RMN

Resonancia Magnética Nuclear La RMN es un fenómeno que ocurre cuando el núcleo de ciertos átomos inmersos en un campo magnético estático, son expuestos a un segundo campo magnético. 1H, 13C, 15N, 31P La RMN es un fenómeno q ocurre cuando el núcleo de ciertos átomos inmersos en un campo magnético estático, son expuestos a un segundo campo magnético. Solo sufren este fenómeno los núcleos que tiene la propiedad llamada SPIN. Núcleos q tienen esta propiedad de spin son 1H, 13C, 15N, 31P. Spin: tienen propiedad de spin los átomos con Z impar y/o número de neutrones impar. Solo los q tienen spin distinto de 0 son detectables por RMN. Spin ideal =1/2

Características RMN Uso de muestras no cristalizadas  estructura en solución Posibilidad de aplicar a moléculas sin cristales disponibles. Amplio rango de condiciones experimentales 16% de proteínas determinadas por RMN Determinación de estructuras de tamaño limitado (35-40 KDa) ... Si no tenemos la estructura cristalizada, o la tenemos por trozos, con RMN podemos deducir la estructura de la molécula. ... ... Permite aumentar las posibilidades de estudios comparativos en soluciones de condiciones naturales o desnaturalizantes. Tb permite el estudio de interacciones intermoleculares con otras moléculas del medio También para proteínas no solubles: con RMN sólido o con micelas. (para por ejemplo el estudio de prot. Transmembrana). aporta medidas cuantitativas de las freq de ciertos procesos dinámicos con alta energía de activación y también infor semicuanttitativa en los procesos de mayor freq. En comparación las estruc det por Rx incluyen perfiles de la estruc externa de la prot por fluctuaciones estruc de alta freq . Además la fluctuación de los electrones en los cristales simples y la NMR en solución se pueden usar para los estudios de los intercambios de protones lábiles.

¿Porqué estudiar RMN? Elucidación Estructural Productos Naturales Síntesis Orgánica Estudio de procesos dinámicos .Cinética de Reacciones Procesos de Equilibrio Diseño de Drogas Relación estructura - actividad Estudios Estructurales en 3D Proteínas ADN – complejos Polisacáridos Control de Calidad Análisis “de orígen” de alimentos Falsificación de patentes Medicina – Diagnóstico por Imágenes

Como en otros métodos espectroscópicos… El fenómeno de RMN consiste en la absorción de energía de radiación electromagnética por parte de núcleos que tienen un momento magnético La absorción ocurre a frecuencias características que dependen del tipo de núcleo (1H, 13C, 31P, etc) y del entorno molecular en que se encuentra.

A diferencia de otras espectroscopías…. El fenómeno solo se manifiesta en presencia de un campo magnético que diferencia en términos de energía a las posibles orientaciones del momento magnético nuclear. Las cantidades de energía involucradas son extremadamente pequeñas y solo son medibles cuando el campo magnético es muy intenso. La radiación electromagnética utilizada corresponde a las ondas de radio.

¿Qué observamos en RMN? Espectroscopía Origen Información UV - Visible Transiciones electrónicas Cromóforos IR Transiciones vibracionales Grupos funcionales Espectrometría de Masa Ionización y fragmentación de moléculas Relación m/z de fragmentos RMN Núcleos Atómicos Átomos individuales (entorno)

Origen del fenómeno de RMN Ambos momentos son magnitudes vectoriales P La imagen clásica de un núcleo es de una esfera cargada rotando sobre un eje  Todo núcleo atómico posee un momento angular intrínseco P y un momento magnético asociado  Ambos momentos son magnitudes vectoriales

De acuerdo a la mecánica cuántica el momento angular P está cuantizado: P = I (I + 1) h I = número cuántico de spin o simplemente SPIN I representa el spin total del núcleo, es múltiplo de ½ y sus valores van de 0 a 6. Si el nº de masa (A) es impar  I = n/2 con n : impar Si A es par y Z es impar  I = n Si A y Z son pares, I = 0

