Operaciones Básicas


Tutorial de Espectroscopía (elucidación estructural)


Introducción

El espectro electromagnético

Espectrometría de Masas (MS)
Introducción
Iones metaestables
EM-IE
Abundancia de iones
Ión molecular
Fragmentaciones
Reglas de fragmentación

Espectroscopía de Infrarojo (IR)

Espectroscopía de Ultravioleta-Visible (UV/VIS)

Espectroscopía de RMN
Introducción
Desplazamiento Químico
   - Desp. de 1H
   - Desp. de 13C
Equivalencia Química
Acopl. espín-espín
   - Patrones
   - Ejemplos
Secuencias de pulsos
RMN bidimensional

Resolución de Problemas

Elucidación estructural (ejemplos)


Elucidación estructural: Resonancia Magnética Nuclear                                             (Técnicas de doble resonancia y secuencias de pulsos)

TÉCNICAS DE DOBLE RESONANCIA

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.
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.
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:

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.
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.

SECUENCIAS DE PULSOS

INTRODUCCIÓN
Tal y como se indicó en la introducción en un aparato de RMN tenemos más de un emisor de frecuencias con lo cual podemos irradiar con varias frecuencias diferentes si fuese necesario, pero también podemos hacer lo que se denominan secuencias de pulsos es decir irradiamos la muestra dejamos un cierto tiempo para que se relaje parcialmente y volvemos a irradiarla con frecuencias o campos diferentes antes de que acabe de relajarse. Con dicho sistema se obtienen unos espectros de RMN diferentes a los habituales vistos hasta ahora y de ellos obtenemos otras informaciones necesarias para la determinación estructural, tales como: los tiempos de relajación de los carbonos y eliminar las señales del disolvente en Carbono-13 (utilizando las secuencias inversión recovery y spin echo), mejorar la sensibilidad de los experimentos de carbono-13 (mediante las experiencias SPT o SPI de transferencia selectiva de poblaciones) y quizás la información más importante obtener subespectros de RMN de C-13 en los que se observan solo los carbonos de determinado tipo como CH2, CH3, CH o C cuaternarios mediante la utilización de las secuencias APT (attached proton test), DEPT (distortionless enhancement by polarization transfer) o INEPT (insesitive nuclei enhanced by polarization transfer) de todos ellos el más usado es el DEPT 135º en el cual se obtiene un espectro de Carbono-13 desacoplado en el que desaparecen los carbonos cuaternarios, los CH y CH3 salen como picos positivos y los CH2 salen como picos negativos (hacia abajo), tal y como se muestra en los siguientes ejemplos:

Para más información ver bibliografía.