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RMN
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(No Transcript)
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Resonancia Magnética Nuclear

• La RMN es un fenómeno que ocurre cuando el núcleo
  de ciertos átomos inmersos en un campo magnético
  estático, son expuestos a un segundo campo
  magnético.
• 1H, 13C, 15N, 31P

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Características RMN

• Uso de muestras no cristalizadas ? estructura en
  solución
• Posibilidad de aplicar a moléculas sin cristales
  disponibles.
• Amplio rango de condiciones experimentales
• 16 de proteínas determinadas por RMN
• Determinación de estructuras de tamaño limitado
  (35-40 KDa)

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Porqué estudiar RMN?

• Elucidación Estructural
• Productos Naturales
• Síntesis Orgánica

• Estudio de procesos dinámicos
• .Cinética de Reacciones
• Procesos de Equilibrio

• Diseño de Drogas
• Relación estructura - actividad

• Estudios Estructurales en 3D
• Proteínas
• ADN complejos
• Polisacáridos

• Control de Calidad
• Análisis de orígen de alimentos
• Falsificación de patentes

• Medicina Diagnóstico por Imágenes

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Como en otros métodos espectroscópicos
El fenómeno de RMN consiste en la absorción de
energía de radiación electromagnética por parte
de núcleos que tienen un momento magnético
La absorción ocurre a frecuencias características
que dependen del tipo de núcleo (1H, 13C, 31P,
etc) y del entorno molecular en que se encuentra.
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A diferencia de otras espectroscopías.
El fenómeno solo se manifiesta en presencia de un
campo magnético que diferencia en términos de
energía a las posibles orientaciones del momento
magnético nuclear.
Las cantidades de energía involucradas son
extremadamente pequeñas y solo son medibles
cuando el campo magnético es muy intenso. La
radiación electromagnética utilizada corresponde
a las ondas de radio.
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Qué observamos en RMN?
Espectroscopía Origen Información
UV - Visible Transiciones electrónicas Cromóforos
IR Transiciones vibracionales Grupos funcionales
Espectrometría de Masa Ionización y fragmentación de moléculas Relación m/z de fragmentos
RMN Núcleos Atómicos Átomos individuales (entorno)
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Origen del fenómeno de RMN
P
La imagen clásica de un núcleo es de una esfera
cargada rotando sobre un eje
?
Todo núcleo atómico posee un momento angular
intrínseco P y un momento magnético asociado ?
Ambos momentos son magnitudes vectoriales
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De acuerdo a la mecánica cuántica el momento
angular P está cuantizado
P I (I 1) h
I número cuántico de spin o simplemente SPIN
I representa el spin total del núcleo, es
múltiplo de ½ y sus valores van de 0 a 6. Si el
nº de masa (A) es impar ? I n/2 con n
impar Si A es par y Z es impar ? I n Si A y Z
son pares, I 0
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Si I 0 el núcleo no tendrá momento magnético y
no será observable por RMN
Dos de los núcleos más importantes en química
orgánica, 12C y 16O tienen I 0
Los núcleos con I ½ son dipolos magnéticos Los
núcleos con I gt ½ no presentan simetría esférica
de carga ? Núcleos cuadrupolares ? Presentan
mayores dificultades para su observación por RMN
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Núcleo Abundancia Natural I
1H 99.985 1/2
2H 0.015 1
12C 98.9 0
13C 1.1 1/2
14N 99.63 1
15N 0.37 1/2
16O 99.76 0
17O 0.04 5/2
18O 0.2 0
31P 100 1/2

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En ausencia de un campo magnético externo, los ?
de los distintos núcleos pueden asumir cualquier
dirección (como un imán)
Al colocar un núcleo con momento angular P y
momento magnético ? en un campo magnético
externo, el momento angular se alineará respecto
al campo externo, con un leve exceso alineado a
favor del campo.
B0
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Orientación de los spins
B0
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Para un núcleo de I ½
?
Dos estados energéticos posibles a favor o en
contra del campo Bo
b
Bo gt 0
DE h n
a
Bo 0
La energía necesaria para pasar de un estado de
spin al otro está determinada por la siguiente
ecuación
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?E h? ? h B0 / 2? ? ?0 ? B0 / 2?
ECUACIÓN DE LARMOR
?0 frecuencia de Larmor
Para imanes de campo magnético entre 2.35 y 18.6
Tesla, ?0 se encontrará en el rango de 100 a 800
MHz, es decir corresponderá a una frecuencia de
radio
rayos ? rayos x UV VIS IR m-ondas radio
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2
100 102
longitud de onda (cm)
En una molécula, cada núcleo magnéticamente
activo tiene una frecuencia de Larmor definida y
característica, es decir absorberá radiación
electromagnética de una frecuencia determinada
para cambiar de estado de spin.
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Condición de resonancia
RMN
En presencia de un campo magnético, los niveles
energéticos se desdoblan (dejan de estar
degenerados) E -m B E -m g h B0 E - gz
B0
DE h n g h B0 n g B0/2p
La regla de selección es Dm 1 Otras
transiciones no son detectables Condición de
Bohr DE h n
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Pulso de radiofrecuencias
RMN
M0
En presencia de un campo magnético B0 la
diferencia entre las poblaciones de núcleos en
estado a y b dan lugar a una magnetización
macroscópica M0
Al aplicar un segundo campo magnetización
macroscópica gira alrededor del mismo
Na/ Nb e -DE / kT
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La señal de RMN
RMN
Free Induction Decay
Tras el pulso de 90, la magnetización sigue
girando en dicho plano a su frecuencia propia, lo
que se detecta por medio de bobinas.
Transformada De Fourier
La señal corresponde a una onda compleja.
Mediante la transformada de Fourier extraemos sus
distintas componentes en el dominio de
frecuencias.
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Relajación y anchura de banda
RMN
T2 cte de tiempo de R2 total T2 cte de tiempo
de R2 debido a procesos de relajación típicos
(interacciones moleculares) T2(DB0) cte de
tiempo de R2 debido a las heterogeneidades del
campo
1 / T2 1 / T2 1 / T2(DB0)
La anchura de banda es inversamente proporcional
al tiempo de relajación transversal
Relajación rápida Lenta
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?E aumenta con B0
1 millón - 64
1 millón - 32
Aún así, el exceso de población con el que se
trabaja es muy pequeño
1 millón -8
?E
2 millones
?? 16
?? 64
?? 128
1 millón 8
1 millón 32
1 millón 64
B0 (Tesla)
0 T
2.35 T (100 MHz)
9.4 T (400 MHz)
18.8 T (800 MHz)
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Para cada tipo de núcleo la frecuencia de Larmor
puede sufrir pequeñas variaciones que dependen
del entorno molecular
Los electrones de los alrededores producen
pequeños campos magnéticos que se agregan a B0
Desplazamiento Químico ? (ppm de la frecuencia)
?
Los núcleos de los alrededores con momento
magnético dan lugar a desplazamientos simétricos
de las frecuencias
Acoplamiento spin-spinJ (Hz)
?
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Qué información se puede obtener de un espectro
RMN 1H?

