6.8: Espectroscopia de RMN ¹³C

Para el elemento carbono, el isótopo ¹² C más abundante (con ~ 99% de abundancia natural) no tiene un momento magnético nuclear, y por lo tanto es NMR-inactivo. Por lo tanto, la RMN C se basa en el isótopo ¹³ C, que representa alrededor del 1% de los átomos de carbono en la naturaleza y tiene un momento dipolar magnético igual que un protón. Las teorías que hemos aprendido sobre la espectroscopia de RMN ^1H también se aplican a la RMN de ¹³ C, sin embargo con varias diferencias importantes sobre el espectro.

El momento magnético de un núcleo de ¹³ C es mucho más débil que el de un protón, lo que significa que las señales de RMN de ¹³ C son inherentemente mucho más débiles que las señales de protones. Esto, combinado con la baja abundancia natural de ¹³ C, significa que es mucho más difícil observar las señales de carbono. Por lo general, se requieren muestras con alta concentración y gran número de escaneos (miles o más) para reducir la relación señal/ruido a niveles aceptables para ¹³ espectros de RMN C.

Equivalente Químico

Para los carbonos que son equivalentes químicos, solo muestran una señal en ¹³ C NMR como protones similares para ¹ HNMR. Por lo que es muy importante poder identificar carbonos equivalentes en la estructura, a fin de interpretar correctamente el espectro de ¹³ C NMR. Tomando como ejemplo el tolueno, hay cinco conjuntos de diferentes átomos de carbono (mostrados en diferentes colores), por lo que hay cinco señales en el espectro de ¹³ C RMN del tolueno.

Desplazamiento Químico

Los núcleos de ¹³ C tienen diferente valor de g (la relación magnetogírica) en comparación con los núcleos de ¹ H, por lo que las frecuencias de resonancia de ¹³ núcleos C son diferentes a las de los protones en el mismo campo aplicado (refiriéndose a la fórmula. 6.4, en la sección 6.5). En un instrumento con un imán de 7.05 Tesla, los protones resuenan a aproximadamente 300 MHz, mientras que los carbonos resuenan a aproximadamente 75 MHz. Esto nos permite observar las señales de ¹³ C utilizando una 'ventana' completamente separada de frecuencias de radio. Al igual que en ^1H NMR, el tetrametilsilano (TMS) también se usa como compuesto estándar en ¹³ experimentos de RMN C para definir el 0 ppm, sin embargo es la señal de los cuatro átomos de carbono equivalentes en TMS la que sirve como estándar. Los desplazamientos químicos para núcleos de ¹³ C en moléculas orgánicas se extienden en un rango mucho más amplio de aproximadamente 220 ppm (ver Cuadro 6.3).

Tabla 6.3 Desplazamientos químicos aproximados de 13C RMN de algunos grupos comunes

El desplazamiento químico de un núcleo de ¹³ C está influenciado esencialmente por los mismos factores que influyen en el desplazamiento químico de un protón: el efecto deshielding de los átomos electronegativos y los efectos de anisotropía tienden a desplazar las señales campo abajo (mayor frecuencia de resonancia, con mayores desplazamientos químicos). Además, la hibridación sp ² da como resultado un gran cambio de campo abajo. Las señales de RMN de ¹³ C para los carbonos carbonílicos son generalmente las más alejadas (170-220 ppm), debido tanto a la hibridación sp ² como al doble enlace con el oxígeno.

Integración y Acoplamiento en RMN de ¹³ C

A diferencia de ^1H NMR, el área bajo una señal de RMN de ¹³ C no se puede utilizar fácilmente para determinar el número de carbonos a los que corresponde. Las señales para algunos tipos de carbonos son inherentemente más débiles que para otros tipos, por ejemplo, los picos correspondientes a los carbonos de carbonilo son mucho más pequeños que los de los picos de metilo o metileno (CH ₂). Por esta razón, la integración de la señal generalmente no es útil en la espectroscopía de RMN ¹³ C.

^{Debido a la baja abundancia natural de 13 núcleos C, el acoplamiento espín-espín entre dos átomos de C no equivalentes es insignificante.} Sin embargo, ¹³ núcleos C se acoplan a protones cercanos, lo que resulta en espectros complicados. Para mayor claridad, los químicos generalmente utilizan una técnica llamada desacoplamiento de banda ancha, que esencialmente 'desactiva 'el acoplamiento C-H, dando como resultado un espectro en el que todas las señales de carbono son singletes. A continuación se muestra el espectro de RMN ^13C desacoplado de protones del acetato de etilo en CDCl ₃ (Fig. 6.8a), mostrando las cuatro señales esperadas, una para cada uno de los carbonos.

Figura 6.8a El espectro de RMN 13C del acetato de etilo

Para nuestro propósito de clase, los espectros de RMN de ¹³ C generalmente se utilizan como información de apoyo para confirmar la estructura de un compuesto.

Ejercicios 6.2

A continuación se muestran los espectros de RMN de ¹³ C para metilbenceno (nombre común tolueno) y metacrilato de metilo. Consulte el Cuadro 6.3 para hacer coincidir los espectros con la estructura correcta.

Respuestas a las preguntas de práctica Capítulo 6