RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Transcripción

1 RESONANIA MAGNÉTIA NULEAR

2 SPIN DEL NULEO El nucleo de algunos átomos poseen SPIN. Estos núcleos se comportan como si estuvieran girando... no sabemos si realmente giran! Es como la propiedad de un electrón, que puede poser dos spins: +1/2 y -1/2. ada núcleo de spin-activo tiene un número de spins definido por su número cuántico de spin, I. los números cuánticos de spin de algunos núcleos comunes..

3 Números cuánticos de spin de algunos núcleos Los isótopos más abundantes de y O no tienen espín. Elemento N 16 O 17 O 19 F spin Nuclear No uántico 1/ / /2 1/2 ( I ) No. Estados de spin Elementos con masa impar y/o número atómico impar Tienen la propiedad de spin nuclear. El número de estados de spin es 2I + 1, donde I es el número cuántico de spin.

4 EL PROTÓN Aunque está aumentando el interés en otros núcleos, particularmente -13, el núcleo de hidrógeno (protones) se estudia con más frecuencia, y dedicaremos nuestra atención a ello.

5 ESTADOS DE SPIN NULEAR - IDRÓGENO El giro del núcleo cargado positivamente genera un vector momento magnético, /2-1/2 DOS ESTADOS DE SPIN Los dos estados son equivalentes en energía en ausencia de un campo magnético o uno eléctrico.

6 EL FENÓMENO DE RESONANIA absorción de energía por el núcleo en movimiento (spinning)

7 NIVELES DE ENERGÍA DE SPIN NULEAR N En un campo magnético fuerte (Bo) el spin de los dos estados difieren en energía. -1/2 sin alinear +1/2 B o S alineado

8 Absorción de Energía cuantizada opuesto -1/2-1/2 E = h Radiofrecuencia E +1/2 +1/2 ampo aplicado B o alineado

9 LA SEPARAIÓN DE E DEPENDE DE B o -1/2 degenerado a B o = 0 E = kb o = h + 1/2 B o fuerza del campo magnético

10 EL EFETO SEUNDARIO DE UN AMPO MAGNÉTIO FUERTE UANDO SE OLOA UN ÁTOMO DE IDRÓGENO ON UN SPIN-ATIVO EN UN AMPO MAGNÉTIO FUERTE.. OMIENZA A PREESAR

11 N RADIOFREQUENIA Mz h Si = entonces la energía será absorbida y el spin se invierte. S El nucleo precesa con una frecuencia al colocarlo en un campo magnético fuerte. RESONANIA MAGNETIA NULEAR RMN

12 La ecuación de Larmor E = kb o = h se transforma en frecuencia de la radiación entrante que provocara una transición B 0 B o propiedad giromagnética Fuerza del campo magnético es una constante que es diferente para cada nucleo (,, N, etc)

13 Frecuencias de Resonancia Isótopo Abundancia B o (Tesla) Frecuencia(Mz) (radians/tesla) % % : % F 100.0%

14 POBLAIÓN E INTENSIDAD DE SEÑAL La intensidad de la señal en RMN depende de la Diferencia de Poblaciones de los dos estados de spin La radiación induce transiciones hacia abajo o hacia arriba. resonancia Emisión decaemiento inducido Para una señal positiva neta debe haber un exceso de spins en el estado de baja energía. Saturación = poblaciones iguales = no hay señal población en exceso

15 INSTRUMENTAIÓN LÁSIA ANTES DE 1960 SE BARRÍA EL AMPO

16 Un espectrómetro simple de 60 Mz RF (60 Mz) Oscilador Transmisor h Señal de absorción RF Detector Receptor Registrador MAGNETO N MAGNETO S ~ 1.41 Tesla (+/-) unos pocos ppm Sonda

17 Afortunadamente, los diferentes tipos de protones precesionan a diferentes valores. N B o = 1.41 Tesla EJEMPLO: h 60 Mz Mz 2 S O Mz Mz Para provocar la absorción de la energía a 60 Mz la intensidad de campo magnético, Bo, debe aumentarse a un valor diferente para cada tipo de protones. Las diferencias son muy pequeñas, en el intervalo de partes por millón.

