Departamento de Química
ANÁLISE ESTRUTURAL
ESPECTROSCOPIA ESPECTROSCOPIA DE RMNDE RMN
Duarte Paulo Correia
Funchal, Abril de 2002
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Ressonância Magnética Nuclear 1
Índice Geral
1. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) 3
1.1 Introdução 3
1.2 Origem do sinal 5
2. Espectrofotómetros 7
2.1 Espectrofotómetro de RMN (onda contínua) 9
2.2 Espectrofotómetro de RMN (Transformadas de Fourrier) 10
2.3 Resumo 13
3. Espectros RMN e Estrutura Molecular 13
3.1 Deslocamento Químico 14
3.2 Número de sinais e identificação dos tipos de protões 19
3.3 Resumo 22
3.4 Acoplamento Spin – Spin 23
3.5 Integração em RMN 30
3.6 Interpretação dos espectros 1H-RMN 32
3.7 Resumo 34
4. Espectroscopia de RMN de carbono 13 35
4.1 Sinais no espectro de 13C-RMN 36
4.2 Deslocamento químico do 13C 36
4.3 Interpretação dos espectros 13C-RMN 39
4.4 Resumo 40
5. Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional – 2D 41
6. Ressonância Magnética Nuclear – Aplicações 42
7. Exame médico 43
8. Conclusão 45
9. Bibliografia 47
Apêndice 1 48
Apêndice 2 50
Ressonância Magnética Nuclear 2
1. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)
1.1 Introdução
A espectroscopia é o estudo da radiação electromagnética com a matéria. A
espectroscopia de ressonância magnética nuclear baseia-se no fenómeno de RMN para o
estudo das propriedades físicas e químicas da matéria, interpretando-se como um ramo da
espectroscopia que explora as propriedades magnéticas de núcleos atómicos.
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear encontra várias aplicações em
diversas áreas científicas. Em química a espectroscopia de RMN é frequentemente usada
no estudo da estrutura dos compostos usando técnicas uni ou bidimensionais simples
substituindo deste modo, as técnicas de cristalografia por raios X . Trata-se de uma técnica
não destrutiva que permite a análise de compostos orgânicos e alguns inorgânicos.
Desde a sua descoberta, em 1946 (Felix Bloch e Edward Purcell) a espectroscopia de
RMN tem tido um rápido crescimento, fruto dos contínuos avanços da tecnologia e da
utilidade deste método em química.[1]
Como outras técnicas espectroscópicas, NMR depende das variações de energia
quantificáveis que podem ser induzidas em pequenas moléculas quando estas são
irradiadas por radiação electromagnética. Os requisitos energéticos da NMR (10 -6 kJ/mol)
são relativamente pequenos quando comparados com outras técnicas espectrofotométricas
( a radiação de infravermelho situa-se nos 10-4 kJ/mol ; ultravioleta no intervalo 160-1300
kJ/mol).
Este tipo de espectroscopia está relacionada com as transições induzidas pelas
radiofrequências (rf) entre estados quantificados de energia dos núcleos orientados num
campo magnético.
Ressonância Magnética Nuclear 3
10-1010-8 10-6 10-4 10-2 100 102
wavelength (cm)
-rays x-rays UV VIS IR -wave radio
O método funciona, de uma forma geral, da seguinte maneira. O núcleo de certos
elementos e isótopos comportam-se como se
fossem ímans girando em torno de um eixo.
Quando se coloca um composto contendo
átomos de 1H ou de 13C num campo magnético
muito forte e simultaneamente se irradia o
composto com energia electromagnética, os
núcleos podem absorver energia num processo denominado ressonância magnética.
A absorção desta radiação pelos núcleos desses elementos é quantificada e da origem a
um espectro característico.[3]
Sabemos que além da carga e da massa,
cerca de metade dos núcleos conhecidos
possuem um spin ou momento angular.
A rotação destas partículas carregadas – rotação de carga – gera um movimento magnético
orientado segundo o eixo de spin, o que significa que estes núcleos funcionam como
minúsculas barras magnéticas.[4]
Quando os núcleos são colocados num potente campo magnético uniforme, Ho, estes
sofrem uma torção e tendem a tomar uma orientação «permitida», em relação ao campo
externo. Este último alinha os núcleos que giram opondo-se à tendência desordenada dos
processos térmicos. Porém, os núcleos não se
alinham em posição perfeitamente paralela (ou
antiparalela), em relação ao campo. Na realidade,
os eixos dos respectivos spins ficam oblíquos em
relação ao campo, e tal como a parte superior de
um giroscópio, sofre um movimento de precessão,
em que cada polo do eixo nuclear descreve uma trajectória circular no plano do campo. [1]
Ressonância Magnética Nuclear 4
Figura 1 – Orientação dos spins nucleares num campo magnético.[2]
Figura 2 – Espectro de NMR de protão do etil benzeno [2]
Ho
o
Figura 3 – Rotação do núcleo num campo magnético.[1]
Por exemplo para núcleos com spin igual a
½., quando a frequência do campo
magnético uniforme atinge a de precessão,
estes absorvem energia e passam a um
nível energético superior, antiparalelo ao
campo H0. Um desses núcleos, é o do
átomo de hidrogénio, ou seja, o protão 1H.
[4]
Por volta de 1950, descobriu-se que as
frequências de ressonância nuclear não
dependem apenas da natureza dos núcleos
atómicos, mas também do ambiente
químico. A utilidade desta técnica tornou-se então muito óbvia, na medida que poderia ser
utilizada para determinar o número e o tipo de grupos químicos num composto.[2] Porém,
quando associada a outros métodos espectroscópicos, a técnica de espectroscopia de
ressonância magnética nuclear, RMN, revolucionou a metodologia de identificação e
caracterização das moléculas fornecendo um grande volume de informações, fruto dos
efeitos das acções inter- e intramoléculares sobre os valores da força do campo magnético
ao nível dos núcleos das moléculas.
1.2 Origem do sinal
Tal como os electrões possuem o número quântico spin (S), os núcleos de 1H e de
alguns isótopos também possuem spin. O núcleo do hidrogénio comporta-se como um
electrão em que o seu spin é 1/2 e pode assumir dois estados: +1/2 e -1/2, o que pressupõe
a existência de dois momentos magnéticos. Existem ainda outros núcleos que apresentam
igual número quântico como o 13C, 19F e 31P, porém, elementos como 12C, 16O e 32S não têm
spin (DS = 0) e por isso não dão espectros de RMN. Há ainda núcleos com spin maior que
½, contudo o estudo destes núcleos não será aqui efectuado.
Como o protão tem carga eléctrica, a rotação deste gera um pequeno momento
magnético, cuja direcção coincide com a do eixo do spin. Este pequeno momento
magnético confere ao protão em rotação as propriedades de uma pequena barra
Ressonância Magnética Nuclear 5
magnetizada. Na ausência de campo magnético externo, os momentos magnéticos dos
protões de uma amostra estão orientados ao acaso. Quando um composto contendo
hidrogénio (portanto, protões) é colocado num campo magnético externo, os protões só
podem assumir uma de duas orientações possíveis em relação ao campo magnético
externo. O momento magnético do protão pode, estar quer alinhado "paralelamente" ao
campo externo, quer "antiparalelamente".[5]
Figura 4 – Alinhamento do spin nuclear na ausência e presença de um campo magnético externo.[6]
Como vemos, os dois alinhamentos do protão num campo magnético não têm a mesma
energia. Quando o protão está alinhado a favor do campo (paralelamente -) sua energia é
mais baixa que a energia quando está alinhado contra o campo magnético
(antiparalelamente -). Sem campo magnético não há diferença de energia entre os protões,
e a diferença de energia gerada pelo campo externo aplicado depende da intensidade desse
campo. É então necessária certa quantidade de energia para fazer o protão passar do estado
de energia mais baixa para o estado de maior energia, que no espectrofotómetro de RMN 1H é proporcionada à radiação electromagnética utilizada (radiofrequência).
O sinal da espectroscopia de RMN resulta, assim, da diferença entre a energia
absorvida pelos spins que efectuam uma transição do estado de menor energia para o
estado de maior energia e a energia emitida pelos mesmos que simultaneamente efectuam
uma transição do nível de energia superior para o de energia inferior.[7] O sinal é então
proporcional à diferença populacional entre os estados considerados. Uma vez que a
capacidade de detectar estas pequenas diferenças populacionais é acentuada, a
espectroscopia de RMN torna-se num método sensível, sendo porém não tão sensível
quanto o desejado.[5]
Ressonância Magnética Nuclear 6
O sinal RMN é um sinal com duas
componentes desfasadas de 90º. Estes quando
são detectáveis, são constituídos por uma
componente de absorção e uma componente de
dispersão, representadas na seguinte figura.
Figura 5 – Formato das curvas dos dois sinais
RMN observáveis.[1]
Com a utilização de um detector fase-sensível, pode observar-se quer o modo de
absorção quer o modo de dispersão. Porém os espectros de RMN são habitualmente
observados no modo de absorção, enquanto o de dispersão é utilizado para controle da
frequência de campo[1].
2. Espectrofotómetros
Um espectro de ressonância magnética de alta resolução é um aparelho disponível em
muitos laboratórios e fabricado comercialmente. Os instrumentos comerciais são
fornecidos com imãs permanentes com campo de aproximadamente 14000 Gauss e
produzem espectro de protão a 60 MHz, bem como espectros de 19F, 11B, 13C, 2H, 15N e
31P nas combinações apropriadas de frequência e força do campo magnético.
O espectrofotómetro de RMN é costituido por um grande “refrigerador” que contém
dois líquidos extremamente frios: o hélio
líquido a – 269 ºC e o azoto líquido a –
195 ºC. O hélio encontra-se na parte mais
interna do “refrigerador ” de forma a
arrefecer uma bobina supercondutora que
cria o campo magnético e o azoto na parte
externa para evitar a evaporação
demasiado rápida do hélio. A amostra a
ser analisada pelo espectrofotómetro, é então colocada num orifício situado na parte
superior do “refrigerador”(onde a técnica aponta).
Quando introduzida no aparelho, é sugeita a um fluxo de ar que faz girar o tubo porta-
amostra deforma a se obter a homogeniedade da amostra. Uma vez dissolvida a amostra, o
Ressonância Magnética Nuclear 7
solvente que a compõe é deuterado e sob a frequência desejada , é formado um campo
magnético resultando então num espectro de RMN após tratamneto específico dos sinais.
[8]
Mencionamos que a frequência desejada e a força do campo são seleccionadas e o
campo magnético é varrido dentro de uma faixa de força de campo seleccionada. O
espectro de protão é usualmente obtido a 60 ou a 100 MHz, sendo que a região usual de
varrimento alcança 1000 Hz a 60 MHz ou 1700 Hz a 100 MHz. Medindo-se os
deslocamentos de frequência a partir de uma marcador de referência obtém-se geralmente
uma precisão de mais ou menos 1 Hz. O registro é apresentado como uma série de picos
cujas áreas são proporcionais ao número de protões que representam. As áreas dos picos
são medidas por um integrador electrónico que traça uma linha em diversos níveis. A
diferença entre os níveis é proporcional à área dos picos. A contagem dos protões com
auxílio do gerador é extremamente útil. Os picos ocultos sob outros picos podem ser, por
exemplo, detectados, ou a pureza da amostra, quando o trabalho é quantitativo, pode ser
determinada. [3]
Os espectrofotómetros permitem aos químicos medir a absorção de energia pelos
núcleos mais comumente analisados como o de 1H e de 13C.
