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RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Antes de comenzar a entender el fenómeno de la Resonancia magnética debemos considerar cuales son las

propiedades que poseen los núcleos atómicos y que hacen que aparezca dicho fenómeno. Los núcleos poseen dos tipos de

propiedades:

• Propiedades mecánicas, que podemos imaginar suponiendo un símil planetario: El momento angular que se debe al

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

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

• Propiedades eléctricas: Poseen una carga eléctrica; un Momento magnético (µ) ocasionado por el movimiento

rotacional de cualquier cuerpo cargado eléctricamente y un Momento cuadrupolar debido a la distribución no uniforme

de una carga sobre una superficie y que aparece cuando el núcleo no es absolutamente esférico.

Cuando consideramos una muestra formada por muchos núcleos los momentos de dichos núcleos tendrán una distribución

aleatoria o al azar; sin embargo si sometemos dichos núcleos a un campo magnético estos tenderán a orientarse en él

(imaginemos que los núcleos son similares a pequeños imanes) (ver figura) y tendrán dos posibles estados o bien alineados con

él (estado α, más estable o de menor energía) o bien opuestos a él (estado β, menos estable o de mayor energía).

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

magnético sino que presesionan o giran (como si fuesen un trompo) en torno a la dirección marcada por él y además lo hacen no

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

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

ωo = γo·Ho

y como: ωo = 2·π·νo y

γ = 2·π·ν / I·h Entonces tendremos: h·νo = ν·Ho / I

νo = γ·Ho / 2·π

En esta expresión, h·νo tiene unidades de energía y equivaldría a decir que cuando el núcleo se somete a un campo

magnético Ho, se produce una absorción de energía cuando la frecuencia de la radiación es igual a νo, En ese momento se dice

que el núcleo está en resonancia. Esa energía em MHz, resulta estar en la zona de las radiofrecuencias.

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

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

equivale a una energía de 0.0057 cal/mol.

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

de campo actualmente disponibles

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A partir de este fenómeno y su uso analítico, se nos plantean dos cuestiones inmediatamente:

1) ¿Tienen todos los núcleos una señal de resonancia característica o es la misma para todos ellos?

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

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

cuando se someten a un campo magnético, solo la tienen aquellos que tengan, o bien el número atómico, o bien el número

másico, o ambos; con valor impar. Aquellos que posean ambos números pares, no tendrán señal de resonancia.

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

calendario Bruker.

Nº MÁSICO Nº ATÓMICO SEÑAL 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 cuestión es SI. Todos aquellos núcleos que cumplan la condición anterior poseen una

señal de RMN característica cuando se someten a un campo magnético (Ho). La frecuencia de dicha señal dependerá de las

características físicas del núcleo en cuestión y la sensibilidad relativa dependerá de la abundancia natural de dicho núcleo.

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

Núcleo Abundancia Natural (%) Espín Momento Magnético (mag.nuc) Frecuencia RMN (MHz)* Sensibilidad Relativa Cte. γ.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 número de espín y

aquellos núcleos de mayor utilidad para los químicos orgánicos: 1H, 13C, 19F y 31P.

Una cuestión importante para la aplicabilidad de la técnica, es la cuestión de la sensibilidad de la misma. Como se ha

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

milésimas de cal/mol), por lo cual la diferencia de población entre los dos niveles de energía implicados en esa absorció,n será

muy pequeña: para un Ho de 9400 Gauss y a temperatura ambiente, la relación de poblaciones entre ambos niveles, según la

ecuación de Boltzmann será:

Nα/Nβ = e-2µHo/KT = 1.0000066

Lo que traducido a términos comprensibles viene a indicar que de cada dos millones de núcleos solo absorberían

radiación 6 de ellos.

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

es la frecuencia de resonancia (y por tanto la diferencia de energía) y también la diferencia de poblaciones entre los estados de

spin:

La siguiente cuestión en plantearnos es ¿como se puede obtener un espectro de resonancia magnética 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 características; seguidamente necesitaremos un campo magnético en el que introducir dicha

muestra, es decir un imán.

A continuación, y puesto que la absorción de energía en la RMN correspondía 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 absorción necesitaremos también un receptor de las mismas y un detector para comparar dichas radiaciones.

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

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

• Desplazamiento químico

• Multiplicidad de las señales

• Valor de la integral del área bajo la curva de las señale que es proporcional al numero de núcleos que originan

dicha señal.

Desplazamiento Químico

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

respuesta sería sencilla: sólo serviría para el análisis atómico e isotópico de la muestra, pues todos los núcleos idénticos

deberían absorber a la misma frecuencia. Felizmente esto no es así, pues los núcleos de los átomos no están solos sino que

alrededor a ellos están los electrones, los cuales también sentirán el campo magnético, Ho, y como consecuencia de ello girarán

y producirán un pequeño campo magnético que se opone al externo y como consecuencia de ello el núcleo siente un campo

inferior al aplicado:

HLOC = Ho-H' = Ho(1-σ)

con lo que la energía absorbida será: h·νo = µ·Ho(1-σ)/I

σ es conocida como la constante de apantallamiento y es

independiente del valor de Ho, dependiendo solo de la estructura

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

una disminución de la energía, o lo que es equivalente, una disminución en el espaciado de los niveles de energía.

