RMN

¿Qué le sucede a un núcleo en un campo magnético externo?

Propiedades del núcleo magnético

¿Qué es?

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Espectros

Equipamiento

Entorno magnéticodel núcleo

Usos

EQUIPO DE RMN

En vacío y aislado térmicamente

Consiste en : - imán - un emisor de radiofrecuencia: 200,300, 400, 500 y 600 MHz - un detector de radiofrecuencia - registrador

Luego de exponer la muestra en un campo magnético intenso ( B0 ) todos los núcleos sufren una cuantización direccional según el director de campo magnético. Esto es una orientación en el eje z:

El número de estados cuánticos magnéticos que será capaz de adoptar un núcleo isotópico, y por ende el número de orientaciones, depende del I

Momento angular

Momento magnético

El ΔE entre los estados energéticos de un núcleo estará determinado por el campo magnético externo (Bo) que genere el imán superconductor del equipo de RMN utilizado en dicho experimento

núcleo

γH = 4 γC

equipo utilizado

¿Cómo se relaciona el ΔE de cada estado con la frecuencia?

Frecuencia de precesión = frecuencia del giro

Frecuencia de Larmor

Es posible conocer la energía cuantizada que se debe entregar a un núcleo para que pase de un estado discreto a otro

CONDICIÓN DE RESONANCIA

Solo haciendo interaccionar al núcleo con una radiación de: Eradiación = ΔE estados discretos del núcleo éste podrá absorber la energía necesaria para pasar de un estado a otro

ECUACIÓN DE RESONANCIA Cuando la energía entregada a un núcleo es la cuánticamente necesaria para producir la transición de un núcleo de un estado a otro.

SEÑAL EN RMN

ECUACIÓN DE RESONANCIA

Luego de absorber energía un núcleo se encuentra en una situación alejada del equilibrio y desfavorable energéticamente, por lo que tiende a volver al estado de menor energía. Para esto debe liberar dicho exceso de energía, el cual contiene la misma magnitud energética que fue absorbida, E = h.ν . Así, la radiación electromagnética emitida por el núcleo tiene asociada una frecuencia idéntica a la que se usó para llevarlo de un estado discreto a otro.

En RMN se detecta la energía emitida por el núcleo por medio de su componente de frecuencia. Esta frecuencia depende del núcleo y del magneto del equipo en el cual estemos trabajando.

Campo Magnético Externo B0 y B1

La muestra es sometida a dos campos externos: * se mantiene constante, no puede ser variado. * actúa durante todo el experimento, y los núcleos bajo su influencia van a orientarse según su director de campo y van a establecer las diferencias energéticas de sus estados discretos (ΔE) según su magnitud, lo que llevará a la distribución poblacional de núcleos. * permite diferenciar a los núcleos que están en estado de mayor o menor energía y no distribuidos al azar como en el campo magnético terrestre. *alternante que se genera a circular corriente alterna (MHz) por la bobina ubicada cerca de la muestra. * actúa sólo cuando se desee entregar energía a la muestra para excitarla y la posterior relajación/emisión por parte de los núcleos presentes. * una vez establecido el equilibrio por el B0, el B1 va a actuar un tiempo muy corto pero con una intensidad muy alta que alcanza a reorientar a los núcleos en otra dirección con la consiguiente entrega de energía (sin alterar los estados energéticos, ni la distribución poblacional). * luego de que se retira el B1 la situación de equilibrio vuelve a estar regida por B0 por lo que los núcleos se reorientan según este último y liberan energía que la misma bobina detectará, actuando como antena de recepción.

B0

B1

Campo Magnético Externo B0

Campo Magnético Externo B1 ¿Cómo llegar a la condición de resonancia?

• Por la variación de la frecuencia de irradiación de la muestra

• Por variación el campo magnético externo

Desplazamiento Químico en RMN

Normalización de la frecuencia

Desplazamiento Químico en RMNNormalización de la frecuencia

Los B0 de cada equipo de RMN influirán en la frecuencia de precesión de cada núcleo. Por ejemplo: Un 1H de una molécula de etanol que precesa cerca de los 100 MHz en un equipo de 2,35 T, lo hace cerca de 200 MHz en un equipo de 4,73 T. Para independizarse de la frecuencia de precesión con el campo luego de la adquisición de datos se realiza la normalización de los datos de frecuencia del eje de abscisas. La normalización de las frecuencias detectadas se hace mediante la comparación de la señal de la muestra con la de una sustancia de referencia que se agrega a la misma: Tetrametilsilano (TMS): Si (CH3)4 Sustancia de referencia = Núcleos protegidos : δ = 0ppm

Desplazamiento Químico en RMN

Desplazamiento Químico en RMN

Luego de la normalización, el δ es independiente del equipo

Espectro normalizado

Desplazamiento Químico en RMN

• Efecto Inductivo
• Fuerzas de van der Waals
• Hibridización del C
• Anisotropía de la suceptibilidad magnética de enlace
• Formación de puentes de Hidrógeno
• Hidrógenos ácidos
• Conjugación

Desacople

Acoplamiento

RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

Resolución

Sensibilidad

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Cuando dos núcleos no tienen igual entorno químico su Bef es diferente

Además de los electrones, otros núcleos en la molécula también generan campos magnéticos locales, y si estos están unidos geminalmente (C-H) o a pocos enlaces de distancia del núcleo en estudio, su campo magnético va a tener influencia sobre el Bef del núcleo.

