Espectroscopia de RMN. Aplicaciones de los imanes de espectroscopía de RMN para espectrómetros de RMN
Escisión de alilo- adiccion Constantes de interacción espín-espín entre protones en sistemas alílicos ( 4 j ) que depende en gran medida del ángulo de torsión entre los planos formados por los átomos HC 2 C 3 y C 1 C 2 C 3.
anulares- sistemas conjugados cíclicos.
Moléculas atrópicas- moléculas de compuestos que no producen una corriente de anillo.
Ángulo de enlace (θ) - el ángulo entre dos enlaces de un átomo de carbono.
vecinal interacción - Interacción entre núcleos que están separados por tres enlaces.
Desacoplamiento fuera de resonancia(fuera de desacoplamiento de resonancia) - le permite distinguir entre las señales de los grupos CH 3, CH 2, CH y el átomo de carbono cuaternario. Para observar el desacoplamiento fuera de resonancia, se utiliza una frecuencia cercana al desplazamiento químico, pero que no corresponde a la frecuencia de resonancia de la señal. Esta supresión conlleva una reducción del número de interacciones, hasta el punto de que sólo se registran las directas. j Interacciones (C,H).
geminal interacción - Interacción entre núcleos que están separados por dos enlaces.
Espectroscopia de correlación heteronuclear (HETCOR)- en estos experimentos, los desplazamientos químicos de los espectros de 1 H se sitúan en un eje, mientras que los desplazamientos químicos de 13 C se sitúan en el otro eje. HETCOR - Variante heteronuclear de COSY, que utiliza interacciones heteronucleares indirectas de espín-espín entre 1 H y 13 C.
HMQC - HETeronuclearMultyQuantumCorrelación- matrícula 1 N con desacople desde 13 C.
HSQC - Correlación multicuántica HETeronuclear- Opción HMQC
COLOC - CORrelación Larga (muy larga)
HMBC (correlación de enlaces múltiples heteronucleares)- una variante del experimento HMQC para detectar interacciones heteronucleares espín-espín de largo alcance. HMBC produce una relación señal-ruido más alta que el experimento HMQC.
Relación giromagnética (γ ) - una de las características de las propiedades magnéticas del núcleo.
Interacción homoalílica- interacción a través de 5 enlaces en el sistema alílico.
Más interacción - Interacción entre núcleos que están separados por más de 3 enlaces (normalmente a través de 4-5 enlaces).
Sensor- un dispositivo que proporciona transmisión de pulsos a la muestra y registro de señales de resonancia. Los sensores son de banda ancha y están sintonizados selectivamente. Están instalados en la región activa del imán.
Ángulo diédrico (de torsión)- el ángulo formado por dos planos entre las conexiones consideradas.
Bidimensionalj-espectros. La espectroscopia J bidimensional se caracteriza por la presencia de una coordenada de frecuencia asociada con el SSV y una segunda coordenada asociada con cambios químicos. La más extendida es la representación de contornos de espectros J bidimensionales en dos coordenadas mutuamente perpendiculares.
Espectroscopía de RMN bidimensional - experimentos que utilizan secuencias de pulsos, lo que permite obtener el espectro de RMN en una representación en la que la información se distribuye en dos coordenadas de frecuencia y se enriquece con información sobre la interdependencia de los parámetros de RMN. El resultado es un espectro cuadrado con dos ejes ortogonales y una señal que tiene un máximo en la representación de frecuencia en el punto con coordenadas (, ), es decir, en la diagonal.
escala delta (δ -escala): una escala en la que el desplazamiento químico de los protones TMS se toma como cero.
desplazamiento diamagnético- desplazamiento de la señal resonante a la región del campo débil (valores grandes δ ).
Moléculas diatrópicas- cancelado desde 4 norte+2 electrones π, que según la regla de Hückel son aromáticos.
Doblete - una señal de dos núcleos que interactúan, que está representada en el espectro de RMN 1H por dos líneas de la misma intensidad.
Núcleos isócronos- núcleos que tienen el mismo valor de desplazamiento químico. A menudo son químicamente equivalentes, es decir, tienen el mismo entorno químico.
Intensidad de señal integral(área bajo la curva): medido por un integrador y mostrado en forma de escalones, cuya altura es proporcional al área y muestra número relativo protones.
Espectroscopia pulsada - un método de excitación de núcleos magnéticos: utilizando pulsos de alta frecuencia cortos y potentes (cientos de kilovatios). Un pulso con una frecuencia portadora ν o y una duración t p crea una banda de excitación en el rango de frecuencia +1/t p. Si la duración del pulso es de varios microsegundos y ν o corresponde aproximadamente al centro de la región de frecuencia de resonancia para un tipo determinado de núcleo, entonces la banda cubrirá todo el rango de frecuencia, asegurando la excitación simultánea de todos los núcleos. Como resultado, se registra una onda sinusoidal (ESW) que decae exponencialmente. Contiene información tanto sobre la frecuencia, es decir, de hecho, el desplazamiento químico, como sobre la forma de la línea. La forma más familiar para nosotros, el espectro en representación de frecuencia, se obtiene del SIS mediante un procedimiento matemático llamado transformada de Fourier.
RMN pulsada- un método para excitar núcleos magnéticos mediante pulsos de alta frecuencia cortos y potentes (cientos de kilovatios). Durante el pulso, todos los núcleos simultáneamente se excitan y luego, una vez que se detiene el pulso, los núcleos regresan (se relajan) a su estado fundamental original. La pérdida de energía al relajar los núcleos conduce a la aparición de una señal, que es la suma de señales de todos los núcleos y se describe por una gran cantidad de amortiguados. curvas sinusoidales en una escala de tiempo, cada uno de los cuales corresponde a una determinada frecuencia de resonancia.
