede hablarse de cierta concordancia en los efectos electrónicos, se simplifica la interpretación de los espectros al ajustarse más a patrones 5 1 N + - [5] N N 3 4 meta-meta orto-para orto-orto [4] teóricos : apréciese en estos ejemplos anteriores, por una parte, el sentido de los desplazamientos que ejercen electrodonantes y electroatrayentes y, por otra, la norma general de mayor efecto en el orden orto > para > meta, aunque existen excepciones a estos comportamientos en la variedad de sustituyentes y posiciones relativas posibles para los hidrógenos. 3. PARA. Cuando se aplican a la sustitución para los mismos razonamientos manejados en las sustituciones orto y meta antes estudiadas: carácter electrónico, intensidad del efecto, posición relativa respecto a cada sustituyente y simetría del compuesto, se pueden interpretar estos espectros : N ortoelectroatrayente ortoelectrodonante

37 1 -RMN Juan A. Palop en los que es muy frecuente encontrar dos dobletes acoplados, más o menos separados entre sí según la semejanza de los efectos de los sustituyentes, como se detalla en el espectro siguientes de un compuesto con dos sustituyentes de efectos muy similares : c b Br c b c b los hidrógenos en orto con respecto a ( c ) son equivalentes, salen a mayor δ porque el cloro es más electronegativo y aparecen como doblete ya que tienen un sólo vecino con quien acoplarse, el b. De éstos últimos se puede decir lo complementario: son equivalentes entre sí, salen a menor δ por ser el Br menos electronegativo y también aparecen como doblete al acoplarse con su vecino c. Cuanto más parecidos sean los efectos electrónicos de los dos sustituyentes, más próximos estarán los dos dobletes, de modo que los muy semejantes o los iguales aparecen como un singlete al ser los ambientes equivalentes : N S S

38 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón C. CMPUESTS PLISUSTITUIDS. En los casos de polisustitución las señales son muchas veces complejas y la multiplicidad y acoplamientos difíciles de apreciar pues los alrededores químicos pueden ser muy diferentes y, además, en el anillo se suelen dar acoplamientos a larga distancia (espectro de la izquierda, sólo se presenta la zona aromática), aunque en otros casos se pueden interpretar los espectros con los criterios generales antes vistos (espectro de la derecha) : N N [4] [6] [5] [5] Más simples de interpretar resultan aquellas estructuras que presentan simetría en la sustitución o mayor semejanza de los grupos sustituidos, lo que disminuye las posibilidades de alrededores electrónicos diferentes y simplifica los espectros : la primera de las estructuras anteriores muestra un caso con dos tipos de hidrógenos que están acoplados entre sí por su vecindad en el anillo (a 6,85 δ sale el para respecto al etoxilo y los otros dos equivalentes, a 8,10 δ). La segunda estructura presenta también dos tipos de hidrógenos, singletes sin acoplar por su posición relativa en para. 38

39 1 -RMN Juan A. Palop En los anillos aromáticos pueden darse acoplamientos a larga distancia, situación que podríamos considerar intermedia entre las dos últimas que acabamos de considerar, y de la que es un ejemplo el siguiente compuesto : 3 3 N N en el espectro de la derecha se ha ampliado la zona aromática para apreciar el débil acoplamiento a larga distancia entre hidrógenos en meta. Finalmente se ofrecen algunos compuestos de gran simetría que presentan un único tipo de hidrógeno que se refleja en el espectro como un singlete : Br N N 1 1 Br los hidrógenos equivalentes están en posición orto en el primer compuesto, en meta en el segundo y en para en el primero que va a continuación : 4 4 [3,4] [1,] el último ejemplo recoge un compuesto con tres hidrógenos aromáticos equivalentes. 39

40 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : forma característica de las señales de y N. 09 Los átomos de hidrógeno unidos a oxígeno o a nitrógeno, a diferencia de los unidos a carbono, sufren un intercambio muy rápido intermolecular de manera que una determinada molécula en brevísimo espacio de tiempo está unida a diferentes átomos de hidrógeno con sus distintos espines que se van sustituyendo en esa posición. El resultado visible en el espectro es un ensanchamiento considerable de la señal correspondiente en la que en muchas ocasiones no se puede apreciar la multiplicidad pero precisamente por esa forma característica se pueden identificar estos hidrógenos unidos a heteroátomos. La presencia de impurezas de tipo ácido o básico puede potenciar este efecto a base de catalizar la reacción de intercambio y aumentar la velocidad del mismo. El desplazamiento químico es muy variable en alcoholes, normalmente dentro del intervalo de 0,5 a 6 δ : en este alcohol la señal de aparece a 3,95 δ, es ancha y como debe integrar sólo para 1, consecuentemente es de poca altura. La anchura de las señales es muy variable según pureza, contenido en agua de la muestra, disolvente, temperatura, etc. En el caso más acentuado puede convertirse la señal en un leve abultamiento de la línea de base. Apréciese la anchura en el siguiente espectro :

