Cómo leer los espectros de RMN de compuestos orgánicos »Wiki Ùtil

Identificación de compuestos orgánicos

Los científicos forenses a menudo intentan juntar jirones de evidencia química de la escena del crimen. Muchos de los compuestos químicos de nuestro mundo son orgánicos (contienen carbono), por lo que a menudo es posible identificar muchos productos químicos diferentes. En esta lección, analizamos una herramienta de este tipo para identificar compuestos de forma única: espectroscopia de RMN.

¿Qué es la espectroscopia de RMN?

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos para descubrir las propiedades del átomo original del núcleo. Analicemos eso un poco.

Los núcleos de átomos tienen ciertos momentos magnéticos, al igual que los imanes tienen polos + y -. Estos momentos magnéticos se deben a algo llamado giro.

Cada elemento tiene una cantidad diferente de giro nuclear. Los núcleos con un número impar de protones y / o neutrones tendrán un giro neto, mientras que aquellos con un número par de protones y neutrones no lo tendrán. Solo los núcleos con espín neto pueden detectarse con RMN.

Piense en un grupo de personas que buscan apartamentos. Elegirán diferentes apartamentos en un complejo, pero si todos quieren pagar el mismo precio, tienen que conseguir apartamentos igualmente valiosos. Los núcleos pueden ocupar diferentes “apartamentos” o estados de giro que son igualmente “valiosos”, es decir, al mismo nivel de energía.

¿Qué pasa si se abren algunos apartamentos más caros, pero más bonitos? Las personas que alinean sus deseos más costosos con el aumento de la renta se mudarán, pero algunas personas mantendrán sus apartamentos más baratos.

Cuando los núcleos están sujetos a un campo magnético externo (literalmente, un imán gigante), los protones o neutrones en ellos que estén alineados con el campo magnético tendrán una energía diferente a los que no están alineados. Una pequeña mayoría de núcleos permanecerá en el nivel de energía más bajo.

La muestra ahora se golpea con radiación de radiofrecuencia, lo que hace que los núcleos salten al estado de mayor energía. Es como recibir un bono de fin de año; ¡Ahora puede pagar ese apartamento más bonito (al menos, temporalmente)!

Los núcleos que viven temporalmente en el estado de mayor energía eventualmente vuelven a su estado de menor energía, y esto emite la misma energía que la energía de radiofrecuencia que recibieron antes. Cuando ocurre este proceso, el instrumento de RMN registra la señal resultante como un pico en el espectro de RMN.

División de picos

No todas las familias tienen la misma situación financiera porque tienen diferentes números de niños de diferentes edades. De manera similar, no todos los núcleos emitirán exactamente la misma energía debido a sus electrones.

Los electrones que rodean los núcleos también tienen espín, lo que afecta a los picos en el espectro de RMN. En una molécula dada, los electrones no solo están ubicados en átomos individuales, sino que también están un poco dispersos a lo largo de la molécula.

Un átomo de H en particular en una molécula orgánica no necesariamente tendrá un entorno químico idéntico al de uno a varios átomos de distancia. Considere la molécula de propano CH 3 CH 2 CH 3

Estructura de propano.

Los átomos de H en ambos extremos tienen entornos idénticos: todos están unidos a un átomo de C y cada uno tiene dos H ‘vecinos’ ~. Sin embargo, los átomos de H en el carbono central son diferentes: cada uno tiene solo un vecino de H, y su átomo de C unido está unido a otros dos átomos de C.

Por lo tanto, observamos dos picos en el espectro de 1 H NMR para el propano: uno debido a los hidrógenos del CH 2 y otro a los hidrógenos del CH 3 . Los átomos de H en el propano interactúan con el campo magnético externo, pero los núcleos en sí son pequeños imanes y también pueden interactuar entre sí.

Los hidrógenos de CH 2 pueden “ver” los hidrógenos de CH 3 y viceversa. Esto hace que el pico de RMN de los hidrógenos de CH 2 se divida en siete picos separados, mientras que el pico de los hidrógenos de CH 3 se divida en tres picos separados.

Si un átomo de H químicamente distinto ve N átomos de H idénticos unidos a un átomo o átomos de C vecinos, el pico original se dividirá en un conjunto de picos ‘N + 1’ en el espectro. A esto lo llamamos la regla N + 1 , y podemos usarla para identificar una molécula de su espectro de RMN.

El eje X de un espectro de RMN: cambio químico

Muchas moléculas tienen otros grupos funcionales. Se dice que los núcleos rodeados por grupos funcionales aceptores de electrones están desprotegidos . El campo magnético externo tiene un efecto más fuerte sobre los núcleos desprotegidos porque carecen algo de densidad electrónica. Por ejemplo, considere la molécula de etanal CH 3 CHO.

Ethanal

Al igual que antes, predecimos dos conjuntos de picos (hay dos conjuntos de átomos de H químicamente idénticos): uno de los hidrógenos de CH 3 y otro del aldehído H. La regla N + 1 nos dice que los hidrógenos de CH 3 serían dividido en dos picos (un doblete) y el aldehído H en cuatro picos (un cuarteto).

Pero, ¿por qué el aldehído H tiene una frecuencia más baja (energía más baja)? El átomo de O electronegativo es mejor para ‘robar’ parcialmente la densidad de electrones, lo que facilita que el campo magnético afecte este H en mayor medida que el C del CH 3 para sus átomos de H. Es como decir que es más fácil para una pareja sin hijos hacer la transición a un apartamento más caro porque carecen de hijos (electrones).

Como resultado, el cuarteto de aldehídos se encuentra desplazado a una energía más baja. A esto lo llamamos un cambio químico . Los grupos funcionales tienen cambios químicos bastante predecibles. Los cambios se registran en partes por millón (ppm), lo que simplemente nos dice la cantidad de desprotección en relación con un grupo funcional diferente.

Uno de los tipos de átomos de H más protegidos (a diferencia de los desprotegidos) se encuentra en la molécula Si (CH 3 ) 4 , por lo que a menudo agregamos esta molécula a una muestra de una molécula orgánica y asignamos el pico a 0 ppm a Si ( CH 3 ) 4 . Puede encontrar una tabla de cambios químicos para grupos funcionales en línea.

Integración pico

Los picos de Ethanal no son del mismo tamaño. Si calculamos el área debajo de los picos del doblete y lo comparamos con el área debajo de los picos del cuarteto, encontramos que la proporción es 1: 3:

Espectro de RMN etanal con integración

¡Ésta es exactamente la proporción de átomos de aldehído H (1) a átomos de CH 3 H (3)! Por lo tanto, el área debajo de un conjunto de picos nos dice el número relativo de H responsables de ese conjunto. En estos días, el cálculo de las áreas de los conjuntos de picos, llamado integración de picos , se realiza mediante computadoras.

Resumen de la lección

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) utiliza las propiedades magnéticas de los núcleos para descubrir las propiedades del átomo original del núcleo.

• Los núcleos rodeados por grupos funcionales aceptores de electrones están desprotegidos . Esta falta de densidad de electrones permite un efecto más fuerte del campo magnético externo.
• Si un átomo de H químicamente distinto ve N átomos de H idénticos unidos a un átomo (s) de C vecino, el pico original se dividirá en un conjunto de picos N + 1 en el espectro, conocido como la regla N + 1 .
• El cálculo de áreas de conjuntos de picos se denomina integración de picos .

Si conocemos el número y los tipos de picos (doblete, triplete, etc.), sus desplazamientos químicos y las integraciones de los picos, normalmente es posible determinar la identidad de una molécula orgánica.