Resonancia magnética nuclear de protones

La resonancia magnética nuclear de protones (RMN de protones, RMN de hidrógeno-1 o ¹H RMN) es la aplicación de la resonancia magnética nuclear en la espectroscopia RMN con respecto a los núcleos de hidrógeno-1 dentro de las moléculas de una sustancia, con el fin de determinar la estructura de sus moléculas. En las muestras en las que se utiliza hidrógeno natural (H), prácticamente todo el hidrógeno consiste en el isótopo ¹H (hidrógeno-1; es decir, que tiene un protón como núcleo).

Los espectros de RMN simples se registran en solución y no se debe permitir que los protones del disolvente interfieran. Se prefieren los disolventes deuterados (deuterio = ²H, a menudo simbolizado como D) especialmente para su uso en RMN, por ejemplo, agua deuterada, D₂O, acetona deuterada, (CD₃)₂CO, metanol deuterado, CD₃OD, dimetilsulfóxido deuterado, (CD₃)₂SO, y cloroformo deuterado, CDCl₃. Sin embargo, también se puede utilizar un disolvente sin hidrógeno, como tetracloruro de carbono, CCl₄ o disulfuro de carbono, CS₂.

Históricamente, los solventes deuterados se suministraban con una pequeña cantidad (normalmente 0,1 %) de tetrametilsilano (TMS) como estándar interno para hacer referencia a los desplazamientos químicos de cada protón del analito. El TMS es una molécula tetraédrica, en la que todos los protones son químicamente equivalentes, lo que da una única señal, que se utiliza para definir un desplazamiento químico = 0 ppm. Es volátil, lo que también facilita la recuperación de la muestra. Los espectrómetros modernos pueden hacer referencia a los espectros en función del protón residual en el solvente (p. ej., el CHCl₃, 0,01 % en CDCl₃ al 99,99 %). En la actualidad, los solventes deuterados se suministran habitualmente sin TMS.

Los disolventes deterados permiten el uso de bloqueo de campo de frecuencia de deuterio (también conocido como bloqueo de deuterio o bloqueo de campo) para compensar el efecto de la deriva natural del campo magnético de la NMR ${\displaystyle B_{0}$. Con el fin de proporcionar bloqueo de deuterio, el NMR monitorea constantemente la frecuencia de resonancia de la señal de deuterio del solvente y hace cambios en el ${\displaystyle B_{0}$ para mantener la frecuencia de resonancia constante. Además, la señal de deuterio se puede utilizar para definir con precisión 0 ppm como la frecuencia resonante del solvente de bloqueo y la diferencia entre el solvente de bloqueo y 0 ppm (TMS) son bien conocidos.

Los espectros de RMN de protones de la mayoría de los compuestos orgánicos se caracterizan por desplazamientos químicos en el rango de +14 a -4 ppm y por acoplamiento de espín a espín entre protones. La curva de integración para cada protón refleja la abundancia de los protones individuales.

Las moléculas simples tienen espectros simples. El espectro del cloruro de etilo consta de un triplete a 1,5 ppm y un cuarteto a 3,5 ppm en una proporción de 3:2. El espectro del benceno consta de un único pico a 7,2 ppm debido a la corriente del anillo diamagnético.

Junto con la RMN de carbono-13, la RMN de protones es una herramienta poderosa para la caracterización de la estructura molecular.

Cambios químicos

Los valores de desplazamiento químico, simbolizados por δ, no son precisos, sino típicos; por lo tanto, deben considerarse principalmente como una referencia. Las desviaciones están en el rango de ±0,2 ppm, a veces más. El valor exacto del desplazamiento químico depende de la estructura molecular y del disolvente, la temperatura, el campo magnético en el que se registra el espectro y otros grupos funcionales vecinos. Los núcleos de hidrógeno son sensibles a la hibridación del átomo al que está unido el átomo de hidrógeno y a los efectos electrónicos. Los núcleos tienden a estar desprotegidos por grupos que retiran la densidad electrónica. Los núcleos desprotegidos resuenan a valores δ más altos, mientras que los núcleos protegidos resuenan a valores δ más bajos.

