En la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), el desplazamiento químico es la frecuencia de resonancia de un núcleo atómico en relación con un estándar en un campo magnético . A menudo, la posición y el número de cambios químicos son diagnósticos de la estructura de una molécula . [1] [2] [3] Los cambios 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 ellos mismos). La distribución de electrones de un mismo tipo de núcleo (por ejemplo, 1 H, 13 C, 15 N ) suele variar según la geometría local (compañeros 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 del espín (y las frecuencias de resonancia). Las variaciones de las frecuencias de resonancia magnética nuclear de un mismo tipo de núcleo, debido a variaciones en la distribución de electrones, se denomina desplazamiento químico. El tamaño del desplazamiento químico se da con respecto a una frecuencia de referencia o muestra de referencia (ver también referencia de desplazamiento químico), generalmente una molécula con una distribución de electrones apenas distorsionada.
La frecuencia de funcionamiento (o de Larmor) de un imán (generalmente expresada como valor absoluto en MHz) se calcula a partir de la ecuación de Larmor [4]
donde B 0 es la inducción del imán (unidades 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 funcionamiento de los protones para un imán de 1 Tesla se calcula como:
Los escáneres de resonancia magnética a menudo se denominan 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 correspondiente frecuencia de protón de Larmor (por ejemplo, "un espectrómetro de 300 MHz", que tiene una B 0 de 7T). Si bien se hace referencia al cambio químico para que las unidades sean equivalentes en diferentes intensidades de campo, la separación de frecuencia real en escalas de Hertz con la intensidad del campo ( B 0 ). Como resultado, la diferencia de desplazamiento químico entre dos señales (ppm) representa una mayor cantidad de Hertz en máquinas que tienen 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 grandes también se ven favorecidas debido a que tienen una señal intrínsecamente más alta que surge de la distribución de Boltzmann de los estados de espín magnético ).
El desplazamiento químico δ generalmente se expresa en partes por millón (ppm) por frecuencia , porque se calcula a partir de: [5]
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 generalmente se comparan con TMS ( tetrametilsilano ), TSP ( ácido trimetilsililpropanoico ) o DSS , que según la definición anterior tienen un desplazamiento químico de cero si se eligen como la referencia. Se utilizan otros materiales estándar para establecer el desplazamiento químico de otros núcleos.
Por tanto, una señal de RMN observada a una frecuencia 300 Hz superior a la señal del TMS, donde la frecuencia de resonancia del TMS es de 300 MHz, tiene un desplazamiento químico de:
Aunque la frecuencia de resonancia absoluta depende del campo magnético aplicado, el desplazamiento químico es independiente de la intensidad del campo magnético externo. Por otro lado, la resolución de la RMN aumentará con el campo magnético aplicado.
En la práctica, se pueden utilizar diversos métodos para hacer referencia a los cambios químicos en un experimento de RMN, que se pueden subdividir en métodos de referencia indirectos y directos . [5] La referencia indirecta utiliza un canal distinto del 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 hacer referencia al espectro de 1 H NMR. [5] Tanto la referencia indirecta como la directa se pueden realizar mediante tres procedimientos diferentes:
Los espectrómetros de RMN modernos suelen utilizar la escala absoluta, [8] [5] que define la señal 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]
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 espectroscopía de RMN heteronuclear, ya que los compuestos de referencia locales pueden no ser siempre estar disponibles o ser fácilmente utilizados (es decir, NH 3 líquido para espectroscopía de RMN de 15 N). Este sistema, sin embargo, se basa en cambios químicos de 2 H NMR determinados con precisión registrados en el software del espectrómetro y valores de Ξ determinados correctamente por la IUPAC. [5] [8] Un estudio reciente sobre espectroscopía de RMN de 19 F reveló que el uso de la escala absoluta y la referencia interna basada en bloqueos conducía a errores en los cambios 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 secundario inducido . Este campo se opone al campo aplicado como lo estipula la ley de Lenz y los átomos con campos inducidos más altos (es decir, mayor densidad electrónica) se denominan, por lo tanto, 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 aceptores de electrones , como los grupos nitro, conducen a un desprotección del núcleo. No sólo los sustituyentes provocan campos inducidos locales. Los electrones enlazados también pueden provocar efectos de blindaje y desprotección. Un ejemplo sorprendente de esto son los enlaces pi del benceno . La corriente circular a través del sistema hiperconjugado provoca un efecto de protección en el centro de la molécula y un efecto de desprotección en sus bordes. Las tendencias en el cambio químico se explican en función del grado de blindaje o desprotección.
Se encuentra 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:
Por el contrario, un desplazamiento químico más bajo se denomina desplazamiento diamagnético , está hacia arriba y está más protegido.
En las moléculas reales, los protones están rodeados por una nube de carga debido a enlaces y átomos adyacentes. En un campo magnético aplicado ( B 0 ) los electrones circulan 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 cambio químico son la densidad de electrones, 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 hacia arriba hasta 6,75 ppm y su dianión aún más hacia arriba hasta 5,56 ppm.
Un núcleo en las proximidades 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, desde alrededor de -10 ppm a 70 ppm. Además, cuando el átomo electronegativo se aleja, el efecto disminuye hasta que ya no se puede observar.
Los efectos anisotrópicos del campo magnético inducido 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 se opone a él. Se observa en los alquenos donde el doble enlace está orientado perpendicular al campo externo y los electrones pi también circulan en ángulo recto. 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 cambio diamagnético se llama zona de blindaje y tiene una forma cónica alineada con el campo externo.
Los protones en los compuestos aromáticos se desplazan aún más hacia abajo con una señal para el benceno de 7,73 ppm como consecuencia de una corriente de anillo diamagnético .
Los protones 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 este modo, los protones acetilénicos se sitúan en la zona de protección en forma de cono, de ahí el desplazamiento hacia arriba.
1 H y 13 C no son los únicos núcleos susceptibles a los experimentos de RMN. También se pueden detectar varios núcleos diferentes, aunque el uso de tales técnicas es generalmente raro debido a las pequeñas sensibilidades relativas en los experimentos de RMN (en comparación con 1 H) de los núcleos en cuestión, siendo el otro factor de uso poco común su escasa representación en Naturaleza y 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:
En general, el aumento asociado de la relación señal/ruido y de la resolución ha impulsado un movimiento hacia intensidades de campo cada vez más altas. Sin embargo, en casos limitados se prefieren campos más bajos; Algunos ejemplos son los sistemas de 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, aunque generalmente se prefiere evitar el acoplamiento de segundo orden , esta información puede ser útil para dilucidar estructuras químicas. Usando pulsos de reenfoque colocados entre el registro de puntos sucesivos de la decadencia de inducción libre , de manera análoga a la técnica de eco de espín en la resonancia magnética, la evolución del cambio químico se puede escalar para proporcionar espectros aparentes de campo bajo en un espectrómetro de campo alto. [12] De manera similar, es posible aumentar el efecto del acoplamiento J en relación con el cambio químico utilizando secuencias de pulsos que incluyen períodos de evolución del acoplamiento J adicionales intercalados con evoluciones de espín convencionales. [13]
El desplazamiento de Knight (informado por primera vez en 1949) y la regla de Shoolery se observan con metales puros y grupos metileno , respectivamente. El cambio químico por RMN en su significado actual apareció por primera vez en revistas en 1950. Los cambios químicos con un significado diferente aparecen en la espectroscopia de fotoelectrones de rayos X como el cambio en la energía a nivel del núcleo atómico debido a un entorno químico específico. El término también se utiliza en espectroscopia de Mössbauer , donde, de manera similar a la RMN, se refiere a un cambio 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]