18 EN LA RMN LÁSIA EL INSTRUMENTO BARRE DE "AMPO BAJO" A "AMPO ALTO" AMPO BAJO ESALA DE RMN AMPO ALTO AMPO BAJO BARRIDO AMPO ALTO

19 Espectro de Fenilacetona O 2 3 NOTE QUE ADA TIPO DIFERENTE DE PROTON APAREE EN UN LUGAR DIFERENTE - PUEDE INDIAR UÁNTOS TIPOS DIFERENTES DE IDRÓGENO AY???

20 INSTRUMENTAIÓN MODERNA TENOLOGÍA DE TRANSFORMADA DE FOURIER PULSADA FT-RMN Requiere de una computadora

21

22 EXITAIÓN PULSADA N PULSO DE RF DE BANDA ANA ontiene varias radiofrecuencias 1... n 2 1 O Todos los tipos de hidrógeno son excitados simultáneamente con el pulso de RF. S

23 DEAIMIENTO INDUIDO LIBRE FID ( relajación ) 1 O , 2, 3 tienen diferentes vidas media

24 FID OMPUESTO espectro dominio tiempo tiempo

25 TRANSFORMADA DE FOURIER Una técnica matemática que resuelve una señal FID compleja en las frecuencias individuales que se sumaron para generarla. DOMINIO TIEMPO FID convertida a DOMINIO FREUENIA ESPETRO RMN DOMINIO TÉRMINO MATEMÁTIO SEÑAL FT-RMN computadora OMPLEJA Transformada fourier una mezcla de frecuencias decayendo (en tiempo) frecuenciasl individuales onvertidas en espectro

26 El FID compuesto se transforma en un espectro de RMN clásico: O PROTONES 2 PROTONES PROTONES Group n Shift Error ESPETRO EN DOMINIO DE FREUENIAS

27 El FID compuesto se transforma en un espectro de RMN clásico: 2 O 3 espectro dominio frecuencia

28 OMPARIÓN DE TENIAS O Y FT

29 MÉTODO ONDA ONTINUA (O) EL VIEJO MÉTODO LÁSIO El campo magnético se BARRE" de campo bajo a campo alto mientras que un haz constante de radiofrecuencia (onda continua) irradía con una frecuencia fija (decir 100 Mz). Este método requiere de varios minutos para graficar en espectro de RMN. LENTO, MUO RUIDO

30 METODO DE TRANSFORMADA DE FOURIER PULSADA (FT) EL NUEVO MÉTODO FT - OMPUTADORA Muchos protones se relajan (decaen) de sus estados excitados rápidamente (segundos). El pulso de excitación, la colección de datos (FID), y la operación de FT (computadora) toma unos cuantos segundos. El pulso y la colección de datos se puede ciclar y repetirse cada pocos segundos RÁPIDA BAJO RUIDO Se pueden hacer muchas repeticiones en muy poco tiempo, llevando a mejorar la señal..

31 MEJORA LA RELAIÓN SEÑAL-RUIDO Sumando las señales de muchos impulsos, se puede aumentar la intensidad de la señal por encima del nivel de ruido. ruido señal señal mejorada 1er pulso 2 pulso pulso n etc. sumando muchos pulsos el ruido es aleatorio y se cancela

32 INTEGRAIÓN

33 NMR Espectro de Fenilacetona O 2 3 ada tipo de proton ocurre en diferentes lugares. Se puede saber cuantos tipos distintos de protones contiene la molécula.

34 INTEGRAIÓN DE UN PIO No sólo cada tipo diferente de hidrógeno da un pico distinto en el espectro NMR, pero también podemos determinar la cantidad relativa de cada tipo de hidrógeno mediante un proceso llamado integración. Integración = determinación del área bajo un pico El área bajo un pico es proporcional al número de átomos de hidrógeno que generan el pico.

35 AETATO DE BENILO La línea integral sube una cantidad proporcional al número de en cada pico linea integración MÉTODO 1 Linea integración 55 : 22 : 33 = 5 : 2 : 3 Relación simple de las alturas

36 Acetato de Bencilo(FT-NMR) Real : / 11.3 = / 11.3 = / 11.3 = O O 3 MÉTODO 2 Integración digital asume que / 3 = 11.3 Integrales son buenas con una precisión de cerca 10%. Los instrumentos modernos informan integral como un número.

