Use of NMR to follow the hydrolysis of acetic anhydride (left) into acetic (right)

Ressonncia Magntica Nuclear (RMN) de 1H e 13C

A RMN a parte da espectroscopia que estuda a estrutura e as

interaes moleculares atravs de medidas da interao de campo

eletromagntico oscilante (de RF) com os ncleos presentes num campo

magntico esttico. Os ncleos so partes dos tomos, estes so partes das

molculas. Assim, espectro de RMN mostra informaes, difceis de serem

obtidas por outros mtodos espectroscpicos, sobre a estrutura e dinmica

molecular. Embora o mtodo tenha sido o ltimo a estar disponvel para o

qumico , o que mais se desenvolveu nos ltimos anos.

Dcada Descoberta / Avano de RMN

1940s Primeira observao de RMN em feixe molecular

(Isidor Rabi; Nobel em 1944) e slidos e lquidos

Bloch e Purcell, Nobel em 1952

1950s Uso dos e J como ferramentas de determinao estrutural

1960s Introduo da RMN de FT; uso do efeito NOE para

determinao estrutural

1970s Emprego de ims supercondutores; controle total do

equipamento pelo computador

1980s Introduo de pulsos mltiplos, e espectroscopia em

2-D

1990s Acoplamento da RMN com outras tcnicas, ex: CL-

RMN

Comportamento de Ncleos num Campo Magntico Externo e Esttico, Bo

Quando os ncleos so submetidos Bo, eles se organizam em (2I + 1)

orientao, porque E entre os estados de energia envolvidos quatizada.

Nveis de energia para o hidrognio sob a ao

de um campo magntico esttico Bo

Energia Menor Energia MaiorOrientaes de um ncleo com I = 1/2

(Nota: Bo

dado em Tesla, 1 Tesla = 10 k Guass. Os equipamentos

modernos de RMN operam entre 5 a 21 Teslas. O campo magntico da

terra = 0,6 G = 10-5 Tesla).

O efeito de Bo

sobre os ncleos explicado em termos de mecnica clssica,

onde o campo impe uma torque sobre , provocando um movimento circular

deste em volta de Bo, com freqncia caracterstica, em Hz, chamada a

freqncia de Larmor, relacionada com Bo

por: = Bo

/ pi, onde a

razo giromagntica do ncleo; = 2pi/HI

Assim, para I = , na ausncia de Bo, os dois estados de spin tem

energias iguais, na sua presena os dois estados tem energias diferentes:

E = h = h Bo / 2pi:

Energias relativas dos estados de spin de um ncleo com I = num campo magntico esttico Bo

Para um Bo

= 5.87 Tesla, de 1H = 250 MHz, e as fraes de ncleos

nos dois estados de spin so : 0,49999 e 0,50001 para m = - e + ,

respectivamente (excesso do ltimo estado muito pequeno! 20 ppm.

Relevncia para anlise quantitativa?). Assim, a aplicao de Bo

favorece um

dos estados do spin, embora o sistema volte ao equilbrio, uma vez que Bo

desligado. A volta, ocorre por um processo exponencial de relaxao,

longitudinal ou de spin-rede, cujo tempo T1.

Efeitos de aplicao e desligamento de Bo, sobre os spin nucleares

DistribuioExagerada de spim 5 +/ 5 - 6 +/ 4 - 5 +/ 5 -

Tempo (unidade de T1

Desligar o im

Comportamento de Ncleos em Campos Perpendiculares:

Bo e Eletromagntico Oscilante B1

O que acontece se ligamos no eixo X-Y um campo

eletromagntico (RF, na faixa de MHz) e modulamos sua freqncia at

que seja = a freqncia de Larmor ? Os momentos magnticos nucleares

sero focalizados, ou seja, entram em fase. O torque resultante faz com

que a soma dos momentos nucleares M (que estava na direo Z antes de

ligar a RF) incline para o plano X-Y, com um ngulo ; MX-Y = M seno .

Movimentos de ncleos com I = , provocadas por Bo (a) e Bo e B1 (c).

O componente MX-Y produz o sinal de RMN, correspondente a este grupo de ncleos.Alm do mecanismo de relaxao T1, aps o desligamento de B1, os momentosnucleares individuais que esto em fase, comeam a sair desta coerncia de fasepor outro mecanismo de relaxao (transversal ou de spin-spin) cujo tempo T2.(normalmente, T2 < T1). Na prtica, T1 e T2 controlam a altura e largura do pico deRMN, respectivamente.

