6.5: Teoría y experimento de RMN

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Aunque las otras técnicas proporcionan información valiosa sobre una molécula, no nos dicen qué pasa con la estructura molecular general, o el marco sobre los enlaces C-C y C-H. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica analítica inmensamente poderosa que proporciona dicha información. La RMN funciona según los mismos principios que un escáner de Resonancia Magnética (MRI) en un hospital. La resonancia magnética es una técnica de escaneo para detectar los problemas médicos ocultos sin causar ningún daño de dolor al paciente. Si bien los médicos usan IRM peer dentro del cuerpo humano, veremos cómo la RMN permite a los químicos orgánicos unir, átomo por átomo y enlace por enlace, la estructura de una molécula orgánica.

Núcleos activos NMR

La base de la RMN es el fenómeno de que algunos núcleos atómicos giran alrededor de sus ejes y como resultado generan su propio campo magnético, o momento magnético, por lo que estos núcleos se denominan NMR-activos. Sin embargo, no todos los núcleos tienen un momento magnético, solo los núcleos con un número impar de protones y/o neutrones tienen. Afortunadamente los núcleos que son importantes para los compuestos orgánicos, como el isótopo ^1H de hidrógeno, el isótopo ¹³ C de carbono, el isótopo ¹⁴ N de nitrógeno, ¹⁹ F y el ³¹ P son todos NMR activos y por lo tanto se pueden observar por RMN. Otros núcleos, como los isótopos comunes de carbono ¹² C y el isótopo ¹⁶ O de oxígeno, no tienen momentos magnéticos, y no pueden ser observados directamente por RMN.

Figura 6.5a El campo magnético

En la práctica, los núcleos ^1H y ^13C se observan con mayor frecuencia por espectroscopía de RMN, y nos centraremos en estas técnicas en este capítulo, comenzando con ^1H RMN. La RMN de ^1H se suele llamar RMN de protón, porque el núcleo del átomo de ^1H es en realidad un solo protón. El nombre de 'protón' e 'hidrógeno' se utilizará indistintamente en este capítulo para fines de RMN ^1H.

Estado de giro y resonancia magnética

Tomaremos protón, el núcleo de ¹ átomo H, como ejemplo para las discusiones aquí.

Cuando una muestra de un compuesto orgánico está sentada en un matraz en un banco de laboratorio, los momentos magnéticos de todos sus protones se orientan aleatoriamente. Sin embargo, cuando la misma muestra se coloca dentro del campo de un imán fuerte en un instrumento de RMN (este campo se denomina campo magnético externo aplicado, _B0, en RMN), cada protón asumirá una de dos orientaciones posibles con respecto al magnético externo campo. Estas dos orientaciones corresponden a los dos estados de espín que pueden etiquetarse como α y β. En el estado de espín α, el momento magnético del protón se alinea con la dirección del campo magnético externo B ₀, mientras que en el estado de giro β se alinea opuesto a la dirección de B ₀ (Fig. 6.5b).

Figura 6.5b Orientaciones de momentos magnéticos de protones sin y con campo magnético externo

El estado de giro α es ligeramente menor en energía que el estado β, y la brecha de energía entre ellos, ΔE, depende de la intensidad de B ₀: un campo magnético externo aplicado más fuerte da como resultado un ΔE mayor. Para una gran población de moléculas orgánicas en un campo magnético externo, poco más de la mitad de los protones ocuparán el estado de giro α de menor energía, mientras que un poco menos de la mitad ocupará el estado de giro β de mayor energía. Es esta diferencia poblacional entre los dos estados de espín la que se explota por RMN, y la diferencia aumenta con la intensidad del campo magnético aplicado B ₀.

Se requiere energía para excitar el protón desde el estado de energía inferior (estado α spin) al estado de energía superior (estado β spin). En un espectrómetro de RMN la energía es suministrada por radiación electromagnética en la región de radiofrecuencia (RF). Cuando un protón en un campo magnético externo se expone a radiación de RF con la energía que coincide con la brecha de energía ΔE, la energía de la RF se absorbe y el protón volteará su momento magnético del estado de energía inferior (estado de giro α) al estado de energía superior (estado de giro β), se dice que los núcleos están en resonancia con la radiación electromagnética.

Figura 6.5c Resonancia

La frecuencia de radiación absorbida por un protón (o cualquier otro núcleo) durante una transición de espín en el experimento de RMN se llama su frecuencia de resonancia, ν. Como resultado, la frecuencia de resonancia también depende de B ₀, cuanto mayor sea _B0, mayor sea la frecuencia de resonancia, y la relación se ajusta a la fórmula específica: (la Fórmula 6.4 es solo para su propósito informativo)

γ es la relación magnetogírica (o giromagnética), diferente núcleo tiene diferente valor de γ. Para un protón, el valor γ es 26.753 rad · s ^-1 · tesla ^-1.

Los cálculos indican que si el campo magnético externo B ₀ 1.41 Tesla, la diferencia de energía corresponde a RF con la frecuencia de 60×10 ⁶ Hz (60 MHz) para protón; cuando B ₀ 7.04 Tesla, la frecuencia RF correspondiente es 300×10 ⁶ Hz (300 MHz) para protón. Esta frecuencia es el parámetro más importante para un espectrómetro de RMN (el instrumento que ejecuta experimentos de RMN), cuanto mayor es la frecuencia, más sensible es el instrumento y mayor resolución es el espectro de RMN resultante.