Bef = B0(+ / - )Bentorno electrónico(+ / - )Bentorno magnético

Un núcleo vecino al de estudio también adoptará dos orientaciones, +1/2 y -1/2 ( α y β respectivamente)

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

sin considerar acoplamiento spin-spin.

considerarando acoplamiento spin-spin.

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

J: fenómeno intrínseco a la interacción de dos núcleos y es independiente de las condiciones experimentales

Pero...

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

El J es mayor cuanto menor es el número de enlaces entre los cuales está involucrado el acoplamiento La fuerza del acoplamiento disminuye a medida que aumenta el número de enlaces químicos entre los núcleos

El acoplamiento spin-spin sucede a través de los enlaces químicos, no a través del espacio

La forma de expresar J en general es:

• J : constante de acoplamiento
• n : número de enlaces que hay entre un núcleo y el otro (en el caso anterior de Ha y Hx caso sería 3)
• a-x: núcleos que interaccionan.

Por ejemplo: 3J Ha-Hx

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Química del carbono

NOTAR: Para detectar el acoplamiento C-C, ambos deben ser 13C, lo que tiene muy baja probabilidad y por ende no es detectable experimentalmente.

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Interpretación de señales (Diagrama del árbol invertido)Núcleos Equivalentes

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Interpretación de señales (Diagrama del árbol invertido)Núcleos Equivalentes

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Interpretación de señales (Diagrama del árbol invertido)Núcleos NO Equivalentes

Acoplamiento/Desdoblamiento Spin-Spin

Interpretación de señales (Diagrama del árbol invertido)Núcleos NO Equivalentes

DESACOPLE

• Se aplica para interpretar espectros de RMN de moléculas complejas que pueden resultar muy difíciles de interpretar.

• Anula el programada del acoplamiento spin-spin.

Pueden ser: - heteronucleares: cuando se desacopla un núcleo diferente al que se está estudiando - homonucleares: cuando se desacopla un núcleo particular del que está siendo estudiado. No selectivas o selectivas

DESACOPLE

Desacople no selectivo o de banda ancha

Desacople selectivo

Desacople fuera de resonancia (SFORD)

Sensibilidad

miligramos/ml para obtener una señal apreciable

Sensibilidad

Recordar que necesitamos más núcleos en posición α para aumentar la señal: debe existir un exceso poblacional a favor del campo magnético.

Para aumentar el Nα y aumentar la sensibilidad:

Disminuir la temperatura

Aumentar B0

Sensibilidad

Recordar que necesitamos más núcleos en posición α para aumentar la señal: debe existir un exceso poblacional a favor del campo magnético.

Para aumentar el Nα y aumentar la sensibilidad:

Constante giromagnética

El γ del núcleo de 1H es cuatro veces mayor al del 13C, y por lo tanto la sensibilidad del hidrógeno comparada con la del carbono sería también mayor.

Sensibilidad

Recordar que necesitamos más núcleos en posición α para aumentar la señal: debe existir un exceso poblacional a favor del campo magnético.

Para aumentar el Nα y aumentar la sensibilidad:

Todos los carbonos presentes en una muestra solo un 1,1% (13C) darán señal útil en RMN mientras que casi el 100% de los 1H lo harán.

Mayor abundancia isotópica, mayor sensibilidad

Sensibilidad

Para aumentar la sensibilidad:

Realizar múltiples espectros consecutivos de la muestra

¿Cómo?

• Aplicando un pulso de 90° (B1), dejando que los núcleos se relajen para dar señal y repitiendo la operación.
• La señal aumentará tantas veces como espectros haya realizado.

Sensibilidad

Momento cuadrupolar eléctrico (Q)

Q = Alejamiento de la esfericidad de la distribución de cargas de un núcleo. Los núcleos no esféricos se relajan a mayor velocidad que aquellos más cercanos a una esfera. Su vector magnetización macroscópica regresa rápidamente al eje Z y resulta experimentalmente difícil adquirir una señal con buena precisión.

Señales “anchas”, pico difícil de distinguir de la señal de ruido BAJA sensibilidad

Q ≠ 0

NO se detecta la partición del Cl

Resolución

J se “ven” más cercanos entre sí, pero se diferencian mejor entre sí ya que están mejor resueltos.

Nitrógeno Líquido

-192 °C: Para disminuir la diferencia entre la temperatura de He líquido y la temperatura ambiente Evitar la evaporación del gas

Imán superconductor (Nb3Sn o NbTi) que puede generar campos (B0) de 1 a 20 Tesla. (1 TESLA equivale a unas 20.000 veces el campo magnético de la Tierra) Tiene Resistencia = 0 cuando se encuentra a - 273 °C. Cuando se hace pasar una corriente por la bobina, la misma continuará circulando siempre que la bobina se mantenga a las temperaturas del He líquido.