Um dos exemplos mais sonantes refere-se à espectroscopia de ressonância magnética
de protões (1H-RMN). Os aparelhos de 1H-RMNem geral utilizam imãs supercondutores
com campos magnéticos muito intensos e pulsos curtos de radiação de radiofrequência,
que provocam a absorção de energia pelos núcleos de 1H. A excitação dos núcleos provoca
um fluxo de pequena corrente eléctrica numa bobina receptora que envolve a amostra. O
instrumento então amplifica a corrente exibindo o sinal (um pico ou uma série de picos) no
computador, que por sua vez efectua a premeditação dos sinais e depois de um cálculo
matemático (transformada de Fourier), exibe um espectro legível.
Existem vários tipos de espectrofotómetros de RMN, entre os quais o de onda contínua
e o de transformada de Fourrier. A ressonância magnética nuclear surgiu com aparelhos de
ondas contínuas (C.W.), até que em 1970 os primeiros aparelhos baseados nas
transformadas de Fourrier (F.T.) apareceram e dominaram o mercado.[9]
Ressonância Magnética Nuclear 8
2.1 Espectrofotómetro de RMN (onda contínua)
O espectrofotómetro de ressonância magnética nuclear é constituído por seis
componentes fundamentais: um magnete, que separa os estados energéticos do spin
nuclear; um transmissor, que fornece a energia RF; o suporte da amostra, provido de
bobinas eléctricas para a ligação desta ao gerador RF; um detector que processa os sinais
RMN; um registador que fornece o espectro ; finalmente, um gerador para o “varrimento”
do campo magnético da região de ressonância, para produzir o espectro.
Figura 6 - Aspecto esquemático dos componentes de um espectrofotómetro de RMN.[6]
O espectrofotómetro RMN difere dos instrumentos ópticos em dois aspectos. Por um
lado, os níveis magnéticos nucleares são muito próximos, pelo que é necessária energia das
radiofrequências para induzir as transições; além disso, a radiação RF é monocromática, o
que elimina a necessidade de prismas ou redes. Como a diferença entre os níveis de
energéticos é determinada pelo campo magnético externo aplicado, pode obter-se o
espectro por “varrimento” do campo magnético (Método do varrimento do campo),
enquanto se mantém constante a frequência da radiação RF, ou por variação desta última
(Método de varrimento da frequência ), enquanto se ,mantém constante o campo externo,
como na espectroscopia convencional.
A maioria dos espectrofotómetros RMN actuais trabalham com uma força de campo de
14,09KG e um campo RF de 60 MHz. Trata-se de aparelhos relativamente baratos e de
fácil manejo, para medidas de rotina dos protões. Porém, como os deslocamentos químicos
Ressonância Magnética Nuclear 9
N S
Transmissor
Detector
Registador
Magnete
Ho
B1
time
o or Bo0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Series1
o or Bo
time
o or Bo0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Series1
o or Bo
e a sensibilidade do aparelho dependem do campo, é, por vezes, vantajoso trabalhar a uma
força de campo superior, em proporção com a homogeneidade e estabilidade.[1]
Mediante condições apropriadas, o espectrofotómetro de RMN permite efectuar o
espectro de outros núcleos como é o caso do 19F, 13C entre muitos outros, sendo para tal,
necessário, apenas uma sonda e fonte RF diferente para cada tipo de núcleo em análise.
No caso da espectroscopia em que a excitação é conseguida recorrendo a ondas
contínuas, a ideia é a mesma que para o Ultravioleta, isto é, é efectuado um scaner das
frequências de uma forma contínua (ou um “varrimento” do campo magnético, que tem o
mesmo efeito ), e registado sucessivamente como os diferentes componentes
do M0 dão origem a Mxy a
diferentes frequências (ou campos
magnéticos)
Obtém-se um domínio do tempo
no espectro de frequência uma vez
que o “varrimento” não é
suficientemente lento.[4]
Com espectrofotómetros bem
estabilizados, a reprodutibilidade
dos sucessivos registos espectrais
permite a melhoria da sensibilidade dos mesmos. Actualmente , é habitual um aumento da
sensibilidade de 10 a 50 vezes, o que requer algumas horas de funcionamento estável.
Porém, o espectrofotómetro com base na transformada de Fourrier permite o mesmo
aumento de sensibilidade em muito menos tempo.
2.2 Espectrofotómetro de RMN (Transformadas de Fourrier)
O maior impulso para a evolução da técnica de espectroscopia de ressonância
magnética nuclear surgiu nos finais da década de 60. Richard R. Hernst descobriu,
( juntamente com Weston A.Anderson) que a sensibilidade do espectro de RMN poderia
ser aumentada dramaticamente se o “varrimento” a baixa frequência fosse substituído por
pequenos e intensos impulsos de radiofrequência. Os impulsos provocavam um sinal que
seria emitido pelo núcleo, sinal este que é medido como uma função do tempo após cada
impulso. Ernst verificou, contudo que era possível extrair as frequências de ressonância de
tal tipo de sinal e converter o sinal num espectro de RMN recorrendo a uma operação
Ressonância Magnética Nuclear 10
matemática(Transformadas de Fourrier, FT). A descoberta de Ernest é a base da
espectroscopia moderna de RMN, designada por FT-NMR. Esta nova técnica contribui
para um aumento da sensibilidade de cerca de 10 vezes e nalguns casos 100 vezes, uma
vez que a resposta do impulso contém informações em todas as frequências de ressonância
de uma forma simultânea.[2]
Os espectrofotómetros de FT-RMN usam um sistema de radiação de radiofrequência
(R.F.) de forma a provocar no núcleo exposto a num campo magnético, a rotação para um
alinhamento de energia superior. Neste método a amostra é irradiada não com uma série
sucessiva de frequências isoladas, como no caso da RMN de onda contínua, mas sim com
uma banda de frequências centrada na frequência de ressonância do núcleo em estudo. O
intenso impulso R.F. excita simultaneamente toda a banda de frequências de precessão da
espécie nuclear escolhida.
Todos os núcleos iram tornar a emitir radiação R.F. à respectiva frequência de
ressonância, criando, assim, um modelo de interferência na emissão de R.F. resultante
versus tempo, conhecida como queda de indução livre (FID). O sinal de queda da indução
livre que se segue a cada impulso repetitivo é tratado num conversor de códigos analógico
para dígito. Os sinais transitórios sucessivos são, deste modo, acumulados num
computador laboratorial, até se obter a razão sinal/ruído apropriada. Usando os algoritmos
de Fourrier o computador realiza, então, uma rápida transformação de Fourrier para o
domínio da frequência, permitindo a apresentação normal do espectro de absorção versus
frequência.[1]
Para explicar os resultados obtidos por esta técnica, é usada uma “ferramenta”
matemática, a Transformada de Fourrier. Esta permite a transformação de informação
no domínio do tempo para o domínio da frequência e traduz a linguagem dos núcleos em
algo compreensível para o analisador sendo dada pelas seguintes equações.[8,10]
S() = s(t) e-it dt
Estas duas equações transformam o sinal de RMN de uma forma para outra mais
compreensível.
Ressonância Magnética Nuclear 11
S() = ∫
s(t) e-it dt
s(t) = 1/2 ∫
S() eit dt
-
-
Figura 7 – Transformada de Fourrier aplicada ao sinal obtido[2]
O diagrama a) da figura mostra o sinal do 13C , que ocorre na natureza em cerca de 1%
do carbono total numa solução de etilbenzeno obtido pela técnica do pulso. Após a
transformada de Fourrier, obtém-se o espectro de 13C – diagrama b). Se a experiência fosse
realizada com a técnica antiga, durante o mesmo período, apenas seria possível efectuar
um “varrimento” e o espectro obtido aparentar-se-ia com o do diagrama c).[2]
A magnitude das variações de energia envolvendo a espectroscopia de RMN são
pequenas, o que significa que a sensibilidade é uma das maiores limitações. Uma das
maneiras de ultrapassar este problema é permitir a gravação simultânea e ao longo do
processo dos espectros obtidos, e em seguida adicionar cada um destes num somatório que
resulta no espectro final. Uma vez que o ruído de fundo é casual, a adição dos espectros é
efectuada como a raiz quadrada do número de espectros obtidos. Por exemplo, se são
efectuados gravados e somados 1000 espectros de um composto, o ruído de fundo aumenta
numa proporção de 10, porém o sinal aumenta em magnitude cerca de 1000, aumentando
assim a sensibilidade.[1]
FT-NMR torna possível o estudo de pequenas quantidades de material bem como de
isótopos interessantes de baixa abundância natural. [2]
Além dos espectrómetros descritos existem outros tipos como é o caso do RMN de
onda pulsada, e o de risca larga. Neste ultimo, a sua utilização direcciona-se
essencialmente para estudos sobre sólidos, fornecendo uma valiosa informação relativa a
estruturas cristalinas ou não-cristalinas, assim como movimentos internos nos polímeros.
Ressonância Magnética Nuclear 12
2.3 Resumo
Os espectrofotómetros de ressonância magnética nuclear são constituídos por:[3]
- Um forte íman cujo campo homogéneo possa ser variado de forma contínua e
precisa sobre uma faixa relativamente estreita. Isto é obtido por meio de um
gerador de varrimento;
- Um oscilador de radiofrequência;
- Um receptor de radiofrequência;
- Um registrador;
- Calibrador e integrador;
- Um compartimento de amostra que permite o posicionamento desta em relação ao
campo magnético principal, à espiral do transmissor e à espiral do receptor.
Existem vários tipos de espectrofotómetros, entre os quais:
- Espectrofotómetro de onda contínua – a frequência é variada de forma contínua e
linear, por modulação da frequência básica.
- Espectrofotómetro de impulsos ou de onda pulsada (transformada de Fourrier) – a
radiação de radiofrequência é muito mais intensa, mas é aplicada durante curtos
intervalos de tempo.
3. Espectros RMN e Estrutura Molecular
Para a maior parte dos fins, os espectros RMN de alta resolução podem descrever-se
em termos de deslocamentos químicos e constantes de acoplamento. Dois outros
parâmetros por vezes referidos são os tempos de relaxação spin-rede e spin-spin dos
núcleos. A rotação interna, as trocas químicas e outros processos podem afectar os tempos
de relaxação, de modo a originar efeitos termo-dependentes sobre os espectros. Nos sólidos
predominam as interacções directas dipolo-dipolo magnéticos, os tempos de relaxação são
prolongados e o espectro de RMN é constituído por riscas muito largas. Nos líquidos e
gases, as interacções directas dipolo-dipolo anulam-se, em geral, pelos rápidos
movimentos intra- e intermoleculares, os tempos de relaxação são muito menores e
observam-se espectros de RMN de riscas finas.[1]
Ressonância Magnética Nuclear 13
3.1 Deslocamento Químico
Se os protões de uma molécula qualquer perdessem todos os seus electrões e fossem
isolados dos outros núcleos, todos estes absorveriam energia num campo magnético de
intensidade bem determinada e para uma dada frequência de radiação electromagnética. No
entanto, esta situação não corresponde à realidade.
