TEMA Nº 5 Espectroscopia de Resonancia magnética nuclear5.1. Fundamentos físicos de la espectroscopia RMN El giro de las cargas eléctricas del núcleo hace que se comporte como un pequeño imán momento magnético (μ) En presencia de un campo magnético externo B0 el núcleo es capaz de orientarse a favor o en contra Los dos estados tienen diferente energía. Esa diferencia aumenta con la intensidad del campo magnético SE DENOMINA RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR AL FENÓMENO POR EL QUE UN NÚCLEO SALTA DE UN ESTADO DE ESPÍN A OTRO CUANDO ES IRRADIADO CON LUZ DE LA ENERGÍA (FRECUENCIA DE LARMOR) ADECUADA La energía necesaria para producir un tránsito entre estados (resonancia) es del orden de las radiofrecuencias Para el protón (H-1) en un campo Ho de 14 Teslas, la frecuencia de resonancia sería de 600 MHz, lo que equivale a una energía de 0.2 J/mol. Para campos magnéticos más intensos son necesarias frecuencias mayores con un leve exceso alineado a favor del campo. B0 .En ausencia de un campo magnético externo. los de los distintos núcleos pueden asumir cualquier dirección (como un imán) Al colocar un núcleo con momento angular P y momento magnético en un campo magnético externo. el momento angular se alineará respecto al campo externo. Para un núcleo de I = ½ Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del campo Bo b Bo > 0 Bo = 0 a DE = h n La energía necesaria para pasar de un estado de spin al otro está determinada por la siguiente ecuación: . n0 se encontrará en el rango de 100 a 800 MHz. cada núcleo magnéticamente activo tiene una frecuencia de Larmor definida y característica.35 y 18.DE = hn = h B0 / 2 n0 = B0 / 2 ECUACIÓN DE LARMOR n0 = frecuencia de Larmor Para imanes de campo magnético entre 2. . es decir corresponderá a una frecuencia de radio rayos rayos x UV VIS IR -ondas radio 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 longitud de onda (cm) 102 En una molécula. es decir absorberá radiación electromagnética de una frecuencia determinada para cambiar de estado de spin.6 Tesla. 834 0.1305 Frecuencia RMN (MHz)* 42.236 Sensibilidad Relativa 1.¿Todos los núcleos manifiestan resonancia magnética nuclear? Sólo tienen una EJEMPLOS Nº MÁSICO Nº ATÓMICO SEÑAL RMN frecuencia de resonancia 12C .108 (SI) 2.4107 0.79268 0.5167 1.6273 1.0664 Cte.5759 6. 16O PAR PAR NO característica (cuando se 6 8 2H .055 17.108 100 100 Espí n 1/2 1 1/2 1/2 1/2 Momento Magnético (mag.0829 1 1 6 13C 19F 9 31P 15 .159 0.53566 10.857386 0.9844 0.0156 1.6752 0.6726 2.00964 0.nuc) 2. 11B .70220 2.000 0. 15N IMPAR IMPAR SI másico o número atómico 1 5 7 sea impar (o ambos) Frecuencias características a 10000 Gaus (1T) Núcleo 1H 2H Abundancia Natural (%) 99. γ. 17O IMPAR PAR SI 6 8 núcleos cuyo número 1H . 10B .705 40. 14N someten a un campo PAR IMPAR SI 1 5 7 magnético) aquellos 13C . 2 % 1/2 0 5/2 0 100 % 1/2 .76 % 0.04 % 0.1 % 99.63 % 1 0 1/2 1 15N 16O 17O 18O 31P 0.015 % 98.37 % 99.9 % 1.985 % I 1/2 2H 12C 13C 14N 0.Núcleo 1H Abundancia Natural 99. . Instrumentación – Espectrómetro de RMN ¿Cómo se obtiene un espectro de RMN? .2.5. . Esquema aparato de RMN . Espectrómetro de RMN ONDA CONTINUA TECNICA DE PULSOS (FT) 13 . 3.5. Espectro de RMN 1H . Referencia Espectro del tetrametil silano (TMS) Patrón universal en espectroscopia HRMN CH3 H3C Si CH3 CH3 ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 . Esta magnitud se mide en Hz.000.000 Hz (1H resuena a 90 MHz) En un espectro de RMN no se representan frecuencias absolutas de resonancia. “Organic Chemistry”. 