Constante de interacción espín-espín (SSIC)- características cuantitativas de la interacción de diferentes núcleos.
Espectroscopia de correlación (COSY) - Experimente con dos pulsos de 90 o. En este tipo de espectroscopia bidimensional, los cambios químicos de los núcleos magnéticos acoplados por espín están correlacionados. La espectroscopia COZY bidimensional, bajo ciertas condiciones, ayuda a revelar la presencia de constantes muy pequeñas que generalmente son invisibles en espectros unidimensionales.
ACOGEDOR- experimentos en los que se varía la duración del pulso. Esto permite reducir el tamaño de los picos diagonales que dificultan la identificación de picos cruzados cercanos (COSY45, COSY60).
DQF-COSY - filtro doble cuantificado - suprime los singletes en la diagonal y las interferencias correspondientes a ellos.
COSYLR (rango largo)- Experimento COZY, que permite determinar interacciones de largo alcance.
tOCSI - TotalCorrelaciónEspectroscopia- modo de disparo, que permite obtener picos cruzados entre todos los espines del sistema en un espectro saturado de señales mediante la transferencia de magnetización a través de enlaces en el fragmento estructural en estudio. Se utiliza con mayor frecuencia para estudiar biomoléculas.
frecuencia de alarma- frecuencia de precesión en RMN.
Magnéticamente equivalente son aquellos núcleos que tienen la misma frecuencia de resonancia y un valor característico común de la constante de interacción espín-espín con los núcleos de cualquier grupo vecino.
Coherencias multicuánticas- estados de superposición, cuando dos o más espines ½ que interactúan se reorientan simultáneamente.
RMN multidimensional- registro de espectros de RMN con más de una escala de frecuencia.
multiplete - una señal de un grupo que aparece como varias líneas.
Interacción de giro indirecto - interacción entre núcleos, que se transmite dentro de la molécula a través de un sistema de enlaces y no se promedia durante el movimiento molecular rápido.
Partículas paramagnéticas - Partículas que contienen un electrón desapareado, que tiene un momento magnético muy grande.
cambio paramagnético- desplazamiento de la señal resonante a la región de un campo fuerte (valores grandes δ ).
Moléculas paratrópicas - cancelado con el número de electrones π igual a 4 norte.
La constante de interacción directa espín-espín es una constante que caracteriza la interacción entre núcleos que están separados por un enlace.
Interacción directa giro-giro- interacción entre núcleos, que se transmite a través del espacio.
Señal resonante - Línea espectral correspondiente a la absorción de energía durante la transición entre estados propios causada por un oscilador de alta frecuencia.
Procesos de relajación - pérdida de energía en el nivel superior y retorno al nivel de energía inferior debido a procesos no radiativos.
CON vipeando- un cambio gradual en el campo magnético, como resultado del cual se logran condiciones de resonancia.
Espectros de primer orden- espectros en los que la diferencia en los desplazamientos químicos de grupos individuales de núcleos magnéticamente equivalentes ν oh significativamente mayor que la constante de interacción espín-espín j .
Relajación de la red de espín - el proceso de relajación (pérdida de energía), cuyo mecanismo está asociado con la interacción con los campos electromagnéticos locales del medio ambiente.
Relajación giro-giro - el proceso de relajación se lleva a cabo como resultado de la transferencia de energía de un núcleo excitado a otro.
Interacción espín-espín de electrones.- interacción resultante de la interacción magnética de diferentes núcleos, que puede transmitirse a través de electrones de enlaces químicos de núcleos directamente no unidos.
Sistema de giro- este es un grupo de núcleos que interactúan entre sí, pero no interactúan con núcleos que no forman parte del sistema de espín.
Cambio químico - desplazamiento de la señal del núcleo en estudio con respecto a la señal de los núcleos de la sustancia estándar.
Núcleos químicamente equivalentes- núcleos que tienen la misma frecuencia de resonancia y el mismo entorno químico.
Camisa - En espectroscopia de RMN, este es el nombre de las bobinas electromagnéticas que crean campos magnéticos de baja intensidad, que corrigen las faltas de homogeneidad en un campo magnético fuerte.
Intercambio de banda ancha(desacoplamiento de banda ancha 1 N) - el uso de una fuerte irradiación, que cubre toda la gama de desplazamientos químicos de protones, para eliminar por completo las 13 interacciones C 1 H.
Blindaje - cambio en la posición de la señal resonante bajo la influencia de campos magnéticos inducidos de otros núcleos.
Efecto Van der Waals- un efecto que se produce durante una fuerte interacción espacial entre un protón y un grupo vecino y provoca una disminución de la simetría esférica de la distribución electrónica y un aumento de la contribución paramagnética al efecto de apantallamiento, lo que, a su vez, conduce a un cambio de la señal a un campo más débil.
efecto zeeman- división de niveles de energía en un campo magnético.
Efecto techo- aumento de la intensidad de las líneas centrales y disminución de la intensidad de las líneas distantes en el multiplete.
Efecto de anisotropía magnética(el llamado cono de anisotropía) es el resultado de la exposición a campos magnéticos inducidos secundarios.
Resonancia cuadrupolar nuclear (NQR) - observado para núcleos con número cuántico de espín I > 1/2 debido a la distribución no esférica de la carga nuclear. Dichos núcleos pueden interactuar con gradientes de campos eléctricos externos, especialmente con gradientes de campos de las capas electrónicas de la molécula en la que se encuentra el núcleo y tener estados de espín caracterizados por diferentes energías incluso en ausencia de un campo magnético externo aplicado.
magnetón nuclear El valor del magnetón nuclear se calcula mediante la fórmula:
Resonancia magnética nuclear(RMN) es un fenómeno físico utilizado para estudiar las propiedades de las moléculas cuando los núcleos atómicos se irradian con ondas de radio en un campo magnético.
factores nucleares - la relación entre la carga de un núcleo y su masa.