El experimento de RMN

En este libro nos limitaremos a explicar cómo funcionan el experimento de RMN y el espectrómetro de RMN de manera simplificada (nuevamente con protones como ejemplo), la versión completa está fuera del alcance de este curso.

Cuando se coloca una muestra de compuesto en el campo magnético externo aplicado fuerte B ₀ del instrumento, los protones comienzan a girar con uno de los dos estados de giro. Inicialmente, poco más de la mitad de los protones tienen los momentos magnéticos en estados de álamo temblón (alineados con B ₀), y ligeramente menos de la mitad están en estados bspin (alineados contra B ₀). Después, la muestra se expone a un rango de frecuencias de radio. De todas las frecuencias que golpean la muestra, solo se absorben las frecuencias que coinciden con la frecuencia de resonancia de los protones, provocando que aquellos protones que están alineados con B ₀ se 'giren flip' para que se alineen contra B ₀. Cuando los protones 'volteados' vuelven a bajar a su estado fundamental, emiten energía, nuevamente en forma de radiación de radiofrecuencia. El instrumento de RMN detecta y registra la frecuencia e intensidad de esta radiación mediante la elaboración de una técnica matemática conocida como transformada de Fourier (FT). Transformada de Fourier convierte la señal de un tiempo versus señales de amplitud a una frecuencia versus señales de amplitud, eso es lo que observamos en un espectro de RMN.

Figura 6.5d Diagramas simplificados para ilustrar el experimento de RMN

La mayoría de los espectrómetros de FT-RMN modernos utilizan imanes superconductores que tienen campos magnéticos muy altos, por lo tanto operan con alta frecuencia de resonancia de 100 MHz a 800 MHz. Los imanes superconductores operan en un baño de nitrógeno líquido o helio líquido a muy baja temperatura.

Figura 6.5e FT-NMR con imán superconductor y un modelo de RMN de mesa: NMReady - 60

A pesar de la potencia y alta resolución de los espectrómetros de RMN de alta frecuencia, es muy costoso para la compra y mantenimiento del instrumento. Para fines didácticos, las RMN de mesa se están volviendo cada vez más populares recientemente. La frecuencia de RMN de banco suele estar en el rango de 60-90 MHz, sin embargo, pueden proporcionar espectros con buena resolución para lotes de estructuras orgánicas básicas que se utilizan para la clase de química orgánica de pregrado. Con la RMN de banco de bajo costo disponible, los estudiantes tienen la oportunidad de obtener experiencias de RMN prácticas en la preparación de muestras, operación de instrumentos y procesamiento de espectro.

Blindaje y Deshielding

Si todos los átomos de hidrógeno (y protones) en las moléculas orgánicas tuvieran la misma frecuencia de resonancia, entonces todos muestran la misma señal, la espectroscopia de RMN no sería tan útil para los químicos. Afortunadamente, sin embargo, las frecuencias de resonancia son diferentes para diferentes protones en una molécula. Específicamente, la frecuencia de resonancia varía según el entorno electrónico en el que habita un protón dado.

Para los átomos de hidrógeno en cualquier enlace, como C-H, O-H etc., el campo magnético externo _B0 hace que los electrones s circulen de una manera que genera un campo magnético local inducido (B _local) en el protón, y la dirección del campo local B _local es opuesto al campo externo B ₀. El protón experimenta así un campo magnético neto, que se llama B _eff, que es más pequeño que el campo magnético aplicado:

B _eff = B ₀ — B _local

Como resultado, los protones responden a una frecuencia menor (la frecuencia de resonancia es proporcional al campo magnético como se mencionó anteriormente). Este B _local, en un grado pequeño pero significativo, protege al protón de experimentar toda la fuerza de B ₀, por lo que este efecto se denomina efecto de blindaje. Diferentes átomos de hidrógeno en estructuras orgánicas se encuentran en diferentes entornos electrónicos, tienen diferente densidad de selectron, por lo tanto tienen diferentes B _locales y diferentes B _eff también. Es por ello que diferentes hidrógenos (y protones) están en diferente frecuencia de resonancia y muestran diferentes señales en el espectro.

Figura 6.5f Efecto de blindaje

Para los átomos de hidrógeno cercanos a los grupos electronegativos, los grupos electronegativos retiran la densidad electrónica de los átomos cercanos, disminuyendo así el blindaje de los protones por los electrones circulantes. Se dice que los átomos de hidrógeno cerca de un grupo electronegativo están deshirentes del campo magnético externo, y tienen una frecuencia de resonancia más alta que los protones blindados. A medida que aumenta la electronegatividad del sustituyente, también lo hace la extensión del efecto deshielding (y así el desplazamiento químico, ver sección 6.6.2 para más discusiones sobre el desplazamiento químico) como se muestra en los ejemplos siguientes.

Figura 6.5g Los átomos de H se vuelven más desprotegidos con electronegatividad del aumento de sustituyentes

Figura 6.5h Los átomos de H se desenhidan más con más sustituyentes de electronegatividad involucrados