Embed Size (px)
Citation preview
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
