Slides RMN

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RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)

Lucienir Pains Duarte

RMN• Definição: Estudo da estrutura molecular através da

interação de radiação eletromagnética da região daradiofreqüência com um conjunto de núcleos imersos emum forte campo magnético

• Importânciaà determinar a estrutura molecular sabendo a vizinhança dos carbonos e hidrogênios (principalmente);

• à determinação da estrutura espacial das moléculas orgânicas;

• É a técnica mais usada atualmente na elucidação estrutural

LONGITUDEDE ONDA ( λ ) 10 − 13 10 − 11 10 − 9 10 − 7 10 − 5 10 − 3 10 − 2 10 − 1 10 0 10 2 10 3 metros (m)

FREQÜÊNCIA ( ν ) 10 21 10 19 10 17 10 15 10 13 10 11 10 10 10 9 10 8 10 6 10 5 Hertz (Hz)

RAIOS GAMA RAIOS X UV VISÍVEL INFRAVERMELHO MICROONDAS ONDAS DE RÁDIO

RMNIV

µ

++

µ = γ I γ = cte magnetogírica(ou giromagnética)

ASPECTOS GERAIS

- Todosos núcleospossuem carga, em alguns a carga gira em torno de umeixo nuclear gerando um dipolo magnético ao longo do eixo (pequenos imãs)- A magnitude do dipolo gerado é expressa em termos do momentomagnético nuclear (µ ) que é proporcional ao número quântico de spin.

I = Número Quântico de spin nuclear

íma

número de spin (I): Pode assumir os valores de 0, 1/2, 1, 3/2, etc.

IMassa

atômicaNúmeroatômico Exemplo

Fracionário Ímpar Par ou ímpar

1H (1/2)17O(5/2)15N(1/2)

Inteiro Par Ímpar

2H(1)14N(1)10B(3)

Zero parpar 12C(0)

16O(0)34S(0)

- O número de spin que pode ser determinado a partir damassaatômica e do número atômico:

Serão ativos no RMN somente núcleos com I ? de zero

- Núcleos com I = 1/2 possuem distribuição de cargauniforme e portanto pode-se obter espectros de taisnúcleos.

- Os núcleos mais utilizados são: 1H (1/2) e 13C(1/2)

- O número de spin (I) indica o número de orientaçõespossíveis que um núcleo pode assumir quando colocadoem um campo magnético uniforme.

Número de orientações = 2I + 1

I = ½ Duas orientações possíveis (α e β )

Pólo magnético

Pólo magnético

B0

α

β

∆E = hν

α α

α

β

β β

E

INFLUÊNCIA DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO

2

Campo Magnético (B0)

En

erg

ia

α

β

INFLUÊNCIA DE UM CAMPO MAGNÉTICO EXTERNO

+ 1/2

- 1/2

∆E

∆E = hν

∆E α Bo

A Equação de LarmorA Equação de Larmor

ν = 2π

γBo

γ é uma constante giromagnética que é diferente para cada núcleo atômico (H, C, N, etc)

= hν

Relação (constante) giromagnética γ

Força do campo

magnético

Freqüência da radiação que causará a transição.

γ hBo

2π∆Ε=∆E α Bo

Esta equação pode ser trans formada em:

β

B0 (Teslas) ν 1H (MHz) ν 13C (MHz)

4,7 200 50,3

7,0 300 75,4

11,7 500 125,7

γC = 1/4 γH

FREQUÊNCIAS DE RESSONÂNCIA

γ Bo

2πν =

Freqüência de Larmor

-Apenas um sinal deveria ser obtido com a interaçãoda energia e o campo magnético intenso com oshidrogênios.-Felizmente isto não ocorre à absorvem emforças de campo magnético diferentes.

γH = 26,753x107radT -1s- 1

γC = 6,728x107radT -1s-1

Nuvem eletrônica circulante sob a influência de Bo

Campo magnético externo, Bo

Núcleo

Campo local induzido, B’oposto a Bo no núcleo

BLINDAGEM NUCLEAR

Reproduzido de Volhardt, “Organic Chemistry”, 3ª Ed, 1999

- Os hidrogênios contidos em uma molécula estão blindadosfracamente pelas nuvens eletrônicas que os cercam.

