Espectroscopía de resonancia magnética nuclear: C-13 vs 1H

Publicado el 31 octubre, 2020 por Rodrigo Ricardo

Un caso de identidad desconocida

Digamos que estás inscrito en tu primer curso de laboratorio de química orgánica y tu maestro dice que hoy vas a sintetizar aspirina (ácido acetilsalicílico). Al comenzar su experimento, se le ocurre: ¿cómo sabrá que su síntesis fue exitosa? ¿Se supone que debes aceptar ciegamente que la reacción funcionó? Ser capaz de saber si una reacción funcionó o, de manera más general, cuál es el producto o los productos de cualquier reacción orgánica es algo muy importante para poder determinar. El método utilizado por los químicos orgánicos para hacer esto se conoce como espectroscopia de resonancia magnética nuclear o NMR para abreviar.

La RMN es una herramienta extremadamente poderosa para un químico, por lo que su comprensión es de suma importancia al menos en un nivel fundamental. ¿Por qué preguntas? Porque la RMN puede proporcionar información sobre la estructura de una molécula que de otro modo no sería posible. En esta lección, vamos a explorar los dos tipos más comunes de RMN, el carbono 13 y el protón, y veremos qué tipo de información estructural es posible a partir de cada uno. ¡Ven y demos sentido a esto!

RMN C-13

Dado que la RMN de carbono es mucho más simple de entender, comenzaremos nuestra discusión aquí. Digamos que tienes una bolsa de gominolas, y solo son de color rojo, azul, verde y amarillo. En aras de la simplicidad, digamos que todas las formas de diferentes colores son iguales, de modo que las gominolas de color similar no se pueden distinguir entre sí. Si alguien te preguntara cuántos tipos diferentes de gominolas tienes, ¿qué dirías? Dirías 4 ¿correcto? Ese es exactamente el tipo de información que nos brinda C-13 NMR. Nos dice cuántos carbonos únicos o diferentes contiene una molécula orgánica.

Por ejemplo, si consideramos el acetato de etilo como ejemplo. Esta molécula tiene 4 átomos de carbono distintos o diferentes, cada uno en diferentes entornos químicos debido a su patrón de enlace y los otros grupos de átomos a los que están conectados. Por esta razón, esperaríamos ver 4 picos diferentes en el espectro de RMN para el acetato de etilo.


Carbones químicamente distintos en acetato de etilo
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Cambio químico

Una pregunta obvia que podría tener es ¿dónde esperaríamos encontrar los diferentes picos en el espectro? Los picos aparecen en diferentes regiones del espectro de RMN según los tipos de entornos químicos en los que se encuentran, y los picos en la RMN se informan como picos químicos y las unidades están en partes por millón (ppm). Esto se conoce como escala ‘delta’.


Espectro de RMN de carbono 13 del acetato de etilo
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Protón o 1H-NMR

La RMN de protón (abreviado 1H) se parece mucho al carbono en el sentido de que nos dice cuántos tipos diferentes de hidrógenos hay en un compuesto orgánico (o diferentes tipos de caramelos). El espectro es un poco más complicado; sin embargo, vamos a abordar algunas características importantes de la RMN de protones.

Integración

La integración , o área debajo de cada pico en el espectro de RMN de protones, nos dice el número relativo de protones que dan lugar a esa señal en particular. Por ejemplo, cada uno de los dos picos -CH 3 en el espectro del acetato de etilo se integraría a 3 hidrógenos (o protones) ya que hay tres hidrógenos unidos a cada carbono. De manera similar, el pico -CH 2 en el espectro se integraría a 2 protones.

División de señal en 1H-NMR

De acuerdo con lo que se llama la regla n + 1, los hidrógenos en los carbonos vecinos harán que la señal de interés se divida n + 1 veces, donde ‘n’ representa el número de átomos de hidrógeno en los carbonos vecinos. Por ejemplo, observe cómo hay un pico de 4 líneas a 4,13 ppm en el espectro del acetato de etilo. Esto se llama cuarteto (que significa 4) y la división se debe a que hay 3 hidrógenos en el carbono directamente adyacentes al grupo -CH 2 , que es la señal que estamos viendo. De manera similar, el grupo -CH 3 unido al grupo -CH 2 se divide en un triplete (2 + 1 = 3), debido al hecho de que hay 2 hidrógenos en el carbono vecino. La última señal es un singlete simple, porque ese -CH 3 El grupo está unido a un carbono que no tiene átomos de hidrógeno (0 + 1 = 1, o singlete).


Espectro de RMN de protón de acetato de etilo
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Los disolventes necesarios para la RMN

Digamos que necesita tomar una RMN de su muestra de aspirina y la disuelve en cloroformo. Si ejecuta la RMN, lo que verá es solo un pico muy grande del solvente y casi ninguna señal para su compuesto. Eso es porque el solvente contiene protones y el instrumento vería principalmente esa señal, ya que es la mayor parte de su solución. Las muestras de RMN siempre se procesan en disolventes deuterados (el segundo isótopo de hidrógeno) porque la RMN es ciega al deuterio, por lo que solo los picos que provienen de su compuesto aparecerán como los picos principales.

Resumen de la lección

En esta lección aprendimos:

  • La espectroscopia de resonancia magnética nuclear o RMN para abreviar es una técnica poderosa para obtener información estructural importante sobre compuestos orgánicos.
  • En general, la RMN le dice cuántos tipos diferentes de carbonos e hidrógenos hay en su compuesto.
  • El desplazamiento químico (región del espectro donde se encuentran las señales) de cada pico depende del entorno químico del carbono o hidrógeno.
  • En la RMN de protones, la integración, o área debajo del pico, corresponde al número de hidrógenos que dan lugar a ese pico.
  • Cada señal en el espectro de RMN de protones se dividirá n + 1 veces donde ‘n’ es el número de átomos de hidrógeno en los carbonos vecinos.
  • Las muestras de RMN deben analizarse en disolventes deuterados porque la RMN es ciega al deuterio.

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