Clase7 - Química Orgánica

Teoría Básica de RMN
La RMN es otro tipo
p de Espectroscopía de Absorción
Base de la RMN: Absorción de energía por un núcleo atómico que provoca
transiciones entre niveles de energía nucleares (o entre
distintos estados del espín nuclear)
Los niveles energéticos se deben a: Las distintas orientaciones de los espines
nucleares dentro de un
uncampomagnéticoH
campo magnético Ho
g entre los distintos niveles es de tal magnitud
La diferencia de energía
g
q
que:
„ La frecuencia de absorción cae en el campo de las radiofrecuencias
-6
6
„ La E asociada a las transiciones es del orden de 10 Kcal/mol
Espectroscopía de Resonancia Magnética nuclear ( RMN )
Muchos núcleos atómicos poseen un
movimiento giratorio en torno a un eje y
se dice , así, que poseen spin nuclear.
Uno de tales núcleos es el hidrógeno,
g
escrito como 1H ( el isótopo de masa 1
del hidrógeno) para diferenciarlo de sus
otros isótopos [deuterio (2H),y tritio
(3H)]. El núcleo de la forma más simple
del hidrógeno es el protón. Puesto que
el protón está cargado positivamente , su giro crea un campo magnético (como ocurre
con cualquier partícula cargada). El resultado neto es que podemos considerar al
protón como una minúscula barra magnética flotando libremente en solución ó en el
espacio. Cuando el protón es expuesto a un campo magnético externo de fuerza H0,
puede adoptar dos orientaciones: puede alinearse conH0, una elección energeticamente
favorecida , ó ( a diferencia de una barra magnética normal) en contra de H0, una
orientación más alta en energía. Las dos posibilidades se denominan estados de α
spin
i and
d β spin
i , respectivamente.
ti
t
Esos dos estados, diferentes energéticamente, proporcionan la condición necesaria
para espectroscopía . Irradiación de la muestra a justo la frecuencia adecuada (
frecuencia de radioondas) para anular la diferencia de energía entre los estados α and
β produce resonancia con H0 , en la que la absorción de energía promueve un protón
desde el estado de α spin al estado de spin β , como se ilustra en la siguiente Fig.
(A) Cuando los protones son expuestos a un campo magnético externo, se generan
dos estados de espín (α
(α-spin
spin y β
β-spin)
spin) que difieren en energía por ΔE = hν . (B)
Irradiación con energía de frecuencia apropiada ν (radiofrecuencia), produce
absorción y transición del spin nuclear del protón desde el estado α al estado β
(resonancia). (C) Diagrama de energía, que muestra a un protón (indicado por una
única flecha) ganando la energía ΔE = hν y sufrieno la transición desde el estado α
al estado β. Recuerde que los dos núcleos mostrados están rodeados por el
j
de los núcleos en la q
que hayy sólo un ligero
g
exceso de estados α sobre
conjunto
estados β . El proceso de absorción solo hace que esta proporción esté más próxima
a 1:1.
Después de éste proceso de excitación, los núcleos se relajan y retornan a sus
estados originales por una variedad de rutas energéticas (que no discutiremos aquí).
Así, en la resonancia, se p
produce una secuencia contínua de exitaciónes y
relajaciones.
La cantidad de energía para promocionar el estado de spin α al estado de spin β es
muy pequeña; así a una frecuencia de radiondas de 300 MHz, ΔEβ – α = h. ν es del
orden de 3 x 10–5 kcal mol–1 (1.5 × 10–4 kJ mol–1 ). El equilibrio entre los dos
estados es, así, rápido y en general, muy poco mas de la mitad de toda la población
de núcleos protónicos en el campo magnético adoptarán el estado de spin α,
permaneciendo el resto en el estado de spin β.
β Cuando
C
se alcanza la resonancia,
esta diferencia disminuye, al promocionar los núcleos con espines α a espines β,
pero la proporcionalidad no cambia demasiado. Así, la sensibilidad de la técnica no
es muy grande
d (a
( 9.400
9 400 Gauss,
G
sólo
ól 6 de
d entre
t 2 millones
ill
d núcleos
de
ú l
absorberán
b b á
radiación.
Sin embargo, la diferencia de enegía, ΔE, entre los estados de spin α y β
depende directamente de la intensidad del campo magnético externo,
externo H0.
