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Interpretacion de espectros 1H
• Por ahora hemos hablado de distintas tecnicas de RMN y
secuencias de pulsos sin tener en cuenta como analizar los
datos que obtenemos con estos experimentos.
• Vamos a hacer esto empezando por lo mas basico. Lo
primero que vamos a discutir son espectros 1H. Como vimos,
el rango de corrimientos quimicos de 1H es chico, en general
de 15 a 0 ppm, aunque hay casos en que podemos tener
señales arriba de 20 o debajo de -5 ppm:
Alcoholes, protones α
a cetonas
Aromaticos,
Amidas
Olefinas
Alifaticos
Acidos,
Aldehidos
ppm
15
10
7
5
2
0
TMS
• Los corrimientos quimicos de distintos nucleos 1H en una
molecula son causados por differencias en el campo
magnetico local, o al apantallamiento (σ), que sienten los
nucleos en distintas regiones de la molecula:
Bef = Bo - Bloc — Bef = Bo( 1 - σ )
Origines del σ (Bloc )
• El apantallamiento de los nucleos depende de la densidad
electronica en sus alrededores. Podemos disectar las
contribuciones al apantallamiento total como:
σ = σdia + σpara + σloc
• El termino σdia es la contribucion diamagnetica, que tiene su
origen en el campo magnetico generado por los electrones
mas cercanos al nucleo (i.e., en orbitales s), y que esta en
contra del campo externo Bo.
• σpara es el termino paramagnetico, y es debido a electrones
en orbitales p y en enlaces. Esta a favor de Bo.
• El tercer termino, σloc, es debido a grupos fuincionales
vecinos al nucleo, y puede estar a favor o en contra de Bo,
dependiendo del tipo de grupo y su orientacion en el espacio.
σloc es lo que hace que dos nucleos quimicamente similares
en la misma molecula tengan distinto apantallamiento (y por
ende corrimientos quimicos distintos).
• Considerando los nucleos mas importantes, 1H y 13C, vemos
que como los 1H tienen ‘solo’ orbitales 1s, σdia domina, y
para 13C el termino σpara domina porque estan ocupadas las
capas p (menor energia que los orbitales p en 1H…)
Origines del σ (continuado)
• Como dijimos antes, lo que determina al apantallamiento es
la densidad electronica. Para un 1H aislado (perfectamente
esferico), podemos calcular σ usando la formula de Lamb:
µo e2
σ=
3 me
∞
∫ r ρ(r) dr
0
• Podriamos usar la misma formula para calcular cualquier
corrimiento quimico y olvidarnos de disectar σ. El problema
es que en una molecula la ecuacion de ρ(r) es muy complicada: Tenemos que considerar orbitales atomicos s, p, d,
hibridos (i.e., spn), y tambien orbitales moleculares.
• Esto es el campo de los calculos de corrimientos quimicos
con metodos mecanico-cuanticos. Anda, pero…
• De cualquier manera, la mayor parte de los efectos pueden
ser descritos semi-cuantitativamente usando los σdia y σloc
para 1H (hay que acordarse que σpara contribuye poco en 1H).
• Primero vamos a analizar las contribuciones a σdia. Se
dividen en efectos inductivos y mesomericos.Tienen sus
sus origines en como afectan a la densidad electronica
alrededor de un proton las distintas especies ligadas a el o
en su cercanias.
Contribuciones inductivas al σdia
• En un atomo de 1H aislado, los electrones del orbital 1s
tienen una distribucion perfectamente esferica. Usando la
formula de Lamb obtenemos un valor de σdia de 17.8 ppm:
H (1s)
• Ahora, cuando agregamos un grupo, digamos un -CH3 para
obtener metano, la nube electronica alrededor de los 1H se
desforma porque el carbono es mas electronegativo (E), y
atrae los electrones del orbital 1s del 1H hacia el:
H (1s) C (sp3)
• Como la densidad electronica alrededor del 1H disminuye, se
desapantalla, y por lo tanto resuena a campos mas bajos
(corrimientos quimicos mas altos).
