Resonancia magnética nuclear de carbono-13

La resonancia magnética nuclear de carbono-13 (C13) (más comúnmente conocida como espectroscopia de RMN de carbono-13 o ^{espectroscopia de RMN de 13}C o, a veces, simplemente denominada RMN de carbono) es la aplicación de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) al carbono. Es análoga a la RMN de protones (RMN de 1H) y permite la identificación de átomos de carbono en una molécula orgánica, tal como la RMN de protones identifica átomos de hidrógeno. La RMN de ¹³C detecta solo el isótopo 13C. El principal isótopo de carbono, 12C, no produce una señal de RMN. Aunque aproximadamente 1 millón de átomos de carbono se encuentran en la superficie de la Tierra, se pueden detectar átomos de carbono en la superficie de la Tierra. La espectroscopia de RMN de 13C, que es mucho menos sensible que la de 1H, se utiliza ampliamente para caracterizar compuestos orgánicos y organometálicos, principalmente porque los espectros de RMN de 13C desacoplados de 1H son más simples, tienen una mayor sensibilidad a las diferencias en la estructura química y, por lo tanto, son más adecuados para identificar moléculas en mezclas complejas. Al mismo tiempo, estos espectros carecen de información cuantitativa sobre las proporciones atómicas de los diferentes tipos de núcleos de carbono, porque el efecto Overhauser nuclear utilizado en la espectroscopia de RMN de 13C desacoplada de 1H mejora las señales de los átomos de carbono con un mayor número de átomos de hidrógeno unidos a ellos más que las de los átomos de carbono con un menor número de H, y porque normalmente no se alcanza la relajación completa de los núcleos de 13C (con el fin de reducir el tiempo del experimento), y los núcleos con tiempos de relajación más cortos producen señales más intensas.

El isótopo principal del carbono, el ¹²C isótopo, tiene un número cuántico de giro de cero y por lo tanto no es magnéticamente activo y por lo tanto no detectable por NMR. ¹³C, con un número cuántico de giro de 1/2, no es abundante (1,1%), mientras que otros núcleos populares son 100% abundantes, por ejemplo. ¹H, ¹⁹F, ³¹P.

Receptividad

^{La espectroscopia de RMN de 13C es mucho menos sensible (aproximadamente 4 órdenes de magnitud) al carbono que la espectroscopia de RMN de 1H al hidrógeno, debido a la menor abundancia (1,1%) de 13C en comparación con 1H (>99%), y debido a un momento magnético nuclear menor (0,702 frente a 2,8). Dicho de manera equivalente, la relación giromagnética (6,728284 · 107 rad T−1 s−1) es solo 1/4 de la de 1H.}

Por otra parte, la sensibilidad de la espectroscopia de RMN de ¹³C se beneficia en cierta medida del efecto Overhauser nuclear, que mejora la intensidad de la señal para los átomos de ¹³C no cuaternarios.

Desplazamientos químicos

Las desventajas en la "receptividad" se compensan con la alta sensibilidad de las señales de RMN de ¹³C al entorno químico del núcleo, es decir, la "dispersión" del desplazamiento químico es grande y cubre casi 250 ppm. Esta dispersión refleja el hecho de que los núcleos que no son de ¹H están fuertemente influenciados por los estados excitados (contribución "paramagnética" al tensor de apantallamiento. Esta contribución paramagnética no está relacionada con el paramagnetismo). Por ejemplo, la mayoría de las señales de RMN de ¹H para la mayoría de los compuestos orgánicos están dentro de las 15 ppm.

El patrón de referencia de desplazamiento químico para ¹³C son los carbonos del tetrametilsilano (TMS), cuyo desplazamiento químico se establece en 0,0 ppm a cualquier temperatura.

Cambios químicos típicos en ¹³C-NMR

Constantes de acoplamiento

El acoplamiento homonuclear ¹³C-¹³C normalmente solo se observa en muestras enriquecidas con ¹³C. El rango para un enlace ¹J(¹³C,¹³C) es de 50 a 130 Hz. El de dos enlaces ²J(¹³C,¹³C) está cerca de los 10 Hz.