Cuanto más fuerte es el campo magnético, mayor es la diferencia de energía
entre los estados de α spin y β spin : La frecuencia de absorción, ν, es
proporcional a H0, como se muestra en la Fig.
Fig de la siguiente trasparencia.
trasparencia Así,
Así
la frecuencia de resonancia para los núcleos de hidrógeno es de 90 MHz (
megahertz, millones de hertz) a H0 = 21,150 gauss, abreviado G), 180 MHz a H0
=42
42,300
300 G; 300 MHz at H0 = 70,500
70 500 G,
G etc.
etc
Por tanto, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético externo, mejora
considerablemente la sensibilidad de la técnica.
Para aquellos que dan señal, ésta aparecerá a una frecuencia determinada
a un campo magnético H0 .
Espectro de RMN, hipotético, de CH2ClF at 70,500 G. Ya que cada núcleo RMNactivo resuena a una frecuencia característica en éste campo magnético Ho
paticular, se observarían seis líneas. Se muestran aquí a alturas diferentes para
simplicidad, pero la abundancia natural de los isótopos 2H and 13C es mucho menor
que la
l de
d los
l otros
t
. Este
E t espectro,
t
t l como mostrado,
tal
t d no puede,
d en realidad,
lid d
ser registrado en un sólo experimento, ya que la mayoría de los instrumentos
de RMN deben ser sintonizados sólo para un núcleo, p. ej. 1H, ó 13C cada vez.
Espectroscopía de RMN de alta resolución
Hasta ahora hemos considerado las resonancias de núcleos aislados.
aislados ¿Que ocurre
cuando los núcleos están formando parte de una molécula?. Consideremos , p. ej.,
los espectros 1H RMN y 13C RMN del clorometil metil éter , ClCH2OCH3. Un barrido
a 70,500 G entre 0 y 300 MHz daría un pico para cada uno de los elementos
(como vimos arriba).
g
que un microscopio
q
p
nos p
permite magnificar
g
detalles del mundo
Al igual
macroscópico, podemos centrarnos en cada una de esas señales y expandirlas para
revelar mucho más. Así, usando la técnica denominada Espectroscopía de RMN de
alta resolución , podemos estudiar la resonancia del hidrógeno entre 300 y 3000
MHz. Encontraremos que lo que parecía ser solamente un pico en esa región
contiene realmente dos picos, que no fueron resueltos al principio (Figura en pg.
siguiente). De manera similar, el espectro de 13C RMN de alta resolución medido en
la vecindad a 75.3 MHz muestra también dos picos. Esas absorciones revelan la
presencia de dos tipos de hidrógeno y de carbono, respectivamente, en la
molécula. El hecho de que la espectroscopía de RMN de alta resolución sea
capaz de
d distinguir
di ti
i entre
t núcleos,
ú l
t t de
tanto
d hidrógeno
hid ó
como de
d carbono,
b
cuando están embebidos en diferentes entornos estructurales dentro de una
molécula, es lo que hace que constituya una poderosísima herramienta para la
el cidacion de una
elucidacion
na estructura.
estr ct ra El químico
q ímico orgánico usa
sa la espectroscopía de RMN
más a menudo que cualquier otra técnica espectroscópica.
300-MHz 1H NMR spectrum of chloro(methoxy)methane. Because the
frequency range of interest starts at 300 MHz, we set this frequency to be
0 Hz at the right
right-hand
hand side of the recording paper,
paper for simplicity.
simplicity
Usando el Espectro de RMN Para Analizar la Estructura Molecular:
El Desplazamiento Químico de Protón.
¿Porqué los dos grupos diferentes de hidrógenos en el clorometil metil éter ,
ClCH2OCH3 dan lugar a dos picos distintos en RMN?.
RMN? ¿Como afecta la
estructura molecular a la posición de una señal en el espectro de 1H RMN?.
La posición de un pico de absorción para un Hidrógen en el espectro de RMN,
denominada también desplazamiento químico,
químico depende de la densidad
electrónica alrededor de dicho Hidrogeno. Esta densidad, a su vez, está
determinada por el entorno estructural del núcleo de hidrógeno. Así, los
desplazamientos químicos de los hidrógenos en el espectro de RMN son
una pista importante para determinar su estructura molecular. Al mismo
tiempo, la estructura de una molécula determina su comportamiento en un
experimento de RMN.