También podría expresarse como que para que se alcance la resonancia del núcleo debemos aumentar la intensidad

del campo a aplicar respecto al teórico.

Este apantallamiento puede calcularse teóricamente para todos los núcleos como una ecuación que relaciona σ con la

densidad electrónica en función de la distancia al núcleo y tiene como consecuencia que aparecen valores máximos para él

dependiendo del número de electrones implicados.

Así se observan variaciones que van desde:

• Z = 1 (Hidrógeno), σ = 18·10-6;

• Z = 9 (Fluor), σ = 133·10-6;

• Z = 15 (P, Fósforo), σ = 261·10-6;

hasta: Z = 80 (Hg, Mercurio) ≈ 10-2

Además de este apantallamiento que podemos denominar atómico aparece otro apantallamiento que vamos a denominar

molecular que se produce debido a que no todos los orbitales tienen simetría esférica y además muchos orbitales moleculares

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

(anisotropía magnética). Esto se traduce en que ahora para cada núcleo en lugar de aparecer una sola señal aparecerán toda

una serie de ellas (muy próximas entre si) en función sobre todo de dos factores:

• Variación de la densidad electrónica en torno a él.

• Anisotropía diamagnética de la molécula.

A dicho fenómeno, es decir, la variación de la frecuencia de resonancia de un determinado núcleo respecto a la frecuencia

teórica, se le denomina desplazamiento químico, y se representa por δ.

Es lógico pensar que la variación del campo es más pequeña para el protón, que para núcleos en los que estén implicados

más electrones, de hecho la variación es del orden de ppm (partes por millón, un millón de veces más pequeña que Ho).

También podemos imaginar que cuanto más fuerte sea el campo aplicado, también será mayor el campo inducido creado

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

variación respecto al valor de Ho.

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

campo para el TMS (δ = 0, tetrametilsilano, SiMe4) en el cual la teórica densidad electrónica en torno al protón es 1.

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En cuanto a la definición matemática de δ la podemos expresar de diversas maneras:

• δ = (Ho-HLOC)106/ Ho ppm

• δ = (ν0- νLOC)106/ν0 (MHz) ppm

• δ = (ν0- νTMS)106/ν0(MHz) ppm

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

núcleo, en una determinada molécula, dará una señal respecto al TMS a un determinado desplazamiento químico δ,

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 señal que tiene un desplazamiento químico a 1.3 ppm, respecto del TMS, a que frecuencia (en Hz)

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

Otra cuestión a comentar es la terminología utilizada en RMN pues se utilizan independientemente los términos

resonancia a más alta frecuencia, desplazamiento paramagnético, desplazamiento a campo más bajo o núcleos

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

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

mismo, empezando por considerar los dos núcleos de más amplio uso en elucidación estructural: el protón (1H) y el Carbono-13

(13C).

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

Los principales factores que afectan al desplazamiento químico son:

1. El efecto inductivo.

2. La anisotropía magnética de los enlaces químicos.

3. La repulsiones de Van der Waals.

4. La existencia de enlaces de hidrógeno.

5. La utilización de reactivos de desplazamiento.

Veamos cada uno de ellos más pormenorizadamente:

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1. EL EFECTO INDUCTIVO

“Si la densidad electrónica entorno al núcleo disminuye por efecto inductivo, el campo inducido por la carga también

disminuye y la resonancia se puede alcanzar a un campo inferior”

Así para el grupo metilo tendremos:

• CH3-C (δ ≈ 0.9 ppm);

• CH3-N (δ ≈ 2.3 ppm); CH3-O (δ ≈ 3.3 ppm)

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

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

Como puede observarse existe una relación, que es prácticamente lineal, entre la electronegatividad de los

sustituyentes y el desplazamiento químico protónico (δ). De igual forma se podría indicar para grupos metileno (CH2) y metino

(CH)), con la única salvedad de que los desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitución, 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 relación lineal entre desplazamiento químico y electronegatividad J.N. Shoolery en 1959,

publicó una regla muy simple que permitía predecir el desplazamiento químico (δ) de los grupos metilo y metileno en función de

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

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

GRUPO FUNCIONAL σief GRUPO FUNCIONAL σief

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 δ Calculado δ 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 reseñar que aunque en principio las constantes de Shoolery están 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 pequeña la diferencia entre las constantes es de 1 ppm; esa diferencia se debe a que en la constante también

se ha incluido el siguiente factor a tener en cuenta:

2.- ANISOTROPÍA DE LOS ENLACES QUÍMICOS

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

En dicha Tabla nos llaman poderosamente la atención algunos datos que no parecen lógicos: los protones aromáticos

salen más desapantallados que los vinílicos y los alquínicos más apantallados que ellos cuando debería ser al contrario. Se

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

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

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

aromáticos, como los electrones movibles son más el campo inducido será mayor y por tanto también el desplazamiento

químico.