Ejemplos de sustituyentes que atraen electrones son -OH, -OCOR, -OR, -NO2 y halógenos. Estos causan un desplazamiento hacia abajo del campo de aproximadamente 2–4 ppm para átomos de H en C_α y de menos de 1–2 ppm para átomos de H en C_β. C_α es un átomo de C alifático directamente unido al sustituyente en cuestión, y C_β es un átomo de C alifático unido a C_α. Los grupos carbonilo, los fragmentos olefínicos y los anillos aromáticos aportan átomos de carbono hibridados sp² a una cadena alifática. Esto causa un desplazamiento hacia abajo del campo de 1–2 ppm en C_α.

Tenga en cuenta que los protones labiles (-OH, -NH2, -SH) no tienen un cambio químico característico. Sin embargo, tales resonancias pueden ser identificadas por la desaparición de un pico cuando se reacciona con D2O, ya que el deuterio sustituirá un átomo de protio. Este método se llama D₂O temblor. Los protones acidicos también pueden suprimirse cuando un disolvente que contiene iones de deuterio ácido (por ejemplo, metanol-d₄) se utiliza. Un método alternativo para identificar protones que no están unidos a carbonos es el experimento heteronuclear de coherencia cuántica única (HSQC), que correlaciona protones y carbonos que son un vínculo entre sí. Se puede identificar un hidrógeno que no está conectado a un carbono porque no tiene un crosspeak en el espectro HSQC.

Intensidad de la señal

Las intensidades integradas de las señales NMR son, idealmente, proporcionales a la relación de los núcleos dentro de la molécula. Junto con cambios químicos y constantes de acoplamiento, las intensidades integradas permiten asignaciones estructurales. Para mezclas, las intensidades de señal se pueden utilizar para determinar ratios molares. Estas consideraciones son válidas sólo cuando se permite tiempo suficiente para la plena relajación de las señales afectadas, según lo determinado por su T₁ valores. Otra complicación surge de la dificultad de integrar señales de formas de línea muy diferentes.

Acoplamientos espín-espín

Además del desplazamiento químico, los espectros de RMN permiten asignaciones estructurales en virtud del acoplamiento espín-espín (y las intensidades integradas). Debido a que los núcleos poseen un campo magnético pequeño, se influyen entre sí, modificando la energía y, por lo tanto, la frecuencia de los núcleos cercanos a medida que resuenan; esto se conoce como acoplamiento espín-espín. El tipo más importante en RMN básica es el acoplamiento escalar. Esta interacción entre dos núcleos ocurre a través de enlaces químicos y, por lo general, se puede ver a una distancia de hasta tres enlaces (acoplamiento 3-J), aunque ocasionalmente puede ser visible a una distancia de cuatro a cinco enlaces, aunque estos tienden a ser considerablemente más débiles.

El efecto del acoplamiento escalar se puede entender examinando un protón que tiene una señal a 1 ppm. Este protón está en una molécula hipotética donde a tres enlaces de distancia existe otro protón (en un grupo CH-CH, por ejemplo), el grupo vecino (un campo magnético) hace que la señal a 1 ppm se divida en dos, con un pico unos pocos hertzios más alto que 1 ppm y el otro pico la misma cantidad de hertzios más bajo que 1 ppm. Estos picos tienen cada uno la mitad del área del pico singlete anterior. La magnitud de esta división (diferencia de frecuencia entre picos) se conoce como constante de acoplamiento. Un valor típico de constante de acoplamiento para protones alifáticos sería 7 Hz.

La constante de acoplamiento es independiente de la intensidad del campo magnético porque es causada por el campo magnético de otro núcleo, no por el imán del espectrómetro. Por lo tanto, se expresa en hercios (frecuencia) y no en ppm (desplazamiento químico).

