Instrumentación en Resonancia Magnética Nuclear: el espectrómetro

Transcripción

1 Instrumentación en Resonancia Magnética Nuclear: el espectrómetro Un imán que genere un campo magnético fijo y estable. Generalmente se identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón, así en un imán de Tesla, los núcleos de 1 H resuenan a 300 MHz, y por tanto sería un espectrómetro de 300 MHz. Por el momento el imán de mayor campo magnético del mundo lo ha instalado Bruker en la Unviersidad de ciencia y tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita, de 950 MHz (22.3 Tesla). Una sonda, que se sitúa dentro del imán, en la que se introduce la muestra y que consta de las bobinas responsables de emitir y recibir las radiofrecuencias (RF). El número de bobinas y su disposición determinan el tipo y las aplicaciones de cada sonda. Una consola en la que se generan los pulsos de RF y controla el resto de la parte electrónica del espectrómetro Una computadora que sirve de interfase con el espectrómetro y con el que se analiza toda la información obtenida.

2 Ventajas del método de pulsos -Los pulsos son cortos, entonces se requieren tiempos cortos de uso de equipo -Es más sensible que el método de barrido y permite una mejor resolución -Se pueden sumar FIDS. Esto es particularmente útil para estudiar núcleos poco sensibles y de baja abundancia natural (como 13 C o 15 N) Abundancia natural 1 H: 99,98 % 19 F: 100 % 31 P 100% 13 C: 1,1% (I 0, magnéticamente activo) 12 C: 98,9% (I = 0) En general, se deben sumar muchas FIDS para obtener un buen espectro de RMN 13 C Al problema de la abundancia relativa, se suma el de la SENSIBILIDAD INHERENTE del núcleo, que es proporcional a la constante magnetogírica al cubo: g C ¼ g H Sensibilidad inherente g 3 Sens. 13 C / Sens. 1 H = (g 13C / g 1H ) 3 = (1/4 g 1H / g 1H ) 3 = 1,50 x 10-2 La respuesta de un núcleo de 13 C es 150 veces menor que al de 1 H.

3 El espectro de RMN 1 H Distintos H dan señales a distinta frecuencia d : desplazamiento químico El área de cada señal es proporcional al número de H de la muestra

4

5 La técnica de RMN con transformada de Fourier (FT-NMR) es la que se utiliza en los espectrómetros actuales. Uno de los pioneros en este campo es Richard R. Ernst, que la desarrolló a partir del año 1966 y por la que fue galardonado con el Premio Nobel de Química en FT-NMR permite disminuir drásticamente el tiempo que requiere adquirir una acumulación (scan) del espectro completo de RMN. En vez de realizar un barrido lento de la frecuencia, una en cada instante, esta técnica explora simultánea e instantáneamente todo un rango de frecuencias. Dos desarrollos técnicos fueron fundamentales para poder hacer realidad la técnica FT-NMR: ordenadores capaces de llevar a cabo las operaciones matemáticas necesarias para pasar desde el dominio de tiempo al de la frecuencia, es decir, para obtener el espectro; y el conocimiento sobre cómo poder excitar simultáneamente todo un rango de frecuencias. FT-NMR funciona con la muestra (espines nucleares) sometida a un campo magnético externo constante. Se irradia la muestra con un pulso electromagnético de muy corta duración en la región de las radiofrecuencias. La forma que suele usarse para este pulso es rectangular, es decir, la intensidad de la radiofrecuencia oscila entre un máximo y un mínimo que es constante mientras dura el pulso. Un pulso de corta duración tiene una cierta incertidumbre en la frecuencia (principio de indeterminación de Heisenberg). La descomposición de fourier de una onda rectangular contiene contribuciones de una de todas las frecuencias. El pulso que se genera es por tanto policromático y cuanto más corto sea, es capaz de excitar un mayor rango de frecuencias.

