Espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear

Espectrometria de Ressonância
Magnética Nuclear
(hidrogênio e carbono)
Espectrometria de Ressonância
Magnética
Espectroscopia de absorção (IV e UV)
Absorção de radiação eletromagnética em região
característica da amostra. (estruturais)
Espectro de RMN: registro gráfico das frequências
dos picos de absorção X intensidade
Relações entre Comprimento de
onda e Espectroscopia
Região
Espectral
Energia do fóton Molecular
Energy Changes
UV-Visível
~ 100 kcal/mol
Eletrônica
Infravermelho (IV) ~ 10 kcal/mol
Vibrações das
ligações
Rádio
Estados de spin
nuclear em um
campo magnético
< 0,1 kcal/mol
Ressonância Magné
Magnética Nuclear (RMN) de 1H e 13C
A RMN é a parte da espectroscopia que estuda a estrutura e as
interações
moleculares
através
de
medidas
da
interação
de
campo
eletromagnético oscilante (de RF) com os núcleos presentes num campo
magnético estático. Os núcleos são partes dos átomos, estes são partes das
moléculas. Assim, espectro de RMN mostra informações, difíceis de serem
obtidas por outros métodos espectroscópicos, sobre a estrutura e dinâmica
molecular. Embora o método tenha sido o último a estar disponível para o
químico, é o que mais se desenvolveu nos últimos anos.
Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
1H
OU
13C
OU
X
Campo variável
Campo constante
Freqüência do hidrogênio
Década
Descoberta / Avanç
Avanço de RMN
1940s
Primeira observação de RMN em sólidos e líquidos
(1945)
1950s
Uso dos
e J como ferramentas de determinação
estrutural
1960s
Introdução da RMN de FT; uso do efeito NOE para
determinação estrutural
1970s
Emprego de imãs supercondutores; controle total do
equipamento pelo computador
1980s
Introdução de pulsos múltiplos, e espectroscopia em
2-D
1990s
Acoplamento da RMN com outras técnicas, ex: CLRMN
Para entender como funciona a experiência de RMN, discutimos algumas
propriedades magnéticas dos núcleos, o comportamento destes em campo
magnético estático, na ausência e presença de campo eletromagnético oscilante (na
faixa de RF).
Propriedades Magné
Magnéticas dos Nú
Núcleos
Um dos números quânticos do núcleo é o spin-nuclear, I cujo valor
0.
Quando a massa atômica (A) é par, porque Z e N são pares, I = 0, e o núcleo não
tem sinal na RMN (12C;
16O, 32S).
Quando I
0, o núcleo pode ser considerado
com partícula carregada que gira em torno de seu eixo, girando um momento
magnético nuclear, , ao longo deste eixo.
O movimento de rotação da carga do
hidrogênio gera um campo magnético.
Comportamento de Nú
Núcleos num Campo Magné
Magnético
Externo e Está
Estático, Bo
Quando os núcleos são submetidos à Bo, eles se organizam em (2I + 1)
orientação, porque E entre os estados de energia envolvidos é quatizada.
Níveis de energia para o hidrogênio sob a
ação de um campo magnético Bo
Orientações de um núcleo com I = 1/2
Energia Menor Energia Maior
Energias relativas dos estados de spin de um núcleo com I = ½ num campo
magnético estático Bo
Desligar o imã
Tempo (unidade de T1
Distribuição
Exagerada de spim
5 +/ 5 -
6 +/ 4 -
5 +/ 5 -
Efeitos de aplicação e desligamento de Bo, sobre os spin nucleares
Relaxação
Diagrama de espectrômetro de CW, com imã permanente
Diagrama de espectrômetro de FT, com imã supercondutor.
N2líquido
He líquido
supercondutor
rotor
turbina
Tubo da amostra
bobina transmissora/receptora
Bobina de ajuste do campo
Bobina de ajuste do probe
Corte num imã
supercondutor
Base do detector
filtro
Transmissor
de RF
Controle
do consolo
Préamplificador
Receptor
Manuseio das Amostras
As amostras são normalmente líquidos dissolvidos em solventes apropriados.
Para a maioria dos casos, usa-se solventes deuterados (com %D > 99,5%) CDCl3,
acetona-d6, CD3CN, DMSO-d6, D2O, etc. O solvente é “transparente”, o D
presente serve também para efetuar e manter a calibração de freqüência de
campo. A solução é introduzida entre os pólos do imã num tubo de parede fina, de
5 ou 10 mm de diâmetro, e de alta qualidade. O tubo é rodado (por ar ou N2)
numa certa velocidade (alguns rps) para aumentar a homogeneidade local e do
campo.
Traços de impurezas -> alargamento dos picos ou sobreposição (interferência)
RMNRMN-300MHz
Espectro de éter etílico a 250 MHz
Ressonância Magnética Nuclear de 13C
O
12C
não é magneticamente ativo, porque seu I = 0. Embora o
13C
seja
ativo, sua abundância natural é 1,1%, e sua sensibilidade é apenas 1,6% de 1H,
fazendo com que a sensibilidade total de
1/5700 (conseqüência?). O
13C
13C
acopla com 1H (ambos tem I = ½) o que complica
o espectro, devido aos valores altos de J
apreciáveis para
acoplamento
13C-C-1H
13C-1H
e
comparada à de 1H seja de ca.
13C-C-C-1H.
13C-1H
(110-320 Hz) e os valores
Assim, os espectros onde há
são de difícil interpretação. Opta-se pelo desacoplamento
total, ou parcial de 1H, pela irradiação pela freqüência de 1H, durante a aquisição
do espectro de
13C.
Assim, na maior parte, o espectro de
singletes, cada um corresponde a um, ou mais
13C.
13C
é composto de
O uso de integração de
espectro de 13C é bem menos que para o 1H, porque o efeito Overhauser nuclear
(NOE) causa transferência de polarização entre 1H e
13C,
o que aumenta a
intensidade do sinal do último núcleo, em até 200%.
Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrogênios completamente
acoplados. O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz
Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrogênios completamente
desacoplados por um desacoplador de banda larga.
O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz
Espectros Bidimensionais de RMN
O termo RMN de 2-D não é exato, pois o espectro comum é 2-D, entre
freqüência e intensidade. A aquisição na experiência de 2-D é feita em termos de
duas escalas de tempo, t1 (evolução) e t2 (detecção). Os dados sofrem TF para
cada tempo, o espectro resultante mostra intensidade versus duas freqüências. Ou
seja, temos um espectro de 3-D, que pode ser mostrado em 3-D, ou como contorno
(olhado por cima).
Diferentes formas de mostrar espectro de 2-D
Espectroscopia de Correlação (COSY) Homonuclear (HOMCOR) e
Heteronuclear (HETCOR)
Espectro HOMCOR de
2-clorobutano
Espectro HETCOR
de 2-clorobutano