1
RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)
Lucienir Pains Duarte
RMN• Definição: Estudo da estrutura molecular através da
interação de radiação eletromagnética da região daradiofreqüência com um conjunto de núcleos imersos emum forte campo magnético
• Importânciaà determinar a estrutura molecular sabendo a vizinhança dos carbonos e hidrogênios (principalmente);
• à determinação da estrutura espacial das moléculas orgânicas;
• É a técnica mais usada atualmente na elucidação estrutural
LONGITUDEDE ONDA ( λ ) 10 − 13 10 − 11 10 − 9 10 − 7 10 − 5 10 − 3 10 − 2 10 − 1 10 0 10 2 10 3 metros (m)
FREQÜÊNCIA ( ν ) 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10 5 Hertz (Hz)
RAIOS GAMA RAIOS X UV VISÍVEL INFRAVERMELHO MICROONDAS ONDAS DE RÁDIO
RMNIV
µ
++
µ = γ I γ = cte magnetogírica(ou giromagnética)
ASPECTOS GERAIS
- Todosos núcleospossuem carga, em alguns a carga gira em torno de umeixo nuclear gerando um dipolo magnético ao longo do eixo (pequenos imãs)- A magnitude do dipolo gerado é expressa em termos do momentomagnético nuclear (µ ) que é proporcional ao número quântico de spin.
I = Número Quântico de spin nuclear
íma
número de spin (I): Pode assumir os valores de 0, 1/2, 1, 3/2, etc.
IMassa
atômicaNúmeroatômico Exemplo
Fracionário Ímpar Par ou ímpar
1H (1/2)17O(5/2)15N(1/2)
Inteiro Par Ímpar
2H(1)14N(1)10B(3)
Zero parpar 12C(0)
16O(0)34S(0)
- O número de spin que pode ser determinado a partir damassaatômica e do número atômico:
Serão ativos no RMN somente núcleos com I ? de zero
- Núcleos com I = 1/2 possuem distribuição de cargauniforme e portanto pode-se obter espectros de taisnúcleos.
- Os núcleos mais utilizados são: 1H (1/2) e 13C(1/2)
- O número de spin (I) indica o número de orientaçõespossíveis que um núcleo pode assumir quando colocadoem um campo magnético uniforme.
Número de orientações = 2I + 1
I = ½ Duas orientações possíveis (α e β )
Pólo magnético
Pólo magnético
B0
α
β
∆E = hν
α α
α
β
β β
E
INFLUÊNCIA DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO
2
Campo Magnético (B0)
En
erg
ia
α
β
INFLUÊNCIA DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO
+ 1/2
- 1/2
∆E
∆E = hν
∆E α Bo
A Equação de LarmorA Equação de Larmor
ν = 2π
γBo
γ é uma constante giromagnética que é diferente para cada núcleo atômico (H, C, N, etc)
= hν
Relação (constante) giromagnética γ
Força do campo
magnético
Freqüência da radiação que causará a transição.
γ hBo
2π∆Ε=∆E α Bo
Esta equação pode ser trans formada em:
β
B0 (Teslas) ν 1H (MHz) ν 13C (MHz)
4,7 200 50,3
7,0 300 75,4
11,7 500 125,7
γC = 1/4 γH
FREQUÊNCIAS DE RESSONÂNCIA
γ Bo
2πν =
Freqüência de Larmor
-Apenas um sinal deveria ser obtido com a interaçãoda energia e o campo magnético intenso com oshidrogênios.-Felizmente isto não ocorre à absorvem emforças de campo magnético diferentes.
γH = 26,753x107radT -1s- 1
γC = 6,728x107radT -1s-1
Nuvem eletrônica circulante sob a influência de Bo
Campo magnético externo, Bo
Núcleo
Campo local induzido, B’oposto a Bo no núcleo
BLINDAGEM NUCLEAR
Reproduzido de Volhardt, “Organic Chemistry”, 3ª Ed, 1999
- Os hidrogênios contidos em uma molécula estão blindadosfracamente pelas nuvens eletrônicas que os cercam.