Como consecuencia de la aparición de esos campos inducidos aparecen en la molécula 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

continuación:

en el primer caso el protón sólo siente el desapantallamiento de un único grupo carbonilo, mientras que el segundo siente el de

dos y sale más 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 aromáticos, aparecerán dos zonas distintas del espacio una de

apantallamiento por encima y por debajo del anillo aromático 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 sitúe justo por encima del anillo de ahí su gran

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

los metilenos.

Queda sin embargo por resolver una pequeña cuestión y es el por qué del gran desapantallamiento de los protones

aromáticos respecto a los vinílicos, así para el ciclohexadieno y el benceno tenemos:

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

nueva propiedad del benceno que denominamos AROMATICIDAD, se defíne en Química Orgánica general que aromáticos eran

aquellos compuestos cíclicos, con dobles enlaces conjugados y que cumplían la regla de Hückel (poseían 4n + 2 electrones).

Ahora con sólo observar el espectro de RMN podemos decir que aromáticos serán aquellos que posean un gran

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

como puede observarse para los siguientes anulenos, en donde mientras que el 18-anuleno es aromático, 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 orientándose con el triple enlace paralelo a aquel, por lo

que la zona de apantallamiento estará en la dirección del triple enlace según se muestra en

la figura. Por lo que se justificaría el hecho de que el δ(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 π, también pueden producir un pequeño campo inducido, como en el

caso de los ciclohexanos que hace que los protones ecuatoriales salgan más 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 electrónicas de estos que hacen que los protones en posición axial

salgan anormalmente desapantallados (hasta 1 ppm dependiendo del

sustituyente).

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4.- ENLACES DE HIDROGENO.

La existencia de enlaces de hidrógeno 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 concentración, así el protón 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 hidrógeno es intramolecular su desplazamiento químico apenas depende de la concentración 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 lantánidos (europio y praseodimio) que añadidos a una muestra de un compuesto

orgánico producen que los desplazamientos de la señales de este varíen fuertemente produciendo un fuerte apantallamiento o

desapantallamiento dependiendo de la naturaleza del lantánido, de la concentración en que se use y del ligando utilizado.

Los complejos más 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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CONCLUSIÓN:

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

que se encontrarían situados los diferentes tipos de protones:

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

químicos de los protones vinílicos y aromáticos, ambas reglas se incluyen a continuación.

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Desplazamiento de 13C

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

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

unas pequeñas salvedades. La primera de ellas es la amplitud de dicho desplazamiento, si en el protón era como máximo 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 magnético, es 4 veces inferior a la del protón, en Hz una ppm es también 4 veces

inferior en C-13 que en H-1.

1.- EL EFECTO INDUCTIVO

Como podía observarse existe una relación, que es prácticamente lineal, entre la electronegatividad de los sustituyentes y el

desplazamiento químico (δ) protónico; en carbono-13 dicha relación no es tan evidente según se muestra en la siguiente Tabla

para el grupo metilo:

CH3X δ(H) δ(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

Así puede observarse que aunque para los halógenos al aumentar la electronegatividad aumenta el desplazamiento

químico, el valor de dicho desplazamiento no tiene relación con la electronegatividad pues el yodo a pesar de ser más

electronegativo que el carbono produce una señal muy apantallada.

Algo similar podría decirse para el caso del bromo y también para el azufre, se atribuye dicho efecto anómalo al elevado

volumen atómico de dichos átomos.

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

desplazamientos suelen aumentar conforme aumenta la sustitución, 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 ocurría con el desplazamiento protónico, sólo que en el

caso del carbono-13 es más evidente.

Así existe una regla general para determinar el desplazamiento químico (δ) de los carbonos en los hidrocarburos

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

δ = -2.6 + 9.1 nα + 9.4 nβ - 2.5 nγ + 0.3 nδ

donde n indica el número de carbonos en las posiciones α, β, γ y δ respectivamente respecto del carbono considerado.

Por ejemplo para el n-hexano tendríamos:

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

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

δ(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 alifáticos quedando la expresión como se indica

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

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donde zi, s y k se denominan respectivamente como término contribución de los sustituyentes, corrección estérica y corrección

de conformación. Aunque para la mayoría de los casos los dos últimos pueden despreciarse. Los valores que adquieren dichos

términos se indican en las siguientes tablas.

Incrementos Zi (contribución de los sustituyentes) para los sustituyentes en función de su posición respecto al carbono

considerado.

Sustituyente α β γ δ

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 (corrección estérica) tendremos que considerar el tipo de carbono y solo el numero de sustituyentes no

hidrógeno sobre los sustituyentes en posiciones alfa (α) más ramificados, considerando como sustituyentes sólo los indicados

con (*) en la tabla anterior.

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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 término tiene importancia cuando los carbonos en α respecto al considerado están muy

ramificados, es decir cuando hay mucha compresión estérica.

