Espectroscopia RMN

Facultad de qumica y Biologa Laboratorio de RMN Juan Guerrero

Magneto - Normalmente son superconductores.

generador de Frequencias - genera las corrientes alternantes ( o) que inducen B1. Detector - Resta la frecuencia baja (una frecuencia constante muy cerca del wo) a la frecuencia de la salida. Es una frecuencia ms baja y mucho ms fcil de tratar. Registrador - plotter XY, osciloscopio, computador, etc., etc.

N S

Bo

B1

Detector

Generador de

Frequencias

Registrador

Magnet

Instrumento RMN Un instrumento de RMN es bsicamente un radio FM grade y caro

4.2K

~2K Lnea de 5 Gauss reducida comparado a los imanes blindados estndar. (Factor 4 menos volumen). Mas eficiencia contra las perturbaciones exteriores. Estabilidad del campo aumentada. Mas facilidades de ubicacin de los equipos de RMN.

Novedades Imanes Super blindados Ultrashielded Plus disponible desde 400 MHz hasta 600 MHz

Sondas ATMA

Otras versiones disponibles

Sonda de Banda Ancha inversa (BBI)

Sonda Triple Inversa

1H/13C/15N

NMRCASE con 24 posiciones

Sondas: partes interiores

1

2 3 1

2

3

3

Interior 3!

Vista superior!

Esquema de bobinas!

Conceptos bsicos

LONGITUD DE ONDA ()

10 -13 10 -11 10 -9 10 -7 10 -5 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 2 10 3 metros (m)

FRECUENCIA ()

10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10 5 Hertz (Hz)

RAYOS GAMMA RAYOS X UV VISIBLE INFRARROJO MICROONDAS ONDAS DE RADIO

RMN IR UV

Ncleos individuales Grupos funcionales

Conceptos bsicos

Espin Nuclear

Los nucleos tienen spin (I). (Carga que gira) El momentum angular p es un vector

paralelo al eje de rotacion. La magnitud del momento angular es

dado por el numero cuantico de espin I:

p = h/2 * I(I+1)

= p : constante giromagntica, especifica para

cada nucleo.

= I (I + 1) h/2

e I determinan la magnitud del momento magntico

Espin Nuclear

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

Bo

S

N

S

N

S

N

Ubicados en un campo magntico, los espines nucleares se alinean en la direccin del eje del campo magntico aplicado.

En ausencia de un campo magntico los espines nucleares no tienen orientacion

El nmero de orientaciones p o s i b l e s e s determinado por e l N u m e r o C u n t i c o d e espin I.

La figura muestra un diagrama con las orientaciones para espn I=1/2. que genera dos orientaciones (MI= y - )

Espin Nuclear No todos los nucleos se alinean paralelamente El numero de nucleos con orientaciones

paralelas y antiparalelas es descrita por la ecuacion de Boltzmann :

Nm = No

m

e -Em / kT

e -Em / kT

Nm: nmero de espines en el estadop m No: nmero total de espines Em: energia del estado m k : constante de Boltzmann T: temperatura

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

Bo

S

N

S

N

S

N

Diferencia entre espines paralelos y antiparalelos: N+ - N- = No E /2kT, para Bo = 1 Tesla (43MHz) y un total de N0= 2000000 de nucleos N+ = 1000001 N- = 999999

Espin Nuclear

Bo E

E = h Bo

m=-1/2

m=1/2

Los niveles de energia se llaman niveles de Zeeman

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

N

S

Bo

S

N

S

N

S

N

Campo Magntico (B0)

Ene

rga

INFLUENCIA DE UN CAMPO MAGNTICO EXTERNO

Bo 2

=

Frecuencia de Larmor

Figure 1.3. Dependence on magnetic field strength B o of the separation of nuclear energy levels (DE) for spin I= 1/2 and the relative populations of the energy levels assuming one has approximately two million protons in the sample (a ridiculously low number in reality).