A Experincia e o Espectrmetro de RMNFixa-se B

o, e modula-se B

1(o oposto possvel) at que sua freqncia seja igual

a freqncia de Larmor do ncleo (tomo) em questo. Nesta condio, ocorre

absoro de energia pela amostra (condio de ressonncia), esta absoro

registrada em forma de pico. Os tomos, ex: os 1H, de uma molcula complexa

tem diferentes. Continua-se a modulao de B1

at a ocorrncia da condio

de ressonncia para cada ncleo (do mesmo tomo) da molcula, produzindo

uma srie de picos, o espectro de RMN. Como depende de , os valores de

para os ncleos so bem diferentes, at para os istopos do mesmo tomo ( =

267,51 e 41,06 x106 rad Tesla-1 s-1, para 1H e 2H, respectivamente); modula-se B1

numa faixa pequena. Assim, na mesma experincia detecta-se apenas um

ncleo (tomo), 1H; 2H; 13C, etc. A sensitividade relativa (altura do pico) depende

de abundncia natural do istopo.

Freqncias de ressonncia e intensidades relativas dos istopos mais

presentes nos compostos orgnicos, a Bo = 5,87 Tesla.

O Espectrmetro

Os aparelhos antigos tinham campos de 1,41; 1,87; 2,20 ou 2,35 Tesla,

correspondentes a freqncias de 60, 80, 90 ou 100 MHz respectivamente (1H).Usavam im permanente ou eltrico refrigerado com gua. O espectro era obtido

pelo mtodo de CW (varredura contnua), onde a amostra irradiada, umafreqncia por vez (modo dispersivo). O tempo para o registro de uma amostravariava entre 2-10 minutos. Para melhorar o S/R, introduziu-se mais tarde a

tcnica CAT, onde era possvel acumular vrios espectros num computador

simples. Assim, o acmulo de 100 espectros (uma tarefa trivial hoje) levava entre3 a 16 horas! Os ncleos mais estudados eram 1H e 19F. O estudo de outros

ncleos era, na prtica, fora do alcance de muitos pesquisadores (?).

Diagrama de espectrmetro de CW, com im permanente

Mais tarde, foram introduzidos dois avanos importantes: o uso do modo

pulsado, ou de FT para a aquisio do espectro, e de ims supercondutores. O

uso de RMN de FT reduziu bastante o tempo da experincia j que a amostra irradiada pela faixa inteira de freqncia do ncleo de interesse, durante alguns

ms. Assim, dependendo da resoluo desejada, o acmulo de 100 espectroslevaria entre 1-5 minutos. Na experincia de RMN, deseja-se obter o campomagntico mais alto e mais homogneo possvel. A razo que: E = h Bo / 2pi,

ou seja, quanto maior Bo, maior a diferena entre os estados de spin nuclear, emais forte o sinal (?). Construir ims eltricos de campo alto e homogneo problemtico, e precisa de refrigerao cada vez mais eficiente. A resistncia de

metais diminui bastante com a diminuio da temperatura, motivo do emprego de

ims supercondutores, refrigerados com nitrognio/Hlio lquidos.

Base do detector

Bobina de ajuste do probeBobina de ajuste do campo

bobina transmissora/receptora

Tubo da amostraturbina

rotorsupercondutor

He lquidoN2lquido

filtro

Transmissorde RF

Controle do consolo

Pr-amplificador Receptor

Corte num im supercondutor

Diagrama de espectrmetro de FT, com im supercondutor.

Manuseio das Amostras

As substncias so normalmente dissolvidas em solventesapropriados. Para a maioria dos casos, usa-se solventes deuterados (com%D > 99,5%) CDCl3, acetona-d6, CD3CN, DMSO-d6, D2O, etc. O solvente transparente, menos para RMN de 13C, 2H (?); o deutrio do solventeserve para calibrao de freqncia de campo (lock ou trava). A soluo introduzida entre os plos do im num tubo de parede fina, de 5 ou 10mm de dimetro, e de alta qualidade. O tubo rodado (por ar ou N2)numa certa velocidade (alguns rps) para aumentar a homogeneidade locale do campo.