En cuanto al termino K (corrección de conformación) 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 alifáticos y no sirve para productos cíclicos pues en estos los

factores estéricos 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 químico en Carbono-13 no existen diferencias

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

desplazamientos usuales según el tipo de carbono considerado. También se incluyen a continuación unas tablas para la

determinación de los desplazamientos de los carbonos vinílicos y aromáticos similares a las utilizadas para la RMN protónica.

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EQUIVALENCIA QUÍMICA

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

la respuesta sería sencilla: serviría o podría servir para saber cuantos protones y cuantos carbonos distintos existen en la

molécula estudiada y de que tipo y que entorno tienen dichos protones y carbonos en función de su desplazamiento químico (δ).

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 continuación.

Denominamos protones químicamente equivalentes a aquellos que poseen el mismo desplazamiento químico (también

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

intercambiables por alguna operación de simetría o por un rápido proceso químico. También puede ser producto de la

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

escala de desplazamiento.

La respuesta a la segunda cuestión es fácil: al igual que ocurría con la espectroscopia UV (la absorción de radiación era

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

equivalentes, aunque más que intensidad deberíamos indicar el área de los mismos, lo que se determina mediante la integral,

que será el segundo parámetro a tener en cuenta en un espectro de RMN protónica, junto al desplazamiento químico, estudiado

con anterioridad.

En cuanto a la resonancia de carbono-13 la equivalencia química (que sería 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 será el

tiempo de relajación de dicho núcleo y no el número de núcleos equivalentes existentes.

Una característica importante de los protones equivalentes que trataremos con posterioridad es que “dichos núcleos no

se acoplan entre si”.

1.- DETERMINACION DE LA EQUIVALENCIA QUIMICA POR INTERCONVERSIÓN A TRAVES DE UNA OPERACIÓN DE SIMETRÍA

La existencia de ejes de simetría, Cn, que relacionen a los protones da lugar a que dichos protones sean homotópicos,

es decir químicamente equivalentes tanto en medio quiral como aquiral.

La existencia de un plano de simetría, σ, hace que los protones relacionados mediante él (no confundir con contenidos en él),

sean enantiotópicos y dichos protones sólo serán equivalentes en medio aquiral; si el medio es quiral ambos protones serán

químicamente NO equivalentes.

La existencia de un centro de simetría, i, en la molécula hace que los protones relacionados mediante él sean enantiotópicos y

por lo tanto químicamente solamente en medio aquiral.

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Como la determinación de los elementos de simetría no siempre es fácil AulT (J. Chem. Educ., 51 (1974), 729) sugirió

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

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

determinar la relación que existe entre ambas estructuras: si son idénticas los protones o grupos son homotópicos, si son

imágenes especulares no superponibles serán enantiotópicos y si son dos estructuras diferentes sin relación entre ellas serán

diastereotópicos.

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

Los grupos diastereotópicos no pueden interconvertirse por ninguna operación de simetría y son grupos distintos, con distinto

desplazamiento químico. Es necesario distinguir entre los grupos y la molécula, ésta puede tener un plano de simetría pero si

dicho plano no interconvierte a los grupos considerados estos serán diastereotópicos, así:

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

diastereotópicos pues no hay ningún elemento de simetría que los relacione.

2.- EQUIVALENCIA QUÍMICA POR RAPIDA INTERCONVERSION DE ESTRUCTURAS

Puede existir equivalencia química si estructuras químicas, que son diferentes entre sí, se interconvierten entre sí como

resultado de la utilización de catalizadores, o de cambios en el disolvente, la concentración del producto o la temperatura.

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

Interconversión ceto-enolica.

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

encontrarán en equilibrio pudiendo medirse la proporción de una y otra mediante la integración en el espectro de 1H-RMN debido

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

Si el proceso químico fuese más rápido se obtendría un espectro de RMN promedio que no correspondería a ninguna de ambas

especies.

Rotación restringida (dobles enlaces parciales).

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

carácter de doble enlace por lo que no posee libertad de giro y los dos grupo metilos serán

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

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

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

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

produce a 123 ºC.

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

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

aumenta ésta la interconversión se va haciendo más rápida y llega un momento en que solo se puede observar una señal

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

siempre diastereotópicos y siempre saldrán como dos señales.

INTERCONVERSION POR GIRO DE ENLACES SIMPLES EN CADENAS

Los protones de los grupos metilo son siempre equivalentes, incluso en moléculas no simétricas, debido a la rápida

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

Incluso cuando pueden distinguirse, como en el caso siguiente:

Ha y Hb serían enantiotópicos y por tanto equivalentes en un medio aquiral e indistinguibles debido a la rápida rotación.

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

diastereotópicos y por tanto distintos independientemente del rápido giro del enlace simple, pues son distintos en todas las

conformaciones.