NIVELES DE ENERGIA Y POBLACION DE ELLOS

UV

IR RMN

E E E

Que se observa en un experimento de RMN ? Niveles de diferente energa tienen diferentes poblaciones Poblacin en equilibrio (A) Cuando se aplica un pulso de radiofrecuencias se altera el sistema: Poblacin fuera del equilibrio (B) Lo que se observa es el regreso de las poblaciones a su estado de equilibrio :

B A

E

p 0

E

p = 0

A

B

V=dP/dt

Niveles de Energa y Magnetizacin macroscpica: Modelo Vectorial

E B0

m=-1/2

m=+1/2

Bo

o Mo y

x

z

x

y

z

Bo Bo

Mo z

x

i

B1

Transmitter coil (y)

y Bo

B1 off

(fuera de resonancia)

Mo

z

x B1

z

x

Mxy y y

o

o

z

x

Mxy y

z

x

y

Mo equilibrio.. o

Efecto de un campo magntico externo B1 (radiofrecuencias):

1

= BMdtdM Bo

z

y

Mz

Bo x

Efecto de un campo magntico externo B1 (radiofrecuencias):

z

x

y

Mo

Pulso de RF B1

Relajacin

x y

x y

z

Mzo Excitacin (Pulso 90)

x y

z

Mxy

x y

z

Mzo Relajacin

RELAJACIN DE ESPN

x y

z

Mzo

Excitacin

(Pulso 90)

x y

z

Mxy

x y

z

Mzo Relajacin

RELAJACIN DE ESPN

RELAJACIN

Relajacin LONGITUDINAL (Mz) T1= relajacin spin-red Relajacin TRANSVERSAL (Mxy) T 2= relajacin spin-spin.

Procesos no radiativos

dn/dt=(n0-n)/T1

(Fourier Transformation)

x

t

x

t

FT

0 -

= c/

Channel A Channel B

FT FT

Channel A + B

(Quadrature Detection)

FID

En una muestra real se tienen muchos sistemas de espn con diferentes frecuencias de resonancia a un campo B1 determinado (or carrier frequency). Puesto que el pulso usado excita efectivamente todas las frecuencias en una muestra, la combinacin de todas ellas es recibida en conjunto FID (Free Induction Decay)): La FT de esta seal entrega el espectro de RMN

0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 t1 sec

90y

d1 ns

d0 Delay (relajacin) ( 1-10 s)

Tiempo de Adquisicin (1-10s)

aq

p1

pl1

Fuerza del Campo de RF

Duracin del pulso (1-10 s un espectro 1D normal

acquisition

z

x

y

z

x

Mxy y

Mo 90y pulse

Secuencias del pulso: Notacin para la secuencia ms simple para registrar un espectro 1D normal.

Otros Ncleos

Espin Nuclear I representa el spin total del ncleo, es mltiplo de y sus valores van de 0 a 6.

Si el n de masa (A) es impar I = n/2 con n : impar

Si A es par y Z es impar I = n Si A y Z son pares, I = 0

Si I = 0 el ncleo no tendr momento magntico y no ser observable por RMN

Dos de los ncleos ms importantes en qumica orgnica, 12C y 16O tienen I = 0

Los ncleos con I = son dipolos magnticos Los ncleos con I > no presentan simetra esfrica de carga

Ncleos cuadrupolares

Presentan mayores dificultades para su observacin por RMN

E

campo

13C desdoblamiento

1H desdoblamiento Frente a un campo magntico los niveles de Zeeman levels se desdoblan de acuerdo a : El tipo de nucleo Fuerza del campoo magnetico 13C = 6,728 rad / G

1H = 26,753 rad / G

1H is ~ 64 mas sensible que el 13C a causa de

Considerando la abundacia natural, el 13C (~1%) resulta 6400 veces menos sensible

