υ efetiva = (γ/2π)B 0

Análise Instrumental
Profa Michelle Rodrigues
Introdução

Certos núcleos da molécula na amostra absorvem radiação eletromagnética
na região de radiofreqüência (rf), na presença de campo magnético, e
emitem esta energia quando o núcleo é transferido para seu estado
fundamental (original).
Espectro Eletromagnético

Ocorre transição entre níveis de energia rotacional dos núcleos atômicos.
Ou seja, transição de spin dos núcleos em um campo magnético.

OBJETIVO: analisar a estrutura molecular e ligações entre os átomos numa
molécula
PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS NÚCLEOS





Todos os núcleos têm carga;
A carga pode girar em torno do eixo nuclear gerando um dipolo magnético
nuclear (µ) em torno do eixo nuclear;
A carga em movimento apresenta um momento angular descrito como spin
(I), podendo ser: 0 (núcleo que não gira), ½, 1, 3/2, etc;
O número de spin (I) determina o número de orientações diferentes que
um núcleo pode assumir quando na presença de um campo magnético
uniforme (movimento de rotação do núcleo em torno do seu próprio eixo);
O número de spin I dos núcleos 1H e 13C é igual a ½, permitindo uma
distribuição de carga esférica e uniforme;
Bz
Campo magnético estático e
uniforme Bo sempre na
direção z e no eixo do núcleo.
Circulação da carga do
núcleo do hidrogênio.

No caso de núcleos com spin ½ , na presença de campo magnético, existem
dois níveis de energia:
Spin maior
Spin menor
Intensidade do campo magnético

A diferença de energia entre os dois spins é dependente do campo magnético
aplicado. Na ausência de campo magnético não há ≠ de energia entre spins;

O momento angular está quantizado e gera uma quantização de energia;

Ao introduzir energia na forma de radiofreqüência (υ), há indução de
transição entre esses dois níveis de energia, na presença de um campo
magnético de intensidade B0 (campo magnético estático e homogêneo).
Equação fundamental RMN:
υ = (γ/2π)B0
onde,
γ/2π = constante
(relaciona radiofreqüência com intensidade do campo magnético)
Para hidrogênio: υ= 100MHz e B0= 2,35T
Órbita de
precessão
Dipolo
magnético
nuclear µ
Núcleo em
movimento de
rotação
E = µ B0
µ=γI
Onde:
γ = razão magnetogírica = constante nuclear
fundamental = constante de proporcionalidade
entre o momento magnético µ e o número de spin
I. Ela é quem caracteriza o núcleo. Ela é quem
fornece a razão entre freqüência e campo
magnético necessária para que certo núcleo
absorva energia e sofra ressonância.
• Quando radiofreqüência (rf)(υ) aplicada é igual à freqüência de precessão dos núcleos
equivalentes (freqüência de Lamour, υL, em MHz), ocorre ressonância:
Relação básica de RMN:
υL = υ = (γ/2π)B0
•Freqüência de Lamour: é a relação entre a força do campo magnético e a radiofreqüência.

Nessa razão de radiofrênqüência com campo magnético (υ= 100MHz e B0=
2,35T), o hidrogênio absorve energia passando para o estado de energia mais
alta (spin maior), e o sistema entra em ressonância (resultando no espectro).
Por isso o nome Espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear.

A diferença na freqüência da ressonância por cada núcleo é medida como
deslocamento químico (δ).

Espectro é obtido pelo registro da energia absorvida em função da freqüência.

Os núcleos excitados ao retornarem ao estado fundamental irradiam energia,
que é detectada. Energia emitida é detectada.

Transição quântica: spin dos núcleos em campo magnético.

Núcleos que possuem spins emparelhados, ou seja, spin = 0, não possuem
momento angular, não podendo ser utilizados em RMN.
Meio-inteiro
Ímpar
Ímpar ou par
Inteiro
par
ímpar
zero
par
par
13
1/2
6C

Existem dois métodos de obtenção do espectro (dois tipos de
espectrometria de RMN):
-
Método de varredura contínua (CW)/ Espectrômetro de varredura:
amostra na presença de B0 é irradiada por uma lenta varredura na
faixa de freqüência dos hidrogênios (faixa de interesse). Os hidrogênios
diferentes entram em ressonância, um de cada vez. Baixa sensibilidade
(relação sinal/ruído).
-
Método pulsado ou de varredura instantânea/ Espectrômetro pulsado:
amostra na presença de B0 é irradiada com pulso curto de energia de
radiofreqüência de alta potência, atingindo faixa de freqüências de
interesse, gerando o campo magnético desejado. Excita-se
(ressonância) simultaneamente todos os núcleos da amostra e coleta-se
os sinais. Maior sensibilidade.
Informações obtidas por RMN:
-
Intensidade: número de núcleos que dá origem ao sinal
-
Deslocamento químico: ambiente químico dos núcleos
-
Constante de
conectividade.
acoplamento:
geometria
molecular
e
Instrumento







