Resonancia Magnética Nuclear

Transcripción

1 RMN 01 MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS APLICADOS A DETERMINACIÓN DE ESTRUCTURAS MOLECULARES Resonancia Magnética Nuclear

2 Resonancia Magnética Nuclear Espectroscopía de RMN es una forma de espectroscopia de Absorción. 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.

3 Aparición de estados energéticos de núcleos en presencia de un campo magnético. Nucleo de espín½ = Barra Magnética

4 Aparición de estados energeticos de núcleos en presencia de un campo magnético. Nucleo de espín½ = Barra Magnética

5 Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1 (espín ½) en un campo magnético Campo magnético aplicado B o E a E hv0 Sin la aplicación de un campo magnético, no existe división de energia

6 Estados energéticos de los núcleos en presencia de campos magnéticos Los núcleos como los electrones tienen la propiedad de espín, que está caracterizada por: p I momento angular cuantizado en unidades de h/(2π) número cuántico de espin toma valores enteros o semienteros p I I 1 h 2 El momento angular esta relacionado directamente con el momento dipolar magnético μ, a través de p I I 1 h 2 γ constante giromagnética, depende del tipo de núcleo

7 Estados energéticos de los núcleos en presencia de campos magnéticos Existen 2I+1 estados energéticos discretos: I I-1 I-2 -I Este es llamado el estado magnético cuántico, m I. La situación mas simple se da para un sistema con dos estados de energía, p.ej. I = ½. Este es el caso de 1, 13 C, 19 F y 31 P que tiene espín ½, por lo tanto tienen: ½ -½

8 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.

9 Descripción mecano-cuántica de la RMN Los núcleos con I = 0, L= 0, lo que implica que =0 y no son activos en RMN o no dan señal RMN.

10 Nucleos magnéticamente activos I A Z Z es par y A es par I = 0 C 12 6 O 16 8 S I A Z Z es par o impar y A es impar I = ½, 3/2, 5/2 1 1 C 13 6 P Todos 1/2 I A Z Z es impar y A es par I = entero 1,2, Li 6 3 N 14 7 Todos 1 I = 0 inactivo I > ½ Núcleo cuadrupolar (poseen momento eléctrico cuadrupolar, -carga nuclear no esferica-posee rápida relajación) I = ½ nucleo activo

11 Propiedades Magnéticas de los cuatro núcleos mas comúnmente usados en RMN. Núcleo Cte giromagnetica (radian T -1 s -1 ) Sensibilidad Relativa Frecuencia de absorción (Mz) x C x F x P x Todos estos nucleos tiene spin I = ½!

12 Nucleos magnéticamente activos

13 Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1 (espín ½) en un campo magnético Energía Potencial, E, y la diferencia de diferencia entre los dos estados : E 1 2 h 4 B 0 0 Campo magnético aplicado B o E h 2 B 0 E 1 2 h 4 B 0

14 Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1 (espín ½) en un campo magnético La población relativa depende de la ecuación de Boltmann

15 Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1 (espín ½) en un campo magnético En general, la energía potencial, E, de una energía estado/orientación esta relacionado al número cuántico: mh E m 2 B 0

16 Transiciones de energía en estados de los núcleos Ecuación de Planck relación entre ΔE y la frecuencia aplicada ν 0 E hv or 2 2 B E v B v B h B h v h E v 0 2 B mh E m

17 Relación entre frecuencia de resonancia y la fuerza del campo aplicado v E 0 B 0 400Mz 9.4Tesla v B 1 01 v2 11.7Tesla v B v 2 500Mz v v 400Mz 500Mz 13 v Mz v C C 13 v v C 13 C125Mz

18 Poblaciones de niveles energéticos para núcleos de 1 (espín ½) en un campo magnético

19 El experimento de onda continua

20 El experimento de onda continua B 0 B 0 ω 0 ω μ θ μ Z Absorción* Emisión ω ω 0 μ θ μ Z m=+1/2 *radiación circularmente polarizada m=-1/2 μ Z μ θ Vector de campo magnetico marco de referencia rotante espin axial del núcleo ángulo entre vector magnetico y el eje de espian de la particual