• Para los haluros de hidrogeno, cuanto mas electronegativo
sea el haluro, mas se desapantalla el 1H (el valor de σ es
inversamente proporcional al E del haluro):
σ (HF) < σ (HCl) < σ (HBr) < σ (HI)
Efectos inductivos (continuado)
• Los efectos inductivos sobre el σ del 1H no se deben solo a
grupos directamente enlazados a el. La densidad electronica
alrededor del 1H depende de los orbitales moleculares de
toda la molecula (i.e., los enlaces).
• La electronegatividad se ‘tansmite’ a traves de orbitales
moleculares (enlaces): Si tenemos un atomo muy electronegativo enlazado a un carbono, protones enlazados a ese
carbono polarizado van a tener menor densidad electronica
en sus orbitales 1s (i.e., desapantallados). Para la serie del
metano tenemos:
H-CH3
H-CH2I
H-CH2Br
H-CH2Cl
H-CH2F
E
2.1
2.5
2.8
3.0
4.0
δ
0.23
1.98
2.45
2.84
4.13
• En la serie del metano se puede hacer una correlacion
similar a la que hicimos con la la electronegatividad, pero
usando la polarizacion del enlace C-X.
• Las especies que causan el efecto inductivo no estan
limitadas a ser halogenos (o un solo atomo). Podemos
considerar efectos de grupos funcionales enteros, como ser
-NO2, -OH, -SH, -NH2, etc.
Efectos inductivos (…)
• Es mas, no necesitamos un groupo/atomo particularmente
polar/electronegativo. Solo con alargar la cadena de carbonos se observa un descenso del apantallamiento de los 1H.
• Esto se ve claramente si comparamos los corrimientos
quimicos de los protones en hydrocarburos lineales:
0.23
H-CH3
0.80
H-CH2-CH3
0.91
H-CH2-CH2-CH3
• Otro factor que afecta la densidad electronica, y por ende el
apantallamiento de un 1H, es la carga parcial en el atomo de
carbono. Esto se ve comparando distintos iones aromaticos
con el benzeno:
7.27
5.37
H
H
9.13
H
Li
Br
• En todos estos sistemas tenemos el mismo numero de
electrones π (la regla 4n + 2 de Huckel se cumple). La carga
en los carbonos del tropolio es positiva, asi que le ‘sacan’
electrones 1s a los 1H, desapantallandolos. Lo opuesto se
ve en el caso del ion ciclopentadienilo…
Efectos mesomericos - GEAs y GEDs
• Ahora vamos a analizar que sucede con un proton olefinico o
aromatico en las cercanias de grupos que pueden participar
en resonancia, osea efectos mesomericos (+M o -M).
• Vamos a usar como ejemplo al eteno y sustituyentes que
sean GEAs o GEDs. En el caso de la metilvinilcetona, los
corrimientos quimicos de los protones olefinicos se van a
mover a campos bajos porque la cetona, un GEA, hace
disminuir la densidad electronica del doble enlace, y por
ende alrededor de los 1Hs:
6.11
6.52
H
H
H
H
H
5.29
CH3
H
H
H
CH3
H
H
O
O
• En el caso del metilvinileter vemos lo opuesto. El grupo
metoxilo, un GED, va a donar electrones al doble enlace.
Esto aumenta la densidad electronica alrededor de los 1H, y
por lo tanto terminan mas apantallados:
3.74
H
3.93
H
H
H
H
H
O
H
O
H
5.29
H
H
CH3
CH3
Efectos mesomericos (continuado)
• Se puede usar un razonamiento similar para analizar corrimientos quimicos de 1Hs en sistemas aromaticos.
• Por ejemplo, en la anilina tenemos un GED (efecto +M).
Como el anillo tiene mayor densidad electronica, todos los
protones van a estar apantallados con respecto al benzeno
(corrimientos quimicos mas bajos que 7.24 ppm).
• Si dibujamos los hibridos de resonancia vemos que las
posiciones orto y para tienen mayor densidad electronica
que la meta, y protones en estas posiciones estan mas
apantallados (corrimientos quimicos mas bajos):
N
6.55 H
H
6.55
7.08 H
H
7.08
H
6.70
H
H
H
H
H
N
N
H
N
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
Efectos mesomericos (…)
• Por otro lado, en el nitrobenzeno tenemos un GEA, (i.e.,
efectos -M). Todos los carbonos van a tener menor densidad electronica, particularmente los orto y para.