37 NMR Espectro de Fenilacetona O PROTONES PROTONES 2 PROTONES Group n Shift Error

38 ANISOTROPÍA DIAMAGNÉTIA EFETO DE SIELDING POR ELETRONES DE VALENIA

39 Anisotropía Diamagnética El campo aplicado induce la circulación de los electrones de valencia, esto genera un campo magnético que se opone al campo aplicado. Los electrones de valencia protegen el núcleo del efecto de campo aplicado Líneas del campo magnético B o aplicado B inducido (opone a B o ) Los campos se contrarrestan en el nucleo

40 PROTONES DIFIEREN EN SU SIELDING Todos los diferentes tipos de protones en una molécula tienen un diferentes efecto de shielding. Todos responden diferente al campo magnético aplicado y aparecen en lugares diferentes en el espectro. Esto es por lo qué un espectro NMR contiene información útil (diferentes tipos de protones aparecen en lugares predecibles). AMPO BAJO Protones menos protegidos. espectro AMPO ALTO Protones más protegidos.. un mayor campo para producir resonancia.

41 DESPLAZAMIENTO QUÍMIO

42 PIOS SE MIDEN EN RELAIÓN A TMS Más bien que medir la posición exacta de resonancia de un pico, medimos cuánto se desplaza de la señal de TMS. 3 3 Si 3 3 ompuesto de referencia tetrametilsilano TMS Protones muy protegidos aparecen a campo alto. TMS desplazamiento en z n campo bajo 0 originalmente se pensaba que no habría ningún otro compuesto en un mayor campo que TMS.

43 De la discusión teórica frecuencia Fuerza del campo ampos magnéticos fuertes (B o ) causan que el instrumento opere a mayores frecuencias ( ). h = B 2 o = ( K) B o constantes Fuerza del campo NMR 1.41 T 2.35 T 7.05 T 1 Frecuencia de operación 60 Mhz 100 Mz 300 Mz

44 FREUENIAS ALTAS DAN MÁS SIELDING El cambio observado para un determinado protón en z también depende de la frecuencia del instrumento utilizado. a frecuencias más altas = desplazamientos más grandes en z. desplazamiento en z campo bajo n 0 TMS

45 DESPLAZAMIENTO QUÍMIO Los desplazamientos de TMS en z son mayores en los instrumentos de campo altos (300 Mz, 500 Mz) que en los instrumentos de campo menores (100 Mz, 60 Mz). Podemos ajustar el desplazamiento a un valor independiente del campo, de la siguiente manera: partes por millón desplaza miento = = cambio en z frecuencia del equipo en Mz = ppm Esta división da un número independiente del instrumento utilizado. Un proton en una molécula determinada ocurrirá siempre al mismo desplazamiento químico (valor constante).

46 EQUIVALENIA en z de 1 PPM Qué representa una ppm? 1 frecuencia de operación z equivalente de 1 ppm 60 Mhz 60 z 100 Mz 100 z 300 Mz 300 z 1 parte por millón de n Mz es n z 1 n Mz ( ) = n z ppm ada unidad ppm representa ya sea un cambio de 1 ppm en Bo (intensidad de campo magnético, Tesla) o 1 ppm de cambio en la frecuencia precesional (Mz).

47 Tabla de correlación NMR AMPO BAJO DESPROTEGIDA l 3, -O -N AMPO ALTO PROTEGIDA TMS (ppm) ROO RO = 2 F 2 l 2 Br 2 I 2 O 2 NO 2 2 Ar 2 NR 2 2 S - = O Se pueden definir intervalos para diferentes tipos de protones. Esta tabla es general, la siguiente diapositiva es mas clara.