- Os elétrons circulam sob a influência de um campo magnético,produzindo seu próprio campo magnético que se opõem ao campomagnético aplicado.
- Esta variação dá origem à sinais em diferentes regiõesdo espectro.
γ B0
2 πν1 =(1 - σ)
- A freqüência efetiva da ressonância é menor que afreqüência aplicada
- A densidade destas nuvens eletrônicas, que cercam oshidrogênios, varia com o ambiente químico.
- A diferença entre a posição de freqüência de umdeterminado hidrogênio e um padrão é denominadoDESLOCAMENTO QUÍMICO
σ à Grau de blindagem de cada núcleo
- Portanto, hidrogênios que possuem AMBIENTESQUÍMICOS diferentes possuem DESLOCAMENTOSQUÍMICOSdiferentes.
- O número de sinais decorrentes dos diferentesdeslocamentos, nos indica quantas espécies dehidrogênio existem na molécula.
CH3CH2Cla b
CH3C H
CH3C H
a
a
b
bCH H
CH Cl
a
b
c
CH3-CH3
CH3
Quantos sinais?
3
- O composto padrão mais utilizado é o tetrametilsilano:
H3C Si
CH3
CH3
CH3
TETRAMETILSILANO (TMS)
Vantagens do TMS :1) Sinal único2) Líquido volátil3) Aparece a ν < ν sinais (ν TMS = 0 ppm)4) Não interação com a amostra
Deslocamento químico (δ) : Posição de um sinal no espectroSe expressa em função de uma substância de referência
DESLOCAMENTO QUÍMICO DE HIDROGÊNIO (1 -12 ppm)
(ν)
(δ)
BLINDAGEM
Desblindado Blindado
γ B0
2 πν1 =(1 - σ)
012345678 δ (1H) ppm
TMSCH3OCH2CN
metoxiacetonitrila
Deslocamentos típicos
012345678
δ (1H) ppm
TMS
BLINDAGEM
Desblindado Blindado
910
C
C
H
C C HC C
HHidrogênios
aromáticos
H
OH
OH
O
HO
O
Valores Típicos
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 – Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 – Presença de duplas e/ou triplas ligações4 – Ressonância
δ aumenta com a ELETRONEGATIVIDADE (EN) do substituinte
CH3X EN (X) δ (ppm)
CH3F 4,0 4,26CH3OH 3,4 3,40CH3Cl 3,2 3,05CH3Br 3,0 2,68CH3I 2,7 2,16CH3H 2,2 0,23
Reproduzido de P.J. Hore, “Nuclear Magnetic Resonance”, OCP, 1995
Eletronegatividade de Pauling
δ C
H3X
(pp
m)1 - Eletronegatividade do substituinte
2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
δ (ppm)
CH3Cl 3,05
CH2Cl2 5,30
CHCl3 7,27
O efeito da EN é aditivo
4
1,01,52,02,53,0 δ (ppm)
Butano CH2 CH3
CH2CH2CH3
1 2 3 4Cl–CH2
O efeito do substituinte diminuirapidamente com a distância
Ex.: CH3–CH2–CH2–Br
1,06 1,81 3,47
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
C2H6C2H4C2H2 C2H6C2H4C2H2 C2H6C2H4C2H2
C2H6C2H2C2H4Etano , Etileno , Acetileno
H3C–CH3 H2C=CH2 HC≡CH
C2H6 C2H4 C2H2
δH–Csp3 < δH –Csp2 < δH–Csp
(em princípio)
Devido a presença de elétrons π
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
Campo externo, B0
Blocal
Blocal
BlocalBlocal
ALQUENOS
alcanosalquinosalquenos
δ
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
Campo externo, B0 Campo externo, B0
Blocal
Blocal
Blocal
Blocal
Blocal Blocal
Blocal
Blocal
ALQUENOS ALQUINOS
alcanosalquinosalquenos
δ
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