En una molécula, los átomos de hidrógeno están rodeados por orbitales cuya
densidad electrónica varía dependiendo de: la polaridad del enlace,
enlace el tipo de
hibridación de los orbitales, de la existencia ó no de efectos de
deslocalización electrónica y de la presencia ó no de grupos atrayentes ó
donantes de electrones.
Cuando un núcleo rodeado por electrones es expuesto a un campo magnético de
fuerza H0, esos electrones se mueven de tal modo que generan un pequeño campo
magnético local,
local hlocal, opuesto a H0 (Ley de Lenz).
Lenz) Como consecuencia,
consecuencia la fuerza
total de campo magnético en la proximidad del núcleo de hidrógeno, se reduce, y se
dice que el núcleo esta apantallado de H0 por su nube electrónica (Fig. abajo). El
grado de apantallamiento depende de la cantidad de densidad electrónica que rodea
al núcleo. Adición de electrones incrementa el apantallamiento; eliminación de
electrones causa desapantallamiento.
Efecto de apantallamiento sobre un hidrógeno enlazado covalentemente.
El núcleo desnudo, H+, que no tiene electrones de enlace apantallantes, está
menos apantallado; en otras palabras, su señal aparece a la izquierda del
espectro, o a bajo campo. Un hidrógeno unido a, por ejemplo, un grupo tercbutilo está apantallado por los electrones de enlace que le rodean; en éste
caso, para compensar el apantallamiento la fuerza del campo externo H0 se
incrementa para lograr resonancia ( recuerde que H0 es proporcional a ν) y
así su señal aparece más a la derecha en el espectro o a campo más alto.
Espectro de 1H RMN (300-MHz) de 2,2-dimetil-1-propanol (conteniendo un poco de
tetrametilsilano como referencia interna)) en cloroformo deuterado,, CDCl3. Se
observan tres picos para los tres conjuntos de hidrógenos diferentes en la molécula.
Los Hidrógenos equivalentes quimicamente muestran picos en la misma
posición. (La escala al fondo indica el desplazamiento químico en δ)
Descripción del espectro: 1H NMR(300 MHz, CDCl3): 0.89(s),1.80(s),3,26(s) ppm
Si en la proximidad del núcleo existe mas de un átomo electronegativo sus
efectos desapantallantes son acumulativos
La influencia
L
i fl
i desapantallante
d
t ll t de
d los
l átomos
át
electronegativos disminuye rapidamente con la distancia
Integración de las señales de Absorción
Integraciòn, revela el número relativo de
hidrógenos responsables para un pico en
RMN
Acoplamientos Spin -Spin
Los espectros de de RMN de alta resolución presentados hasta ahora muestran un
patrón simple de picos agudos aislados,
aislados también llamados singuletes.
singuletes Los
compuestos que dan lugar a esos espectros tienen todos un hecho en común: en cada
compuesto, hidrógenos no equivalentes están separados por al menos un átomo de
carbono ó de oxigeno.
oxigeno
Esos ejemplos fueron elegidos por una buena razón, ya que la presencia de núcleos
de hidrógeno vecinos puede complicar el espectro como resultado de un fenómeno
denominado acoplamiento spin
spin-spin,
spin que puede darnos información estructural
adicional.
La Fig. de la pg. siguiente muestra que el espectro de RMN a 90 MHz del 1,1-dicloro2,2-dietoxietano, tiene cuatro absorciones, características de cuatro conjuntos de
hidrógenos equivalentes entre sí (Ha – Hd). En lugar de señales agudas únicas
(Singuletes), esas señales adoptan patrones más complejos denominados
multipletes:
lti l t
2 absorciones
b
i
d dos
de
d
picos,
i
ó dobletes
d bl t
(
(en
azull y verde);
d ) una de
d
cuatro picos ó cuarteto (en negro); y una de tres picos ó triplete (en rojo). La
apariencia detallada de esos multipletes depende del número y clase de átomos de
hidrógeno directamente adyacentes al núcleo de hidrógeno que da lugar a la
absorción analizada.
Analizados conjuntamente con los desplazamientos químicos y la integral, los
acoplamientos spin
spin-spin,
spin nos ayudan,
ayudan con frecuencia,
frecuencia a establecer la estructura
completa de un compuesto desconocido.