As impurezas mais comuns so: 1-Material suspenso (partculas metlicas, talco). Estas funcionam comopequenos ims, causando relaxao eficiente dos estados excitados alargamento dos picos

Efeito da presena de material particulado sobre a qualidade do espectro. A soluo filtrada apresenta o espectro acima.

2- Impurezas no solvente, inclusive solvente no deuterado e guaDesclocamentos qumicos

Solvente CDCl3 Acetona-d6

DMSO-d6 C6D6 CD3CN

Solventeresidual

7,26 2,05 2,5 7,16 1,94

gua, mdio

1,56 2,84 3,33 0.4 2,13

Problema do pico de gua; depende muito de T. Porque? Conseqncia?J. Org. Chem. 1997, 62, 7512-7515

3- Contaminao da soluo durante seu manuseio

Material estranho, proveniente do manuseio anterior da amostra (graxa de

silicone, etc). Novos picos, um deles (graxa de silicone) se confunde com o

pico do TMS (referncia interna).

impurezas paramagnticas, inclusive ons, oxignio dissolvido e oxignio na

amostra devido a formao de vortex: relaxao eficiente e alargamento

dos picos (de-gasificao para experincias de determinao de T1 e T2).

Espectros de amostras slidas

As linhas de RMN de slidos so bastante alargadas (conseqncia sobre a

informao?) devido a forte heterogeneidade do meio. Este tem dependncia

angular sobre (3cos2

- 1), onde o ngulo entre Bo

e o vetor inter-nuclear. Os

espectros de RMN de amostras slidas podem ser examinados, usando-se porm,

um porta-amostra diferente, inclinado sobre Bo pelo ngulo mgico ( = 54.7,

3cos2

- 1 = -1,5 x 10-4) e rodando a velocidade bem alta (?).

ANDREW TYPE MAS ROTOR

Informaes Estruturais a Partir dos Espectros de RMN: Deslocamentos Qumicos () e Acoplamentos Spin-Spin (J)

Deslocamentos Qumicos, De acordo com a equao bsica da RMN (E =hB

o/ 2pi), cada composto dever dar origem a um nico pico, dependendo da

freqncia empregada, ou seja a tcnica serve para anlise elementar!

Felizmente, a situao mais complexa, e o ncleo blindado pelos eltrons em

volta. Como primeira aproximao, ex: 1H, a blindagem depende da densidade

eletrnica em volta do ncleo. Assim, os diferentes 1H da mesma molcula

absorvem em diferentes. O deslocamento qumico, , a diferena entre afreqncia observada e aquela de uma referncia (para qual = 0). Para 1H e 13C areferncia TMS = tetrametilsilano (CH

3)3Si, um composto inerte (?), de p.e. = 27

C (?), e solvel na maioria dos solventes. Para solues em D2O, usa-se o DSS (2,2-

dimetil-2-silapentano-5-sulfonato de Na: (CH3)3SiCH

2CH

2CH

2SO

3Na), um composto

parecido com o TMS, porm aquo-solvel.

Para tornar (em Hz) independente da freqncia do equipamento, , usa-se aescala de ppm, sem unidades: (ppm) = (Hz) x 106/ (MHz) x 106 . Assim, para1H, um ppm = 250 Hz e 400 Hz, para equipamentos operando em = 250 MHz e400 MHz, respectivamente.

Para 1H, espera-se que quando maior a blindagem do ncleo, menor ovalor de (pico mais perto do pico de TMS). Porm, a relao entre e a densidadeeletrnica no universal devido proteo diamagntica do ncleo, como mostramos seguintes valores: 1,80; 9.97; 7,27 para HCCH; CH3-CH=O; e C6H6,respectivamente.

Blindagem dos hidrognios do acetileno

Desblindagem do hidrognio do aldedo

Efeitos da corrente de anel do benzeno

Regies habituais de deslocamento qumico

Acoplamento Spin-Spin, J, e Anlise de Primeira OrdemAlgumas substncias, acetato de benzila, mostram espectros simples, cada

singlete corresponde (pela integrao) a um tipo de 1H. Outras substnciasmostram espectros mais complexos, embora ainda de 1a. ordem, onde cada picodesdobra em grupos de picos.

