resonancia magnética nuclear de protones

La resonancia magnética nuclear de protones ( RMN de protones , RMN de hidrógeno-1 o RMN de 1H ⁾ es la aplicación de la resonancia magnética nuclear en la espectroscopia de RMN con respecto a los núcleos de hidrógeno-1 dentro de las moléculas de una sustancia, para determinar la estructura de sus moléculas. ^{[ 1 ]} En muestras donde se utiliza hidrógeno natural (H), prácticamente todo el hidrógeno consiste en el isótopo ^1H (hidrógeno-1; es decir, que tiene un protón como núcleo).

Los espectros de RMN simples se registran en solución , y no se debe permitir que los protones del disolvente interfieran. Se prefieren los disolventes deuterados (deuterio = ^{2 H, a menudo simbolizado como D) especialmente para su uso en RMN, por ejemplo,} agua deuterada , D₂O _, acetona deuterada , (CD₃ ₎ ₂CO _, metanol deuterado , CD₃OD _, dimetilsulfóxido deuterado , (CD₃ ₎ ₂SO _, y cloroformo deuterado , CDCl₃ _. Sin embargo, también se puede utilizar un disolvente sin hidrógeno, como el tetracloruro de carbono , CCl₄ _, o el disulfuro de carbono , _CS₂ .

Históricamente, los disolventes deuterados se suministraban con una pequeña cantidad (típicamente 0,1 %) de tetrametilsilano (TMS) como patrón interno para referenciar los desplazamientos químicos de cada protón del analito. El TMS es una molécula tetraédrica , con todos los protones químicamente equivalentes, lo que da una única señal, utilizada para definir un desplazamiento químico = 0 ppm. ^{[ 2 ]} Es volátil , lo que también facilita la recuperación de la muestra. Los espectrómetros modernos pueden referenciar los espectros basándose en el protón residual en el disolvente (por ejemplo, el CHCl ₃ , 0,01 % en CDCl ₃ 99,99 % ). Actualmente, los disolventes deuterados se suministran comúnmente sin TMS.

Los disolventes deuterados permiten el uso del bloqueo de frecuencia-campo de deuterio (también conocido como bloqueo de deuterio o bloqueo de campo) para compensar el efecto de la deriva natural del campo magnético de la RMN. ${\displaystyle B_{0}}$. Para proporcionar bloqueo de deuterio, el RMN monitorea constantemente la frecuencia de resonancia de la señal de deuterio del solvente y realiza cambios en la${\displaystyle B_{0}}$para mantener constante la frecuencia de resonancia. ^{[ 3 ]} Además, la señal de deuterio puede utilizarse para definir con precisión 0 ppm como la frecuencia de resonancia del disolvente de bloqueo y la diferencia entre el disolvente de bloqueo y 0 ppm (TMS) es bien conocida.

Los espectros de RMN de protón de la mayoría de los compuestos orgánicos se caracterizan por desplazamientos químicos en el rango de +14 a -4 ppm y por el acoplamiento espín-espín entre protones. La curva de integración para cada protón refleja la abundancia de los protones individuales.

Las moléculas simples tienen espectros simples. El espectro del cloruro de etilo consiste en un triplete a 1,5 ppm y un cuartete a 3,5 ppm en una proporción de 3:2. El espectro del benceno consiste en un pico único a 7,2 ppm debido a la corriente anular diamagnética .

Junto con la RMN de carbono-13 , la RMN de protón es una herramienta poderosa para la caracterización de la estructura molecular.

Los valores de desplazamiento químico , simbolizados por δ , no son precisos, sino típicos ; por lo tanto, deben considerarse principalmente como una referencia. Las desviaciones se encuentran en el rango de ±0,2 ppm , a veces más. El valor exacto del desplazamiento químico depende de la estructura molecular y del disolvente , la temperatura , el campo magnético en el que se registra el espectro y otros grupos funcionales vecinos . Los núcleos de hidrógeno son sensibles a la hibridación del átomo al que está unido el átomo de hidrógeno y a los efectos electrónicos . Los núcleos tienden a desapantallarse por grupos que retiran densidad electrónica. Los núcleos desapantallados resuenan a valores de δ más altos, mientras que los núcleos apantallados resuenan a valores de δ más bajos.  

Ejemplos de sustituyentes atractores de electrones son −OH, −OCOR, −OR, −NO₂ y halógenos . Estos causan un desplazamiento hacia campos bajos _de aproximadamente 2–4 ppm para los átomos de H en Cα ₍ un átomo de C alifático directamente unido al sustituyente en cuestión) y de menos de 1–2 ppm para los átomos de H en Cβ ₍ un átomo de C alifático unido a Cα ₎ . Los grupos carbonilo , los fragmentos olefínicos y los anillos aromáticos aportan átomos ^{de carbono con hibridación} sp² a una cadena alifática. Esto causa un desplazamiento hacia campos bajos de 1–2 ppm en _Cα .   