Espin Nuclear

1/2 100 % 31P

0 0.2 % 18O

5/2 0.04 % 17O

0 99.76 % 16O

1/2 0.37 % 15N

1 99.63 % 14N

1/2 1.1 % 13C

0 98.9 % 12C

1 0.015 % 2H

1/2 99.985 % 1H

I Abundancia Natural Ncleo

Basics of NMR Spectroscopy

Numero Cuantico de Espin 0 nucleos magneticamente activos e.g. 1H, 13C, 15N, 19F, 31P (I = 1/2) Se observan a diferentes frecuencias (separadas )

detectar un nucleo a la vez 15N 13C 31P 19F 1H

Espectros tradicionales

Reproducido de Volhardt, Organic Chemistry, 3 Ed, 1999

E

campo 13C desdoblamiento

1H desdoblamiento

= (1 ) Bo

2

APANTALLAMIENTO NUCLEAR

Bncleo = Bo Belectrones

Nube electrnica circulante bajo la influencia de Bo

Campo magntico externo, Bo

Ncleo

Campo local inducido, B opuesto a Bo en el ncleo

B es proporcional a Bo ( B = Bo ) y del orden de 104-105 veces ms pequeo

B = Bo B B = Bo (1 )

Por lo que:

Sample: Strychnine Solvent: CDCl3 Spectrometer: AVANCE 400 Probehead: Inverse Broadband with z-Gradients

Experiment: Conventional 1H spectrum Pulse program: zg30 ( Pulse Diagram) Experiment Time: 50 seconds

Details: AVANCE Tutorial Acquisition: Advanced use

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm

1.240

1.276

4.093

4.111

4.129

4.147

5.315

7.322

0.03

3.00

3.05

1.97

0.32

0.16

NAME 130511-Doc CuEXPNO 1PROCNO 1Date_ 20110516Time 9.13INSTRUM spectPROBHD 5 mm MultinuclPULPROG zg30TD 65536SOLVENT CDCl3NS 16DS 2SWH 5995.204 HzFIDRES 0.091480 HzAQ 5.4657526 secRG 20.2DW 83.400 usecDE 7.50 usecTE 300.0 KD1 1.00000000 secTD0 1======== CHANNEL f1 ========NUC1 1HP1 8.00 usecPL1 3.00 dBSFO1 400.1328009 MHzSI 32768SF 400.1299838 MHzWDW EMSSB 0LB 0.30 HzGB 0PC 1.00

Muestra:1,RMN-1H, Lab RMN,FQyB, USACH

4.1 ppm1.251.30 ppm

B

90.000.320 Hz 90.000.480 Hz

480 Hz

320 Hz

APANTALLAMIENTO NUCLEAR

Bo = 2.1 Teslas (1H resuena a 90 MHz)

Reproducido de Volhardt, Organic Chemistry, 3 Ed, 1999

APANTALLAMIENTO NUCLEAR

Ej.: ClCH2OCH3

90.000.480 Hz 90.000.320 Hz

Problema: nmeros enormes

Solucin: trabajar con la diferencia respecto a una referencia (seal ref)

ClCH2OCH3

480 Hz 320 Hz

Bo (T)

2.1

4.2 960 Hz 640 Hz

Problema: dependencia de de Bo

Solucin: dividir por o ( aparato) (seal ref) o

Para Bo = 2.1 T o = 90.000.000 Hz 480 / 90.000.000 = 5.33 x 10-6

Para Bo = 4.2 T o = 180.000.000 Hz 960 /180.000.000 = 5.33 x 10-6

Problema: nmeros muy pequeos

Solucin: multiplicar por 106 (ppm) (seal ref) o

106 =

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 (ppm)

Butano CH2 CH3

FACTORES QUE AFECTAN A

1 - Grado de sustitucin 2 - Electronegatividad del sustituyente 3 - Distancia del sustituyente 4 - Presencia de dobles y/o triples enlaces 5 - Formacin de puentes de hidrgeno 6 - Conjugacin 7 - Otros factores