3ª Ed.1 T no = B90. Para evitarlo. Reproducido de Volhardt.Espectro de Resonancia magnética nuclear Bo = 2.1 Tesla Para Bo = 2. 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. porque darían lugar a números demasiado altos. 1999 320 Hz 480 Hz 16 TMS (Ref) . 1 T no = 90.33 x 10-6 Para Bo = 4.000.000 Hz 960 /180.000 = 5.33 x 10-6 Problema: números muy pequeños Solución: multiplicar por 106 (ppm) d= (nseñal – nref) no 106 17 .1 480 Hz 960 Hz 320 Hz 640 Hz 4.000.000 = 5.2 Problema: dependencia de n de Bo Solución: Tetrametilsilano (TMS) dividir por no (n aparato) (nseñal – nref) no Para Bo = 2.000.000 Hz 480 / 90.000.2 T no = 180.Se trabaja con la diferencia respecto a una referencia (nseñal – nref) REFERENCIA INTERNA: ClCH2OCH3 Bo (T) 2. n depende de la envoltura electrónica n depende de la estructura Desplazamiento químico (d) : Posición de una señal en el espectro Se expresa en función de la de una sustancia de referencia d (nseñal – nref) 6 10 = no Partes por millón (ppm) 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 18 . 1 Tesla Desplazamiento químico. δ Para Bo = 2.000 Hz (1H resuena a 90 MHz) 5.55 ppm 320 Hz ¡ Observa: 1 ppm = 90 Hz ! 480 Hz TMS (Ref) 19 .000.1 T no = B90.33 ppm 3.Bo = 2. ¿Qué información se puede obtener de un espectro RMN 1H? • Número de señales: relacionada con el número de diferentes de la muestra 1H • Frecuencia de las señales (d) : relacionada con el entorno molecular del núcleo. • Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H vecinos de cada tipo. -OH. • Área de las señales (integral): relacionada con la cantidad de cada tipo de 1H. acoplamiento (J): brinda información • Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos funcionales (-COOH. -NH2) . • Constantes de estereoquímica. . 5..1-dicloroetano y el 1. en el cloroetano hay dos tipos de hidrógeno porque sustituyendo por cloro se pueden obtener dos compuestos diferentes. Por ejemplo un -OH es diferente a un -CH . un -CH3 es diferente a un -CH2.. Por ejemplo.4.y un sp3 C-H es diferente a un sp C-H 3. el 1.2-dicloroetano 2.Método de sustitución Se sustituye cada hidrógeno por un átomo diferente (por ejemplo Cl) y se comprueba si se obtienen compuestos diferentes..Simetría Los átomos de carbono que puedan ser intercambiados por operaciones de simetría son equivalentes . Equivalencia química Normalmente se emplean tres métodos para identificar el número de tipos de hidrógeno en una molécula: 1.Descripción verbal Si necesita emplear distintos términos para describir dos átomos de hidrógeno es que representan dos tipos diferentes. Criterio de sustitución Homotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar al mismo producto Enantiotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar a dos enantiómeros Diastereotópicos: átomos o grupos cuya sustitución da lugar a dos diastereómeros . . . . . . . . . . . . . . . . Núcleos equivalentes . . . Problemas resueltos Veremos que sus seis protones, solo dan una señal. Los dos grupos metilo poseen protones que no solo son equivalentes entre sí (protones dentro del mismo grupo metilo) sino que además son equivalentes a los protones del otro grupo metilo de la molécula. Esto se debe a que ambos grupos metilos son uno respecto al otro como una imagen refleja o especular. La molécula de acetona tiene un plano de simetría en torno al grupo funcional (C=O) carbonilo. 