• Por lo tanto, todos los 1Hs del nitrobenzeno van a estar
desapantallados, y el efecto va a ser mayor para aquellos
en posiciones orto y para:
O
O
N
8.15 H
7.55
O
O
N
H
H
H
H
H
H
H
8.15
7.55
H
7.70
H
O
O
O
N
H
O
H
H
H
H
H
H
H
H
O
N
O
N
O
O
O
N
O
O
O
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
N
H
H
N
H
H
H
H
Factores que afectan a σloc - Anisotropia
• Los enlaces son inherentemente anisotropicos. Como tienen
una direccion en el espacio, segun como los miremos van a
ser distintos.
• Cuando sometemos a un anlace (i.e., densidad electronica) a
un campo magnetico (Bo), se va a generar un campo
magnetico inducido que tambien va a ser anisotropico.
• Por lo tanto, el entorno magnetico de un 1H en las cercanias
de estos grupos va a ser anisotropico (σloc). Esto quiere decir
que el campo magnetico efectivo sobre el 1H va a variar
en funcion de su posicion con respecto al grupo que crea el
dipolo magnetico inducido.
• Si consideramos un enlace C-C simple, que tiene simetria
cilindrica, y tenemos ademas en cuenta que el dipolo magnetico inducido esta centrado en el medio del enlace, las lineas
del campo inducido, que se opone a Bo, serian asi:
Bo
C
C
• Osea, 1Hs en las puntas del enlace sienten campos magneticos mas altos, y 1Hs a los costados campos mas bajos.
Efectos anisotropicos (continuado)
• Para calcular la magnitud del dipolo magnetico inducido,
tenemos que saber la suceptibilidad magnetica del enlace, χ.
Hay dos, una paralela al enlace, χ||, y otra perpendicular, χ⊥.
La magnitud del dipolo magnetico se puede estimar con la
ecuacion de McConnell:
1
σ=
3r3 4π
( χ|| - χ⊥) · ( 1 - 3cos2θ )
• Aca r es la distancia del centro del enlace hasta el 1H en
estudio, y θ es el angulo formado por el vector que los
conecta y la direccion del enlace:
C
C
H
θ
• La formula es una aproximacion y por lo tanto bastante
general. Por lo tanto la podemos aplicar a enlaces simples,
dobles, triples, carbonilos, y en principio funciona hasta en
sistemas aromaticos.
Efectos anisotropicos (…)
• Lo mas util que surge de esta equacion es que si la graficamos en funcion de xyz, se ven dos conos con origen en el
centro del enlace. Dentro de ellos, estamos apantallados.
Hacia los lados, desapantallados. A un angulo de 54.7o, el
efecto es cero (el angulo magico):
-
+
C
C
-
+
• Para dobles enlaces (C=O, C=C), la situacion es similar:
-
+
C
C
-
+
• Para triples enlaces, el campo magnetico inducido es tal que
los valores de χ|| y χ⊥ se invierten:
+
C
-
C
+
Efectos anisotropicos (…)
• Vamos a ver algunos ejemplos. En la metoxigalactosa podemos usar esto para ver cual es el α y cual es el β:
O
O
OMe
H 5.18
3.97
4.69 H
3.78 OMe
• En el isomero α, el 1H anomerico esta en el area desapantallante del cono, y en el β es al revez.
• Otro ejemplo claro son los aldehidos. El proton aldehidico
esta muy desapantallado por dos razones. Primero, esta
enlazado a un carbono en doble enlace con oxigeno (muy
electropositivo), lo que merma su densidad electronica y
lo desapantalla.
• Ademas, el proton esta metido justo dentro de la region
desapantallante del grupo carbonilo. Juntos, esto dos efectos
hacen que los 1Hs de los aldehidos resuenen a campos muy
bajos (ppms altos):
+
-
H
C
O
+
-
Efectos de corriente de anillo
• Uno de los efectos mas importantes causado por campos
magneticos inducidos sobre corrimientos quimicos de 1H son
debidos a anillos aromaticos.
