1 1.¿Por qué no ‘sirve’ la RMN de onda continua? ¿Qué se mide en la técnica de onda continua (CW)? Cuando los núcleos se orientan respecto a B 0, el exceso en N 1 crea un vector magnetización M 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Si se irradia con una frecuencia a la que resuena algún núcleo, la dirección de M cambia y genera una señal en el detector Figura 3.16 Figura 3.17

2 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier En 13 C, el rango de 200 ppm supone un barrido de Hz Es un proceso lento y proporciona espectros de baja resolución Se transmite un pulso con todas las frecuencias También se aplica a otros núcleos: 1 H, 14 N, 19 F, 31 P, … 2. ¿Qué medimos en una experiencia de pulsos? En CW sabemos que cuando M cambia de dirección un núcleo ha resonado a la frecuencia irradiada Con un pulso, M cambia porque todos los núcleos resuenan simultáneamente: No nos dice a qué frecuencias ha resonado

3 ¿Qué le ocurre al vector M después del pulso? Elegimos una sustancia con un único tipo de núcleo, CHCl 3 o DMSO Suponemos que antes del pulso, M está en el eje z (a) y, que tras el pulso, M queda en el eje y (b) 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Figura 3.18 Y a partir de ese momento ¿cómo varía M con el tiempo?

4 Con el pulso, el núcleo cambia de orientación perdiendo la distribución de Boltzman Tras el pulso, los procesos de relajación devuelven el sistema al estado inicial: D. de Boltzman y vector M al eje z, (e) 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Figura 3.18 Los procesos de relajación no son instantáneos y la dirección del vector M varía con el tiempo, (c) y (d) Cada cambio genera una corriente inducida en el detector

5 Si representamos la corriente inducida en el detector vs tiempo La señal registrada parece una nube de puntos (a) 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Figura 3.19 (a) (b) (c) que con t más largos, se amortigua (c) Pero, con más perspectiva, se observa su forma sinusoidal (b)

6 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier La señal se conoce como FID: free induction decay Sus parámetros característicos son: i) periodo (P=t 0 ) o frecuencia constante ( = 1/t 0 ) (R. espín-red) ii) amortiguación (relacionada con la relajación espín-espín) iii) intensidad Pero ¡aún no sabemos cuál ha sido la frecuencia de resonancia! 1/t 0 está relacionada con la frecuencia del proceso de relajación Esta frecuencia tb. se relaciona con la frecuencia de resonancia

7 FID proporciona todos los datos para reconstruir el espectro: 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier FID (dominio t)Espectro (dominio ) i) Periodo (t 0, P en Fig. 3.21)  posición (  ) ii) Amortiguación (T)  anchura de las señales iii) T y amplitud (A)  área Figura 3.21

8 ¿Qué ocurre si tenemos más de un tipo del núcleo estudiado (a)? La FID global es la suma de las FID individuales (b), tb. Fig Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier ¿Cómo extraemos la P (t 0 ), T o A de cada tipo de la FID global? Recurriendo a la transformada de Fourier (c) Figura 3.22 (a)(b) (c)

9 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier 3. ¿Qué es y qué hace la transformada de Fourier? Es un serie de funciones seno y cosenoidales que ajusta la FID: ¡Ojo al papel de ciertos parámetros matemáticos del programa! El ajuste de la FID permite reconstruir el espectro en el dominio Figura 3.23

10 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier 4. Ventajas de la técnica de pulsos Los ciclos pulso-adquisición son muy cortos Se pueden repetir el nº de veces que queramos El ruido se promedia mientras que la señal se suma Relación señal-ruido mejora ostensiblemente En 13 C: la sensibilidad aumenta por 10 vs CW el tiempo se reduce por Tiempo de espera (D 1 ) Tras el pulso, se necesita un tiempo para recuperar la D. Boltzman t = T 1 ≈ 36.8% sin relajarset = 5 T 1 para el 100% Si lanzamos el 2º pulso antes de 5 T 1 resonarán menos núcleos