Espectro de RMN do acetato de benzila em tetracloreto de carbono a 60 MHz

Cloreto de Etila em CDCl3 a 60 MHz

Espectro de ter etlico a 250 MHz

Desdobramento de CH3 pelo grupo CH2 vizinho

Desdobramento de CH2 pelo grupo CH3 vizinho

O valor de (em Hz) depende de do equipamento, o valor de J independente. Para situaes simples, onde a molcula tem HA e HB, HA- HB(Hz) > 10 JA-B, e os valores de J so iguais, temos que cada pico desdobra em(n+1) picos onde n o numero das 1H vizinhos. As intensidades relativas dospicos dependem das possibilidades de spin dos prtons vizinhos, e dada pelo

tringulo de Pascal.

Tringulo de Pascal. Intensidades relativas dos

multipletes de primeira ordem originados pelo acoplamento

com n ncleos de spin (p.ex. prtons)

Sistemas Complexos

A seguir so exemplos de sistemas cujos espectros no podem seranalisados pela regra de 1a. Ordem, pelo menos em aparelhos de baixo:(i) Sistemas onde a razo /J pequena, devido ao acoplamento forte entre osprtons: tanto o desdobramento, como as intensidades relativas dos picos desviamde 1a. ordem

Acoplamento spin spin entre dois hidrognios

com deslocamentos qumicos muito diferentes

Modificaes observadas em umsistema de dois hidrognios acopladoscom a diminuio da diferena entre osdeslocamentos qumicos, para um valorconstante de J (10 Hz).

Distores que ocorrem quando o sistema AAXXse transforma progressivamente em AABB no caso de ZCH2CH2Y em 60 MHz

4.0 3.5 3.0 2.50.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

4.0 3.5 3.0 2.50.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

60 MHz 600 MHz

(CH3)2N-CH2-CH2-OC(O)CH3

4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.50 3.40 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.600.00

0.10

0.20

0.30

(CH3)2N-CH2-CH2-OC(O)CH3 em 600 MHz

2.704.10

3.40 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.60 2.50 2.40 2.30 2.20 2.10 2.000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

3.40 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.60 2.50 2.40 2.30 2.20 2.10 2.000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

60 MHz 600 MHz

H2N-CH2-CH2-CO2H

2.90 2.80 2.70 2.60 2.500.00

0.10

0.20

0.30

H2N-CH2-CH2-CO2H em 600MHz

4.5 4.0 3.5 3.00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

4.5 4.0 3.5 3.00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

60 MHz 600 MHz

Cl-CH2-CH2-OD

3.90 3.80 3.70 3.60 3.500.00

0.10

0.20

0.30

Cl-CH2-CH2-OD em 600MHz

4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.500.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.500.00

0.10

0.20

0.30

60 MHz 600 MHz

C6H5-O-CH2-CH2-OH

4.10 4.000.00

0.10

0.20

0.30

C6H5-O-CH2-CH2-OH em 600MHz

4.0 3.5 3.0 2.50.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

3.40 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.60 2.50 2.40 2.30 2.20 2.10 2.000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

4.5 4.0 3.5 3.00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.500.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

(CH3)2N-CH2-CH2-OC(O)CH3 H2N-CH2-CH2-CO2H

Cl-CH2-CH2-OD C6H5-O-CH2-CH2-OH

Espectros em 60 MHz

4.0 3.5 3.0 2.50.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

3.40 3.30 3.20 3.10 3.00 2.90 2.80 2.70 2.60 2.50 2.40 2.30 2.20 2.10 2.000.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

4.5 4.0 3.5 3.00.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

4.40 4.30 4.20 4.10 4.00 3.90 3.80 3.70 3.60 3.500.00

0.10

0.20

0.30

(CH3)2N-CH2-CH2-OC(O)CH3 H2N-CH2-CH2-CO2H

Cl-CH2-CH2-OD C6H5-O-CH2-CH2-OH

Espectros em 600 MHz

ii) Sistemas que tm prtons quimicamente, mas no magneticamenteequivalentes, por exemplo, o sistema AAXXde 4-cloronitrobenzeno; AABB de o-diclorobenzeno; sistemas Z-CH2-CH2-Y que se transformam de AAXX paraAABB devido a mudana das estruturas de Z e Y.

(iii) Sistemas contendo centro quirlico

p-cloro-nitrobenzeno, 100 MHz em CCl4

1,3-dicloro-propano em CDCl3 em 60 MHz, um sistema do tipo XXAAXX

o-Dicloro-benzeno, 100 MHz em CCl4

(iv) Sistemas com 1H ligado a heterotomosO OH de ROH acopla com os demais 1H somente na ausncia de traos decidos ou bases.

