Espectroscopia de RMN. RMN para tontos, o Diez datos básicos sobre la resonancia magnética nuclear Tecnología básica de RMN

1. La esencia del fenómeno.

   En primer lugar, cabe señalar que, aunque el nombre de este fenómeno contiene la palabra "nuclear", la RMN no tiene nada que ver con la física nuclear y no tiene ninguna relación con la radiactividad. Si hablamos de una descripción estricta, entonces no se puede prescindir de las leyes de la mecánica cuántica. Según estas leyes, la energía de interacción del núcleo magnético con un campo magnético externo sólo puede tomar unos pocos valores discretos. Si los núcleos magnéticos se irradian con un campo magnético alterno, cuya frecuencia corresponde a la diferencia entre estos niveles de energía discretos, expresada en unidades de frecuencia, entonces los núcleos magnéticos comienzan a moverse de un nivel a otro, mientras absorben la energía del campo magnético alterno. campo. Este es el fenómeno de la resonancia magnética. Esta explicación es formalmente correcta, pero no muy clara. Hay otra explicación, sin mecánica cuántica. El núcleo magnético puede imaginarse como una bola cargada eléctricamente que gira alrededor de su eje (aunque, estrictamente hablando, no es así). Según las leyes de la electrodinámica, la rotación de una carga conduce a la aparición de un campo magnético, es decir, un momento magnético del núcleo, que se dirige a lo largo del eje de rotación. Si este momento magnético se coloca en un campo externo constante, entonces el vector de este momento comienza a preceder, es decir, a girar alrededor de la dirección del campo externo. De la misma manera, el eje de la parte superior gira (gira) alrededor de la vertical, si no se desenrosca estrictamente verticalmente, sino en un cierto ángulo. En este caso, el papel del campo magnético lo desempeña la fuerza de gravedad.

   La frecuencia de precesión está determinada tanto por las propiedades del núcleo como por la intensidad del campo magnético: cuanto más fuerte es el campo, mayor es la frecuencia. Luego, si, además de un campo magnético externo constante, el núcleo se ve afectado por un campo magnético alterno, entonces el núcleo comienza a interactuar con este campo: parece hacer que el núcleo se balancee con más fuerza, la amplitud de precesión aumenta y el núcleo Absorbe la energía del campo alterno. Sin embargo, esto sólo sucederá bajo la condición de resonancia, es decir, la coincidencia de la frecuencia de precesión y la frecuencia del campo alterno externo. Esto es similar al ejemplo clásico de física escolar: soldados cruzando un puente. Si la frecuencia del paso coincide con la frecuencia natural del puente, entonces el puente oscila cada vez más. Experimentalmente, este fenómeno se manifiesta en la dependencia de la absorción de un campo alterno de su frecuencia. En el momento de la resonancia, la absorción aumenta considerablemente y el espectro de resonancia magnética más simple se ve así:

   

2. Espectroscopía de transformada de Fourier

   Los primeros espectrómetros de RMN funcionaron exactamente como se describe anteriormente: la muestra se colocó en un campo magnético constante y se le aplicó radiación de radiofrecuencia continuamente. Entonces, la frecuencia del campo alterno o la intensidad del campo magnético constante variaron suavemente. La absorción de energía del campo alterno se registró mediante un puente de radiofrecuencia, cuya señal se enviaba a una grabadora u osciloscopio. Pero este método de grabación de señales no se utiliza desde hace mucho tiempo. En los espectrómetros de RMN modernos, el espectro se registra mediante pulsos. Los momentos magnéticos de los núcleos se excitan mediante un impulso breve y potente, después del cual se registra la señal inducida en la bobina de RF por los momentos magnéticos que preceden libremente. Esta señal disminuye gradualmente hasta cero a medida que los momentos magnéticos vuelven al equilibrio (este proceso se llama relajación magnética). El espectro de RMN se obtiene a partir de esta señal mediante transformada de Fourier. Este es un procedimiento matemático estándar que permite descomponer cualquier señal en armónicos de frecuencia y así obtener el espectro de frecuencia de esta señal. Este método de grabar el espectro le permite reducir significativamente el nivel de ruido y realizar experimentos mucho más rápido.

   

   Un emocionante pulso para registrar un espectro es el experimento de RMN más simple. Sin embargo, en un experimento puede haber muchos pulsos de diferentes duraciones, amplitudes, con diferentes retrasos entre ellos, etc., dependiendo de qué tipo de manipulaciones deba realizar el investigador con el sistema de momentos magnéticos nucleares. Sin embargo, casi todas estas secuencias de pulsos terminan en lo mismo: registrar una señal de precesión libre seguida de una transformada de Fourier.

