Desplazamiento Químico  Dr. Jorge A. Palermo

E aumenta con B0  0 aumenta con B0 ECUACIÓN DE LARMOR E aumenta con B0  0 aumenta con B0 Núcleo 2.35 Tesla 17.63 Tesla 1H 100 MHz 750 MHz 2H 15.35 MHz 115 MHz 13C 25.1 MHz 188.25 MHz 31P 40.5 MHz 303.8 MHz

La frecuencia de Larmor de un núcleo depende del B0 utilizado Escala de RMN (, ppm) La frecuencia de Larmor de un núcleo depende del B0 utilizado  No se puede definir ni utilizar una escala de frecuencias absoluta en RMN Además Bloc es <<< B0  el rango de corrimiento de las señales por protección es muy pequeño y los valores absolutos son grandes Ej: en un equipo de 90 MHz, la señal de CH3Br aparece a 90000237 Hz, la de CH2Br2 a 90000441 y la de CHBr3 a 90000614 Hz Los rangos de L producidos por Bloc se encuentran en el orden de las partes por millón y son también proporcionales a B0

desplazamiento químico (, ppm)  =  muestra -  ref. Se define una escala relativa y sin unidades: desplazamiento químico (, ppm) utilizando una sustancia de referencia  =  muestra -  ref. X 106  ref. Se expresa en partes por millón (ppm)  es independiente de B0  para un dado núcleo, su  será el mismo en cualquier equipo.

Tetrametilsilano = TMS es la referencia más usada Tetrametilsilano = TMS es la referencia más usada. Soluble en la mayor parte de los solventes, inerte, volátil, da una señal intensa (12H) y suele estar a  menores que la mayor parte de los compuestos orgánicos C H 3 H 3 C S i C H 3 C H 3 Por definición:  TMS = 0 El TMS se agrega al sovente deuterado en el que se prepara la muestra Existen otras sustancias de referencia, además se puede utilizar el  del solvente como referencia . P. ej.  CHCl3 = 7.26 A partir de sus  se puede calcular la separación en Hz entre dos señales. P. ej: 2 señales a  = 1 y  = 3 se encuentran separadas por 400 Hz en un espectro registrado a 200 MHz, y a 1000 Hz en un equipo de 500 MHz

Escalas de  para Diferentes Núcleos 1H : ~ 15 ppm Alcoholes, protons a a cetonas Aromaticos Amides Acidos Aldehidos Olefinas Alifáticos ppm 15 10 7 5 2 TMS 13C : ~ 220 ppm Aromaticos, olefinas C=O de cetonas Alifaticos CH3, CH2, CH ppm 210 150 100 80 50 TMS C=O de Acidos, y derivados de ácido Carbonos unidos a grupos oxigenados

Origen del Desplazamiento Químico Los núcleos no se encuentran aislados, sino que están rodeados de electrones y (en moléculas) de otros núcleos.  El campo efectivo que va a experimentar un núcleo es menor que B0 y va a estar influenciado por su entorno químico (B local) El Blocal puede expresarse como proporcional a B0  Bef = B0 – Bloc = B0 (1 - )

 = constante de apantallamiento  no depende de B0 sino del entorno químico y magnético del núcleo en observación. La condición de resonancia para un núcleo quedaría: L =  (1 - ) B0 2  Núcleos no equivalentes serán apantallados en grado diferente y darán origen a señales diferentes en el espectro  DESPLAZAMIENTO QUÍMICO

Más apantallado Menos apantallado El electrón tiene I = ½  posee momento magnético y éste es mucho más intenso que el de 1H Bloc B0 Bloc B0 Bef Bef  En una molécula, un núcleo está rodeado por una nube electrónica  el Bef sobre el núcleo es la suma de B0 y el campo generado por los electrones, Bloc E relativa  Energía Absorbida Como el electrón tiene carga negativa, el campo se opone al B0 Bef < Bo la nube electronica apantalla Frecuencia

En una molécula van a existir factores que pueden aumentar o disminuir la densidad electrónica, principalmente inductivos. Aumenta densidad electrónica Mayor apantallamiento “Protección” Disminuye densidad electrónica Menor apantallamiento “Desprotección”

“Jerga de RMN” En un comienzo, se solían registrar los espectros en modo de “onda contínua” manteniendo fijo L y variando B0 para satisfacer la condición de resonancia  para señales de frecuencias menores había que utilizar campos B0 mas altos. Mayores Campos Bajos Desprotección Menores Campos altos Protección

Contribuciones Inductivas al  H (1s) La nube electrónica alrededor de un átomo de 1H sería perfectamente esférica. Si ese átomo de 1H forma parte de una molécula, p. ej. CH4, su nube electrónica se verá deformada, debido a la electronegatividad del C, que genera una atracción sobre el electrón 1s del 1H. C (sp3) H (1s) La deformación de la nube electrónica provocará desapantallamiento del 1H  La señal se desplazará a campos más bajos ( mayores), es decir, se desprotegerá. s (HF) < s (HCl) < s (HBr) < s (HI)

Diferentes grupos funcionales pueden provocar efectos inductivos: Cuanto mayor es la diferencia de electronegatividad, mayor es el desapantallamiento Los efectos de la electronegatividad no solo se limitan a los grupos directamente unidos a 1H sino que se transmiten a lo largo de los orbitales moleculares. H-CH3 H-CH2I H-CH2Br H-CH2Cl H-CH2F E 2.1 2.5 2.8 3.0 4.0 d 0.23 1.98 2.45 2.84 4.13 Diferentes grupos funcionales pueden provocar efectos inductivos: P. ej: = -OH, -NH2, -NO2, -SH, etc.