0.35 0.40 0.30 CH3CH2CH2CH3 CH3 1.22 0.20 CH2 TMS 0.10 0.00 ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 cualquier molécula simétrica como por ejemplo, el n-butano: 1 2 3 4 CH3 CH2 CH2 CH3 muestra un plano de simetría que pasa entre el carbono 2 y 3. Si esto es así, entonces, todos los protones de los carbonos 1 y 4 son equivalentes, al igual que todos los protones de los carbonos 2 y 3. 1.46 0.40 1.00 a b CH3CH2CHCH3 Cl b CH3 1.67 a CH3 0.30 CH2 0.20 3.90 TMS 0.10 CH 0.00 ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.20 O CH3CH2CCH2CH3 a b b a 3-pentanona b 3.14 1.10 0.00 TMS 0.00 ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 .32 a 0. a 0.30 TMS 0. rompe la simetría haciendo que ahora todos los protones sean diferentes.60 0.01 O 0.40 0.00 ppm 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 La sustitución de un protón en el carbono 1.00 0.81 c 2. .94 b 2.35 0.10 0.20 0.70 1.50 CH3CH2CCH2CH2Cl c d a b 1-cloro-3-oxopentano d 3. Problemas propuestos A continuación se muestra el espectro RMN-H de un compuesto desconocido . . . When appropriate. label prochiral hydrogens as HR or HS . or diastereotopic.Identify in the molecules below all pairs/groups of hydrogens that are homotopic. enantiotopic. 1 signal 4 signals 1 signal 4 signals 2 signals 5 signals 2 signals 3 signals 51 .Exercise 1: Identify the number of signals expected in the 1H NMR spectrum of the following compounds. diastereotopic diastereotopic homotopic enantiotopic homotopic enantiotopic 52 . enantiotopic.Exercise 2: Determine whether the two protons shown in red are homotopic. or diastereotopic. . Desplazamiento Químico .4.5. permite diferenciar unos núcleos de otros. debida a las diferencias de sus entornos químicos.¿Todos los núcleos de una muestra muestran resonancia a una misma frecuencia? Apantallamiento atómico (electrones en torno al núcleo) Apantallamiento molecular (entorno atómico) El campo local no es igual al externo Cambio frecuencia o Cambio campo magnético DESPLAZAMIENTO QUÍMICO δ Los núcleos de una muestra entran en resonancia con ondas de radio de frecuencias ligeramente diferentes. . Esta circunstancia. . más a la izquierda .Factores que afectan al desplazamiento químico de los protones Efecto inductivo: Si un átomo más electronegativo retira carga eléctrica que previamente estaba en torno a un protón. el campo local que se oponía al externo disminuye. en consecuencia la resonancia se produce con un campo externo menos intenso. Ojo: En términos de frecuencia diríamos que se produce a mayor frecuencia. los protones absorberán la radiación a distintas intensidades del campo magnético. La RMN variará el campo magnético y representará un gráfico de la absorción de energía como función de la intensidad del campo magnético. . Cuando los protones se encuentran en distintos entornos de la molécula y la molécula está expuesta a una frecuencia constante. por lo que el protón hidroxilo absorbe a un campo más bajo que los protones metilo.Apantallamiento en protones Los protones en distintos entornos químicos están apantallados en distintas cantidades. Decimos que el protón está algo desapantallado por la presencia de átomos de oxígeno electronegativos. El protón hidroxilo no está tan apantallado como los protones metilo. Los protones de metilo más apantallados aparecen hacia la derecha del espectro (campo más alto). En un espectro RMN el campo magnético aumenta desde la izquierda hacia la derecha. Las señales del lado de la derecha están en la parte más alta del espectro y las de la izquierda están en la parte más baja. . Los protones apantallado aparecen en la parte alta. el protón hidroxilo menos apantallado aparece hacia la