- Os elétrons circulam sob a influência de um campo magnético,produzindo seu próprio campo magnético que se opõem ao campomagnético aplicado.

- Esta variação dá origem à sinais em diferentes regiõesdo espectro.

γ B0

2 πν1 =(1 - σ)

- A freqüência efetiva da ressonância é menor que afreqüência aplicada

- A densidade destas nuvens eletrônicas, que cercam oshidrogênios, varia com o ambiente químico.

- A diferença entre a posição de freqüência de umdeterminado hidrogênio e um padrão é denominadoDESLOCAMENTO QUÍMICO

σ à Grau de blindagem de cada núcleo

- Portanto, hidrogênios que possuem AMBIENTESQUÍMICOS diferentes possuem DESLOCAMENTOSQUÍMICOSdiferentes.

- O número de sinais decorrentes dos diferentesdeslocamentos, nos indica quantas espécies dehidrogênio existem na molécula.

CH3CH2Cla b

CH3C H

CH3C H

a

a

b

bCH H

CH Cl

a

b

c

CH3-CH3

CH3

Quantos sinais?

3

- O composto padrão mais utilizado é o tetrametilsilano:

H3C Si

CH3

CH3

CH3

TETRAMETILSILANO (TMS)

Vantagens do TMS :1) Sinal único2) Líquido volátil3) Aparece a ν < ν sinais (ν TMS = 0 ppm)4) Não interação com a amostra

Deslocamento químico (δ) : Posição de um sinal no espectroSe expressa em função de uma substância de referência

DESLOCAMENTO QUÍMICO DE HIDROGÊNIO (1 -12 ppm)

(ν)

(δ)

BLINDAGEM

Desblindado Blindado

γ B0

2 πν1 =(1 - σ)

012345678 δ (1H) ppm

TMSCH3OCH2CN

metoxiacetonitrila

Deslocamentos típicos

012345678

δ (1H) ppm

TMS

BLINDAGEM

Desblindado Blindado

910

C

C

H

C C HC C

HHidrogênios

aromáticos

H

OH

OH

O

HO

O

Valores Típicos

FATORES QUE AFETAM O DESLOCAMENTO QUÍMICO δ

1 – Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 – Presença de duplas e/ou triplas ligações4 – Ressonância

δ aumenta com a ELETRONEGATIVIDADE (EN) do substituinte

CH3X EN (X) δ (ppm)

CH3F 4,0 4,26CH3OH 3,4 3,40CH3Cl 3,2 3,05CH3Br 3,0 2,68CH3I 2,7 2,16CH3H 2,2 0,23

Reproduzido de P.J. Hore, “Nuclear Magnetic Resonance”, OCP, 1995

Eletronegatividade de Pauling

δ C

H3X

(pp

m)1 - Eletronegatividade do substituinte

2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância


δ (ppm)

CH3Cl 3,05

CH2Cl2 5,30

CHCl3 7,27

O efeito da EN é aditivo

4

1,01,52,02,53,0 δ (ppm)

Butano CH2 CH3

CH2CH2CH3

1 2 3 4Cl–CH2

O efeito do substituinte diminuirapidamente com a distância

Ex.: CH3–CH2–CH2–Br

1,06 1,81 3,47


1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 - Presença de duplas e/ou triplas ligações4 - Ressonância

C2H6C2H4C2H2 C2H6C2H4C2H2 C2H6C2H4C2H2

C2H6C2H2C2H4Etano , Etileno , Acetileno

H3C–CH3 H2C=CH2 HC≡CH

C2H6 C2H4 C2H2

δH–Csp3 < δH –Csp2 < δH–Csp

(em princípio)

Devido a presença de elétrons π



Campo externo, B0

Blocal

Blocal

BlocalBlocal

ALQUENOS

alcanosalquinosalquenos

δ



Campo externo, B0 Campo externo, B0

Blocal

Blocal

Blocal

Blocal

Blocal Blocal

Blocal

Blocal

ALQUENOS ALQUINOS


δ



Campo externo, B0 Campo externo, B0

Blocal

Blocal

Blocal

BlocalBlocal

ALQUENOS AROMÁTICOS

Blocal

Corrente do anelBlocal

Blocal


δ



OMe OMe OMe OMe

O O O OOMe OMe OMe OMe

+M+M

–M–M

OMe COOMe

H

Exemplos:

7,3 6,8

7,2

6,9

8,0

7,4

7,5


1 - Eletronegatividade do substituinte2 - Distância do substituinte3 – Presença de duplas e/ou triplas 4 - Ressonância

5

INTEGRAL DOS SINAIS

A integral do sinal é proporcional ao número de núcleos equivalentes que o originou

Integral = área total do sinal

A INTEGRAL de um espectro representa somente as

PROPORÇÕES RELATIVAS dos hidrogênios equivalentes

2 3

Ex.: Dietilcetona

O

CH2CH3

δ (ppm)

1,02,03,0 0,0

CONTAGEM DOS HIDROGÊNIOS EQUIVALENTES

Área total dos sinais:

= 15,5

Área devida a cada tipo de hidrogênio:

a = 8,8 b = 2,9 c = 3,8

Área dos sinais

15 ,5 cm 16H8 ,8 cm x

x=9H

Para Ha

Hb = 3H

Hc = 4H

C

CH3

CH3

CH3H3 C

ab

c

EXEMPLO 2:

2,5 cm 10H1,5 cm x x=6H

Para CH3

Harom = 4H

ACOPLAMENTO SPIN-SPIN: DESDOBRAMENTO DE SINAIS

Dois compostosisoméricos:

O

Cl

Cl

O

12

3

12

3

31

2

3

MULTIPLICIDADE...

-A MULTIPLICIDADE é devida aos DESDOBRAMENTOS dos sinais

ba

H

C C

HH B0

DUPLETO

B0

ba

H

C C

HHb

TRIPLETO

6

Desdobramento de sinal

Cada tipo de hidrogênio fornece um sinal cuja multiplicidade depende do número de hidrogênios vizinho.

Os efeitos do acoplamento setransferem pelos elétronsda ligação até 3 ligações

(se houver duplas pode ser sentido auma distância maior)

Acoplamento com n núcleos equivalentes (sistema AXn)

Em geral A se desdobra em n + 1 linhas, separadas cada uma por uma distância = JAX

11 1

1 2 11 3 3 1

1 4 6 4 11 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

A simpleto (s)AX dupleto (d)AX2 tripleto (t)

AX3 quarteto (q)AX4 quinteto (qn)AX5 sexteto (sx)

AX6 septeto (m)

PADRÕES DE ACOPLAMENTOConstantes de acoplamentos típicas

Exemplo 1

11 1

1 2 11 3 3 1

1 4 6 4 11 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

(a)

(b)

Exemplo 2

11 1

1 2 11 3 3 1

1 4 6 4 11 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

(a)

(b)

(c)

f) Outros acoplamentos (sistemas AMmXn)

1

DUPLO TRIPLETO

2

ES.:

C C

H A HX

C HX

HM

AMX2

δA

JAM

JAX JAX

JAX JAX

1 12

1

e) Acoplamento com dois núcleos não equivalentes (sistema AMX)

1 1

δA

JAM

DUPLO DUPLETO

JAX JAX

1 1

Ex.:

C C

HA HX

C

HM

JAM ≠ JAX

PADRÕES DE ACOPLAMENTONúcleos não equivalentes

Constantes de acoplamentos típicas

7

Exemplo 1

Sabendo que J H2/H4 = 2 Hz, como ficaria o sinal de H2?

O

CH3

Ha

Hb

Hc

Exemplo 2

Jab=1Hz; Jac=3Hz; Jbc=8Hz

CONSIDERAÇÕES

1. Não se observa desdobramento de prótonsequivalentes• (CH3CH3 - simpleto)• (CH3OOCCH2CH2COOCH3, - 2 simpletos)• CH3OOCCH2CH2CH2CH2COOCH3 à dois

tripletos e um simpleto2. Acoplamento de H ligado a heteroátomo geralmente

não é observado: CH3CH2OH (somente qdo muito concentrado)

Quais multiplicidades são esperadas para os hidrogênios diferentes na molécula abaixo?

