RMN. Resonancia Magnética Nuclear La RMN es un fenómeno que ocurre cuando el núcleo de ciertos...

RMN

Resonancia Magnética Nuclear

La RMN es un fenómeno que ocurre cuando el núcleo de ciertos átomos inmersos en un campo magnético

estático, son expuestos a un segundo campo magnético.

1H, 13C, 15N, 31P

Características RMNUso de muestras no cristalizadas estructura en solución

Posibilidad de aplicar a moléculas sin cristales disponibles.

Amplio rango de condiciones experimentales

16% de proteínas determinadas por RMN

Determinación de estructuras de tamaño limitado (35-40 KDa)

¿Porqué estudiar RMN?

•Elucidación Estructural

•Productos Naturales

•Síntesis Orgánica

•Estudio de procesos dinámicos

•.Cinética de Reacciones

•Procesos de Equilibrio

• Estudios Estructurales en 3D

•Proteínas

• ADN – complejos

•Polisacáridos

• Diseño de Drogas

•Relación estructura - actividad

•Medicina – Diagnóstico por Imágenes

• Control de Calidad

•Análisis “de orígen” de alimentos

• Falsificación de patentes

Como en otros métodos espectroscópicos…

El fenómeno de RMN consiste en la absorción de energía de radiación electromagnética por

parte de núcleos que tienen un momento magnético

La absorción ocurre a frecuencias características que dependen del tipo de

núcleo (1H, 13C, 31P, etc) y del entorno molecular en que se encuentra.

A diferencia de otras espectroscopías….

El fenómeno solo se manifiesta en presencia de un campo magnético que diferencia en

términos de energía a las posibles orientaciones del momento magnético nuclear.

Las cantidades de energía involucradas son extremadamente pequeñas y solo son

medibles cuando el campo magnético es muy intenso. La radiación electromagnética

utilizada corresponde a las ondas de radio.

Espectroscopía Origen Información

UV - Visible Transiciones electrónicas

Cromóforos

IR Transiciones vibracionales

Grupos funcionales

Espectrometría de Masa

Ionización y fragmentación de moléculas

Relación m/z de fragmentos

RMN Núcleos Atómicos

Átomos individuales

(entorno)

¿Qué observamos en RMN?

Origen del fenómeno de RMN

Todo núcleo atómico posee un momento

angular intrínseco P y un momento magnético

asociado

La imagen clásica de un núcleo es de una esfera

cargada rotando sobre un eje

Ambos momentos son magnitudes vectoriales

P

P = I (I + 1) h

De acuerdo a la mecánica cuántica el momento angular P está cuantizado:

I = número cuántico de spin o simplemente SPIN

I representa el spin total del núcleo, es múltiplo de ½ y sus valores van de 0 a 6.

Si el nº de masa (A) es impar I = n/2 con n : imparSi A es par y Z es impar I = n

Si A y Z son pares, I = 0

Si I = 0 el núcleo no tendrá momento magnético y no será observable por RMN

Dos de los núcleos más importantes en química orgánica, 12C y 16O tienen I = 0

Los núcleos con I = ½ son dipolos magnéticos

Los núcleos con I > ½ no presentan simetría esférica de carga

Núcleos cuadrupolares

Presentan mayores dificultades para su observación por RMN

Núcleo Abundancia Natural I1H 99.985 % 1/22H 0.015 % 1

12C 98.9 % 013C 1.1 % 1/214N 99.63 % 115N 0.37 % 1/216O 99.76 % 017O 0.04 % 5/218O 0.2 % 031P 100 % 1/2

En ausencia de un campo magnético externo, los de los

distintos núcleos pueden asumir cualquier dirección

(como un imán)

B0

Al colocar un núcleo con momento angular P y

momento magnético en un campo magnético externo, el momento angular se alineará

respecto al campo externo, con un leve exceso

alineado a favor del campo.

Orientación de los spins

B0

Bo = 0

Bo > 0 E = h

Para un núcleo de I = ½

Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del

campo Bo

La energía necesaria para pasar de un estado de spin al otro está determinada por la siguiente

ecuación:

E = h = h B0 / 2

0 = B0 / 2 ECUACIÓN DE LARMOR

10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102

longitud de onda (cm)

rayos rayos x UV VIS IR -ondas radio

0 = frecuencia de Larmor

Para imanes de campo magnético entre 2.35 y 18.6 Tesla, 0 se encontrará en el rango de 100 a 800 MHz, es

decir corresponderá a una frecuencia de radio

En una molécula, cada núcleo magnéticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y característica, es decir absorberá radiación electromagnética de una frecuencia determinada para

cambiar de estado de spin.

Condición de resonancia

zz

B0

m=+1/2

m=-1/2

ħ B0

En presencia de un campo magnético, los niveles energéticos se desdoblan (dejan de estar degenerados)

E = -BE = -m ħ B0

E = - z B0

La regla de selección es m= ± 1Otras transiciones no son detectables

Condición de Bohr: E h

E h ħ B0

B0/2

RMN

Pulso de radiofrecuencias

En presencia de un campo magnético B0 la diferencia entre las poblaciones de núcleos en estado y dan lugar a una magnetización macroscópica M0

Al aplicar un segundo campo magnetización macroscópica gira

alrededor del mismo:

1Bμγdt

μ d

El pulso de 90° lleva la magnetización al plano XY.