• Número de señales relacionada con el número de
  1H diferentes de la muestra
• Frecuencia de las señales (?) relacionada con
  el entorno molecular del núcleo.
• Área de las señales (integral) relacionada con
  la cantidad de cada tipo de 1H.
• Multiplicidad de cada señal relacionada con el
  número de 1H vecinos de cada tipo.
• Constantes de acoplamiento (J) brinda
  información estereoquímica.
• Intercambio de 1H indica la presencia de
  cierto tipo de grupos funcionales (-COOH, -OH,
  -NH2)

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constantes de acoplamiento J (Hz)
integrales
frecuencia (?)
multiplete
triplete
triplete
Multiplicidad de señales
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• Primera fase

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• Primera fase

Someter la muestra a un campo magnético intenso
gt Se genera una MAGNETIZACION que es diferente
para cada núcleo (DESPLAZAMIENTO QUIMICO) y que
es afectada por los núcleos de su entorno
(ACOPLAMIENTO)
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• Segunda fase

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• Segunda fase

Al irradiar la muestra con una onda de radio de
igual frecuencia que la de precesión de los
núcleos (EN RESONANCIA) gt Se
altera la magnetización en equilibrio generada
(EXCITACION)
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• Tercera fase

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• Tercera fase

Interrumpir la irradiación gt La magnetización
alterada tiende a volver al equilibrio
(RELAJACION) gt Se origina una respuesta en el
sistema que puede también detectarse como una
señal de radiofrecuencia en un receptor
(DETECCION)
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• Cuarta fase

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• Cuarta fase

Transformar la señal de radiofrecuencia en una
representación gráfica de frecuencias e
intensidades de la que se obtiene información
sobre los entornos magnéticos de los núcleos gt
Información sobre la estructura química
(INTERPRETACION).
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RESUMEN Cuando se someten los núcleos de los
átomos a un campo magnético intenso y a una onda
de radio, sus campos interaccionan con los de
esta entrando en resonancia y dando una señal que
puede ser detectada y proporcionar información
sobre los entornos magnéticos de dichos núcleos
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Instrumentación
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INSTRUMENTACION

• Imán,
• Un oscilador de radiofrecuencias
• Una bobina detectora
• Un sistema informatizado
• Un sistema de amplificación y registro.

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EL IMÁN
RMN
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(No Transcript)
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• Existen núcleos distintos que pueden ser
  observados por espectroscopía de RMN 1H
  (protones), 13C (carbono 13), 15N (nitrógeno 15),
  19F (fluor 19) y muchos otros.

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TRATAMIENTO DE LA MUESTRA

• Disoluciones en disolventes que no tengan átomos
  de hidrógeno.
• Se usan el deuterocloroformo, hexadeuterodimetilsu
  lfóxido, óxido de deuterio, deuterobenceno,
  deuteropiridina y otros.
• Determinados núcleos se pueden observar en
  muestras sólidas.
• Las cantidades de muestra necesarias oscilan
  entre 1 y 50 mg.

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APLICACIONES

• Elucidación estructural de compuestos con núcleos
  magnéticamente activos en el rango de frecuencias
  disponibles.
• Identificación y cuantificación de compuestos
  orgánicos, organometálicos, etc.
• Análisis estructural y estereoquímico.
• Estudios de sistemas dinámicos.
• Control de impurezas.
• Estudio de parámetros físicos de moléculas.

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VENTAJAS

• Analisis de compuestos polares y no polares
• Rápido
• Confirmativo
• No destructiva
• Pequeñas cantidades de muestra

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DESVENTAJAS

• Muy caro
• Muestra 100 pura