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RESONANCIA MAGNTICA NUCLEAR

Antes de comenzar a entender el fenmeno de la Resonancia magntica debemos considerar cuales son las

propiedades que poseen los ncleos atmicos y que hacen que aparezca dicho fenmeno. Los ncleos poseen dos tipos de

propiedades:

Propiedades mecnicas, que podemos imaginar suponiendo un smil planetario: El momento angular que se debe al

movimiento de los ncleos en torno a un punto dado y el espn nuclear (I) que se debe al movimiento rotacional de los

mismos y depende de la relacin carga/masa del mismo.

Propiedades elctricas: Poseen una carga elctrica; un Momento magntico () ocasionado por el movimiento

rotacional de cualquier cuerpo cargado elctricamente y un Momento cuadrupolar debido a la distribucin no uniforme

de una carga sobre una superficie y que aparece cuando el ncleo no es absolutamente esfrico.

Cuando consideramos una muestra formada por muchos ncleos los momentos de dichos ncleos tendrn una distribucin

aleatoria o al azar; sin embargo si sometemos dichos ncleos a un campo magntico estos tendern a orientarse en l

(imaginemos que los ncleos son similares a pequeos imanes) (ver figura) y tendrn dos posibles estados o bien alineados con

l (estado , ms estable o de menor energa) o bien opuestos a l (estado , menos estable o de mayor energa).

En realidad no es que los momentos magnticos estn alineados, en una forma estrictamente colineal, con el campo

magntico sino que presesionan o giran (como si fuesen un trompo) en torno a la direccin marcada por l y adems lo hacen no

con cualquier velocidad de presesin o velocidad angular, sino con una que depende de la naturaleza del ncleo y la fuerza del

campo y que esta cuantificada por la Ecuacin de Larmor, que puede ser expresada de diferentes formas:

o = oHo

y como: o = 2o y

= 2 / Ih Entonces tendremos: ho = Ho / I

o = Ho / 2

En esta expresin, ho tiene unidades de energa y equivaldra a decir que cuando el ncleo se somete a un campo

magntico Ho, se produce una absorcin de energa cuando la frecuencia de la radiacin es igual a o, En ese momento se dice

que el ncleo est en resonancia. Esa energa em MHz, resulta estar en la zona de las radiofrecuencias.

o se expresa en MHz y depende de la intensidad del campo aplicado: Ho.

As para el 1H, a un campo Ho de 14000 Gauss (1,40 Teslas), la frecuencia de resonancia sera de 60 MHz, lo que

equivale a una energa de 0.0057 cal/mol.

Nota: En los calendarios BRUKER, figuran las tablas de frecuencias de RMN para todos los istopos activos, a todas las fuerzas

de campo actualmente disponibles

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A partir de este fenmeno y su uso analtico, se nos plantean dos cuestiones inmediatamente:

1) Tienen todos los ncleos una seal de resonancia caracterstica o es la misma para todos ellos?

2) De no ser as es del mismo orden de magnitud su frecuencia?

- La respuesta a la primera pregunta es NO. No todos los ncleos poseen una frecuencia de resonancia caracterstica

cuando se someten a un campo magntico, solo la tienen aquellos que tengan, o bien el nmero atmico, o bien el nmero

msico, o ambos; con valor impar. Aquellos que posean ambos nmeros pares, no tendrn seal de resonancia.

En la siguiente tabla se den ejemplos de ncleos activos. Para datos completos, se sugiere consultar las tabla del

calendario Bruker.

N MSICO N ATMICO SEAL RMN EJEMPLOS

PAR PAR NO 12C6 , 16O8

PAR IMPAR SI 2H1, 10B5, 14N7

IMPAR PAR SI 13C6, 17O8

IMPAR IMPAR SI 1H1, 11B5, 15N7

- La respuesta a la segunda cuestin es SI. Todos aquellos ncleos que cumplan la condicin anterior poseen una

seal de RMN caracterstica cuando se someten a un campo magntico (Ho). La frecuencia de dicha seal depender de las

caractersticas fsicas del ncleo en cuestin y la sensibilidad relativa depender de la abundancia natural de dicho ncleo.

En la siguiente Tabla se muestran los ncleos de mayor inters y sus frecuencias de resonancia a 10000 Gauss:

Ncleo Abundancia Natural (%) Espn Momento Magntico (mag.nuc) Frecuencia RMN (MHz)* Sensibilidad Relativa Cte. .108 (SI)

1H1 99.9844 1/2 2.79268 42.5759 1.000 2.6752 2H1 0.0156 1 0.857386 6.53566 0.00964 0.4107 7Li3 92.57 3/2 3.2560 16.547

9Be4 100 3/2 -1.1773 5.983 10B5 18.83 3 1.8005 4.575 0.0199 0.2875 11B5 81.17 3/2 2.6880 13.660 0.165 0.8583 13C6 1.108 1/2 0.70220 10.705 0.159 0.6726 14N7 99.635 1 0.40358 3.076 0.00101 0.1933 15N7 0.365 1/2 -0.28304 4.315 0.00104 -0.271 17O8 0.037 5/2 -1.8930 5.772 19F9 100 1/2 2.6273 40.055 0.834 2.5167

23Na11 100 3/2 2.2161 11.262 25Mg12 10.05 5/2 -0.85471 2.606 27Al13 100 5/2 3.6385 11.094 29Si14 4.70 1/2 -0.55477 8.458 0.0785 -0.532 31P15 100 1/2 1.1305 17.236 0.0664 1.0829 33S16 0.74 3/2 0.64274 3.266 35Cl17 75.4 3/2 0.82091 4.172 37Cl17 24.6 3/2 0.68330 3.472 39K19 93.08 3/2 0.39094 1.987 79Br 50.57 3/2 2.0991 10.667 81Br 49.43 3/2 2.2626 11.499

e- - 1/2 -1836 28024.6

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De los datos que se muestran en dicha tabla debemos destacar la frecuencia de resonancia y el nmero de espn y

aquellos ncleos de mayor utilidad para los qumicos orgnicos: 1H, 13C, 19F y 31P.

Una cuestin importante para la aplicabilidad de la tcnica, es la cuestin de la sensibilidad de la misma. Como se ha

comentado con anterioridad la energa implicada en el experimento de la resonancia es muy pequea (del orden de las

milsimas de cal/mol), por lo cual la diferencia de poblacin entre los dos niveles de energa implicados en esa absorci,n ser

muy pequea: para un Ho de 9400 Gauss y a temperatura ambiente, la relacin de poblaciones entre ambos niveles, segn la

ecuacin de Boltzmann ser:

N/N = e-2Ho/KT = 1.0000066

Lo que traducido a trminos comprensibles viene a indicar que de cada dos millones de ncleos solo absorberan

radiacin 6 de ellos.

Con el fin de aumentar algo dicha sensibilidad se utilizan fuertes campos magnticos, pues cuanto mayor es Ho mayor

es la frecuencia de resonancia (y por tanto la diferencia de energa) y tambin la diferencia de poblaciones entre los estados de

spin:

La siguiente cuestin en plantearnos es como se puede obtener un espectro de resonancia magntica nuclear de una muestra?

Para ello necesitaremos en primer lugar un muestra contenida en un recipiente, generalmente un tubo de vidrio de unas

determinadas cualidades y caractersticas; seguidamente necesitaremos un campo magntico en el que introducir dicha

muestra, es decir un imn.

A continuacin, y puesto que la absorcin de energa en la RMN corresponda a la longitud de onda de las

radiofrecuencias, necesitaremos un emisor de radiofrecuencias con el que irradiar dicha muestra y con el fin de observar si se ha

producido absorcin necesitaremos tambin un receptor de las mismas y un detector para comparar dichas radiaciones.

Finalmente necesitaremos un ordenador que transforme las ondas de las seales provenientes de la muestra en un espectro de

RMN interpretable. Los parmetros fundamentales en un espectro de RMN son:

Desplazamiento qumico

Multiplicidad de las seales

Valor de la integral del rea bajo la curva de las seale que es proporcional al numero de ncleos que originan

dicha seal.

Desplazamiento Qumico

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Por lo visto hasta ahora nos surge la pregunta de la posible utilidad de la RMN en Determinacin estructural y la

respuesta sera sencilla: slo servira para el anlisis atmico e isotpico de la muestra, pues todos los ncleos idnticos

deberan absorber a la misma frecuencia. Felizmente esto no es as, pues los ncleos de los tomos no estn solos sino que

alrededor a ellos estn los electrones, los cuales tambin sentirn el campo magntico, Ho, y como consecuencia de ello girarn

y producirn un pequeo campo magntico que se opone al externo y como consecuencia de ello el ncleo siente un campo

inferior al aplicado:

HLOC = Ho-H' = Ho(1-)

con lo que la energa absorbida ser: ho = Ho(1-)/I

es conocida como la constante de apantallamiento y es

independiente del valor de Ho, dependiendo solo de la estructura

Como consecuencia del fenmeno de apantallamiento que sufren los ncleos por estar insertos en una estructura, se produce

una disminucin de la energa, o lo que es equivalente, una disminucin en el espaciado de los niveles de energa.

