Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

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1 Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

2 Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto:

3 Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto: Analisis Elemental o Espectroscopía de masa: C3H7Cl

4 Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto: C3H7Cl = bp: 36, 47 °C Cual es cual?

5 Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto: Podemos saber el bp consultando la bibliografia (por ej. Handbook)

6 Introducción a la Espectroscopía

7 Introducción a la Espectroscopía
B12

8 Introducción a la Espectroscopía

9 Introducción a la Espectroscopía

10 Introducción a la Espectroscopía
Conclución: Hace falta un metodo más directo que, en lo posible, no modifique la molécula.

11 Introducción a la Espectroscopía
Principios fundamentales de la espectroscopía: Las moléculas (o parte de ellas) estan en movimiento constnte. Estos movimientos estan Cuantisados (segun la mecanica cuantica).

12 Introducción a la Espectroscopía
La diferencia de energia (ΔE) entre dos estados energéticos cuantisados (quantum state) esta relacionada con la frecuencia de onda υ (ni) y la constamte de Plank (h). ΔE = h . υ

13 Introducción a la Espectroscopía
La espectroscopía es un proceso en el cual se mide ΔE entre dos quantum state permitidos. Distintos movimientos dentro de la molecula producen diferentes ΔE, que corresponden a distintas partes del espectro electromagnético. (IR, UV, X-ray, etc.)

14 El espectro electromagnético

15 El espectro electromagnético
Radio wave: Nuclear Spin transition 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 l cm 105 103 101 10-1 10-3 10-5 10-7 E kJ/mol Microwave: rotation motion IR: vibration UV: Electron transition X-Rays g Rays 200 nm 400 nm Blue 800 nm Red Visible UV n, cm -1 Far IR 100 Middle IR 1000 Near IR 10000 10 l, m

16 The NMR Spectrometer

17 The NMR Spectrometer

18 The NMR Spectrometer

19 The NMR Spectrometer

20 The NMR Spectrometer

21 RMN (Resonancia Magnética Nuclear)

22 Nuclear Spin

23 Spin Quantum Number (I)
Masa Par: Nro. Protones y Nro. Neutrones Ambos Par : I = 0 (4He, 12C …) # Protones & # Neutrones Ambos impar : I = 1, 2, …. (Integer) Masa Impar: # protones impar & # Neutrones Par : I = 1/2, 3/2, ... (Half-integer) # protones Par & # Neutrones impar : I = 1/2, 3/2, ... (Half-integer)

24 NMR Periodic Table I = +1, 0 & -1 NMR “active” Nuclear Spin (I) = ½:
1H, 13C, 15N, 19F, 31P biological and chemical relevance Odd atomic mass I = +½ & -½ NMR “inactive” Nuclear Spin (I) = 0: 12C, 16O Even atomic mass & number Quadrupole Nuclei Nuclear Spin (I) > ½: 14N, 2H, 10B Even atomic mass & odd number I = +1, 0 & -1

25 Nuclear Spin N S

26 Nuclear Spin N S Bo

27 Nuclear Spin N S Bo α (1/2) β (-1/2)

28 Nuclear Spin Ley de Boltzmann N S Nm: number of spins in state
No: total number of spins Em: energy of state m k: Boltzmann constant T: temperature

29 Estado de baja energía (α-spin) en el que los vectores del campo y del dipolo son paralelos (celeste). Estado de alta energía (β-spin) en el que los vectores del campo y del dipolo son antiparalelos (rojo).

30 Dos Estados de Energía

31 ΔE es Proporcional a la Intensidad del Campo Magnético Externo (Bo).
E = h =  h B  En un campo de 14,092 gauss, un fotón de 60 MHz producirá el salto del núcleo.

