1.3: Propiedades Magnéticas de Núcleos. Giro Nuclear

La inducción de una magnetización alterna en una sustancia como un compuesto orgánico, por un campo magnético oscilatorio como se describió anteriormente, puede mostrarse mediante procedimientos de sustitución isotópica para involucrar ciertos tipos de núcleos atómicos que actúan como pequeños imanes. En la discusión subsiguiente sobre las propiedades magnéticas de los núcleos, encontraremos conveniente atribuir ciertas propiedades electromecánicas a los núcleos que son macrosimplificaciones sobresimplificadas del estado real de las cosas pero que, sin embargo, son muy útiles para explicar cómo puede surgir una señal de resonancia nuclear.

De alguna manera, ciertos núcleos se comportan como si fueran cuerpos esféricos no giratorios con la carga nuclear distribuida uniformemente sobre sus superficies. Este tipo de núcleo no tiene un momento magnético porque no hay circulación de la carga nuclear. También decimos que el “momento cuadrupolar nuclear” es cero porque, cuando una carga eléctrica de sondeo se acerca a dicho núcleo, experimenta un campo electrostático, cuya magnitud es independiente de la dirección de aproximación. Se dice que estos núcleos tienen su valor de “espín nuclear” igual a cero y, al no tener un momento magnético, no pueden dar señal de resonancia nuclear. Muchos núcleos de considerable importancia para la química orgánica, particularmente ¹² C y ¹⁶ O, son de este tipo ya que, de hecho, son todos núcleos cuyos números de masa A y cargas Z son ambos pares.

No es tan lamentable ya que podría parecer que el isótopo principal del carbono no pueda dar señal de resonancia magnética nuclear, ya que si ¹² C tuviera un momento nuclear considerable los espectros de RMN de protones de la mayoría de los compuestos orgánicos serían mucho más complicados de lo que realmente son. Además, ¹³ C tiene un momento magnético de modo que cuando existe una necesidad vital para observar una señal de resonancia de carbono, generalmente se puede usar ¹³ C, ya sea a su baja concentración natural predominante o con la ayuda de material enriquecido con ¹³ C.

A varios núcleos de particular importancia para la química orgánica se les pueden asignar valores de espín nuclear de 1/2. Esto significa que actúan como si fueran cuerpos esféricos que poseen distribuciones de carga uniformes pero que giran como copas. Un núcleo giratorio tiene carga circulante, y esto genera un campo magnético para que resulte un momento magnético nuclear. La distribución de carga esférica adscrita a núcleos con espín de 1/2 significa que una carga de sondeo que se aproxima a ellos experimenta el mismo campo electrostático independientemente de la dirección de aproximación y, por lo tanto, al igual que con los núcleos esféricos no giratorios, el momento cuadrupolo eléctrico es cero. Los núcleos con un espín de 1/2 incluyen ¹ H, ¹³ C, ¹⁵ N, ¹⁹ F y ³¹ P y, en general, dichos núcleos son particularmente favorables para experimentos de resonancia nuclear.

Un gran número de núcleos magnéticos actúan como si fueran cuerpos giratorios con distribuciones de carga no esféricas y se les asignan valores de espín de unidad o múltiplos integrales mayores de 1/Z, a menudo tales núcleos se toman para aproximar elipsoides que giran alrededor del eje principal. Un elipsoide cargado, alargado (prolado) con la carga uniformemente distribuida sobre su superficie presentará un campo electrostático anisotrópico a una carga unitaria que se aproxima de manera que el trabajo electrostático será diferente en llevar una carga unitaria a una distancia dada si la carga se acerca a lo largo del giro eje o en algún ángulo a él. Por convención, al momento cuadrupolar eléctrico de un núcleo atribuido la forma de un elipsoide prolado se le asigna un valor mayor a cero. Ejemplos importantes son ² H y ¹⁴ N.

Los núcleos que se comportan como elipsoides cargados, aplanados (oblatos) también presentan un campo eléctrico anisotrópico a una carga de sondeo y por convención se les asignan valores negativos de momento eléctrico-cuadrupolo-momento. Los núcleos de este tipo incluyen ¹⁷ O, ³³ S, ³⁵ Cl, etc. En la discusión subsiguiente, limitaremos nuestra atención en gran medida a núcleos con un espín de 1/2, ya que, como se verá, muchas veces se introducen complicaciones cuando el momento cuadrupolo eléctrico es diferente de cero. Estas complicaciones son en sí mismas capaces de proporcionar información química útil pero no ayudan a comprender el funcionamiento de un espectrómetro de resonancia nuclear.