Desplazamiento químico

En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), el desplazamiento químico es la frecuencia resonante de un núcleo atómico en relación con un estándar en un campo magnético . A menudo, la posición y el número de desplazamientos químicos son diagnósticos de la estructura de una molécula . ^{[1] [2] [3]} Los desplazamientos químicos también se utilizan para describir señales en otras formas de espectroscopia, como la espectroscopia de fotoemisión .

Algunos núcleos atómicos poseen un momento magnético ( espín nuclear ), que da lugar a diferentes niveles de energía y frecuencias de resonancia en un campo magnético. El campo magnético total experimentado por un núcleo incluye campos magnéticos locales inducidos por corrientes de electrones en los orbitales moleculares (los electrones tienen un momento magnético en sí mismos). La distribución de electrones del mismo tipo de núcleo (por ejemplo, ¹ H, ¹³ C, ¹⁵ N ) suele variar según la geometría local (parejas de unión, longitudes de enlace , ángulos entre enlaces, etc.), y con ella el campo magnético local en cada núcleo. Esto se refleja en los niveles de energía de espín (y frecuencias de resonancia). Las variaciones de las frecuencias de resonancia magnética nuclear del mismo tipo de núcleo, debido a variaciones en la distribución de electrones, se denominan desplazamiento químico. El tamaño del desplazamiento químico se da con respecto a una frecuencia de referencia o muestra de referencia (véase también referencia de desplazamiento químico), normalmente una molécula con una distribución de electrones apenas distorsionada.

La frecuencia de funcionamiento (o de Larmor) de un imán (normalmente expresada como valor absoluto en MHz) se calcula a partir de la ecuación de Larmor ^[4].${\displaystyle \omega _{0}}$

${\displaystyle \omega _ {0}=-\gamma B_ {0},}$

donde B ₀ es la inducción del imán (unidades del SI de tesla ), y es la relación magnetogírica del núcleo, una constante fundamental medida empíricamente y determinada por los detalles de la estructura de cada núcleo. Por ejemplo, la frecuencia de operación del protón para un imán de 1 tesla se calcula como${\estilo de visualización \gamma}$

${\displaystyle \omega _{0}=-4,258\cdot 10^{7}~{\frac {\text{Hz}}{\text{T}}}\times 1,000~{\text{T}}=-42,58~{\text{MHz}}.}$

Los escáneres de MRI se suelen denominar por sus intensidades de campo B ₀ (por ejemplo, "un escáner de 7 T"), mientras que los espectrómetros de RMN se denominan comúnmente por la frecuencia de Larmor de protones correspondiente (por ejemplo, "un espectrómetro de 300 MHz", que tiene un B ₀ de 7 T). Si bien el desplazamiento químico se referencia para que las unidades sean equivalentes en diferentes intensidades de campo, la separación de frecuencia real en hercios escala con la intensidad de campo ( B ₀ ). Como resultado, la diferencia de desplazamiento químico entre dos señales (ppm) representa un mayor número de hercios en máquinas que tienen un B ₀ mayor y, por lo tanto, es menos probable que las señales se superpongan en el espectro resultante. Esta mayor resolución es una ventaja significativa para el análisis. (Las máquinas de campo más grande también son favorecidas debido a que tienen una señal intrínsecamente más alta que surge de la distribución de Boltzmann de estados de espín magnético ).

El desplazamiento químico δ se expresa generalmente en partes por millón (ppm) por frecuencia , porque se calcula a partir de ^[5]

${\displaystyle \delta ={\frac {\nu _{\text{muestra}}-\nu _{\text{ref}}}{\nu _{\text{ref}}}},}$

donde ν _muestra es la frecuencia de resonancia absoluta de la muestra y ν _ref es la frecuencia de resonancia absoluta de un compuesto de referencia estándar, medida en el mismo campo magnético aplicado B ₀ . Dado que el numerador suele expresarse en hercios y el denominador en megahercios , δ se expresa en ppm.

Las frecuencias detectadas (en Hz) para los núcleos de ¹ H, ¹³ C y ²⁹ Si se suelen comparar con TMS ( tetrametilsilano ), TSP ( ácido trimetilsililpropanoico ) o DSS , que, según la definición anterior, tienen un desplazamiento químico de cero si se eligen como referencia. Se utilizan otros materiales estándar para establecer el desplazamiento químico de otros núcleos.