Tambin podra expresarse como que para que se alcance la resonancia del ncleo debemos aumentar la intensidad

del campo a aplicar respecto al terico.

Este apantallamiento puede calcularse tericamente para todos los ncleos como una ecuacin que relaciona con la

densidad electrnica en funcin de la distancia al ncleo y tiene como consecuencia que aparecen valores mximos para l

dependiendo del nmero de electrones implicados.

As se observan variaciones que van desde:

Z = 1 (Hidrgeno), = 1810-6;

Z = 9 (Fluor), = 13310-6;

Z = 15 (P, Fsforo), = 26110-6;

hasta: Z = 80 (Hg, Mercurio) 10-2

Adems de este apantallamiento que podemos denominar atmico aparece otro apantallamiento que vamos a denominar

molecular que se produce debido a que no todos los orbitales tienen simetra esfrica y adems muchos orbitales moleculares

producen corrientes inducidas que hacen que aparezcan zonas de apantallamiento y dasapantallamiento en la molcula

(anisotropa magntica). Esto se traduce en que ahora para cada ncleo en lugar de aparecer una sola seal aparecern toda

una serie de ellas (muy prximas entre si) en funcin sobre todo de dos factores:

Variacin de la densidad electrnica en torno a l.

Anisotropa diamagntica de la molcula.

A dicho fenmeno, es decir, la variacin de la frecuencia de resonancia de un determinado ncleo respecto a la frecuencia

terica, se le denomina desplazamiento qumico, y se representa por .

Es lgico pensar que la variacin del campo es ms pequea para el protn, que para ncleos en los que estn implicados

ms electrones, de hecho la variacin es del orden de ppm (partes por milln, un milln de veces ms pequea que Ho).

Tambin podemos imaginar que cuanto ms fuerte sea el campo aplicado, tambin ser mayor el campo inducido creado

por los electrones y por tanto no vamos a tener una escala absoluta de variacin solo tendremos una escala relativa como

variacin respecto al valor de Ho.

En cuanto al origen de la variacin necesitamos un origen que por convenio se ha establecido para el protn, como el

campo para el TMS ( = 0, tetrametilsilano, SiMe4) en el cual la terica densidad electrnica en torno al protn es 1.

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En cuanto a la definicin matemtica de la podemos expresar de diversas maneras:

= (Ho-HLOC)106/ Ho ppm

= (0- LOC)106/0 (MHz) ppm

= (0- TMS)106/0(MHz) ppm

El dato ms destacable de lo anteriormente dicho es que es una escala relativa, quiere decir esto que un determinado

ncleo, en una determinada molcula, dar una seal respecto al TMS a un determinado desplazamiento qumico ,

independiente del campo aplicado Ho, pero si medimos el desplazamiento quimico en frecuencias, la diferencia de frecuencias

es mayor cuanto mayor sea el campo aplicado pues una ppm en un aparato de 60 MHz equivale a 60 Hz, mientras que en uno

de 200 MHz, equivale a 200 Hz, y en uno de 400 MHz, equivale entonces a 400 Hz.

Ejemplo: para una seal que tiene un desplazamiento qumico a 1.3 ppm, respecto del TMS, a que frecuencia (en Hz)

estar este desplazamiento en equipos de 500, 600 y 900 MHz, respectivamente?

Otra cuestin a comentar es la terminologa utilizada en RMN pues se utilizan independientemente los trminos

resonancia a ms alta frecuencia, desplazamiento paramagntico, desplazamiento a campo ms bajo o ncleos

desapantallados, siendo todos ellos equivalentes; lo mismo ocurre en el caso contrario.

Una vez definido el desplazamiento qumico vamos a tratar de sistematizar lo ms posible los factores que afectan al

mismo, empezando por considerar los dos ncleos de ms amplio uso en elucidacin estructural: el protn (1H) y el Carbono-13

(13C).

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DESPLAZAMIENTO DE 1H FACTORES QUE AFECTAN AL DESPLAZAMIENTO QUIMICO () EN RMN PROTNICA

Los principales factores que afectan al desplazamiento qumico son:

1. El efecto inductivo.

2. La anisotropa magntica de los enlaces qumicos.

3. La repulsiones de Van der Waals.

4. La existencia de enlaces de hidrgeno.

5. La utilizacin de reactivos de desplazamiento.

Veamos cada uno de ellos ms pormenorizadamente:

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1. EL EFECTO INDUCTIVO

Si la densidad electrnica entorno al ncleo disminuye por efecto inductivo, el campo inducido por la carga tambin

disminuye y la resonancia se puede alcanzar a un campo inferior

As para el grupo metilo tendremos:

CH3-C ( 0.9 ppm);

CH3-N ( 2.3 ppm); CH3-O ( 3.3 ppm)

CH3-F ( = 4.26 ppm); CH3-Cl ( = 3.05 ppm);

CH3-Br ( = 2.68 ppm); CH3-I ( = 2.16 ppm)

Como puede observarse existe una relacin, que es prcticamente lineal, entre la electronegatividad de los

sustituyentes y el desplazamiento qumico protnico (). De igual forma se podra indicar para grupos metileno (CH2) y metino

(CH)), con la nica salvedad de que los desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitucin, es decir el

desplazamiento de los metinos suele ser mayor que el de los metilenos y el de estos que el de los metilos, tal y como se muestra

en los siguientes ejemplos y en la tabla:

X CH3X - CH2X - CHX

-H 0.233 0.9 1.25

-CH3 , -CH2 0.9 1.25 1.5

-F 4.26 4.4 -

-Cl 3.05 3.4 4.0

-Br 2.68 3.3 4.1

-I 2.16 3.2 4.2

-OH 3.47 3.6 3.6

-O-Alquilo 3.3 3.4 -

-O-Arilo 3.7 3.9 -

-OCO-Alquilo 3.6 4.1 5.0

-OCO-Arilo 3.8 4.2 5.1

-SH 2.44 2.7 -

-SR 2.1 2.5 -

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-SOR 2.5 - 2.8

-SO2R 2.8 2.9 3.1

-NR2 2.2 2.6 2.9

-NR-Arilo 2.9 - -

-NCOR 2.8 - 3.2

-NO2 4.28 4.4 4.7

-CHO 2.20 2.3 2.4

-CO-Alquilo 2.1 2.4 2.5

-CO-Arilo 2.6 3.0 3.4

-COOH 2.07 2.3 2.6

-COOR 2.1 2.3 2.6

-CONH2 2.02 2.2 -

Debido a la existencia de esta relacin lineal entre desplazamiento qumico y electronegatividad J.N. Shoolery en 1959,

public una regla muy simple que permita predecir el desplazamiento qumico () de los grupos metilo y metileno en funcin de

unas constantes asignadas a cada tipo de substituyente, en una forma actualizada la regla de Shoolery quedara como:

= 0.23 + ief donde ief es una constante de desapantallamiento y toma los valores que se indican en la Tabla siguiente:

GRUPO FUNCIONAL ief GRUPO FUNCIONAL ief

H 0.17 -CH3 0.47

F 3.15 -CH2R 0.67

Cl 2.53 -CR=CR2 1.32

Br 2.33 -Fenilo 1.85

I 1.82 -C = CR 1.44

OH 2.56 -CF3 1.14

O-Alquilo 2.36 -C = N 1.70

O-Arilo 3.23 -COR 1.70

O-COR 3.13 -COOR 1.55

NH2 1.69 -CONR2 1.59

NHCOR 2.23 -SR 1.64

NR2 1.57

Aplicando esta regla se pueden obtener resultados como los que se muestran en la siguiente tabla:

Compuesto Calculado Observado

BrCH2Cl 5.09 5.16

ICH2I 3.87 4.09

PhCH2Ph 3.91 3.92

PhCH2OR 4.44 4.41

PhCH2CH3 2.52 2.55

C=CCH2OH 3.92 3.91

C=CCH2C=C 2.87 2.91

CH3CH2COR 2.40 2.47

CH(OEt)3 7.31 4.96

ICH2Me2 2.99 4.24

Tal y como puede observarse los valores calculados coinciden bastante bien con los experimentales, salvo para el caso

de los metinos con tres sustituyentes.

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Es necesario resear que aunque en principio las constantes de Shoolery estn relacionadas directamente con las

electronegatividades eso no es completamente cierto pues aunque la diferencia de electronegatividad entre un carbono sp3 y

uno sp2 es muy pequea la diferencia entre las constantes es de 1 ppm; esa diferencia se debe a que en la constante tambin

se ha incluido el siguiente factor a tener en cuenta:

2.- ANISOTROPA DE LOS ENLACES QUMICOS

En la siguiente Tabla se muestran los valores aproximados de los desplazamientos qumicos para diversos tipos de protones.