Un núcleo de hídrógeno vecino, divide la señal de un núcleo en resonancia en un
doblete.
Se genera un doblete, porque el hidrógeno bajo observación tiene dos tipos
(magneticamente diferentes) de vecinos. (A) Cuando el núcleo vecino Hb está en su
estado α, adiciona un campo local, hloca, a Ho lo que resulta en un desplazamiento a
campo más bajo del pico de Ha. (B) cuando el núcleo vecino está en su estado β, su
campo local se opone al campo externo, y el pico de Ha se desplaza a campo más
alto. (C) El patrón del pico observado es un doblete centrado en la resonancia
esperada para Ha sin Hb como vecino. El doblete integra para un protón.
Constantes de acoplamiento, J
Siguiendo con el ejemplo del espectro de 1H RMN del 1,1-dicloro-2,2-dietoxietano, la
señal p
para Hb está sujeta
j
a consideraciones similares. Este hidrógeno
g
también tiene
dos tipos de hidrógenos como vecinos: Ha(α) y Ha(β). En consecuencia, sus lineas de
absorción aparecen también en forma de un doblete. Se dice, así que Hb “está
acoplado con Hb”. La cantidad de este acoplamiento mutuo es igual; es decir, que la
distancia (en hertz) entre los dos picos de cada doblete es idéntica. Esta distancia es a
lo que se le denomina Constante de acoplamiento, J. En nuestro ejemplo, Jab = 7
Hz. Puesto que la constante de acoplamiento está relacionada exclusivamente a las
contribuciones al campo magnético por parte de los núcleos vecinos que se
comunican a través de los enlaces intervinientes, es independiente de la fuerza del
campo externo. Las constantes de acoplamiento, J, son, así, constantes e
i d
independiente
di t del
d l instrumento
i t
t del
d l espectrómetro
t ó t de
d RMN usado.
d
En Muchos Casos el Acoplamiento spin-spin Viene Dado por la Regla N+1
Podemos sumarizar nuestro análisis hasta ahora, por un conjunto de reglas simples:
1 Núcleos eq
1.
equivalentes
i alentes locali
localizados
ados ad
adyacentes
acentes a un
n hidrógeno vecino
ecino res
resuenan
enan
como un doblete.
2. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a dos hidrógenos de un segundo
conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un triplete.
triplete
3. Núcleos equivalentes localizados adyacentes a tres hidrógenos de un segundo
conjunto de núcleos equivalentes resuenan como un cuarteto.
Algunas complicaciones
1. Las relaciones exactas de intensidad dictadas por el triángulo de Pascal y la
regla N+1, se observan solamente cuando la diferencia entre los
desplazamientos químicos de los protones acoplados es mucho mayor que su
constante de aciplamiento: Δν J. Bajo esas circunstancias se dice que el
espectro
t
es de
d primer
i
orden.
d
Si embargo,
Sin
b
a medida
did que esas diferencias
dif
i
se
hacen más pequeñas, el patrón esperado para los picos se vé sujeta a una distorción
cada vez mayor..
2. El acoplamiento a vecinos no equivalentes puede modificar la regla simple N+1
3. Intercambio rápido de protón desacopla los hidrógenos del grupo alcohólico
de los alcoholes
Resonancia Magnética Nuclear de Carbono-13 (13C RMN)
RMN bidimensional
HMQC
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 The Nobel Assembly
at Karolinska Institutet has awarded the Nobel Prize in Physiology or
M di i
Medicine
j i tl to
jointly
t Paul
P l Lauterbur
L t b
and
d P
Peter
t M
Mansfield
fi ld for
f
th i
their
discoveries concerning "magnetic resonance imaging
imaging".
". These discoveries
made it possible to develop modern magnetic resonance imaging
imaging,, MRI,
which
hi h represents a breakthrough
b
k h
h in
i medical
di l diagnosticsand
di
i
d research
research.
h.
Worldwide,, more than 60 million investigations with MRI are performed
Worldwide
each year.
year.
P l Lauterbur
Paul
L t b
P t Mansfield
Peter
M
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DIFRACCION DE RAYOS X (Proyección ORTEPT)
Identidad y estructura de una molécula