CH2 CH2 CH3 1 2 3 4

ClCH2

El efecto del sustituyente disminuye rpidamente con la distancia

Ej.: CH3CH2CH2Br 1.06 1.81 3.47

FACTORES QUE AFECTAN A

Efecto de las corrientes paramagnticas de los electrones

Campo externo, B0 Campo externo, B0

Blocal

Blocal

Blocal

Blocal

Blocal Blocal

Blocal

Blocal

ALQUENOS ALQUINOS

alcanos alquinos alquenos

HHH

HH

FACTORES QUE AFECTAN A

Ejemplo

Ciclohexa- 1,3-dieno

Benceno

[18]-Anuleno

5.9 5.9 7.3 9.3

-2.9

DESPLAZAMIENTO QUMICO

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

COOH ArOH

ROH RNH

RCHO ArH

C=CH CCH

C=CHCHn

COCHn ArCHn

HalCHn OCHn

NCHn CCHn

TMS

Aromtico Olefnico Aliftico

Multiplicidad de Spin

Ejemplo:

OAc

O OH

Acido acetilsalcilico (AAS)

a

b c

d

a d c b

(ppm)

7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 7.0

/ppm

7.2 7.4 7.6 7.8 8.0 8.2 7.0

ACOPLAMIENTO ESCALAR

Consideremos dos protones (A y X) qumicamente diferentes y cercanos en la molcula (n de enlaces entre ambos 3).

X A

X2 X1 A2 A1

A

A

AX

AX

AX

AX

R1 C

HA

R2

C R4

HX

R3

R1 C

HA

R2

C R4

HX

R3

R1 C

HA

R2

C R4

HX

R3

A

A

A

X A

R1 C

HA

R2

C R4

HX

R3

El espectro sera:

(frecuencia)

JAX JXA

JAX = JXA

J = constante de acoplamiento. Se mide en (Hz)

J es independiente del campo magntico aplicado (mismo valor en cualquier aparato)

Doblete Doblete

PATRONES DE ACOPLAMIENTO

CH CH2A X

CH CH3A X

CH2 CH3A X

CH (CH3)2A X

Sistema AX2

Sistema AX3

Sistema A2X3

Sistema AX6

1 2

1

2

1

3

3

6

FRAGMENTOS MOLECULARES TPICOS

A

A

A

A

X

X

X

X

Espectro 13C-RMN Espectro 1H-RMN

1JH,C 1JC,H

No produce seal (12C presenta I = 0)

HC

O

O13

1

99%

1%

HC

O

O12

1

Ej.: Anin formiato

Qu ocurre en el espectro de carbono 13 1H-13C?

Acoplamiento 1H -13C

Experimentos Multipulso

13 C

Inversion recovery

T1 nos indica la relajacin de diferentes ncleos en una molcula, informando sobre su movilidad local. No podemos medirla directamente en la seal del FID debido a que afecta la magnetizacion que no se detecta. We

use the following pulse sequence:

si se analiza despus del pulso en :

Decaimiento de la seal bajo efecto de la relajacin longitudinal (T1), Efecto de diversos tD sobre la intensidad del FID y de la seal despus de FT.

180y (or x) 90y

tD

z

x

y

z

x

y

180y (or x) tD

Inversion recovery (continued) Dependiendo del tD (delay) se puede obtener seales con la intensidad variable, que depende del tiempo de relajacin T1 del ncleo (pico) que observamos.

z

x

y

tD = 0

z

x

y

tD > 0

z

x

y

tD >> 0

z

x

y

z

x

y

z

x

y

90y

90y

90y

FT

FT

FT

Eco de Espin la secuencia de pulso es:

Anlisis despus del pulso 90y :

180y (or x) 90y

tD tD

z

x

y

x

y

x

y

x

y

x

y

tD

180y (or x) tD

Desfase

reenfoque

Informacin obtenida

13 C

COSY

H H

- C - C - -

HSQC

H H H

C- C - C - N - C

HMBC H H H H

C - C - C - N - C - C -

Resumen

Los nucleos poseen un espin que genera un campo magnetico.

Debido al momento magntico el nucleo puede orientarse frente a un campo magnetico generando un magnetizacion llamada magnetizacin macroscopica (en z).

Esta magnetizacin puede ser perturbada por pulsos de radiofrecuencias, creando un vector magnetizacion en el plano x, y.

La magnetizacion rota en el plano x,y, induciendo un voltage en el receiver coil!.

La seal inducida es procesada por FT (Fourier transformation)