48 DESPLAZAMIENTOS QUÍMIOS APORX (ppm) PARA PROTONES ESPEÍFIOS R R-N R-=- R- -R R-S R I R-= Br O R l O O RO R--N RO O O O O R-- O R--O N O O 2 N R--O- R F R R-N Ar-N R-S- R-O Ar-O

49 NO NEESITA MEMORIZAR LA TABLA ANTERIOR NORMALMENTE ES SUFIIENTE ON SABER QUÉ TIPOS DE ÁTOMOS DE IDRÓGENO APAREEN EN LAS ÁREAS DE LA TABLA DE RMN ácido OO aldéhido O benceno alqueno =- - donde en unido a un átomo cercano a electronegativo enlaces pi X-- X=-- alifático LA MAYORÍA DE ESPETROS PUEDEN INTERPRETARSE ON LOS DATOS QUE SE MUESTRAN AQUÍ

50 DESPROTEIÓN Y ANISOTROPÍA Son tres factores los principales para fijar las posiciones de resonancia (en la escala de ppm) de la mayoría de los protones. 1. Desprotección por elementos electronegativos. 2. ampo anisotrópico usualmente debido a electrones en la molécula. 3. Desprotección debida a puentes de hidrógeno. Vamos a discutir estos factores en las secciones siguientes.

51 DESIELDING POR ELEMENTOS ELETRONEGATIVOS

52 DESIELDING POR UN ELEMENTO ELETRONEGATIVO - l Elemento electronegativo - El loro desprotege" al protón, es decir, quita densidad de electrones de valencia del carbono, el que a su vez gana más densidad del hidrógeno. ESALA NMR protones desprotegidos" aparecen en el campo bajo protones altamente protegidos aparecen en campo alto desprotección mueve la resonancia del protón a campo bajo

53 Relación Electronegatividad- Desplazamiento Químico Dependencia del Desplazamiento Químico de 3 X con el elemento X ompuesto 3 X 3 F 3 O 3 l 3 Br 3 I 4 ( 3 ) 4 Si Elemento X Electronegatividad de X Desplazamiento F O l Br I Si mas desprotegidos desprotección aumenta con la electronegatividad del átomo x TMS

54 Efecto de sustituyentes en el desplazamiento químico mas protegidos l 3 2 l 2 3 l ppm El efecto aumenta con un mayor número de átomos electronegativos. menos protegidos - 2 -Br Br Br ppm El efecto disminuye con la distancia.

55 AMPOS ANISOTROPIOS DEBIDO A LA PRESENIA DE ENLAES La presencia de enlaces o un sistema cercano afecta enormemente el desplazamiento químico. Anillos de benceno tienen el mayor efecto.

56 orriente del Anillo en Benceno electrones circulando Desprotegido los campos se suman B o ampo magnético secundario generado por electrones electrones desprotegen protones aromáticos

57 AMPO ANISOTROPIO EN UN ALQUENO desprotegido los campos se suman = protones desprotegidos Desplazado a campo bajo Líneas de campo magnético (anisotropicas) B o

58 AMPO ANISOTRÓPIO PARA UN ALQUINO B o protegidos los campos se restan protones protegidos Líneas de campo magnético (anisotropicas)

59 PUENTES DE IDRÓGENO

60 PUENTES DE IDRÓGENO DESPROTEGEN AL PROTÓN R O O R O R El desplazamiento químico depende de la cantidad de puentes de hidrógeno que se den. alcoholes varían en desplazamiento químico de 0,5 ppm (O libre) a unos 5.0 ppm (muchos puentes de ). Los puentes de hidrógeno alargan el enlace O- y reduce la densidad de electrones de valencia alrededor del protón - es desprotegido y desplazado a campo bajo en el espectro NMR.

61 EJEMPLOS EXTREMOS R O O O O R Los ácidos carboxílicos forman puentes de hidrógeno fuertes - forman dímeros. 3 O O O con los ácidos carboxílicos las absorciones del O- se encuentran entre 10 y 12 ppm muy lejos a campo bajo. en el salicilato de metilo, que tiene fuerte puentes de hidrógeno internos, la absorción de NMR del O- es aproximadamente 14 ppm, a muy, muy campo bajo. nótese que se forma un anillo de 6 miembros.

