Resonancia magnética nuclear de protones

La resonancia magnética nuclear de protones ( RMN de protón , RMN de hidrógeno-1 o RMN ^{de 1} H ) es la aplicación de la resonancia magnética nuclear en la espectroscopia de 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. ^[1] En muestras donde se utiliza hidrógeno natural (H), prácticamente todo el hidrógeno consiste en el isótopo ¹ H (hidrógeno-1; es decir, que tiene un protón por 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 = ^{2 H, 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 disolventes 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. ^[2] 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 disolvente (p. ej., el CHCl ₃ , 0,01 % en CDCl ₃ al 99,99 % ). En la actualidad, los disolventes deuterados se suministran habitualmente sin TMS.

Los disolventes deuterados permiten el uso del 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 del RMN . Para proporcionar un bloqueo de deuterio, el RMN monitorea constantemente la frecuencia de resonancia de la señal de deuterio del disolvente y realiza cambios para mantener la frecuencia de resonancia constante. ^[3] Además, la señal de deuterio se puede utilizar para definir con precisión 0 ppm como la frecuencia de resonancia del disolvente de bloqueo y la diferencia entre el disolvente de bloqueo y 0 ppm (TMS) son bien conocidos.$Estilo de visualización B_{0}$$Estilo de visualización B_{0}$

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 espín-espín entre protones. La curva de integración de 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.

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 el 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 , −NO ₂ y halógenos . Estos causan un desplazamiento hacia abajo del campo de aproximadamente 2-4 ppm para átomos de H en C _α (un átomo de C alifático directamente unido al sustituyente en cuestión) y de menos de 1-2 ppm para átomos de H en C _β (un átomo de C alifático unido a C _α ). Los grupos carbonilo , los fragmentos olefínicos y los anillos aromáticos aportan átomos de carbono hibridados sp ² 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 lábiles (−OH, −NH ₂ , −SH ) no tienen un desplazamiento químico característico. Sin embargo, dichas resonancias se pueden identificar por la desaparición de un pico cuando reaccionan con D ₂ O , ya que el deuterio reemplazará a un átomo de protio . Este método se denomina agitación de D ₂ O . Los protones ácidos también se pueden suprimir cuando se utiliza un disolvente que contiene iones de deuterio ácidos (por ejemplo, metanol - d ₄ ). Un método alternativo para identificar protones que no están unidos a carbonos es el experimento de coherencia cuántica simple heteronuclear (HSQC), que correlaciona protones y carbonos que están a un enlace de distancia entre sí. Un hidrógeno que no está unido a un carbono se puede identificar porque no tiene un pico cruzado en el espectro HSQC.

Las intensidades integradas de las señales de RMN son, idealmente, proporcionales a la proporción de los núcleos dentro de la molécula. ^[4] Junto con el desplazamiento químico y las constantes de acoplamiento, las intensidades integradas permiten asignaciones estructurales. Para mezclas, las intensidades de señal se pueden utilizar para determinar proporciones molares. Estas consideraciones son válidas solo cuando se permite un tiempo suficiente para la relajación completa de las señales afectadas, según lo determinado por sus valores T _1. Una complicación adicional surge de la dificultad de integrar señales de formas de línea muy diferentes.

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 por sí mismos un pequeño campo magnético, se influyen entre sí, cambiando 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 hasta a tres enlaces de distancia (acoplamiento 3-J), aunque ocasionalmente puede ser visible a más de cuatro o 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 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 ellas 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 CH ₂ −CH:

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

En consecuencia, el pico de CH a 2,5 ppm se dividirá dos veces por cada protón del CH ₂ . 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:

• La señal de 2,5 ppm + 3,5 Hz se dividirá en 2,5 ppm + 7 Hz y 2,5 ppm.
• La señal de 2,5 ppm − 3,5 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 por 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 triplete y es un indicador de que el protón está formado por tres enlaces de un grupo _CH2 .

