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Espectroscopia de resonancia magnetica nuclear




Enviado por Pablo Turmero



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    (Gp:) LONGITUD DE ONDA (l) (Gp:) 10 -13 10 -11 10 -9 10 -7 10 -5
    10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 2 10 3 metros (m) (Gp:) FRECUENCIA (n)
    (Gp:) 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10
    5 Hertz (Hz) (Gp:) RAYOS GAMMA RAYOS X UV VISIBLE INFRARROJO
    MICROONDAS ONDAS DE RADIO (Gp:) RMN (Gp:) Grupos funcionales
    (Gp:) Núcleos individuales (Gp:) IR (Gp:) UV
    Introducción El fenómeno de la RMN fue descubierto
    por Purcell y Bloch (Premio Nobel de Física 1952) 1

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    2 I = Número cuántico de espín nuclear (0,
    1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, …) (Gp:) P (momento angular) Principios
    básicos de la RMN (Gp:) Número cuántico de
    espín nuclear (I) de algunos núcleos comunes I
    Núcleo Un núcleo con un número
    atómico impar tiene un espín nuclear. Se dice que
    estos núcleos tienen I (número cuántico de
    espín nuclear) distinto de cero. Este tipo de
    núcleos son magnéticamente activos, es decir poseen
    espín, y poseen un movimiento de rotación sobre un
    eje que hace que se comporten como si fueran pequeños
    imanes. Los núcleos con número de spin nuclear I =
    0, como el núcleo de 12C, o el 16O no tienen momento
    angular y por tanto no son observables por RMN. ?

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    3 Principios básicos de la RMN Para I = ½, m =
    +1/2, -1/2 Para I = 1, m = +1, 0, -1 (Gp:) ?z (Gp:) ?z (Gp:) B
    (Gp:) m = +1/2 (Gp:) m = -1/2 (Gp:) ?z (Gp:) ?z (Gp:) B (Gp:) m =
    +1 (Gp:) m = -1 m (momento magnético) m = número
    cuántico magnético (+I,…-I) Número de
    orientaciones posibles de m = 2I + 1 (Gp:) m (Gp:) + (Gp:) m = g
    P (Gp:) g = cte magnetogírica (ó
    giromagnética) (Gp:) Núcleo (Gp:) Constante (Gp:)
    Frecuencia (Gp:) Abundancia (Gp:) giromagnética (Gp:) de
    resonancia (Gp:) natural (%) (Gp:) g (Gp:) (10 (Gp:) 7 (Gp:) T
    (Gp:) -1 (Gp:) s (Gp:) -1 (Gp:) ) (Gp:) n (Gp:) (MHz) (Gp:) 1
    (Gp:) H (Gp:) 26,76 (Gp:) 400,0 (Gp:) 99,985 (Gp:) 13 (Gp:) C
    (Gp:) 6,73 (Gp:) 100,6 (Gp:) 1,108 ? ? ? ? Debido a la carga
    nuclear, los núcleos llevan asociado un momento
    magnético (m), que es un vector de igual dirección
    y sentido que el vector momento angular y es proporcional a
    éste. En presencia de un campo magnético externo,
    el momento magnético nuclear se orienta en un
    número discreto de posiciones, determinadas por el
    número cuántico magnético (m)

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    4 (Gp:) Polo magnético (Gp:) Polo magnético (Gp:)
    B0 (Gp:) a (m=+1/2) (Gp:) b (m=-1/2) (Gp:) DE = hn (Gp:) a (Gp:)
    a (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) b (Gp:) b E INFLUENCIA DE UN CAMPO
    MAGNÉTICO EXTERNO Núcleos con I = 1/2

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    5 Campo Magnético (B0) Energía a b INFLUENCIA DE UN
    CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO (Gp:) g hBo (Gp:) 2p (Gp:) ?E = hn
    = n = Frecuencia de Larmor (Gp:) g Bo (Gp:) 2p (Gp:) n = (Gp:)
    Frecuencia de Larmor La frecuencia requerida para pasar del
    estado ? al ? (que en realidad es simplemente un cambio en la
    orientación del spin nuclear), se denomina frecuencia de
    resonancia (n) y es proporcional a Bo y a g.