6 La aplicación de un pulso policromático en una región estrecha de la banda de radiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en esa región. Un pulso policromático con una anchura en frecuencia de unos pocos khz puede llegar a excitar simúltaneamente sólo a los espines nucleares de un mismo tipo de núcleo atómico dentro de una molécula, por ejemplo, todos los núcleos de hidrógeno (1H). Antes del pulso el vector Magnetización neta de cada uno de los espines nucleares se encuentra en situación de equilibrio alineado en la dirección del campo magnético. Durante el tiempo que se aplica el pulso, el pulso introduce un segundo campo magnético en una dirección perpendicular al campo principal del imán y el vector Magnetización realiza un determinado movimiento de precesión. Tras cesar el pulso, el vector Magnetización de todos los espines afectados puede formar un cierto ángulo con el eje del campo magnético principal. En este momento, los espines, comportándose como pequeños imanes polarizados, comienzan a precesionar con su frecuencia característica en torno al campo magnético externo, induciendo una pequeña corriente oscilante de RF en una bobina receptora situada en las inmediaciones de la muestra. A medida que los núcleos van regresando poco a poco a la situación inicial de equilibrio alineados con en el campo magnético principal, la señal detectada va disminuyendo de intensidad hasta hacerse cero. Esta caída de la señal se conoce como caída libre de la inducción (Free Induction Decay) (FID) y da lugar al espectro de RMN. La FID es una onda que contiene todas las señales del espectro en una forma que es dependiente del tiempo. Esta onda puede convertirse en un espectro de señales en función de su frecuencia. Para ello se utiliza una función matemática conocida como Transformada de Fourier. El resultado es lo que se conoce como un espectro de RMN (espectro de frecuencias).

7 DESPLAZAMIENTO QUÍMICO La frecuencia a la que ocurre la absorción de energía de un núcleo en RMN se llama frecuencia de resonancia o frecuencia de Larmor ν = γ Bo / 2π Por ejemplo 500,13 MHz para 1 H en un campo de 11,75 Tesla Ley de Lenz Pero en realidad un núcleo en un átomo o molécula no experimenta el campo magnético que aplicamos porque está rodeado de electrones que generan un campo inducido que cancela parte del campo Bo B local = B o σ σ constante de apantallamiento. Nº adimensional B ef = B o - B loc = B o (1 - σ) La frecuencia de resonancia del núcleo es en realidad: ν = γ Bo(1 - σ) / 2π La constante de apantallamiento σ depende de 3 factores principales la densidad electrónica alrededor del núcleo las corrientes (y en consecuencia los B locales) que esos electrones puedan generar los B locales generados por electrones de otros átomos Es decir influyen: electronegatividad de átomos/grupos cercanos, distribución de cargas, hibridización, efectos inductivos y de resonancia, cercanía y orientación relativa de grupos funcionales, formación de puentes de H, interacciones con el solvente, etc.

8 EL EFECTO INDUCTIVO Si la densidad electrónica entorno al núcleo disminuye por efecto inductivo, el campo inducido por la carga también disminuye y la resonancia se puede alcanzar a un campo inferior Así para el grupo metilo tendremos: CH 3 -C (δ 0.9 ppm) CH 3 -N (δ 2.3 ppm) CH 3 -O (δ 3.3 ppm) CH 3 -F (δ = 4.26 ppm) CH 3 -Cl (δ = 3.05 ppm) CH 3 -Br (δ = 2.68 ppm) CH 3 -I (δ = 2.16 ppm) Como puede observarse existe una relación, que es prácticamente lineal, entre la electronegatividad de los sustituyentes y el desplazamiento químico protónico (δ). De igual forma se podría indicar para grupos metileno (CH 2 ) y metino (CH), con la única salvedad de que los desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitución, es decir el desplazamiento de los metinos suele ser mayor que el de los metilenos y el de estos que el de los metilos. δ = 2.05 ppm H 3 C O δ = 3.60 ppm H 3 CO O Mayor efecto inductivo