62 SPIN-SPIN SPLITTING

63 SPIN-SPIN SPLITTING A menudo, un grupo de átomos de hidrógeno aparecerá como un multiplete en lugar de un solo pico. Los multipletes se denominan como sigue: Singulete Doblete Triplete uarteto Quinteto Septeto Octeto etc. Esto ocurre debido a la interacción con hidrógenos vecinos y se llama SPIN-SPIN SPLITTING.

64 1,1,2-Tricloroetano Los dos tipos de átomos de hidrógeno no aparecen como picos únicos, más bien hay un "triplete" y un "doblete". integral = 2 l l integral = 1 l triplete doblete Los subpicos son debido a spinspin splitting y se predicen con la regla n + 1.

65 Regla n + 1

66 1,1,2-Tricloroetano integral = 2 l l integral = 1 l De dónde vienen estos multipletes?... interacción con los vecinos

67 la señal de este hidrógeno está dividida por sus dos vecinos dos vecinos n+1 = 3 triplete estos átomos de hidrógeno están divididos por su único vecino Un vecino n+1 = 2 doblete MULTIPLETES singulete doublete triplete cuarteto quinteto sexteto septeto

68 EXLUSIONES DE LA REGLA N+1 IMPORTANTE! 1) Protones que son equivalentes por simetría generalmente no se dividen entre sí X Y X 2 2 Y no hay splitting si x=y no hay splitting si x=y 2) Protones en el mismo grupo generalmente no se dividen entre sí or mas detalles después

69 EXLUSIONES DE LA REGLA N+1 3) la regla N + 1 regla se aplica principalmente a los protones en cadenas alifáticas (saturadas) o anillos saturados o SI SI pero no se aplica (en la forma simple que se muestra aquí) a protones en dobles enlaces o anillos de aromáticos. 3 3 NO NO

70 ALGUNOS PATRONES OMUNES

71 ALGUNOS PATRONES OMUNES DE SPLITTING X Y 3 ( x = y ) X 2 2 ( x = y ) Y 3 3

72 EJEMPLOS DE ESPETROS ON SPLITTING

73 Espectro de Bromoetano Br 2 3

74 Espectro de 2-Nitropropano 3 3 O N + O - 1:6:15:20:16:6:1 en multipletes mayores las señales exteriores se pierden en la línea de base

75 Espectro de Acetaldehido 3 O offset = 2.0 ppm

76 INTENSIDADES DE SEÑALES EN MULTIPLETES TRIÁNGULO DE PASAL

77 TRIÁNGULO DE PASAL Intensidades de multipletes 1 singulete Los valores al centro son las sumas de los dos números inmediatamente anteriores doblete triplete cuarteto quinteto sexteto septeto octeto

78 EL ORIGEN DEL SPIN-SPIN SPLITTING OMO OURRE

79 EL DESPLAZAMIENTO QUÍMIO DEL PROTÓN A ES AFETADO POR EL SPIN DE SUS VEINOS Alineado con B o Opuesto ab o 50 % de +1/2-1/2 las moléculas A A 50 % de las moléculas B o campo bajo vecino alineado campo alto vecino opuesto En un momento dado alrededor de la mitad de las moléculas en solución tendrá spin + 1/2 y la otra mitad tendrá spin -1/2.

80 ARREGLOS DE SPIN UN VEINO n+1 = 2 doblete UN VEINO n+1 = 2 doblete spins azules spins verdes Las posiciones de resonancia (splitting) de un determinado hidrógeno se ve afectada por el posible spin de su vecino.

81 ARREGLOS DE SPIN dos vecinos n+1 = 3 triplete un vecino n+1 = 2 doblete spin de metilenos spin de metinos

82 ARREGLOS DE SPIN tres vecinos n+1 = 4 cuarteto dos vecinos n+1 = 3 triplete spin de metilos spin de metilenos

83 LA ONSTANTE DE AOPLAMIENTO

84 LA ONSTANTE DE AOPLAMIENTO J J J J J J La constante de acoplamiento J es la distancia (medida en z) entre los picos de un multiplete. J es una medida de la cantidad de interacción entre los dos conjuntos de átomos de hidrógeno que generan el multiplete.