Las tendencias en J(¹H,¹³C) y J(¹³C,¹³C) son similares, excepto que J(¹H,¹³C son más pequeñas debido al valor modesto del momento magnético nuclear de ¹³C. Los valores para ¹J(¹H,¹³C) varían de 125 a 250 Hz. Los valores para ²J(¹H,¹³C) están cerca de los 5 Hz y a menudo son negativos.

Implementación

Sensibilidad

Como consecuencia de la baja receptividad, la espectroscopia de RMN de 13C sufre complicaciones que no se encuentran en la espectroscopia de RMN de protones. Se pueden implementar muchas medidas para compensar la baja receptividad de este núcleo. Por ejemplo, los imanes de alto campo con orificios internos son capaces de aceptar tubos de muestra más grandes (normalmente de 10 mm de diámetro para RMN de 13C frente a 5 mm para RMN de 1H). Los reactivos de relajación permiten una pulsación más rápida. Un agente de relajación típico es el acetilacetonato de cromo (III). Para una muestra típica, registrar un espectro de RMN de 13C puede requerir varias horas, en comparación con los 15-30 minutos para RMN de 1H. El dipolo nuclear es más débil, la diferencia de energía entre los estados alfa y beta es una cuarta parte de la de la RMN de protones y la diferencia de población de Boltzmann es correspondientemente menor. Una última medida para compensar la baja receptividad es el enriquecimiento isotópico.

Algunas sondas de RMN, llamadas criosondas, ofrecen una mejora de la señal de 20 veces en relación con las sondas de RMN comunes. En las criosondas, la electrónica de generación y recepción de RF se mantiene a ~25 K utilizando gas helio, lo que mejora enormemente su sensibilidad. La desventaja es que las criosondas son costosas.

Modos de acoplamiento

Otra complicación potencial resulta de la presencia de constantes de acoplamiento J de un enlace grandes entre el carbono y el hidrógeno (normalmente de 100 a 250 Hz). Si bien estos acoplamientos pueden ser potencialmente informativos, pueden complicar los espectros y reducir la sensibilidad. Por estas razones, los espectros de RMN de ¹³C se registran habitualmente con desacoplamiento de RMN de protones. Los acoplamientos entre carbonos se pueden ignorar debido a la baja abundancia natural de ¹³C. Por lo tanto, en contraste con los espectros de RMN de protones típicos, que muestran multipletes para cada posición de protón, los espectros de RMN de carbono muestran un único pico para cada átomo de carbono químicamente no equivalente.

A diferencia de la RMN de ¹H, las intensidades de las señales a menudo no son proporcionales al número de átomos de ¹³C equivalentes. En cambio, la intensidad de la señal está fuertemente influenciada por (y es proporcional a) el número de espines circundantes (normalmente ¹H). Las integraciones son más cuantitativas si los tiempos de retardo son largos, es decir, si los tiempos de retardo superan ampliamente los tiempos de relajación.

Los modos más comunes de registro de espectros de ¹³C son el desacoplamiento de ruido de protones (también conocido como desacoplamiento de ruido, protones o banda ancha), el desacoplamiento fuera de resonancia y el desacoplamiento controlado. Estos modos están pensados para abordar los grandes valores de J para ¹³C - H (110–320 Hz), ¹³C - C - H (5–60 Hz) y ¹³C - C - C - H (5–25 Hz) que de otro modo hacen que los espectros de ¹³C completamente acoplados a protones sean difíciles de interpretar.

Con el desacoplamiento protón-ruido, en el que se ejecutan la mayoría de los espectros, un desacoplador de ruido irradia intensamente la muestra con un amplio rango (aproximadamente 1000 Hz) de frecuencias de radio que cubren el rango (como 100 MHz para un campo de 23.486 gauss) en el que los protones cambian su espín nuclear. Los rápidos cambios en el espín del protón crean un desacoplamiento heteronuclear efectivo, lo que aumenta la intensidad de la señal del carbono debido al efecto Overhauser nuclear (NOE) y simplifica el espectro de modo que cada carbono no equivalente produce un pico singlete.