Cabe señalar que los protones lábiles (−OH, −NH₂ , −SH ) no presentan un desplazamiento químico característico. Sin embargo, estas resonancias pueden identificarse por la desaparición de un pico al reaccionar con _{D₂O ,} ya que el deuterio sustituye a un átomo de protio . Este método se denomina agitación _con D₂O . Los protones ácidos también pueden suprimirse al utilizar un disolvente que contenga iones de deuterio ácidos (p. ej., metanol - d₄). Un método alternativo para identificar protones que no están unidos a carbonos es el experimento de coherencia cuántica _simple heteronuclear (HSQC), que correlaciona protones y carbonos separados por un enlace. Un hidrógeno que no está unido a un carbono puede identificarse porque no presenta un pico cruzado en el espectro HSQC.

Las intensidades integradas de las señales de RMN son, idealmente, proporcionales a la proporción de los núcleos dentro de la molécula. ^{[ 4 ]} Junto con el desplazamiento químico y las constantes de acoplamiento, las intensidades integradas permiten la asignación estructural. Para mezclas, las intensidades de las señales pueden utilizarse para determinar las proporciones molares. Estas consideraciones son válidas solo cuando se dispone de tiempo suficiente para la relajación completa de las señales afectadas, según lo determinado por sus valores T _1. Una complicación adicional surge de la dificultad de integrar señales con formas de línea muy diferentes.

Además del desplazamiento químico , los espectros de RMN permiten la asignación de estructuras mediante el acoplamiento espín-espín (y las intensidades integradas). Dado que los núcleos poseen un pequeño campo magnético, se influyen mutuamente, modificando la energía y, por lo tanto, la frecuencia de los núcleos cercanos al resonar ; esto se conoce como acoplamiento espín-espín . El tipo más importante en la RMN básica es el acoplamiento escalar . Esta interacción entre dos núcleos se produce a través de enlaces químicos y suele observarse hasta a tres enlaces de distancia (acoplamiento 3-J), aunque ocasionalmente puede ser visible a cuatro o cinco enlaces, si bien estos tienden a ser considerablemente más débiles.

El efecto del acoplamiento escalar se puede comprender examinando un protón con una señal a 1  ppm. Este protón se encuentra en una molécula hipotética donde, a tres enlaces de distancia, existe otro protón (en un grupo CH−CH, por ejemplo). El grupo vecino (un campo magnético ) provoca que la señal a 1  ppm se divida en dos, con un pico unos pocos hercios por encima de 1  ppm y el otro pico la misma cantidad por debajo de 1  ppm. Cada uno de estos picos tiene la mitad del área del pico singlete original . La magnitud de esta división (diferencia de frecuencia entre los picos) se conoce como constante de acoplamiento . Un valor típico de la constante de acoplamiento para protones alifáticos sería de 7  Hz.

La constante de acoplamiento es independiente de la intensidad del campo magnético porque es causada por el campo magnético de otro núcleo, no por el imán del espectrómetro. Por lo tanto, se expresa en hercios (frecuencia) y no en ppm ( desplazamiento químico ).

En otra molécula, un protón resuena a 2,5  ppm y ese protón también se dividiría en dos por la acción del protón a 1  ppm. Dado que la magnitud de la interacción es la misma, la división tendría la misma constante de acoplamiento,  separada por 7 Hz. El espectro presentaría dos señales, cada una un doblete . Cada doblete tendría la misma área, ya que ambos se producen por un solo protón.

Los dos dobletes a 1 ppm y 2,5 ppm de la molécula ficticia CH−CH se transforman ahora en CH ₂ −CH:

• El área total del pico de CH ₂ de 1 ppm será el doble que la del  pico de CH de 2,5 ppm.
• El pico CH ₂ se dividirá en un doblete por el pico CH , con un pico en 1  ppm + 3,5  Hz y otro en 1  ppm − 3,5  Hz (la constante de acoplamiento o división total es de 7  Hz).

En consecuencia, el pico CH a 2,5 ppm se dividirá dos veces por cada protón del CH₂ _. El primer protón dividirá el pico en dos intensidades iguales, pasando de un pico a 2,5  ppm a dos picos, uno a 2,5  ppm + 3,5  Hz y el otro a 2,5  ppm − 3,5  Hz , cada uno con la misma intensidad. Sin embargo, estos se dividirán de nuevo por el segundo protón. Las frecuencias cambiarán en consecuencia:

• La señal de 2,5 ppm + 3,5  Hz se dividirá en 2,5  ppm + 7  Hz y 2,5  ppm.
• La señal de 2,5 ppm a 3,5  Hz se dividirá en 2,5  ppm y 2,5  ppm a 7  Hz.

El resultado final no es una señal compuesta por cuatro picos, sino por tres: una señal a 7  Hz por encima de 2,5  ppm, dos señales a 2,5  ppm y una última a 7  Hz por debajo de 2,5  ppm. La relación de altura entre ellas es 1:2:1. Esto se conoce como triplete e indica que el protón se encuentra a tres enlaces de un grupo _CH₂ .