En dicha Tabla nos llaman poderosamente la atencin algunos datos que no parecen lgicos: los protones aromticos

salen ms desapantallados que los vinlicos y los alqunicos ms apantallados que ellos cuando debera ser al contrario. Se

debe ello a que cuando en una molcula existen electrones , estos al sentir el campo externo producen un campo inducido que

se opone al externo en el interior del doble enlace pero que est a favor de este en el exterior de dicho enlace, tal y como se

muestra en la siguiente figura. Un caso similar sera el del grupo carbonilo. De una misma manera para el caso de los anillos

aromticos, como los electrones movibles son ms el campo inducido ser mayor y por tanto tambin el desplazamiento

qumico.

Como consecuencia de la aparicin de esos campos inducidos aparecen en la molcula zonas en que hay apantallamiento y

otras en las que hay desapantallamiento. Veamos algunos ejemplos:

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el hecho de que aparezcan dichas zonas hace por ejemplo que se puedan explicar los resultados que se muestran a

continuacin:

en el primer caso el protn slo siente el desapantallamiento de un nico grupo carbonilo, mientras que el segundo siente el de

dos y sale ms desapantallado.

en estos casos se puede observar que las zonas de apantallamiento forman una especie de cono por encima y por debajo del

doble enlace de tal manera que se apantallaran los protones que se encuentre dentro de dicho cono.

Un caso parecido podemos observarlo para los compuestos aromticos, aparecern dos zonas distintas del espacio una de

apantallamiento por encima y por debajo del anillo aromtico y otra de desapantallamiento en el mismo plano que aquel, tal

como puede verse en los siguientes ejemplos:

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En el caso del segundo ciclofano la longitud del asa hace que esta se site justo por encima del anillo de ah su gran

apantallamiento, en los otros casos, ya sea por corta o larga, no puede situarse en dicha situacin y no salen tan apantallados

los metilenos.

Queda sin embargo por resolver una pequea cuestin y es el por qu del gran desapantallamiento de los protones

aromticos respecto a los vinlicos, as para el ciclohexadieno y el benceno tenemos:

Ese desapantallamiento adicional de 1.4 ppm no puede asignarse slo al nuevo doble enlace sino que se debe a una

nueva propiedad del benceno que denominamos AROMATICIDAD, se defne en Qumica Orgnica general que aromticos eran

aquellos compuestos cclicos, con dobles enlaces conjugados y que cumplan la regla de Hckel (posean 4n + 2 electrones).

Ahora con slo observar el espectro de RMN podemos decir que aromticos sern aquellos que posean un gran

apantallamiento en el interior del anillo y un gran desapantallamiento fuera del anillo, debido a la corriente de electrones, as

como puede observarse para los siguientes anulenos, en donde mientras que el 18-anuleno es aromtico, el 16 no lo es

Un caso aparte son los alquinos, estos no se orientan como los alquenos al someterlos al

campo externo sino que lo hacen orientndose con el triple enlace paralelo a aquel, por lo

que la zona de apantallamiento estar en la direccin del triple enlace segn se muestra en

la figura. Por lo que se justificara el hecho de que el (H) para el acetileno sea de 2.88

ppm, frente a 5.84 ppm para el etileno.

Finalmente comentar que aunque los electrones de los enlaces sencillos no tienen la

movilidad de los electrones , tambin pueden producir un pequeo campo inducido, como en el

caso de los ciclohexanos que hace que los protones ecuatoriales salgan ms desapantallados que

los axiales unas 0.5 ppm

3.- DESAPANTALLAMIENTO DE VAN DER WAALS

En ciclohexanos sustituidos en posiciones axiales se producen repulsiones entre

las nubes electrnicas de estos que hacen que los protones en posicin axial

salgan anormalmente desapantallados (hasta 1 ppm dependiendo del

sustituyente).

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4.- ENLACES DE HIDROGENO.

La existencia de enlaces de hidrgeno hace que estos protones aparezcan muy desapantallados.

En los alcoholes y las aminas los protones de dichos grupos funcionales no salen a un desplazamiento fijo sino que

este depende fuertemente de la concentracin, as el protn del grupo hidroxilo del etanol puede observarse desde 5.28 ppm

cuando se hace el espectro del etanol sin disolvente, hasta a 0.7 ppm cuando se hace diluido en tetracloruro de carbono.

Sin embargo, si el enlace de hidrgeno es intramolecular su desplazamiento qumico apenas depende de la concentracin y

dichos protones aparecen anormalmente desapantallados. Los mayores desapantallamientos se han observado en enoles: el

enol de la acetilacetona aparece a 15.18 ppm, el del acetilacetato de metilo a 12.1 ppm.

5.- REACTIVOS DE DESPLAZAMIENTO

Consisten en complejos de metales lantnidos (europio y praseodimio) que aadidos a una muestra de un compuesto

orgnico producen que los desplazamientos de la seales de este varen fuertemente produciendo un fuerte apantallamiento o

desapantallamiento dependiendo de la naturaleza del lantnido, de la concentracin en que se use y del ligando utilizado.

Los complejos ms utilizados son el dipivaloilmetanato o DPM y el 1,1,1,2,2,2,3,3-heptafluoro-7,7-dimetil-4,6-

octadienato o FOD.

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CONCLUSIN:

Como consecuencia de todo lo anterior podemos considerar el espectro de RMN protnica dividido en una serie de zonas en las

que se encontraran situados los diferentes tipos de protones:

Para finalizar es necesario indicar que existen tambin unas reglas similares a las de Shoolery para estimar los desplazamientos

qumicos de los protones vinlicos y aromticos, ambas reglas se incluyen a continuacin.

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Desplazamiento de 13C

FACTORES QUE AFECTAN AL DESPLAZAMIENTO QUIMICO () EN RMN DE CARBONO-13

Los mismos factores que afectan al desplazamiento qumico protnico son los que afectan a la RMN de carbono-13 con

unas pequeas salvedades. La primera de ellas es la amplitud de dicho desplazamiento, si en el protn era como mximo de 18

ppm, en el caso del carbono-13 este llega a ser de 225 ppm, si bien es necesario advertir que como la frecuencia de resonancia

del carbono-13, en un determinado campo magntico, es 4 veces inferior a la del protn, en Hz una ppm es tambin 4 veces

inferior en C-13 que en H-1.

1.- EL EFECTO INDUCTIVO

Como poda observarse existe una relacin, que es prcticamente lineal, entre la electronegatividad de los sustituyentes y el

desplazamiento qumico () protnico; en carbono-13 dicha relacin no es tan evidente segn se muestra en la siguiente Tabla

para el grupo metilo:

CH3X (H) (C) Electronegatividad

SiMe3 0.0 0.0 1.90

H 0.13 -2.3 2.20

Me 0.88 5.7 2.60

CN 1.97 1.3 2.60

COCH3 2.08 29.2 2.60

NH2 2.36 28.3 3.05

I 2.16 -20.7 2.65

Br 2.68 10.0 2.95

Cl 3.05 25.1 3.15

OH 3.38 49.3 3.50

F 4.26 75.4 3.90

As puede observarse que aunque para los halgenos al aumentar la electronegatividad aumenta el desplazamiento

qumico, el valor de dicho desplazamiento no tiene relacin con la electronegatividad pues el yodo a pesar de ser ms

electronegativo que el carbono produce una seal muy apantallada.

Algo similar podra decirse para el caso del bromo y tambin para el azufre, se atribuye dicho efecto anmalo al elevado

volumen atmico de dichos tomos.

De igual forma se podra indicar para grupos metileno (CH2) y metino (CH), con la nica salvedad de que los

desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitucin, es decir el desplazamiento de los metinos suele ser mayor

que el de los metilenos y el de estos que el de los metilos al igual que ocurra con el desplazamiento protnico, slo que en el

caso del carbono-13 es ms evidente.

As existe una regla general para determinar el desplazamiento qumico () de los carbonos en los hidrocarburos

(Reglas de Grant y Paul) en una forma similar a la regla de Shoolery y que podra expresarse como:

= -2.6 + 9.1 n + 9.4 n - 2.5 n + 0.3 n

donde n indica el nmero de carbonos en las posiciones , , y respectivamente respecto del carbono considerado.

Por ejemplo para el n-hexano tendramos:

(C-1) = -2.6 + 9.1 + 9.4 -2.5 + 0.3 = 13.7 (Experimental 13.7)

(C-2) = -2.6 + 2 x 9.1 + 9.4 -2.5 + 0.3 = 22.8 (Experimental 22.7)

(C-1) = -2.6 + 2 x 9.1 + 2 x 9.4 -2.5 = 31.9 (Experimental 31.8)

De igual manera dicha regla se ha ampliado para todos los compuestos alifticos quedando la expresin como se indica

(Reglas de Pretsch, Clerc, Seibl y Simon): = -2.3 + zi + s + k

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donde zi, s y k se denominan respectivamente como trmino contribucin de los sustituyentes, correccin estrica y correccin

de conformacin. Aunque para la mayora de los casos los dos ltimos pueden despreciarse. Los valores que adquieren dichos

trminos se indican en las siguientes tablas.

