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Espectroscopía de Resonancia
Magnética Nuclear
(RMN)
1
Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto:
Cl
+
Cl2
+
Cl
Cl
+
Cl
+
Cl
2
Cl
Cl
Cl
+
Cl
Cl
Cl
+
Cl
etc
Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto:
Analisis Elemental o
Espectroscopía de masa:
C3H7Cl
Cl
+
Cl
Cl
Cl
+
Cl
+
Cl
3
Cl
Cl
+
Cl
Cl
Cl
+
Cl
etc
Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto:
Cl
C3H7Cl =
Vs
Cl
bp: 36, 47 °C
Cual es cual?
4
Introducción a la Espectroscopía
Determinación de la estructura de un compuesto:
Cl
KOH/H2O
OH
Podemos saber el
bp consultando
la bibliografia
(por ej. Handbook)
KOH/H2O
Cl
5
OH
Introducción a la Espectroscopía
6
Introducción a la Espectroscopía
B12
7
Introducción a la Espectroscopía
8
Introducción a la Espectroscopía
9
Introducción a la Espectroscopía
Conclución:
Hace falta un metodo más directo que, en lo
posible, no modifique la molécula.
10
Introducción a la Espectroscopía
Principios fundamentales de la espectroscopía:
• Las moléculas (o parte de ellas) estan en
movimiento constnte.
• Estos movimientos estan Cuantisados (segun la
mecanica cuantica).
11
Introducción a la Espectroscopía
• La diferencia de energia (ΔE) entre dos
estados energéticos cuantisados (quantum
state) esta relacionada con la frecuencia de
onda υ (ni) y la constamte de Plank (h).
ΔE = h . υ
12
Introducción a la Espectroscopía
• La espectroscopía es un proceso en el cual se
mide ΔE entre dos quantum state permitidos.
• Distintos movimientos dentro de la molecula
producen diferentes ΔE, que corresponden a
distintas partes del espectro electromagnético.
(IR, UV, X-ray, etc.)
13
El espectro electromagnético
14
El espectro electromagnético
105
103
101
10-1
10-3
10-5
10-7
E kJ/mol
10-8
10-6
10-4
10-2
1
102
104
l cm
g Rays X-Rays UV:
IR:
vibrat
rotation
ion
motion
Electron
transition
200 nm
UV
Microwave:
Radio wave:
Nuclear Spin transition
Visible
400 nm
Blue
800 nm
Red
10000
Near IR
1
n, cm -1
1000
100
Middle IR
Far IR
10
100
l, m
15
The NMR Spectrometer
16
The NMR Spectrometer
17
The NMR Spectrometer
18
The NMR Spectrometer
19
The NMR Spectrometer
20
RMN (Resonancia Magnética Nuclear)
Cl
Vs
Cl
21
Nuclear Spin
22
Spin Quantum Number (I)
ELEMENTO
1
H
2
H
3
H
4
He
3
He
6
Li
7
Li
10
B
11
B
12
C
13
C
14
N
15
N
Masa Par:
No Protones
1
1
1
2
2
3
3
5
5
6
6
7
7
No Neutrones
0
1
2
2
1
3
4
5
6
6
7
7
8
I (Spin Quantum Number)
1/2
1
1/2
0
1/2
1
3/2
3
3/2
0
1/2
1
1/2
Nro. Protones y Nro. Neutrones Ambos Par : I = 0 (4He, 12C …)
# Protones & # Neutrones Ambos impar : I = 1, 2, …. (Integer)
Masa Impar: # protones impar & # Neutrones Par : I = 1/2, 3/2, ... (Half-integer)
23
# protones Par & # Neutrones impar : I = 1/2, 3/2, ... (Half-integer)
NMR Periodic Table
NMR “active” Nuclear Spin (I) = ½:
1H, 13C, 15N, 19F, 31P
biological and chemical relevance
Odd atomic mass
I = +½ & -½
NMR “inactive” Nuclear Spin (I) = 0:
12C, 16O
Even atomic mass & number
Quadrupole Nuclei Nuclear Spin (I) > ½:
14N, 2H, 10B
Even atomic mass & odd number
I = +1, 0 & -1
24
Nuclear Spin
N
S
25
Nuclear Spin
N
S
N
S
N
S
N
S
26
S
N
S
N
Bo
Nuclear Spin
N
α
β
S
(1/2)
N
S
N
N
S
S
N
S
S
N
S
27
(-1/2)
N
S
S
N
N
Bo
Nuclear Spin
N
S
N
S
N
N
S
S
S
N
N
N
Nm  No
N
S
e
 Em kT
e
 Em kT
m
S
S
N
S
28
Ley de Boltzmann
Bo
Nm:
No:
Em:
k:
T:
number of spins in state
total number of spins
energy of state m
Boltzmann constant
temperature
Estado de baja energía (α-spin) en el que los vectores
del campo y del dipolo son paralelos (celeste).