3. Interacciones magnéticas en la materia.

   La resonancia magnética en sí misma no sería más que un fenómeno físico interesante si no fuera por las interacciones magnéticas de los núcleos entre sí y con la capa electrónica de la molécula. Estas interacciones afectan los parámetros de resonancia y, con su ayuda, el método de RMN puede proporcionar una variedad de información sobre las propiedades de las moléculas: su orientación, estructura espacial (conformación), interacciones intermoleculares, intercambio químico, dinámica de rotación y traslación. Gracias a esto, la RMN se ha convertido en una herramienta muy poderosa para el estudio de sustancias a nivel molecular, que es ampliamente utilizada no solo en física, sino principalmente en química y biología molecular. Un ejemplo de una de esas interacciones es el llamado desplazamiento químico. Su esencia es la siguiente: la capa electrónica de una molécula responde a un campo magnético externo e intenta protegerlo; en todas las sustancias diamagnéticas se produce un apantallamiento parcial del campo magnético. Esto significa que el campo magnético en la molécula diferirá del campo magnético externo en una cantidad muy pequeña, lo que se denomina desplazamiento químico. Sin embargo, las propiedades de la capa de electrones en diferentes partes de la molécula son diferentes y el desplazamiento químico también es diferente. En consecuencia, las condiciones de resonancia para los núcleos en diferentes partes de la molécula también serán diferentes. Esto permite distinguir núcleos químicamente no equivalentes en el espectro. Por ejemplo, si tomamos el espectro de los núcleos de hidrógeno (protones) del agua pura, entonces solo habrá una línea, ya que ambos protones en la molécula de H 2 O son exactamente iguales. Pero para el alcohol metílico CH 3 OH ya habrá dos líneas en el espectro (si descuidamos otras interacciones magnéticas), ya que hay dos tipos de protones: los protones del grupo metilo CH 3 y el protón asociado con el átomo de oxígeno. A medida que las moléculas se vuelven más complejas, el número de líneas aumentará, y si tomamos una molécula tan grande y compleja como una proteína, en este caso el espectro se verá así:

   

4. Núcleos magnéticos

   La RMN se puede observar en diferentes núcleos, pero hay que decir que no todos los núcleos tienen un momento magnético. A menudo sucede que algunos isótopos tienen un momento magnético, pero otros isótopos del mismo núcleo no. En total, hay más de cien isótopos de diversos elementos químicos que tienen núcleos magnéticos, pero en la investigación normalmente no se utilizan más de 1520 núcleos magnéticos, todo lo demás es exótico. Cada núcleo tiene su propia relación característica de campo magnético y frecuencia de precesión, llamada relación giromagnética. Para todos los núcleos estas relaciones son conocidas. Con ellos se puede seleccionar la frecuencia a la que, bajo un campo magnético determinado, se observará la señal de los núcleos que el investigador necesita.

   Los núcleos más importantes para la RMN son los protones. Son los más abundantes en la naturaleza y tienen una sensibilidad muy alta. Los núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno son muy importantes para la química y la biología, pero los científicos no han tenido mucha suerte con ellos: los isótopos más comunes de carbono y oxígeno, 12 C y 16 O, no tienen momento magnético, el natural El isótopo del nitrógeno 14 N tiene un momento, pero por varias razones es muy inconveniente para los experimentos. Hay isótopos 13 C, 15 N y 17 O que son adecuados para experimentos de RMN, pero su abundancia natural es muy baja y su sensibilidad es muy baja en comparación con los protones. Por lo tanto, a menudo se preparan muestras especiales enriquecidas con isótopos para estudios de RMN, en las que el isótopo natural de un núcleo particular se reemplaza por el necesario para los experimentos. En la mayoría de los casos, este trámite es muy difícil y costoso, pero en ocasiones es la única oportunidad de obtener la información necesaria.

5. Resonancia electrónica paramagnética y cuadrupolar.

   Hablando de RMN, no se pueden dejar de mencionar otros dos fenómenos físicos relacionados: la resonancia paramagnética electrónica (EPR) y la resonancia cuadrupolar nuclear (NQR). La EPR es esencialmente similar a la RMN, la diferencia es que la resonancia se observa en los momentos magnéticos no de los núcleos atómicos, sino de la capa electrónica del átomo. La EPR solo se puede observar en aquellas moléculas o grupos químicos cuya capa electrónica contiene el llamado electrón desapareado, entonces la capa tiene un momento magnético distinto de cero. Estas sustancias se denominan paramagnetos. La EPR, al igual que la RMN, también se utiliza para estudiar diversas propiedades estructurales y dinámicas de sustancias a nivel molecular, pero su ámbito de uso es mucho más limitado. Esto se debe principalmente al hecho de que la mayoría de las moléculas, especialmente en la naturaleza viva, no contienen electrones desapareados. En algunos casos, se puede utilizar la llamada sonda paramagnética, es decir, un grupo químico con un electrón desapareado que se une a la molécula en estudio. Pero este enfoque tiene desventajas obvias que limitan las capacidades de este método. Además, la EPR no tiene una resolución espectral tan alta (es decir, la capacidad de distinguir una línea de otra en el espectro) como la RMN.

   Es más difícil explicar la naturaleza del NQR "con los dedos". Algunos núcleos tienen lo que se llama un momento cuadripolar eléctrico. Este momento caracteriza la desviación de la distribución de la carga eléctrica del núcleo de la simetría esférica. La interacción de este momento con el gradiente del campo eléctrico creado por la estructura cristalina de la sustancia conduce a la división de los niveles de energía del núcleo. En este caso, se puede observar una resonancia en una frecuencia correspondiente a las transiciones entre estos niveles. A diferencia de NMR y EPR, NQR no requiere un campo magnético externo, ya que la división de niveles se produce sin él. El NQR también se utiliza para estudiar sustancias, pero su ámbito de aplicación es incluso más limitado que el del EPR.