La espectroscopia de RMN es un método de análisis no destructivo. Moderno La espectroscopia de Fourier de RMN pulsada permite el análisis a 80 mag. núcleos. La espectroscopia de RMN es una de las principales. Phys.-Chem. métodos de análisis, sus datos se utilizan para una identificación inequívoca como intervalos. productos químicos r-ciones y objetivo in-in. Además de asignaciones estructurales y cantidades. Análisis, la espectroscopia de RMN aporta información sobre equilibrios conformacionales, difusión de átomos y moléculas en sólidos, internos. movimientos, enlaces de hidrógeno y asociación en líquidos, tautomerismo cetoenólico, metalo y prototropía, orden y distribución de unidades en cadenas poliméricas, adsorción de sustancias, estructura electrónica de cristales iónicos, cristales líquidos, etc. La espectroscopia de RMN es una fuente de información. sobre la estructura de los biopolímeros, incluidas las moléculas de proteínas en soluciones, comparable en confiabilidad a los datos del análisis de difracción de rayos X. En los 80s La rápida introducción de los métodos de espectroscopia de RMN y tomografía en la medicina comenzó para el diagnóstico de enfermedades complejas y para el examen médico de la población.
El número y la posición de las líneas en los espectros de RMN caracterizan inequívocamente todas las fracciones del petróleo crudo sintético. cauchos, plásticos, esquisto, carbón, medicinas, drogas, productos químicos. y farmaceutica baile de graduación, etc.
La intensidad y el ancho de la línea de RMN de agua o aceite permiten medir con precisión el contenido de humedad y aceite de las semillas y la seguridad del grano. Al desconectarse de las señales del agua, es posible registrar el contenido de gluten en cada grano, lo que, al igual que el análisis del contenido de aceite, permite una selección agrícola acelerada. cultivos
El uso de imanes cada vez más fuertes. Los campos (hasta 14 T en dispositivos en serie y hasta 19 T en instalaciones experimentales) brindan la capacidad de determinar completamente la estructura de las moléculas de proteínas en soluciones, análisis rápido de biol. fluidos (concentraciones de metabolitos endógenos en sangre, orina, linfa, líquido cefalorraquídeo), control de calidad de nuevos materiales poliméricos. En este caso se utilizan numerosas variantes de la espectroscopia espectroscópica de Fourier multicuántica y multidimensional. técnicas.
El fenómeno RMN fue descubierto por F. Bloch y E. Purcell (1946), por lo que recibieron el Premio Nobel (1952).
El fenómeno de la resonancia magnética nuclear se puede utilizar no sólo en física y química, sino también en medicina: el cuerpo humano es un conjunto de las mismas moléculas orgánicas e inorgánicas.
Para observar este fenómeno, se coloca un objeto en un campo magnético constante y se expone a radiofrecuencia y campos magnéticos gradientes. En la bobina inductora que rodea el objeto en estudio, surge una fuerza electromotriz alterna (EMF), cuyo espectro de amplitud-frecuencia y características transitorias en el tiempo transportan información sobre la densidad espacial de los núcleos atómicos resonantes, así como otros parámetros específicos solo de resonancia magnética nuclear. El procesamiento informático de esta información genera una imagen tridimensional que caracteriza la densidad de núcleos químicamente equivalentes, los tiempos de relajación de la resonancia magnética nuclear, la distribución de los caudales de fluidos, la difusión de moléculas y los procesos metabólicos bioquímicos en los tejidos vivos.
La esencia de la introscopia de RMN (o resonancia magnética) es, de hecho, la implementación de un tipo especial de análisis cuantitativo de la amplitud de la señal de resonancia magnética nuclear. En la espectroscopia de RMN convencional se intenta conseguir la mejor resolución posible de las líneas espectrales. Para lograr esto, los sistemas magnéticos se ajustan de tal manera que se cree la mejor uniformidad de campo posible dentro de la muestra. Por el contrario, en los métodos de introscopia de RMN el campo magnético creado es evidentemente no uniforme. Entonces hay motivos para esperar que la frecuencia de la resonancia magnética nuclear en cada punto de la muestra tenga su propio valor, diferente de los valores en otras partes. Al configurar cualquier código para las gradaciones de amplitud de las señales de RMN (brillo o color en la pantalla del monitor), puede obtener una imagen convencional (tomograma) de secciones de la estructura interna de un objeto.
La introscopia de RMN y la tomografía de RMN fueron inventadas por primera vez en el mundo en 1960 por V. A. Ivanov. Un experto incompetente rechazó la solicitud de invención (método y dispositivo) "... debido a la evidente inutilidad de la solución propuesta", por lo que el certificado de derechos de autor se emitió sólo más de 10 años después. Así, se reconoce oficialmente que el autor de la tomografía por RMN no es el equipo de premios Nobel que se enumeran a continuación, sino un científico ruso. A pesar de este hecho jurídico, el Premio Nobel de tomografía por RMN no fue otorgado a V. A. Ivanov. Dispositivos espectrales
Para un estudio preciso de los espectros, ya no son suficientes dispositivos tan simples como una estrecha rendija que limita el haz de luz y un prisma. Se necesitan instrumentos que proporcionen un espectro claro, es decir, instrumentos que puedan separar bien ondas de diferentes longitudes y que no permitan que partes individuales del espectro se superpongan. Estos dispositivos se denominan dispositivos espectrales. Muy a menudo, la parte principal del aparato espectral es un prisma o una red de difracción.
RESONANCIA PARAMAGNÉTICA ELECTRÓNICA
La esencia del método.
La esencia del fenómeno de la resonancia paramagnética electrónica es la absorción resonante de radiación electromagnética por electrones desapareados. Un electrón tiene un espín y un momento magnético asociado.