H3C O

O

Br

ab

cd

s

d

sex

d

Troca Química• Grupos ROH, RNH2, RSH, RCOOH

reagem com D2O e trocam o hidrogênioácido por Deutério

• sinal referente a este hidrogênio desaparece

Desaparece com D2O

Informações de um espectro de RMN de 1H

δ (deslocamento químico)

Onde se encontra o núcleo, e quantos tipos diferentes existem

I (integração)

Quantos núcleos dão o sinal

J (constante de acoplamento, multiplicidade)Quem são os vizinhos

Cl Cl

a

b

a

ExemploQuem é quem?

H3C O CH 3

O

H3C

O

CH3

O

A

B

4 .0 3 .5 3 .0 2 .5 2 .0 1 .5 1 .00 .0

0 .5

1 .0

1 .5

2 .0

2 .5

3 .0

3 .5

4 .0

4 .5

5 .0

5 .5

6 .0

6 .5

7 .0

7 .5

8 .0

8 .5

9 .0

9 .5

3 . 5 3 . 0 2 . 5 2 . 0 1 . 5 1 . 00 . 0

0 . 5

1 . 0

1 . 5

2 . 0

2 . 5

3 . 0

3 . 5

4 . 0

4 . 5

5 . 0

5 . 5

6 . 0

6 . 5

7 . 0

7 . 5

8 . 0

8 . 5

9 . 0

9 . 5

8

Exercício 1C3H6Cl

IDH = 0

RMN DE CARBONO-13 •O princípio de aquisição do espectro deRMN de 13C é o mesmo de 1 H.

•O núcleo sofre uma absorção de energia emuda sua orientação em relação ao campo,quando ele relaxa, libera energia que équantizada.

•De maneira similar ao 1H cada núcleo emambiente químico diferente apresenta-se comoum sinal de RMN

Deslocamentos Químicos de Hidrogênio (1H) and Carbono (13H) no RMN

R-CH3 8 - 30

R2CH2 15 - 55

R3CH 20 - 60

C-I 0 - 40C-Br 25 - 65

C-N 30 - 65

C-Cl 35 - 80

C-O 40 - 80

C C 65 - 90

C=C 100 - 150

C N 110 - 140

110 - 175

R-C-OR

O

R-C-OH

O

155 - 185

R-C-NH2

O155 - 185

R-C-HO

R-C-RO

185 - 220

DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE DESLOCAMENTOS QUÍMICOS DE 1313C (ppm)C (ppm)

Ressonância Magnética Nuclear de 13C - CONSIDERAÇÕES

•O 12C não é magneticamente ativo, porque seu I = 0. Embora o 13C seja ativo, sua

abundância natural é 1,1%;

•Não ocorre acoplamento entre C-C (vizinhos), pois sua abundância é baixa (1,1 %),

sendo a probabilidade de dois átomos de 13 C estarem adjacentes é de 1 em 10.000.

•O 13C acopla com 1H (ambos tem I = ½) o que complica o espectro, devido aos

valores altos de J 13C-1H (110-320 Hz)

•Assim, os espectros onde há acoplamento 13C-1H 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 13C é composto de simpletos, cada um

corresponde a um, ou mais 13C (carbonos idênticos).

•O uso de integração de espectro de 13C é bem menos que para o 1H.

Efeito de hidrogênios sobre a ressonância de 13C

n+1 = 4 n+1 = 3 n+1 = 2 n+1 = 1

C13

3 hidrogênios 2 hidrogênios 1 hidrogênios 0 hidrogênios

H

H

H

C13 H

H

C13H C13

Carbono metílico Carbono metilênico Carbono metínico Carbono quaternário

( n+1 picos )

ACOPLAMENTO COM HIDROGÊNIOSACOPLAMENTO COM HIDROGÊNIOS

(J’s são grandes ~ 100 - 200 Hz)

9

ESPECTROS DESACOPLADOS DE C-H

Existem algumas técnicas:a) Desacoplamento total dos hidrogêniosb) DEPT

A) Desacoplamento total dos hidrogêniosChamado de desacoplamento de hidrogênio por geradores de bandas largas. Remove os acoplamentos.