En otra molécula, un protón resuena a 2,5 ppm y ese protón también se dividiría en dos por el protón a 1 ppm. Debido a que la magnitud de la interacción es la misma, la división tendría la misma constante de acoplamiento con una diferencia de 7 Hz. El espectro tendría dos señales, cada una de las cuales sería un doblete. Cada doblete tendrá la misma área porque ambos dobletes son producidos por un protón cada uno.

Los dos dobletes a 1 ppm y 2,5 ppm de la molécula ficticia CH-CH ahora se transforman en CH₂-CH:

• El área total del 1 ppm CH₂ el pico será el doble del pico de 2,5 ppm CH.
• El CH₂ El pico se dividirá en un doble por el pico CH, con un pico a 1 ppm + 3,5 Hz y uno a 1 ppm - 3,5 Hz (una constante total de división o acoplamiento es 7 Hz).

En consecuencia, el pico de CH a 2,5 ppm se dividirá dos veces por cada protón del CH₂. El primer protón dividirá el pico en dos intensidades iguales y pasará de un pico a 2,5 ppm a dos picos, uno a 2,5 ppm + 3,5 Hz y el otro a 2,5 ppm - 3,5 Hz, cada uno con intensidades iguales. Sin embargo, estos serán divididos nuevamente por el segundo protón. Las frecuencias cambiarán en consecuencia:

• The 2.5 ppm + 3.5 La señal Hz se dividirá en 2,5 ppm + 7 Hz y 2.5 ppm
• The 2.5 ppm - 3.5 La señal Hz se dividirá en 2,5 ppm y 2,5 ppm - 7 Hz

El resultado neto no es una señal formada por 4 picos sino tres: una señal a 7 Hz por encima de 2,5 ppm, dos señales a 2,5 ppm y una última a 7 Hz por debajo de 2,5 ppm. La relación de altura entre ellas es 1:2:1. Esto se conoce como un triplete y es un indicador de que el protón está a tres enlaces de un grupo CH₂.

Esto se puede extender a cualquier grupo CH_n. Cuando el grupo CH₂-CH se cambia a CH₃-CH₂, manteniendo las constantes de desplazamiento químico y de acoplamiento idénticas, se observan los siguientes cambios:

• Las áreas relativas entre el CH₃ y CH₂ subunidades serán 3:2.
• El CH₃ se une a dos protones en un 1:2:1 triplet alrededor de 1 ppm.
• El CH₂ se unen a tres protones.

Algo dividido por tres protones idénticos adquiere una forma conocida como cuarteto, en la que cada pico tiene intensidades relativas de 1:3:3:1.

Un pico se divide por n protones idénticos en componentes cuyos tamaños están en la razón de la nésima fila del triángulo de Pascal:

Debido a que la nésima fila tiene n+1 componentes, se dice que este tipo de división sigue el "n+ 1 regla": un protón con n vecinos aparece como un grupo de n+1 picos.

Con 2-metilpropano, (CH₃)₃CH, como otro ejemplo: el protón CH está unido a tres grupos metilo idénticos que contienen un total de 9 protones idénticos . La señal C-H en el espectro se dividiría en diez picos según la regla de multiplicidad (n + 1). A continuación se muestran señales de RMN correspondientes a varios multipletes simples de este tipo. Tenga en cuenta que las líneas exteriores del noneto (que tienen sólo 1/8 de la altura de las del segundo pico) apenas se pueden ver, lo que le da un parecido superficial con un septeto.