Incrementos Zi (contribucin de los sustituyentes) para los sustituyentes en funcin de su posicin respecto al carbono

considerado.

Sustituyente

H 0.0 0.0 0.0 0.0

-C (*) 9.1 9.4 -2.5 0.3

-oxirano (*) 21.4 2.8 -2.5 0.3

-C=C (*) 19.5 6.9 -2.1 0.4

-C=C 4.4 5.6 -3.4 -0.6

Fenil 22.1 9.3 -2.6 0.3

-F 70.1 7.8 -6.8

-Cl 31.0 10.0 -5.1 -0.5

-Br 18.9 11.0 -3.8 -0.7

-I -7.2 10.9 -1.5 -0.9

-O- (*) 49.0 10.1 -6.2

-O-CO- 56.5 6.5 -6.0

-O-NO- 54.3 6.1 -6.5 -0.5

-NR2 (*) 28.3 11.3 -5.1

-N+R3 (*) 30.7 5.4 -7.2 -1.4

-NH3+ 26.0 7.5 -4.6

-NO2 61.6 3.1 -4.6 -1.0

-NC 31.5 7.6 -3.0

-S- (*) 10.6 11.4 -3.6 -0.4

-S-CO- 17.0 6.5 -3.1

-SO- (*) 31.1 9.0 -3.5

-SO2Cl 54.5 3.4 -3.0

-SCN 23.0 9.7 -3.0

-CHO 29.9 -0.6 -2.7

-CO- 22.5 3.0 -3.0

-COOH 20.1 2.0 -2.8

-COO- 24.5 3.5 -2.5

-COO- 22.6 2.0 -2.8

-CONR2 22.0 2.6 -3.2 -0.4

-COCl 33.1 2.3 -3.6

-C=NOH sin 11.7 0.6 -1.8

-C=NOH anti 16.1 4.3 -1.5

-CN 3.1 2.4 -3.3 -0.5

-Sn- -5.2 4.0 -0.3

Para el termino S (correccin estrica) tendremos que considerar el tipo de carbono y solo el numero de sustituyentes no

hidrgeno sobre los sustituyentes en posiciones alfa () ms ramificados, considerando como sustituyentes slo los indicados

con (*) en la tabla anterior.

17

Tipo de Carbono 1 sustit. 2 sustit. 3 sustit. 4 sustit. Primario 0.0 0.0 -1.1 -3.4

Secundario 0.0 0.0 -2.5 -7.5 Terciario 0.0 -3.7 -9.5 -15.0

Cuaternario -1.5 -8.4 -15.0 -25.0

Como podemos observar este trmino tiene importancia cuando los carbonos en respecto al considerado estn muy

ramificados, es decir cuando hay mucha compresin estrica.

En cuanto al termino K (correccin de conformacin) es cero cuando existe libre giro y es significativo cuando existen

conformaciones fijas en synperiplanar (eclipsada) que vale -4.0 ppm y cuando es antiperiplanar en que vale +2.0 ppm.

Es necesario aclarar que esta regla es para productos alifticos y no sirve para productos cclicos pues en estos los

factores estricos suelen ser muy importantes y deben ser analizados especialmente, lo que sobrepasa en mucho el alcance de

este tutorial.

En cuanto al resto de los factores que afectan al desplazamiento qumico en Carbono-13 no existen diferencias

apreciables con el caso de la RMN protnica y como consecuencia de todo ello en la siguiente Tabla se indican los

desplazamientos usuales segn el tipo de carbono considerado. Tambin se incluyen a continuacin unas tablas para la

determinacin de los desplazamientos de los carbonos vinlicos y aromticos similares a las utilizadas para la RMN protnica.

18

19

20

EQUIVALENCIA QUMICA

Por lo visto hasta ahora nos surge de nuevo la pregunta de la posible utilidad de la RMN en Determinacin estructural y

la respuesta sera sencilla: servira o podra servir para saber cuantos protones y cuantos carbonos distintos existen en la

molcula estudiada y de que tipo y que entorno tienen dichos protones y carbonos en funcin de su desplazamiento qumico ().

Pero nos surge la pregunta de que entendemos por distintos y si son iguales como se traduce eso en el espectro de RMN. La

respuesta a ambas cuestiones es lo que vamos a tratar de resolver a continuacin.

Denominamos protones qumicamente equivalentes a aquellos que poseen el mismo desplazamiento qumico (tambin

se denominan isocronos). Si suponemos un ambiente aquiral, los protones son qumicamente equivalentes si son

intercambiables por alguna operacin de simetra o por un rpido proceso qumico. Tambin puede ser producto de la

casualidad el que dos protones tengan el mismo desplazamiento qumico, sobre todo teniendo en cuenta la pequeez de la

escala de desplazamiento.

La respuesta a la segunda cuestin es fcil: al igual que ocurra con la espectroscopia UV (la absorcin de radiacin era

proporcional a la cantidad de muestra), en RMN protnica la intensidad de los picos es proporcional al nmero de protones

equivalentes, aunque ms que intensidad deberamos indicar el rea de los mismos, lo que se determina mediante la integral,

que ser el segundo parmetro a tener en cuenta en un espectro de RMN protnica, junto al desplazamiento qumico, estudiado

con anterioridad.

En cuanto a la resonancia de carbono-13 la equivalencia qumica (que sera igual que en caso de los protones) no se

traduce en un aumento proporcional de la intensidad/integral de los picos pues el factor determinante de dicha intensidad ser el

tiempo de relajacin de dicho ncleo y no el nmero de ncleos equivalentes existentes.

Una caracterstica importante de los protones equivalentes que trataremos con posterioridad es que dichos ncleos no

se acoplan entre si.

1.- DETERMINACION DE LA EQUIVALENCIA QUIMICA POR INTERCONVERSIN A TRAVES DE UNA OPERACIN DE SIMETRA

La existencia de ejes de simetra, Cn, que relacionen a los protones da lugar a que dichos protones sean homotpicos,

es decir qumicamente equivalentes tanto en medio quiral como aquiral.

La existencia de un plano de simetra, , hace que los protones relacionados mediante l (no confundir con contenidos en l),

sean enantiotpicos y dichos protones slo sern equivalentes en medio aquiral; si el medio es quiral ambos protones sern

qumicamente NO equivalentes.

La existencia de un centro de simetra, i, en la molcula hace que los protones relacionados mediante l sean enantiotpicos y

por lo tanto qumicamente solamente en medio aquiral.

21

Como la determinacin de los elementos de simetra no siempre es fcil AulT (J. Chem. Educ., 51 (1974), 729) sugiri

un procedimiento relativamente simple para determinar las relaciones que existen entre los protones o grupos de una

determinada molcula, consistente en sustituir dichos protones o grupos (en rojo en el siguiente esquema) por un grupo R y

determinar la relacin que existe entre ambas estructuras: si son idnticas los protones o grupos son homotpicos, si son

imgenes especulares no superponibles sern enantiotpicos y si son dos estructuras diferentes sin relacin entre ellas sern

diastereotpicos.

Por ejemplo, los dos metilos de la L-valina son diastereotpicos y se ven diferentes a 0.90 y 0.83 ppm respectivamente.

Los grupos diastereotpicos no pueden interconvertirse por ninguna operacin de simetra y son grupos distintos, con distinto

desplazamiento qumico. Es necesario distinguir entre los grupos y la molcula, sta puede tener un plano de simetra pero si

dicho plano no interconvierte a los grupos considerados estos sern diastereotpicos, as:

22

Los protones Ha son enantiotpicos entre si se interconvierten por un plano de simetra, pero Ha/Hb son

diastereotpicos pues no hay ningn elemento de simetra que los relacione.

2.- EQUIVALENCIA QUMICA POR RAPIDA INTERCONVERSION DE ESTRUCTURAS

Puede existir equivalencia qumica si estructuras qumicas, que son diferentes entre s, se interconvierten entre s como

resultado de la utilizacin de catalizadores, o de cambios en el disolvente, la concentracin del producto o la temperatura.

Vamos a considerar varios casos en los que el nico factor variable va a ser la temperatura, permaneciendo los otros invariables:

Interconversin ceto-enolica.

Ambas formas son especies qumicas distintas y por tanto tendrn espectros de RMN distintos, pero ambas se

encontrarn en equilibrio pudiendo medirse la proporcin de una y otra mediante la integracin en el espectro de 1H-RMN debido

a que la escala de tiempo en dicho equilibrio es del mismo orden de magnitud que la separacin de las seales interconvertibles.

Si el proceso qumico fuese ms rpido se obtendra un espectro de RMN promedio que no correspondera a ninguna de ambas

especies.

Rotacin restringida (dobles enlaces parciales).

