La espectroscopia de resonancia magnética nuclear, la espectroscopia de RMN es un método espectroscópico para estudiar objetos químicos utilizando el fenómeno de la resonancia magnética nuclear . El fenómeno de RMN fue descubierto en 1946 por los físicos estadounidenses F. Bloch y E. Purcell . Los más importantes para la química y las aplicaciones prácticas son la espectroscopia de resonancia magnética de protones (espectroscopia PMR), así como la espectroscopia de carbono-13 NMR (espectroscopia de 13 C NMR ), flúor-19 ( espectroscopia de 19 F NMR ), fósforo-31 ( espectroscopia de 31 P NMR ). espectroscopia ). Si un elemento tiene un número atómico impar, o un isótopo de algún elemento (par) tiene un número de masa impar, el núcleo de ese elemento tiene un espín distinto de cero. Del estado excitado al estado normal, los núcleos pueden regresar, transfiriendo la energía de excitación al medio ambiente - la "red", que en este caso significa electrones o átomos de un tipo diferente a los que están bajo estudio. Este mecanismo de transferencia de energía se denomina relajación de la red de espín y su eficiencia puede caracterizarse por una T1 constante, denominada tiempo de relajación de la red de espín.
Similar a la espectroscopia infrarroja , la RMN revela información sobre la estructura molecular de los productos químicos. Sin embargo, proporciona información más completa que IS, lo que permite estudiar procesos dinámicos en una muestra, es decir, determinar las constantes de velocidad de las reacciones químicas y la magnitud de las barreras de energía de rotación intramolecular. La RMN también permite registrar los espectros de partículas intermedias de reacciones químicas [1] .
Estas características hacen de la espectroscopia de RMN una herramienta conveniente tanto en química orgánica teórica como en el análisis de objetos biológicos [1] .
Se coloca una muestra de una sustancia para RMN en un tubo de vidrio de paredes delgadas (ampolla). Cuando se colocan en un campo magnético, los núcleos activos de RMN (como 1 H o 13 C) absorben energía electromagnética. La frecuencia de resonancia , la energía de absorción y la intensidad de la señal emitida son proporcionales a la fuerza del campo magnético . Entonces, en un campo de 21 Tesla, un protón resuena a una frecuencia de 900 MHz.
Un disolvente ideal no debería contener protones. Además, es deseable que el disolvente sea inerte, de bajo punto de ebullición y económico. Los dispositivos modernos requieren solventes deuterados, ya que la estabilización del campo magnético se realiza utilizando la señal de deuterio del solvente. El dispositivo tiene un "canal" de deuterio que cambia constantemente y ajusta el campo a la frecuencia del solvente deuterado.
La señal de deuterio se utiliza para el calce de campo. Shimming es un procedimiento para mejorar la uniformidad del campo magnético, que se lleva a cabo utilizando pequeñas bobinas electromagnéticas especiales integradas en el dispositivo (llamadas cuñas), que corrigen el campo magnético principal para que su uniformidad sea máxima exactamente en el centro de la muestra. .
Las trazas de impurezas ferromagnéticas conducen a una ampliación catastrófica de las señales de absorción debido a una fuerte disminución del tiempo de relajación. Las fuentes comunes de deterioro de la uniformidad son las partículas contaminantes del agua del grifo, las fibras de acero, el níquel Raney y las partículas de las espátulas de metal y los rellenos de columnas. Estos contaminantes se pueden eliminar por filtración [2] .
Dependiendo del entorno electrónico local, diferentes protones en una molécula resuenan a diferentes frecuencias. Dado que tanto este cambio de frecuencia como la frecuencia resonante fundamental son directamente proporcionales a la magnitud de la inducción del campo magnético, este cambio se convierte en una cantidad adimensional independiente del campo magnético, conocida como cambio químico. El desplazamiento químico se define como un cambio relativo a algunas muestras de referencia. El cambio de frecuencia es extremadamente pequeño en comparación con la frecuencia base del espectrómetro de RMN. Un cambio de frecuencia típico es de 100 Hz, mientras que la frecuencia base de RMN es del orden de 100 MHz. Por lo tanto, teniendo en cuenta las diferencias en las frecuencias básicas del espectrómetro, el desplazamiento químico a menudo se expresa en unidades adimensionales de partes por millón (ppm o inglés - ppm).
Dado que la magnitud del desplazamiento químico depende de la composición de la sustancia, se utiliza para obtener información preliminar sobre la estructura química de las moléculas de la muestra. Por ejemplo, el espectro del etanol (CH 3 CH 2 OH) da 3 señales resueltas y tiene 3 valores de desplazamiento químico distintos: uno para el grupo CH 3 , uno para el grupo CH 2 y el último para OH. Un cambio típico para el grupo CH 3 está en la región de 1 ppm, para el grupo CH 2 unido a OH - 4 ppm y OH alrededor de 2-3 ppm. Por lo tanto, conociendo los valores de los cambios químicos, es posible determinar qué grupos de átomos están incluidos en la composición de las moléculas de la muestra.
