5: Determinación de Estructura II - Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear
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En el capítulo anterior aprendimos sobre tres importantes técnicas analíticas que permiten deducir información sobre la estructura de una molécula orgánica. En la espectroscopia IR, las transiciones en los estados vibracionales de los enlaces covalentes conducen a la absorbancia de frecuencias infrarrojas específicas, informándonos sobre la presencia o ausencia de grupos funcionales en la molécula de interés. En la espectroscopia UV-Vis, las transiciones en los niveles de energía de los electrones en enlaces pi conducen a la absorbancia de la luz ultravioleta y visible, proporcionándonos información sobre la disposición de los dobles enlaces en una molécula. Y en espectrometría de masas, generalmente somos capaces de aprender el peso molecular de una molécula de muestra, además de otro tipo de información a partir del análisis de las masas de fragmentos moleculares.
Si bien estas tres técnicas nos proporcionan información valiosa sobre una molécula de interés, en la mayoría de los casos no nos dicen —ni siquiera en combinación— lo que nosotros, como químicos orgánicos, más queremos saber sobre nuestra molécula. Específicamente, estas técnicas no nos permiten determinar su estructura molecular general —el marco, es decir, de sus enlaces carbono-carbono y carbono-hidrógeno. Es esta información la que necesitamos tener para poder dibujar una estructura de Lewis de nuestra molécula, y es esta información la que es proporcionada por una técnica analítica inmensamente poderosa llamada espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN).
En RMN, los núcleos de hidrógeno, carbono y otros elementos importantes experimentan transiciones en sus estados magnéticos, lo que lleva a la absorbancia de la radiación en el rango de radiofrecuencia del espectro electromagnético. Al analizar las señales de estas transiciones, aprendemos sobre el entorno químico en el que habita cada átomo, incluyendo información sobre la presencia de átomos vecinos. En este capítulo, veremos cómo la información de RMN, especialmente cuando se combina con datos de experimentos IR, UV-Vis y MS, puede permitirnos formar una imagen completa del marco átomo a átomo de una molécula orgánica.
- 5.1: Preludio a la determinación de la estructura
- Una mañana en un suburbio de Edimburgo, Escocia, una adolescente activa y atlética llamada Charli descubrió que no tenía su apetito habitual para desayunar. Ella pensó que solo se sentía un poco bajo el clima, y no estaba demasiado preocupada. Pero a medida que pasaban los días, su apetito no volvió. En poco tiempo, ella también dejó de almorzar, y finalmente apenas estaba comiendo nada en absoluto.
- 5.2: El origen de la señal de RMN
- La espectroscopia de resonancia magnética nuclear es una herramienta increíblemente poderosa para los químicos orgánicos porque nos permite analizar la conectividad de los átomos de carbono e hidrógeno en las moléculas. La base de la RMN es la observación de que muchos núcleos atómicos generan su propio campo magnético, o momento magnético, a medida que giran alrededor de sus ejes.
- 5.3: Equivalencia Química
- La frecuencia de radiación absorbida por un protón (o cualquier otro núcleo) durante una transición de espín en un experimento de RMN se llama su 'frecuencia de resonancia'. Si todos los protones en todas las moléculas orgánicas tuvieran la misma frecuencia de resonancia, la espectroscopia de RMN pero no sería terriblemente útil para los químicos.
- 5.4: El experimento de RMN 1H
- En un experimento de RMN, se coloca un compuesto de muestra (nuevamente usaremos acetato de metilo como ejemplo) dentro de un campo magnético aplicado muy fuerte (B0) generado por un imán superconductor en el instrumento. (Los campos magnéticos generados por los instrumentos de RMN modernos son lo suficientemente fuertes como para que los usuarios deban tener cuidado de evitar llevar objetos magnéticos cerca de ellos.
- 5.5: La base de las diferencias en el cambio químico
- Llegamos ahora a la pregunta de por qué los protones no equivalentes tienen diferentes frecuencias de resonancia y, por lo tanto, diferentes cambios químicos. El desplazamiento químico de un protón dado está determinado principalmente por las interacciones con los electrones cercanos. Lo más importante a entender es que cuando los electrones son sometidos a un campo magnético externo, forman sus propios pequeños campos magnéticos inducidos en oposición al campo externo.
- 5.6: Acoplamiento Spin-Spin
- Los espectros de 1H-RMN que hemos visto hasta ahora (de acetato de metilo y 1,4-dimetilbenceno) son algo inusuales en el sentido de que en ambas moléculas, cada conjunto de protones genera una única señal de RMN. De hecho, los espectros de RMN 1H de la mayoría de las moléculas orgánicas contienen señales de protones que se 'dividen' en dos o más sub-picos.
- 5.7: Espectroscopia de RMN 13C
- El isótopo 12C del carbono -que representa hasta aproximadamente el 99% de los carbonos en las moléculas orgánicas- no tiene un momento magnético nuclear y, por lo tanto, es inactivo a NMR. Afortunadamente para los químicos orgánicos, sin embargo, el isótopo 13C, que representa la mayor parte del 1% restante de los átomos de carbono en la naturaleza, tiene un momento dipolar magnético al igual que los protones.
- 5.8: Resolviendo estructuras desconocidas
- Ahora finalmente es el momento de juntar todo lo que hemos estudiado sobre las técnicas de determinación de estructuras y aprender a resolver realmente la estructura de una molécula orgánica 'desde cero', comenzando, en otras palabras, con nada más que los datos experimentales brutos.
- 5.9: Acoplamiento complejo en espectros de protones
- En todos los ejemplos de acoplamiento espín-espín que vimos en nuestra discusión sobre la RMN de protones, la división observada resultó del acoplamiento de un conjunto de protones a un solo conjunto vecino de protones. Cuando un conjunto de protones se acopla a dos conjuntos de vecinos no equivalentes, con constantes de acoplamiento significativamente diferentes, el resultado es un fenómeno llamado acoplamiento complejo.
- 5.10: Otras aplicaciones de RMN
- En la introducción a este capítulo, escuchamos dos historias sobre personas cuyas vidas se salvaron potencialmente cuando se descubrieron tumores cerebrales durante una resonancia magnética (MRI). La resonancia magnética es una poderosa técnica de diagnóstico porque permite a los médicos visualizar los tejidos internos del cuerpo a la vez que se ahorra al paciente de la cirugía y las radiografías potencialmente dañinas y de alta energía.