Campo externo, B0 Campo externo, B0
Blocal
Blocal
Blocal
BlocalBlocal
ALQUENOS AROMÁTICOS
Blocal
Corrente do anelBlocal
Blocal
alcanosalquinosalquenos
δ
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância
OMe OMe OMe OMe
O O O OOMe OMe OMe OMe
+M+M
–M–M
OMe COOMe
H
Exemplos:
7,3 6,8
7,2
6,9
8,0
7,4
7,5
FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ
1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 – Presença de duplas e/ou triplas 4 - Ressonância
5
INTEGRAL DOS SINAIS
A integral do sinal é proporcional ao número de núcleos equivalentes que o originou
Integral = área total do sinal
A INTEGRAL de um espectro representa somente as
PROPORÇÕES RELATIVAS dos hidrogênios equivalentes
2 3
Ex.: Dietilcetona
O
CH2CH3
δ (ppm)
1,02,03,0 0,0
CONTAGEM DOS HIDROGÊNIOS EQUIVALENTES
Área total dos sinais:
= 15,5
Área devida a cada tipo de hidrogênio:
a = 8,8 b = 2,9 c = 3,8
Área dos sinais
15 ,5 cm 16H8 ,8 cm x
x=9H
Para Ha
Hb = 3H
Hc = 4H
C
CH3
CH3
CH3H3 C
ab
c
EXEMPLO 2:
2,5 cm 10H1,5 cm x x=6H
Para CH3
Harom = 4H
ACOPLAMENTO SPIN-SPIN: DESDOBRAMENTO DE SINAIS
Dois compostosisoméricos:
O
Cl
Cl
O
12
3
12
3
31
2
3
MULTIPLICIDADE...
-A MULTIPLICIDADE é devida aos DESDOBRAMENTOS dos sinais
ba
H
C C
HH B0
DUPLETO
B0
ba
H
C C
HHb
TRIPLETO
6
Desdobramento de sinal
Cada tipo de hidrogênio fornece um sinal cuja multiplicidade depende do número de hidrogênios vizinho.
Os efeitos do acoplamento setransferem pelos elétronsda ligação até 3 ligações
(se houver duplas pode ser sentido auma distância maior)
Acoplamento com n núcleos equivalentes (sistema AXn)
Em geral A se desdobra em n + 1 linhas, separadas cada uma por uma distância = JAX
11 1
1 2 11 3 3 1
1 4 6 4 11 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
A simpleto (s)AX dupleto (d)AX2 tripleto (t)
AX3 quarteto (q)AX4 quinteto (qn)AX5 sexteto (sx)
AX6 septeto (m)
PADRÕES DE ACOPLAMENTOConstantes de acoplamentos típicas
Exemplo 1
11 1
1 2 11 3 3 1
1 4 6 4 11 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
(a)
(b)
Exemplo 2
11 1
1 2 11 3 3 1
1 4 6 4 11 5 10 10 5 1
1 6 15 20 15 6 1
(a)
(b)
(c)
f) Outros acoplamentos (sistemas AMmXn)
1
DUPLO TRIPLETO
2
ES.:
C C
H A HX
C HX
HM
AMX2
δA
JAM
JAX JAX
JAX JAX
1 12
1
e) Acoplamento com dois núcleos não equivalentes (sistema AMX)
1 1
δA
JAM
DUPLO DUPLETO
JAX JAX
1 1
Ex.:
C C
HA HX
C
HM
JAM ≠ JAX
PADRÕES DE ACOPLAMENTONúcleos não equivalentes
Constantes de acoplamentos típicas
7
Exemplo 1
Sabendo que J H2/H4 = 2 Hz, como ficaria o sinal de H2?
O
CH3
Ha
Hb
Hc
Exemplo 2
Jab=1Hz; Jac=3Hz; Jbc=8Hz
CONSIDERAÇÕES
1. Não se observa desdobramento de prótonsequivalentes• (CH3CH3 - simpleto)• (CH3OOCCH2CH2COOCH3, - 2 simpletos)• CH3OOCCH2CH2CH2CH2COOCH3 à dois
tripletos e um simpleto2. Acoplamento de H ligado a heteroátomo geralmente
não é observado: CH3CH2OH (somente qdo muito concentrado)
Quais multiplicidades são esperadas para os hidrogênios diferentes na molécula abaixo?
