Elucidación de estructuras mediante RMN-H

Fundamentos teóricos y metodológicos

Resonancia magnética nuclear (RMN)

Los núcleos atómicos poseen dos tipos de propiedades:

Propiedades mecánicas: Si imaginamos el núcleo como un planeta girando sobre su eje, se produce un espín nuclear que depende de la relación carga/masa del mismo. En este sentido se los puede imaginar como si fueran pequeños imanes.

Propiedades eléctricas: Poseen una carga eléctrica; un Momento magnético (μ) ocasionado por el movimiento rotacional de cualquier cuerpo cargado eléctricamente y un Momento cuadrupolar debido a la distribución no uniforme de una carga sobre una superficie y que aparece cuando el núcleo no es absolutamente esférico.

Cuando consideramos una muestra formada por muchos núcleos, los momentos de dichos núcleos tendrán una distribución aleatoria o al azar. Sin embargo, si sometemos dichos núcleos a un campo magnético, estos tenderán a orientarse en él y tendrán dos posibles estados: o bien alineados con él (estado espín α, más estable o de menor energía), o bien opuestos a él (estado espín β, menos estable o de mayor energía).

Cuando el núcleo sometido a la acción de un campo magnético H0 se estimula con radiación electromagnética de la región de radiofrecuencias, absorbe energía para pasar del estado espín α al espín β si la frecuencia de la radiación es igual a la diferencia de energía entre ambos estados (ν0), frecuencia que se dice "está en resonancia" y aparece como un pico en el espectro de resonancia magnética nuclear (RMN o NMR en inglés).

La diferencia de energía entre los dos estados de spín aumenta con la intensidad de campo magnético aplicado.

Interacción de la radiación de la zona de frecuencia de radio con los núcleos de H

Los picos de absorción RMN dependen del desplazamiento químico, de la concentración de núcleos en la muestra y del desdoblamiento o acoplamiento espín-espín.

1- Desplazamiento químico

Los núcleos de los átomos no están solos sino que alrededor a ellos están los electrones, los cuales también sentirán el campo magnético, H0, y como consecuencia de ello girarán y producirán un pequeño campo magnético que se opone al externo y como consecuencia de ello, el núcleo se expone a un campo efectivo inferior al aplicado. El efecto de la presencia de electrones en el núcleo sobre la intensidad del campo magnético externo efectivo se denomina apantallamiento.

Como consecuencia de dicho apantallamiento se produce una disminución de la energía, o lo que es equivalente, una disminución en la diferencia energética entre los estados espín α y β. También podría decirse que, para que se alcance la resonancia del núcleo, se deberá aumentar la intensidad del campo magnético externo (H0). A dicho fenómeno, es decir, la variación de la frecuencia de resonancia de un determinado núcleo respecto a la frecuencia teórica, se le denomina desplazamiento químico, y se representa por la letra griega δ.

Esta variación del campo es más pequeña para el protón que para núcleos en los que estén implicados más electrones, de hecho la variación es del orden de ppm (partes por millón, un millón de veces más pequeña que H0). Además, cuanto más fuerte sea el campo aplicado, también será mayor el campo inducido creado por los electrones y por tanto no hay una escala absoluta de variación, sólo una escala relativa como variación respecto al valor de H0. En cuanto al origen de la variación para el protón, por convenio se ha establecido el TMS (δ = 0, tetrametilsilano), en el cual la densidad electrónica teórica en torno al protón es 1. Es importante destacar que se trata de una escala relativa, quiere esto decir que un determinado núcleo en una determinada molécula dará una señal respecto al TMS a un determinado desplazamiento químico, δ, independiente del campo aplicado H0. Sin embargo, si medimos frecuencias, la diferencia de frecuencias es mayor cuanto mayor sea el campo aplicado.

El grado de apantallamiento de un núcleo de hidrógeno depende de la densidad de electrones y de su distribución alrededor del núcleo. Además, la densidad de electrones depende de la estructura química que contiene al núcleo en cuestión. Existe una relación, que es prácticamente lineal, entre la electronegatividad de los sustituyentes y el desplazamiento químico del protón. Cuando hay sustituyentes electronegativos producen un efecto inductivo, esto es, atraen electrones dejando a los núcleos de H desapantallados.

Para grupos metilo (CH3), metileno (CH2) y metino (CH), los desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitución, es decir, el desplazamiento de los metinos suele ser mayor que el de los metilenos, y estos a su vez de los metilos.