21 Primer espectro de un compuesto sólido Purcell

22 Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

23 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 arvard University, Cambridge, MA, USA

24 Primer espectro de RMN observado por Bloch

25 Instrumentación Primero equipos

26 Primer espectro de un compuesto líquido - Bloch

27 El experimento de onda continua

28 El experimento de onda continua

29 Cuando la explicación cuántica termina, comienza la clásica

30 El experimento de transformada de Fourier z z y M 0 y x x Sistema de referencia del Laboratorio (estático) B 0 B 0 Sistema de referencia rotante

31 El experimento de transformada de Fourier

32 El experimento de transformada de Fourier

33 El experimento de transformada de Fourier Rotating Frame of Reference z M 0 y x B 0

34 Pulse Delay El experimento de transformada de Fourier time Delay Acquisition time

35 El experimento de transformada de Fourier time z z 90º M 0 RF y M 0 y B 1 x B 0 x B 0

36 El experimento de transformada de Fourier z z RF α M 0 M z y y M y B 1 B 1 x B 0 x B 0 1 B α angle of rotation in radians γ magnetogyric ratio (radians T -1 s -1 ) B 1 induced magnetic field (T) τ pulse width (s) M y M 0 cos

37 El experimento de transformada de Fourier time z M 0 y x B 0

38 El experimento de transformada de Fourier 0 time z z z z M 0 y y y M 0 y x x M 0 x M 0 x

39 Relajación de M xy durante FT-RMN Respuesta debido a T 1 y T 2

40 Las bases de la RMN con transformada de Fourier: El decaimiento inducido libre Free induction decay

41 Mejora de la relación señal-ruido Con la acumulación digital de FIDs, S n N n S N n n n n n n S N n Donde n es el número total de scans adquiridos

42 El experimento de transformada de Fourier

43 El experimento de transformada de Fourier

44 El experimento de transformada de Fourier

45 El experimento de transformada de Fourier

46 El experimento de transformada de Fourier

47 El experimento de transformada de Fourier

48 El experimento de transformada de Fourier

49 Instrumentación RMN: Imán superconductor Diseño standard magneto de equipos de Mz

50 S N Directional Coupler Instrumentación: Componentes principales del equipo Preamp RF Amplifier RF Transmitter Phase Sensitive Detector IG SPEED Data Recorder Pulse Switch Computer to Perform FT Frequency Synthesizer Output (Video/ard Copy)

51 Instrumentación: Equipos de alto campo Mz

52 Desplazamiento químico () - Terminología Etapa 1: Definición de un Punto de refencia En RMN de 1 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) vs v v r r ν r frecuencia de resonancia de referencia (TMS para RMN de 1 ) ν s frecuencia de resonancia del nucleo

53 r s r r s r r r s s r r s r s s s r r r r s k k v v v k k k v v k v k v v v v Debido a lo que sabemos (para RMN de 1 NMR para espectro de TMS como estandar interno) σ r << 1, entonces s r r r s v v v Desplazamiento químico () - Terminología

54 Desplazamiento químico () - Terminología Etapa 2: Definición de una escala (cont.) Para que los valores de desplazamiento tengas magnitudes manejables,se aplica la sieguiente definición. v s v v r r r s Skoog, et al., definieron el Desplazamiento químico con la letra δ según 6 r 10 s Y se expresa en unidades de ppm (partes por millón)

55 Desplazamiento químico () v s v v r r 1.00 ppm z

56 Desplazamiento químico () ppm Frecuencia de resonancia 6 10

57 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. Electrones circulantes B 0 Campo magnético opuesto σb 0 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.