Debido al movimiento intramolecular a temperatura ambiente, las señales de protones de metilo de RMN 3 se promedian durante el proceso de adquisición de la señal, que dura solo unos pocos milisegundos. Todos los protones del grupo metilo degeneran y forman señales con un desplazamiento químico equivalente. El software de los espectrómetros de RMN permite evaluar la intensidad integrada de las señales de RMN para comprender el número de protones que contribuyen a la señal observada.
La información más útil para determinar la estructura en un espectro de RMN unidimensional la proporciona la denominada interacción espín-espín entre núcleos de RMN activos. Esta interacción resulta de transiciones entre diferentes estados de espín nuclear en moléculas químicas , lo que resulta en la división de las señales de RMN. Esta división puede ser simple o compleja y, como resultado, es fácil de interpretar o puede confundir al experimentador.
Esta unión proporciona información detallada sobre los enlaces de los átomos en una molécula.
Interacción de segundo orden (fuerte)La simple interacción espín-espín supone que la constante de acoplamiento es pequeña en comparación con la diferencia en los desplazamientos químicos entre las señales. Si la diferencia de cambio disminuye (o aumenta la constante de acoplamiento), la intensidad de los multipletes de muestra se distorsiona y se vuelve más difícil de analizar (especialmente si el sistema contiene más de 2 espines). Sin embargo, en los espectrómetros de RMN de alta potencia, la distorsión suele ser moderada y esto facilita la interpretación de los picos asociados.
Los efectos de segundo orden disminuyen al aumentar la diferencia de frecuencia entre los multipletes, por lo que el espectro de RMN de alta frecuencia muestra menos distorsión que el espectro de baja frecuencia.
La mayoría de las innovaciones recientes en la espectroscopia de RMN se realizan en la denominada espectroscopia de RMN de proteínas, que se está convirtiendo en una técnica muy importante en la biología y la medicina modernas. Un objetivo común es obtener una estructura tridimensional de alta resolución de una proteína, similar a las imágenes obtenidas en la cristalografía de rayos X. Debido a la presencia de más átomos en una molécula de proteína en comparación con un compuesto orgánico simple, el espectro de 1 H subyacente está lleno de señales superpuestas, lo que hace imposible el análisis de espectro directo. Por lo tanto, se han desarrollado técnicas multidimensionales para resolver este problema.
Para mejorar los resultados de estos experimentos, se aplica el método de átomos marcados utilizando 13 C o 15 N. Así, es posible obtener un espectro 3D de una muestra de proteína, lo que se ha convertido en un gran avance en la industria farmacéutica moderna. Recientemente, se han generalizado los métodos (que tienen tanto ventajas como desventajas) para obtener espectros 4D y espectros de dimensiones más altas, basados en métodos de muestreo no lineal con posterior restauración de la señal de decaimiento de inducción libre usando técnicas matemáticas especiales.
En el análisis cuantitativo de soluciones, el área del pico se puede utilizar como medida de concentración en el método de la curva de calibración o en el método de adición. También se conocen métodos en los que un gráfico graduado refleja la dependencia de la concentración del desplazamiento químico. El uso del método NMR en el análisis inorgánico se basa en el hecho de que, en presencia de sustancias paramagnéticas, el tiempo de relajación nuclear se acelera. La medición de la tasa de relajación se puede realizar por varios métodos.Fiable y versátil, por ejemplo, es la versión impulsiva del método NMR, o, como se le llama comúnmente, el método de eco de espín . En las mediciones que utilizan este método, se aplican pulsos de radiofrecuencia de corta duración a la muestra en estudio en un campo magnético a ciertos intervalos de tiempo en la región de absorción resonante.En la bobina receptora aparece una señal de eco de espín, cuya amplitud máxima es relacionado con el tiempo de relajación por una relación simple. No es necesario encontrar los valores absolutos de las tasas de relajación para realizar las determinaciones analíticas habituales . En estos casos, uno puede limitarse a medir alguna cantidad proporcional a ellos, por ejemplo, la amplitud de la señal de absorción resonante . La medición de la amplitud se puede realizar con equipos sencillos y más asequibles. Una ventaja significativa del método de RMN es una amplia gama de valores de parámetros medidos. Usando la configuración de eco de espín, puede determinar el tiempo de relajación de 0.00001 a 100 s. con un error de 3...5%. Esto le permite determinar la concentración de la solución en un rango muy amplio de 1 ... 2 a 0.000001 ... 0000001 mol / L. La técnica analítica más utilizada es el método de la curva de calibración.