Ambos átomos, el carbono y el hidrógeno, presentan espines y son activos en la RMN. El efecto nuclear Overhauser se manifiesta, en general, cuando se irradia uno de dos tipos diferentes de átomos mientras se determina el espectro de RMN del otro tipo. Si las intensidades de absorción del átomo observado (es decir, no irradiado) cambian, se produce una intensificación. El efecto puede ser positivo o negativo, según los tipos de átomos involucrados.

Las intensidades relativas no son fiables porque algunos carbonos tienen un tiempo de relajación de espín-red más largo y otros tienen una mejora de NOE más débil.

En el desacoplamiento controlado, el desacoplador de ruido se activa al principio del retardo de inducción libre, pero se desactiva durante el retardo de pulso. Esto evita en gran medida la mejora de NOE, lo que permite comparar de manera significativa la intensidad de los picos individuales de ¹³C mediante integración, a un costo de la mitad a dos tercios de la sensibilidad general.

Con el desacoplamiento fuera de resonancia, el desacoplador de ruido irradia la muestra a 1000–2000 Hz en el campo superior o 2000–3000 Hz en el campo inferior de la frecuencia de resonancia del protón. Esto conserva los acoplamientos entre los protones inmediatamente adyacentes a los átomos de ¹³C, pero la mayoría de las veces elimina los otros, lo que permite visualizar multipletes estrechos con un pico adicional por protón ligado (a menos que los protones de metileno ligados no sean equivalentes, en cuyo caso se puede observar un par de dobletes).

Mejora sin distorsión mediante espectros de transferencia de polarización

El método de mejora sin distorsión por transferencia de polarización (DEPT) es un método de RMN que se utiliza para determinar la presencia de átomos de carbono primarios, secundarios y terciarios. El experimento DEPT diferencia entre grupos CH, CH₂ y CH₃ mediante la variación del parámetro de ángulo de selección (el ángulo de la punta del pulso ¹H final): un ángulo de 135° da todos los grupos CH y CH₃ en una fase opuesta a CH₂; un ángulo de 90° da solo grupos CH, y los demás se suprimen; un ángulo de 45° da todos los carbonos con protones unidos (independientemente del número) en fase.

Las señales de los carbonos cuaternarios y otros carbonos sin protones unidos siempre están ausentes (debido a la falta de protones unidos).

La transferencia de polarización ¹H a ¹³C tiene ventaja secundaria de aumentar la sensibilidad sobre lo normal ¹³C espectro (que tiene una modesta mejora del efecto de sobrehauser nuclear (NOE) debido al ¹H decoupling).

Espectros de prueba de protones adjuntos

Otra forma útil de determinar a cuántos protones está unido un carbono en una molécula es utilizar una prueba de protones unidos (APT), que distingue entre átomos de carbono con un número par o impar de hidrógenos unidos. Una secuencia de eco de espín adecuada es capaz de distinguir entre sistemas de espín S, I₂S e I₁S, I₃S: el primero aparecerá como picos positivos en el espectro, mientras que el segundo como picos negativos (apuntando hacia abajo), mientras que conserva una relativa simplicidad en el espectro ya que sigue estando desacoplado de protones de banda ancha.

Aunque esta técnica no distingue completamente entre grupos CH_n, es tan fácil y fiable que se emplea con frecuencia como un primer intento de asignar picos en el espectro y dilucidar la estructura. Además, las señales de carbonos cuaternarios y otros carbonos sin protones unidos siguen siendo detectables, por lo que en muchos casos no se requiere un espectro de ¹³C convencional adicional, lo que es una ventaja sobre DEPT. Sin embargo, a veces es posible que una señal de CH y CH₂ tengan desplazamientos químicos coincidentemente equivalentes que resulten en una anulación en el espectro APT debido a las fases opuestas. Por esta razón, en ocasiones también se adquiere el espectro de ¹³C{¹H} convencional o HSQC.