Estado de alta energía (β-spin) en el que los vectores del
campo y del dipolo son antiparalelos (rojo).
29
Dos Estados de Energía
30
• ΔE es Proporcional a la Intensidad del Campo
Magnético Externo (Bo).
E = hn = g h B0
2
• En un campo de 14,092 gauss, un fotón de 60 MHz
31
producirá el salto del núcleo.
Campo Magnético Externo
Un campo magnético externo (B0) ejerce una fuerza sobre una
pequeña barra magnética, girándola para que se alinee con el campo
externo. La disposición de la barra magnética alineada en el sentido
del campo externo tiene energía más baja que cuando se alinea en
sentido contrario al campo B0.
Se observa el mismo efecto cuando un protón se sitúa en un campo
magnético externo, el protón se alineará con o en contra del campo
32
El Experimento de NMR
33
FID (Free Induction Decay)
Caída Libre de la Inducción
34
El Experimento de RMN
35
Processing : line broadening
36
RMN
Espectroscopía de Resonancia
Magnética Nuclear
37
¿Como se relaciona la resonancia con
el experimento de NMR?
¿Qué es la resonancia?
38
La Resonancia
La resonancia radica en
aplicar al cuerpo una fuerza
periódica, que tenga una
frecuencia lo más próxima a
su frecuencia propia o
natural.
Cuando esto ocurre, la
amplitud del movimiento
aumenta tanto que puede
producie la fractura del
objeto.
39
Interpretación del Espectro NMR
40
Características de la señal de
Resonancia Magnética
41
Características de la señal de Resonancia
Magnética
1.
2.
3.
4.
42
Número de Señales (picos)
Desplazamiento Químico (Chemical shift)
Integral de los picos
Acoplamiento 1H-1H - (coupling)
Características de la señal de Resonancia
Magnética
1. Número de Señales (picos)
43
El número de señales (picos) nos indica
la cantidad de protones equivalentes
44
O
CH3CCH3
45
CH3CO2H
a
b
46
b
a
a
b
c
c
CH3CH2CO2CH3
a
b
47
a
b
CH3CH2OH
a
c
b
c
48
b
H
b
H
CH3
a
H3C
a
b
49
a
H
b
H
b
a
OCH3
b H
a
H b
Hc
c H
H
d
c
11
50
10
9
8
b & d
7
6
5
4
3
2
1
0
Características de la señal de Resonancia
Magnética
2. Desplazamiento Químico (Chemical shift):
Nos dice que tipo de protones son.
51
Protección Magnética (Magnetic Shielding)
52
Protección Magnética (Magnetic Shielding)
53
Protección Magnética (Magnetic Shielding)
Dependiendo de su ambiente químico, los protones en
una molécula están protegidos a diferentes grados.
54
55
56
2,2-dimethyl-1-propanol 1H NMR
Spectrum
57
Escala Delta (δ) RMN
58
59
Escala Delta (δ) RMN
60
nPEAK – nTMS (Hz)
d (ppm) = --------------------------------Freq of the Magnet (MHz)
61
X 106 = ppm
CH3
H3C Si CH3
CH3
62
Valores Tipicos (ppm)
Alcohols, protons a
to ketones
Aromatics,
Amides
Acids,
Aldehydes
Olefins
Aliphatic
ppm
15
63
10
7
5
2
0
TMS
Hydrogen Chemical Shifts
64
Valores Tipicos (ppm)
65
66
Absorción de protones enlazados a
heteroátomo (OH, NH, etc.)