58 Diferencias en el desplazamiento químico Compuesto C 3 X C 3 C 3 I C 3 Br C 3 Cl C 3 F Elemento X I Br Cl F Electronegatividad X Desplazamiento qco (δ)

59 Diferencias en el desplazamiento químico Verde Azul

60 Diferencias en el desplazamiento químico

61 Increasing Electronegativity Diferencias en el desplazamiento químico δ C C C C C C 3 0.9

62 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 B eff for the nucleus of interest. A smaller value for B means a slightly lower energy of transition.

63 Diferencias en el desplazamiento químico Corriende de anillo B 0 σb 0 σb 0 Campo magnético

64 Increasing Electronegativity Diferencias en el desplazamiento químico δ C C C C C C 3 0.9

65 Diferencias en el desplazamiento químico B 0 C C C B 0 C

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69 Corriente de anillo en alquinos 69

70 Corrientes de anillo en compuestos carbonílicos 70

71 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. Corriente de anillo B 0 σb 0 σb 0 Campo magnético 71

72 Anisotropia de compuestos aromáticos C 3 ring ppm Me ppm C 3 ring ppm Me ppm OUTSIDE 9.28 ppm INSIDE ppm 72

73 Anisotropia de compuestos aromáticos 73

74 Anisotropia de compuestos aromáticos 74

75 Anisotropia de compuestos aromáticos 75

76 Efectos electrónicos 2 C O + 2 C Desprotección O - O 3 C 3 C COOEt COOEt 7.10 ppm O 6.28 ppm 6.83 ppm O COOEt EtOOC O 6.10 ppm O 5.93 ppm 7.07 ppm 6.38 ppm 7.71 ppm 6.28 ppm 76

77 Efectos electrónicos conjugación con carbonilo. O O

78 Efectos electrónicos conjugación con carbonilo. O 1 desprotección

79 Efectos electrónicos enoles O O + C - protegido S 6.06 ppm S 5.81 ppm 5.48 ppm O 6.22 ppm O 5.78 ppm 4.82 ppm 79

80 Efectos electrónicos enoles 4 O

81 Efectos electrónicos enoles 4 O protegido

82 Efectos electronicos: conjugación con carbonilo o m O C 3 p desprotegido desprotegido

83 Efectos electrónicos: conjugación con heteroátomo 3 C O protegido protegido m p o

84 Efectos electrónicos: conjugación con heteroátomo 3 C N m p o Protegido Protegido

85 Enlace hidrógeno 85

86 Efectos electrónicos: grupo carbonilo 86

87 Efectos electrónicos: grupo carbonilo 87

88 Efectos electrónicos: grupo alquino 88

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90 Origen del desdoblamiento espin-espin El desdoblamiento espin-espin occurre cuando el momento magnético de un núcleo (µ A ) interacciona con el momento magnético del núcleo adyancente (µ B, µ C, 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.

91 Origen del desdoblamiento espin-espin

92 Origen del desdoblamiento espin-espin

93 Origen del desdoblamiento espin-espin C 3 -C 2 -O

94 Energy Origen del desdoblamiento espin-espin C 3 -C 2 -O B 0

95 Origen del desdoblamiento espin-espin Energy C 3 -C 2 -O Because the neighboring nuclei oppose B 0, the magnetic field felt by the methyl protons is lessened. B 0