H3C O
O
Br
ab
cd
s
d
sex
d
Troca Química• Grupos ROH, RNH2, RSH, RCOOH
reagem com D2O e trocam o hidrogênioácido por Deutério
• sinal referente a este hidrogênio desaparece
Desaparece com D2O
Informações de um espectro de RMN de 1H
δ (deslocamento químico)
Onde se encontra o núcleo, e quantos tipos diferentes existem
I (integração)
Quantos núcleos dão o sinal
J (constante de acoplamento, multiplicidade)Quem são os vizinhos
Cl Cl
a
b
a
ExemploQuem é quem?
H3C O CH 3
O
H3C
O
CH3
O
A
B
4 .0 3 .5 3 .0 2 .5 2 .0 1 .5 1 .00 .0
0 .5
1 .0
1 .5
2 .0
2 .5
3 .0
3 .5
4 .0
4 .5
5 .0
5 .5
6 .0
6 .5
7 .0
7 .5
8 .0
8 .5
9 .0
9 .5
3 . 5 3 . 0 2 . 5 2 . 0 1 . 5 1 . 00 . 0
0 . 5
1 . 0
1 . 5
2 . 0
2 . 5
3 . 0
3 . 5
4 . 0
4 . 5
5 . 0
5 . 5
6 . 0
6 . 5
7 . 0
7 . 5
8 . 0
8 . 5
9 . 0
9 . 5
8
Exercício 1C3H6Cl
IDH = 0
RMN DE CARBONO-13 •O princípio de aquisição do espectro deRMN de 13C é o mesmo de 1 H.
•O núcleo sofre uma absorção de energia emuda sua orientação em relação ao campo,quando ele relaxa, libera energia que équantizada.
•De maneira similar ao 1H cada núcleo emambiente químico diferente apresenta-se comoum sinal de RMN
Deslocamentos Químicos de Hidrogênio (1H) and Carbono (13H) no RMN
R-CH3 8 - 30
R2CH2 15 - 55
R3CH 20 - 60
C-I 0 - 40C-Br 25 - 65
C-N 30 - 65
C-Cl 35 - 80
C-O 40 - 80
C C 65 - 90
C=C 100 - 150
C N 110 - 140
110 - 175
R-C-OR
O
R-C-OH
O
155 - 185
R-C-NH2
O155 - 185
R-C-HO
R-C-RO
185 - 220
DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1313C (ppm)C (ppm)
Ressonância Magnética Nuclear de 13C - CONSIDERAÇÕES
•O 12C não é magneticamente ativo, porque seu I = 0. Embora o 13C seja ativo, sua
abundância natural é 1,1%;
•Não ocorre acoplamento entre C-C (vizinhos), pois sua abundância é baixa (1,1 %),
sendo a probabilidade de dois átomos de 13 C estarem adjacentes é de 1 em 10.000.
•O 13C acopla com 1H (ambos tem I = ½) o que complica o espectro, devido aos
valores altos de J 13C-1H (110-320 Hz)
•Assim, os espectros onde há acoplamento 13C-1H são de difícil interpretação.
•Opta-se pelo desacoplamento total, ou parcial de 1H, pela irradiação pela
freqüência de 1H, durante a aquisição do espectro de 13C.
•Assim, na maior parte, o espectro de 13C é composto de simpletos, cada um
corresponde a um, ou mais 13C (carbonos idênticos).
•O uso de integração de espectro de 13C é bem menos que para o 1H.
Efeito de hidrogênios sobre a ressonância de 13C
n+1 = 4 n+1 = 3 n+1 = 2 n+1 = 1
C13
3 hidrogênios 2 hidrogênios 1 hidrogênios 0 hidrogênios
H
H
H
C13 H
H
C13H C13
Carbono metílico Carbono metilênico Carbono metínico Carbono quaternário
( n+1 picos )
ACOPLAMENTO COM HIDROGÊNIOSACOPLAMENTO COM HIDROGÊNIOS
(J’s são grandes ~ 100 - 200 Hz)
9
ESPECTROS DESACOPLADOS DE C-H
Existem algumas técnicas:a) Desacoplamento total dos hidrogêniosb) DEPT
A) Desacoplamento total dos hidrogêniosChamado de desacoplamento de hidrogênio por geradores de bandas largas. Remove os acoplamentos.
