Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)

IUT Dr. Federico Rivero PalacioDepartamento de QuímicaPNFQ – 3er trayecto

Mayo 2011

CONTENIDO

• Historia de la RMN

• Principio de RMN

• Fundamentos de la RMN

• Instrumento de la RMN

• Tipos de RMN

• Aplicaciones

• Limitaciones

Historia de la RMN

Edward Mills Purcell1946

Felix Bloch1946

Wolfgang Ernst Pauli1924

Principio de la RMN

• La resonancia magnética nuclear es un fenómeno físico en el que ciertas partículas como los electrones, protones y núcleos atómicos (con un número impar de protones y/o con un número impar de neutrones) son capaces de absorber de forma selectiva energía de radiofrecuencia al ser sometidos a un campo magnético

RMN también se refiere a la familia de métodos científicos que explotan este fenómeno para

estudiar :

• Moléculas (espectroscopia de RMN),

• Macromoléculas (RMN biomolecular),

• Tejidos y organismos completos (IRM: imagen por resonancia magnética).

Spin Momento magnético

• Es el campo magnético generado por un protón que gira.

Fundamentos de la RMN

• Rotación o giro del núcleo sobre sí mismo y vale +1/2 y -1/2 (hace que se comporten como si fueran pequeños imanes)

Fundamentos de la RMN

Spin

MOVIMIENTO DE ROTACION O SPIN MOVIMIENTO DE PRECESION

La combinación de ambos movimientos genera un campo magnético

Spin: giro del núcleo sobre sí mismo y vale +1/2 y -1/2

Spin nuclear

99,98% 0,0156% 1x10-17 %Abundancia en la naturaleza

1 2 3

H H H

1 1 1

Algunos núcleos activos en RMN

Energía entre los dos estados de spin

Ecuaciones involucradas en RMN

Ecuación de Planck

Ecuación de Larmor

Instrumentación en RMN: el espectrómetro

Partes fundamentales de un espectrómetro de RMN

Un imán superconductor que genere un campo magnético estable, definiendo la frecuencia de resonancia de cada núcleo. Generalmente se identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón, así en un imán de 7.046 Tesla, los núcleos de 1H resuenan a 300 MHz, y por tanto sería un espectrómetro de 300 MHz.

Una sonda, son circuitos eléctricos situados dentro del imán y están provistos de bobinas, condensadores y una resistencia al paso de corriente. el papel de la bobinas consiste en la generación de radiación de la radiofrecuencia que interacciona con la materia.

Una consola en la que se generan los pulsos de RF y se controla el resto de la parte electrónica del espectrómetro.

Un ordenador que sirve de interfaz con el espectrómetro y con el que se analiza toda la información obtenida.

Diagrama de un espectrómetro de RMN

Magneto por dentro

Tubo de RMN

vidrio de borosilicato

FID: Free Induction Decay

Es una onda que contiene todas las señales del espectro que decaen

hasta hacerse cero y es dependiente del tiempo.

Espectro de frecuencias

A través de la Transformada de Fourier la FID se convierte en un espectro de señales en función de su frecuencia.

La aplicación de un pulso en una región estrecha de la banda de radiofrecuencias (MHz) afecta a aquellos espines nucleares que resuenen en

esa región

Tipos de RMN

• RMN de 1H (protones)

• RMN de 13C (carbono 13)

RMN de 1H (protones)

Campos magnéticos secundarios

• Apantallamiento: se produce cuando el campo magnético inducido es opuesto al campo magnético externo (protegidos)

• Desapantallamiento: se produce cuando el campo magnético inducido refuerza al campo magnético externo (desprotección)

Espectro de 1H-RMN

1H-RMN

Ventajas

• Núcleo ideal para RMN

• Señal de 1H representa el número de H cuantitativamente

Desventajas

• Rango de desplazamiento químico pequeño (0-15ppm)

• Acoplamiento escalar entre espines

• Solapamiento de Señales grande

RMN de 13C (Carbono 13)• El núcleo 13C tiene espín ½.

• Su abundancia es de sólo el 1,1 % y por ello no es normal ver el acoplamiento entre núcleos de carbono.

• Los desplazamientos químicos, también medidos con respecto al tetrametilsilano (TMS), se encuentran en el rango de 0-220 ppm

• Afectados por los mismos factores que en el caso de los protones.

• El número de picos en el espectro indica el número de tipos de carbono presentes en la sustancia analizada.

Espectro de 13C-RMN

13C-RMN DEPT(Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)

13C-RMN

Ventajas

• Se puede eliminar acoplamiento con 1H

• Rango amplio desplazamiento químico (0-220ppm)

• Solapamiento de señales reducido

• Editado de Espectros (INEPT, DEPT, etc)

• Posibilidad de Cuantificación (i-gated-decoupling)

Desventajas

• Abundancia natural pequeña (1.1%) que limita su sensibilidad (Debido a su abundancia la sensibilidad del 13C es 6000 veces menor que la del 1H.

Desplazamiento químico

• Nombre que se le da a la posición de un pico en el espectro.

• Dependerá del entorno que rodea a la molécula.

• Para fijar la escala en el espectro, se necesita un standard, a menudo se usa el tetrametilsilano, o TMS.

• Se emplea el TMS porque es la molécula más apantallada que existe y sus protones son equivalentes, por lo tanto, debería verse como un solo pico, que puede fijar el punto 0 en el espectro.

Desplazamientos químicos para el 1H

Desplazamientos químicos para el 13C

Aplicaciones de la RMN• Elucidación de estructuras químicas.

• Verificación del grado de pureza de materias primas.

• Análisis de drogas y fármacos.

• Desarrollo de productos químicos.

• Investigación de reacciones químicas.

• Identificación de sustancias desconocidas.

• Análisis de polímeros.

• Medicina (IRM)

• Petroquímica

• Agronomía

Limitaciones

• Alto costo

• Cantidad de muestra

• Solubilidad del analito

• Filtrado de muestras

• Disponibilidad de solventes deuterados

• Recarga de criogénicos

• Implantes metálicos

Base de datos de RMN

• Spectral Database for Organic Compounds SDBS

• http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

GRACIAS!