6. Ventajas y desventajas de la RMN

   

   La RMN es el método más potente e informativo para estudiar moléculas. Estrictamente hablando, este no es un método, sino una gran cantidad de diferentes tipos de experimentos, es decir, secuencias de pulsos. Aunque todos se basan en el fenómeno de la RMN, cada uno de estos experimentos está diseñado para obtener alguna información específica. El número de estos experimentos se mide en decenas, si no en cientos. Teóricamente, la RMN puede, si no todo, casi todo lo que pueden hacer todos los demás métodos experimentales para estudiar la estructura y la dinámica de las moléculas, aunque en la práctica esto es factible, por supuesto, no siempre. Una de las principales ventajas de la RMN es que, por un lado, sus sondas naturales, es decir, los núcleos magnéticos, se distribuyen por toda la molécula y, por otro lado, permite distinguir estos núcleos entre sí y obtener datos espacialmente selectivos. sobre las propiedades de la molécula. Casi todos los demás métodos proporcionan información promediada sobre toda la molécula o sólo sobre una parte de ella.

   La RMN tiene dos desventajas principales. En primer lugar, su sensibilidad es baja en comparación con la mayoría de los otros métodos experimentales (espectroscopia óptica, fluorescencia, EPR, etc.). Esto lleva al hecho de que para promediar el ruido, la señal debe acumularse durante mucho tiempo. En algunos casos, un experimento de RMN puede llevarse a cabo incluso durante varias semanas. En segundo lugar, es caro. Los espectrómetros de RMN se encuentran entre los instrumentos científicos más caros y cuestan al menos cientos de miles de dólares, y los espectrómetros más caros cuestan varios millones. No todos los laboratorios, especialmente en Rusia, pueden permitirse el lujo de disponer de este tipo de equipamiento científico.

7. Imanes para espectrómetros de RMN

   Una de las partes más importantes y caras del espectrómetro es el imán, que crea un campo magnético constante. Cuanto más fuerte es el campo, mayor es la sensibilidad y la resolución espectral, por lo que los científicos e ingenieros intentan constantemente conseguir campos lo más altos posible. El campo magnético es creado por la corriente eléctrica en el solenoide: cuanto más fuerte es la corriente, mayor es el campo. Sin embargo, es imposible aumentar la corriente indefinidamente; a una corriente muy alta, el cable del solenoide simplemente comenzará a derretirse. Por eso, desde hace mucho tiempo, los espectrómetros de RMN de alto campo utilizan imanes superconductores, es decir, imanes en los que el cable del solenoide se encuentra en estado superconductor. En este caso, la resistencia eléctrica del cable es cero y no se libera energía en ningún valor de corriente. El estado superconductor sólo puede alcanzarse a temperaturas muy bajas, apenas unos pocos grados Kelvin, la temperatura del helio líquido. (La superconductividad a alta temperatura sigue siendo dominio de la investigación puramente fundamental). Es con el mantenimiento de una temperatura tan baja que se asocian todas las dificultades técnicas en el diseño y producción de imanes, que los encarecen. Un imán superconductor se construye según el principio de una matrioska termo. El solenoide está ubicado en el centro, en la cámara de vacío. Está rodeado por una capa que contiene helio líquido. Esta capa está rodeada por una capa de nitrógeno líquido a través de una capa de vacío. La temperatura del nitrógeno líquido es de -196 grados centígrados; se necesita nitrógeno para que el helio se evapore lo más lentamente posible. Finalmente, la capa de nitrógeno se aísla de la temperatura ambiente mediante una capa de vacío externa. Un sistema de este tipo es capaz de mantener la temperatura deseada de un imán superconductor durante mucho tiempo, aunque para ello es necesario añadir periódicamente nitrógeno líquido y helio al imán. La ventaja de estos imanes, además de la capacidad de obtener campos magnéticos elevados, es también que no consumen energía: después de encender el imán, la corriente pasa a través de cables superconductores prácticamente sin pérdidas durante muchos años.

8. Tomografía

   En los espectrómetros de RMN convencionales se intenta que el campo magnético sea lo más uniforme posible, esto es necesario para mejorar la resolución espectral. Pero si, por el contrario, el campo magnético dentro de la muestra se vuelve muy heterogéneo, esto abre posibilidades fundamentalmente nuevas para el uso de la RMN. La falta de homogeneidad del campo se debe a las llamadas bobinas de gradiente, que funcionan en conjunto con el imán principal. En este caso, la magnitud del campo magnético en diferentes partes de la muestra será diferente, lo que significa que la señal de RMN no se puede observar en toda la muestra, como en un espectrómetro convencional, sino solo en su capa estrecha, para lo cual Se cumplen las condiciones de resonancia, es decir, la relación deseada entre campo magnético y frecuencia. Al cambiar la magnitud del campo magnético (o, que es esencialmente lo mismo, la frecuencia de observación de la señal), se puede cambiar la capa que producirá la señal. De esta forma, es posible “escanear” la muestra en todo su volumen y “ver” su estructura tridimensional interna sin destruir la muestra de ninguna forma mecánica. Hasta la fecha se han desarrollado una gran cantidad de técnicas que permiten medir diversos parámetros de RMN (características espectrales, tiempos de relajación magnética, tasa de autodifusión y algunos otros) con resolución espacial dentro de la muestra. La aplicación más interesante e importante, desde un punto de vista práctico, de la tomografía por RMN se encontró en medicina. En este caso, el “espécimen” que se estudia es el cuerpo humano. Las imágenes por RMN son una de las herramientas de diagnóstico más efectivas y seguras (pero también costosas) en diversos campos de la medicina, desde la oncología hasta la obstetricia. Es interesante observar que los médicos no utilizan la palabra "nuclear" en el nombre de este método, porque algunos pacientes lo asocian con reacciones nucleares y la bomba atómica.