ACOPLAMIENTO ESPÍN-ESPÍN

Por lo visto hasta ahora la posible utilidad de la RMN en Determinación estructural se limitaría a decirnos el número,

tipo y posible entorno de cada uno de los núcleos de Hidrógeno y/o Carbono de la molécula. Lo cual no es poco, pero nos

faltaba algo más y ese algo más es la posible determinación de subestructuras y conectividades entre dichos núcleos. Esto es lo

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

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

átomos no están solos sino que alrededor y próximos a ellos se encuentran otros núcleos, los cuales también se comportarán

como pequeños imanes que poseen momentos magnéticos; dichos momentos magnéticos se transmiten a lo largo de los

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

función de la orientación de dichos momentos respecto el de él. Esquemáticamente podríamos imaginarlo como se muestra:

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Esto provocaría que la señal de resonancia de ese núcleo en particular aparecería como dos líneas muy próximas.

Como ese acoplamiento depende de los momentos magnéticos de los núcleos y estos son una propiedad intrínseca de los

núcleos, no dependerá de la magnitud Ho. Una característica importante es que los acoplamientos indican una relación entre los

momentos magnéticos de los núcleos y por tanto es una propiedad recíproca, es decir si el núcleo a está acoplado al núcleo b

con una constante de acoplamiento Ja,b, el núcleo b está acoplado al a con la misma constante.

Como características reseñables de las constantes de acoplamiento deben indicarse que no se observan acoplamientos

espín-espin intermoleculares; estas interacciones disminuyen cuando aumenta el número de enlaces de separación entre ambos

núcleos, también depende del tipo de núcleos (de su I), del tipo de enlace entre los núcleos, de las orientaciones relativas de los

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

núcleos acoplados y a y b dichos núcleos; así 3JH,H indicará una constante de acoplamiento a tres enlaces entre dos protones.

Como norma general tenemos que dependiendo del número de enlaces de separación de los núcleos que solo se observan

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

El número de picos que aparecen al acoplarse dos núcleos viene dado por

la expresión: 2.I.n + 1 Vamos a considerar núcleos con espín ½ (H, C-13), con lo

que el número de picos será siempre n + 1, siendo n el número de núcleos que se

acoplan al núcleo considerado. Así cuando consideramos que el núcleo se acopla

con tres núcleos las posibilidades que se plantean son:

Con lo que la señal aparecerá como un cuadruplete (4 señales) y como las

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

dichos picos también son distintas: en el caso anterior serán 1:3:3:1.

En general:

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Los valores más 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 aparecerán como triplete (los protones b, pues tienen dos vecinos) y quintuplete (los protones a, pues tienen cuatro

protones vecinos):

En el 1,1-dicloroetano habrá dos señales correspondientes a los dos tipos de protones existentes en la molécula los

protones a aparecerán como doblete (un solo protón vecino) y los protones b apareceran como cuadruplete (3 protones

vecinos).

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Patrones de acoplamiento

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

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

si dicha proporción es mayor que 3 hablamos de protones débilmente acoplados, cuando dicha proporción es menor que 3

decimos que se trata de un sistemas de espines fuertemente acoplados. De ambos sistemas los débilmente acoplados son más

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

por lo que cuanto más grande sea Ho, más débilmente acoplados estarán los protones. Para nombrar un sistema de espines se

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

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

Solo se pueden analizar fácilmente sistemas de espines débilmente acoplados. Para analizarlos se utilizan las “Reglas

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

• En un sistema AmXn la señal del protón A saldrá como n+1 líneas y la de X como m+1 líneas. En general y si I ¹ ½

la multiplicidad de la señal será: 2nI + 1.

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

• El desplazamiento químico, dA, de cada grupo de protones equivalentes será el centro del multiplote simétrico.

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

• Cuando un grupo de protones químicamente equivalentes interacciona con más de un tipo de protones la señal del

mismo aparecerá como un multiplete de multipletes, así: Para AmMpXn, la señal correspondiente a los protones A

saldrán como (n + 1)(p + 1) señales.

• Los protones químicamente equivalentes no se acoplan entre sí. Se considera también la posibilidad de

equivalencia magnética para aquellos núcleos que además de ser químicamente equivalentes se acoplan de

manera idéntica con cada núcleo del resto del grupo. Esta posibilidad puede justificarse pero no predecirse, así en

los núcleos aromaticos pueden observarse multiplicidades distintas de las esperadas por aplicación de las reglas

de primer orden.

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

• A continuación se muestran algunos ejemplos de sistemas de espines según las reglas de primer orden:

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

cálculos más complejos tanto para determinar el desplazamiento químico como las constantes de acoplamiento, así para el caso

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

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

químico muy próximo) tenemos:

Ejemplos de patrones de acoplamiento

Denominábamos 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 señales; así la

señal correspondiente al protón A saldrá como un doble cuadruplete; el M saldrá también como un doble cuadruplete y

finalmente los tres protones X saldrán como un doble doblete.