izquierda (campo más bajo). Cada unidad δ se diferencia 1 ppm del TMS: 60 Hz a 60 MHz y 300 Hz a 300 MHz. El desplazamiento químico de los protones se mide en partes pos millón (ppm). Cuanto más altas son las frecuencias del espectrómetro. Utilización de la escala δ con espectrómetros de 60 y 300 MHz. más detallado es el espectro . independientemente del campo y la frecuencia del instrumento utilizado. El desplazamiento del TMS se define como O. La escala aumenta de derecha a izquierda (hacia el campo más bajo).Escala delta (δ) RMN. por lo que producirán sólo una señal.Espectro de RMN del metanol Los protones metilo absorben a δ = 3. .8 ppm.4 ppm y los protones hidroxilo absorben a δ = 4. Los tres protones metilo son equivalentes. .Espectro de RMN de protón para un compuesto de fórmula C6H12O2. que se puede observar en la figura anterior. La intensidad relativa de una señal en la espectroscopia de RMN-H es proporcional al número de protones que contribuyen a la señal. . Curva integral Curva de integración.5. es la llamada curva de integración.5. La altura del escalón permite calcular el número de átomos de hidrógeno que dan origen a cada señal. La curva superpuesta a las señales del espectro. Como el número total de protones es de 10. una corresponde a 6 protones y la otra a 4.Información disponible a partir de la integral La línea integral (verde) indica la intensidad del pico e informa del número de protones que producen la señal Ejercicio: En el primer caso las dos señales están en la proporción 3:2. ¿Y en los otros dos casos? . 6 cm. Se suman las dos integraciones y se divide por el número total de hidrógenos de la estructura: 7.6 cm . Para calcular el número de átomos de hidrógeno que originan cada señal se procede del siguiente modo: 1º.0 cm y 1.0 cm + 1.6 cm = 8.Se mide una altura para cada escalón 7. . Para saber el número de hidrógenos de cada señal se multiplica su integración por el valor anterior Así pues. la señal más intensa se debe a 9 protones (tres metilos de la estructura) mientras que la menos intensa se debe a tan sólo dos protones (metileno).2º. Esta relación integral puede ser reducido a 3:1 indicado. .La molécula tiene dos tipos de protones equivalentes en una relación 9:3. . El acoplamiento espín-espín entre los átomos de carbono germinales se puede producir si los hidrógenos tienen distintos entornos (no equivalentes).5. . Acoplamiento espín-espín La mayoría de los ejemplo de acoplamiento espín-espín implican el acoplamiento entre protones que están separados por tres enlaces.6. El acoplamiento es uno de los fenómenos más observados cuando los hidrógenos se unen a los átomos de carbono adyacentes. por lo que están unidas a los átomos de carbono adyacentes. se denomina "acoplamiento de gran rango". por que están enlazados a átomos de carbono adyacentes. .En la mayoría de los casos de acoplamiento espín-espín implican acoplamiento entre protones que están separados por tres enlaces. Cuando los hidrógenos constan de cuatro enlaces o más. el acoplamiento espín-espín no se suele observar. Cuando realmente tiene lugar. Constantes de acoplamiento de protón. . En el caso de Ha. y ambos son más grandes que el acoplamiento germinal (2 Hz). . y por último el germinal. el árbol empieza con el acoplamiento trans. por acoplamiento con Hc. En la elaboración de un árbol de desdoblamiento es útil comenzar con la constante de acoplamiento más alta. después el cis. y también desdoblada con una Jac = 11 Hz.