Por lo tanto, una señal de RMN observada a una frecuencia 300 Hz mayor que la señal de TMS, donde la frecuencia de resonancia de TMS es 300 MHz, tiene un desplazamiento químico de

${\displaystyle {\frac {300~{\text{Hz}}}{300\times 10^{6}~{\text{Hz}}}}=1\times 10^{-6}=1~{\text{ppm}}.}$

Aunque la frecuencia de resonancia absoluta depende del campo magnético aplicado, el desplazamiento químico es independiente de la intensidad del campo magnético externo. Por otra parte, la resolución de la RMN aumentará con el campo magnético aplicado.

En términos prácticos, se pueden utilizar diversos métodos para referenciar los desplazamientos químicos en un experimento de RMN, que se pueden subdividir en métodos de referencia indirecta y directa . ^[5] La referencia indirecta utiliza un canal distinto al de interés para ajustar correctamente la escala de desplazamiento químico, es decir, la señal del disolvente en el canal de deuterio (bloqueo) se puede utilizar para referenciar el espectro de RMN de ¹ H. ^[5] Tanto la referencia indirecta como la directa se pueden realizar como tres procedimientos diferentes:

1. Referencia interna , donde el compuesto de referencia se agrega directamente al sistema en estudio". ^[5] En esta práctica común, los usuarios ajustan las señales de solvente residual de los espectros de RMN de ¹ H o ¹³ C con tablas espectrales calibradas. ^{[6] [7]} Si se utilizan sustancias distintas del solvente mismo para la referencia interna, la muestra debe combinarse con el compuesto de referencia, lo que puede afectar los cambios químicos.
2. Referencia externa , que implica que la muestra y la referencia se encuentren por separado en tubos cilíndricos coaxiales. ^[5] Con este procedimiento, la señal de referencia sigue siendo visible en el espectro de interés, aunque la referencia y la muestra estén físicamente separadas por una pared de vidrio. Las diferencias de susceptibilidad magnética entre la muestra y la fase de referencia deben corregirse teóricamente, ^[5] lo que reduce la viabilidad de este procedimiento.
3. Método de sustitución : el uso de tubos cilíndricos separados para la muestra y el compuesto de referencia, con (en principio) espectros registrados individualmente para cada uno. ^[5] Similar a la referencia externa, este método permite la referencia sin contaminación de la muestra. Si se utiliza el bloqueo de campo/frecuencia a través de la señal ² H del disolvente deuterado y los disolventes de referencia y analito son los mismos, el uso de este método es sencillo. Pueden surgir problemas si se utilizan diferentes disolventes para el compuesto de referencia y la muestra ya que (al igual que para la referencia externa) las diferencias de susceptibilidad magnética deben corregirse teóricamente. ^{[5] [8]} Si este método se utiliza sin bloqueo de campo/frecuencia, deben evitarse los procedimientos de calce entre la muestra y la referencia ya que cambian el campo magnético aplicado (y por lo tanto influyen en el desplazamiento químico). ^[5]

Los espectrómetros de RMN modernos suelen utilizar la escala absoluta, ^{[8] [5]} que define la señal de ¹ H de TMS como 0 ppm en RMN de protones y las frecuencias centrales de todos los demás núcleos como porcentaje de la frecuencia de resonancia de TMS: ^{[5] [8]}

${\displaystyle \Xi [\%]=100\times {\frac {\upsilon _{X}^{\text{obs}}}{\upsilon _{\text{TMS}}^{\text{obs}}}}.}$

El uso del canal de deuterio (bloqueo), es decir, la señal ² H del disolvente deuterado, y el valor Ξ de la escala absoluta es una forma de referencia interna y es particularmente útil en la espectroscopia de RMN heteronuclear, ya que los compuestos de referencia locales pueden no estar siempre disponibles o no usarse fácilmente (es decir, NH3 líquido _para la espectroscopia de RMN ¹⁵ N). Este sistema, sin embargo, se basa en desplazamientos químicos de RMN ^{2 H determinados con precisión enlistados en el software del espectrómetro y valores Ξ determinados correctamente por la IUPAC. [5] [8]} Un estudio reciente para la espectroscopia de RMN ¹⁹ F reveló que el uso de la escala absoluta y la referencia interna basada en bloqueo condujo a errores en los desplazamientos químicos. ^{[9] [10]} Estos pueden anularse mediante la inclusión de compuestos de referencia calibrados. ^{[9] [10]}