Numa molécula, alguns núcleos de hidrogénio estão em regiões de densidade
electrónica maior do que em outros, pelo que teremos então protões que absorvem energia
em campos magnéticos de intensidades ligeiramente diferentes. Como resultado teremos
sinais no espectro de RMN que aparecem em diferentes posições. Desta forma, estamos
perante protões que apresentam um deslocamento químico diferente.
Porém, a intensidade do campo em que a absorção ocorre depende sensivelmente das
vizinhanças magnéticas de cada protão. O mecanismo pelo qual as vizinhanças químicas
modificam o campo magnético, Bo num dado núcleo depende do tipo de ligações e de
átomos que rodeiam o núcleo em questão. Estas vizinhanças magnéticas, por sua vez,
dependem de dois factores: dos campos magnéticos gerados pelos electrões em movimento
e dos campos magnéticos que provêm de outros protões vizinhos (acoplamentos de spins
entre os núcleos de 1H). [5]
Assim como o número de sinais num espectro de RMN diz-nos quantas espécies de
protões existem numa molécula, a posição dos sinais ajuda-nos a determinar que espécie de
protões se trata: aromáticos ou alifáticos; primários, secundários, ou treciários; benzílicos,
vinílicos ou acetilénicos; adjacentes a átomos de halogéneo ou a qualquer outro grupo de
átomos.
Todas estas diferentes espécies de protões têm diferentes ambientes electrónicos que
determinam assim, o local exacto do espectro em que o protão absorve. [4]
A circulação dos electrões de uma ligação sob a influência de um campo magnético
externo gera campo magnético de baixa intensidade (campo induzido) que protege o protão
em relação ao campo externo. Isto quer dizer que o campo magnético real que actua sobre
o protão é menor do que o campo externo.
Desta forma, se o campo induzido opõe-se ao campo aplicado, o protão encontra-se
protegido. Porém se o campo induzido reforça o campo aplicado, então o campo sentido
pelo protão sofre um aumento e o protão diz-se desprotegido.
Ressonância Magnética Nuclear 14
A circulação de electrões–
especificamente electrões - à volta de
núcleos vizinhos gera um campo que
dependendo da situação do protão, tanto
pode contrariar, como reforçar o campo
aplicado sofrido pelo mesmo.
Para um determinado campo magnético
externo, um protão que está fortemente
protegido pelos electrões não pode absorver
a mesma energia que um protão de baixa
protecção. Um protão protegido ou
blindado, absorverá energia num campo
externo de maior intensidade (frequências mais elevadas). Desta forma será então
necessário um campo externo mais intenso para compensar o efeito do pequeno campo
induzido.
O grau de protecção do protão pelos electrões vizinhos depende da densidade
electrónica relativa em torno desse protão. A densidade electrónica em torno do protão, por
sua vez, depende, em grande parte, da
presença de grupos eletronegativos.
Quanto mais próximo destes grupos
"aceitadores de electrões", menos
blindado estará o protão.
Por outro lado, a deslocalização de
electrões, isto é, a ressonância também contribui para a desprotecção do protão. Assim,
protões aromáticos de anéis benzénicos não são protegidos (como podemos ver na figura
8 ), e absorvem energia num campo magnético de baixa intensidade. Em contrapartida,
protões ligados a carbonos de duplas e triplas ligações possuem blindagem relativamente
alta, devido à elevada densidade electrónica das ligações , e absorvem energia num
campo magnético mais alto.
Os deslocamentos químicos são medidos na escala horizontal do espectro, em Hertz
(Hz), e normalmente exprimidos em partes por milhão (ppm), pois os deslocamentos
associados são muito pequenos quando comparados com a intensidade do campo
magnético externo. Quanto mais para esquerda se localiza o sinal, menor é o campo
magnético sobre o núcleo.[5]
Ressonância Magnética Nuclear 15
Figura 8 – Campo induzido que reforça o campo aplicado nos protões aromáticos – Protões desprotegidos
Figura 9- Escala de desvio químico para a espectroscopia de 1H-RMN.[11]
O ponto de referência a partir do qual se medem os deslocamentos químicos não é, por
questões de ordem prática, o sinal do protão nuclear, mas o sinal de um certo composto,
em regra, o TMS, tetrametilsilano (CH3)4Si.
O TMS contém 12 protões, mas estes são todos
quimicamente equivalentes, pelo que originam um único
sinal muito nítido. Como o silício é menos eletronegativo
que o carbono, os protões do TMS estão em regiões de
grande densidade electrónica. Por isso estão muito
blindados e o sinal ocorre numa região do espectro onde
poucos átomos de hidrogénio absorvem energia, pelo que muito raramente este composto
referência interfere com os sinais dos outros protões. Depois de o espectro ter sido
levantado, pode-se eliminar o TMS facilmente por evaporação. O valor do deslocamento
químico é desta forma expresso pela seguinte formula.
em que Hamostra e HTMS são as posições das riscas de absorção para a amostra e referência,
respectivamente, expressas em unidades de frequência (hertz), e 1 é a frequência
operacional do espectrofotómetro.
Particularmente este tipo de desvios químicos podem não só ser significativamente
sensíveis à natureza do solvente como à presença de espécies paramagnéticas.
Além do TMS, são usados outros padrões de referência (secundários) que são usados
em soluções aquosas. A tabela seguinte mostra exactamente alguns desses padrões em
soluções aquosas.[12]
Ressonância Magnética Nuclear 16
Tabela 1- Referências secundárias para 1H-RMN de soluções aquosas.[12]
Referência H
DSS 0,0(a)
TSS 0,0(a)
t-BuOH 1,231CH3CN 2,059(b)
Acetona 2,216(b)
DMSO 2,710(c)
N(Me)4+Br- 3,178
p-Dioxano 3,743
(a) Derivado do TMS em solução aquosa
(b) Sujeito a troca em meio básico
(c) Impróprio em meio ácido
Como já se acentuou, é o fenómeno de desvio químico que torna a espectroscopia de
RMN uma técnica poderosíssima na identificação e determinação da estrutura de
substâncias. Tal como a espectroscopia de I.V. onde há frequências características de
grupos de átomos, também se verificam zonas características de absorção RMN para a
maior parte das situações moleculares em que se encontram núcleos 1H ou 13C.
Em seguida apresenta-se uma lista de desvios químicos de alguns das classes se
compostos mais comuns.
Figura 10- Desvios químicos característicos da 13C-RMN para amostras em CDCl. A
escala é relativa ao TMS a =0.[13]
Ressonância Magnética Nuclear 17
Tendo em conta a figura e a tabela resumo, apresentada no apêndice 1, podem ser
efectuadas algumas verificações:[14]
Os protões primários absorvem em campos magnéticos mais elevados que os protões
secundários e estes em campos superiores aos dos protões terciário.
R-CH3 R-CH2-R R3C-H
0,8 – 1,0 1,2 – 1,5 1,4 – 1,7
e ainda
Ar-CH3 Ar-CH2-R Ar-CHR3
2,2 – 2,5 2,5 – 2,9 2,8 – 3,2
A elevada electronegatividade de um elemento ligado a um carbono favorece o
aumento do deslocamento químico dos protões do carbono.
R-CH2-I R-CH2-Br R-CH2-Cl R-CH2-F 3,0 – 3,3 3,2 – 3,4 3,5 – 3,7 4,2 – 4,5
Substituintes múltiplos "sacadores" de electrões aumentam o desvio químico
relativamente aos substituintes simples.
CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl 7,27 5,30 3,05
O efeito desprotector dos grupos "sacadores" de electrões diminui com o aumento das
distâncias.
R’O-CH3 R’O-CH2CH3 R’O-CH2CH2CH3
3,2 – 3,5 1,2 – 1,4 0,9 – 1,1
Como substituinte, os anéis aromáticos induzem um desvio químico superior ao
provocado pelos grupos alifáticos.
Ar-NH2 R-NH2
3 – 3,5 0,6 – 2,5
Ressonância Magnética Nuclear 18
ElectronegatividadeElectronegatividade
Ar-OH R-OH 4 – 12 1 – 5,5
Ar-CC-H R-CC-H 2,8 – 3,1 2,3 – 2,5Ar-O-CH3 R-O-CH3
3,7 – 4,0 3,2 – 3,5Ar-(C=O)-H R-(C=O)-H 9,7 – 10,3 9,4 – 9,9
Ar-(C=O)-CH3 R-(C=O)-CH3
2,4 – 2,6 2,1 – 2,4
3.2 Número de sinais e identificação dos tipos de protões
Numa dada molécula protões com o mesmo ambiente absorvem à mesma indução
magnética aplicada e são designados por protões equivalentes. O número de sinais no
espectro de RMN diz-nos, então, quantos conjuntos de protões equivalentes, ou quantas
“espécies” de protões, existem na molécula.
De forma a compreender o estabelecimento da equivalência entre os protões de uma
molécula, serão abordados alguns exemplos dados pelas seguintes fórmulas de estrutura.
Cloreto de etilo Cloreto de isopropilo cloreto de n-propiloCH3-CH2-Cl CH3-CHCl-CH3 CH3-CH2-CH2-Cl
2 sinais no RMN 2 sinais no RMN 3 sinais no RMN
Tendo em conta que, para serem quimicamente equivalentes, os protões têm de ser
também estereoquimicamente equivalentes, dai que para as seguintes estruturas temos a
seguinte análise.
2-Metilpropeno 3-Bromopropeno Metilciclopropamo
No caso particular do 1,2-dicloropropano o espectro é constituído por 4 sinais.
Ressonância Magnética Nuclear 19
H H
HH
H
CH3
b
a
cc
dd4 sinais no RMN
c
a bCH3
H
HC=C
Br
3 sinais no RMN
C=CH
HCH3
CH3
a
ba
b
2 sinais no RMN
Os ambientes dos dois protões ligados ao C-1 não são os mesmos, o que traduz-se
numa absorção a diferentes intensidades de campo. Porém pode suceder a situação em que
os protões não sejam suficientemente diferentes para os sinais estarem apreciavelmente
separados e então resultar em menos sinais dos que haviam sido previstos. Desta forma
impõe-se uma questão: como é que é possível predizer o número de sinais no espectro de
ressonância magnética nuclear?
Ora bem, para avaliar a equivalência de protões recorre-se ao mesmo método que
permite-nos identificar o número de isómeros.[4]
Assim temos que para uma mesma molécula podem existir vários átomos de hidrogénio
equivalentes, isto é, com o mesmo deslocamento químico. Portanto, o sinal destes protões
cai na mesma posição do espectro de RMN. Dizemos então que estamos perante protões
homotópicos.
Por exemplo, o espectro de 1H-RMN da molécula de etano (C2H6) dá um único pico -
um singleto. Mas como é que 6 átomos de hidrogénios podem dar apenas um sinal?
Tal situação é possível porque todos estes protões do etano têm as mesmas propriedades
químicas. Por exemplo, se substituirmos qualquer um dos hidrogénios por um grupo Z
qualquer, teremos a mesma molécula C2H5Z, idêntica tanto na estrutura geométrica e
espacial quanto nas propriedades físico-químicas. Sabe-se que no grupo metil (-CH3) todos
os três protões são equivalentes, pois existe a possibilidade de rotação da ligação sigma.
