Resonancia magnética nuclear de carbono-13

Método analítico

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 (¹
yo
RMN) y permite la identificación de átomos de carbono en una molécula orgánica de la misma manera que la RMN de protones identifica átomos de hidrógeno . La RMN ^{de 13} C detecta solo los átomos de carbono en una molécula orgánica.¹³
do
Isótopo . El principal isótopo del carbono,¹²
do
no produce una señal de RMN. Aunque es aproximadamente 1 millón de veces menos sensible que la espectroscopia de RMN de ^1H , la espectroscopia de RMN de 13C se usa ampliamente para caracterizar ^compuestosorgánicos 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. ^[1] Al mismo tiempo, dichos espectros carecen de información cuantitativa sobre las proporciones atómicas de 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 de los átomos de carbono con un menor número de H, y porque la relajación completa de los núcleos de 13C generalmente no se logra (con el fin de reducir el tiempo del experimento), y los núcleos con tiempos de relajación más cortos producen señales más intensas.

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

Receptividad

^{La espectroscopia de RMN de 13} C es mucho menos sensible (aproximadamente 4 órdenes de magnitud) al carbono que la espectroscopia de RMN de ¹ H al hidrógeno, debido a la menor abundancia (1,1 %) de ¹³ C en comparación con ¹ H (>99 %), y debido a un momento magnético nuclear menor (0,702 frente a 2,8) . En términos equivalentes, la relación giromagnética (6,728284 10 ⁷ rad T ⁻¹ s ⁻¹ ) es solo 1/4 de la de ¹ H. ^[2]

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

Desplazamientos químicos

Las desventajas en la "receptividad" se compensan con la alta sensibilidad de las señales de RMN ^{de 13} C 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 ¹ H están fuertemente influenciados por los estados excitados (contribución "paramagnética" al tensor de apantallamiento. Esta contribución paramagnética no está relacionada con el paramagnetismo ). ^[3] Por ejemplo, la mayoría de las señales de RMN ^{de 1} H para la mayoría de los compuestos orgánicos están dentro de las 15 ppm.

El estándar de referencia de desplazamiento químico para ¹³ C son los carbonos en tetrametilsilano (TMS), ^[4] cuyo desplazamiento químico se establece en 0,0 ppm a cada temperatura.

Desplazamientos químicos típicos en RMN de ¹³ C

Constantes de acoplamiento

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

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

Implementación

Sensibilidad

Como consecuencia de la baja receptividad, la espectroscopia de RMN ^{de 13} C 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 (típicamente de 10 mm de diámetro para RMN ^{de 13} C frente a 5 mm para RMN ^{de 1} H). Los reactivos de relajación permiten una pulsación más rápida. ^[5] Un agente de relajación típico es el acetilacetonato de cromo (III) . Para una muestra típica, registrar un espectro de RMN ^{de 13} C puede requerir varias horas, en comparación con los 15 a 30 minutos para RMN ^{de 1 H. 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. ^[6] Una medida final 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. ^[7] La desventaja es que las criosondas son costosas.

Modos de acoplamiento

Otra complicación potencial resulta de la presencia de grandes constantes de acoplamiento J de un enlace entre el carbono y el hidrógeno (normalmente de 100 a 250 Hz). Aunque potencialmente informativos, estos acoplamientos pueden complicar los espectros y reducir la sensibilidad. Por estas razones, los espectros de RMN de ¹³ C se registran normalmente con desacoplamiento de RMN de protón . Los acoplamientos entre carbonos pueden ignorarse debido a la baja abundancia natural de ¹³ C. Por lo tanto, en contraste con los espectros de RMN de protón 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. ^[8]

En contraste con la RMN ^1H , las intensidades de las señales a menudo no son proporcionales al número de átomos de ¹³ C equivalentes. En cambio, la intensidad de la señal está fuertemente influenciada por (y es proporcional a) el número de espines circundantes (típicamente ^1H ). Las integraciones son más cuantitativas si los tiempos de retardo son largos, es decir, si los tiempos de retardo exceden en gran medida los tiempos de relajación .

Los modos más comunes de registro de espectros de ^{13 C son el desacoplamiento de ruido de protones (también conocido como desacoplamiento de ruido, de protones o de banda ancha), el desacoplamiento fuera de resonancia y el desacoplamiento controlado. Estos modos están pensados para abordar los grandes valores de J para}¹³ C - H (110–320 Hz), ¹³ C - C - H (5–60 Hz) y ^{13 C - C - C - H (5–25 Hz) que de otro modo hacen que los espectros}^{de 13} C completamente acoplados a protones sean difíciles de interpretar. ^[9]

En 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 (por ejemplo, 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 eficaz, 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 implicados. ^[10]

Las intensidades relativas no son confiables porque algunos carbonos tienen un tiempo de relajación de espín-red más grande y otros tienen una mejora de NOE más débil. ^[9]

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 13} C mediante integración, a un costo de la mitad a dos tercios de la sensibilidad general. ^[9]

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 ¹³ C, 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). ^[9]

Mejora sin distorsión mediante espectros de transferencia de polarización

El método de RMN de mejora sin distorsión por transferencia de polarización (DEPT) ^{[11] se utiliza para determinar la presencia de átomos}de carbono primarios, secundarios y terciarios . El experimento DEPT diferencia entre grupos CH, CH ₂ y CH ₃ mediante la variación del parámetro de ángulo de selección (el ángulo de la punta del pulso final ^{de 1} H): un ángulo de 135° da todos los grupos CH y CH ₃ en una fase opuesta a CH ₂ ; 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 de ¹ H a ¹³ C tiene la ventaja secundaria de aumentar la sensibilidad sobre el espectro normal de ¹³ C (que tiene una mejora modesta debido al efecto Overhauser nuclear (NOE) debido al desacoplamiento de ¹ H).