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

acoplamiento; así para el protón A tendremos un doblete con una constante JAM = 8 Hz

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y un cuadruplete con una constante JAX = 2 Hz:

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

frecuencia, con lo que dicha señal quedará como se muestra a continuación:

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

y un cuadruplete por acoplamiento con los tres protones X:

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con lo que el aspecto final será:

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

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

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

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

Se trata también de un sistema de 5 protones de los cuales dos son equivalentes entre si. Está 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 señales; así la señal correspondiente al protón A saldrá como un doble doble

triplete; el M y el X saldrán también como un doble doble triplete y finalmente los dos protones Z saldrán como un doble doble

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

acoplamiento; así para el protón A tendremos un doblete con una constante JAM = 12 Hz

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

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

entrecruzamiento de las señales:

con lo que el aspecto final de la señal será:

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

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TÉCNICAS DE DOBLE RESONANCIA Y SECUENCIAS DE PULSOS INTRODUCCIÓN

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

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

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

determinado rango de frecuencias (en función de su duración, dicho rango será mayor o menor) y también equivale a aplicar un

campo magnético a la muestra dada la relación entre frecuencia y campo vista en su momento.

Visto lo dicho, las técnicas de doble resonancia consistirán, en términos generales, en la irradiación de la muestra con

una frecuencia determinada (por ejemplo la de un protón 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 aparecerá como si dicho protón no existiera y por tanto

desaparecerán los acoplamiento con él. Tiene dos versiones:

DESACOPLAMIENTO HOMONUCLEAR

Irradiamos a la frecuencia de un protón determinado (en el

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

el espectro de protones. Se traduce en la desaparición de

los acoplamientos del protón irradiado con el resto de los

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

simplificar bastante y las asignaciones se pueden realizar

de una manera más eficaz. Por ejemplo en el

crotonaldehido tal y como se muestra en la figura, la

irradiación del duplete a 2 ppm (correspondiente al metilo)

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

un duplete) y por tanto esta debe corresponder al protón

geminal a dicho metilo; de igual forma la irradiación del

protón aldehídico a 9.5 ppm hace que se simplifique la señal

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

protón vecino al grupo aldehído.

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DESACOPLAMIENTO HETERONUCLEAR

Cuando considerábamos la sensibilidad del experimento de la

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

abundancia isotópica del mismo, a la constante magnetogírica

de dicho núcleo y nos faltaba indicar también que debido a la

existencia de acoplamientos C-H las señales no saldrían como

singuletes, como estamos acostumbrados a verlas, sino como

multipletes con una multiplicidad que va a depender del

número de protones unidos a dicho carbono, así para el butil

vinileter:

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

la figura y como vemos en el sería complicado hacer la

asignación de las señales, sobre todo con respecto al

espectro desacoplado total (también denominado espectro

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

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

consecuencia de la irradiación de todos los protones cuando

realizamos el espectro de carbono. De manera análoga si

irradiásemos a la frecuencia de un protón determinado (en el

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

espectro de carbono-13 aparecería como singulete dicha

señal con lo que la asignación del carbono (conocida la del

protón) sería inequívoca.

También 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

señales aparecen como multipletes pero se ha producido una

disminución significativa de las constantes de acoplamiento C-

H y no hay tanto solapamiento de señales como en el

acoplado visto anteriormente y tenemos la ventaja adicional

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

(metilo, metileno, metino o carbono cuaternario) dependiendo

de la multiplicidad que presenten las mismas, información que

se pierde en el espectro desacoplado o BB.

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EFECTO NUCLEAR OVERHAUSER

Cuando considerábamos la sensibilidad del

experimento de la RMN de Carbono-13

decíamos que era baja debido a múltiples

causas ya indicadas anteriormente. Dicha

sensibilidad aumentaba cuando se realizaba

una experiencia de desacoplamiento por

desaparición 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 relajación bipolar inducida por el movimiento molecular en los líquidos. Y

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

constante giromagnéticas de los núcleos acoplados y de la distancia entre los mismos (1/r6), siendo 1.50 como máximo si se

tratan de dos hidrógenos y de 2.98 si se tratan de un carbono y un hidrógeno (mejoras relativas de un 50% y un 200%

respectivamente).

Para intentar racionalizarlo vamos a suponer dos núcleos A y B

acoplados entre si, si suponemos un número total de núcleos de 4N,

debemos esperar que en el estado fundamental (el de más baja energía)

haya un pequeño exceso de población (N + Δ) y en el excitado un

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

aproximadamente N. Analizaremos ahora las transiciones que son

posibles en ese esquema energético:

Las transiciones A1 y A2 correspondientes al núcleo A tendrán una

intensidad proporcional a la diferencia de población entre los estados

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

B1 y B2 correspondientes al núcleo B. Pero además existirán otras

dos posibles transiciones que en el esquema denominamos ω0 y ω2

que aunque prohibidas por las reglas de selección deberían ser

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

situación en que irradiamos el núcleo B:

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

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

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

existiría relajación, los dos únicos caminos son a través de las transiciones prohibidas ω0 y ω2, dependiendo de cual sea el

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

A) Predomina ω0: En tal caso las poblaciones de los estados intermedios deberán

hacerse iguales como al principio es decir serán N para ambos

estados y entonces las intensidades de las señales de A1 y A2 serán

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

decimos que tenemos un efecto NOE negativo.