Assim a substituição de um protão qualquer de cada um dos carbonos do etano por um
grupo Z, dá origem à mesma molécula. Já na molécula de eteno (H2C=CH2) a ligação dupla
não permite a rotação, e forma-se dois compostos isoméricos diferentes (Cs e trans) ao
substituirmos um protão de cada um dos carbonos.
Porém a simetria da molécula derivada da existência de um plano de simetria, faz com
que existam protões homotópicos que são interpretados como um único sinal.
Ressonância Magnética Nuclear 20
Um exemplo é a molécula do 2-metilpropeno, em baixo representada, com dois grupos
de protões homotópicos (em azul e em vermelho)
Substituindo qualquer um dos dois átomos de hidrogénio azuis por um bromo, temos a
mesma molécula: 1-bromo-2-metilpropeno. Por outro lado, ao substituir qualquer um dos
seis átomos de hidrogénio vermelhos teremos também, a mesma molécula: 3-bromo 2-
metilpropeno. Deste modo, o 2-metilpropeno dá dois sinais no espectro de RMN 1H: um
correspondente aos protões homotópicos azuis e outro correspondente aos vermelhos.
Em suma, podemos dizer que os protões são considerados homotópicos porque
possuem a mesma vizinhança, e o espectro de RMN 1H não detecta diferenças químicas
entre estes hidrogénios, uma vez que eles têm o mesmo grau de blindagem. A diferença
entre os dois sinais do 2-metilpropeno deriva somente do deslocamento químico dos dois
grupos de hidrogénio.
Se a substituição de cada um dos átomos de hidrogénio pelo mesmo grupo leva à
formação de compostos que são enantiómericos, então, os dois protões considerados são
enantiotópicos. Neste caso, os ambientes destes dois protões são imagens um do outro
num espelho plano e num meio aquiral comportam-se como se fossem equivalentes dando
apenas um sinal no espectro. [4, 5]
Consideremos, por exemplo, o brometo de etilo. A substituição de qualquer um dos
dois protões metilénicos daria um de dois enantitómeros.
Ressonância Magnética Nuclear 21
Os dois átomos de hidrogénio do brometo de etilo são enantiotópicos. O composto dá
então, dois sinais no espectro de 1H-RMN: um correspondente aos três protões
homotópicos do grupo metil e outro correspondente aos dois protões enantiotópicos, que
também são equivalentes.
Por outro lado, se a substituição de cada um dos átomos de hidrogénio pelo mesmo
grupo leva à formação de compostos que são diasteroisómericos, os dois protões
considerados são diasterotópicos.
A identificação deste tipo de protões num composto é muito importante porque eles
não têm o mesmo deslocamento químico e dão sinais diferentes no espectro, contudo, na
maioria das vezes, estes sinais são tão próximos que torna-se difícil distinguir cada um
deles. A única forma de poder assegurar uma boa reprodutibilidade do espectro é recorrer a
espectrófotometros de alta frequência.
São então este tipo de protões que podem ser responsáveis pelo aparecimento de sinais
extra no espectro de RMN.
As moléculas de cloroeteno e 1-bromopropanol, abaixo representadas, são um
exemplo típico de compostos com este tipo de protões.[5]
3.3 Resumo
Felizmente, todos os protões não podem absorver energia na mesma frequência ou no
mesmo campo magnético externo aplicado o que possibilita a identificação de cada um no
espectro de RMN. Para tal há alguns conceitos a ter em conta.[15]
Ressonância Magnética Nuclear 22
O número de sinais no espectro de 1H-RMN de uma molécula é igual ao número de
protões estereoequivalentes.
Os protões são estereoequivalentes, se estes formam ligações semelhantes, isto é, se a
geometria no resto da molécula é idêntica, e se o caracter das ligações vizinhas também
é idêntico.
A identificação de protões equivalentes numa molécula pode ser conseguida por dois
métodos distintos: Ou podemos usar cada protão como ponto de referência e
caracterizar o resto da molécula de forma a localizar protões com ambientes idênticos.
Ou podemos observar as operações de simetria que relacionam cada um dos protões.
Se os protões possuem ambientes químicos semelhantes então os sinais de RMN têm
tipicamente desvios químicos semelhantes. É então possível discriminar certos
deslocamentos químicos característicos dos protões de vários grupos funcionais de
compostos.
O deslocamento químico pode ser expresso
- Como a diferença de frequência entre o sinal dum padrão (ex. TMS) e o respectivo
sinal da amostra.
- Ou como um valor independente da frequência numa escala de de acordo com a
seguinte formula
ppm (onde é a frequência do espectrofotómetro)
3.4 Acoplamento Spin - Spin
Desdobramento do sinal é o fenómeno que ocorre devido às influências magnéticas dos
átomos de hidrogénio adjacentes aos átomos responsáveis pelo sinal. Este efeito é
conhecido como acoplamento spin-spin.[5] Este acoplamento spin-spin de protões em
carbonos adjacentes, também responsável por cada um dos picos observados, é também
muito importante para a determinação da estrutura de compostos. Porém para o entender,
há que ter em conta que os protões não são somente afectados pelo campo magnético
externo, mas também pelos campos magnéticos de todos os protões dos carbonos
adjacentes.[14]
O desdobramento traduz o ambiente dos protões responsáveis pela absorção, mas em
relação aos electrões, mas em relação a outros protões, adjacentes. Podem compreender o
que sucede se nos imaginarmos sentados num protão e olharmos em todas as direcções:
Ressonância Magnética Nuclear 23
podemos ver e contar os protões ligados aos átomos de carbono que se encontram
adjacentes ao átomo de carbono a que se fixa o nosso protão, podendo até ver protões
ainda mais afastados.[4]
Quando estamos perante o acoplamento de um protão com outro forma-se um pico
duplo (dupleto), entre três protões forma-se um pico triplo (tripleto) e assim por diante. Os
sinais com múltiplos picos (mais de 7 ou 8) podem ser chamados multipletos.
Figura 11- desdobramento do sinal de protão na espectroscopia de RMN.[5]
Os efeitos do acoplamento spin-spin são transferidos principalmente pelos electrões de
ligação e não são usualmente observados se os protões acoplados estiverem separados por
mais de três ligações sigma.[5]
Porém, se os protões que permitem o acoplamento, têm desvios químicos
suficientemente distintos, o número de picos em 1H-NMR é N+1, onde N é o número total
de protões quimicamente equivalentes em átomos de carbono adjacentes. Esta dedução é
uma regra designada por regra do N+1.
A tabela seguinte ilustra o número de picos num multipleto, resultantes da regra N+1, e
as intensidades ideais esperadas para cada pico.
Tabela 2- Desdobramentos resultantes N protões equivalentes em átomos de carbono adjacentes.[14]
N Aparência dos picos
Intensidade relativa dos picos
0 Singleto 11 Doubleto 1 : 12 Tripleto 1 : 2 : 13 Quarteto 1 : 3 : 3 : 14 Quinteto 1 : 4 : 6 : 4 : 15 Sexteto 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 16 Septeto 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1
Podemos ver como a regra do N+1 aplica-se a alguns dos mais comuns padrões de
desdobramento nos seguintes exemplos:
Ressonância Magnética Nuclear 24
Assim temos que N Protões irão desdobrar os
protões adjacentes em (N+1) picos. As intensidades
destes picos são simplesmente o resultado das
possíveis orientações de spin, portanto, os protões de
um grupo CH2 podem ter os seguintes spins:
O par intermédio é degenerado, portanto um protão
adjacente ao grupo CH2 será dividido em três picos distintos na razão 1:2:1.
Ressonância Magnética Nuclear 25
1-
2-
3- CH3
Y
CH
CH3
4-
5-
C
CX
Y
H
H
6-
X CH
Y
CH3
7-
CH2
CH2
Y
X
8- X
Y
CH
CH2
X
- Tripleto de área relativa 3. Três protões são desdobrados por 2
- Quarteto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 3
- Doubleto de área relativa 6. Seis protões são desdobrados por 1
- Septeto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 6
- Singleto de área relativa 9. Nove protões não são desdobrados
- Doubleto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 1
- Doubleto de área relativa . Um protão é desdobrado por 1
- Doubleto de área relativa 3. Três protões são desdobrados por 1
- Quarteto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 3
- Tripleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2
- Tripleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2
- Doubleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2
- Tripleto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 2
- Singleto de área relativa 3. Três protões não são desdobrados
A separação entre estes picos é referida como sendo a constante de acoplamento, J, que
é medida em Hz
Os efeitos do desdobramento são vulgarmente descritos recorrendo a um esquema
designado por “árvore de desdobramento – splitting tree” que mostra a absorvância
inicial a ser dividida, por uma constante de acoplamento J, em (N+1) picos.
Um esquema deste tipo é muito útil para a compreensão de modelos de desdobramento
mais complexos, como os que ocorrem no Br-CH2-CH2-CH2-OD, como se pode ver na
seguinte figura. [16]
Figura 12- Espectro de 1H-NMR do C3H6ODBr [16]
Como era esperado, o deutério (2H) com spin=1, não mostra qualquer pico em RMN de
protão. Porém o grupo metileno adjacente ao bromo é deslocado para =3,4 e o metileno
adjacente ao oxigénio tem =3,75 aparecendo como simples tripletos, cada um dividido
por um grupo CH2 central.
Relativamente às constantes de acoplamento
para estes modelos de desdobramento, estas
apresentam-se ligeiramente diferentes. A
constante a-b é J =15 Hz enquanto que a
constante b-c é J = 12 Hz. O modelo de
desdobramento para o metileno central é mais
complexo, pois inicialmente é desdobrado pelos
protões do carbono a num tripleto, J= 15 Hz, e
em seguida, cada um destes picos resultantes é novamente desdobrado pelos protões do
carbono c num tripleto com J = 12 Hz.
Ressonância Magnética Nuclear 26
Ao analisar à “árvore de desdobramento”, podemos fazer uma estimativa do número de
picos do espectro, que neste caso será 9 picos centrados a cerca de =1,53. Porém, o
espectro de NMR obtido, ilustrado na figura 12, mostra apenas 5 picos nesta região. Tal
situação fica a dever-se ao facto dos 7 picos centrais estarem apenas separados por 2 Hz,
e o espectrofotómetro de 60 MHz não ter capacidade de resolução suficiente.[16]
Porém nem sempre se observa desdobramento do sinal, uma vez que poderemos estar
perante protões equivalentes homotópicos ou enantiotópicos, ou seja, não ocorre
desdobramento de sinal entre protões com mesmo deslocamento químico. Assim, por
exemplo, no espectro do etano (CH3CH3) apenas verifica-se a existência de um pico
(singleto), correspondente aos seis átomos de hidrogénio homotópicos.
Para melhor compreensão da capacidade de desdobramento do sinal, provocado pelo
acoplamento spin-spin em diferentes situações, serão abordados alguns exemplos de
análise de espectros de 1H-RMN.[5]
i. PROPANOL
O grupo OH actua como um grupo "retirador de electrões", isto devido à sua alta
eletronegatividade, o que provoca não só uma deslocalização da densidade electrónica da
molécula na direcção do grupo em causa, como também um efeito indutivo na cadeia
nesse mesmo sentido.