Si colocamos un radical libre con un momento angular resultante J en un campo magnético con una fuerza B 0 , entonces para J distinto de cero, se elimina la degeneración en el campo magnético y, como resultado de la interacción con el campo magnético, 2J+1 Surgen niveles, cuya posición se describe mediante la expresión: W =gβB 0 M, (donde M = +J, +J-1, …-J) y está determinada por la interacción Zeeman del campo magnético con el momento magnético. J. La división de los niveles de energía de los electrones se muestra en la figura.
Niveles de energía y transiciones permitidas para un átomo con espín nuclear 1 en un campo constante (A) y alterno (B).
Si ahora aplicamos un campo electromagnético con frecuencia ν, polarizado en un plano perpendicular al vector del campo magnético B 0, al centro paramagnético, entonces provocará transiciones dipolares magnéticas que obedecen a la regla de selección ΔM = 1. Cuando la energía del La transición electrónica coincide con la energía de la onda fotoelectromagnética, se producirá una reacción resonante de absorción de la radiación de microondas. Por tanto, la condición de resonancia está determinada por la relación fundamental de resonancia magnética.
La absorción de energía del campo de microondas se observa si hay una diferencia de población entre los niveles.
En el equilibrio térmico, hay una pequeña diferencia en las poblaciones de los niveles de Zeeman, determinada por la distribución de Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). En tal sistema, cuando se excitan las transiciones, la igualdad de las poblaciones de subniveles de energía debería ocurrir muy rápidamente y la absorción del campo de microondas debería desaparecer. Sin embargo, en realidad existen muchos mecanismos de interacción diferentes, como resultado de los cuales el electrón pasa sin radiación a su estado original. El efecto de una intensidad de absorción constante con una potencia creciente se produce debido a que los electrones no tienen tiempo para relajarse y se llama saturación. La saturación aparece con una alta potencia de radiación de microondas y puede distorsionar significativamente los resultados de medir la concentración de centros mediante el método EPR.
Valor del método
El método EPR proporciona información única sobre los centros paramagnéticos. Distingue claramente los iones de impurezas incluidos isomórficamente en la red de las microinclusiones. En este caso, se obtiene información completa sobre un ion determinado en el cristal: valencia, coordinación, simetría local, hibridación de electrones, cuántas y en qué posiciones estructurales de electrones está incluido, la orientación de los ejes del campo cristalino en la ubicación de este ion, una característica completa del campo cristalino e información detallada sobre el enlace químico. Y, lo que es muy importante, el método permite determinar la concentración de centros paramagnéticos en regiones del cristal con diferentes estructuras.
Pero el espectro EPR no es sólo una característica de un ion en un cristal, sino también del propio cristal, características de la distribución de la densidad electrónica, campo cristalino, ionicidad-covalencia en un cristal y, finalmente, simplemente una característica diagnóstica de un mineral, ya que cada ion en cada mineral tiene sus propios parámetros únicos. En este caso, el centro paramagnético es una especie de sonda que proporciona las características espectroscópicas y estructurales de su microambiente.
Esta propiedad se utiliza en el llamado. el método de etiquetas y sondas de espín, basado en la introducción de un centro paramagnético estable en el sistema en estudio. Como tal centro paramagnético, por regla general, se utiliza un radical nitroxilo, caracterizado por anisotrópico gramo Y A tensores.
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear es uno de los métodos más comunes y muy sensibles para determinar la estructura de compuestos orgánicos, lo que permite obtener información no solo sobre la composición cualitativa y cuantitativa, sino también sobre la ubicación de los átomos entre sí. Varias técnicas de RMN tienen muchas posibilidades para determinar la estructura química de sustancias, estados de confirmación de moléculas, efectos de influencia mutua y transformaciones intramoleculares.
El método de resonancia magnética nuclear tiene una serie de características distintivas: a diferencia de los espectros moleculares ópticos, la absorción de radiación electromagnética por una sustancia se produce en un campo magnético externo fuerte y uniforme. Además, para realizar un estudio de RMN, el experimento debe cumplir una serie de condiciones que reflejen los principios generales de la espectroscopia de RMN:
1) el registro de espectros de RMN sólo es posible para núcleos atómicos con su propio momento magnético o los llamados núcleos magnéticos, en los que el número de protones y neutrones es tal que el número másico de los núcleos isotópicos es impar. Todos los núcleos con un número de masa impar tienen espín I, cuyo valor es 1/2. Entonces, para los núcleos 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R el valor de espín es igual a 1/2, para los núcleos 7 Li, 23 Na, 39 K y 4 l R el espín es igual a 3/2 . Los núcleos con un número de masa par no tienen ningún espín si la carga nuclear es par, o tienen valores de espín enteros si la carga es impar. Sólo aquellos núcleos cuyo espín es I 0 pueden producir un espectro de RMN.
La presencia de espín está asociada a la circulación de la carga atómica alrededor del núcleo, por tanto, surge un momento magnético. μ . Una carga giratoria (por ejemplo, un protón) con momento angular J crea un momento magnético μ=γ*J . El momento nuclear angular J y el momento magnético μ que surgen durante la rotación se pueden representar como vectores. Su relación constante se llama relación giromagnética γ. Es esta constante la que determina la frecuencia de resonancia del núcleo (Fig. 1.1).
Figura 1.1 - Una carga giratoria con un momento angular J crea un momento magnético μ=γ*J.