Esto se puede extender a cualquier grupo CH _n . Cuando el grupo CH ₂ −CH se cambia a CH ₃ −CH ₂ , manteniendo idénticos el desplazamiento químico y las constantes de acoplamiento, se observan los siguientes cambios:

• Las áreas relativas entre las subunidades CH ₃ y CH ₂ serán de 3:2.
• El CH ₃ se acopla a dos protones formando un triplete 1:2:1 alrededor de 1  ppm.
• El CH ₂ está acoplado a tres protones.

Algo dividido por tres protones idénticos adopta una forma conocida como cuarteto , donde cada pico tiene intensidades relativas de 1:3:3:1.

Un pico se divide mediante n protones idénticos en componentes cuyos tamaños están en la proporción de la n -ésima fila del triángulo de Pascal :

Debido a que la enésima fila tiene n + 1 componentes, se dice que este tipo de desdoblamiento sigue la " regla n  +  1": un protón con n vecinos aparece como un grupo de n  +  1 picos.

Con el 2-metilpropano, (CH₃ ₎ ₃CH _, como otro ejemplo: el protón CH está unido a tres grupos metilo idénticos que contienen un total de 9 protones idénticos. La señal C−H en el espectro se dividiría en 10 picos según la regla de multiplicidad n  +  1. A continuación se muestran las señales de RMN correspondientes a varios multipletes simples de este tipo. Nótese que las líneas exteriores del noneto (que tienen solo 1/8 de la altura de las del segundo pico) apenas se aprecian, lo que da una semejanza superficial con un septeto.

Cuando un protón se acopla a dos protones diferentes, es probable que las constantes de acoplamiento sean distintas, y en lugar de un triplete, se observará un doblete de dobletes. De manera similar, si un protón se acopla a otros dos protones de un tipo y a un tercero de otro tipo con una constante de acoplamiento diferente y menor, se observará un triplete de dobletes. En el ejemplo siguiente, la constante de acoplamiento del triplete es mayor que la del doblete. Por convención, el patrón creado por la constante de acoplamiento mayor se indica primero y los patrones de desdoblamiento de las constantes menores se nombran sucesivamente. En el caso siguiente, sería erróneo referirse al cuarteto de tripletes como un triplete de cuartetos. El análisis de dichos multipletes (que pueden ser mucho más complejos que los que se muestran aquí) proporciona pistas importantes sobre la estructura de la molécula estudiada.

Las reglas sencillas para el desdoblamiento espín-espín de las señales de RMN descritas anteriormente solo se aplican si los desplazamientos químicos de los componentes acoplados son sustancialmente mayores que la constante de acoplamiento entre ellos. De lo contrario, podrían aparecer más picos y las intensidades de los picos individuales se verían distorsionadas (efectos de segundo orden).

Ocasionalmente, se pueden observar pequeños picos que flanquean los picos principales de RMN de ^1H . Estos picos no se deben al acoplamiento protón-protón, sino al acoplamiento de átomos de ^{1H con un átomo} de carbono-13 ( ^13C ) adyacente . Estos pequeños picos se conocen como satélites de carbono, ya que son pequeños y aparecen alrededor del pico principal de 1H, es decir, ^son satélites (alrededor) de él. Los satélites de carbono son pequeños porque solo unas pocas moléculas en la muestra tienen ese carbono como el isótopo ^13C , poco frecuente y activo en RMN . Como siempre ocurre con el acoplamiento debido a un solo núcleo de espín 1/2, el desdoblamiento de la señal para el H unido al ^{13C es un doblete. El H unido al 12C} , más abundante, no se desdobla, por lo que es un singlete grande. El resultado final es un par de pequeñas señales igualmente espaciadas alrededor de la principal. Si la señal de H ya estuviera desdoblada debido al acoplamiento H–H u otros efectos, cada uno de los satélites también reflejaría este acoplamiento (como suele ocurrir en patrones de desdoblamiento complejos debido a la presencia de átomos diferentes). Otros núcleos activos en RMN también pueden causar estos satélites, pero el carbono es el responsable más común en los espectros de RMN de protón de compuestos orgánicos.

En ocasiones, pueden observarse otros picos alrededor de los picos de ^1H , conocidos como bandas laterales de giro , que están relacionados con la velocidad de giro del tubo de RMN . Se trata de artefactos experimentales derivados del propio análisis espectroscópico, no de una característica intrínseca del espectro químico ni de una característica específica relacionada con el compuesto o su estructura.

Los satélites de carbono y las bandas laterales giratorias no deben confundirse con picos de impurezas. ^{[ 7 ]}

• Espectrometría de masas
• Notación de Pople : designaciones de letras para sistemas de espín acoplados.
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas

• ^1. Tutorial de interpretación de RMN de 1H
• Base de datos espectral para compuestos orgánicos
• Desplazamientos químicos de protones
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• [RMN de protón 1D] Experimento de RMN 1D