La resonancia magnética nuclear de protones ( RMN de protones , RMN de hidrógeno-1 o RMN de 1H ) es la aplicación de la resonancia magnética nuclear en 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 su moléculas. [1] En muestras donde se utiliza hidrógeno natural (H), prácticamente todo el hidrógeno está formado por 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 simbolizados como D), especialmente para uso en RMN, por ejemplo, agua deuterada , D 2 O, acetona deuterada , (CD 3 ) 2 CO, metanol deuterado , CD 3 OD, dimetilsulfóxido deuterado , (CD 3 ) 2 SO y cloroformo deuterado , CDCl 3 . Sin embargo, también se puede utilizar un disolvente sin hidrógeno, como tetracloruro de carbono , CCl 4 o disulfuro de carbono , CS 2 .
Históricamente, a los disolventes deuterados se les suministraba una pequeña cantidad (normalmente 0,1%) de tetrametilsilano (TMS) como estándar interno para hacer referencia a los desplazamientos químicos de cada protón del analito. TMS es una molécula tetraédrica , en la que todos los protones son químicamente equivalentes y dan una única señal, que se utiliza para definir un desplazamiento químico = 0 ppm. [2] Es volátil , lo que también facilita la recuperación de muestras. Los espectrómetros modernos pueden hacer referencia a espectros basados en el protón residual en el disolvente (por ejemplo, CHCl 3 , 0,01 % en 99,99 % CDCl 3 ). Actualmente, los disolventes deuterados se suministran habitualmente sin TMS.
Los disolventes deuterados permiten el uso de 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 de RMN . Para proporcionar bloqueo de deuterio, la RMN monitorea constantemente la frecuencia de resonancia de la señal de deuterio del solvente y realiza cambios para mantener constante la frecuencia de resonancia. [3] Además, la señal de deuterio se puede utilizar para definir con precisión 0 ppm como frecuencia de resonancia del disolvente de bloqueo y la diferencia entre el disolvente de bloqueo y 0 ppm (TMS) es bien conocida.
Los espectros de RMN de protones de la mayoría de los compuestos orgánicos se caracterizan por cambios químicos en el rango de +14 a -4 ppm y por acoplamiento de 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 de 1,5 ppm y un cuarteto de 3,5 ppm en una proporción de 3:2. El espectro del benceno consta de un único pico de 7,2 ppm debido a la corriente del anillo diamagnético .
Junto con la RMN del carbono 13 , la RMN de protones es una poderosa herramienta para la caracterización de la estructura molecular.
Los valores de desplazamiento químico , simbolizados por δ , no son precisos, pero sí típicos; por lo tanto, deben considerarse principalmente como 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 del 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 quedar desprotegidos por grupos que retiran densidad electrónica. Los núcleos desprotegidos resuenan con valores de δ más altos, mientras que los núcleos protegidos resuenan con valores de δ más bajos.
Ejemplos de sustituyentes aceptores de electrones son -OH , -OCOR , -OR , -NO2 y halógenos . Estos provocan un desplazamiento hacia abajo de aproximadamente 2 a 4 ppm para los átomos de H en C α y de menos de 1 a 2 ppm para los átomos de H en C β . C α es un átomo de C alifático unido directamente al sustituyente en cuestión, y C β es 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 provoca un desplazamiento campo abajo de 1 a 2 ppm en C α .
Tenga en cuenta que los protones lábiles (-OH, -NH 2 , -SH ) no tienen un desplazamiento químico característico. Sin embargo, tales resonancias pueden identificarse por la desaparición de un pico cuando reacciona con D 2 O , ya que el deuterio reemplazará a un átomo de protio . Este método se llama batido D 2 O . Los protones ácidos también pueden suprimirse 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 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 las relaciones molares. Estas consideraciones sólo son válidas cuando se deja tiempo suficiente para que las señales afectadas se relajen por completo, 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 cambio químico , los espectros de RMN permiten asignaciones estructurales en virtud del acoplamiento espín-espín (e intensidades integradas). Debido a que los propios núcleos poseen un pequeño campo magnético, se influyen entre sí, cambiando la energía y, por 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 se produce a través de enlaces químicos y normalmente puede verse hasta a tres enlaces de distancia (acoplamiento 3-J), aunque ocasionalmente puede ser visible a través de cuatro o cinco enlaces, aunque estos tienden a ser considerablemente más débiles.