B) Predomina ω2: En tal caso las poblaciones de los estados superior e inferior

deberán hacerse como al principio es decir serán N - Δ y N + Δ para

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

serán proporcionales a 3Δ/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 próximos que se encuentren dos o más núcleos en una molécula. Para ello se realiza el denominado

espectro NOE diferencia resultado de restar el espectro normal y el espectro resultado de la irradiación de un protón

determinado y dependiendo de la distancia aparecen sólo las señales de aquellos núcleos que han sufrido el efecto NOE es

decir aquellos que se encuentran físicamente cerca del irradiado. Así para el ácido acrílico la irradiación de la señal a 5.85 ppm

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

cercano al HM y algo más alejado de HX.

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

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

irradiación sobre el protón final de la cadena nos va a indicar cuales son los protones de la piridina más próximos a él, resultado

los H-2 y H-4, lo que indica el posicionamiento sobre C-3. La irradiación sobre el protón más desapantallado (el H-2) de la

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

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

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SECUENCIAS DE PULSOS

INTRODUCCIÓN

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

Ver archivo de secuencias y catalogo

RMN bidimensional INTRODUCCIÓN

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 número de instauraciones y los grupos funcionales presentes en nuestra molécula el camino a

recorrer se asemeja a la resolución de un rompecabezas, cada persona suele tener o adquirir su propia técnica. 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 concentración apreciable de la muestras, se realiza un experimento de 13C.

• Se observan el número total de 1H, su desplazamiento químico, multiplicidad e integración 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 ubicación 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 correlación dipolar por efecto NOE (NOESY Selectivo o ROESY selectivo)

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

recuento del número total de carbonos podemos deducir la simetría de la molécula o en su caso las relaciones

de equivalencia entre algunos grupos:

De 160-210 ppm: Grupos carbonilo (CO)

De 100-160 ppm: Carbonos sp2 (etilénicos y aromáticos)

De 0-100 ppm: Carbonos sp3 (alifáticos)

• Experimento COSY H-H (correlacion homonuclear): se observa correlación entre protones que están relacionados

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

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• 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 (difusión molecular)

• Experimentos selectivos (NOESY, ROESY, TOCSY)

RMN TRIDIMENSIONAL

Esta técnica se utiliza cada vez más como alternativa a los rayos X en medicina y que permite obtener imágenes del

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

registra es el hidrógeno de los tejidos (el agua), transformándose en imágenes más o menos coloreadas en función de la

intensidad de los picos. Ejemplo:

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Resolución de problemas

Podemos indicar como objetivo de la Determinación estructural la elucidación de la Estereoquímica de la molécula,

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

• Composición: átomos presentes y su proporción en la molécula, lo que se traduce en la obtención de una formula

molecular.

• Constitución: Uniones existentes entre los átomos, lo que se traduce en la determinación de los grupos funcionales y

subestructuras presentes en la misma.

• Conformación: disposición espacial de la molécula que surge debido a la posibilidad de rotación o giro de los enlaces

simples en la misma.

• Configuración: disposición espacial de los átomos en la molécula.

Así por ejemplo consideremos el caso de un compuesto orgánico cuya composición elemental es 55.8% de C; 6.98% de H y

37.2% de O ello nos llevaría a una formula empírica: C4H6O2.

Determinando el peso molecular resulta ser 172, por lo que la fórmula molecular resultará ser: C8H12O4.

Su análisis funcional nos dice que se trata de un ácido ciclohexano-1,2-dicarboxílico (constitución).

A continuación es necesario determinar la disposición relativa de dichos grupos carboxílicos en el ciclo, encontrándonos que

resultan ser trans- (configuración).

La última etapa consistirá en determinar su conformación, es decir determinar si la molécula se encuentra con ambos

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

La cuestión de que técnica espectroscópica debemos utilizar o en que orden, sin son varias, para lograr la

completa determinación estructural de una sustancia dependerá en gran medida de los objetivos que se persigan.

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

• Obtención de una fórmula molecular.

• Identidad de los grupos funcionales.

• Conectividades de los carbonos.

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

subestructuras).

• Determinación de las propiedades estereoquímicas (incluyendo tanto los aspectos estáticos como dinámicos).

• Asignación de una estructura a la molécula.

• Comprobación de que las propiedades espectroscópicas observadas se corresponden con las que debería tener la

estructura propuesta.

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

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

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1) DETERMINACIÓN DE LA FÓRMULA MOLECULAR.

Vamos a considerar las distintas posibilidades que se nos plantean:

A) Conocemos dicha fórmula molecular.

Ya sea porque la hemos determinado por métodos químicos (análisis elemental cualitativo y cuantitativo seguido de

determinación del peso molecular por métodos físicos), como porque se haya determinado utilizando Espectrometría de Masas

de Alta Resolución (HRMS). En ambos casos pasaríamos al paso 2.

B) Conocemos sólo el peso molecular.

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

procederíamos 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 número de ellos.

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

observación de dicha operación deduciremos una primera fórmula empírica asignable al hidrocarburo:

cocienteHcociente + resto

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

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

orgánico que o bien no posee Nitrógeno en su estructura o bien posee un número par de átomos del mismo.