32 Campo Magnético Externo
Un campo magnético externo (B0) ejerce una fuerza sobre una pequeña barra magnética, girándola para que se alinee con el campo externo. La disposición de la barra magnética alineada en el sentido del campo externo tiene energía más baja que cuando se alinea en sentido contrario al campo B0. Se observa el mismo efecto cuando un protón se sitúa en un campo magnético externo, el protón se alineará con o en contra del campo 32

33 El Experimento de NMR

34 FID (Free Induction Decay) Caída Libre de la Inducción

35 El Experimento de RMN

36 Processing : line broadening

37 RMN Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear

38 ¿Como se relaciona la resonancia con el experimento de NMR
¿Como se relaciona la resonancia con el experimento de NMR? ¿Qué es la resonancia?

39 La Resonancia La resonancia radica en aplicar al cuerpo una fuerza periódica, que tenga una frecuencia lo más próxima a su frecuencia propia o natural. Cuando esto ocurre, la amplitud del movimiento aumenta tanto que puede producie la fractura del objeto.

40 Interpretación del Espectro NMR

41 Características de la señal de Resonancia Magnética

42 Características de la señal de Resonancia Magnética
Número de Señales (picos) Desplazamiento Químico (Chemical shift) Integral de los picos Acoplamiento 1H-1H - (coupling)

43 Características de la señal de Resonancia Magnética
Número de Señales (picos)

44 El número de señales (picos) nos indica la cantidad de protones equivalentes

45

46 a b CH3CO2H

47 a c b a c b CH3CH2CO2CH3

48 a b c

49 a b

50 a b & d c

51 Características de la señal de Resonancia Magnética
Desplazamiento Químico (Chemical shift): Nos dice que tipo de protones son.

52 Protección Magnética (Magnetic Shielding)

53 Protección Magnética (Magnetic Shielding)

54 Protección Magnética (Magnetic Shielding)
Dependiendo de su ambiente químico, los protones en una molécula están protegidos a diferentes grados.

55

56

57 2,2-dimethyl-1-propanol 1H NMR Spectrum

58 Escala Delta (δ) RMN

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60 Escala Delta (δ) RMN

61 nPEAK – nTMS (Hz) d (ppm) = X 106 = ppm Freq of the Magnet (MHz)

62

63 Valores Tipicos (ppm) TMS ppm 2 10 7 5 15 Aliphatic
TMS ppm 2 10 7 5 15 Aliphatic Alcohols, protons a to ketones Olefins Aromatics, Amides Acids, Aldehydes

64 Hydrogen Chemical Shifts

65 Valores Tipicos (ppm)

66

67 Absorción de protones enlazados a heteroátomo (OH, NH, etc.)
Concentración Enlace de Hidrógeno Intercambio de protones con el solvente

68 Características de la señal de Resonancia Magnética
Integral de los picos: Nos dice la relación entre las cantidades de protones diferentes en la muestra.

69 Intensidad de la Señal El area por debajo de cada pico es proporcional al número de protones. =>

70 ¿Cuantos protones hay?

71 Integración 3 3 2

72 Integración 3 3 2

73 Integración 3 3 2

74 Características de la señal de Resonancia Magnética
Acoplamiento 1H-1H (coupling): Nos dice qué protones estan cerca de otros.

75 Acoplamiento 1H-1H (coupling)
Constante de acoplamiento = nJXY (Hz) X e Y indican los núcleos acoplados n indican el número de uniones que separa entre los núcleos

76 Acoplamiento spin-spin

77 Acoplamiento spin-spin

78 Acoplamiento 1H-1H HB esta alineado con el campo magnético B0 por ello la linea de HA se encuentra a una mayor frecuencia HB esta alineado en contra del campo magnético B0 por ello la linea de HA se encuentra a una menor frecuencia H A B HA se divide en dos lineas por sentir el pequeño campo magnético de HB HB se divide en dos lineas por sentir el pequeño campo magnético de HA

79 Acoplamiento 1H-1H H A + ' B HA y HA’ tienen el mismo desplazamiento químico por tener un identico entorno. Estan divididos en dos lineas (llamado dublet) por sentir el campo magnético de HB HB Esta dividido en dos lineas (llamado triplet) por sentir el campo magnético de HA y HA’

80 ¿Por qué HB tiene tres lineas?
Si HB no estaria acoplada apareceria como una simple linea, indicando el desplazamiento químico o chemical shift. El acoplamiemnto entre HB y HA divide al singlet en un dublet El acoplamiento entre HB y HA producirá que las dos lineas del dublet se dividan nuevamente, cada una de ellas en dos lineas. Dado a que las dos lineas del medio se superponen, el acoplamiento total sera un triplet.