Árbol de desdoblamiento del estireno. El acoplamiento trans (J = 15 Hz) es mayor que el acoplamiento cis (10 Hz). La señal Ha del estireno está desdoblada con una Jab = 17 Hz por acoplamiento con Hb. El espectro muestra el desdoblamiento exacto razonado a través del árbol de desdoblamiento .Espectro de RMN de protón del estireno. y también por acoplamiento con Hc (Jbc = 1. La señal del protón Hb del estireno está desdoblada por acoplamiento con Ha (Jab = 17 Hz).4 Hz).Árbol de desdoblamiento del estireno. y ambos son más grandes que el acoplamiento germinal (2 Hz). En el caso de Ha. El acoplamiento trans (J = 15 Hz) es mayor que el acoplamiento cis (10 Hz). y por último el germinal. En la elaboración de un árbol de desdoblamiento es útil comenzar con la constante de acoplamiento más alta. el árbol empieza con el acoplamiento trans. después el cis. . .y CH3 del grupo etilo (-CH2CH3) estan acoplados unos con otros. Los Hidrógenos (H) sobre el acetato CH3COO. resultando en un cuartete y triplet respectively.no se acoplan con otrosa átomos de hidrogeno y aparecen como un singulete. pero los hidrógenos del -CH2.Hay tres diferentes tipos de átomos de H en el acetate de etilo. Las señales de los protones vinílicos se pueden encontrar centradas alrededor de 5 . mientras que los protones aromáticos están en el campo más bajo a aproximadamente 7. Los protones directamente enlazados a los carbonilos están muy desapantallados y sus señales se encontrarán en el campo bajo del espectro.Desplazamientos químicos más frecuentes en el espectro de RMN de protón. .0 ppm.6 ppm. Su señal está a la derecha del espectro y a partir de ella se miden las posiciones a las que aparecen las demás señales La posición del resto de señales se indica mediante el desplazamiento químico (δ) medido de la siguiente manera: δ = (f-fLOC)106/ fo (ppm) Frecuencia del aparato .Se ha escogido una sustancia de referencia (en el caso de los protones el tetrametilsilano. TMS). resuenan a campos más bajos y frecuencias más altas Protones más apantallados. resuenan a campos más altos y frecuencias más bajas Aumenta el campo magnético a frecuencia fija Aumenta la frecuencia a campo fijo Campo alto Campo bajo .RMN de protones Protones menos apantallados. La escala δ es relativa a TMS δ = 0 .Rangos de desplazamientos químicos de protones* Región de campo alto Región de campo bajo Para muestra disueltas en CDCl3. Anisotropía magnética de los sistemas π: Cuando los sistemas de electrones π son sometidos al campo magnético externo inducen otro campo que se opone al anterior. por tanto. lo hace la frecuencia de resonancia (resuenan a campo bajo) Otros sistemas con electrones π . Aromáticos: el campo magnético efectivo que sienten los protones aumenta y. 5 – 2.2 ppm.. zona en que resuenan los protones unidos a un carbono unido. .5). a su vez. a un grupo carbonilo (1.Información disponible a partir del desplazamiento químico (espectro de baja resolución) En el HRMN de la propanona sólo hay una señal porque todos los protones son equivalentes La señal se presenta a 2.INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO RMN DE PROTONES 1. Ejercicio: Justifique las cuatro señales que aparecen en el HRMN del fenol Equivalencia química: Dos átomos de hidrógeno son equivalentes cuando al ser sustituidos por otro átomo dan el mismo compuesto . .1 ppm .1-dicloroetano presenta dos señales: δ = 5.Información disponible a partir del acoplamiento espín-espín (espectro de alta resolución) En muchos casos los picos aparecen como grupos de picos debido al acoplamiento que sufren los espines con