96 Origen del desdoblamiento espin-espin Energy II C 3 -C 2 -O III I I II B 0 III

97 Energy Origen del desdoblamiento espin-espin Ejemplo: etanol C 3 -C 2 -O B 0

98 Origen del desdoblamiento espin-espin Energy C 3 -C 2 -O I II III B 0 IV

99 Constantes de acoplamiento en diferentes campos ν 0 = Mz A B C D

100 Constantes de acoplamiento en diferentes campos ν 0 = Mz A B J AB J BA

101 Constantes de acoplamiento en diferentes campos ν 0 = Mz A J AB J AC J AC

102 Constantes de acoplamiento en diferentes campos ν 0 = Mz 10 z 4 z 4 z 10 z ν 0 = Mz 4 z 4 z

103 Constantes de acoplamiento en diferentes campos ν 0 = Mz 10 z 4 z 4 z 12.5 z ν 0 = Mz 4 z 4 z

104 Constantes de acoplamiento en diferentes campos pico n

105 Reglas para la interpretación de espectros de primer orden 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

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107 Patrones de acoplamiento: Triangulo de Pascal Contante de acoplamiento iguales Singlete Doblete Triplete Cuarteto Multipletes n=2 n=3 n=4 n=5 n=6

108 Acoplamiento escalar: ejemplos a b a b C C C C b b a b b a b C C b b C C C b b a b b b C C C

109 Acoplamiento escalar n = b 2n + 1 lineas C 3 b C 3 a a doublete septeto

110 Acoplamiento escalar n = m 2n + 1 lineas o p m o b a Br p a 2 x triplete b

111 Acoplamiento escalar n = n + 1 lineas c b a 2 x triplete 1 quinteto a c Br b

112 Acoplamiento escalar n = Triplete: 2 C3 Roof effect 0.9 ppm C (ppm) Int mult J (z) COMMENT triplete 7 C3->(C2) triplete 7 C3->(C2) sextuplete 7 C2 (C3, C2) quintuplete 7 C2 (C2, C2) cuatriplete7 =C- C2 (C3) triplete 7 C2 -O (C2) C2 C2 O O cuatriplete C2 2.3 C x triplete 3 3 C7 14 O2 I = 7-14/2 + 1 = 1 2n + 1 lines 2 Quintuplete 2 Multiplete:

113 Acoplamiento escalar n = Triplete: C nI + 1 lines 4 O 5 O Cuartriplete: 5 C 3 6 Quintuplete: 3 Multiplete: 2 2 x triplete

114 Acoplamiento geminal 2J-

115 Acoplamiento geminal 2 J - Orientación del enlace Efecto de electronegatividad del sustituyente

116 3 J Acoplamiento vecinal 3 J -

117 Acoplamiento escalar: ejemplos J ab = J ab c a b a b C C b J ab J ab C qd C C b b b a b C C C J ab td c a b b a b C C C C C C b b

118 Acoplamiento vecinal 3J-

119 Acoplamiento vecinal 3 J - Curva acoplamiento vecinal en cicloalcanos. Ecuación de Bothner-By

120 Acoplamiento vecinal 3 J - a Las constantes de acoplamiento vecinal de pueden usar para estrablecer la esteriquímica de compuestos cíclicos J ad J ab J ac

121 Acoplamiento a larga distancia 4J- y 4J-

122 Acoplamiento a larga distancia 4 J - y 4 J - 4 N 5 4 J 1-3 = 1.07 z 5 J 1-4 = 1.21 z 5 J 1-5 = 0.95 z 5 J 4-7 = 0.67 z C C C 4 J - = 9 z 1 7 C C C C 5 J - = 3 z 4 J - = 1-2 z C C C 4 J - = 3 z 4 J - = 1.1 z C C C C 5 J - = 3 z

123 300 Mz ¹ NMR In C D C l Sigma -A ldric h C o. A LL R IG TS R ESER V ED

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125 300 Mz ¹ NMR In C D C l3 300 Mz ¹ NMR In C D C l3 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 Sigma -Aldrich C o. A LL R IG TS R ESER V ED Sigma -A ldric h C o. A LL R IG TS R ESER V ED

126 300 Mz ¹ NMR In C D C l Sigma -A ldric h C o. A LL R IG TS R ESER V ED

127 300 Mz ¹ NMR In C D C l Sigma -A ldric h C o. A LL R IG TS R ESER V ED

128 300 Mz ¹ NMR In C D C l Sigma -A ldric h C o. A LL R IG TS R ESER V ED