81 Acoplamiento Multiple de Protones con Protones Vecinos (1H-1H)

82 Acoplamiento Multiple de Protones con Protones Vecinos (1H-1H)

83 Acoplamiento Magnetico
Los protones equivalentes no acoplan los unos a los otros. Los protones unidos al mismo carbono se desdoblaran entre si, solo si no son equivalentes. Los protones unidos a carbonos adyacentes, generalmente acoplaran los unos a los otros. Los protones que esten separados por cuatro o más uniones, no acoplaran generalmente. Generalmente los protones unidos a un heteroátomo no acoplan a sus vecinos y viceversa.

84

85 1,1,2-Tribromoethane Protones no equivalentes unidos a carbonos adyacentes

86 Doublet: 1 Adjacent Proton

87 Triplet: 2 Adjacent Protons

88 Bromoethane

89 Bromoethane

90 Splitting for Isopropyl Groups

91 Valores de Constantes de Acoplamiento

92

93 No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12 Constante de Acoplamiento HA-HM = 6 Si HA no estaria acoplado apareceria como una simple linea o un singlet

94 No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12 Constante de Acoplamiento HA-HM = 6 El acoplamiemnto entre HA y HX divide al singlet en dos lineas a una distancia de 12 Hz (d, J = 12Hz) 12 Hz

95 No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12 Constante de Acoplamiento HA-HM = 6 El acoplamiemnto entre HA y HM divide cada una de las dos nuevas lineas en dos lineas a una distancia de 6 Hz 12 Hz (dd, J = 12, 6Hz) 6 Hz 6 Hz

96 Constanes de Acoplamiento de Alkenos
12 Hz H A 16 Hz 12

97 Resumen El Número de Señales indica cuantos diferentes tipos de Protones hay en una molécula. La posición de la señal indica cuan protegido o desprotegido está el Protón. La intensidad de la señal indica el número de protones que produce esa señal. El desdoblamiento de la señal indica el número de protones que hay en los átomos adyacentes.

98 A Practicar

99

100 a b CH3CO2H

101 a c b a c b CH3CH2CO2CH3

102 a b c

103 a b

104

105 C2H6O 3H 2H

106 Downfield shift for protons decreases as distance from hydroxyl group increases.
OH: 0.5 – 5.0 ppm Carbinol CHn: 3.2 – 5.2 ppm with 3 – 4 ppm most common a b c

107 dd Sept t d t d Sept t 1 2 6

108 C4H8O2 C=O CH3 CH2 3 2

109 Valores Tipicos (ppm)

110 C4H8O2 3 2 CH3 CH3 CH2

111 C4H8O d sept s CH3 6H 1H CH3 CHO CH

112 a c b

113 C3H7Br CH3CH2CH2Br

114 Alkyl Halides c a b CHn with a halogen: 2.1 – 4.5 ppm
(3 – 4 ppm most common) c a Downfield shift decreases as distance from halogen increases. b Downfield shift increases as e.n. of halogen increases.

115 C9H10O

116

117

118 Protones Quimica y Magneticamente
Equivalentes

119 Vinyl Protons, 5-6

120 Acetylenic Protons, 2.5

121 Aromatic Protons, 7-8

122 Aldehyde Proton, 9-10

123 Efecto Techo

124 Efecto Techo

125 Acoplamiento Multiple de Protones con Protones Vecinos (1H-1H)

126 δ = 164.44 (tdquintet, 2JHF = 24.5 Hz, 3JFF = 15 Hz, 3JHF and 4JHF = 2 Hz)

127 Desdoblamiento (Splitting)

128 Resonancia Magnética Nuclear
Hay otros usos de NMR: 2D NMR cosy Nosy Dinamica Solid State NMR MRI Etc.