núcleos vecinos El espectro RMN del 1.9 ppm . integración = 3 corresponde a -CH3 ¿Por qué las señales se han desdoblado y aparecen con 4 y 2 picos respectivamente? . integración = 1 corresponde a -CHCl2 δ = 2.INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO RMN DE PROTONES 3. un cuartete . Como resultado de ello la señal del grupo vecino -CH se desdobla en cuatro líneas con intensidades respectivas 1:3:3:1.sobre el grupo -CH3 Efecto del grupo -CH3 sobre el grupo -CH El espín del grupo metino -CH puede adoptar dos orientaciones con respecto al campo externo aplicado. que se pueden agrupar en cuatro opciones diferentes (en dos casos hay tres combinaciones equivalentes). un doblete. Como resultado de ello la señal del grupo -CH3 vecino se desdobla en dos líneas de igual intensidad. provocando que la frecuencia de resonancia cambie Efecto de grupo -CH. Los espines de los tres protones del grupo metilo pueden adoptar 8 combinaciones.El desdoblamiento de las señales se produce por el efecto del campo magnético vecino sobre el aplicado externamente. el número de éstas se conoce como multiplicidad de la señal. Regla N + 1 Nº de protones equivalentes 0 1 Nº de picos (multiplicidad) 1 (singulete) 2 (doblete) 1 Relaciones de área 1 1 2 3 4 5 6 3 (triplete) 4 (cuadruplete) 5 (quintuplete) 6 (sextuplete) 7 (septuplete) 1 1 6 1 5 1 1 3 4 2 3 6 10 1 1 4 10 15 5 1 1 6 1 15 20 . Los protones equivalentes no se acoplan entre sí.Podemos afirmar que la proximidad de n protones equivalentes en un carbono vecino provoca el desdoblamiento de la señal en n+1 líneas. J es independiente del campo magnético aplicado Cuando en el acoplamiento intervienen dobles enlaces la situación no sigue la regla del n+1 . .La constante de acoplamiento mide la intensidad de la interacción entre pares de protones. Tiene el mismo valor en las señales acopladas. Ejemplo: Espectro de 1H del estireno Ha Hc Ha Hb Hb Hc 17Hz Jab = 17 Hz Jac = 11 Hz 17Hz 11Hz 11Hz 11Hz 1.4 Hz 1.4 Hz 1.4 Hz doble doblete Ejercicio: ¿A cuál de las tres sustancias corresponde el RMN? Ácido propanoico Ejercicio: ¿Qué información puede obtener del siguiente espectro sabiendo que la fórmula molecular del compuesto es C4H8O2 ? 3 ppm tiene junto a él un grupo CH2 El grupo CH3 de 2.0 ppm tiene junto a él un carbono sin hidrógeno . hay un grupo CH2 y dos grupos CH3 El grupo CH2 de 4.3 entornos diferentes para los átomos de hidrógeno Los átomos de hidrógeno en estos tres ambientes están en una relación 2:3:3 Como son 8 hidrógenos.1 ppm tiene junto a él un grupo CH3 El grupo CH3 de 1. 9ppm (3H) = CH2CH3 .4ppm (2H) = CH2O 2.8ppm (2H) = Ar-CH2 2. Por ello los picos a 4.9 ppm deben formar CH2CH3 . Los picos a 2. y un cuartete 3H en la misma posición. Cada triplete indica que hay 2H en la posición adyacente.8 ppm deben estar conectados como unidad CH2CH2. Usando la tabla de desplazamiento químico los H pueden ser asignados de la siguiente manera: 7. Hay un singlete de 5 H. un cuartete de 2 H y un triplete de 3 H.Ejercicio: Interpretación del espectro RMN 1H: Están presentes 5 tipos de H en la proporción 5 : 2 : 2 : 2 : 3.4 y 2.1ppm (2H) = O=CCH2CH3 0.2ppm (5H) = ArH 4.1 y 0. dos tripletes de 2 H cada uno. justificar qué sustancia los produce. .C3H6O2 3:2:1 Ejercicio: Elucidación estructural. Teniendo en cuenta los espectros y la fórmula molecular. Teniendo en cuenta los espectros y la fórmula molecular. .C3H6O2 1:1 Ejercicio: Elucidación estructural. justificar qué sustancia los produce. 65 ppm .05 ppm Atomos a 3.Acetato de metilo Atomos a 2.