2) el método de RMN examina la absorción o emisión de energía en condiciones inusuales de formación del espectro: a diferencia de otros métodos espectrales. El espectro de RMN se registra a partir de una sustancia ubicada en un fuerte campo magnético uniforme. Dichos núcleos en un campo externo tienen diferentes valores de energía potencial dependiendo de varios ángulos de orientación posibles (cuantizados) del vector μ en relación con el vector de intensidad del campo magnético externo H 0 . En ausencia de un campo magnético externo, los momentos magnéticos o espines de los núcleos no tienen una orientación específica. Si se colocan núcleos magnéticos con espín 1/2 en un campo magnético, entonces algunos de los espines nucleares estarán ubicados paralelos a las líneas del campo magnético y la otra parte antiparalela. Estas dos orientaciones ya no son energéticamente equivalentes y se dice que los espines están distribuidos en dos niveles de energía.
Los espines con un momento magnético orientado a lo largo del campo +1/2 se designan con el símbolo | α >, con orientación antiparalela al campo externo -1/2 - símbolo | β > (Figura 1.2) .
Figura 1.2 - Formación de niveles de energía cuando se aplica un campo externo H 0.
1.2.1 Espectroscopia de RMN en núcleos de 1 H. Parámetros de los espectros de PMR.
Para descifrar los datos de los espectros de 1H NMR y asignar señales, se utilizan las principales características de los espectros: desplazamiento químico, constante de interacción espín-espín, intensidad de señal integrada, ancho de señal [57].
A) Desplazamiento químico (C.C). escala H.S. El desplazamiento químico es la distancia entre esta señal y la señal de la sustancia de referencia, expresada en partes por millón de la intensidad del campo externo.
El tetrametilsilano [TMS, Si(CH 3) 4], que contiene 12 protones estructuralmente equivalentes y altamente protegidos, se utiliza con mayor frecuencia como estándar para medir los desplazamientos químicos de los protones.
B) Constante de interacción giro-giro. En los espectros de RMN de alta resolución, se observa división de la señal. Esta división o estructura fina en espectros de alta resolución resulta de interacciones de espín-espín entre núcleos magnéticos. Este fenómeno, junto con el desplazamiento químico, constituye la fuente más importante de información sobre la estructura de moléculas orgánicas complejas y la distribución de la nube de electrones en ellas. No depende de H0, sino de la estructura electrónica de la molécula. La señal de un núcleo magnético que interactúa con otro núcleo magnético se divide en varias líneas dependiendo del número de estados de espín, es decir, Depende de los espines de los núcleos I.
La distancia entre estas líneas caracteriza la energía de acoplamiento espín-espín entre núcleos y se denomina constante de acoplamiento espín-espín n J, donde norte-el número de enlaces que separan los núcleos que interactúan.
Hay constantes directas J HH, constantes geminales 2 J HH , constantes vecinales 3 J HH y algunas constantes de largo alcance 4 J HH , 5JHH.
- Las constantes geminales 2 J HH pueden ser tanto positivas como negativas y ocupan el rango de -30 Hz a +40 Hz.
Las constantes vecinales 3 J HH ocupan el rango 0 20 Hz; casi siempre son positivos. Se ha establecido que la interacción vecinal en sistemas saturados depende en gran medida del ángulo entre los enlaces carbono-hidrógeno, es decir, del ángulo diédrico (Fig. 1.3).
Figura 1.3 - Ángulo diédrico φ entre enlaces carbono-hidrógeno.
Interacción giro-giro de largo alcance (4 J HH , 5JHH ) - interacción de dos núcleos separados por cuatro o más enlaces; las constantes de dicha interacción suelen ser de 0 a +3 Hz.
Tabla 1.1 – Constantes de interacción espín-espín
B) Intensidad de señal integrada. El área de las señales es proporcional al número de núcleos magnéticos que resuenan a una intensidad de campo determinada, de modo que la relación de las áreas de las señales da el número relativo de protones de cada variedad estructural y se denomina intensidad de señal integrada. Los espectrómetros modernos utilizan integradores especiales, cuyas lecturas se registran en forma de curva, cuya altura es proporcional al área de las señales correspondientes.
D) Ancho de líneas. Para caracterizar el ancho de las líneas, se acostumbra medir el ancho a una distancia de la mitad de la altura desde la línea cero del espectro. El ancho de línea observado experimentalmente consiste en el ancho de línea natural, que depende de la estructura y la movilidad, y el ensanchamiento por razones instrumentales.
El ancho de línea habitual en PMR es de 0,1 a 0,3 Hz, pero puede aumentar debido a la superposición de transiciones adyacentes, que no coinciden exactamente, pero no se resuelven como líneas separadas. El ensanchamiento es posible en presencia de núcleos con espín superior a 1/2 e intercambio químico.
1.2.2 Aplicación de datos de 1 H NMR para determinar la estructura de moléculas orgánicas.
Al resolver una serie de problemas de análisis estructural, además de tablas de valores empíricos, Kh.S. Puede resultar útil cuantificar los efectos de sustituyentes vecinos en Ch.S. según la regla de aditividad de las contribuciones efectivas de selección. En este caso, generalmente se tienen en cuenta los sustituyentes que no están a más de 2-3 enlaces de un protón determinado y el cálculo se realiza mediante la fórmula:
δ=δ 0 +ε yo *δ yo (3)
donde δ 0 es el desplazamiento químico de protones del grupo estándar;
δi es la contribución de la detección por parte del sustituyente.
1.3 Espectroscopia de RMN 13 C. Obtención y modos de registro de espectros.
Los primeros informes sobre la observación de 13 C NMR aparecieron en 1957, pero la transformación de la espectroscopia de 13 C NMR en un método de investigación analítica prácticamente utilizado comenzó mucho más tarde.