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    6 (Gp:) (Gp:) Núcleo (Gp:) Constante (Gp:) Frecuencia
    (Gp:) Abundancia (Gp:) giromagnética (Gp:) de resonancia
    (Gp:) natural (%) (Gp:) g (Gp:) (10 (Gp:) 7 (Gp:) T (Gp:) -1
    (Gp:) s (Gp:) -1 (Gp:) ) (Gp:) n (Gp:) (MHz) Para un campo
    magnetico Bo = 9.4 T (Gp:) 1 (Gp:) H (Gp:) 26,76 (Gp:) 400,0
    (Gp:) 99,985 (Gp:) 2 (Gp:) H (Gp:) 4,11 (Gp:) 61,4 (Gp:) 0,015
    (Gp:) 13 (Gp:) C (Gp:) 6,73 (Gp:) 100,6 (Gp:) 1,108 (Gp:) 14
    (Gp:) N (Gp:) 1,93 (Gp:) 28,9 (Gp:) 99,63 (Gp:) 15 (Gp:) N (Gp:)
    -2,71 (Gp:) 40,5 (Gp:) 0,37 (Gp:) 17 (Gp:) O (Gp:) -3,63 (Gp:)
    54,3 (Gp:) 0,037 (Gp:) 19 (Gp:) F (Gp:) 25,18 (Gp:) 376,5 (Gp:) 1
    (Gp:) 00,0 (Gp:) 31 (Gp:) P (Gp:) 10,84 (Gp:) 162,1 (Gp:) 100,0
    Principios básicos de la RMN Cada núcleo tiene su
    frecuencia de resonancia característica, que depende de su
    constante giromagnética y del campo magnético
    externo aplicado.

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    7 2.2. Niveles poblacionales, 1 Na Nb = e (Gp:) Ej.: Para Bo =
    4,7 Teslas y T = 300 K (Gp:) kT (Gp:) DE (Gp:) = 6,4 x 10-5 (Gp:)
    Nb (Gp:) Na (Gp:) = 1.00006 (Gp:) DE << kT (Gp:) Na ? Nb
    (Gp:) En RMN (Gp:) DE >> kT (Gp:) Na >> Nb (Gp:) En
    otras espectroscopias (Gp:) En RMN es como si detectáramos
    sólo 1 de cada 100.000 núcleos presentes (Gp:)
    PROBLEMAS DE SENSIBILIDAD (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) DE = hn Ley de
    distribución de Boltzmann

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    8 2.2. Niveles poblacionales, 2 UV IR RMN DE DE DE Se muestra
    aquí la diferencia de energía entre los distintos
    estados energéticos que dan lugar a las distintas
    espectrocopias.

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    9 (Gp:) Irradiación con absorción de hn (Gp:)
    Irradiación con absorción de hn (Gp:) a (Gp:) b DE
    A favor del campo Contra el campo Estado aa (Gp:) Polo
    magnético (Gp:) Polo magnético (Gp:) B0 (Gp:) a
    (Gp:) a (Gp:) Polo magnético (Gp:) Polo magnético
    (Gp:) B0 (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) Estado ab 2.3. El
    proceso de la resonancia, 1

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    10 RELAJACIÓN DE ESPÍN (Gp:) a (Gp:) b (Gp:) a
    (Gp:) b (Gp:) a (Gp:) b El retorno al equilibrio se denomina
    RELAJACIÓN 2.3. El proceso de la resonancia, 2 Pulso de
    radiofre-cuencia relajación Cuando se deja de aplicar el
    pulso, el vector magnetización tiende a recuperar su
    posición de equilibrio mediante un proceso de
    relajación (emite la energía absorbida). Este
    proceso de relajación da lugar a la FID, que es una onda
    sinusoidal exponencialmente amortiguada. Esto es lo que se
    denomina caída libre de inducción (FID, free
    induction decay).

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    11 Tres requerimientos esenciales: Un campo magnético (Bo)
    homogéneo e intenso Una fuente de radiación de
    radiofrecuencia (B1) para excitar los núcleos de la
    muestra Un método para detectar la señal de RMN
    (Gp:) El campo magnético es suministrado por: Imán
    permanente Electroimán Bobina superconductora (Gp:) 60-90
    MHz (Gp:) 100-850 MHz (Gp:) Bobina superconductora
    Espectrómetro de RMN, 1

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    12 Antiguamente (1950-70) ONDA CONTINUA Actualmente (desde 1970)
    TECNICA DE PULSOS (FT) Espectrómetro de RMN, 2

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    13 Espectrómetro de RMN, 3 El solenoide es superconductor
    sólo a muy bajas temperaturas, por eso se encuentra
    rodeado de He líquido (T = 4 K), para evitar que el He se
    evapore rápidamente, está protegido por alrededor
    por N2 líquido (T = -196 oC)

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    14 Espectrómetro de RMN, 4 Diagrama de la
    adquisición de un espectro de RMN:

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    15 (Gp:) Nube electrónica circulante bajo la influencia de
    Bo (Gp:) Campo magnético externo, Bo (Gp:) Núcleo
    (Gp:) Campo local inducido, B’ opuesto a Bo en el
    núcleo Apantallamiento nuclear, 1 Reproducido de Volhardt,
    “Organic Chemistry”, 3ª Ed, 1999 Los
    núcleos están rodeados de nubes de electrones que
    circulan en el campo magnético alrededor del
    núcleo. Estos electrones, al moverse en sus
    órbitas, son equivalentes a pequeños circuitos
    eléctricos que, en presencia de Bo originan
    pequeños campos magnéticos que se orientan a favor
    o en contra del campo magnético externo Bo. Dependiendo de
    la posición relativa del núcleo respecto al campo
    magnético generado por los electrones, puede ocurrir
    que:

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    16 Apantallamiento nuclear, 2 Bnúcleo = Bo +
    B’electrones (Gp:) Nube electrónica circulante bajo
    la influencia de Bo (Gp:) Campo magnético externo, Bo
    (Gp:) Núcleo (Gp:) Campo local inducido, B’ opuesto
    a Bo en el núcleo (Gp:) Efecto Núcleo
    Bnúcleo < Bo Diamagnético Apantallado
    Bnúcleo > Bo Paramagnético Desapantallado (Gp:)
    Bo (Gp:) B’e (Gp:) Bo (Gp:) B’e

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    17 (Gp:) 480 Hz (Gp:) 320 Hz Apantallamiento nuclear, 3
    Reproducido de Volhardt, “Organic Chemistry”, 3ª
    Ed, 1999 (Gp:) ?? B ?? (Gp:) Bo = 2.1 Tesla Para Bo = 2.1 T no =
    90.000.000 Hz (1H resuena a 90 MHz) TMS (Ref) En un espectro de
    RMN no se representan frecuencias absolutas de resonancia, porque
    darían lugar a números demasiado altos. Para
    evitarlo, se elige una señal como referencia y lo que se
    determina es la separación entre la frecuencia de
    resonancia de un núcleo y una frecuencia de referencia.
    Esta magnitud se mide en Hz.

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    18 Apantallamiento nuclear, 4 Se trabaja con la diferencia
    respecto a una referencia (nseñal – nref) (Gp:)
    Problema: dependencia de n de Bo Solución: dividir por no
    (n aparato) (nseñal – nref) no (Gp:) Para Bo = 2.1 T
    no = 90.000.000 Hz 480 / 90.000.000 = 5.33 x 10-6 (Gp:) Para Bo =
    4.2 T no = 180.000.000 Hz 960 /180.000.000 = 5.33 x 10-6 (Gp:)
    Problema: números muy pequeños Solución:
    multiplicar por 106 (ppm) (nseñal – nref) no (Gp:) ?
    106 (Gp:) d = (Gp:) ClCH2OCH3 (Gp:) 480 Hz (Gp:) 320 Hz (Gp:) Bo
    (T) 2.1 4.2 960 Hz 640 Hz (Gp:) Tetrametilsilano (TMS) (Gp:)
    REFERENCIA INTERNA:

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    19 Desplazamiento químico, 1 (Gp:) (nseñal –
    nref) no (Gp:) ? 106 (Gp:) d = Desplazamiento químico (d)
    : Posición de una señal en el espectro Se expresa
    en función de la de una sustancia de referencia (Gp:) n
    depende de la envoltura electrónica n depende de la
    estructura Como patrón se utiliza TETRAMETILSILANO (TMS)
    Ventajas del TMS : 1) Señal única 2) Líquido
    volátil 3) Aparece a n < n señales (n TMS = 0
    ppm) 4) No interacciona con la muestra Partes por millón
    (ppm)

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    20 (Gp:) 480 Hz (Gp:) 320 Hz (Gp:) ?? B ?? (Gp:) Bo = 2.1 Tesla
    Para Bo = 2.1 T no = 90.000.000 Hz (1H resuena a 90 MHz) TMS
    (Ref) 5.33 ppm 3.55 ppm ¡ Observa: 1 ppm = 90 Hz !
    Desplazamiento químico, 2

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    21 0 1 2 3 4 5 6 7 8 d (1H) ppm TMS MeCN Me2CO Me2SO C6H6 (Gp:)
    (n) (Gp:) (d) (Gp:) APANTALLAMIENTO (Gp:) Desapantallado (Gp:)
    apantallado (Gp:) A medida que el núcleo está
    más apantallado (como consecuencia de su entorno
    electónico) el campo magnético efectivo que percibe
    es menor y por tanto resuena a menor frecuencia, es decir,
    aparece a menor desplazamiento químico en el espectro.
    Desplazamiento químico, 3