• El campo magnetico inducido por un anillo aromatico es el
mas facil de entender. La corriente de anillo de un grupo
aromatico genera un campo magnetico inducido perpendicular al plano del anillo. Esta en contra del campo magnetico
externo Bo (ley de Lentz…):
Banillo
e-
Bo
• Las lineas de campo a travez del anillo estan en contra del
campo externo (el momento magnetico inducido se opone a
los efectos de Bo), pero las lineas de campo retornantes, que
van por afuera del anillo, estan a su favor.
• Por lo tanto, protones a los costados del anillo aromatico se
ven desapantallados (i.e., campos bajos, corrimientos
quimicos mas altos), y los que esten en regiones arriba/abajo
del anillo estan apantallados (i.e., campos altos y corrimientos quimicos mas bajos).
Efectos de corriente de anillo (continuado)
• Como vimos para sistemas mas simples (enlaces simple,
doble, etc.), tambien podemos estimar el valor del apantallamiento en funcion de la posicion de nuestro nucleo 1H con
respecto al anillo aromatico.
• Hay mas de una formula para hacer esto, pero todas dan
resultados mas o menos similares. La mas simple es basada
en el modelo del dipolo puntual de Pople:
H
θ
r
δca = CPople * ica . r-3 . ( 1 - 3 . cos2θ )
• CPople es una constante de proporcionalidad que puede
parametrizaese por medio de calculos teoricos (ab initio), o
mas comunmente contra datos experimentales. ica es el
factor de intensidad de la corriente de anillo, y depende del
tipo de anillo aromatico. Para el benzeno es 1.00.
Efectos de corriente de anillo (…)
• Como con los enlaces, podemos graficar el apantallamiento
de un 1H en funcion de su posicion con respecto al anillo.
Tambien va a tener forma de cono, y regiones de apantallamiento (-, corrimiento quimicos bajo) y desapantallamiento
(+, corrimientos quimicos altos):
_
• Protones a los lados
del anillo experimentan
campos locales mayores
(ppm’s mas altas), y
aquellos arriba o abajo
campos locales menores
(ppm’s mas bajos).
+
+
_
• Esta es la razon por la cual los protones de un anillo
aromatico, que estan apuntando hacia afuera, tienen
corrimientos quimicos en el rango de 6 a 9 ppm:
H
7.27
H
7.79
H
7.41
Efectos de corriente de anillo (…)
H
• Hay casos en que los
protones del anillo aromatico
terminan apuntando hacia
adentro, y por lo tanto en la
region apantallante del cono.
Esto se da en el [18]anuleno:
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
-2.99
H
+9.28
H
H
H
H
H
H
• Hay un ejemplo mas de un anillo con un efecto anisotropico
considerable. El ciclopropano tiene much tension en el
anillo, y los enlaces tienen caracter de doble enlace (los
carbonos tienen caracter sp2). Hay un dipolo magnetico
perpendicular al plano del anillo:
H
+
-
H
H
H
H
+
H
-
• Ahora, la tension en el ciclopropano hace que los 1H queden
en la region apantallante del cono. Por lo tanto, sus resonancias estan desplazadas a campos altos mas o menos 1 ppm
en comparacion con otros cicloalkanos no tensionados.
Efectos de campos electricos y van der Waals
• A pesar de que hay muchos otros, vamos a terminar
describiendo los efectos de grupos polares e interacciones
estericas tienen sobre corrimientos quimicos.
• Entender como un grupo polar afecta al apantallamineto de
un proton es facil. Dependiendo de la carga, el campo
electrico empuja o atrae a la desidad electronica del 1H,
desformandolo y afectando su campo magnetico local.
• Similarmente, un grupo sin carga que este muy cerca de un
proton va a distorsionar su densidad electronica debido a
contactos van der Waals (vdW). Los dos efectos estan representados por la Equacion de Buckingham:
C
Δσ = - AEC-H - BE2
H
• Aca A y B son constantes, EC-H representa el vector del
campo electrico a lo largo del enlace C-H, y E2 el cuadrado
de la magnitud del campo electrico en el proton.
• El primer termino de la ecuacion describe efectos de grupos
cargados, como los que encontramos en proteinas, bastante
bien. La segunda hace lo mismo con contactos de vdW.