El efecto del acoplamiento escalar puede entenderse examinando un protón que tiene una señal de 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 a unos pocos hercios superiores a 1 ppm y el otro pico es el mismo número de hercios inferiores a 1 ppm. Cada uno de estos picos tiene la mitad del área del antiguo pico singlete . 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 sería dividido 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 separación de 7 Hz. El espectro tendría dos señales, siendo cada una 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:
En consecuencia, el pico de CH a 2,5 ppm será dividido dos veces por cada protón del CH2 . 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 nuevamente divididos por el segundo protón. Las frecuencias cambiarán en consecuencia:
El resultado neto no es una señal que consta de 4 picos sino de tres: una señal a 7 Hz por encima de 2,5 ppm, dos señales a 2,5 ppm y una final a 7 Hz por debajo de 2,5 ppm. La relación de altura entre ellos es 1:2:1. Esto se conoce como triplete y es un indicador de que el protón tiene tres enlaces de un grupo CH 2 .
Esto se puede extender a cualquier grupo CH n . Cuando el grupo CH 2 -CH se cambia a CH 3 -CH 2 , manteniendo idénticas las constantes de desplazamiento y acoplamiento químico, se observan los siguientes cambios:
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 es dividido por n protones idénticos en componentes cuyos tamaños están en la proporción de la n- ésima fila del triángulo de Pascal :
Debido a que la n- ésima fila 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 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 CH en el espectro se dividiría en diez picos según la regla de multiplicidad (n + 1). A continuación se muestran señales de RMN correspondientes a varios multipletes simples de este tipo. Tenga en cuenta que las líneas exteriores del noneto (que tienen sólo 1/8 de la altura de las del segundo pico) apenas se pueden ver, lo que le da un parecido superficial con 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, entonces se observa un triplete de dobletes. En el siguiente ejemplo, la constante de acoplamiento triplete es mayor que la 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 tercetos como terceto de cuartetos. El análisis de estos multipletes (que pueden ser mucho más complicados que los que se muestran aquí) proporciona pistas importantes sobre la estructura de la molécula que se estudia.
Las reglas simples para la división espín-espín de señales de RMN descritas anteriormente se aplican solo si los desplazamientos químicos de los socios de 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 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 1/2 espín 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 está dividido por los tres protones. Las constantes típicas de acoplamiento 2J entre flúor y protones son aproximadamente 48 Hz; la fuerza del acoplamiento disminuye a 2 Hz en el acoplamiento 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 tan grandes como 200 Hz, por ejemplo en la dietilfosfina, donde la constante de acoplamiento 1J PH es 190 Hz. [6] Estas constantes de acoplamiento son tan grandes que pueden abarcar distancias superiores a 1 ppm (dependiendo del espectrómetro), lo que las hace propensas a superponerse con otras señales de protones en la molécula.
Ocasionalmente, se pueden observar pequeños picos sobre los picos principales de 1H NMR. 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) contiguo. Estos pequeños picos se conocen como satélites de carbono, ya que son pequeños y aparecen alrededor del pico principal 1 H, es decir, satélite (alrededor) de ellos. Los satélites de carbono son pequeños porque sólo muy pocas de las moléculas de la muestra tienen ese carbono como el raro isótopo 13 C activo en RMN . Como siempre ocurre con el acoplamiento debido a un solo núcleo de espín 1/2, la señal que se divide para el H unido al 13 C es un doblete. La H unida al 12 C, más abundante, no está dividida, 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 socios 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 de giro y están relacionados con la velocidad de giro de un tubo de RMN . Estos son artefactos experimentales del propio análisis espectroscópico, no una característica intrínseca del espectro de la sustancia química y ni siquiera están específicamente relacionados con la sustancia química o su estructura.
Los satélites de carbono y las bandas laterales giratorias no deben confundirse con picos de impurezas. [7]