• Concentración
• Enlace de Hidrógeno
• Intercambio de protones con el solvente
67
Características de la señal de Resonancia
Magnética
3. Integral de los picos:
Nos dice la relación entre las cantidades de protones
diferentes en la muestra.
68
Intensidad de la Señal
El area por debajo de cada pico es proporcional
al número de protones.
69
=>
¿Cuantos protones hay?
70
Integración
3
3
2
71
Integración
O
H3C CH2 O
C
3
CH3
3
2
72
Integración
O
H3C CH2 O
C
3
CH3
3
2
73
Características de la señal de Resonancia
Magnética
4. Acoplamiento 1H-1H (coupling):
Nos dice qué protones estan cerca de otros.
74
Acoplamiento 1H-1H (coupling)
Constante de acoplamiento = nJXY (Hz)
X e Y indican los núcleos acoplados
n indican el número de uniones que separa entre los
núcleos
75
Acoplamiento spin-spin
76
Acoplamiento spin-spin
77
Acoplamiento 1H-1H
HB esta alineado con el
campo magnético B0
por ello la linea de HA
se encuentra a una
mayor frecuencia
C
HA se divide en dos lineas por
sentir el pequeño campo
magnético de HB
78
HA HB
HB esta alineado en
contra del campo
magnético B0 por ello
la linea de HA se
encuentra a una menor
frecuencia
HA
C
HB
HB se divide en dos lineas por
sentir el pequeño campo
magnético de HA
Acoplamiento 1H-1H
HA'
C
C
HA HB
H
A
+ H
A'
HA y HA’ tienen el mismo
desplazamiento químico por tener un
identico entorno. Estan divididos en
dos lineas (llamado dublet) por sentir
79
el campo magnético de HB
H
B
HB Esta dividido en dos lineas
(llamado triplet) por sentir el
campo magnético de HA y HA’
¿Por qué HB tiene tres lineas?
HB
HA'
Si HB no estaria acoplada apareceria
como una simple linea, indicando el
desplazamiento químico o chemical
shift .
C
C
HA HB
El acoplamiemnto entre HB y HA divide
al singlet en un dublet
80
El acoplamiento entre HB y HA producirá
que las dos lineas del dublet se dividan
nuevamente, cada una de ellas en dos
lineas.
Dado a que las dos lineas del medio se
superponen, el acoplamiento total sera un
triplet.
Acoplamiento Multiple de Protones con
Protones Vecinos (1H-1H)
no. of neighbors
relative intensities
pattern
0
1
singlet (s)
1
2
3
1
1
1
1
2
example
doublet (d)
1
3 3
H
H
C
C
triplet (t)
1
quartet (q)
H
H
C
C
H
H
C
C
H
H
4
5
1 4 6
4
1
1 5 10 10 5 1
pentet
sextet
H
H
H
H
C
C
C
1 6 15 20 15 6 1
septet
H
H
H
C
C
C
H
H
H
H
H
C
C
C
H
81
H
H
H
6
H
H
H
Acoplamiento Multiple de Protones con
Protones Vecinos (1H-1H)
82
Acoplamiento Magnetico
• Los protones equivalentes no acoplan los unos a
los otros.
• Los protones unidos al mismo carbono se
desdoblaran entre si, solo si no son equivalentes.
• Los protones unidos a carbonos adyacentes,
generalmente acoplaran los unos a los otros.
• Los protones que esten separados por cuatro o más
uniones, no acoplaran generalmente.
• Generalmente los protones unidos a un
heteroátomo
no
acoplan
a
sus
vecinos
y
viceversa.