En el caso de las amidas el enlace C-N no es un enlace simple normal, sino que tiene mucho

carcter de doble enlace por lo que no posee libertad de giro y los dos grupo metilos sern

diastereotpicos y por tanto distintos. Cuando se aumenta la temperatura el giro se va

haciendo ms libre, llegando a una temperatura (temperatura de coalescencia) en la que el

intercambio de ambos metilos es tan rpido que el aparato de RMN no puede verlos distintos y

solo ve una seal promedio, en este caso en particular dicha temperatura de coalescencia se

produce a 123 C.

3.- INTERCONVERSION DE ENLACES SIMPLES EN ANILLOS (INTERCAMBIOS CONFORMACIONALES) De una manera similar a lo anterior cuando consideramos, por ejemplo, el ciclohexano:

23

Nos encontramos que a muy baja temperatura se pueden observar las seales diferentes para Ha y He, pero conforme

aumenta sta la interconversin se va haciendo ms rpida y llega un momento en que solo se puede observar una seal

promedio de ambas. En el caso de los ciclohexanos sustituidos y los ciclos fusionados los protones de los grupos metilenos son

siempre diastereotpicos y siempre saldrn como dos seales.

INTERCONVERSION POR GIRO DE ENLACES SIMPLES EN CADENAS

Los protones de los grupos metilo son siempre equivalentes, incluso en molculas no simtricas, debido a la rpida

rotacin del enlace simple. Los rotmeros tienen una vida media de microsegundos y rara vez pueden distinguirse.

Incluso cuando pueden distinguirse, como en el caso siguiente:

Ha y Hb seran enantiotpicos y por tanto equivalentes en un medio aquiral e indistinguibles debido a la rpida rotacin.

Igualmente para Hc y Hd. Cuando existe un carbono asimtrico como en el caso siguiente ambos protones Ha y Hb son siempre

diastereotpicos y por tanto distintos independientemente del rpido giro del enlace simple, pues son distintos en todas las

conformaciones.

ACOPLAMIENTO ESPN-ESPN

Por lo visto hasta ahora la posible utilidad de la RMN en Determinacin estructural se limitara a decirnos el nmero,

tipo y posible entorno de cada uno de los ncleos de Hidrgeno y/o Carbono de la molcula. Lo cual no es poco, pero nos

faltaba algo ms y ese algo ms es la posible determinacin de subestructuras y conectividades entre dichos ncleos. Esto es lo

que permite el fenmeno de la RMN que denominamos el acoplamiento spin-spin.

De una manera un tanto simplista y cualitativa podemos explicar dicho fenmeno como sigue: Los ncleos de los

tomos no estn solos sino que alrededor y prximos a ellos se encuentran otros ncleos, los cuales tambin se comportarn

como pequeos imanes que poseen momentos magnticos; dichos momentos magnticos se transmiten a lo largo de los

enlaces por medio de los electrones de los mismos, haciendo que se afecte el campo magntico sobre un tomo determinado en

funcin de la orientacin de dichos momentos respecto el de l. Esquemticamente podramos imaginarlo como se muestra:

24

Esto provocara que la seal de resonancia de ese ncleo en particular aparecera como dos lneas muy prximas.

Como ese acoplamiento depende de los momentos magnticos de los ncleos y estos son una propiedad intrnseca de los

ncleos, no depender de la magnitud Ho. Una caracterstica importante es que los acoplamientos indican una relacin entre los

momentos magnticos de los ncleos y por tanto es una propiedad recproca, es decir si el ncleo a est acoplado al ncleo b

con una constante de acoplamiento Ja,b, el ncleo b est acoplado al a con la misma constante.

Como caractersticas reseables de las constantes de acoplamiento deben indicarse que no se observan acoplamientos

espn-espin intermoleculares; estas interacciones disminuyen cuando aumenta el nmero de enlaces de separacin entre ambos

ncleos, tambin depende del tipo de ncleos (de su I), del tipo de enlace entre los ncleos, de las orientaciones relativas de los

ncleos y de la naturaleza de los grupos funcionales presentes. Se representa por nJa,b siendo n el nmero de enlaces entre los

ncleos acoplados y a y b dichos ncleos; as 3JH,H indicar una constante de acoplamiento a tres enlaces entre dos protones.

Como norma general tenemos que dependiendo del nmero de enlaces de separacin de los ncleos que solo se observan

acoplamientos a menos de 4 enlaces salvo en el caso de que exista un doble enlace entre ambos ncleos:

El nmero de picos que aparecen al acoplarse dos ncleos viene dado por

la expresin: 2.I.n + 1 Vamos a considerar ncleos con espn (H, C-13), con lo

que el nmero de picos ser siempre n + 1, siendo n el nmero de ncleos que se

acoplan al ncleo considerado. As cuando consideramos que el ncleo se acopla

con tres ncleos las posibilidades que se plantean son:

Con lo que la seal aparecer como un cuadruplete (4 seales) y como las

posibilidades de los distintos estados de espn son distintas, las intensidades de

dichos picos tambin son distintas: en el caso anterior sern 1:3:3:1.

En general:

25

Los valores ms usuales de las constantes de acoplamiento JH,H son los siguientes:

Veamos algunos ejemplos: En el 1,3-dibromopropano tenemos dos tipos de protones (marcados como a y b en la

figura) y que aparecern como triplete (los protones b, pues tienen dos vecinos) y quintuplete (los protones a, pues tienen cuatro

protones vecinos):

En el 1,1-dicloroetano habr dos seales correspondientes a los dos tipos de protones existentes en la molcula los

protones a aparecern como doblete (un solo protn vecino) y los protones b apareceran como cuadruplete (3 protones

vecinos).

26

Patrones de acoplamiento

Denominamos sistema de espines a un grupo de protones acoplados. Cuando hablamos de espines dbil y fuertemente

acoplados no nos referimos a la magnitud de la constante de acoplamiento, J, sino a la proporcin de Dd (Hz)/J; de tal forma que

si dicha proporcin es mayor que 3 hablamos de protones dbilmente acoplados, cuando dicha proporcin es menor que 3

decimos que se trata de un sistemas de espines fuertemente acoplados. De ambos sistemas los dbilmente acoplados son ms

fcilmente analizables. Al ser el valor de J independiente de Ho, pero no as el Dd (Hz), que aumentara conforme aumenta Ho,

por lo que cuanto ms grande sea Ho, ms dbilmente acoplados estarn los protones. Para nombrar un sistema de espines se

utilizan letras maysculas del alfabeto, si dichas letras son prximas se trata de un sistema de espines fuertemente acoplados

(ej. ABC), si se trata de letras alejadas sern espines dbilmente acoplados (Ej. AMX).

Solo se pueden analizar fcilmente sistemas de espines dbilmente acoplados. Para analizarlos se utilizan las Reglas

de primer orden. Que pueden resumirse como se indica a continuacin:

En un sistema AmXn la seal del protn A saldr como n+1 lneas y la de X como m+1 lneas. En general y si I

la multiplicidad de la seal ser: 2nI + 1.

La diferencia, en Hertzios, entre las lneas de un multiplete es la constante de acoplamiento, JAX.

El desplazamiento qumico, dA, de cada grupo de protones equivalentes ser el centro del multiplote simtrico.

Las intensidades relativas de las seales de los multipletes responden a los coeficientes de (a + b)n.

Cuando un grupo de protones qumicamente equivalentes interacciona con ms de un tipo de protones la seal del

mismo aparecer como un multiplete de multipletes, as: Para AmMpXn, la seal correspondiente a los protones A

saldrn como (n + 1)(p + 1) seales.

Los protones qumicamente equivalentes no se acoplan entre s. Se considera tambin la posibilidad de

equivalencia magntica para aquellos ncleos que adems de ser qumicamente equivalentes se acoplan de

manera idntica con cada ncleo del resto del grupo. Esta posibilidad puede justificarse pero no predecirse, as en

los ncleos aromaticos pueden observarse multiplicidades distintas de las esperadas por aplicacin de las reglas

de primer orden.

Los sistemas de espines fuertemente acoplados no pueden analizarse por las reglas de primer orden.

A continuacin se muestran algunos ejemplos de sistemas de espines segn las reglas de primer orden:

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28

Cuando se trata de sistemas fuertemente acoplados al no poder analizarse por las reglas de primer orden se necesitan hacer

clculos ms complejos tanto para determinar el desplazamiento qumico como las constantes de acoplamiento, as para el caso

ms simple del sistema de dos protones nos encontraremos desde el caso AX (dos protones con desplazamiento qumico muy

distinto) y por tanto analizables segn las reglas anteriores hasta el sistema AB (dos protones distintos con desplazamiento

qumico muy prximo) tenemos:

Ejemplos de patrones de acoplamiento

Denominbamos sistema de espines a un grupo de protones acoplados. Vamos a estudiar un par de ejemplos:

SISTEMA AMX3 : JAM = 8 Hz; JAX = 4 Hz; JMX = 2 Hz.