La resonancia magnética 13 C y 1 H tienen mucho en común, pero también diferencias significativas. El isótopo de carbono más común, el 12 C, tiene I=0. El isótopo 13 C tiene I=1/2, pero su contenido natural es del 1,1%. Esto se suma al hecho de que la relación giromagnética de los núcleos de 13 C es 1/4 de la relación giromagnética de los protones. Lo que reduce la sensibilidad del método en experimentos de observación de 13 C NMR en 6000 veces en comparación con los núcleos de 1 H.
a) sin suprimir la interacción espín-espín con los protones. Los espectros de 13 C NMR obtenidos en ausencia de una supresión completa de la resonancia de espín-espín con protones se denominaron espectros de alta resolución. Estos espectros contienen información completa sobre las constantes 13 C - 1 H. En moléculas relativamente simples, ambos tipos de constantes, directas y de largo alcance, se encuentran de manera bastante simple. Entonces, 1 J (C-H) es 125 - 250 Hz; sin embargo, la interacción espín-espín también puede ocurrir con protones más distantes con constantes inferiores a 20 Hz.
b) supresión completa de la interacción espín-espín con protones. El primer gran avance en el campo de la espectroscopia de 13 C NMR está asociado con el uso de la supresión completa de la interacción espín-espín con protones. El uso de la supresión completa de la interacción espín-espín con protones conduce a la fusión de multipletes con la formación de líneas singletes si no hay otros núcleos magnéticos en la molécula, como 19 F y 31 P.
c) supresión incompleta de la interacción espín-espín con protones. Sin embargo, utilizar el modo de desacoplamiento completo de los protones tiene sus inconvenientes. Dado que todas las señales de carbono ahora están en forma de singletes, se pierde toda la información sobre las constantes de interacción espín-espín 13 C- 1 H. Se propone un método que permite restaurar parcialmente la información sobre las constantes de interacción espín-espín directa 13 C- 1 H y al mismo tiempo conservar una mayor parte de los beneficios del desacoplamiento de banda ancha. En este caso, aparecerán escisiones en los espectros debido a las constantes directas de la interacción espín-espín 13 C - 1 H. Este procedimiento permite detectar señales de átomos de carbono no protonados, ya que estos últimos no tienen protones directamente asociados con 13 C y aparecen en el espectro con desacoplamiento incompleto de los protones como singletes.
d) modulación de la constante de interacción CH, espectro JMODCH. Un problema tradicional en la espectroscopia de RMN de 13C es determinar el número de protones asociados con cada átomo de carbono, es decir, el grado de protonación del átomo de carbono. La supresión parcial por protones permite separar la señal de carbono de la multiplicidad causada por las constantes de interacción espín-espín de largo alcance y obtener una división de la señal debido a las constantes de acoplamiento directo 13 C-1 H. Sin embargo, en el caso de sistemas de espín fuertemente acoplados AB y la superposición de multipletes en el modo OFFR dificulta la resolución inequívoca de las señales.
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es la herramienta más poderosa para dilucidar la estructura de sustancias orgánicas. En este tipo de espectroscopia, la muestra en estudio se coloca en un campo magnético y se irradia con radiación electromagnética de radiofrecuencia.
(haga clic para ver el escaneo)
Arroz. 11-13. Protones en un campo magnético: a - en ausencia de campo magnético; b - en un campo magnético externo; c - en un campo magnético externo después de la absorción de radiación de radiofrecuencia (los espines ocupan un nivel de energía más alto)
radiación. Los átomos de hidrógeno en diferentes partes de la molécula absorben radiación de diferentes longitudes de onda (frecuencias). En determinadas condiciones, otros átomos también pueden absorber radiación de radiofrecuencia, pero nos limitaremos a considerar la espectroscopia de átomos de hidrógeno como el tipo más importante y común de espectroscopia de RMN.
El núcleo de un átomo de hidrógeno consta de un protón. Este protón gira alrededor de su eje y, como cualquier objeto cargado en rotación, es un imán. En ausencia de un campo magnético externo, los espines de los protones están orientados aleatoriamente, pero en un campo magnético sólo son posibles dos orientaciones de espín (figura 11-13), que se denominan estados de espín. Los estados de espín en los que el momento magnético (mostrado por la flecha) está orientado a lo largo del campo tienen una energía ligeramente menor que los estados de espín en los que el momento magnético está orientado contra el campo. La diferencia de energía entre los dos estados de espín corresponde a la energía de un fotón de radiación de radiofrecuencia. Cuando esta radiación incide sobre la muestra en estudio, los protones pasan de un nivel de energía inferior a uno superior y se absorbe energía.
Los átomos de hidrógeno en una molécula se encuentran en diferentes ambientes químicos. Algunos forman parte de grupos metilo, otros están conectados a átomos de oxígeno o a un anillo de benceno, otros se sitúan junto a dobles enlaces, etc. Esta pequeña diferencia en el entorno electrónico es suficiente para cambiar la diferencia de energía entre los estados de espín y, por tanto, la frecuencia de radiación absorbida.
El espectro de RMN surge como resultado de la absorción de radiación de radiofrecuencia por una sustancia ubicada en un campo magnético. La espectroscopia de RMN permite distinguir entre átomos de hidrógeno en una molécula que se encuentran en diferentes entornos químicos.
espectros de RMN
Al escanear la frecuencia de radiación en ciertos valores de frecuencia, se observa la absorción de radiación por los átomos de hidrógeno en la molécula; el valor específico de la frecuencia de absorción depende del entorno de los átomos.
Arroz. 11-14. Espectro de RMN típico: a - espectro; b - curva integral que da el área del pico
hidrógeno. Sabiendo en qué región del espectro se ubican los picos de absorción de ciertos tipos de átomos de hidrógeno, es posible sacar ciertas conclusiones sobre la estructura de la molécula. En la Fig. Las figuras 11 a 14 muestran un espectro de RMN típico de una sustancia en la que hay tres tipos de átomos de hidrógeno. La posición de las señales en la escala de desplazamiento químico 5 se mide en partes por millón (ppm) de radiofrecuencia. Normalmente todas las señales se encuentran en el área de la Fig. 11-14, los desplazamientos químicos de las señales son 1,0, 3,5 y La parte derecha del espectro se llama región de campo alto y la izquierda se llama región de campo bajo. En los espectros de RMN, los picos tradicionalmente se muestran apuntando hacia arriba en lugar de hacia abajo, como en los espectros de IR.