Assim, da esquerda para a direita, teremos uma diminuição da densidade electrónica dos
hidrogénios em causa, o que explica o deslocamento químico desses protões no espectro
(recordemos que quanto maior a blindagem dos protões, mais para a direita do espectro
será o seu deslocamento químico).
Os protões vermelhos são homotópicos e consequentemente têm o mesmo
deslocamento químico. Eles acoplam-se entre si e com os H azuis, que estão separados
destes por menos de quatro ligações. O sinal resultante é desdobrado num tripleto, porém,
esse desdobramento ocorre somente devido ao acoplamento com os H azuis.
Ressonância Magnética Nuclear 27
O desdobramento do sinal é então independente dos hidrogénios homotópicos, contudo
a influência destes faz-se sentir como um aumento da intensidade do pico (a curva integral
tem, deste modo, valor 3).
Pode-se assim generalizar, que o número de picos no sinal de um protão é igual ao
número de protões adjacentes + 1.
Seguindo o mesmo raciocínio, temos que:
Os protões azuis também homotópicos, acoplam com os H vermelhos e com os H
verdes formando um sexteto de curva integral 2. No caso dos protões verdes homotópicos,
estes acoplam com os H azuis formando por sua vez um tripleto de curva integral 2.
Sob o ponto de vista teórico, era de esperar que os H verdes acoplassem com o H do
grupo hidróxido, pois a distância é de três ligações. Contudo, muitas vezes este tipo de
protões mesmo estando separado de outro hidrogénio por menos de quatro ligações sigma,
não sofrem acoplamentos com outros protões, a não ser em presença de solventes
específicos, que diminuem a polaridade do meio.
Este comportamento pode ser explicado uma vez que o grupo hidróxido efectua
ligações de hidrogénio intermoleculares, que dificultam, deste modo, a interacção com
outros protões.
ii. BROMO-METANOATO DE ISOPROPILA
Os protões vermelhos são homotópicos pois possuem a mesma vizinhança química,
dando, deste modo, apenas um sinal - um dupleto (de curva integral 6), em virtude do
acoplamento com o H verde.
O protão verde acopla com os seis H vermelhos e gera um septeto, de curva integral 1.
Os protões azuis, que também são homotópicos, geram um único sinal. Porém, como não
há protões adjacentes, o pico é único - um singleto, de curva integral 2.
Ressonância Magnética Nuclear 28
A análise dos deslocamentos químicos observados, pressupõe uma explicação que se
baseia no efeito da electronegatividade dos grupos Br, oxigénio e carbonilo. O H verde é o
menos blindado, pois está separado do oxigénio por apenas duas ligações. No caso dos H
vermelhos, estes estão separados do oxigénio por três ligações, o que provoca um efeito
electronegativo por parte do oxigénio sobre estes protões menos pronunciado, ficando,
deste modo mais protegidos. Finalmente, os H azuis estão ligados a um carbono que por
sua vez se liga a um bromo, de pequena electronegatividade, e a um carbonilo. Estas
vizinhanças provocam então, um efeito electromnegativo menor que o oxigénio e por
conseguinte, uma maior blindagem resultando num sinal que cai numa posição de campo
alto.
iii. ÁCIDO p-TOLUIL-ACÉTICO
Neste ultimo exemplo temos que uma situação em que o protão do hidróxido não acopla
com outros protões dando deste modo um sinal - singleto, de curva integral 1.
Os protões vermelhos são homotópicos, e por isso dão apenas um sinal - um singleto
(de curva integral 2), uma vez que não é possível o acoplamento com os átomos de
hidrogénio adjacentes. Cada protão azul acopla com um H violeta adjacente e dá um
dupleto. Porém, como os protões azuis são homotópicos e o sinal tem curva integral 2.
Os protões violetas, por outro lado, também são homotópicos e cada um deles acopla
com um H azul adjacente, gerando também um dupleto de curva integral 2. Os protões
verdes são homotópicos e não possuem átomos de hidrogénio adjacentes, e por isso dão
um singleto, de curva integral 3.
Os deslocamentos químicos observados são explicados devido ao efeito da
electronegatividade do grupo carboxilo e ao efeito da deslocalização de electrões gerado
pela ressonância do anel benzenico, que desprotege os hidrogénio aromáticos. Desta forma,
temos que o H do carboxilo é fortemente desprotegido pela acção da electronegatividade
dos oxigénios. Os H verdes têm uma blindagem relativamente alta, pois estão muito
distantes do grupo carboxilo.[A]
Ressonância Magnética Nuclear 29
3.5 Integração em RMN
A primeira característica a realçar no espectro de RMN 1H é a relação entre o número de
sinais no espectro e o número de tipos diferentes de átomos de hidrogénio no composto. O
que é importante na análise de um sinal no espectro não é a sua altura, mas a área
subentendida pelo pico. Estas áreas, quando medidas com exactidão, estão entre si na
mesma razão que o número de átomos de hidrogénio que provocam cada sinal. Deste
modo, a área limitada por uma banda de absorção é proporcional ao número de núcleos
responsáveis por essa absorção. [1, 5] Os espectrofotómetros medem automaticamente
estas áreas e constroem curvas denominadas curvas integrais, correspondentes a cada
sinal em que as alturas destas curvas são proporcionais às áreas subentendidas pelos sinais.
[5]
O integral é representado por uma função escalonada: a altura de cada escalão é
proporcional ao número de núcleos dessa região particular do espectro, com um rigor que
anda na ordem dos ± 2 %.
Para análise quantitativa terá que incluir-se juntamente com a amostra uma quantidade
conhecida de um composto referência. O sinal RMN deste último deverá, de preferência,
conter um forte singleto situado numa região do espectro de RMN não ocupada pelos picos
da amostra, uma vez que é essencial para a integração a desfasagem do sinal de dispersão.
A partir da áreas dos dois picos Aamostra e Apadrão e do peso do padrão interno tomado,
calcula-se a quantidade presente do componente da amostra à custa da expressão :
em que Npadr. e Nam. representam, respectivamente, o número de protões nos grupos do
padrão e da amostra que dão origem aos picos de absorção, e Mpadr., Mam. são os pesos
moleculares dos respectivos compostos.
Uma vez conhecida a formula empírica do composto, o cociente entre a altura total
( expressa em quaisquer unidades arbitrárias) e o número de protões representa o
incremento da altura por protão. Mesmo sem dispor deste dado, mas conhecendo a origem
de determinada banda, pode-se calcular o incremento por protão a partir da diferença de
elevação dessa banda, dividindo-a pelo número de protões do grupo responsável pela
absorção. Porém, não há qualquer processo de tratamento das bandas sobrepostas. [1]
O desvio químico e os modelos de desdobramento spin-spin, dão uma elevada
informação acerca dos ambientes dos protões nas moléculas. Mas existe ainda outro tipo de
Ressonância Magnética Nuclear 30
informação que podemos facilmente obter a partir de um espectro de RMN. A integração
dos picos, permite-nos calcular o número relativo de cada grupo de protões que dão origem
ao grupo em questão.
Os espectrofotómetros modernos dão-nos routinamente as integrações num formato
digital. Como já foi constatado, o espectro de 1H-RMN dá-nos a integração baseando-se na
contagem dos protões, porém, os sinais dos espectros de 13C-RMN são dependentes em
muito mais do que o número de núcleos equivalentes que dão origem ao sinal. Na maior
parte das vezes, não é muito difícil combinar os valores da integração RMN com os
padrões de desdobramento spin-spin para deduzir o número real de protões numa molécula
simples. Por exemplo, os padrões de desdobramento do tripleto e do doubleto no
bromoetano, informa-nos imediatamente que o grupo etil está presente na molécula.
Figura 13 – Espectro de RMN do Bromoetano e respectiva integração.[17]
O tripleto deve derivar da absorção do grupo CH3, e o quarteto deve ser originado a
partir do grupo CH2, uma vez que os desdobramentos spin-spin reflectem o número de
protões vizinhos. Os protões do CH3 com = 1,68 devem ter uma área relativa de 3,
enquanto que o sinal de absorção do grupo CH2 tem uma área de 2.
As alturas reais (que são proporcionais às áreas dos picos) são respectivamente 36,5 mm
e 24,5 mm. Então a razão entre os picos é:
Se assumirmos que a integração acarreta alguns erros ( em cerca de 10%), podemos
arredondar o número relativo de protões não equivalentes para 1,5. Uma vez que não é
possível para um composto conter 1,5 protões a razão deve então ser 3:2 (ou 6:4, etc).
No caso do bromoetano, temos então três protões metil para dois protões metilénicos.
[17]
Ressonância Magnética Nuclear 31
3.6 Interpretação dos espectros 1H-RMN
Em seguida dar-se-á alguns exemplos de espectros de 1H-RMN de compostos.
Figura 14 – Espectro de 1H-RMN da 3-pentanona.[18]
O espectro de RMN de protão tem um quarteto e um tripleto, o que indica a presença
de um grupo CH2 adjacente a um CH3. O pico a = 2.5 (2H) encontra-se na área
geralmente observada para os grupos metil adjacentes a grupos moderadamente
electronegativos. Por outro lado o pico a = 1.2 (1H) encontra-se na zona de absorção dos
grupos metil simples adjacentes aos carbonos (CH3CH2). A molécula contém um oxigénio,
porém o pico a = 2.5 não está suficientemente blindado para representar uma ligação do
tipo -O-. Deste modo, está-se perante um grupo carbonil.
Figura 15 – Espectro de 1H-RMN do acetato de etil.[18]
O espectro de RMN de protão tem 3 picos: um quarteto a = 4.1 (2H), um tripleto a =
1.2 (3H) e um singleto a = 1.97 (3H). O quarteto e o tripleto sugerem a existência de um
acoplamento do CH2 com o CH3 num grupo etil. O pico a = 4.1 encontra-se na área onde
geralmente observa-se grupos CH adjacentes a grupos electronegativos, i.e., oxigénio e o
pico a = 1.97 na região correspondente aos grupos metil adjacentes ao carbonil.
Ressonância Magnética Nuclear 32
Figura 16 – Espectro de 1H-RMN do Tolueno.[18]
O espectro de protão de RMN tem 2 picos: um singleto a = 7.1 (5H), e outro singleto
a = 2.3 (3H). O pico a = 7.1 situa-se na zona de absorção dos aromáticos, sugerindo
assim a presença de um composto aromático mono-substituido. Por outro lado, o pico a =
2.3 situa-se na região dos grupos metil adjacentes a grupos moderadamente
electronegativos.
Os compostos aromáticos mono-substituidos possuem 3 tipos de hidrogénios no anel,
porém, o facto da constante de acoplamento entre eles ser geralmente pequena e os desvios
químicos muito próximos, faz com que o multipleto previsto apareça como um singleto.