Se trata de un sistema de 5 protones de los cuales tres son equivalentes entre si. Si consideramos que se trata de un

sistema que cumple las reglas de primer orden, en principio debemos considerar el aspecto de cada una de las seales; as la

seal correspondiente al protn A saldr como un doble cuadruplete; el M saldr tambin como un doble cuadruplete y

finalmente los tres protones X saldrn como un doble doblete.

Para ver el aspecto que presentaran dichas seales debemos tener el cuenta el valor de las constantes de

acoplamiento; as para el protn A tendremos un doblete con una constante JAM = 8 Hz

29

y un cuadruplete con una constante JAX = 2 Hz:

Como podemos observar hay coincidencia de seales, lo que se traduce en una mayor intensidad de las seales a dicha

frecuencia, con lo que dicha seal quedar como se muestra a continuacin:

Procediendo de igual forma para la seal correspondiente al protn M, tendremos un doblete por acoplamiento con A:

y un cuadruplete por acoplamiento con los tres protones X:

30

con lo que el aspecto final ser:

Finalmente los tres protones X saldrn como un doble doblete por acoplamiento con A y M respectivamente:

con lo que el aspecto final de la seal ser el que se muestra, indicando que la intensidad de la misma ser mucho mayor que la

de las otras dos pues integra por tres protones, mientras que las anteriores lo hacan por 1 protn:

SISTEMA AMXZ2 : JAM = 12 Hz; JAX = 8 Hz; JAZ = 6 Hz; JMX = 2 Hz; JMZ = 2 Hz; JXZ = 2 Hz.

Se trata tambin de un sistema de 5 protones de los cuales dos son equivalentes entre si. Est presente en sistemas

del tipo: CH2=CH-CH2-R. Si consideramos que se trata de un sistema que cumple las reglas de primer orden, en principio

debemos considerar el aspecto de cada una de las seales; as la seal correspondiente al protn A saldr como un doble doble

triplete; el M y el X saldrn tambin como un doble doble triplete y finalmente los dos protones Z saldrn como un doble doble

doblete. Para ver el aspecto que presentaran dichas seales debemos tener el cuenta el valor de las constantes de

acoplamiento; as para el protn A tendremos un doblete con una constante JAM = 12 Hz

31

se vuelve a desdoblar por acoplamiento con el protn X, ahora con una constante de 8 Hz:

Finalmente se acopla tambin con los dos protones Z, dando un triplete; debido a la magnitud de las c onstantes se produce un

entrecruzamiento de las seales:

con lo que el aspecto final de la seal ser:

Procediendo de igual forma con las seales correspondientes a M y X tendremos:

32

TCNICAS DE DOBLE RESONANCIA Y SECUENCIAS DE PULSOS INTRODUCCIN

Antes de comenzar a tratar el tema que nos ocupa, solo es necesario indicar que en un aparato de RMN tenemos ms

de un emisor de frecuencias con lo cual podemos irradiar con varias frecuencias diferentes si fuese necesario. Tambin es

necesario indicar, pues no se hizo en su momento que un pulso de radiofrecuencias equivale a una irradiacin simultnea de un

determinado rango de frecuencias (en funcin de su duracin, dicho rango ser mayor o menor) y tambin equivale a aplicar un

campo magntico a la muestra dada la relacin entre frecuencia y campo vista en su momento.

Visto lo dicho, las tcnicas de doble resonancia consistirn, en trminos generales, en la irradiacin de la muestra con

una frecuencia determinada (por ejemplo la de un protn o la de todos los protones) y al mismo tiempo registrar el espectro de la

muestra de la muestra de una forma convencional, con lo que el espectro aparecer como si dicho protn no existiera y por tanto

desaparecern los acoplamiento con l. Tiene dos versiones:

DESACOPLAMIENTO HOMONUCLEAR

Irradiamos a la frecuencia de un protn determinado (en el

centro de la seal si se trata de un multiplete) y registramos

el espectro de protones. Se traduce en la desaparicin de

los acoplamientos del protn irradiado con el resto de los

protones de la molcula, con lo cual el espectro se suele

simplificar bastante y las asignaciones se pueden realizar

de una manera ms eficaz. Por ejemplo en el

crotonaldehido tal y como se muestra en la figura, la

irradiacin del duplete a 2 ppm (correspondiente al metilo)

hace que se simplifique la seal a 7 ppm (que queda como

un duplete) y por tanto esta debe corresponder al protn

geminal a dicho metilo; de igual forma la irradiacin del

protn aldehdico a 9.5 ppm hace que se simplifique la seal

a 6 ppm que debe corresponder, por tanto a la seal del

protn vecino al grupo aldehdo.

33

DESACOPLAMIENTO HETERONUCLEAR

Cuando considerbamos la sensibilidad del experimento de la

RMN de Carbono-13 decamos que era baja debido a la baja

abundancia isotpica del mismo, a la constante magnetogrica

de dicho ncleo y nos faltaba indicar tambin que debido a la

existencia de acoplamientos C-H las seales no saldran como

singuletes, como estamos acostumbrados a verlas, sino como

multipletes con una multiplicidad que va a depender del

nmero de protones unidos a dicho carbono, as para el butil

vinileter:

El espectro normal sera el que aparece en la parte inferior de

la figura y como vemos en el sera complicado hacer la

asignacin de las seales, sobre todo con respecto al

espectro desacoplado total (tambin denominado espectro

BB, acrnimo de "broad band", o de desacoplamiento de

banda ancha) que se muestra en la parte superior y que es

consecuencia de la irradiacin de todos los protones cuando

realizamos el espectro de carbono. De manera anloga si

irradisemos a la frecuencia de un protn determinado (en el

centro de la seal si se trata de un multiplete) y registramos el

espectro de carbono-13 aparecera como singulete dicha

seal con lo que la asignacin del carbono (conocida la del

protn) sera inequvoca.

Tambin existe la posibilidad de irradiar en una zona muy

cercana a la frecuencia de resonancia de los protones sin

coincidir exactamente con esta, lo que se obtiene es un

espectro que denominamos de off resonance en el que las

seales aparecen como multipletes pero se ha producido una

disminucin significativa de las constantes de acoplamiento C-

H y no hay tanto solapamiento de seales como en el

acoplado visto anteriormente y tenemos la ventaja adicional

de saber que tipo de carbono es cada una de las seales

(metilo, metileno, metino o carbono cuaternario) dependiendo

de la multiplicidad que presenten las mismas, informacin que

se pierde en el espectro desacoplado o BB.

34

EFECTO NUCLEAR OVERHAUSER

Cuando considerbamos la sensibilidad del

experimento de la RMN de Carbono-13

decamos que era baja debido a mltiples

causas ya indicadas anteriormente. Dicha

sensibilidad aumentaba cuando se realizaba

una experiencia de desacoplamiento por

desaparicin de los acoplamientos; pues bien

existe una mejora adicional de la sensibilidad

al realizar los experimentos de

desacoplamiento debido al denominado

efecto NOE, tal y como se muestra en la

siguiente figura:

Dicho efecto se considera el resultado de la relajacin bipolar inducida por el movimiento molecular en los lquidos. Y

posteriormente vamos a tratar de racionalizarlo, pero antes debemos indicar que dicha mejora en la sensibilidad depende de las

constante giromagnticas de los ncleos acoplados y de la distancia entre los mismos (1/r6), siendo 1.50 como mximo si se

tratan de dos hidrgenos y de 2.98 si se tratan de un carbono y un hidrgeno (mejoras relativas de un 50% y un 200%

respectivamente).

Para intentar racionalizarlo vamos a suponer dos ncleos A y B

acoplados entre si, si suponemos un nmero total de ncleos de 4N,

debemos esperar que en el estado fundamental (el de ms baja energa)

haya un pequeo exceso de poblacin (N + ) y en el excitado un

pequeo defecto (N - ). Siendo en los dos estados intermedios

aproximadamente N. Analizaremos ahora las transiciones que son

posibles en ese esquema energtico:

Las transiciones A1 y A2 correspondientes al ncleo A tendrn una

intensidad proporcional a la diferencia de poblacin entre los estados

entre los que transcurre (). Lo mismo ocurrir para las transiciones

B1 y B2 correspondientes al ncleo B. Pero adems existirn otras

dos posibles transiciones que en el esquema denominamos 0 y 2

que aunque prohibidas por las reglas de seleccin deberan ser

proporcionales a 0 y a 2, respectivamente. Pasemos ahora a la

situacin en que irradiamos el ncleo B:

35

En tal caso las poblaciones de los estados unidos por dichas transiciones se igualan quedando como (N - /2) y como

(N + /2) para B2 y B1 respectivamente. Una vez en esta situacin, el sistema intentar volver a la situacin de equilibrio inicial

(relajacin), como mediante B2 y B1 no puede, y como con A1 y A2 tenemos la misma diferencia que al comienzo, por lo que no

existira relajacin, los dos nicos caminos son a travs de las transiciones prohibidas 0 y 2, dependiendo de cual sea el

camino de relajacin que predomine nos encontraremos con las siguientes situaciones:

A) Predomina 0: En tal caso las poblaciones de los estados intermedios debern

hacerse iguales como al principio es decir sern N para ambos

estados y entonces las intensidades de las seales de A1 y A2 sern

proporcionales a /2, es decir han disminuido en intensidad y

decimos que tenemos un efecto NOE negativo.