Los electrones alrededor de un núcleo circularán en un campo magnético y crearán un campo magnético inducido secundario . Este campo se opone al campo aplicado como lo estipula la ley de Lenz y, por lo tanto, los átomos con campos inducidos más altos (es decir, mayor densidad electrónica) se denominan blindados , en relación con aquellos con menor densidad electrónica. Los grupos alquilo donadores de electrones , por ejemplo, conducen a un mayor blindaje, mientras que los sustituyentes atractores de electrones , como los grupos nitro, conducen al desblindaje del núcleo. No solo los sustituyentes causan campos inducidos locales. Los electrones enlazados también pueden conducir a efectos de blindaje y desblindaje. Un ejemplo sorprendente de esto son los enlaces pi en el benceno . La corriente circular a través del sistema hiperconjugado causa un efecto de blindaje en el centro de la molécula y un efecto de desblindaje en sus bordes. Las tendencias en el desplazamiento químico se explican en función del grado de blindaje o desblindaje.

Se ha descubierto que los núcleos resuenan en un amplio rango a la izquierda (o, más raramente, a la derecha) del estándar interno. Cuando se encuentra una señal con un desplazamiento químico mayor:

• El campo magnético efectivo aplicado es menor si la frecuencia de resonancia es fija (como en los antiguos espectrómetros CW tradicionales).
• La frecuencia es mayor cuando el campo magnético aplicado es estático (caso normal en los espectrómetros FT)
• El núcleo está más desprotegido
• La señal o desplazamiento es de campo descendente o de campo bajo o paramagnético.

Por el contrario, un desplazamiento químico más bajo se denomina desplazamiento diamagnético y se produce en campo superior y más protegido.

En las moléculas reales, los protones están rodeados por una nube de carga debido a los enlaces y átomos adyacentes. En un campo magnético aplicado ( B ₀ ) circulan los electrones y producen un campo inducido ( B _i ) que se opone al campo aplicado. El campo efectivo en el núcleo será B = B ₀ − B _i . Se dice que el núcleo está experimentando un blindaje diamagnético.

Los factores importantes que influyen en el desplazamiento químico son la densidad electrónica, la electronegatividad de los grupos vecinos y los efectos del campo magnético inducido anisotrópico.

La densidad electrónica protege al núcleo del campo externo. Por ejemplo, en la RMN de protones, el ion tropilio , pobre en electrones , tiene sus protones en el campo inferior a 9,17 ppm, los del anión ciclooctatetraenilo, rico en electrones, se mueven en el campo superior a 6,75 ppm y su dianión aún más en el campo superior a 5,56 ppm.

Un núcleo en la proximidad de un átomo electronegativo experimenta una densidad electrónica reducida y, por lo tanto, el núcleo queda desprotegido. En la RMN de protones de haluros de metilo (CH ₃ X), el desplazamiento químico de los protones de metilo aumenta en el orden I < Br < Cl < F de 2,16 ppm a 4,26 ppm, lo que refleja esta tendencia. En la RMN de carbono, el desplazamiento químico de los núcleos de carbono aumenta en el mismo orden de alrededor de −10 ppm a 70 ppm. Además, cuando el átomo electronegativo se aleja aún más, el efecto disminuye hasta que ya no se puede observar.

Los efectos del campo magnético inducido anisotrópico son el resultado de un campo magnético inducido local experimentado por un núcleo resultante de la circulación de electrones que puede ser paramagnético cuando es paralelo al campo aplicado o diamagnético cuando es opuesto a él. Se observa en alquenos donde el doble enlace está orientado perpendicularmente al campo externo con electrones pi circulando igualmente en ángulos rectos. Las líneas del campo magnético inducido son paralelas al campo externo en la ubicación de los protones del alqueno que, por lo tanto, se desplazan hacia abajo en un rango de 4,5 ppm a 7,5 ppm. El espacio tridimensional donde se produce un desplazamiento diamagnético se denomina zona de protección con una forma similar a un cono alineada con el campo externo.