Los núcleos con I = ½ son dipolos magnéticos Si I = 0 el núcleo no tendrá momento magnético y no será observable por RMN Dos de los núcleos más importantes en química orgánica, 12C y 16O tienen I = 0 Los núcleos con I = ½ son dipolos magnéticos Los núcleos con I > ½ no presentan simetría esférica de carga  Núcleos cuadrupolares Presentan mayores dificultades para su observación por RMN

Núcleo Abundancia Natural I 1H 99.985 % 1/2 2H 0.015 % 1 12C 98.9 % 13C 1.1 % 14N 99.63 % 15N 0.37 % 16O 99.76 % 17O 0.04 % 5/2 18O 0.2 % 31P 100 %

En ausencia de un campo magnético externo, los  de los distintos núcleos pueden asumir cualquier dirección (como un imán) Al colocar un núcleo con momento angular P y momento magnético  en un campo magnético externo, el momento angular se alineará respecto al campo externo, con un leve exceso alineado a favor del campo. B0

Orientación de los spins Inicialmente los spins se encuentran desordenados (se anulan). Al aplicar el 1er B, lo q conseguimos es orientar todos los spins paralelos al B aplicado en la misma dirección. El sentido en q se orienten dependerá del momento angular de spin B0

Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del campo Bo Para un núcleo de I = ½  Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del campo Bo b Bo > 0 DE = h n a Bo = 0 La energía necesaria para pasar de un estado de spin al otro está determinada por la siguiente ecuación:

0 =  B0 / 2 ECUACIÓN DE LARMOR 0 = frecuencia de Larmor E = h =  h B0 / 2  0 =  B0 / 2 ECUACIÓN DE LARMOR 0 = frecuencia de Larmor Para imanes de campo magnético entre 2.35 y 18.6 Tesla, 0 se encontrará en el rango de 100 a 800 MHz, es decir corresponderá a una frecuencia de radio rayos  rayos x UV VIS IR m-ondas radio 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 longitud de onda (cm) En una molécula, cada núcleo magnéticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y característica, es decir absorberá radiación electromagnética de una frecuencia determinada para cambiar de estado de spin.

Condición de resonancia RMN Condición de resonancia z mz B0 m m=+1/2 (a) m=-1/2 (b) ħ g B0 En presencia de un campo magnético, los niveles energéticos se desdoblan (dejan de estar degenerados) E = -m B E = -m g ħ B0 E = - gz B0 DE = h n = g ħ B0 n = g B0/2p La regla de selección es Dm= ± 1 Otras transiciones no son detectables Condición de Bohr: DE = h n

Pulso de radiofrecuencias RMN Pulso de radiofrecuencias El pulso de 90° lleva la magnetización al plano XY. M0 En presencia de un campo magnético B0 la diferencia entre las poblaciones de núcleos en estado a y b dan lugar a una magnetización macroscópica M0 Al aplicar un segundo campo magnetización macroscópica gira alrededor del mismo: 1 B μ γ dt r ´ × = d Na/ Nb = e -DE / k·T

La señal de RMN RMN z y M x Free Induction Decay n (Hz) Tras el pulso de 90°, la magnetización sigue girando en dicho plano a su frecuencia propia, lo que se detecta por medio de bobinas. Transformada De Fourier La señal corresponde a una onda compleja. Mediante la transformada de Fourier extraemos sus distintas componentes en el dominio de frecuencias. n (Hz)

Relajación y anchura de banda RMN Relajación y anchura de banda 1 / T2* = 1 / T2 + 1 / T2(DB0) T2*: cte de tiempo de R2 total T2: cte de tiempo de R2 debido a procesos de relajación típicos (interacciones moleculares) T2(DB0): cte de tiempo de R2 debido a las heterogeneidades del campo La anchura de banda es inversamente proporcional al tiempo de relajación transversal Relajación rápida Lenta