Algunos ejemplos
• Para concluir la discusion, vamos a mirar algunos ejemplos
interesantes en los cuales los corrimientos quimicos se
pueden usar para decidir cuestiones estructurales.
• El primero trata con la anisotropia del ciclopropano. En la
siguiente cetona aromatica, el corrimiento quimico de los
protones indicados esta donde lo esperamos:
O
H
H3C
CH3
H
7.42
• Solo cambiando los dos metilos por un spirociclopropano, el
campo magnetico inducido por el anillo, perpendicular a los
fenilos, desapantalla los protones aromaticos y los desplaza a campos altos:
O
H
H
6.91
Algunos ejemplos (continuado)
• Estas dos cetonas demuestran los efectos de la anisotropia
del grupo carbonilo:
7.27
H
6.57
H
O
• El siguiente ejemplo demuestra
que los sistemas antiaromaticos
son paramagneticos (su campo
inducido va a favor del campo
magnetico externo). En este dihidropireno todo resuena donde
esperamos para un sistema
aromatico con 14 e- (4 x 3 + 2).
• Al generar el dianion por reduccion con K0 obtenemos un sistema con 16 e- (no 4 x n + 2).
Esto lo hace paramagnetico, y
todos los corrimientos quimicos
cambian en forma bastante
dramatica…
5.47
O
H
CH3
δ (CH3) ~ -4
δ (Ar-H) ~ 8
CH3
CH3
2
δ (CH3) ~ 21
δ (Ar-H) ~ -4
CH3
Algunos ejemplos (…)
• Otro caso en el que muchos efectos entran en juego es el de
las cetonas α,β-insaturadas. Aca la resonancia (efectos mesomericos) dominan el corrimiento quimico de los protones β:
O
O
• Tambien tenemos la anisotropia del grupo CO:
6.83
H
H
6.28
O
HO
H
HO
OH
O
O
H
O
OH
• En el malonato cis el desapantallamiento no es tan
grande porque los dos carbonilos cis tuercen la molecula
fuera del plano y reducen la resonancia.
• En estos pagodanos, podemos ver efectos de contacos vdW.
Al intercambiar un H por un HO tenemos un corrimiento a
campos bajos:
H
H
-1.0
H
H
OH
H HO
-2.4
H
Las reglas de Shoolery
• De lo anterior, vemos que la mayoria de los efectos en los
corrimientos quimicos de 1H han sido tabulados.
• Ademas, es claro que la mayoria son aditivos. Por lo tanto,
si podemos estimar los efectos individuales que cada grupo o
enlace tiene sobre el corrimiento quimico de un proton,
podemos sumarlos para estimar el efecto total causado por
todos los grupos juntos.
• Hay una serie de reglas empiricas que se basan en esto. La
mayoria fueron parametrizadas por Shoolery en los 50s/60s.
• Para usarlas, primero identificamos que tipo de proton
tenemos: CH3, CH2, o CH alifatico, CH2 or CH olefinico, CH
aromatico, α o β a una cetona o alcohol, perteneciente a un
sistema α,β-insaturado, etc. Cada uno tiene un valor base.
• Despues buscamos las contribuciones debidas a grupos
ligados a los carbonos de nuestro sistema base, y los
sumamos para obtener una estimacion del corrimiento
quimico para el proton que nos interesa.
δH = δHbase +
Σ contribuciones
• Vamos a analizar varios casos para ver como funciona…
Reglas de Shoolery (continuado)
• Compuestos alifaticos. Hay dos metodos para estimar
efectos aditivos en los corrimientos quimicos de 1H alifaticos.
• En el mas simple, tenemos dos tipos de ‘esqueleto’ con
valores base distintos, uno para R1-CH2-R2 (metileno) y otro
para R1-CH-(R2)-R3 (metino), a los que le sumamos los
efectos de los sustituyentes R1, R2, o R3:
R1-CH2-R2
δ = 1.25 + R1 + R2
R1-CH-(R2)-R3
δ = 1.50 + R1 + R2 + R2
Sustituyente
δ
Alkyl
0.0
-C=C-
0.8
-C≡C-
0.9
-C6H5
1.3
-CO-R
1.3
-OH
1.7
-O-R
1.5
-O-CO-R
2.7
-NH2
1.0
-Br
1.9
-Cl
2.0
• Por ejemplo, para CH2Br2 seria δ = 1.25 + 1.9 + 1.9 = 5.05
ppm, que compara bien con el valor experimental (4.94 ppm).