Para interpretar el espectro y obtener información estructural del mismo, son importantes tres tipos de parámetros espectrales:
1) posición de la señal en la escala (caracteriza el tipo de átomo de hidrógeno);
2) área de señal (caracteriza el número de átomos de hidrógeno de un tipo determinado);
3) multiplicidad (forma) de la señal (caracteriza el número de átomos de hidrógeno de otros tipos ubicados cerca).
Echemos un vistazo más de cerca a estos parámetros usando el ejemplo del espectro del cloroetano (Fig. 11-15). En primer lugar, prestemos atención a la posición de las señales en el espectro o, en otras palabras, a los valores de los desplazamientos químicos. La señal a (protones del grupo está en 1,0 ppm, lo que
Arroz. 11-15. Espectro de RMN del cloroetano.
(ver escaneo)
indica que estos átomos de hidrógeno no están ubicados al lado de un átomo electronegativo, mientras que el desplazamiento de la señal b (protones del grupo ) es Los valores de los desplazamientos químicos de los grupos que ocurren con frecuencia deben recordarse de la misma manera que las frecuencias de Bandas de absorción en espectros IR. Los cambios químicos más importantes se dan en la tabla. 11-2.
Luego analizamos el área de los picos, que es proporcional al número de átomos de hidrógeno de un tipo determinado. En la Fig. De 11 a 15 áreas relativas se indican con números entre paréntesis. Se definen mediante la curva integral ubicada encima del espectro. El área de la señal es proporcional a la altura del "escalón" de la curva integral. En el espectro que estamos analizando, la proporción de áreas de señal es 2:3, lo que corresponde a la proporción entre el número de protones de metileno y el número de protones de metilo.
Finalmente, considere la forma o estructura de las señales, que generalmente se llama multiplicidad. La señal del grupo metilo es un triplete (tres picos), mientras que la señal del grupo metileno es de cuatro picos (cuarteto). La multiplicidad proporciona información sobre cuántos átomos de hidrógeno están unidos a un átomo de carbono adyacente. El número de picos en un multiplete es siempre uno mayor que el número de átomos de hidrógeno del átomo de carbono vecino (tabla 11-3).
Por lo tanto, si hay una señal singlete en el espectro, esto significa que la molécula de la sustancia incluye un grupo de átomos de hidrógeno, cerca del cual no hay otros átomos de hidrógeno. En el espectro de la Fig. 11-15 la señal del grupo megil es un triplete. Esto significa que hay dos átomos de hidrógeno adyacentes al átomo de carbono.
Asimismo, la señal del grupo metileno es un cuarteto porque hay tres átomos de hidrógeno en la vecindad.
Es útil aprender a predecir el espectro de RMN esperado basándose en la fórmula estructural de una sustancia. Una vez dominado este procedimiento, es fácil pasar a resolver el problema inverso: establecer la estructura de una sustancia a partir de su espectro de RMN. A continuación verá ejemplos de predicción de espectros basados en la estructura. Luego se le pedirá que interprete los espectros para determinar la estructura de la sustancia desconocida.
Predicción de espectros de RMN basada en fórmula estructural.
Para predecir los espectros de RMN, siga estos procedimientos.
1. Dibuja la fórmula estructural completa de la sustancia.
2. Encierra en un círculo los átomos de hidrógeno equivalentes. Determine el número de átomos de hidrógeno de cada tipo.
3. Usando la mesa. 11-2 (o tu memoria), determina los valores aproximados de los desplazamientos químicos de las señales de cada tipo de átomo de hidrógeno.
(haga clic para ver el escaneo)
Espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectroscopia de RMN- un método espectroscópico para estudiar objetos químicos, utilizando el fenómeno de la resonancia magnética nuclear. El fenómeno de la RMN fue descubierto en 1946 por los físicos estadounidenses F. Bloch y E. Purcell. Los más importantes para la química y las aplicaciones prácticas son la espectroscopia de resonancia magnética de protones (espectroscopia PMR), así como la espectroscopia de RMN sobre carbono-13 (espectroscopia de RMN 13 C), flúor-19 (espectroscopia de RMN 19 F), fósforo-31 (31 P Espectroscopia de RMN). Si un elemento tiene un número atómico impar o un isótopo de cualquier elemento (par par) tiene un número de masa impar, el núcleo de dicho elemento tiene un espín diferente de cero. De un estado excitado a un estado normal, los núcleos pueden regresar, transfiriendo energía de excitación a la "red" circundante, que en este caso significa electrones o átomos de un tipo diferente a los que se están estudiando. Este mecanismo de transferencia de energía se llama relajación de la red de espín y su eficiencia se puede caracterizar por un T1 constante, llamado tiempo de relajación de la red de espín.
Estas características hacen de la espectroscopia de RMN una herramienta conveniente tanto en química orgánica teórica como para el análisis de objetos biológicos.
Técnica básica de RMN
Se coloca una muestra de una sustancia para RMN en un tubo de vidrio de paredes delgadas (ampolla). Cuando se coloca en un campo magnético, los núcleos activos de RMN (como 1 H o 13 C) absorben energía electromagnética. La frecuencia de resonancia, la energía de absorción y la intensidad de la señal emitida son proporcionales a la fuerza del campo magnético. Así, en un campo de 21 Tesla, un protón resuena a una frecuencia de 900 MHz.