B) Predomina 2: En tal caso las poblaciones de los estados superior e inferior

debern hacerse como al principio es decir sern N - y N + para

ambos estados y entonces las intensidades de las seales de A1 y A2

sern proporcionales a 3/2, es decir han aumentado en intensidad y

decimos que tenemos un efecto NOE positivo.

Aparte de la ganancia de sensibilidad que supone el efecto NOE, su mayor utilidad radica en el hecho de mediante su

medida se puede evaluar lo prximos que se encuentren dos o ms ncleos en una molcula. Para ello se realiza el denominado

espectro NOE diferencia resultado de restar el espectro normal y el espectro resultado de la irradiacin de un protn

determinado y dependiendo de la distancia aparecen slo las seales de aquellos ncleos que han sufrido el efecto NOE es

decir aquellos que se encuentran fsicamente cerca del irradiado. As para el cido acrlico la irradiacin de la seal a 5.85 ppm

supone un mayor incremento para la seal a 6.36 que de la de 6.10 ppm indicando que aquella corresponde al protn HA muy

cercano al HM y algo ms alejado de HX.

36

En el siguiente ejemplo se muestra otra aplicacin del efecto NOE, en este caso se trata de encontrar la posicin en

que se encuentra el sustituyente de una piridina (en este caso una acrilamida) y la estereoqumica de dicho sustituyente. La

irradiacin sobre el protn final de la cadena nos va a indicar cuales son los protones de la piridina ms prximos a l, resultado

los H-2 y H-4, lo que indica el posicionamiento sobre C-3. La irradiacin sobre el protn ms desapantallado (el H-2) de la

piridina produce dos fuertes efectos NOE sobre H-3 y H-2, siendo para este ltimo mayor, lo que indicara mayor proximidad a

aquel. La irradiacin sobre el H-4 provoca un efecto NOE sobre H-5 y H-3 indicando la proximidad de tales seales.

37

SECUENCIAS DE PULSOS

INTRODUCCIN

Una secuencia de Pulsos es bsicamente, una sucesin de pulsos y tiempos alternados. Dicha sucesin se repite en cada scan.

Ver archivo de secuencias y catalogo

RMN bidimensional INTRODUCCIN

Dependiendo de las secuencias de pulsos usadas y de los tiempos de espera entre los pulsos se obtienen diferentes

espectros siendo los dos mas usados:

IDENTIFICACION DE SUBESTRUCTURAS Y CONECTIVIDADES EN LA MOLECULA.

Una vez determinado el nmero de instauraciones y los grupos funcionales presentes en nuestra molcula el camino a

recorrer se asemeja a la resolucin de un rompecabezas, cada persona suele tener o adquirir su propia tcnica. Pero no por ello

podemos dejar de dar una serie de

Se observa en primer lugar el espectro de 1H-RMN, de correlaciones heteronucleares y en caso de tener

disponible una concentracin apreciable de la muestras, se realiza un experimento de 13C.

Se observan el nmero total de 1H, su desplazamiento qumico, multiplicidad e integracin por parte.

Se observan las correlaciones Homo y Heteronucleares, HSQC-DEPT y HMBC, y se establece la cantidad de

grupos -CH y CH3 por una parte y -CH2- por otra., el esqueleto hidrocarbonado, y la presencia y ubicacin de

grupos funcionales

Se puede realizar un experimento DOSY en modo cualitativo para conocer el numero de especies diferentes

en una probable mezcla

Se pueden realizar experimentos selectivos para encontrar las conectividad en sistemas de spin (experimenteo

TOCSY) y experimento de correlacin dipolar por efecto NOE (NOESY Selectivo o ROESY selectivo)

En caso de poseer concertacin adecuada, se puede obtener un espectro de 13C y un especto DEPT. Del

recuento del nmero total de carbonos podemos deducir la simetra de la molcula o en su caso las relaciones

de equivalencia entre algunos grupos:

De 160-210 ppm: Grupos carbonilo (CO)

De 100-160 ppm: Carbonos sp2 (etilnicos y aromticos)

De 0-100 ppm: Carbonos sp3 (alifticos)

Experimento COSY H-H (correlacion homonuclear): se observa correlacin entre protones que estn relacionados

entre si mediante acoplamiento escalar a un enlace, y excepcionalmente a mas de un enlace

38

Experimento HSQC H-X (correlacion heteronuclear directa) y HMBC (correlacion heteronuclear de largo

alcance): nos indica que protones se relaciona con que carbono y viceversa

Experimento NOESY (correlacion homonuclear por efecto NOE)

Experimento DOSY (difusin molecular)

Experimentos selectivos (NOESY, ROESY, TOCSY)

RMN TRIDIMENSIONAL

Esta tcnica se utiliza cada vez ms como alternativa a los rayos X en medicina y que permite obtener imgenes del

cuerpo humano con una tcnica mucho menos agresiva que aquella. Se basa en la utilizacin de gradientes de campo y lo que

registra es el hidrgeno de los tejidos (el agua), transformndose en imgenes ms o menos coloreadas en funcin de la

intensidad de los picos. Ejemplo:

39

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Resolucin de problemas

Podemos indicar como objetivo de la Determinacin estructural la elucidacin de la Estereoqumica de la molcula,

entendiendo por tal la disposicin espacial de los tomos que la forman, y que implica el conocimiento sucesivo de:

Composicin: tomos presentes y su proporcin en la molcula, lo que se traduce en la obtencin de una formula

molecular.

Constitucin: Uniones existentes entre los tomos, lo que se traduce en la determinacin de los grupos funcionales y

subestructuras presentes en la misma.

Conformacin: disposicin espacial de la molcula que surge debido a la posibilidad de rotacin o giro de los enlaces simples en la misma.

Configuracin: disposicin espacial de los tomos en la molcula.

As por ejemplo consideremos el caso de un compuesto orgnico cuya composicin elemental es 55.8% de C; 6.98% de H y

37.2% de O ello nos llevara a una formula emprica: C4H6O2.

Determinando el peso molecular resulta ser 172, por lo que la frmula molecular resultar ser: C8H12O4.

Su anlisis funcional nos dice que se trata de un cido ciclohexano-1,2-dicarboxlico (constitucin).

A continuacin es necesario determinar la disposicin relativa de dichos grupos carboxlicos en el ciclo, encontrndonos que

resultan ser trans- (configuracin).

La ltima etapa consistir en determinar su conformacin, es decir determinar si la molcula se encuentra con ambos

grupos en posiciones ecuatorial/ecuatorial o axial/axial cuando el anillo de ciclohexano se encuentra en conformacin silla.

La cuestin de que tcnica espectroscpica debemos utilizar o en que orden, sin son varias, para lograr la

completa determinacin estructural de una sustancia depender en gran medida de los objetivos que se persigan.

De una manera general podemos indicar como objetivos sucesivos los siguientes:

Obtencin de una frmula molecular.

Identidad de los grupos funcionales.

Conectividades de los carbonos.

Posicionamiento de los substituyentes y/o los grupos funcionales sobre el esqueleto carbonado (Obtencin de

subestructuras).

Determinacin de las propiedades estereoqumicas (incluyendo tanto los aspectos estticos como dinmicos).

Asignacin de una estructura a la molcula.

Comprobacin de que las propiedades espectroscpicas observadas se corresponden con las que debera tener la

estructura propuesta.

Para conseguir estos objetivos no existe un camino nico, sino que en cada caso depender del ejemplo concreto objeto de

elucidacin y de los datos que poseamos del mismo. Una de las vas que se han indicado1 puede ser la siguiente:

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1) DETERMINACIN DE LA FRMULA MOLECULAR.

Vamos a considerar las distintas posibilidades que se nos plantean:

A) Conocemos dicha frmula molecular.

Ya sea porque la hemos determinado por mtodos qumicos (anlisis elemental cualitativo y cuantitativo seguido de

determinacin del peso molecular por mtodos fsicos), como porque se haya determinado utilizando Espectrometra de Masas

de Alta Resolucin (HRMS). En ambos casos pasaramos al paso 2.

B) Conocemos slo el peso molecular.

En primer lugar debemos saber si la sustancia a estudiar posee algn oligoelemento distinto de C, H, O, N. en cuyo caso

procederamos a restar a dicho peso la masa correspondiente a dichos elementos.

Vamos a considerar, sin embargo, que la sustancia no posea ninguno de tales oligoelementos :

F, Cl, Br, I, S, P, etc.. o sabemos exactamente el nmero de ellos.