Figura 17 – Espectro de 1H-RMN do 4-metilbenzaldeido.[18]
O espectro de 1H-RMN possui 3 picos: um singleto a = 2.2 (3H), um outro singleto a
= 10 (1H) e dois doubletos centrados mais ao menos a = 7.6. Os doubletos encontram-se
na região dos aromáticos e o facto de se observar dois doubletos (2H cada), significa que
estamos perante um composto 1,4-disubstituido. Quanto ao singleto a = 2.2, este situa-se
na zona dos grupos metil adjacentes a grupos moderadamente electronegativos, enquanto
que o outro singleto situa-se na região correspondente aos protões aldeídicos.
Ressonância Magnética Nuclear 33
Figura 18 – Espectro de 1H-RMN do 4-isopropil-1-methoxibenzeno[18]
O espectro de 1H-RMN possui 4 tipo de picos: um singleto a = 3.6 (3H), dois tipos de
doubletos centrados mais ao menos a = 6.9 (4H), um septeto a = 2.7 (1H) e um doubleto
a = 1.6.
O singleto a = 3.6 refere-se a um grupo CH3 isolado adjacente a um centro
electronegativo, como o oxigénio. O septeto e o doubleto indicam a presença de um grupo
isopropil – CH(CH3)2 em que o carbono se encontra ligado a um grupo moderadamente
electronegativo e os dois doubletos a = 6.9 indicam que está-se perante um composto
aromático 1,4-disubstituido.
3.7 Resumo
Um fenómeno muito importante que explica o aparecimento de sinais no espectro de
RMN e que resulta da presença de protões vizinhos e da sua influência é o acoplamento
spin-spin.[15]
O acoplamento spin-spin ocorre entre 2 ou mais grupos de protões, se estes são:
- não equivalentes
- suficientemente próximos (a menos de 3 ligações )
A constante de acoplamento, Jax, é uma medida de intensidade do acoplamento spin-
spin entre os dois protões A e X e é definida como:
Jax – é a distância entre duas linhas adjacentes individuais no sinal do multipleto do
grupo A, provocado pelo acoplamento com o grupo X, em hertzs.
A intensidade de um sinal é determinada como sendo a área abaixo da curva do
espectro de RMN.
A intensidade do sinal é proporcional ao número de protões equivalentes que lhe dá
origem.
Ressonância Magnética Nuclear 34
4. Espectroscopia de RMN de carbono 13
Embora o 13C corresponda a apenas 1,1% do carbono natural, o facto do núcleo desse
isótopo de carbono provocar um sinal de RMN tem grande importância para a análise de
compostos orgânicos. Tal situação, apesar de parecer muito restrita, é possível uma vez que
o principal isótopo do carbono, o 12C, com abundância natural de cerca de 89,9%, não tem
spin magnético, e por isso não tem capacidade de gerar sinais de RMN.
De certa maneira, os espectros de RMN 13C são, usualmente, menos complicados que os
espectros de RMN 1H e mais fáceis de interpretar.
Devido ao fato de o 13C existir naturalmente em percentagem tão baixa, os sinais de
RMN gerados pelos seus núcleos, em analogia com os sinais gerados pelos núcleos dos
protões, não poderiam ser visualizados no espectro. Porém, a técnica utilizada nos
aparelhos de RMN 13C consiste em irradiar um pulso curto e potente de radiofrequência,
que excita todos os núcleos de 13C existentes na amostra. Os dados são então digitalizados
automaticamente e guardados num computador numa série de pulsos repetidos,
construindo desta forma os sinais.
Ao contrário do espectro de RMN 1H, que necessita apenas algumas miligramas de
amostra, na RMN de 13C é preciso de 10 a 200 mg em 0,4 ml de solvente deuterado. Essa
grande diferença é necessária para compensar a baixa percentagem de 13C, e permitir o
acumulação de sinais. Além disso, enquanto no espectro de RMN 1H a faixa de absorção
magnética dos protões varia de 0 a 10 ppm, eventualmente 14 ppm, no espectro de RMN 13C a faixa varia de 0 a 240 ppm, como se pode constactar na seguinte figura.[5]
Figura 19 - Escala de desvio químico para a espectroscopia de 13C-RMN.[11]
4.1 Sinais no espectro de 13C-RMN
Ressonância Magnética Nuclear 35
Um aspecto que simplifica bastante a interpretação do espectro de RMN 13C é o facto
de cada tipo de átomo de carbono produzir apenas um pico (singleto). Não há
acoplamentos carbono-carbono que provoque o desdobramento do sinal em picos
múltiplos. Por isso pode-se utilizar aparelhos de RMN mais simples, de 30 ou 60 MHz, já
que não é necessária grande precisão para distinguir sinais desdobrados. Nos espectros de 1H-RMN, os protões que estão próximos uns dos outros (separados por um máximo de 3
ligações) acoplam-se entre si e geram sinais desdobrados. Isso não ocorre com carbonos
adjacentes, pois apenas um em cada 100 átomos de carbono tem o núcleo de 13C (cuja
abundância é de aprox. 1,1%). Deste modo, a probabilidade de dois átomos de carbono 13
estarem adjacentes é de 1 em 10.000, o que elimina, a possibilidade do desdobramento dos
sinais.
Embora não ocorram interacções carbono-carbono, os núcleos dos hidrogénio ligados ao
carbono podem interferir e desdobrar os sinais de 13C em picos múltiplos. Porém, é
possível eliminar os acoplamentos H-C recorrendo a uma técnica de irradiação selectiva
(técnica de desacoplamento). Deste modo, eliminadas as interacções protão-carbono, num
espectro de RMN 13C completamente desacoplado, está-se na situação em que cada tipo de
carbono produz apenas um pico.[5]
4.2 Deslocamento químico do 13C
Conforme vimos anteriormente, nos espectros de 1H, o deslocamento químico de um
determinado núcleo depende da densidade relativa de electrões em torno do átomo. As
Baixas densidades electrónicas em torno de um átomo expõem o núcleo ao campo
magnético e provocam o aparecimento de sinais em campos baixos (ppm maiores, para a
esquerda da escala) no espectro de RMN. Por outro lado, densidades electrónicas
relativamente altas em torno de um átomo blindam o núcleo contra o campo magnético e
provoca o aparecimento de sinais em campos altos (ppm menores, para a direita da escala)
no espectro de RMN.
Os carbonos que estão ligados exclusivamente a outros átomos de carbono e de
hidrogénio, têm blindagem elevada diante do campo magnético, enquanto que os carbonos
ligados a grupos eletronegativos, ou seja, grupos "sacadores de electrões", estão
relativamente desblindados.[5,4]
Ressonância Magnética Nuclear 36
Figura 20- Desvios químicos característicos da 13C-RMN para amostras em CDCl. A
escala é relativa ao TMS a =0.[13]
O padrão de referência mais utilizado em 13C-RMN, é igualmente o tetrametilsilano
(TMS), porém os carbonos do TMS (equivalentes) absorvem energia em 60 ppm sendo que
a atribuição do valor 0 ppm serve apenas para indicar a referência.
Contudo existem compostos que absorvem energia em campos mais baixos que o TMS,
como é o caso dos alcanos. Dentro dessa faixa pode-se prever o deslocamento químico de 13C de hidrocarbonetos quer lineares quer ramificados.
É possível realizar cálculos teóricos simples de absorção dos carbonos, que desta forma
permite-nos comparar com os dados experimentais das tabelas e confirmar a presença de
cada carbono. Para tal apenas é necessário ter em conta alguns parâmetros tais como o
deslocamento químico do 13C ( = -2,5); o número de átomos de carbono que causam
determinado efeito, n (carbono a,b,g,d…); e o parâmetro de deslocamento aditivo, em ppm,
A, dado pela seguinte tabela:
Tabela 3- Valores do parâmetro de deslocamento aditivo.[5]
13C (A) 13C (A)A + 9,1 2o (3o)* - 2,5B + 9,4 2o (4o)* - 7,2G - 2,5 3o (2o)* - 3,7D + 0,3 3o (3o)* - 9,5E + 0,1 4o (1o)* - 1,5
1o (3o)* - 1,1 4o (2o)* - 8,41o (4o)* - 3,4 - -
Ressonância Magnética Nuclear 37
* As notações 1o (3o) e 1o (4o) significam, respectivamente, um carbono primário ligado a
um terciário e um carbono primário ligado a um quaternário. As notações 2o (3o) e 2o (4o)
significam, respectivamente, um carbono secundário ligado a um terciário e um carbono
secundário ligado a um quaternário, e assim por diante. O primeiro número (fora dos
parêntese) é o carbono que se está analisando. Para cada carbono desses deve-se
acrescentar ao cálculo o valor dado na da tabela (A).
Por exemplo, estudemos o seguinte o seguinte hidrocarboneto:
Os valores de deslocamento químico observados experimentalmente para estes carbonos
são: C1 e C5 ( = 11,3), C2 e C4 ( = 29,3), C3 ( = 36,7), C6 ( = 18,6).
Os carbonos C1 e C5 bem como C2 e C4 têm mesmo deslocamento químico porque são
equivalentes na molécula, pois têm a mesma vizinhança e a molécula é simétrica.
Deste modo podemos efectuar o cálculo teórico dos deslocamentos químicos ()
recorrendo à seguinte fórmula
= -2,5 + S nA
Para efectuar o estudo teórico temos que ter em conta que carbonos a são aqueles
ligados directamente ao carbono analisado, os carbonos b são aqueles ligados ao carbono
a, e assim por diante. Desta forma temos:
- Para C1 e C5: um carbono a, um carbono b, dois carbonos g e um carbono d.
Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 1) + (9,4 x 1) + (-2,5 x 2) + (0,3 x 1) = 11,3
- Para C2 e C4: dois carbonos a, dois carbonos b e um carbono g. Além disso, C2 é
um carbono secundário ligado a um terciário [2o(3o) = -2,5].
Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 2) + (9,4 x 2) + (-2,5 x 2) + (-2,5 x 1) = 29,5
- Para C3: três carbono a e dois carbonos b. Além disso, C3 é um carbono terciário
ligado a dois carbonos terciários [2o(3o) = -3,7].
Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 3) + (9,4 x 2) + (-3,7 x 2) = 36,2
- Para o C6: um carbono a, dois carbonos b e dois carbonos g. Além disso, C6 é um carbono primário ligado a um terciário [1o(3o) = -1,1].
Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 1) + (9,4 x 2) + (-2,5 x 2) + (1,1 x 1) = 19,3
Ressonância Magnética Nuclear 38
Comparando estes valores obtidos através dos cálculos teóricos com os valores
observados:
C1 e C5 11,3 (observado) 11,3 (calculado)
C2 e C4 29,3 (observado) 29,5 (calculado)
C3 36,7 (observado) 36,2 (calculado)
C6 18,6 (observado) 19,3 (calculado)
Verifica-se que os valores ou são exactamente iguais ou ligeiramente diferentes.[5]
4.3 Interpretação dos espectros 13C-RMN
São imensos os exemplos que podem ser dados de espectros de 13C-RMN, porém, aqui
apenas serão ilustrados alguns.
