RMN Introducción Dr. Jorge A. Palermo

¿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

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.

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