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    22 El desplazamiento químico de un protón depende
    de su entorno, y aquí se muestran los desplazamientos
    químicos aproximados para distintos tipos de compuestos.
    El desplazamiento químico depende, entre otros factores,
    del grado de sustitución y de la electronegatividad de los
    sustituyentes. Así, hay diferencias entre protones de
    grupos alquilo primarios, secundarios o terciarios. Afecta
    también la electronegatividad del sustituyente al que
    está unido el protón y la distancia al sustituyente
    electronegativo. Hay casos muy interesantes como los de los
    protones aromáticos, vinílicos y
    aldehídicos, en los que el desplazamiento químico
    tiene valores anormalmente altos… Desplazamiento
    químico, 4

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    23 Desplazamiento químico, 5

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    Campo externo, B0 Blocal (Gp:) Blocal Blocal (Gp:) Blocal
    ALQUENOS Desplazamiento químico, 6 La circulación
    de los electrones ? origina un campo inducido que se suma al
    campo externo Bo en la zona ocupada por los protones y
    éstos resuenan a frecuencias más altas, mostrando
    valores de desplazamiento químico, entre 5 y 6 ppm. La
    distribución de la densidad electrónica alrededor
    de los enlaces no es simétrica y el desplazamiento
    químico de los núcleos vecinos dependerá de
    su posición relativa con respecto a ella. Este efecto
    anisótropo generado por la circulación de
    electrones en átomos vecinos se da fundamentalmente en
    moléculas con electrones ?. 24

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    25 Factores de los que depende d 1. Grado de sustitución
    2. Electronegatividad del sustituyente (desprotección
    magnética local) 3. Distancia del sustituyente 4.
    Presencia de dobles y/o triples enlaces (anisotropía
    magnética local) 5. Interacciones intermoleculares:
    puentes de hidrógeno, disolvente, etc. (Gp:) CH3X EN (X) d
    (ppm) CH3F 4.0 4.26 CH3OH 3.4 3.40 CH3Cl 3.2 3.05 CH3Br 3.0 2.68
    CH3I 2.7 2.16 CH3H 2.2 0.23 (Gp:) d aumenta con la EN del
    sustituyente (Gp:) Desprotección magnética local
    Desplazamiento químico, 7 Un efecto – I producirá
    un desapantalla-miento y un aumento del valor de desplazamiento
    químico (Gp:) alcanos (Gp:) alquinos (Gp:) alquenos (Gp:)
    d 1. Grado de sustitución 2. Electronegatividad del
    sustituyente

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    26 ALQUENOS ALDEHIDOS Desplazamiento químico, 8
    Hidrógenos olefínicos: desplazamiento
    químico (d): 5 – 6 ppm Hidrógeno de
    aldehído: desplazamiento químico (d): 9 – 10 ppm El
    hidrógeno de aldehído está aún
    más desapantallado que los olefínicos y
    aromáticos. La razón es que el H aldehídico
    está desprotegido tanto por la circulación de los
    electrones en el doble enlace, como por el efecto atractor de
    electrones del oxígeno.

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    27 AROMÁTICOS Campo externo, B0 (Gp:) Blocal (Gp:) Blocal
    Corriente de anillo (Gp:) Blocal (Gp:) Blocal Desplazamiento
    químico, 9 El campo magnético Bo induce una
    corriente circular a través de los orbitales p del anillo
    aromático. Dicha corriente (corriente de anillo) induce un
    campo magnético que se opone al campo externo Bo en el
    centro del anillo. Los átomos de hidrógeno unidos
    directamente al anillo aromático se encuentran en la zona
    donde el campo magnético generado por los electrones se
    suma al externo, por lo que éstos resultan
    desapantallados. H del benceno: desplazamiento químico
    (d): 7.3 ppm aprox.

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    28 ALQUINOS Desplazamiento químico, 10 El acetileno es una
    molécula lineal, la nube de electrones ? que constituye el
    triple enlace tiene una simetría axial alrededor del eje
    de la molécula y en presencia de un campo magnético
    externo,orientado en la dirección del eje de la
    molécula, la circulación de electrones ? origina un
    campo magnético que se opone al exterior en la
    posición que ocupan los protones, por lo que éstos
    resultan apantallados (efecto diamagnético, resuenan a
    menor frecuencia).