Figura 21 – Espectro de 13C-RMN do 1,2-dimetoximetano[18]
O espectro de 13C-RMN tem 2 picos: um quarteto a = 54 (CH3) e um tripleto a = 80
(CH2). Como a molécula tem quatro carbonos e apenas dois picos em 13C-RMN então
conclui-se que o composto deve ter simetria. Ambos os picos estão na região adjacentes
aos átomos electronegativos.(oxigénio)
Figura 22 – Espectro de 13C-RMN do etil cianoacetato.[18]
Ressonância Magnética Nuclear 39
O espectro de 13C-RMN tem 5 picos: um quarteto a = 14 (CH3), dois tripleto um a =
59 (CH2) e outro a = 22 (CH2) respectivamente e ainda dois singletos um a = 118 e outro
a = 172. Uma vez que a molécula tem 5 carbonos e 5 picos então a molécula não possui
simetria. O singleto a = 172 situa-se na região do carbonil podendo ser um ácido ou um
éster. O CH2 a = 59 está na região onde ocorrem os carbonos adjacentes aos átomos
electronegativos (i.e. oxigénio) e o CH3 a = 14 é um metil simples terminal, o que
pressupõe a presença de uma espécie -O-CH2CH3.
Por outro lado o singleto a = 118 refere-se a um carbonitrilo e a blindagem ao CH2 a
= 22 indica que este está adjacente ao carbono-sp do nitrilo.
Figura 23 – Espectro de 13C-RMN da Acetofenona.[18]
O espectro de 13C-RMN tem 6 picos. Um quarteto a = 27 (CH3), três doubletos
(grupos CH) a = 129, 128 e 133, e ainda dois singletos um a = 137 e outro a = 197.
Uma vez que a molécula tem oito carbonos e 6 picos, significa então que deve ter algum
grau de simetria. O singleto a = 197 situa-se na região do carbonilo podendo ser um
aldeido ou uma cetona. Os grupos CH3 a = 27 referem-se a um grupo metil simples
terminal, ligeiramente blindado por um grupo moderadamente electronegativo (um
carbonilo). Os doubletos a = 129,128 e 133 e ainda o singleto a = 137 situam-se nas
regiões dos aromáticos e sugerem a existência de grupos aromáticos monosubstituidos,
com simetria em quatro dos seis carbonos.
4.4 Resumo
A espectroscopia 13C-RMN permite estudar as estrutura das moléculas.[15]
Permite reconhecer o esqueleto de carbono de um composto e o ambiente químico de
cada um dos núcleos de carbono.
Ressonância Magnética Nuclear 40
O espectro de 13C-RMN pode ser muito complicado devido aos diversos acoplamentos 13C-1H, porém podemos simplificá-lo recorrendo a irradiação simultânea da amostra
com uma banda de frequência intensa – Desacoplamento de banda larga.
Os desvios químicos em 13C-RMN são significativamente maiores que em 1H-RMN.
Em determinadas moléculas é possível determinar teoricamente a posição do sinal do 13C no espectro de RMN
5. Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional – 2D
Um dos desenvolvimentos mais importantes para a espectroscopia durante os anos de
1960 – 1970 foi o desenho de novos magnetes, baseados em materiais supercondutores.
Este novo tipo de magnetes possibilitou a obtenção de campos magnéticos maiores e mais
estáveis levando á obtenção de espectros com muito melhor sensibilidade e resolução. A
partir deste momento podia-se estudar sistemas
mais complexos. Porém, o grande
desenvolvimento surgiu com Ernst que
desenvolveu em 1975 um sistema de FT-RMN
bidimensional (2D), baseado nas técnicas de
pulsação. O diagrama ilustra o desenvolvimento do tempo do método FT-RMN
unidimensional (1D) e FT-RMN (2D).
Em RMN (1D), os spins nucleares são expostos a um pulso após o qual, é detectado um
sinal no receptor em função do tempo t. Em RMN (2D), os
spins nucleares são sujeitos a dois ou mais pulsos, com um
intervalo de tempo t1.
Após o segundo pulso, o sinal é obtido da mesma forma
que para RMN (1D), embora aqui se designe a variável de
tempo por t2. Depois desta etapa, o espectrofotómetro
retomo o mesmo procedimento mas repetindo-o com
outros valores de t1. A variação de t1, modifica o sinal
medido durante t2. Esta situação origina então, uma tabela
bidimensional que contém a intensidade do sinal como
função da t1 e t2.
Após estas variáveis serem submetidas às transformadas
de Fourrier, obtém-se um espectro de frequência bidimensional na forma de um mapa, que
Ressonância Magnética Nuclear 41
mostra a dependência da intensidade do sinal em duas variáveis de frequência,
denominadas F1 e F2.[2]
Os dois eixos de frequências correspondem às frequências de ressonância de protões e
carbonos 13. A ocorrência de um sinal num determinado local significa que o átomo de
carbono, que no mapa corresponde à “latitude” está directamente ligado ao protão cuja
frequência de ressonância é dada pela “longitude”.
Os espectros
unidimensionais de protão
e de carbono 13 são
ilustrados nos extremos da
seguinte figura.
Figura 24 – Espectro de
correlação para uma
molécula orgânica.[2]
1. Ressonância Magnética Nuclear - Aplicações
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear é hoje em dia usada praticamente
em todos os ramos da química , quer nas universidades como também nos laboratórios
industriais.
Uma investigação típica em RMN, combina vários tipos de espectros 1D, 2D e por
vezes até 3D ou 4D. É a acumulação desta informação que fornece vulgarmente uma figura
detalhada da estrutura da molécula. Por exemplo, a estrutura tridimensional completa de
muitas proteínas e outras macromoléculas biológicas tem sido determinada por este meio.
A espectroscopia de RMN também tem sido usada para estudar não só a estrutura das
moléculas mas também a interacção entre diferentes espécies moléculares (ex. Enzimas -
Ressonância Magnética Nuclear 42
substracto), para estudar os seus movimentos em líquidos e polímeros, bem como para
obter informação acerca das velocidades de certas reacções. [2]
Ocupa, igualmente, um lugar saliente no campo da análise qualitativa e quantitativa,
desde componentes em produtos alimentares, a fluidos biológicos e metabolitos em tecidos
e órgãos de seres vivos intactos, de um modo não invasivo e não destrutivo.[3]
A classe de possíveis aplicações da RMN é demasiado grande para se efectuar uma lista
exaustiva, porém algumas destas aplicações incluem: Verificação do grau de pureza das
matérias primas; Análise de drogas e fármacos; controlo e qualidade de produtos químicos;
investigação de reacções químicas; investigação de substâncias desconhecidas bem como
análise de polímeros.
Por outro lado, a caracterização espacial do sinal de RMN da água (juntamente com o
desenvolvimento acelerado das capacidades de computação) permitiu, também, o
desenvolvimento do domínio de imagem por ressonância magnética, hoje uma das técnicas
imageológicas fundamentais em medicina e noutras áreas.[3]
A técnica adaptada aos objectivos do utilizador constitui um excelente método de estudo
do cérebro, medula espinhal, ossos esponjosos, pelve masculina ou feminina e grandes
articulações[19]. Para tal é utilizado e cada vez com mais regularidade nos hospitais, um
aparelho de ressonância magnética de imagem, RMI, que não é mais do que um aparelho
de RMN especializado.
2. Exame médico - RMN
Ressonância Magnética Nuclear (RMN), ou RMI como é conhecido no meio, é um
exame que permite aos médicos analisarem as estruturas internas do corpo sem o recurso
aos raios-x. Esta tecnologia possibilita aos médicos detectar doenças em desenvolvimento,
ou anormalidades mais precocemente. Basicamente a RMN utiliza um poderoso campo
magnético e ondas de radiofrequência e a combinação do campo magnético e
radiofrequência produz imagens muita claras de estruturas do corpo humano como o
cérebro, espinha, articulações, coração e outros órgãos vitais.
O exame é realizado numa sala contendo grande máquina de RMN designada pelos
médicos por "Magnete". A unidade de RMN parece um túnel aberto no meio de uma
grande caixa, podendo ser de diferentes tipos mas com um funcionamento semelhante.
Ressonância Magnética Nuclear 43
Figura 25- Exame médico por ressonância magnética nuclear.[20]
O procedimento para a análise clinica é o seguinte. O paciente deita-se numa
confortável maca que irá suavemente deslocar-se para dentro do magnete onde o scan
(exame) será realizado.
Por vezes a "bobina", que é apenas um rádio
receptor especial, é colocada em torno da área do
corpo a ser estudado, cabeça, joelho, fígado. etc. e
noutras situações, o técnico injecta um medicamento
(agente contraste) através de uma injecção de forma a
facilitar a interpretação das imagens do corpo do
paciente. Os dados obtidos pelo scan são
processados por um poderoso computador que os
transforma em imagens muito nítidas que o médico
especialista irá interpretar.
A RMN por si própria é um procedimento totalmente indolor, virtualmente sem efeitos
colaterais. Actualmente milhões de pacientes tem feito esse tipo de exame comprovando
ser extremamente seguro até porque a técnica utiliza apenas ondas de rádio e magnetização
com as quais convivemos no dia a dia.[20]
Ressonância Magnética Nuclear 44
3. Conclusão
A espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear tornou-se num método standar em
muitos laboratórios de química. Esta técnica é reconhecidamente a mais importante para a
investigação a nível molecular, permitindo obter informação estrutural e dinâmica para
qualquer estado da matéria, uma vez que existem relações muito próximas entre os dados
obtidos por 1H-RMN e o arranjo dos protões na molécula em investigação.[3, 15]
São várias as informações que podemos obter num espectro tais como
Informação contida no espectro Arranjo dos protõesNúmero de linhas de ressonância Número de grupos de protões equivalentes
Posição dos sinais de ressonância Tipo de grupos de protões
Intensidade relativa dos sinais de ressonância
Número de protões que provocam o sinal
Estrutura fina dos sinais de ressonância Posição dos grupos de protões relativamente a cada um deles
Em muitos casos este conhecimento permite-nos
- Predizer espectros de moléculas baseando-se apenas na formula estereoquímica.
- Propor uma estrutura para uma molécula desconhecida baseando-se apenas no seu
espectro.
- Decidir entre várias estruturas possíveis para uma molécula baseando-se no
espectro obtido, ou pelo menos um limite de várias possibilidades.
A aplicação da espectroscopia de RMN baseia-se, deste modo, essencialmente na
correlação empírica das estruturas com deslocamentos químicos observados e constantes
de acoplamento.[15]
Em termos de investigação clínica e desenvolvimento de imagem, a RMN direciona-se
para determinados objectivos nomeadamente:[12]
- Comparar a RMN com outras modalidades.
- Aproveitar as características únicas da imagem RMN.
- Determinar as técnicas mais úteis para cada local ou doença.
- Determinar a utilidade de medidas directas de T1 de tecidos normais e de lesões
benignas e malignas.
- Interaccionar com a cirurgia e radioterapia na preparação, planeamento e estudo da
resposta ao tratamento de cancros e linfomas.
- Avaliar o problema da segurança.
Ressonância Magnética Nuclear 45
- Desenvolver técnicas de aumento de contraste.