Espectros de RMN de lcoois (a) primrios, (b) secundrios e (c) tercirios

tpicos, obtidos em DMSO. A absoro em 2,6 devida ao solvente

Os prtons de N-H podem acoplar, ou no com os 1H vizinhos, e so alargadosporque o N tem nmero de spin = 1 (desdobra o 1H em triplete) e possui, alm demomento magntico dipolar, momento eltrico quadrupolar (alarga o sinal de 1H).

N-metil-carbanato de etila CH3NHCOCH2CH3, a 60 HzO

Faixas de Deslocamentos Qumicos dos Prtons

Ressonncia Magntica Nuclear de 13C O 12C no magneticamente ativo,

porque seu I = 0. Embora o 13C seja ativo, sua abundncia natural 1,1%, e sua

sensibilidade apenas 1,6% de 1H, fazendo com que a sensibilidade total de 13C

comparada de 1H seja de ca. 1/5700 (conseqncia?). O 13C acopla com 1H

(ambos tem I = ) o que complica o espectro, devido aos valores altos de J 13C-

1H (110-320 Hz) e os valores apreciveis para 13C-C-1H e 13C-C-C-1H. Assim, os

espectros onde h acoplamento 13C-1H so de difcil interpretao. Opta-se pelo

desacoplamento total, ou parcial de 1H, pela irradiao pela freqncia de 1H,

durante a aquisio do espectro de 13C. Assim, na maior parte, o espectro de 13C

composto de singletes (?), cada um corresponde a um, ou mais 13C. O uso de

integrao de espectro de 13C bem menos que para o 1H, porque o efeito

Overhauser nuclear (NOE) causa transferncia de polarizao entre 1H e 13C, o

que aumenta a intensidade do sinal do ltimo ncleo, em at 200%.

Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrognios completamente acoplados. O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz

Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrognios completamente desacoplados por um desacoplador de banda larga.

O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz

Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrognios completamente desacoplados e um intervalo de 10 s entre os pulsos.

O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz

Espectro de 13C-RMN do ftalato de dietila com os hidrognios completamente desacoplados fora de ressonncia. O solvente usado foi CDCl3 a 25,2 MHz

Faixas de Deslocamentos Qumicos de 13C

cetonaaldeido

cido carboxlicoster

Amida(Compostos Carbonlicos)

Heteroaromticos

(grupos alcoxi)

(carbonos de aminas)

(carbonos de alogenados)

(grupos alquila)

Correlao entre de 1H versus do 13C correspondente

Espectros Bidimensionais de RMN

O termo RMN de 2-D no exato, pois o espectro comum 2-D, entrefreqncia e intensidade. A aquisio na experincia de 2-D feita em termos deduas escalas de tempo, t1 (evoluo) e t2 (deteco). Os dados sofrem TF paracada tempo, o espectro resultante mostra intensidade versus duas freqncias. Ouseja, temos um espectro de 3-D, que pode ser mostrado em 3-D, ou como contorno(olhado por cima).

Diferentes formas de mostrar espectro de 2-D

Espectroscopia de Correlao (COSY) Homonuclear (HOMCOR) e Heteronuclear (HETCOR)

Espectro HOMCOR de 2-clorobutano

Espectro HETCOR de 2-clorobutano

Etilbenzeno - Cosy

Etilbenzeno - HetCorr

Proton with Carbon-13 coupling

Proton with Fluorine-19

coupling

Proton with Fluorine-19

coupling

Phosphorus-31

CH3 P

OCl

CH3

Phosphorus-31: Coupling with 1H

Integrao de espectros de 13C

Inverse-gated decoulping

Porque normalmente no se integra os espectros de 13C?

Soluo:

Desacopla o 1H durante a aqyusio de 13C, mas no durante a

relaxao dos 1H (durante o atraso do pulso). Assim, no h ganho na

intensidade do sinal de 13C (para os grupos que contm C-H) devido a

transferncia de polarizao (1H-13C), e o espectro de 13C pode ser

integrado.

Importante: Dar atraso relativamente grande entre os pulsos (quanto ?);

contaminar a amostra com impureza paramagntica (?) Custo desta

experincia (?)

Integrao de espectros de 13C