Reglas de Shoolery (…)
• El otro es general. La base es metano (δbase = 0.23 ppm), y
sumamos los efectos de los sustituyentes directamente.
δ = δbase + Σ S(δ)
CH3-
0.47
Cl-
2.53
RO-
2.36
RC(=O)O-
3.13
• Ahora, si en vez de metano tenemos una cadena mas larga,
el δbase es 0.933 ppm y consideramos cuantos carbonos
tiene. Cada carbono en el esqueleto tiene un incremento que
sumamos al valor base:
0.248
C2
0.244
C2 C3
0.147 C
3
C2
C3
0.006 C3
C2 C3
C3
• Ademas, los efectos de los sustituyentes ligados a estos
carbonos dependen de su posicion en la cadena:
C1
C2
C3
HO-
2.47
0.048
0.235
Br-
1.995
0.363
0.023
Cl-
2.170
0.254
0.177
=O
-
1.021
0.004
• Es mas general, pero mucho mas complicado.
Reglas de Shoolery (…)
• Olefinas. Para los alkenos no solo cambiamos el valor base,
sino que ademas tenemos en cuenta el tipo de sustituyente y
su estereoquimica (cis, trans, o geminal):
H
Rcis
C
C
Rgem
δ = 5.25 + Rgem + Rtrans + Rcis
Rtrans
Sustituyente
δgem
δcis
δtrans
H-
0.0
0.0
0.0
Alkyl-
0.45
-0.22
-0.28
-OR
1.21
-0.60
-1.00
-COOH
0.80
0.98
0.32
-Ar
1.38
0.36
-0.07
-C=C-
1.24
0.02
-0.05
-OH
1.22
-1.07
-1.21
-Cl
1.08
-0.40
-1.02
• Para el acido cinamico (trans Ph-CHa=CHb-COOH),
tenemos δHa = 5.25 + 1.38 + 0 + 0.98 = 7.61, y δHb = 5.25 +
0.80 + 0 + 0.36 = 6.41. Comparan muy bien con los valores
reportados de 7.82 y 6.47 ppm.
Reglas de Shoolery (…)
• Aromaticos. Las reglas tambien estan parametrizadas para
protones en anillos aromaticos. Tenemos un valor base de
7.26 ppm (benzeno), y contribuciones segun el tipo y
posicion de los sustituyentes:
H
Rorto
δ = 7.26 + Rorto + Rmeta + Rpara
Rmeta
Rpara
Sustituyente
δorto
δmeta
δpara
H-
0.0
0.0
0.0
CH3-
-0.18
-0.10
-0.20
-NO2
0.95
0.26
0.38
-COOH
0.85
0.18
0.25
-OCH3
1.38
0.36
-0.07
-Cl
1.24
0.02
-0.05
-F
1.22
-1.07
-1.21
-CONH2
1.38
0.36
-0.07
-CH=CH2
1.24
0.02
-0.05
-SO3H
1.22
-1.07
-1.21
Reglas de Shoolery (…)
CH3
Ha
• Para el p-xileno:
Hb
δHa= 7.26 - 0.18 - 0.10 = 6.98 (6.97)
δHb = δHa
CH3
NO2
Ha
• Para el 1-cloro-4-nitrobenzeno
Hb
δHa = 7.26 + 0.95 - 0.02 = 8.19 (8.17)
δHb = 7.26 + 0.03 + 0.26 = 7.55 (7.52)
Cl
CH3
• Para el mesitileno
δH = 7.26 - 2 * 0.18 - 0.20 = 6.70 (6.78)
H
H
H3C
CH3
H
OCH3
• Para el 2,4-dinitro-1-metoxibenzeno
Ha
NO2
δHa = 7.26 - 0.48 + 2 * 0.26 = 7.30 (7.28)
δHb = 7.26 + 0.95 + 0.38 - 0.09 = 8.50 (8.47)
δHc = 7.26 + 2 * 0.95 - 0.09 = 9.07 (8.72)
Hb
Hc
NO2