41 1 -RMN Juan A. Palop Las aminas también generan una señal ancha de desplazamiento químico variable (1 a 4 δ en alifáticas y 3,5 a 6 en aromáticas, aproximadamente) N N Los fenoles constituyen otro grupo funcional con grupos que dan señales anchas, si bien, es frecuente encontrarlas en este caso a valores más altos de δ que los alcoholes : El grupo N de amida (5,0 a 8,5 δ) suele aparecer a campo más bajo que en las aminas por el desapantallamiento del carbonilo y son señales más estrechas (similares a C-) por la menor capacidad de intercambio que muestra este tipo de hidrógeno : N

42 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón Esta diferencia indicada se aprecia bien en las hidrazidas que tienen ambos tipos de : N N N aparece a 5,65 δ y N unido a carbonilo a 7,40 δ. Las amidas sustituidas tienen parecido desplazamiento, en la siguiente puede apreciarse el acoplamiento (en el espectro se superponen dos señales, metino y metileno, a 3,15 δ) : N Cuando está presente el grupo amida acompañado de otros grupos que contienen hidrógenos unidos a heteroátomo, las señales se separan como en espectro siguiente : N

43 1 -RMN Juan A. Palop donde los hidrógenos de alcohol salen a 3,40 δ y el grupo N de amida a 8,40 δ. Lo mismo ocurre en el siguiente espectro de amida-amina : N N con N de amida a 5,05 δ y N de amina a 1,30 δ. Sin embargo, en la mayoría de los casos de estas moléculas que contienen varios hidrógenos no amídicos unidos a heteroátomo es frecuente que salgan todos reunidos bajo la misma señal aunque los grupos estén en posiciones muy distintas y aunque correspondan a uniones con heteroátomos distintos. Cuando las muestras contienen restos de humedad es habitual que la ancha señal de agua (por ejemplo, en dimetilsulfóxido en torno a 3,30 δ) englobe las señales de los hidrógenos unidos a heteroátomo que pueda contener la molécula, lo que a veces desorienta en la asignación. Así por ejemplo, el siguiente glicol-amina engloba todos los hidrógenos unidos a heteroátomo en la señal ancha a,10 δ : N incluso el caso alcohol-fenol-amina : 43

44 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón N El hidrógeno activo de los ácidos carboxílicos aparece a un desplazamiento químico tan peculiar que es difícil confundirlo con otros grupos funcionales, aproximadamente entre 9,5 y 13 δ, en el extremo superior de la escala delta y con la forma ancha característica : 10 5 Cuando el grupo ácido carboxílico está presente con algún otro hidrógeno unido a heteroátomo, el conjunto aparece bajo una única señal y a campo mucho más alto : N

45 1 -RMN Juan A. Palop Igual efecto puede apreciarse en el siguiente hidroxiácido : Aunque en principio pudiera parecer que los grupos sulfhidrilo tuvieran el mismo comportamiento no es así pues el azufre no es lo suficientemente electronegativo para permitir el intercambio y se observan señales estrechas y acopladas como en el ejemplo : S S SULFIDRIL puede diferenciarse su carácter alifático (1 a δ) o aromático (hasta 4 δ) : S S aromático a 3,18 δ y alifático a 1,90 δ (doblete como corresponde en este ejemplo). 45

46 Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón TUTRIAL DE RESNANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR PRTÓN ( 1 -rmn) Ficha número bjetivo : distinción del solapamiento de señales múltiples. 10 Como es sabido, la posición de una señal en la escala δ depende de los alrededores electrónicos del tipo de hidrógeno en estudio y su multiplicidad depende de los hidrógenos contiguos que tenga, de manera que en el espectro siguiente de la molécula de 4-metoxi--butanona, se puede interpretar fácilmente : que consta de dos singletes y dos tripletes bien diferenciados y distanciados entre sí del orden de 0,50 δ, porque los alrededores electrónicos de los tipos de hidrógeno presentes son lo suficientemente diferentes para que las señales correspondientes no se mezclen pero en otros casos en que los alrededores químicos sean más parecidos puede producirse solapamiento de señales lo que puede inducir a error de interpretación. Por ejemplo en el espectro que se incluye a continuación las señales entre 7,00 y 7,60 δ no se pueden confundir con un cuadruplete porque no se respetan ni las constantes de acoplamiento entre picos consecutivos ni la proporción de los distintos picos que constituyen una señal:

47 1 -RMN Juan A. Palop La señal centrada en 4,50 δ no puede confundirse con un doblete ya que se deduce que son dos singletes próximos al no existir ninguna otra señal múltiple en el espectro con esa misma constante de acoplamiento lo que justificaría su multiplicidad. A continuación se estudiará un caso de solapamiento de dos señales múltiples correspondientes a hidrógenos que presentan alrededores electrónicos muy similares y, por tanto, desplazamientos químicos similares : Br De los dos bloques de señales que se aprecian en el espectro, en el centrado a,0 δ se distingue bien una señal múltiple, quintuplete, con los picos internos siempre mayores que los externos, forma de tejado, y respetándose las constantes de acoplamiento, es decir que todos los picos están a la misma distancia de sus contiguos, sin embargo, el bloque centrado hacia 3,50 δ no cabe pensar que sea un multiplete (sextuplete al contar con seis señales) pues no se cumplen ninguna de las dos condiciones señaladas. Se trata de dos tripletes solapados como se aprecia mejor en la siguiente representación con ampliación de escala : 1 3 Br

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