Aún así, el exceso de población con el que se trabaja es muy pequeño E aumenta con B0 1 millón - 64 1 millón - 32 Aún así, el exceso de población con el que se trabaja es muy pequeño 1 millón -8 2 millones E  = 16  = 64  = 128 1 millón + 8 1 millón + 32 1 millón + 64 B0 (Tesla) 0 T 2.35 T (100 MHz) 9.4 T (400 MHz) 18.8 T (800 MHz)

Para cada tipo de núcleo la frecuencia de Larmor puede sufrir pequeñas variaciones que dependen del entorno molecular: Los electrones de los alrededores producen pequeños campos magnéticos que se agregan a B0 Desplazamiento Químico  (ppm de la frecuencia)  Los núcleos de los alrededores con momento magnético dan lugar a desplazamientos simétricos de las frecuencias Acoplamiento spin-spin:J (Hz) 

¿Qué información se puede obtener de un espectro RMN 1H? Número de señales: relacionada con el número de 1H diferentes de la muestra Frecuencia de las señales () : relacionada con el entorno molecular del núcleo. Área de las señales (integral): relacionada con la cantidad de cada tipo de 1H. Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H vecinos de cada tipo. Constantes de acoplamiento (J): brinda información estereoquímica. Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos funcionales (-COOH, -OH, -NH2)

Multiplicidad de señales constantes de acoplamiento: J (Hz) integrales frecuencia () triplete multiplete triplete Multiplicidad de señales

Primera fase

Someter la muestra a un campo magnético intenso => Primera fase Someter la muestra a un campo magnético intenso => Se genera una MAGNETIZACION que es diferente para cada núcleo (DESPLAZAMIENTO QUIMICO) y que es afectada por los núcleos de su entorno (ACOPLAMIENTO)

Segunda fase

Se altera la magnetización en equilibrio generada (EXCITACION) Segunda fase Al irradiar la muestra con una onda de radio de igual frecuencia que la de precesión de los núcleos (EN RESONANCIA) => Se altera la magnetización en equilibrio generada (EXCITACION)

Tercera fase

Interrumpir la irradiación => Tercera fase Interrumpir la irradiación => La magnetización alterada tiende a volver al equilibrio (RELAJACION) => Se origina una respuesta en el sistema que puede también detectarse como una señal de radiofrecuencia en un receptor (DETECCION)

Cuarta fase

Información sobre la estructura química (INTERPRETACION). Cuarta fase Transformar la señal de radiofrecuencia en una representación gráfica de frecuencias e intensidades de la que se obtiene información sobre los entornos magnéticos de los núcleos => Información sobre la estructura química (INTERPRETACION).

RESUMEN Cuando se someten los núcleos de los átomos a un campo magnético intenso y a una onda de radio, sus campos interaccionan con los de esta entrando en resonancia y dando una señal que puede ser detectada y proporcionar información sobre los entornos magnéticos de dichos núcleos

Instrumentación

INSTRUMENTACION Imán, Un oscilador de radiofrecuencias Una bobina detectora Un sistema informatizado Un sistema de amplificación y registro.

RMN EL IMÁN

Existen núcleos distintos que pueden ser observados por espectroscopía de RMN: 1H (protones), 13C (carbono 13), 15N (nitrógeno 15), 19F (fluor 19) y muchos otros.

TRATAMIENTO DE LA MUESTRA Disoluciones en disolventes que no tengan átomos de hidrógeno. Se usan el deuterocloroformo, hexadeuterodimetilsulfóxido, óxido de deuterio, deuterobenceno, deuteropiridina y otros. Determinados núcleos se pueden observar en muestras sólidas. Las cantidades de muestra necesarias oscilan entre 1 y 50 mg.

APLICACIONES Elucidación estructural de compuestos con núcleos magnéticamente activos en el rango de frecuencias disponibles. Identificación y cuantificación de compuestos orgánicos, organometálicos, etc. Análisis estructural y estereoquímico. Estudios de sistemas dinámicos. Control de impurezas. Estudio de parámetros físicos de moléculas.

VENTAJAS Analisis de compuestos polares y no polares Rápido Confirmativo No destructiva Pequeñas cantidades de muestra

DESVENTAJAS Muy caro Muestra 100% pura