83
Br H
Br
C
C Br
H H
84
Br H
Br
C
C Br
H H
1,1,2-Tribromoethane
Protones no equivalentes unidos a carbonos adyacentes
85
Doublet: 1 Adjacent Proton
86
Triplet: 2 Adjacent Protons
87
Bromoethane
H H
H C
C Br
H H
88
H H
H C
C Br
H H
Bromoethane
H H
H C
C
H H
89
Br
Splitting for Isopropyl Groups
90
Valores de Constantes de Acoplamiento
91
92
No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12
Constante de Acoplamiento HA-HM = 6
Si HA no estaria acoplado
apareceria como una simple
linea o un singlet
93
HA
HM HA HX
C C C
No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12
Constante de Acoplamiento HA-HM = 6
HM HA HX
C C C
HA
El acoplamiemnto
entre HA y HX divide
al singlet en dos lineas
a una distancia de 12
Hz (d, J = 12Hz)
12 Hz
94
No Todos los Acoplamientos son Iguales
Constante de Acoplamiento HA-HX = 12
Constante de Acoplamiento HA-HM = 6
HM HA HX
C C C
HA
El acoplamiemnto
entre HA y HM
divide cada una de
las dos nuevas
lineas en dos lineas
a una distancia de 6
Hz
12 Hz
(dd, J = 12, 6Hz)
6 Hz
95
6 Hz
Constanes de Acoplamiento de Alkenos
12 Hz
Haa
H
HA
ClCl
HbH
ClCl
H
Hc
16 Hz
16Hz
12 Hz
96
12 Hz
Resumen
• El Número de Señales indica cuantos diferentes tipos
de Protones hay en una molécula.
• La posición de la señal indica cuan protegido o
desprotegido está el Protón.
• La intensidad de la señal indica el número de
protones que produce esa señal.
• El desdoblamiento de la señal indica el número de
protones que hay en los átomos adyacentes.
97
A Practicar
98
O
CH3CCH3
99
CH3CO2H
a
b
100
b
a
a
b
c
c
CH3CH2CO2CH3
a
b
101
a
b
CH3CH2OH
a
c
b
c
102
b
H
b
H
H3C
a
b
103
a
CH3
a
H
b
H
b
104
C2H6O
3H
2H
105
b
CH3CH2OH
a
c
Carbinol CHn:
3.2 – 5.2 ppm
with 3 – 4 ppm
most common
106
OH: 0.5 – 5.0
ppm
Downfield shift for
protons decreases as
distance from
hydroxyl group
increases.
a
b
c
d
t
Sept t
OH
6
dd
d
Me
Me
1
Me
1
OH
Me
H
H
Me
2
107
Me
H
OH
Me
Me
OH
OH
C4H8O2
C=O
CH3
3
O
O
O
CH3
CH2
2
108
3
O
Valores Tipicos (ppm)
109
O
C4H8O2
O
3
CH3
3
CH3
CH2
110
2
C4H8O
d
CH3
6H
CH3
CHO
CH
s
1H
sept
1H
111
a
H3C
a
CH3
C
a
C Hc
H O
b
c
b
112
C3H7Br
CH3CH2CH2Br
113
Alkyl Halides
a
c
CH3CH2CH2Br
b
CHn with a halogen:
2.1 – 4.5 ppm
(3 – 4 ppm most
common)
c
a
b
114
Downfield shift
decreases as distance
from halogen
increases.
Downfield shift
increases as e.n. of
halogen increases.
C9H10O
115
O
116
117
Protones Quimica y Magneticamente
Equivalentes
a
H
H
C C
H
Cl
Hb
aH
Cl
118
c
Hb
CH3
c
H OHa
dH
Hb
Vinyl Protons, d5-d6
119
Acetylenic Protons, d2.5
120
Aromatic Protons, d7-d8
121
Aldehyde Proton, d9-d10
122
Efecto Techo
123
Efecto Techo
124
Acoplamiento Multiple de Protones con
Protones Vecinos (1H-1H)
125
δ = 164.44 (tdquintet, 2JHF = 24.5 Hz, 3JFF = 15 Hz, 3JHF and 4JHF = 2 Hz)
126
a
H
Desdoblamiento (Splitting)
H
C C
127
c
Hb
Resonancia Magnética Nuclear
Hay otros usos de NMR:
2D NMR
cosy
Nosy
Dinamica
Solid State NMR
MRI
Etc.
128