11 La relación de áreas sólo es representativa si esperamos 5 T 1 del núcleo más lento en relajarse Ej. Supongamos que pasan dos segundos entre 2 pulsos y, Núcleo 1 tiene T 1 = 0.4 s  5 T 1 = 2 s)   el  º  Núcleo 2 tiene T 1 = 2 s  5 T 1 = 10 s)   el  º  ≈ 63.2  El núcleo 2 dará una señal ≈ 1/3 menos intensa de su valor teórico Si el tiempo entre pulsos es inferior a 5 T 1 : la relación de áreas depende de su nº, efecto NOE ( 13 C) y su T 1 T 1 del 13 C son muy grandes (C cuaternarios, CO, > C =, CN > 60 s) Se requieren muchos ciclos (≈ ), por tanto, es impracticable esperar 5 T 1 del más lento 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

12 Pero para asegurarse que en cada ciclo resuena un nº apreciable de núcleos se programa un D 1 pequeño (1-5 s) Relación de áreas no será representativa (tb. debido a efecto NOE) 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier En nitrobenceno hay 4 C, C x tiene T 1 grande D 1 = 2 s: R. de áreas no es 2:2:1:1 D 1 = 12 s: R.A. se acerca más a 2:2:1 D 1 = 300 s, R.A es ≈ 2:2:1 pero insuficiente para C x

13 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier En 13 C la relación de áreas es fiable si: - Desacoplamos los H pero eliminando efecto NOE - Esperamos 5 T 1 - Utilizamos agentes de relajación (aceleran estos procesos) En el 1 H, los T 1 son mucho más pequeños pero, Los H aromáticos y olefínicos suelen tener valores mayores

14 Figura Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Para asegurarse la validez de la R. de áreas es recomendable programar un tiempo de espera (D 1 = 5-15 s) El nº de ciclos es menor (10-64) y no supone mucho más tiempo Si sospechamos que la relación de áreas no es correcta (Tolueno, Fig. 3.25) Habitual con los H aromáticos de plastificantes tipo ftalatos

15 6. Intensidad del pulso Determina la variación del vector magnetización M (90º, 45º, …) Nº de núcleos que resuenan en cada pulso (intensidad señal) Se optimiza (se reduce) cuando: i) la muestra está muy concentrada ii) queremos un exceso apreciable en N i (alternativa a D 1 ) 7. Tiempo de adquisición (  t) Tiempo durante el cual se almacenan los datos de la FID Depende del tipo de FID (núcleo) Influye en la resolución y la anchura de las señales Determina el tiempo necesario para realizar el espectro 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier

16 Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier (a)  t pequeño ciclo corto mala relación señal/ruido no se relaja al 100% (b)  t grande ciclo largo buena relación señal/ruido se relaja al 100% nº muy alto de datos (c)  t intermedio se registra la parte de la FID más importante todos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptable mayoría de núcleos está relajado (D 1 ) Su valor está relacionado con T 2 : t = T 2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈  T 2 Figura 3.26

17 se registra la parte de la FID más importante todos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptable mayoría de núcleos está relajado (D 1 ) Su valor está relacionado con T 2 : t = T 2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈  T 2 (c)  t intermedio (b)  t grande Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier (a)  t pequeño ciclo corto mala relación señal/ruido no se relaja al 100% ciclo largo buena relación señal/ruido se relaja al 100% nº muy alto de datos Figura 3.26

18 Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier (b)  t grande ciclo largo buena relación señal/ruido se relaja al 100% nº muy alto de datos (c)  t intermedio se registra la parte de la FID más importante todos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptable mayoría de núcleos está relajado (D 1 ) Su valor está relacionado con T 2 : t = T 2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈  T 2 Figura 3.26

19 Su valor es un compromiso entre resolución y tiempo global 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier (a)  t pequeño ciclo corto mala relación señal/ruido no se relaja al 100% (b)  t grande ciclo largo buena relación señal/ruido se relaja al 100% nº muy alto de datos se registra la parte de la FID más importante todos los datos sirven y su nº es manejable relación señal/ruido es aceptable mayoría de núcleos está relajado (D 1 ) (c)  t intermedio Su valor está relacionado con T 2 : t = T 2 queda sólo un 5% Valor óptimo ≈  T 2 Figura 3.26