M

0

N/ N = e -E / k·T

RMN

La señal de RMN

(Hz)

Free Induction Decay

TransformadaDe Fourier

Tras el pulso de 90°, la magnetización sigue girando en dicho plano a su frecuencia propia, lo que se detecta por medio de bobinas.

La señal corresponde a una onda compleja. Mediante la transformada de Fourier extraemos sus distintas componentes en el dominio de frecuencias.

z

x

y

M

dttf eti

f

RMN

Relajación y anchura de banda

1 / T2* = 1 / T2 + 1 / T2(DB0)

T2*: cte de tiempo de R2 total

T2: cte de tiempo de R2 debido a procesos de relajación típicos (interacciones moleculares)T2(DB0): cte de tiempo de R2 debido a las

heterogeneidades del campo

La anchura de banda es inversamente proporcional al tiempo de relajación transversal

T 22/1

1

Relajación rápida Lenta

RMN

2 millones

1 millón + 8

1 millón -8

1 millón + 64

1 millón - 64

1 millón + 32

1 millón - 32

E = 16 = 64 = 128

B0 (Tesla) 0 T 2.35 T

(100 MHz)

9.4 T

(400 MHz)

18.8 T

(800 MHz)

Aún así, el exceso de población con el que se trabaja

es muy pequeño

E aumenta con B0

Para cada tipo de núcleo la frecuencia de Larmor puede sufrir pequeñas variaciones que dependen del entorno

molecular:

Los electrones de los alrededores producen pequeños

campos magnéticos que se agregan a B0

Desplazamiento Químico (ppm de

la frecuencia)

Los núcleos de los alrededores con momento

magnético dan lugar a desplazamientos simétricos

de las frecuencias

Acoplamiento

spin-spin:J (Hz)

¿Qué información se puede obtener de un espectro RMN 1H?

• Número de señales: relacionada con el número de 1H diferentes de la muestra

• Frecuencia de las señales () : relacionada con el entorno molecular del núcleo.

• Área de las señales (integral): relacionada con la cantidad de cada tipo de 1H.

• Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H vecinos de cada tipo.

• Constantes de acoplamiento (J): brinda información estereoquímica.

• Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos funcionales (-COOH, -OH, -NH2)

Multiplicidad de señales

triplete multiplete triplete

frecuencia ()

constantes de acoplamiento: J (Hz)

integrales

Primera fase

Primera fase

Someter la muestra a un campo magnético intenso =>

Se genera una MAGNETIZACION que es diferente para cada núcleo

(DESPLAZAMIENTO QUIMICO) y que es afectada por los núcleos de su

entorno (ACOPLAMIENTO)

Segunda fase

Segunda fase

Al irradiar la muestra con una onda de radio de igual frecuencia que la de

precesión de los núcleos (EN RESONANCIA) =>

Se altera la magnetización en equilibrio generada (EXCITACION)

Tercera fase

Tercera fase

Interrumpir la irradiación =>

La magnetización alterada tiende a volver al equilibrio (RELAJACION) =>

Se origina una respuesta en el sistema que puede también detectarse como una señal

de radiofrecuencia en un receptor (DETECCION)

Cuarta fase

Cuarta fase

Transformar la señal de radiofrecuencia en una representación gráfica de

frecuencias e intensidades de la que se obtiene información sobre los entornos

magnéticos de los núcleos => Información sobre la estructura química

(INTERPRETACION).

RESUMEN Cuando se someten los núcleos de los

átomos a un campo magnético intenso y a una onda de radio, sus campos

interaccionan con los de esta entrando en resonancia y

dando una señal que puede ser detectada y proporcionar

información sobre los entornos magnéticos de

dichos núcleos

Instrumentación

INSTRUMENTACION• Imán,• Un oscilador de

radiofrecuencias• Una bobina

detectora• Un sistema

informatizado • Un sistema de

amplificación y registro.

EL IMÁNRMN

• Existen núcleos distintos que pueden ser observados por espectroscopía de RMN: 1H (protones), 13C (carbono 13), 15N (nitrógeno 15), 19F (fluor 19) y muchos otros.

TRATAMIENTO DE LA MUESTRA

• Disoluciones en disolventes que no tengan átomos de hidrógeno.

• Se usan el deuterocloroformo, hexadeuterodimetilsulfóxido, óxido de deuterio, deuterobenceno, deuteropiridina y otros.

• Determinados núcleos se pueden observar en muestras sólidas.

• Las cantidades de muestra necesarias oscilan entre 1 y 50 mg.

APLICACIONES

• Elucidación estructural de compuestos con núcleos magnéticamente activos en el rango de frecuencias disponibles.

• Identificación y cuantificación de compuestos orgánicos, organometálicos, etc.

• Análisis estructural y estereoquímico. • Estudios de sistemas dinámicos. • Control de impurezas. • Estudio de parámetros físicos de

moléculas.

VENTAJAS

• Analisis de compuestos polares y no polares

• Rápido• Confirmativo• No destructiva• Pequeñas cantidades de muestra

DESVENTAJAS

• Muy caro• Muestra 100% pura