En dicho caso utilizaremos una regla simple conocida como regla del 13, consistir en dividir el peso molecular por 13 y de la

observacin de dicha operacin deduciremos una primera frmula emprica asignable al hidrocarburo:

cocienteHcociente + resto

Ejemplo: PM = 128 128/13 = 9; Resto = 11 C11H20

A continuacin debemos observar el valor del peso molecular, si dicho valor es par podemos pensar se trata de un producto

orgnico que o bien no posee Nitrgeno en su estructura o bien posee un nmero par de tomos del mismo.

Procederemos a continuacin a introducir en la frmula anterior tomos de Oxgeno y/o Nitrgeno de acuerdo con la siguiente

premisa: La introduccin de un tomo de Oxgeno implica retirar de la misma CH4, de igual forma la introduccin de un tomo

de Nitrgeno implica retirar de la misma CH2, as para el caso considerado anteriormente tendramos: Sin Nitrgeno: C11H20 + O

CH4 = C10H16O y sucesivamente C9H12O2; C8H8O3; Con Nitrgeno: Al ser par el peso molecular debe poseer un nmero par

de ellos, por lo que: C11H20 + 2 N 2 CH2 = C9H16N2, a continuacin introduciendo Oxgeno obtendramos: C9H16N2 + O CH4 =

C8H12N2O y as sucesivamente C7H8N2O2,

La cuestin de cual de esas frmulas empricas es la frmula molecular debemos hacerlo con ayuda de tcnicas

espectroscpicas como IR, UV, 1H-RMN 13C-RMN.

C) Conocemos la distribucin isotpica del pico molecular por EM

Si el compuesto slo posee C, H, N, O, F, P y I. La frmula molecular puede estimarse a partir de las intensidades

relativas de los picos de masas M+1 y M+2 respecto de M, cumplindose:

% (M+1)/M = 1.1 n C + 0.36 n N

% (M+2)/M = (1.1 n C)2/200 + 0.20 n O

Con ambas expresiones podemos calcular la frmula molecular.

La limitacin viene dada por el hecho de que debemos saber el nmero de oligoelementos presentes y que elementos como Cl,

Br, S, Si, etc.. no son monoisotpicos y desvirtuaran las intensidades de ambos picos, por lo que impiden aplicar las frmulas

anteriores.

Es necesario observar as mismo la paridad del pico molecular para poder estimar la presencia o ausencia de nitrgeno.

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D) No poseemos ninguno de los datos anteriores.

En tal caso debemos estimar la frmula molecular mediante un procedimiento indirecto consistente en la observacin

de todos los espectros del producto:

Del espectro de masas podemos sacar el fragmento de mayor masa y proceder con el como si fuese el pico molecular

(aunque no lo sea).

Del espectro de RMN de Carbono-13 podemos estimar una frmula mnima observando en nmero de carbonos

diferentes existentes. Y tambin el nmero de protones si tenemos el off resonance" o el DEPT.

De los espectros de UV y visible podemos estimar la presencia de oligoelementos presentes en la molcula.

Finalmente del espectro de RMN protnica podemos estimar el nmero de hidrgenos.

2) DETERMINACION DEL INDICE O NMERO DE INSATURACIONES. Dicho parmetro nos va a dar una idea bastante aproximada del tipo de producto que estudiamos. Partimos para ello de la

frmula molecular.

Para calcular dicho parmetro utilizaremos la expresin: N.I. = {(2 .n C n H + n N)/2} + 1

Como podemos observar en la expresin no interviene el nmero de tomos de oxgeno, ni otros oligoelementos.

Si en la frmula aparece S no se considera aunque el nmero de instauraciones puede desvirtuarse: puede haber ms instauraciones pero estas estarn sobre el tomo de azufre.

Si hay halgenos se consideraran equivalentes a tomos de hidrogeno

Si hay P (fsforo) se considerar equivalente a Nitrgeno pero debemos hacer la misma consideracin que para el azufre.

Si hubiera Si, se considera equivalente al Carbono.

No se consideran otros oligoelementos

Ejemplos: Una frmula molecular de C12H14O4 dar N.I. = (12.2-14)/2 + 1 = 6

Una frmula molecular de C7H5NO3 dar N.I. = (7.2-5 + 1)/2 + 1 = 6

Una vez obtenido el nmero de instauraciones debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones:

Un ciclo equivale a una instauracin.

Un anillo bencnico o heterociclo aromtico hexagonal equivale a 4 insaturaciones: (tres dobles enlaces ms un ciclo).

Un heterociclo aromtico pentagonal equivale a tres instauraciones: (dos dobles enlaces ms ciclo).

Un triple enlace equivale a dos instauraciones.

Un doble enlace equivale a una instauracin.

3) IDENTIFICACION DE LOS GRUPOS FUNCIONALES. Una vez determinado el nmero de instauraciones debemos buscar a continuacin los grupos funcionales presentes en

nuestra molcula. Para ello las posibilidades a considerar son muy diversas pero en la mayora de los casos es suficiente con

observar los espectros de UV e IR, principalmente este ltimo. Slo se van a resear algunas cuestiones puntuales sobre grupos

puntuales:

Si tenemos el espectro de UV, suele ser conveniente determinar el de las absorciones, para ello utilizamos la Ley de

Lambert-Beer:

= Absorbancia/longitudconcentracin

Los hidrocarburos aromticos y sus derivados suelen presentar una absorcin en el UV en torno a los 250-270 nm que aparece

como una serie de picos muy juntos y con un pequeo. Si se trata de un producto conjugado no suele observarse por aparecer

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una absorcin intensa ( > 10000) que hace a aquella casi insignificante. En el IR suelen presentar una distribucin caracterstica

del tipo de sustitucin en la zona de 1600-2000 cm-1 que suele ser difcil de ver debido a su baja intensidad. En torno a los 700

cm-1 tambin suelen dar algunas absorciones caractersticas.

De todos los grupos carbonilos observables en el IR (~1700 cm-1), slo los aldehdos y cetonas presentan absorcin en el UV

(~290 nm, muy pequeo). Algunas veces podemos asegurarnos del tipo de carbonilo observando el espectro de C-13:

mientras que aldehdos y cetonas resuenan en torno a 190-210 ppm, los cidos y sus derivados lo hacen en torno a 170 ppm.

Los grupos hidroxilo (OH) suelen aparecer en el IR en torno a los 3300 cm-1 como una banda ancha e intensa, en el caso de los

cidos carboxlicos dicha banda baja su frecuencia situndose en torno a los 3000 cm-1 englobando la zona de los CH, adems

la absorcin del carbonilo suele ser ms ancha de lo habitual.

Los grupos amino(NH y NH2) en el caso de alifticos suele aparecer de una forma similar a los OH comentados con

anterioridad en el caso de productos aromticos y en el de las amidas (R-CONH2), suelen aparecer como dos picos distinguibles

para el caso de los primarios (NH2) y como una banda aguda para los secundarios (-NH-). Los aminocidos suelen dar espectros

de IR poco resueltos y con bandas muy anchas.

4) ESPECTROMETRIA DE MASA

En el espectro de Masas se observa principalmente:

Intensidades de los picos y relacin m/e de los picos mas intensos

Diferencias de masas entre dichos picos.

La posible existencia de picos metaestables.

De ellos podemos deducir algunas caractersticas reseables como:

Las intensidades nos van a indicar la existencia determinadas agrupaciones o subestructuras muy caractersticas, por

ejemplo los picos de masa 91 (bencilo), 43 (acetilo), 31 (metoxilo), etc...

Las diferencias de masas deben de ser lgicas desde el punto de vista qumico y de alguna manera nos indican las

secuencias y/o conectividades existentes en la molcula

La existencia de picos metaestables est asociada a la secuencia de fragmentacin de la molcula y nos indican

igualmente conectividades en ella.

5) IDENTIFICACION DE LA ESTRUCTURA. Una vez determinado todo lo anterior lo que nos resta es proponer una o varias posibles estructuras ismeras de la

molcula y decidir cual de ellas se ajusta ms a todos los datos espectroscpicos que poseemos.

Para ello volveremos a repasar con cada una de ellas todos y cada uno de los datos espectroscpicos, normalmente en

sentido inverso al utilizado para la eleccin, eligiendo aquella que ms se ajuste a ellos. Suele ser de mucha utilidad para ello la

utilizacin de Tablas para la elucidacin estructural como las que se recogen en la mayora de los manuales de problemas de

elucidacin estructural.2

6) JUSTIFICACIN TEORICA DE LOS DATOS ESPECTROSCPICOS DE LA MOLCULA.

Una vez asignada podramos pasar a justificar todos los datos espectroscpicos de acuerdo con los manuales

existentes para cada una de las tcnicas. Y si es posible asignar configuraciones o conformaciones a la molcula.

Referencias generales (1) P. Crews, J. Rodrguez, M. Jaspars, Organic Structure Analysis, OUP, 1998.

(2) E. Pretsch, T. Clero, J. Seibl y W. Simon, Tablas para la elucidacin estructura de compuestos orgnicos por mtodos

espectroscpicos, Ed. Alhambra1980.