Cambio químico
Dependiendo del entorno electrónico local, los diferentes protones de una molécula resuenan a frecuencias ligeramente diferentes. Dado que tanto este cambio de frecuencia como la frecuencia de resonancia fundamental son directamente proporcionales a la magnitud de la inducción del campo magnético, este desplazamiento se convierte en una cantidad adimensional independiente del campo magnético, conocida como cambio químico. El cambio químico se define como un cambio relativo con respecto a algunas muestras de referencia. El cambio de frecuencia es extremadamente pequeño en comparación con la frecuencia principal de RMN. El cambio de frecuencia típico es de 100 Hz, mientras que la frecuencia base de RMN es del orden de 100 MHz. Por tanto, el desplazamiento químico suele expresarse en partes por millón (ppm). Para detectar una diferencia de frecuencia tan pequeña, el campo magnético aplicado debe ser constante dentro del volumen de muestra.
Dado que un cambio químico depende de la estructura química de una sustancia, se utiliza para obtener información estructural sobre las moléculas de una muestra. Por ejemplo, el espectro del etanol (CH 3 CH 2 OH) da 3 señales distintivas, es decir, 3 desplazamientos químicos: uno para el grupo CH 3, el segundo para el grupo CH 2 y el último para OH. El desplazamiento típico para un grupo CH 3 es de aproximadamente 1 ppm, para un grupo CH 2 unido a OH es de 4 ppm y para OH es de aproximadamente 2-3 ppm.
Debido al movimiento molecular a temperatura ambiente, las señales de los 3 protones metílicos se promedian durante el proceso de RMN, que dura sólo unos pocos milisegundos. Estos protones degeneran y forman picos en el mismo cambio químico. El software le permite analizar el tamaño de los picos para comprender cuántos protones contribuyen a estos picos.
Interacción giro-giro
La información más útil para determinar la estructura en un espectro de RMN unidimensional la proporciona la denominada interacción espín-espín entre núcleos de RMN activos. Esta interacción resulta de transiciones entre diferentes estados de espín de los núcleos en moléculas químicas, lo que resulta en la división de las señales de RMN. Esta división puede ser simple o compleja y, como consecuencia, puede ser fácil de interpretar o resultar confusa para el experimentador.
Esta unión proporciona información detallada sobre los enlaces de los átomos en la molécula.
Interacción de segundo orden (fuerte)
El acoplamiento espín-espín simple supone que la constante de acoplamiento es pequeña en comparación con la diferencia en los cambios químicos entre las señales. Si la diferencia de desplazamiento disminuye (o la constante de interacción aumenta), la intensidad de los multipletes de muestra se distorsiona y se vuelve más difícil de analizar (especialmente si el sistema contiene más de 2 espines). Sin embargo, en los espectrómetros de RMN de alta potencia la distorsión suele ser moderada y esto permite interpretar fácilmente los picos asociados.
Los efectos de segundo orden disminuyen a medida que aumenta la diferencia de frecuencia entre los multipletes, por lo que un espectro de RMN de alta frecuencia muestra menos distorsión que un espectro de baja frecuencia.
Aplicación de la espectroscopia de RMN al estudio de proteínas.
La mayoría de las innovaciones recientes en espectroscopia de RMN se realizan en la llamada espectroscopia de proteínas por RMN, que se está convirtiendo en una técnica muy importante en la biología y la medicina modernas. Un objetivo común es obtener estructuras de proteínas tridimensionales de alta resolución, similares a las imágenes obtenidas en cristalografía de rayos X. Debido a la presencia de más átomos en una molécula de proteína en comparación con un compuesto orgánico simple, el espectro básico del 1H está lleno de señales superpuestas, lo que hace imposible el análisis directo del espectro. Por ello, se han desarrollado técnicas multidimensionales para solucionar este problema.
Para mejorar los resultados de estos experimentos, se utiliza el método del átomo marcado utilizando 13 C o 15 N. De esta manera, es posible obtener un espectro 3D de una muestra de proteína, lo que se ha convertido en un gran avance en los productos farmacéuticos modernos. Recientemente, se han generalizado las técnicas (con ventajas y desventajas) para obtener espectros 4D y espectros de mayores dimensiones, basadas en métodos de muestreo no lineales con posterior restauración de la señal de decadencia de inducción libre mediante técnicas matemáticas especiales.
Análisis cuantitativo de RMN
En el análisis cuantitativo de soluciones, el área del pico se puede utilizar como medida de concentración en el método del gráfico de calibración o en el método de adición. También se conocen métodos en los que un gráfico graduado refleja la dependencia de la concentración del desplazamiento químico. El uso del método RMN en el análisis inorgánico se basa en el hecho de que en presencia de sustancias paramagnéticas el tiempo de relajación nuclear se acelera. La medición de la tasa de relajación se puede realizar mediante varios métodos, uno fiable y universal es, por ejemplo, la versión pulsada del método de RMN o, como se le suele llamar, el método de eco de espín. Al medir con este método, se aplican pulsos de radiofrecuencia de corta duración a la muestra en estudio en un campo magnético a ciertos intervalos en la región de absorción resonante. Aparece una señal de eco de espín en la bobina receptora, cuya amplitud máxima está relacionada al tiempo de relajación mediante una simple relación. Para realizar determinaciones analíticas convencionales no es necesario encontrar los valores absolutos de las tasas de relajación. En estos casos podemos limitarnos a medir alguna cantidad proporcional a ellos, por ejemplo, la amplitud de la señal de absorción resonante. Las mediciones de amplitud se pueden realizar utilizando equipos simples y más accesibles. Una ventaja significativa del método RMN es la amplia gama de valores del parámetro medido. Utilizando la configuración del eco de espín, el tiempo de relajación se puede determinar entre 0,00001 y 100 s. con un error del 3...5%. Esto permite determinar la concentración de una solución en un rango muy amplio de 1...2 a 0,000001...0000001 mol/l. La técnica analítica más utilizada es el método del gráfico de calibración.