Cuando un protón se acopla a dos protones diferentes, es probable que las constantes de acoplamiento sean diferentes y, en lugar de un triplete, se verá un doblete de dobletes. De manera similar, si un protón se acopla a otros dos protones de un tipo y a un tercero de otro tipo con una constante de acoplamiento diferente y más pequeña, entonces se observa un triplete de dobletes. En el siguiente ejemplo, la constante de acoplamiento triplete es mayor que la doblete. Por convención, el patrón creado por la constante de acoplamiento más grande se indica primero y los patrones de división de las constantes más pequeñas se nombran a su vez. En el caso siguiente sería erróneo referirse al cuarteto de tercetos como terceto de cuartetos. El análisis de estos multipletes (que pueden ser mucho más complicados que los que se muestran aquí) proporciona pistas importantes sobre la estructura de la molécula que se estudia.

Las reglas simples para la división espín-espín de señales de RMN descritas anteriormente se aplican solo si los cambios químicos de los socios de acoplamiento son sustancialmente mayores que la constante de acoplamiento entre ellos. De lo contrario, puede haber más picos y las intensidades de los picos individuales se distorsionarán (efectos de segundo orden).

Acoplamiento heteronuclear

Si hay otros núcleos activos en RMN presentes en una molécula, se observará un acoplamiento espín-espín entre los heteroátomos y los protones. Esto ocurre con mayor frecuencia en compuestos que contienen fósforo o flúor, ya que ambos son núcleos de 1/2 espín con una abundancia del 100%. Por ejemplo, las señales 1H para los protones en el fluorometano se dividen en un doblete por el átomo de flúor; por el contrario, el espectro de RMN de flúor-19 de este compuesto muestra un cuarteto debido a que está dividido por los tres protones. Las constantes típicas de acoplamiento 2J entre flúor y protones son aproximadamente 48 Hz; la fuerza del acoplamiento disminuye a 2 Hz en el acoplamiento 4J.

Se pueden observar constantes de acoplamiento aún mayores en las fosfinas, especialmente si el protón está directamente unido al fósforo. Las constantes de acoplamiento para estos protones suelen ser tan grandes como 200 Hz, por ejemplo en la dietilfosfina, donde la constante de acoplamiento 1J P-H es 190 Hz. Estas constantes de acoplamiento son tan grandes que pueden abarcar distancias superiores a 1 ppm (dependiendo del espectrómetro), lo que las hace propensas a superponerse con otras señales de protones en la molécula.

Satélites de carbono y bandas laterales giratorias

Ocasionalmente, se pueden ver pequeños picos sobre los picos principales de ¹H NMR. Estos picos no son el resultado del acoplamiento protón-protón, sino que resultan del acoplamiento de átomos de ¹H a un átomo de carbono-13 (¹³C) contiguo. Estos pequeños picos se conocen como satélites de carbono, ya que son pequeños y aparecen alrededor del pico principal ¹H, es decir, un satélite (alrededor) de ellos. Los satélites de carbono son pequeños porque sólo muy pocas de las moléculas de la muestra tienen ese carbono como el raro isótopo ¹³C activo en RMN. Como siempre ocurre con el acoplamiento debido a un solo núcleo de espín 1/2, la señal que se divide para el H unido al ¹³C es un doblete. La H unida al ¹²C, más abundante, no está dividida, por lo que es un singlete grande. El resultado neto es un par de pequeñas señales espaciadas uniformemente alrededor de la principal. Si la señal H ya estuviera dividida debido al acoplamiento H – H u otros efectos, cada uno de los satélites también reflejaría este acoplamiento (como es habitual en los patrones de división complejos debido a socios de acoplamiento diferentes). Otros núcleos activos en RMN también pueden causar estos satélites, pero el carbono es el culpable más común en los espectros de RMN de protones de compuestos orgánicos.

A veces se pueden observar otros picos alrededor de los picos ¹H, conocidos como bandas laterales de giro y están relacionados con la velocidad de giro de un tubo de RMN. Estos son artefactos experimentales del análisis espectroscópico en sí, no son una característica intrínseca del espectro de la sustancia química y ni siquiera están específicamente relacionados con la sustancia química o su estructura.

Los satélites de carbono y las bandas laterales giratorias no deben confundirse con picos de impurezas.