9. Historia del descubrimiento

   

   Se considera que el año del descubrimiento de la RMN es 1945, cuando los estadounidenses Felix Bloch de Stanford y, independientemente de él, Edward Purcell y Robert Pound de Harvard observaron por primera vez la señal de RMN en los protones. En ese momento, ya se sabía mucho sobre la naturaleza del magnetismo nuclear, el efecto de la RMN en sí se había predicho teóricamente y se habían hecho varios intentos de observarlo experimentalmente. Es importante señalar que un año antes en la Unión Soviética, en Kazán, Evgeniy Zavoisky descubrió el fenómeno EPR. Ahora es bien sabido que Zavoisky también observó la señal de RMN, esto fue antes de la guerra, en 1941. Sin embargo, tenía a su disposición un imán de baja calidad con poca uniformidad de campo; los resultados eran poco reproducibles y, por tanto, no se publicaron. Para ser justos, cabe señalar que Zavoisky no fue el único que observó la RMN antes de su descubrimiento "oficial". En particular, el físico estadounidense Isidor Rabi (premio Nobel en 1944 por su estudio de las propiedades magnéticas de los núcleos en haces atómicos y moleculares) también observó la RMN a finales de los años 30, pero la consideró un artefacto instrumental. De una forma u otra, nuestro país mantiene la prioridad en la detección experimental de resonancia magnética. Aunque el propio Zavoisky comenzó a abordar otros problemas poco después de la guerra, su descubrimiento jugó un papel muy importante en el desarrollo de la ciencia en Kazán. Kazán sigue siendo uno de los principales centros científicos del mundo en espectroscopía EPR.

10. Premios Nobel en Resonancia Magnética

    En la primera mitad del siglo XX se concedieron varios premios Nobel a científicos sin cuyo trabajo no habría sido posible el descubrimiento de la RMN. Entre ellos se encuentran Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Pero hubo cuatro premios Nobel directamente relacionados con la RMN. En 1952, el premio fue concedido a Felix Bloch y Edward Purcell por el descubrimiento de la resonancia magnética nuclear. Este es el único Premio Nobel de Física “RMN”. En 1991, el premio de química lo recibió el suizo Richard Ernst, que trabajaba en la famosa ETH de Zúrich. Se lo concedió por el desarrollo de métodos de espectroscopía de RMN multidimensional, que permitieron aumentar radicalmente el contenido de información de los experimentos de RMN. En 2002, el ganador del premio, también en química, fue Kurt Wüthrich, que trabajó con Ernst en edificios vecinos de la misma escuela técnica. Recibió el premio por desarrollar métodos para determinar la estructura tridimensional de proteínas en solución. Anteriormente, el único método para determinar la conformación espacial de grandes biomacromoléculas era el análisis de difracción de rayos X. Finalmente, en 2003, el estadounidense Paul Lauterbur y el inglés Peter Mansfield recibieron el premio médico por la invención de la tomografía por RMN. El descubridor soviético del EPR, E. K. Zavoisky, lamentablemente, no recibió el Premio Nobel.

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 la amplitud de las señales de RMN (brillo o color en la pantalla del monitor), se puede obtener una imagen convencional (tomograma) de secciones de la estructura interna del 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.

espectroscopia de RMN

Espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectroscopia de RMN- un método espectroscópico para estudiar objetos químicos, utilizando el fenómeno de la resonancia magnética nuclear. 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 de carbono-13 (espectroscopia de RMN de 13 C), el flúor-19 (espectroscopia de infrarrojos, la RMN revela información sobre la estructura molecular de los productos químicos). , proporciona información más completa que IS, lo que permite estudiar procesos dinámicos en una muestra: determinar las constantes de velocidad de las reacciones químicas, el valor de las barreras de energía a la rotación intramolecular... Estas características hacen de la espectroscopia de RMN una herramienta conveniente tanto en química orgánica teórica y 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 intensidad 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 CH3 es de aproximadamente 1 ppm, para un grupo CH2 unido a OH-4 ppm y 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. El objetivo general es obtener la estructura tridimensional de una proteína en alta resolución, similar 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 1D básico 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 (que tienen ventajas y desventajas) para obtener espectros 4D y espectros de dimensiones superiores, basadas en métodos de muestreo no lineales con posterior restauración de la señal de decadencia de inducción libre mediante técnicas matemáticas especiales.

Literatura

• Gunter X. Curso de introducción a la espectroscopia de RMN. - Por. De inglés - M., 1984.