Esto se puede extender a cualquier grupo CH _n . Cuando el grupo CH ₂ −CH se cambia a CH ₃ −CH ₂ , manteniendo las constantes de desplazamiento químico y de acoplamiento idénticas, se observan los siguientes cambios:

• Las áreas relativas entre las subunidades CH ₃ y CH ₂ serán 3:2.
• El CH3 _{está acoplado a dos protones en un} triplete 1:2:1 alrededor de 1 ppm.
• El CH ₂ está acoplado a tres protones.

Algo dividido por tres protones idénticos toma una forma conocida como cuarteto , y 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 relación de la n- ésima fila del triángulo de Pascal :

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

Con el 2-metilpropano, (CH ₃ ) ₃ CH, 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 10 picos según la regla de multiplicidad n  + 1. A continuación se muestran las señales de RMN correspondientes a varios multipletes simples de este tipo. Nótese que las líneas externas del noneto (que tienen solo 1/8 de la altura de las del segundo pico) apenas se pueden ver, lo que da un parecido superficial a 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, se verá un triplete de dobletes. En el ejemplo siguiente, la constante de acoplamiento del triplete es mayor que la del 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 tripletes como un triplete de cuartetos. El análisis de dichos multipletes (que pueden ser mucho más complicados que los que se muestran aquí) proporciona pistas importantes sobre la estructura de la molécula que se está estudiando.

Las sencillas reglas para la división de espín-espín de las señales de RMN descritas anteriormente se aplican únicamente si los desplazamientos químicos de los componentes del 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).

Si hay otros núcleos activos en RMN presentes en una molécula, se observará un acoplamiento de 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 espín 1/2 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 se divide por los tres protones. Las constantes de acoplamiento típicas de 2J entre flúor y protones son de aproximadamente 48 Hz; la fuerza del acoplamiento disminuye a 2 Hz en el acoplamiento de 4J. ^[5]

En las fosfinas se pueden observar constantes de acoplamiento aún mayores, especialmente si el protón está unido directamente al fósforo. Las constantes de acoplamiento para estos protones suelen ser de hasta 200 Hz, por ejemplo, en la dietilfosfina, donde la constante de acoplamiento 1J P−H es de 190 Hz. ^[6] Estas constantes de acoplamiento son tan grandes que pueden abarcar distancias superiores a 1 ppm (según el espectrómetro), lo que las hace propensas a superponerse con otras señales de protones en la molécula.

Ocasionalmente, se pueden ver pequeños picos que se apoyan sobre los picos principales de RMN de ¹ H. Estos picos no son el resultado del acoplamiento protón-protón, sino que resultan del acoplamiento de átomos de ^{1 H a un átomo} de carbono-13 ( ¹³ C) adyacente. Estos pequeños picos se conocen como satélites de carbono , ya que son pequeños y aparecen alrededor del pico principal ^{de 1 H, es decir,} satélites (alrededor) de ellos. Los satélites de carbono son pequeños porque solo muy pocas de las moléculas en la muestra tienen ese carbono como el raro isótopo ¹³ C activo en RMN . Como siempre para el acoplamiento debido a un solo núcleo de espín 1/2, la división de la señal para el H unido al ^{13 C es un doblete. El H unido al 12} C más abundante no se divide, 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 la presencia de compañeros 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 de ¹ H, conocidos como bandas laterales giratorias, que están relacionados con la velocidad de giro de un tubo de RMN . Se trata de artefactos experimentales del análisis espectroscópico en sí, no una característica intrínseca del espectro de la sustancia química y ni siquiera están relacionados específicamente con la sustancia química o su estructura.

Los satélites de carbono y las bandas laterales giratorias no deben confundirse con picos de impurezas. ^[7]

• Espectrometría de masas
• Notación Pople : designaciones de letras para sistemas de espín acoplados
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas

• Tutorial de interpretación de RMN 1H
• Base de datos espectral de compuestos orgánicos
• Desplazamientos químicos de los protones
• Amplio conjunto de ejemplos educativos
• [1] Experimento de RMN de protones 1D] RMN 1D