13 C-H 13 C-C-H 13 C-C-C-H
O espectro fornece um sinal para cada tipo de carbono
(-CH3; -CH2, -CH; C )
FENILACETATO DE ETILAFENILACETATO DE ETILA
13C acoplados de hidrogênios
13C desacoplados de hidrogênios
Sobreposição de sinais múltiplos
Espectro fácil deinterpretar
CICLOHEXANONACICLOHEXANONA
4 SINAIS
Deslocamentos diferentes
Cl
Cla
a
b
b
c
c
1,21,2--DICLOROBENZENODICLOROBENZENO
RMN DE CARBONO 13
CHO O
5 SINAIS
Deslocamentos diferentes
b) DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)
Avalia o número de hidrogênios ligados no carbono.
É obtido pelas diferentes respostas de cada tipo de carbono fonte a um pulso de RF ( CH3, CH2, CH, e C) que ficam defasados.
O mais importante é o DEPT- 135CH3, CH à mesmo ladoCH2 à lado oposto
Ou é mostrado em sub-espectros de CH, CH3, CH2 e todos os carbonos.
10
10
9.
94
34
70
.5
19
5
54
.9
31
75
4.
80
08
47
.7
23
44
7.
67
25
42
.0
93
53
9.
82
41
37
.5
11
03
7.
21
28
35
.4
30
73
4.
27
42
34
.2
52
3
29
.8
15
32
9.
71
35
27
.4
73
22
7.
44
41
20
.7
88
51
9.
66
84
19
.3
84
71
8.
09
00
16
.6
93
41
4.
44
58
0.
00
00
( p p m )01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0
d j a l m a / l u c i e n i r - C 1 3
42
.0
93
5
39
.8
24
1
37
.5
11
03
7.
21
28
35
.4
30
7
34
.2
74
23
4.
25
23
29
.8
15
32
9.
71
35
27
.4
73
22
7.
44
41
20
.7
88
5
19
.6
68
41
9.
38
47
( p p m )1 92 02 12 22 32 4252 62 72 82 93 03 1323 33 43 53 63 73 8394 04 14 2
DEPT-135
Espectro DEPT-135 de um triterpeno (CDCl3; 100 MHz).
O
1
53
11
12
9
13
19 21
16
23 24
2628
HO
Ha
H b
30
29 RMNRMN--2D:2D:
Espectros Bidimensionais de RMNEspectros Bidimensionais de RMN
Diferentes formas de mostrar espectro de 2-D
HMQC (mostra correlação H-C)
COOH
HO
1
3 5
6
7
89
10
11
12
13
14
15
16
1718
1920
21
22
2324
25 26
27 28
3029
O
Expansão do mapa de contornos HMQC (CDClExpansão do mapa de contornos HMQC (CDCl33/C/C55DD55N; 400 MHz).N; 400 MHz).
Exemplo: Ácido Salaspérmico
Expansões do mapa de contornos HMBC (CDCl3/C5D5N; 400 MHz).
Ácido SalaspérmicoÁcido Salaspérmico
O
HO
H
H3C
H
H CH3
CH3
CH3
CH 3HOOC
CH 3
H
H
HH
H
MAPA DE CONTORNOS
HMBC
HMBC (mostra correlação a duas e três ligações)
O
HO
H
H3CH
H CH3CH3
CH3
CH3HOOC
CH3
HHa
Hb
H
HH
H
3
25
6
24
27
19
29
8
125
Mapa de contornos NOESY (CDClMapa de contornos NOESY (CDCl33/C/C55DD55N; 400 MHz).N; 400 MHz).
Ácido Salaspérmico
NOESY (mostra correlação a espaciais entre H)
13C e DEPT-135 – Exercício 1
11
13C e DEPT-135 – Exercício 2 13C e DEPT-135 – Exercício 3
13C e DEPT-135 – Exercício 4
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