A espectroscopia de ressonância magnética nuclear, e uma técnica que vem sendo muito
usada fruto das enormes vantagens que possui, nomeadamente a possibilidade de estudar
um elevado número de núcleos e em todas as fases (gás, liquido e sólido), elevadas
intervalos de temperaturas, técnica não destrutiva e segura. Porém o recurso a esta técnica
também traz alguns inconvenientes que referem-se à insensibilidade do método, bem como
a impossibilidade de analisar misturas multicomponentes e ao elevado custo dos aparelhos
e sua manuntenção.[21]
Contudo, a versatilidade da NMR faz dela um dos métodos mais importantes e
perspicaz usados nas mais diversas ciências onde tem aplicação tal como a área científica
onde têm de ser respeitados alguns códigos impostos pelos organismos próprios, e
resumidos no apêndice 2.
Ressonância Magnética Nuclear 46
4. Bibliografia
[1]– Willard H., Merritt.Jr. L., Dean, J.,”Análise Instrumental” ,2ª edição, Fundação
Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1979
[2]- http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1991/illpres/
[3]- http://www.deq.eng.ufba.br/polimeros/rmn.html
[4]- Morrison, R. and Boyd,; "Química Orgânica", 13ª ed., Fundação Calouste
Gulbenkian, Lisboa, 1996
[5]- http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/espectrometria3.htm
[6]- http://208.7.154.206/gmoyna/NMR_lectures/NMR_lecture1/index.htm
[7]- http://fischer.union.edu/chem20/nmrfacts.html
[8]- http://www.shu.ac.uk/schools/sci/chem/tutorials/molspec/nmr3.htm
[9]- http://www.chem.vt.edu/chem-ed/spec/spin/ftnmr.html
[10]- http://www.psrc.usm.edu/spanish/nmr.htm
[11]- http://www.chem.toronto.edu/coursenotes/CHM240/RAB.webfolder/index.html
[12]- Gil, Victor M.S., Geraldes, Carlos F.G.C. “Ressonância Magnética Nuclear –
Fundamentos e Aplicações ”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1987
[13] http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/Spectrpy/nmr/
nmr1.htm
[14]- Eaton, David C., “Laboratory Investigations in Organic chemistry”, Macgraw-Hill
Book Company, New York, 1989
[15]-http://www.org.chemie.tu-muenchen.de/people/rh/nmrueb/uebung.prg/html.txt/
english/einfach.html
[16]- http://www.chem.uic.edu/web1/OCOL-II/WIN/SPEC/HNMR/NMRF.HTM
[17]- Mohring Jerry R., Hammound, Christina Noring, et all, “Experimental Organic
Chemistry - A balanced Approach: Macroscale and Microscale”, W.H.Freeman and
Company, New York, 1998.
[18]- http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/NMR.htm
[19]- http://www.lui-bertolo.hpg.ig.com.br/Resson_Magne/Ressonancia_Magnetica.htm
[20]- http://www.radiology.com.br/pacientes_resmag.htm
[21]- http://www.student.oulu.fi/~pingman/nmrlabra/basics.htm
[22]- http://ernst.dq.ufscar.br/~calvin/TRADUQN.DOC
Ressonância Magnética Nuclear 47
Apêndice 1
Tabela 4 - Desvios químicos de vários protões*.[13]
Composto ou classe Tipo de protão (ppm)
Alifáticos primários R-CH3 0,8 – 1,0
Alifáticos secundários R-CH2-R 1,2 – 1,5
Alifáticos terciários R3C-H 1,4 – 1,7
Vinílicos C=C-H 4.6 – 5.9
Alilícos C=C-CH3 1.6 – 1.9
Acetilénicos alifáticos R-CC-H 2.3 – 2.5
Acetilénicos aromáticos Ar-CC-H 2.8 – 3.1
Aromáticos Ar-H 6 – 8.5
Benzílicos primários Ar-CH3 2,2 – 2,5
Benzílicos secundários Ar-CH2-R 2,5 – 2,9
Benzílicos terciários Ar-CHR2 2,8 – 3,2
Álcoois
R-OH 1 – 5,5
HO-CH 3,4 – 4,0
HO-CH2-CH 1,2 –1,6
Fenois Ar-OH 4 – 12
Aminas alifáticas
R-NH2 0,6 –2,5
R’2N-CH3 2,2 – 2,6
R’2N-CH2CH3 2,5 – 2,8
R’2N-CH2CH3 1,0 – 1,3
Aminas aromática
Ar-NH2 3 – 4,5
Ar-NH-CH3 2,8 – 3,1
Ar-NH-CH2CH3 3,0 – 3,3
Éteres alifáticos
R’O-CH3 3,2 – 3,5
R’O-CH2-R 3,4 – 3,8
R’O-CH2CH3 1,2 – 1,4
R’O-CH2CH2CH3 0,9 – 1,1
Éteres aromáticosArO-CH3 3,7 – 4,0
ArO-CH3-R 3,9 – 4,3
Continuação da tabela 4
Ressonância Magnética Nuclear 48
Composto ou classe Tipo de protão (ppm)
Cetonas alifáticas
R’-(C=O)-CH3 2,1 – 2,4
R’-(C=O)-CH2-R 2,3 – 2,7
R’-(C=O)-CH2CH2-R 1,1 – 1,4
Ar-(C=O)-CH3 2,4 – 2,6
Ar-(C=O)-CH2-R 2,5 – 2,8
Aldeídos alifáticos
R-(C=O)-H 9,4 – 9,9
H-(C=O)-CH2-R 2,1 – 2,4
H-(C=O)-CH2CH2-R 1,1 – 1,4
Aldeídos aromáticos Ar-(C=O)-H 9,7 – 10,3
Esteres alifáticos
R’O-(C=O)-CH3 1,9 – 2,2
R’O-(C=O)-CH2CH3 2,1 – 2,4
R’O-(C=O)-CH2CH2-R 1,2 – 1,4
R’-(C=O)-O-CH3 3,6 – 4,0
R’-(C=O)-O-CH2CH3 3,7 – 4,1
R-O-(C=O)-H 8,0 – 8,2
Esteres aromáticos
ArO-(C=O)-CH3 2,0 – 2,5
ArO-(C=O)-CH2CH3 2,2 – 2,7
Ar-(C=O)-O-CH3 4,0 – 4,2
Ar-(C=O)-O-CH2CH3 4,2 – 4,5
Ácidos carboxílicos alifáticos
R-(C=O)-OH 10,4 – 12,0
R-CH2-(C=O)-OH 2,2 – 2,4
R-CH2CH2-(C=O)-OH 1,0 – 1,4
Ácidos carboxílicos aromáticos Ar-(C=O)-OH 10,4 – 12,0
Amidas alifáticas
R-(C=O)-NH2 5,5 – 7,5
R2N-(C=O)-CH3 1,8 – 2,2
R-(C=O)-NH-CH3 2,8 – 3,0
Cloretos alquílicosR-CH2-Cl 3,5 – 3,7
R-CH2CH2-Cl 1,6 – 1,8
Cloretos metilénicos CH2Cl2 5,30
Clorofórmio CHCl3 7,27
* O deslocamento químico destes protões varia com o tipo de solvente utilizado, com a temperatura e com a concentração.
Ressonância Magnética Nuclear 49
Apêndice 2
i. RECOMENDAÇÕES DA IUPAC [22]
Abaixo estão listadas as recomendações de RMN publicadas pela IUPAC, que referem-
se a deslocamentos químicos (incluindo apresentação de espectros) além de outras. Essas
recomendações são relativas à notação e são particularmente dirigidas às publicações em
revistas de química.
1 - O núcleo que origina o espectro em análise deve ser sempre especificado
explicitamente por extenso ou abreviado (ex.: RMN de 10B ou RMN de boro-10). O
número de massa do isótopo deve ser dado, excepto nos casos em que não há
ambiguidade. Abreviações tais como RMP para designar RMN de protão não são
recomendadas. No termo RMN multinuclear a palavra “nuclear” fica repetida e portanto, é
também desaconselhado. Quando for necessário se referir a vários núcleos, deve-se
escrever por extenso ressonância magnética multinuclear.
2 - A apresentação gráfica do espectro deve mostrar o aumento da frequência para a
esquerda na horizontal e o aumento de intensidade na vertical.
3 - A escala adimensional para deslocamentos químicos deve estar ligada a uma
referência, que deve ser claramente apresentada. Os procedimentos utilizados devem ser
cuidadosamente definidos.
4 - O factor da escala adimensional para deslocamento químico deve ser em partes por
milhão, para o qual ppm é a abreviação apropriada. A radiofrequência da referência,
apropriada ao núcleo em questão e ao espectrofotómetro usado, deve sempre ser
apresentada com bastante exactidão em relação aos valores numéricos dos deslocamentos
listados. Infelizmente, os softwares fornecidos pelos fabricantes para converter unidades de
frequência para ppm em RMN com Transformada de Fourier, usam, às vezes, a frequência
portadora no denominador, em vez da verdadeira frequência da referência, o que pode
ocasionar erros significativos.
5 - A escala de deslocamento químico deve ser definida em relação às frequências de
ressonância, com a conversão de sinal apropriada (isto é, sinal positivo deve implicar que a
amostra sofre ressonância em frequência maior que a referência). A fim de evitar
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ambiguidades de sinal, o termo “deslocamento químico” não deve ser usado para
descrever variações na blindagem.
6 - O símbolo (delta grego) deve ser usado para escalas de deslocamentos químicos
com a convenção de sinal dada acima. Tal símbolo não deve nunca ser usado para se
referir a blindagem. Assim, recomenda-se para estar de acordo com o que vem sendo
praticado que a escala do núcleo X seja definida por:
X, amostra = X, amostra - X, referência (1) X, referência
e que a notação ppm apareça com o valor numérico apropriado, quando relevante. Esta
definição pode ser alternativamente escrita:
X, amostra/ppm = X, amostra - X, referência x 106 (2) X, referência
ou
X, amostra/ppm = X, amostra - X, referência/Hz (3) X, referência /MHz
Esta redefinição (Equação (1) ou as alternativas (2) e (3) ) permite que valores possam
ser escritos em ppb (como é apropriado para alguns efeitos de isótopos) ou % (relevante
para alguns deslocamentos de metais pesados), ou ainda em ppm (que sem dúvida alguma
permanecerá como o uso mais comum).
7 - O núcleo em questão deve ser indicado subscrito ou entre parênteses, ex.: C ou
(13C), a menos que não haja ambiguidade.
8 - Tanto quanto possível, a informação completa deve ser fornecida nas publicações em
relação a qualquer parâmetro que possa influenciar nos deslocamentos químicos, tais
como:
(I) Estado físico da amostra, isto é, sólido, líquido, solução ou gás, e outros fatos
adicionais relevantes, quando necessário.
(II) Para soluções, o nome do solvente e a concentração do soluto.
(III) A natureza do procedimento de referenciação, ex.: interna, externa (tubos coaxiais
ou substituição), frequência absoluta.
(IV) O nome do composto de referência e, se usado internamente na solução, sua
concentração.
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(V) A temperatura e a pressão da amostra.
(VI) Se oxigénio ou outros gases foram removidos da amostra.
(VII) Qualquer produto químico presente na amostra além da substância sob
investigação e do composto de referência.
9 - O sinal do 1H de uma solução diluída (1% vol. em CDCl3 preferencialmente) do
tetrametilsilano, deve ser usado como referência interna primária para as frequências de
ressonância (e também os deslocamentos químicos) de todos os núcleos. Entretanto, para
soluções aquosas as recomendações da Ref. 3, são indicadas.
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