13 C-H 13 C-C-H 13 C-C-C-H

O espectro fornece um sinal para cada tipo de carbono

(-CH3; -CH2, -CH; C )

FENILACETATO DE ETILAFENILACETATO DE ETILA

13C acoplados de hidrogênios

13C desacoplados de hidrogênios

Sobreposição de sinais múltiplos

Espectro fácil deinterpretar

CICLOHEXANONACICLOHEXANONA

4 SINAIS

Deslocamentos diferentes

Cl

Cla

a

b

b

c

c

1,21,2--DICLOROBENZENODICLOROBENZENO

RMN DE CARBONO 13

CHO O

5 SINAIS

Deslocamentos diferentes

b) DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer)

Avalia o número de hidrogênios ligados no carbono.

É obtido pelas diferentes respostas de cada tipo de carbono fonte a um pulso de RF ( CH3, CH2, CH, e C) que ficam defasados.

O mais importante é o DEPT- 135CH3, CH à mesmo ladoCH2 à lado oposto

Ou é mostrado em sub-espectros de CH, CH3, CH2 e todos os carbonos.

10

10

9.

94

34

70

.5

19

5

54

.9

31

75

4.

80

08

47

.7

23

44

7.

67

25

42

.0

93

53

9.

82

41

37

.5

11

03

7.

21

28

35

.4

30

73

4.

27

42

34

.2

52

3

29

.8

15

32

9.

71

35

27

.4

73

22

7.

44

41

20

.7

88

51

9.

66

84

19

.3

84

71

8.

09

00

16

.6

93

41

4.

44

58

0.

00

00

( p p m )01 02 03 04 05 06 07 08 09 01 0 01 1 0

d j a l m a / l u c i e n i r - C 1 3

42

.0

93

5

39

.8

24

1

37

.5

11

03

7.

21

28

35

.4

30

7

34

.2

74

23

4.

25

23

29

.8

15

32

9.

71

35

27

.4

73

22

7.

44

41

20

.7

88

5

19

.6

68

41

9.

38

47

( p p m )1 92 02 12 22 32 4252 62 72 82 93 03 1323 33 43 53 63 73 8394 04 14 2

DEPT-135

Espectro DEPT-135 de um triterpeno (CDCl3; 100 MHz).

O

1

53

11

12

9

13

19 21

16

23 24

2628

HO

Ha

H b

30

29 RMNRMN--2D:2D:

Espectros Bidimensionais de RMNEspectros Bidimensionais de RMN

Diferentes formas de mostrar espectro de 2-D

HMQC (mostra correlação H-C)

COOH

HO

1

3 5

6

7

89

10

11

12

13

14

15

16

1718

1920

21

22

2324

25 26

27 28

3029

O

Expansão do mapa de contornos HMQC (CDClExpansão do mapa de contornos HMQC (CDCl33/C/C55DD55N; 400 MHz).N; 400 MHz).

Exemplo: Ácido Salaspérmico

Expansões do mapa de contornos HMBC (CDCl3/C5D5N; 400 MHz).

Ácido SalaspérmicoÁcido Salaspérmico

O

HO

H

H3C

H

H CH3

CH3

CH3

CH 3HOOC

CH 3

H

H

HH

H

MAPA DE CONTORNOS

HMBC

HMBC (mostra correlação a duas e três ligações)

O

HO

H

H3CH

H CH3CH3

CH3

CH3HOOC

CH3

HHa

Hb

H

HH

H

3

25

6

24

27

19

29

8

125

Mapa de contornos NOESY (CDClMapa de contornos NOESY (CDCl33/C/C55DD55N; 400 MHz).N; 400 MHz).

Ácido Salaspérmico

NOESY (mostra correlação a espaciais entre H)

13C e DEPT-135 – Exercício 1

11

13C e DEPT-135 – Exercício 2 13C e DEPT-135 – Exercício 3

13C e DEPT-135 – Exercício 4

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