 CH3 <  CH2 <  CH  ~ 0.5 ppm No es necesario que un sustituyente sea particularmente electronegativo. P. ej: al aumentar el largo de una cadena hidrocarbonada de 1 a 3, aumenta la desprotección del metilo terminal. 0.23 0.80 0.91 H-CH3 H-CH2-CH3 H-CH2-CH2-CH3 Regla mnemotécnica: B C N O F 1 2 3 4 Si P S Cl Aplicable sólo a CH3 en sistemas lineales teniendo en cuenta solo efectos inductivos.    CH3 <  CH2 <  CH  ~ 0.5 ppm

La sustitución por mas de un grupo produce efectos aproximadamente aditivos  origen de las Tablas de RMN Otro factor que afecta la densidad electrónica alrededor de 1H es la presencia de cargas parciales en el átomo de carbono Si bien las tres estructuras tienen el mismo número de electrones , el ion tropilio tiene una carga parcial positiva desprotege más, y el ion ciclopentadienilo una carga negativa protege más.

Efectos de Resonancia ¿Qué le sucede a 1H aromáticos o vinilicos cuando existe un sustituyente capaz de provocar efectos de resonancia? 5.29 Un sustituyente atractor de electrones disminuye la densidad de carga en el carbono  del doble enlace desprotege 6.11 6.52 5.29 3.74 3.93 Un sustituyente dador de electrones aumenta la densidad de carga en el carbono  del doble enlace  protege

Algo similar sucede en compuestos aromáticos… Un sustituyente dador de electrones (+M) provoca protección de los 1H en las posiciones orto y para por aumento de la densidad electrónica en esos carbonos. 6.55 6.55 7.08 7.08 6.70

Mientras que… Un sustituyente atractor de electrones (-M) provoca desprotección de los 1H en las posiciones orto y para por disminución de la densidad electrónica en esos carbonos 8.15 8.15 7.55 7.55 7.70

Efectos Anisotrópicos Cualquier grupo funcional es inherentemente anisotrópico es decir, posee una distribución electrónica no esférica.  Estos grupos generarán campos magnéticos locales que se podrán sumar o restar a B0 según como se oriente espacialmente el grupo anisotrópico respecto del núcleo afectado.  grupo isotrópico G

Existen ecuaciones para calcular estos efectos En este caso, el Bloc generado por el grupo G sobre el núcleo dependerá de la orientación de éste respecto de G y de G respecto de B0 G  Grupo anisotrópico Existen ecuaciones para calcular estos efectos La resolución de estas ecuaciones nos da para un grupo puntual un doble cono con ángulo  = 54.7º.

Para un grupo no puntual el doble cono se ensancha en el centro. protección  I > 0 B0 I < 0  desprotección I < 0 I = 0 I > 0 Para un grupo no puntual el doble cono se ensancha en el centro.

El cono de protección es perpendicular al plano del doble enlace. + B0 - - + El cono de protección es perpendicular al plano del doble enlace. 1H vinílicos :  ~ 5 - 6

+ : I > 0 - : I < 0 + B0 - - + 1H aldehídicos:  ~ 9 - 10

Anillos Aromáticos En los anillos aromáticos se puede considerar como que los electrones “circulan”. Esta corriente genera un campo magnético perpendicular al plano del anillo Bloc e- Bo

Los 1H aromáticos se encuentran desprotegidos, mientras todo lo que esté por arriba y por debajo del anillo se protegerá B0

Estos 1H se encuentran cerca de dos anillos  más desprotegidos -2.99 En los ciclofanos, los CH2 que se encuentran sobre el anillo aparecen muy protegidos a  = 0.3 +9.28 Estos 1H se encuentran cerca de dos anillos  más desprotegidos 7.27 7.79 7.41  - excesivos  - deficientes

El  1H de los alquinos es menor que el de los alquenos. En el caso de un triple enlace, el cono de protección es paralelo al eje de la unión C-C + - - Fuera del cono : I < 0  desprotección + Dentro del cono : I < 0  protección 1H alquinos ( 3- 4) El  1H de los alquinos es menor que el de los alquenos.

Hidrógenos Intercambiables Uniones Hidrógeno Disminuyen fuertemente la densidad electrónica alrededor del 1H  gran desprotección Hidrógenos Intercambiables Grupos R-OH y R- NH2 pueden intercambiar su 1H con un deuterio del solvente deuterado (equilibrio ácido base) Para observarlos, se utilizan como solventes : DMSO-d6 o py-d5 (no próticos)

d 1H 3 - 5 Amidas,pirroles indoles 5 – 9 9 fenoles 6 - 8 aminas 1 - 3 El  al que aparece un hidrógeno intercambiable puede ser variable Grupo funcional d 1H alcoholes 3 - 5 Amidas,pirroles indoles 5 – 9 9 fenoles 6 - 8 aminas 1 - 3 enoles 12 - 16 Tioles alifáticos 12- 16 Acidos carboxílicos 10 - 13 Tioles aromáticos 28 -36 Las señales de hidrógenos intercambiables suelen ser anchas