A partir de un análisis de los espectros RMN de los enlaces dobles o triples, y de los compuestos aromáticos, los efectos inductivos no alcanzan para explicar la posición de algunos protones. Es ejemplo de ello el cambio irregular de los valores d para los protones en los siguientes hidrocarburos, dispuestos en orden creciente de electronegatividad de los grupos a los que están unidos: CH3-CH3 (δ=0,9); CH2=CH2 (δ =5,8); HCºHC (δ =2,9). Además, el protón aldehídico RCHO (δ =10) y los protones del benceno (δ =7,3), aparecen a campos mucho más bajos que lo que cabría esperar en relación con la electronegatividad de los grupos a los que están unidos.

Los efectos de los enlaces múltiples sobre el desplazamiento químico pueden explicarse tomando en consideración las propiedades magnéticas anisotrópicas de estos compuestos. En los casos de anillos aromáticos, el plano del anillo es perpendicular al campo magnético aplicado, y en esta posición induce un flujo de electrones p alrededor del anillo (corriente anular). Como consecuencia se produce un campo secundario que actúa oponiéndose al campo aplicado, sin embargo, este campo secundario ejerce un efecto magnético sobre los protones unidos al anillo que actúa en dirección al campo.

El desplazamiento químico se utiliza para la identificación de grupos funcionales y como una ayuda para determinar la posición de los grupos. Estas aplicaciones se basan en las correlaciones empíricas entre la estructura y el desplazamiento.

2- Concentración de núcleos

En RMN la intensidad de los picos es proporcional al número de protones equivalentes, aunque más que intensidad deberíamos indicar el área de los mismos, lo que se determina mediante la integral, que será el segundo parámetro a tener en cuenta en un espectro de RMN, junto al desplazamiento químico.

Se denominan protones químicamente equivalentes a aquellos que poseen el mismo desplazamiento químico. Como se puede observar en la figura, los núcleos Ha son equivalentes y diferentes al núcleo Hb.

Si suponemos un ambiente aquiral, los protones son químicamente equivalentes si son intercambiables por alguna operación de simetría o por un rápido proceso químico.

3- Acoplamiento espín-espín

Los núcleos de los átomos no están solos sino que alrededor y próximos a ellos se encuentran otros núcleos, los cuales también se comportarán como pequeños imanes que poseen momentos magnéticos. Dichos momentos magnéticos se transmiten a lo largo de los enlaces por medio de los electrones de los mismos, haciendo que se afecte el campo magnético sobre un átomo determinado en función de la orientación de dichos momentos respecto el de él.

Si se aumenta la sensibilidad del detector se observa que cada pico se “desdobla” en varios. El fenómeno se conoce como desdoblamiento o acoplamiento espín-espín y se debe a que el giro nuclear de un átomo interactúa o se acopla con el giro nuclear de un átomo de H ubicado en un átomo de C vecino.

El desdoblamiento de los picos de desplazamiento químico se explica asumiendo que el momento magnético de un núcleo interacciona con los momentos magnéticos de los núcleos adyacentes, provocando el desdoblamiento de los niveles de energía y, por lo tanto, múltiples transiciones.

El número de picos que aparecen al acoplarse dos núcleos viene dado por la expresión: n + 1, siendo n el número de núcleos que se acoplan al núcleo considerado.

Instrumentación

Para obtener un espectro RMN es necesario tener la muestra contenida en un recipiente, generalmente un tubo de vidrio y un campo magnético en el que introducir dicha muestra, es decir un imán. Los primeros fueron imanes convencionales (un núcleo de hierro dulce y una bobina enrollada en torno a él), pero desde mediados de los años ´60, se suelen utilizar superconductores que son más fáciles de fabricar y alcanzan campos mucho más intensos. A continuación, y puesto que la absorción de energía en la RMN corresponde a la longitud de onda de las radiofrecuencias, se necesita un emisor de radiofrecuencias con el que irradiar dicha muestra. Luego, con el fin de observar si se ha producido absorción, se necesita un receptor de las mismas y un detector para comparar dichas radiaciones. Finalmente se necesita un ordenador que convierta las ondas observadas en un espectro de RMN interpretable.

Tratamiento de la muestra para NMR-H

Normalmente se utilizan diluciones de la muestra del 2 al 15 %, aunque si las muestras son líquidos no viscosos se pueden examinar tal cual. Los mejores disolventes para H-RMN no contienen protones (no forman puente hidrógeno). Por ese motivo, los compuestos halogenados o deuterados son los que se utilizan comúnmente. También se usan el cloroformo deuterado y el benceno deuterado. Recientemente también se han podido obtener espectros RMN de alta resolución para muestras sólidas.

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