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es “espectroscopia de RMN” en otros diccionarios:

Espectroscopia de resonancia magnética nuclear en núcleos de carbono 13, La espectroscopia de RMN 13C es uno de los métodos de espectroscopia de RMN que utiliza núcleos del isótopo de carbono 13C. El núcleo de 13C tiene un espín de 1/2 en su estado fundamental, su contenido en la naturaleza... ... Wikipedia

Imagen de un cerebro humano en un tomógrafo médico de RMN Absorción resonante de energía electromagnética por resonancia magnética nuclear (RMN) por una sustancia que contiene núcleos con espín distinto de cero en un campo magnético externo, causada por la reorientación ... ... Wikipedia

espectroscopia de RMN

espectroscopia de RMN

espectroscopia de resonancia magnética- magnetinio branduolių rezonanso spektroskopija statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Spektroskopija, pagrįsta kietųjų, skystųjų ir dujinių medžiagų magnetinio branduolių rezonanso reiškiniu. atitikmenys: inglés. RMN... ... Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

Resonancia magnética nuclear espectroscópica- branduolinio magnetinio rezonanso spektroskopija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. espectroscopia de RMN; espectroscopia de resonancia magnética nuclear vok. magnetische Kernresonanzspektroskopie, f; RMN Spektroskopie, f rus. espectroscopia de energía nuclear… Fizikos terminų žodynas

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Un conjunto de métodos de investigación. en VA según los espectros de absorción de sus átomos, iones y moléculas. revista. ondas de radio. La radiación incluye métodos paramagnéticos de electrones. resonancia (EPR), magnética nuclear. resonancia (RMN), resonancia ciclotrón, etc... Ciencias Naturales. diccionario enciclopédico

Imagen de un cerebro humano en un tomógrafo médico de RMN Absorción o emisión resonante de energía electromagnética por resonancia magnética nuclear (RMN) por una sustancia que contiene núcleos con espín distinto de cero en un campo magnético externo, a una frecuencia ν ... ... Wikipedia

1. La esencia del fenómeno

En primer lugar, cabe señalar que, aunque el nombre de este fenómeno contiene la palabra "nuclear", la RMN no tiene nada que ver con la física nuclear y no tiene ninguna relación con la radiactividad. Si hablamos de una descripción estricta, entonces no se puede prescindir de las leyes de la mecánica cuántica. Según estas leyes, la energía de interacción del núcleo magnético con un campo magnético externo sólo puede tomar unos pocos valores discretos. Si los núcleos magnéticos se irradian con un campo magnético alterno, cuya frecuencia corresponde a la diferencia entre estos niveles de energía discretos, expresada en unidades de frecuencia, entonces los núcleos magnéticos comienzan a moverse de un nivel a otro, mientras absorben la energía del campo magnético alterno. campo. Este es el fenómeno de la resonancia magnética. Esta explicación es formalmente correcta, pero no muy clara. Hay otra explicación, sin mecánica cuántica. El núcleo magnético puede imaginarse como una bola cargada eléctricamente que gira alrededor de su eje (aunque, estrictamente hablando, no es así). Según las leyes de la electrodinámica, la rotación de una carga conduce a la aparición de un campo magnético, es decir, un momento magnético del núcleo, que se dirige a lo largo del eje de rotación. Si este momento magnético se coloca en un campo externo constante, entonces el vector de este momento comienza a preceder, es decir, a girar alrededor de la dirección del campo externo. De la misma manera, el eje de la parte superior gira (gira) alrededor de la vertical, si no se desenrosca estrictamente verticalmente, sino en un cierto ángulo. En este caso, el papel del campo magnético lo desempeña la fuerza de gravedad.

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La frecuencia de precesión está determinada tanto por las propiedades del núcleo como por la intensidad del campo magnético: cuanto más fuerte es el campo, mayor es la frecuencia. Luego, si, además de un campo magnético externo constante, el núcleo se ve afectado por un campo magnético alterno, entonces el núcleo comienza a interactuar con este campo: parece hacer que el núcleo se balancee con más fuerza, la amplitud de precesión aumenta y el núcleo Absorbe la energía del campo alterno. Sin embargo, esto sólo sucederá bajo la condición de resonancia, es decir, la coincidencia de la frecuencia de precesión y la frecuencia del campo alterno externo. Esto es similar al ejemplo clásico de física escolar: soldados cruzando un puente. Si la frecuencia del paso coincide con la frecuencia natural del puente, entonces el puente oscila cada vez más. Experimentalmente, este fenómeno se manifiesta en la dependencia de la absorción de un campo alterno de su frecuencia. En el momento de la resonancia, la absorción aumenta considerablemente y el espectro de resonancia magnética más simple se ve así:

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2. espectroscopia de Fourier

Los primeros espectrómetros de RMN funcionaron exactamente como se describe anteriormente: la muestra se colocó en un campo magnético constante y se le aplicó radiación de radiofrecuencia continuamente. Entonces, la frecuencia del campo alterno o la intensidad del campo magnético constante variaron suavemente. La absorción de energía del campo alterno se registró mediante un puente de radiofrecuencia, cuya señal se enviaba a una grabadora u osciloscopio. Pero este método de grabación de señales no se utiliza desde hace mucho tiempo. En los espectrómetros de RMN modernos, el espectro se registra mediante pulsos. Los momentos magnéticos de los núcleos se excitan mediante un impulso breve y potente, después del cual se registra la señal inducida en la bobina de RF por los momentos magnéticos que preceden libremente. Esta señal disminuye gradualmente hasta cero a medida que los momentos magnéticos vuelven al equilibrio (este proceso se llama relajación magnética). El espectro de RMN se obtiene a partir de esta señal mediante transformada de Fourier. Este es un procedimiento matemático estándar que permite descomponer cualquier señal en armónicos de frecuencia y así obtener el espectro de frecuencia de esta señal. Este método de grabar el espectro le permite reducir significativamente el nivel de ruido y realizar experimentos mucho más rápido.