Ímãs supercondutores: é a parte mais cara do instrumento. É constituído
de bobina (solenóide) feita com um fio supercondutor. A intensidade,
homogeneidade e estabilidade do B0 determina a sensibilidade e resolução
do método. Supercondutores geram B0 mais estável.
Hélio líquido: mantêm a temperatura baixa (próxima a 4K) para evitar
resistência na bobina. Condutividade ideal à esta temperatura.
Nitrogênio líquido: câmara que evita perda de calor com meio externo
(mantêm a temperatura baixa na primeira câmara). Temperatura a 77K.
Câmara de vácuo: evita perda de calor. Temperatura ambiente (293K).
Frasco de Dewar: contém todas as câmaras.
Amostra: solução em solvente deuterado contida em tubo de vidro de 5mm
de diâmetro. É colocado no compartimento de amostra (probe).
Sonda (probe): é composto de tubo de amostra, bobina de transmissãorecepção e orifício de onde sai ar comprimido. As bobinas: convertem
radiofreqüência em campo magnético oscilante (perpendicular ao B0
homogêneo do ímã) que será aplicado à amostra e afetará os spins
nucleares da amostra; convertem os campos magnéticos oscilantes gerados
pelos spins nucleares em sinais elétricos que podem ser detectados pelo
receptor.
Espectrômetro pulsado
+ ar comprimido
Solvente deuterado: CDCl3, DMSO, MeOH
Amostra: 2-10mg 1H
>>10mg 13C
A energia eletromagnética de radiofreqüência υ é aplicada de tal modo que seu
componente magnético B1 (oscilante) encontra-se em ângulo reto em relação ao
campo magnético principal B0 (homogêneo e estático)
Deslocamento Químico

Apenas um sinal deveria ser obtido quando energia de radiofreqüência e o
campo magnético intenso interagem com os hidrogênios da amostra, de acordo
com a equação:
υ = (γ/2π)B0

Porém, os hidrogênios de uma molécula são blindados fracamente pelas nuvens
eletrônicas que os cercam, cuja densidade varia com o ambiente químico.

Essas variações dão origem as diferenças em deslocamento químico.
Deslocamento químico é a diferença entre a posição de absorção de um
determinado hidrogênio submetido a um ambiente químico e um hidrogênio
padrão. (≠ ambiente ≠ deslocamento)

Logo, a equação básica de RMN pode ser alterada para: υefetiva= (γ/2π)B0 (1-σ)
onde, σ = constante de blindagem, cujo valor é proporcional à blindagem.

Num B0 a freqüência efetiva (υefetiva) da ressonância é menor que a freqüência
aplicada (υ)

Blindagem: os elétrons circulam sobre a influência de um campo magnético,
produzindo seu próprio campo magnético (provocam corrente elétrica) que
age em oposição ao campo aplicado.
Blindagem do núcleo pelo
movimento do elétron.
B0

O grau de blindagem depende da densidade dos elétrons em movimento.
Maior deslocamento
Menor deslocamento
Freqüências mais altas
Freqüências mais baixas
Menor blindagem
Maior blindagem
desblindados
blindados
Escala de RMN em 300MHz e 600MHz.

Os hidrogênios mais desblindados estão mais expostos em relação ao campo
aplicado, e a ressonância ocorre em freqüência mais alta.

δ = ppm = υ
silano)
efetiva
– υreferência
onde, υ
referência
= 0 (TMS = tetrametil –
υaparelho

Fatores que afetam o deslocamento químico:
-
Eletronegatividade: quanto maior (menor a densidade eletrônica e maior
atração da nuvem eletrônica), menor o efeito de blindagem e maior o
deslocamento químico.
-
Anisotropia magnética: os elétrons π causam maior efeito de blindagem,
devido a estes circularem num plano perpendicular ao campo aplicado
(induzem campo magnético em oposição ao campo aplicado), diminuindo o
deslocamento químico. Em contraste os elétrons σ de uma ligação produzem
pouco efeito de blindagem.
Acoplamento escalar (J)

Ou acoplamento de spin, é o acoplamento indireto dos spins dos hidrogênios
através dos elétrons de ligação. Spin do núcleo e do elétron são antiparalelos
(princípio de Pauli – elétron + núcleo).

Constante de acoplamento = J = diferença de freqüência (Hz) entre dois sinais
de um mesmo núcleo (raramente ultrapassa 20Hz. Diferente do deslocamento)
Acoplamento spin-spin entre dois hidrogênios com deslocamentos químicos diferentes

O spin de cada hidrogênio é afetado pelas duas orientações do outro hidrogênio
através dos elétrons da ligação, o que faz com que apareça dubleto
Acoplamento spin-spin entre grupos CH e CH2 com deslocamentos químicos diferentes

Os dois H do metileno se acoplam igualmente com o H do metino
(equivalente). Forma dubleto pela divisão do sinal de absorção do H do
metileno pelo H do metino;

O tripleto é o resultado da divisão da absorção do metino pelos dois H do
metileno. Os picos se superpõem porque as constantes de acoplamento são
iguais;
Tripleto por desdobramento consecutivo
Multiplicidade: número de picos para determinado núcleo.
m=n+1
Onde:
n = número de hidrogênios vizinhos acoplados com a mesma constante de
acoplamento (H equivalente).

A intensidade relativa dos picos de um multipleto depende de n:
Dubleto (n = 1): 1:1
Tripleto (n = 2): 1:2:1
Quarteto (n = 3): 1:3:3:1

Triângulo de Pascal apresenta as
intensidades relativas dos multipletos.
O que fazer com um espectro?
Com a fórmula molecular calcular o grau de insaturação:
C- H/2 + N/2 – Hal/2 +1


Deslocamento químico (ppm)- escala no eixo horizontal do espectro que reflete
o ambiente químico a que o núcleo está submetido.

Acoplamento escalar – desdobramento de um sinal em várias linhas – reflete o
número de H equivalentes (ou de mesmo J) vizinhos ( = n) ao núcleo observado.
m= n + 1

Integral – reflete a proporção “relativa” de Hs em cada sinal.
A:B:C (medida em cm)
÷ pelo menor valor
x número inteiro até a soma ficar parecida com o no de Hs da fórmula
aproximar para no inteiro