85 100 Mz OMPARAIÓN DE AMPO 200 z Las constantes de acoplamiento son constantes - no cambian a intensidades de campo diferentes J = 7.5 z 7.5 z 100 z Mz Mayor separación 400 z 200 z El valor de es dependiente del campo J = 7.5 z 7.5 z ppm

86 100 Mz 200 z J = 7.5 z J = 7.5 z 100 z Mz Vea la compresión del multiplete en espectro de 200 Mz cuando se traza en la misma escala que el espectro de 100 Mz en lugar de en un gráfico que sea dos veces más amplio. Mayor separación J = 7.5 z 400 z 200 z ppm

87 50 Mz Por qué comprar un instrumento de campo mayor? J = 7.5 z!se simplifican los espectros Mz J = 7.5 z 2 1 Se resuelven los multipletes Mz Los efectos de segundo orden se minimizan J = 7.5 z 3 2 1

88 NOMENLATURA DE J El tipo más común de acoplamiento es entre átomos de hidrógeno en átomos de carbono adyacentes. 3 J A veces esto se llama acoplamiento vicinal. Es designado 3 J ya que participan 3 enlaces entre los dos átomos de hidrógeno. Otro tipo de acoplamiento que también puede ocurrir en casos especiales 2 J o acoplamiento geminal ( a menudo 2 J = 0 ) El acoplamiento geminal no ocurre cuando los dos átomos de hidrógeno son equivalentes debido a las rotaciones alrededor de los otros dos enlaces. 2 J

89 AOPLAMIENTO A DISTANIA Acoplamientos más grandes que 2 J o 3 J también existen, pero funcionan sólo en situaciones especiales. 4 J, por ejemplo, se produce principalmente cuando los átomos de hidrógeno se ven obligados a adoptar esta conformación «W» (como en los compuestos bicíclicos). Acoplamientos más grandes que 3 J (p. ej., 4 J, 5 J, etc.) suelen llamarse "acoplamiento a larga distancia".

90 ONSTANTES DE AOPLAMIENTO OMUNES vicinal trans 6 a 8 z 11 a 18 z tres enlaces tres enlaces 3 J 3 J cis geminal 6 a 15 z 0 a 5 z tres enlaces dos enlaces 3 J 2 J ax ax,ax = 8 a 14 eq ax,eq = 0 a 7 tres enlaces 3 J eq ax eq,eq = 0 a 5

91 cis trans 6 a 12 z 4 a 8 z tres enlaces 3 J 4 a 10 z tres enlaces 3 J 0 a 3 z cuatro enlaces 4 J 0 a 3 z cuatro enlaces 4 J Acoplamientos que ocurren a distancias mayores a tres enlaces son acoplamientos a larga distancia y son generalmente pequeños (< 3 z) y frecuentemente inexistentes (0 z).

92 RESUMEN

93 INFORMAIÓN DE LOS ESPETROS DE NMR 1. ada tipo de hidrógeno da un pico o un grupo de picos (multiplete). 2. El desplazamiento químico ( en ppm) permite definir el tipo de hidrógeno que genera la señal (alcano, alqueno, benceno, aldehido, etc.) 3. La integración define el número de cada tipo de hidrógeno. 4. Spin-spin splitting informa sobre el número de hidrógenos en carbones adiacentes 5. La constante de acoplamiento J da información sobre el arreglo de los átomos involucrados

94 ESPETROSOPÍA ERRAMIENTA PODEROSA En general, con sólo cuatro tipos de datos 1) Fórmula mínima (o % composición) 2) Espectro de infrarojo 3) Espectro de NMR 4) Espectro de masas un químico a menudo puede asignar la estructura completa de una molécula desconocida.

95 EJERIIOS DE INTERPRETAIÓN PARTE 1

96 1 Metil Etil etona (MEK) NMR 07 O

97

98 2 Acetato de Etilo NMR 08 omparar el cambio de desplazamiento del metileno al de metil etil cetona (diapositiva anterior). O 3 O

99 3 Ácido a-loropropiónico NMR O O 3 l 1

100 4 t-butil Metil etona (3,3-dimetil-2-butanona) NMR 03 O

101 5 1-Nitropropano NMR 05 + O N O

102 6 1,3-Dicloropropano NMR 17 l l 2 4