20 La ventana espectral delimita el valor de  t 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Figura 3.27 Esta variable fija el intervalo de frecuencias incluidas en el pulso El ordenador reserva una memoria a cada FID Si la ventana espectral es muy grande debemos reducir  t En 13 C,  t es del orden de s y en el 1 H no existe límite Si  t es pequeño deberemos programar un tiempo de espera (D 1 ) La TF necesita un nº mínimo de datos para caracterizar la FID

21 8. Ciclos habituales en RMN de 1 H y de 13 C Ciclo (transitoria) consta de: 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier 1. Pulso (intensidad) 2. Tiempo de adquisición (  t) 3. Tiempo de espera (D 1 ) 4. Transformada de Fourier En 13 C:  t ≈ s D 1 ≈ 1 s ciclos (1-14 hr.) En 1 H:  t ≈ 3-4 s D 1 ≈ 0 s ciclos (5-15 min.) Figura 3.28

22 Paso previo o lock Cada muestra requiere una optimización del campo B 0 Se utiliza la señal del deuterio Si no se utilizan dvtes. deuterados (CCl 4, 13 C) hay que añadir una pequeña cantidad de otro deuterado Se modifican ciertos parámetros principalmente la orientación de unas bobinas accesorias (Z i ) (shimies) Si no se hace bien el espectro sale mal resuelto: 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Figura 3.29 s. anchas hombros (tail) bandas ssb hombros Influyen en la integral

23 Paso previo o lock Cada muestra requiere una optimización del campo B 0 Se utiliza la señal del deuterio Si no se utilizan dvtes. deuterados (CCl 4, 13 C) hay que añadir una pequeña cantidad de otro deuterado Se modifican ciertos parámetros principalmente la orientación de unas bobinas accesorias (Z i ) (shimies) Si no se hace bien el espectro sale mal resuelto: 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier s. anchas hombros (tail) bandas ssb Figura 3.29 hombros Tienen importancia al trazar la integral

24 En 13 C los disolventes no tienen porque ser deuterados, pero El 2 D se necesita para el lock Dvtes. protonados dan señales muy intensas por el efecto NOE Dvtes. con pocos tipos de C y se utilizan como 2º referencia 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 5. RMN de pulsos con transformada de Fourier Tabla 3.2. Desplazamientos químicos de los disolventes habituales Acetona Acetona-d Benceno128.5 Benceno-d Cloroformo77.2 Cloroformo-d77.0 Ciclohexano27.6 Ciclohexano-d Dimetilsulfóxido40.6 Dimetilsulfóxido-d Metanol49.9 Metanol-d Piridina Piridina-d Sulfuro de carbono192.8 Tetracloruro de carbono96.1 Ácido trifluoroacético163.8 (q)115.7 (q) ¡ojo! Los  varían ligeramente del dvte. protonado al deuterado

25 Los diferentes C salen en el rango (600 con e - no apareados) Depende de: i) Apantallamiento diamagnético (corrientes electrónicas) ii) A. paramagnético (estados electrónicos). Mayor peso iii) Anisotropía (anillos, d. enlaces, etc.). Pesa menos que en el 1 H iv) Hibridación v) Sustitución. A mayor distancia que en 1 H (4 enlaces C alifáticos) 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 6. Desplazamientos químicos del 13 C C alifáticos (sp 3 )0-60 ppm C  C (sp)60-90 ppm C  N (sp) ppm C = C alqueno (sp 2 ) ppm C = C aromático (sp 2 ) ppm C = O carbonilo (sp 2 ) ppm Intervalo según su naturaleza:

26 3. Teoría de RMN aplicada al 13 C. 6. Desplazamientos químicos del 13 C i) El O es el más desapantallante: C-O siempre > 50. Con otros (X, N, …) depende Figura 3.30 iii) CO aislados (cetonas y aldehidos) en un rango y CO unidos a grupos electronegativos (O, N, X) en otro bien diferenciado ii) C olefínicos, C aromáticos y CN se solapan C olefínicos tienen un rango a  más bajos y estrecho que aromáticos