9 ν A = γ Bo(1 - σ A) / 2π δ A = v A - ν ref. X 10 6 ν ref. δ A = γ Bo(1 - σ A) - γ Bo(1 - σ ref) / 2π X 10 6 = (σ ref - σ A ) X 10 6 γ Bo / 2π Como en general σ ref σ A, los valores de son d 0, y la referencia aparece a la derecha del espectro

10

11

12 Efectos de anisotropía magnética Se debe a los campos magnéticos generados en átomos o grupos cercanos al 1 H. Los más importantes son los debidos a e - p. Estos campos son anisotrópicos, es decir que no son equivalentes en todas las direcciones del espacio. En el benceno la circulación de las nubes de e - por arriba y por debajo del plano del anillo inducen líneas de campo que tienen igual sentido que Bo en la región de los H aromáticos. Mediante cálculos se puede saber en que región el campo inducido se opone al Bo y en que región se suma.

13 El anillo de la molécula de benceno, se orienta respecto al campo magnético principal H 0, colocando su plano perpendicular a él. Esto hace que los electrones p generen una corriente diamagnética (que se resta a Bo) asociada en el centro del anillo, y que es paramagnética (se suma al Bo) en los espacios ocupados por los protones del anillo. Esa es la razón del porqué, protones, libre de elementos electronegativos vecinos aparezcan a campos tan bajos ( 7.0 ppm ).También puede observarse (aunque en menor escala) este mismo efecto en los grupos metilos, metilenos y metinos, unidos directamente al anillo aromático, aquí también las corrientes electrónicas en el anillo bencénico se hacen sentir sobre esos protones desplazándolos desde su posición normal hasta campos más bajos.

14 Multiplicidad de las señales. Acoplamiento spin-spin, escalar o indirecto 1,2-dichloroethane 1,1-dichloroethane El número de líneas que presenta la señal se llama multiplicidad y la causa es la interacción con los núcleos vecinos que poseen momento magnético. La estructura fina se debe al ACOPLAMIENTO INDIRECTO, debido a la interacción transmitida a través de los electrones de enlace (y no a través del espacio). 13 C- 1 H Si estudiamos la resonancia del 13 C, el spin del núcleo vecino puede oponerse o sumarse al campo externo Bo, haciendo que sienta dos situaciones diferentes: un estado apantallado y otro desapantallado. La información se transmite a través de los e- del enlace entre los núcleos.

15 Si los núcleos A y X tienen I = ½ existirán 4 posibles disposiciones de los spines (2I+1), y en consecuencia, 4 niveles de energía. A 1 -X 2 En ausencia de la interacción spin-spin (J=0) cada señal será un singulete, pues las 2 transiciones posibles para cada núcleo son isoenergéticas. Cada señal es un singulete. Si hay interacción ( J 0), J puede ser mayor o menor que 0. Tomemos el ej. J 0 (J 0): el acoplamiento se traduce en una disminución (aumento) de la E de los estados con spines paralelos y en un aumento (disminución), de la misma magnitud, de la energía de los estados con spines antiparalelos (deducido por cálculos mecanocuánticos). En consecuencia, las 2 transiciones posibles para cada núcleo son de distinta energía, y por lo tanto, de distinta frecuencia. Cada señal es un doblete, cuya frecuencia central coincide con la frecuencia en ausencia de acoplamiento.

16 sigue la regla del n+1 J es independiente del campo magnético aplicado (Bo), y es dependiente de la electronegatividad de los sutituyentes, de la distancia (J a 2, 3 enlaces), del tipo de enlace (simple, doble, triple) y del ángulo comprendido entre los núcleos acoplados. J A + B cos θ + C cos 2 θ Acoplamientos homonucleares H-C-C-H, acoplamientos heteronucleares H-C, C-F, etc. J brinda información estructural!!

17 Cuando en el acoplamiento intervienen dobles enlaces la situación no sigue la regla del n+1