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Un pulso de excitación para registrar un espectro es el experimento de RMN más simple. Sin embargo, en un experimento puede haber muchos pulsos de diferentes duraciones, amplitudes, con diferentes retrasos entre ellos, etc., dependiendo de qué tipo de manipulaciones deba realizar el investigador con el sistema de momentos magnéticos nucleares. Sin embargo, casi todas estas secuencias de pulsos terminan en lo mismo: la grabación de una señal de precesión libre seguida de una transformada de Fourier.

3. Interacciones magnéticas en la materia.

La resonancia magnética en sí misma no sería más que un fenómeno físico interesante si no fuera por las interacciones magnéticas de los núcleos entre sí y con la capa electrónica de la molécula. Estas interacciones afectan los parámetros de resonancia y, con su ayuda, el método de RMN puede proporcionar una variedad de información sobre las propiedades de las moléculas: su orientación, estructura espacial (conformación), interacciones intermoleculares, intercambio químico, dinámica de rotación y traslación. Gracias a esto, la RMN se ha convertido en una herramienta muy poderosa para el estudio de sustancias a nivel molecular, que es ampliamente utilizada no solo en física, sino principalmente en química y biología molecular. Un ejemplo de una de esas interacciones es el llamado desplazamiento químico. Su esencia es la siguiente: la capa electrónica de una molécula responde a un campo magnético externo e intenta protegerlo; en todas las sustancias diamagnéticas se produce un apantallamiento parcial del campo magnético. Esto significa que el campo magnético en la molécula diferirá del campo magnético externo en una cantidad muy pequeña, lo que se denomina desplazamiento químico. Sin embargo, las propiedades de la capa de electrones en diferentes partes de la molécula son diferentes y el desplazamiento químico también es diferente. En consecuencia, las condiciones de resonancia para los núcleos en diferentes partes de la molécula también serán diferentes. Esto permite distinguir núcleos químicamente no equivalentes en el espectro. Por ejemplo, si tomamos el espectro de los núcleos de hidrógeno (protones) del agua pura, entonces solo habrá una línea, ya que ambos protones en la molécula de H 2 O son exactamente iguales. Pero para el alcohol metílico CH 3 OH ya habrá dos líneas en el espectro (si descuidamos otras interacciones magnéticas), ya que hay dos tipos de protones: los protones del grupo metilo CH 3 y el protón asociado con el átomo de oxígeno. A medida que las moléculas se vuelven más complejas, el número de líneas aumentará, y si tomamos una molécula tan grande y compleja como una proteína, en este caso el espectro se verá así:

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4. Núcleos magnéticos

La RMN se puede observar en diferentes núcleos, pero hay que decir que no todos los núcleos tienen un momento magnético. A menudo sucede que algunos isótopos tienen un momento magnético, pero otros isótopos del mismo núcleo no. En total, hay más de cien isótopos de diversos elementos químicos que tienen núcleos magnéticos, pero en la investigación normalmente no se utilizan más de 1520 núcleos magnéticos, todo lo demás es exótico. Cada núcleo tiene su propia relación característica de campo magnético y frecuencia de precesión, llamada relación giromagnética. Para todos los núcleos estas relaciones son conocidas. Con ellos se puede seleccionar la frecuencia a la que, bajo un campo magnético determinado, se observará la señal de los núcleos que el investigador necesita.

Los núcleos más importantes para la RMN son los protones. Son los más abundantes en la naturaleza y tienen una sensibilidad muy alta. Los núcleos de carbono, nitrógeno y oxígeno son muy importantes para la química y la biología, pero los científicos no han tenido mucha suerte con ellos: los isótopos más comunes de carbono y oxígeno, 12 C y 16 O, no tienen momento magnético, el natural El isótopo del nitrógeno 14N tiene un momento, pero por varias razones es muy inconveniente para los experimentos. Hay isótopos 13 C, 15 N y 17 O que son adecuados para experimentos de RMN, pero su abundancia natural es muy baja y su sensibilidad es muy baja en comparación con los protones. Por lo tanto, a menudo se preparan muestras especiales enriquecidas con isótopos para estudios de RMN, en las que el isótopo natural de un núcleo particular se reemplaza por el necesario para los experimentos. En la mayoría de los casos, este trámite es muy difícil y costoso, pero en ocasiones es la única oportunidad de obtener la información necesaria.