Los protones en compuestos aromáticos se desplazan aún más hacia el campo con una señal para benceno a 7,73 ppm como consecuencia de una corriente de anillo diamagnético .

Los protones de los alquinos, por el contrario, resuenan en un campo alto en un rango de 2 a 3 ppm. Para los alquinos, la orientación más eficaz es el campo externo en paralelo con la circulación de electrones alrededor del triple enlace. De esta manera, los protones acetilénicos se ubican en la zona de protección en forma de cono, de ahí el desplazamiento hacia arriba del campo.

^{El 1H} y ^{el 13C} no son los únicos núcleos susceptibles de ser analizados mediante RMN. También se pueden detectar varios núcleos diferentes, aunque el uso de estas técnicas es generalmente poco frecuente debido a la pequeña sensibilidad relativa de los núcleos en cuestión en los experimentos de RMN (en comparación con ^{el 1H} ), y el otro factor que explica su uso poco frecuente es su escasa representación en la naturaleza y en los compuestos orgánicos.

¹ H, ¹³ C, ¹⁵ N, ¹⁹ F y ³¹ P son los cinco núcleos que tienen mayor importancia en los experimentos de RMN:

• ¹ H debido a su alta sensibilidad y amplia presencia en compuestos orgánicos.
• ¹³ C por ser el componente clave de todos los compuestos orgánicos a pesar de presentarse en baja abundancia (1,1 %) en comparación con el isótopo principal del carbono ¹² C, que tiene un espín de 0 y por lo tanto es inactivo ante RMN.
• ¹⁵ N por ser un componente clave de biomoléculas importantes como las proteínas y el ADN.
• ¹⁹ F debido a la alta sensibilidad relativa
• ³¹ P debido a su frecuente presencia en compuestos orgánicos y a su sensibilidad relativa moderada.

En general, la mayor relación señal-ruido y resolución asociada ha impulsado un movimiento hacia intensidades de campo cada vez más altas. Sin embargo, en casos limitados, se prefieren campos más bajos; los ejemplos son para sistemas en intercambio químico, donde la velocidad del intercambio en relación con el experimento de RMN puede causar un ensanchamiento adicional y confuso del ancho de línea. De manera similar, si bien generalmente se prefiere evitar el acoplamiento de segundo orden , esta información puede ser útil para la elucidación de estructuras químicas. Usando pulsos de reenfoque colocados entre el registro de puntos sucesivos de la desintegración por inducción libre , de manera análoga a la técnica de eco de espín en MRI, la evolución del desplazamiento químico se puede escalar para proporcionar espectros aparentes de campo bajo en un espectrómetro de campo alto. ^[12] De manera similar, es posible aumentar la escala del efecto del acoplamiento J en relación con el desplazamiento químico usando secuencias de pulsos que incluyen períodos adicionales de evolución del acoplamiento J intercalados con evoluciones de espín convencionales. ^[13]

El desplazamiento de Knight (reportado por primera vez en 1949) y la regla de Shoolery se observan con metales puros y grupos metileno , respectivamente. El desplazamiento químico de RMN en su significado actual apareció por primera vez en revistas en 1950. Los desplazamientos químicos con un significado diferente aparecen en la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X como el desplazamiento en la energía a nivel del núcleo atómico debido a un entorno químico específico. El término también se utiliza en la espectroscopia de Mössbauer , donde, de manera similar a la RMN, se refiere a un desplazamiento en la posición del pico debido al entorno de enlace químico local. Como es el caso de la RMN, el desplazamiento químico refleja la densidad electrónica en el núcleo atómico. ^[14]

• chem.wisc.edu
• Banco de BiomagRes
• Tabla de RMN
• Desplazamientos químicos de protones
• Desplazamientos químicos del carbono
• Tutoriales en línea (generalmente implican el uso combinado de IR , ¹ H RMN , ¹³ C RMN y espectrometría de masas )
  • Conjunto de problemas 1 (consulte también este enlace para obtener más información sobre el acoplamiento espín-espín)
  • Conjunto de problemas 2
  • Conjunto de problemas 4
  • Conjunto de problemas 5
  • Soluciones combinadas de los problemas 5 (problemas 1 a 32) y (problemas 33 a 64)