Procederemos a continuación a introducir en la fórmula anterior átomos de Oxígeno y/o Nitrógeno de acuerdo con la siguiente

premisa: “La introducción de un átomo de Oxígeno implica retirar de la misma CH4, de igual forma la introducción de un átomo

de Nitrógeno implica retirar de la misma CH2”, así para el caso considerado anteriormente tendríamos: Sin Nitrógeno: C11H20 + O

– CH4 = C10H16O y sucesivamente C9H12O2; C8H8O3; … Con Nitrógeno: Al ser par el peso molecular debe poseer un número par

de ellos, por lo que: C11H20 + 2 N – 2 CH2 = C9H16N2, a continuación introduciendo Oxígeno obtendríamos: C9H16N2 + O – CH4 =

C8H12N2O y así sucesivamente C7H8N2O2, …

La cuestión de cual de esas fórmulas empíricas es la fórmula molecular debemos hacerlo con ayuda de técnicas

espectroscópicas como IR, UV, 1H-RMN ó 13C-RMN.

C) Conocemos la distribución isotópica del pico molecular por EM

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

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

% (M+1)/M = 1.1 nº C + 0.36 nº N

% (M+2)/M = (1.1 nº C)2/200 + 0.20 nº O

Con ambas expresiones podemos calcular la fórmula molecular.

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

Br, S, Si, etc.. no son monoisotópicos y desvirtuarían las intensidades de ambos picos, por lo que impiden aplicar las fórmulas

anteriores.

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

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D) No poseemos ninguno de los datos anteriores.

En tal caso debemos estimar la fórmula molecular mediante un procedimiento indirecto consistente en la observación

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 fórmula mínima observando en número de carbonos

diferentes existentes. Y también el número 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 molécula.

Finalmente del espectro de RMN protónica podemos estimar el número de hidrógenos.

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

fórmula molecular.

Para calcular dicho parámetro utilizaremos la expresión: N.I. = {(2 .nº C – nº H + nº N)/2} + 1

Como podemos observar en la expresión no interviene el número de átomos de oxígeno, ni otros oligoelementos.

• Si en la fórmula aparece S no se considera aunque el número de instauraciones puede desvirtuarse: puede haber más

instauraciones pero estas estarán sobre el átomo de azufre.

• Si hay halógenos se consideraran equivalentes a átomos de hidrogeno

• Si hay P (fósforo) se considerará equivalente a Nitrógeno pero debemos hacer la misma consideración que para el

azufre.

• Si hubiera Si, se considera equivalente al Carbono.

• No se consideran otros oligoelementos

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

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

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

• Un ciclo equivale a una instauración.

• Un anillo bencénico o heterociclo aromático hexagonal equivale a 4 insaturaciones: (tres dobles enlaces más un ciclo).

• Un heterociclo aromático pentagonal equivale a tres instauraciones: (dos dobles enlaces más ciclo).

• Un triple enlace equivale a dos instauraciones.

• Un doble enlace equivale a una instauración.

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

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

observar los espectros de UV e IR, principalmente este último. Sólo se van a reseñar algunas cuestiones puntuales sobre grupos

puntuales:

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

Lambert-Beer:

ε = Absorbancia/longitud·concentración

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

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

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una absorción intensa (ε > 10000) que hace a aquella casi insignificante. En el IR suelen presentar una distribución característica

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

cm-1 también suelen dar algunas absorciones características.

De todos los grupos carbonilos observables en el IR (~1700 cm-1), sólo los aldehídos y cetonas presentan absorción en el UV

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

mientras que aldehídos y cetonas resuenan en torno a 190-210 ppm, los ácidos 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

ácidos carboxílicos dicha banda baja su frecuencia situándose en torno a los 3000 cm-1 englobando la zona de los CH, además

la absorción del carbonilo suele ser más ancha de lo habitual.

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

anterioridad en el caso de productos aromáticos 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 aminoácidos 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 relación m/e de los picos mas intensos

• Diferencias de masas entre dichos picos.

• La posible existencia de picos metaestables.

• De ellos podemos deducir algunas características reseñables como:

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

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

• Las diferencias de masas deben de ser lógicas desde el punto de vista químico y de alguna manera nos indican las

secuencias y/o conectividades existentes en la molécula

• La existencia de picos metaestables está asociada a la secuencia de fragmentación de la molécula 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 isómeras de la

molécula y decidir cual de ellas se ajusta más a todos los datos espectroscópicos que poseemos.

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

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

utilización de Tablas para la elucidación estructural como las que se recogen en la mayoría de los manuales de problemas de

elucidación estructural.2

6) JUSTIFICACIÓN TEORICA DE LOS DATOS ESPECTROSCÓPICOS DE LA MOLÉCULA.

Una vez asignada podríamos pasar a justificar todos los datos espectroscópicos de acuerdo con los manuales

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

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

(2) E. Pretsch, T. Clero, J. Seibl y W. Simon, Tablas para la elucidación estructura de compuestos orgánicos por métodos

espectroscópicos, Ed. Alhambra1980.