5. Resonancia electrónica paramagnética y cuadrupolar

Hablando de RMN, no se pueden dejar de mencionar otros dos fenómenos físicos relacionados: la resonancia paramagnética electrónica (EPR) y la resonancia cuadrupolar nuclear (NQR). La EPR es esencialmente similar a la RMN, la diferencia es que la resonancia se observa en los momentos magnéticos no de los núcleos atómicos, sino de la capa electrónica del átomo. La EPR solo se puede observar en aquellas moléculas o grupos químicos cuya capa electrónica contiene el llamado electrón desapareado, entonces la capa tiene un momento magnético distinto de cero. Estas sustancias se denominan paramagnetos. La EPR, al igual que la RMN, también se utiliza para estudiar diversas propiedades estructurales y dinámicas de sustancias a nivel molecular, pero su ámbito de uso es mucho más limitado. Esto se debe principalmente al hecho de que la mayoría de las moléculas, especialmente en la naturaleza viva, no contienen electrones desapareados. En algunos casos, se puede utilizar la llamada sonda paramagnética, es decir, un grupo químico con un electrón desapareado que se une a la molécula en estudio. Pero este enfoque tiene desventajas obvias que limitan las capacidades de este método. Además, la EPR no tiene una resolución espectral tan alta (es decir, la capacidad de distinguir una línea de otra en el espectro) como la RMN.

Es más difícil explicar la naturaleza del NQR "con los dedos". Algunos núcleos tienen lo que se llama un momento cuadripolar eléctrico. Este momento caracteriza la desviación de la distribución de la carga eléctrica del núcleo de la simetría esférica. La interacción de este momento con el gradiente del campo eléctrico creado por la estructura cristalina de la sustancia conduce a la división de los niveles de energía del núcleo. En este caso, se puede observar una resonancia en una frecuencia correspondiente a las transiciones entre estos niveles. A diferencia de NMR y EPR, NQR no requiere un campo magnético externo, ya que la división de niveles se produce sin él. El NQR también se utiliza para estudiar sustancias, pero su ámbito de aplicación es incluso más limitado que el del EPR.

6. Ventajas y desventajas de la RMN

La RMN es el método más potente e informativo para estudiar moléculas. Estrictamente hablando, este no es un método, sino una gran cantidad de diferentes tipos de experimentos, es decir, secuencias de pulsos. Aunque todos se basan en el fenómeno de la RMN, cada uno de estos experimentos está diseñado para obtener alguna información específica. El número de estos experimentos se mide en decenas, si no en cientos. Teóricamente, la RMN puede, si no todo, casi todo lo que pueden hacer todos los demás métodos experimentales para estudiar la estructura y la dinámica de las moléculas, aunque en la práctica esto es factible, por supuesto, no siempre. Una de las principales ventajas de la RMN es que, por un lado, sus sondas naturales, es decir, los núcleos magnéticos, se distribuyen por toda la molécula y, por otro lado, permite distinguir estos núcleos entre sí y obtener datos espacialmente selectivos. sobre las propiedades de la molécula. Casi todos los demás métodos proporcionan información promediada sobre toda la molécula o sólo sobre una parte de ella.

La RMN tiene dos desventajas principales. En primer lugar, su sensibilidad es baja en comparación con la mayoría de los otros métodos experimentales (espectroscopia óptica, fluorescencia, EPR, etc.). Esto lleva al hecho de que para promediar el ruido, la señal debe acumularse durante mucho tiempo. En algunos casos, un experimento de RMN puede llevarse a cabo incluso durante varias semanas. En segundo lugar, es caro. Los espectrómetros de RMN se encuentran entre los instrumentos científicos más caros y cuestan al menos cientos de miles de dólares, y los espectrómetros más caros cuestan varios millones. No todos los laboratorios, especialmente en Rusia, pueden permitirse el lujo de disponer de este tipo de equipamiento científico.

7. Imanes para espectrómetros de RMN

Una de las partes más importantes y caras del espectrómetro es el imán, que crea un campo magnético constante. Cuanto más fuerte es el campo, mayor es la sensibilidad y la resolución espectral, por lo que los científicos e ingenieros intentan constantemente conseguir campos lo más altos posible. El campo magnético es creado por la corriente eléctrica en el solenoide: cuanto más fuerte es la corriente, mayor es el campo. Sin embargo, es imposible aumentar la corriente indefinidamente; a una corriente muy alta, el cable del solenoide simplemente comenzará a derretirse. Por eso, desde hace mucho tiempo, los espectrómetros de RMN de alto campo utilizan imanes superconductores, es decir, imanes en los que el cable del solenoide se encuentra en estado superconductor. En este caso, la resistencia eléctrica del cable es cero y no se libera energía en ningún valor de corriente. El estado superconductor sólo puede alcanzarse a temperaturas muy bajas, apenas unos pocos grados Kelvin, la temperatura del helio líquido. (La superconductividad a alta temperatura sigue siendo dominio de la investigación puramente fundamental). Precisamente con el mantenimiento de una temperatura tan baja están asociadas todas las dificultades técnicas en el diseño y producción de imanes, que los encarecen. Un imán superconductor se construye según el principio de una matrioska termo. El solenoide está ubicado en el centro, en la cámara de vacío. Está rodeado por una capa que contiene helio líquido. Esta capa está rodeada por una capa de nitrógeno líquido a través de una capa de vacío. La temperatura del nitrógeno líquido es de -196 grados centígrados; se necesita nitrógeno para que el helio se evapore lo más lentamente posible. Finalmente, la capa de nitrógeno se aísla de la temperatura ambiente mediante una capa de vacío externa. Un sistema de este tipo es capaz de mantener la temperatura deseada de un imán superconductor durante mucho tiempo, aunque para ello es necesario añadir periódicamente nitrógeno líquido y helio al imán. La ventaja de estos imanes, además de la capacidad de obtener campos magnéticos elevados, es también que no consumen energía: después de encender el imán, la corriente pasa a través de cables superconductores prácticamente sin pérdidas durante muchos años.