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    29 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 COOH Ar–OH R–OH R–NH
    R–CHO Ar–H C?CH C?CH C?CH–CHn CO–CHn
    Ar–CHn Hal–CHn O–CHn N–CHn C–CHn
    TMS (Gp:) Aromático (Gp:) Olefínico (Gp:)
    Alifático Desplazamiento químico, 11

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    30 Protones equivalentes Protones equivalentes son los que
    están en el mismo entorno químico y originan una
    única señal en el espectro de 1H-RMN. En este caso
    los protones del Me del metanol originan los tres la misma
    señal, el protón unido al átomo de
    oxígeno sale a mayor d.

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    31 La integral de una señal es proporcional al
    número de núcleos equivalentes que la originan
    Integral = área total del pico Protones equivalentes.
    Integral, 1

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    32 La integral de una señal es proporcional al
    número de núcleos equivalentes que la originan
    Integral = área total del pico Protones equivalentes.
    Integral, 2

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    33 EL ESPECTRO DEL ETANOL Reproducido de P.J. Hore,
    “Nuclear Magnetic Resonance”, OCP, 1995 30 MHz (Gp:)
    400 MHz (Gp:) Reproducido de D. Canet, “Nuclear Magnetic
    Resonance”, Wiley, 1996 6. Acoplamiento spin-spin El campo
    magnético que rodea a los núcleos está
    influído por el resto de los momentos magnéticos de
    la molécula, como son los de otros núcleos vecinos.
    Así, si un protón debería dar una
    señal a una frecuencia correspondiente a su d, esta
    señal puede aparecer desdoblada en varias dependiendo de
    la orientación magnética de los núcleos
    vecinos.

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    34 dX dA n (frecuencia) JAX JXA (Gp:) JAX = JXA J = constante de
    acoplamiento. Se mide en (Hz) J no depende del campo
    magnético aplicado Bo, sino de la relación entre
    los núcleos (mismo valor en cualquier aparato) Doblete
    Doblete 6. Acoplamiento spin-spin. Constante de acoplamiento
    (J)

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    35 Cuando el protón Ha cercano está alineado y en
    el mismo sentido del campo magnético externo, desapantalla
    a Hb. Cuando Ha está alineado en contra del campo,
    apantalla a Hb. La señal para los protones Hb se
    acoplará en picos de la misma altura (doblete). La
    absorción Ha está afectada por tres combinaciones
    de espines Hb: Si los protones Hb refuerzan el campo externo,
    esto desapantallará a Ha. Si un Hb está alineados
    en contra del campo y el otro Hb refuerza el campo, el efecto se
    cancelará. Si los protones Hb están en contra del
    campo externo, esto apantallará a Ha . La señal de
    Ha será un triplete (relación 1:2:1). 6.
    Acoplamiento spin-spin. Constante de acoplamiento (J) DOBLETE
    TRIPLETE

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    36 (Gp:) JA,X (Gp:) JA,X (Gp:) nA (Gp:) nx (Gp:) DnA,X (Gp:)
    Origina espectros de PRIMER ORDEN (Gp:) DnA,X >> JA,X (Gp:)
    JA,B (Gp:) nA (Gp:) nB (Gp:) DnA,B (Gp:) JA,B (Gp:) Origina
    espectros COMPLEJOS (Gp:) DnA,B ? JA,B (Gp:) 1) ACOPLAMIENTO
    DÉBIL (Gp:) 2) ACOPLAMIENTO FUERTE Acoplamiento spin-spin.
    Espectros de PRIMER ORDEN

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    37 6. Acoplamiento spin-spin. Constantes de acoplamiento (J) El
    valor de J, que depende de distintos factores en especial del
    tipo de hibridación de los átomos implicados,
    disminuye con el número de enlaces: 2J = 12-15 Hz 3J = 6-8
    Hz

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    38 Constantes de acoplamiento

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    39 Reglas de desdoblamiento Válidas para espectros de
    primer orden Dd (Hz) >10 JA,X Los núcleos equivalentes
    no se acoplan entre sí. El acoplamiento con n
    núcleos equivalentes origina un desdoblamiento en (2nI+1)
    líneas. En el caso del protón, I = 1/2 por tanto el
    acoplamiento con n núcleos equivalentes origina un
    desdoblamiento en (n +1) líneas. Todas las líneas
    de un multiplete están igualmente separadas. La
    separación corresponde al valor de la constante de
    acoplamiento. La intensidad relativa de las líneas de un
    multiplete viene dada por el triangulo de Pascal.

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