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 protón unido (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, I ₂ S e I ₁ S, I ₃ S: el primero aparecerá como picos positivos en el espectro, mientras que el segundo como picos negativos (apuntando hacia abajo), al tiempo 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 confiable que se emplea con frecuencia como un primer intento de asignar picos en el espectro y dilucidar la estructura. ^[12] Además, las señales de carbonos cuaternarios y otros carbonos sin protones unidos aún son detectables, por lo que en muchos casos no se requiere un espectro ¹³ C convencional adicional, lo que es una ventaja sobre DEPT. Sin embargo, a veces es posible que una señal CH y CH _{2 tengan desplazamientos químicos coincidentemente equivalentes que resulten en la anulación en el espectro APT debido a las fases opuestas. Por esta razón, ocasionalmente también se adquiere el espectro}¹³ C{ ¹ H} convencional o HSQC.

Véase también

Referencias

^ Brian E. Mann, Brian F. Taylor (1981). Datos de RMN de ¹³C para compuestos organometálicos . Academic Press. ISBN 9780124691506.
^ RM Silverstein; GC Bassler; TC Morrill (1991). Identificación espectrométrica de compuestos orgánicos . Wiley. ISBN 9780471634041.
^ Peter Atkins (2009). Química física (5.ª ed.). Freeman.
^ "La teoría de la RMN - Desplazamiento químico". Archivado desde el original el 23 de enero de 2015. Consultado el 23 de enero de 2014 .
^ Caytan E, Remaud GS, Tenailleau E, Akoka S (2007). " Resonancia magnética nuclear ^{de 13} C cuantitativa precisa y exacta con tiempo experimental reducido". Talanta . 71 (3): 1016–1021. doi :10.1016/j.talanta.2006.05.075. PMID 19071407.
^ "Medición de espectros de RMN de 13C". Universidad de Wisconsin .
^ Molinski, Tadeusz F. (2010). "Resonancia magnética nuclear de productos naturales a escala nanométrica"". Informes de productos naturales . 27 (3): 321–9. doi :10.1039/B920545B. PMID 20179874.
^ "Introducción a la RMN del carbono". Universidad de Puget Sound.
^ abcd Lal Dhar Singh Yadav (13 de agosto de 2013). Espectroscopia orgánica. Springer. págs. 197-199. ISBN 9781402025754.
^ Pavia, Donald L., ed. (2009). Introducción a la espectroscopia (4.ª ed.). Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. ISBN 978-0-495-11478-9.
^ Doddrell, DM; Pegg, DT; Bendall, MR (1982). "Mejora sin distorsión de señales de RMN mediante transferencia de polarización". J. Magn. Reson . 48 (2): 323–327. Bibcode :1982JMagR..48..323D. doi :10.1016/0022-2364(82)90286-4.
^ Keeler, James (2010). Entendiendo la espectroscopia de RMN (2.ª ed.). John Wiley & Sons . pág. 457. ISBN 978-0-470-74608-0.

Enlaces externos

Espectros de RMN de carbono, donde hay tres espectros de ftalato de etilo, éster etílico del ácido ortoftálico : completamente acoplado, completamente desacoplado y desacoplado fuera de resonancia (en este orden).
Para una tabulación ampliada de los desplazamientos de 13C y las constantes de acoplamiento.

[1] Brian E. Mann, Brian F. Taylor (1981). Datos de RMN de ¹³C para compuestos organometálicos . Academic Press. ISBN 9780124691506.

[2] RM Silverstein; GC Bassler; TC Morrill (1991). Identificación espectrométrica de compuestos orgánicos . Wiley. ISBN 9780471634041.

[3] Peter Atkins (2009). Química física (5.ª ed.). Freeman.

[4] "La teoría de la RMN - Desplazamiento químico". Archivado desde el original el 23 de enero de 2015. Consultado el 23 de enero de 2014 .

[5] Caytan E, Remaud GS, Tenailleau E, Akoka S (2007). " Resonancia magnética nuclear ^{de 13} C cuantitativa precisa y exacta con tiempo experimental reducido". Talanta . 71 (3): 1016–1021. doi :10.1016/j.talanta.2006.05.075. PMID 19071407.

[6] "Medición de espectros de RMN de 13C". Universidad de Wisconsin .

[7] Molinski, Tadeusz F. (2010). "Resonancia magnética nuclear de productos naturales a escala nanométrica"". Informes de productos naturales . 27 (3): 321–9. doi :10.1039/B920545B. PMID 20179874.

[8] "Introducción a la RMN del carbono". Universidad de Puget Sound.

[Yadav-9] Lal Dhar Singh Yadav (13 de agosto de 2013). Espectroscopia orgánica. Springer. págs. 197-199. ISBN 9781402025754.

[10] Pavia, Donald L., ed. (2009). Introducción a la espectroscopia (4.ª ed.). Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. ISBN 978-0-495-11478-9.

[11] Doddrell, DM; Pegg, DT; Bendall, MR (1982). "Mejora sin distorsión de señales de RMN mediante transferencia de polarización". J. Magn. Reson . 48 (2): 323–327. Bibcode :1982JMagR..48..323D. doi :10.1016/0022-2364(82)90286-4.

[12] Keeler, James (2010). Entendiendo la espectroscopia de RMN (2.ª ed.). John Wiley & Sons . pág. 457. ISBN 978-0-470-74608-0.