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8. Tomografía

En los espectrómetros de RMN convencionales se intenta que el campo magnético sea lo más uniforme posible, esto es necesario para mejorar la resolución espectral. Pero si, por el contrario, el campo magnético dentro de la muestra se vuelve muy heterogéneo, esto abre posibilidades fundamentalmente nuevas para el uso de la RMN. La falta de homogeneidad del campo se debe a las llamadas bobinas de gradiente, que funcionan en conjunto con el imán principal. En este caso, la magnitud del campo magnético en diferentes partes de la muestra será diferente, lo que significa que la señal de RMN no se puede observar en toda la muestra, como en un espectrómetro convencional, sino solo en su capa estrecha, para lo cual Se cumplen las condiciones de resonancia, es decir, la relación deseada entre campo magnético y frecuencia. Al cambiar la magnitud del campo magnético (o, que es esencialmente lo mismo, la frecuencia de observación de la señal), se puede cambiar la capa que producirá la señal. De esta forma, es posible “escanear” la muestra en todo su volumen y “ver” su estructura tridimensional interna sin destruir la muestra de ninguna forma mecánica. Hasta la fecha se han desarrollado una gran cantidad de técnicas que permiten medir diversos parámetros de RMN (características espectrales, tiempos de relajación magnética, tasa de autodifusión y algunos otros) con resolución espacial dentro de la muestra. La aplicación más interesante e importante, desde un punto de vista práctico, de la tomografía por RMN se encontró en medicina. En este caso, el “espécimen” que se estudia es el cuerpo humano. Las imágenes por RMN son una de las herramientas de diagnóstico más efectivas y seguras (pero también costosas) en diversos campos de la medicina, desde la oncología hasta la obstetricia. Es interesante observar que los médicos no utilizan la palabra "nuclear" en el nombre de este método, porque algunos pacientes lo asocian con reacciones nucleares y la bomba atómica.

9. Historia del descubrimiento

Se considera que el año del descubrimiento de la RMN es 1945, cuando los estadounidenses Felix Bloch de Stanford y, independientemente de él, Edward Purcell y Robert Pound de Harvard observaron por primera vez la señal de RMN en los protones. En ese momento, ya se sabía mucho sobre la naturaleza del magnetismo nuclear, el efecto de la RMN en sí se había predicho teóricamente y se habían hecho varios intentos de observarlo experimentalmente. Es importante señalar que un año antes en la Unión Soviética, en Kazán, Evgeniy Zavoisky descubrió el fenómeno EPR. Ahora es bien sabido que Zavoisky también observó la señal de RMN, esto fue antes de la guerra, en 1941. Sin embargo, tenía a su disposición un imán de baja calidad con poca uniformidad de campo; los resultados eran poco reproducibles y, por tanto, no se publicaron. Para ser justos, cabe señalar que Zavoisky no fue el único que observó la RMN antes de su descubrimiento "oficial". En particular, el físico estadounidense Isidor Rabi (premio Nobel en 1944 por su estudio de las propiedades magnéticas de los núcleos en haces atómicos y moleculares) también observó la RMN a finales de los años 30, pero la consideró un artefacto instrumental. De una forma u otra, nuestro país mantiene la prioridad en la detección experimental de resonancia magnética. Aunque el propio Zavoisky comenzó a abordar otros problemas poco después de la guerra, su descubrimiento jugó un papel muy importante en el desarrollo de la ciencia en Kazán. Kazán sigue siendo uno de los principales centros científicos del mundo en espectroscopía EPR.

10. Premios Nobel de Resonancia Magnética

En la primera mitad del siglo XX se concedieron varios premios Nobel a científicos sin cuyo trabajo no habría sido posible el descubrimiento de la RMN. Entre ellos se encuentran Peter Zeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Pero hubo cuatro premios Nobel directamente relacionados con la RMN. En 1952, el premio fue concedido a Felix Bloch y Edward Purcell por el descubrimiento de la resonancia magnética nuclear. Este es el único Premio Nobel de Física “RMN”. En 1991, el premio de química lo recibió el suizo Richard Ernst, que trabajaba en la famosa ETH de Zúrich. Se lo concedió por el desarrollo de métodos de espectroscopía de RMN multidimensional, que permitieron aumentar radicalmente el contenido de información de los experimentos de RMN. En 2002, el ganador del premio, también en química, fue Kurt Wüthrich, que trabajó con Ernst en edificios vecinos de la misma escuela técnica. Recibió el premio por desarrollar métodos para determinar la estructura tridimensional de proteínas en solución. Anteriormente, el único método para determinar la conformación espacial de grandes biomacromoléculas era el análisis de difracción de rayos X. Finalmente, en 2003, el estadounidense Paul Lauterbur y el inglés Peter Mansfield recibieron el premio médico por la invención de la tomografía por RMN. El descubridor soviético del EPR, E. K. Zavoisky, lamentablemente, no recibió el Premio Nobel.

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 serán paralelos a las líneas del campo magnético y la otra parte será 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.