6.1: RMN de sistemas dinámicos- Una visión general

El estudio del equilibrio conformacional y químico es una parte importante para entender las especies químicas en solución. La RMN es una de las herramientas más útiles y fáciles de usar para este tipo de trabajo. Figura\(\PageIndex{1}\) El estudio del equilibrio conformacional y químico es una parte importante para entender las especies químicas en solución. La RMN es una de las herramientas más útiles y fáciles de usar para este tipo de trabajo.

El equilibrio químico se define como el estado en el que tanto los reactivos como los productos (de una reacción química) están presentes en concentraciones que no tienen más tendencia a cambiar con el tiempo. Tal estado resulta cuando la reacción directa procede a la misma velocidad (es decir, _Ka en la Figura\(\PageIndex{1}\) b) que la reacción inversa (es decir, K _d en la Figura\(\PageIndex{1}\) b). Las velocidades de reacción de las reacciones directa e inversa generalmente no son cero pero, siendo iguales, no hay cambios netos en las concentraciones del reactivo y del producto. Este proceso se llama equilibrio dinámico.

El isomerismo conformacional es una forma de estereoisomería en la que los isómeros pueden interconvertirse exclusivamente por rotaciones alrededor de enlaces formalmente simples. Los isómeros conformacionales son distintos de las otras clases de estereoisómeros para los que la interconversión implica necesariamente la ruptura y reforma de enlaces químicos. La barrera rotacional, o barrera a la rotación, es la energía de activación requerida para interconvertir rotámeros. La población de equilibrio de diferentes confórmeros sigue una distribución de Boltzmann.

Figura\(\PageIndex{1}\) El proceso de (a) equilibrio conformacional y (b) equilibrio químico. Adaptado de J. Saad, Dynamic NMR and Application (2008), www.microbio.uab.edu/mic774/lectures/SAAD-lecture8.pdf.

Si consideramos un sistema simple (Figura\(\PageIndex{2}\)) como ejemplo de cómo estudiar el equilibrio conformacional. En este sistema, los dos grupos metilo (uno está en rojo, el otro azul) se intercambiarán entre sí a través de la rotación del enlace C-N. Cuando la velocidad de rotación es rápida (más rápida que la escala de tiempo de RMN de aproximadamente 10 ^-5 s), la RMN ya no puede reconocer la diferencia de los dos grupos metilo, lo que da como resultado un pico promedio en el espectro de RMN (como se muestra en el espectro rojo en la Figura\(\PageIndex{3}\)) .Por el contrario, cuando la velocidad del la rotación se ralentiza por enfriamiento (a -50 °C) las dos conformaciones tienen vidas significativamente mayores que son observables en el espectro de RMN (como lo muestra el espectro azul oscuro en la Figura\(\PageIndex{3}\)). Los cambios que se producen a este espectro con temperatura variable se muestran en la Figura\(\PageIndex{3}\), donde se ve claramente el cambio del espectro de RMN con la disminución de la temperatura.

Figura\(\PageIndex{2}\) Un ejemplo de un proceso de equilibrio conformacional.

Figura\(\PageIndex{2}\) en función de la temperatura. Adaptado de J. Saad, Dynamic NMR and Application (2008), www.microbio.uab.edu/mic774/lectures/SAAD-lecture8.pdf.

Con base en lo anterior, debe quedar claro que la presencia de un promedio o picos separados se puede utilizar como indicador de la velocidad de rotación. Como tal, esta técnica es útil en sistemas de sondeo como motores moleculares. Uno de los problemas más fundamentales es confirmar que el motor está realmente girando, mientras que el otro es determinar la velocidad de rotación de los motores. En esta área, las mediciones de RMN dinámica son una técnica ideal. Por ejemplo, podemos echar un vistazo al motor molecular que se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\). Este motor molecular está compuesto por dos partes rígidas conjugadas, que no están en el mismo plano. La rotación del enlace C-N cambiará la conformación de la molécula, lo que se puede mostrar por la variación de los picos de los dos grupos metilo en el espectro de RMN. Para el control de la velocidad de rotación de este motor de molécula en particular, los investigadores agregaron funcionalidad adicional. Cuando el nitrógeno en el anillo aromático no está protonado la repulsión entre los átomos de nitrógeno y oxígeno es mayor lo que prohíbe la rotación del anillo de cinco miembros, lo que separa los picos de los dos grupos metilo entre sí. Sin embargo, cuando el nitrógeno es protonado, la barrera de rotación disminuye en gran medida debido a la formación de un estado de transición coplanar más estable durante el proceso de rotación. Por lo tanto, la velocidad de rotación del rotor aumenta drásticamente para hacer que los dos grupos metilo sean irreconocibles por espectrometría de RMN para obtener un pico promedio. El resultado del espectro de RMN versus la adición del ácido se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\), que puede indicar visualmente que la velocidad de rotación está cambiando.

Figura\(\PageIndex{4}\) El diseño del rotor de moléculas. Reimpreso con permiso de B. E. Dial, P. J. Pellechia, M. D. Smith, y K. D. Shimizu, J. Am. Chem. Soc. , 2012, 134, 3675. Copyright (2012) Sociedad Americana de Química.

Figura Espectros de\(\PageIndex{5}\) RMN de los grupos metilo diastereotópicos del rotor molecular con la adición de 0.0, 0.5, 2.0 y 3.5 equiv de ácido metanosulfónico. Reimpreso con permiso de B. E. Dial, P. J. Pellechia, M. D. Smith, y K. D. Shimizu, J. Am. Chem. Soc. , 2012, 134, 3675. Copyright (2012) Sociedad Americana de Química.