Ressonncia Magntica Nuclear 1 A realizao de um

Ressonância Magnética Nuclear 1

“A realização de um experimento de RMN pressupõe a existência de uma interação entre o núcleo atômico e os campos eletromagnéticos presentes nas suas vizinhanças, tais como os que existem em uma molécula ou em uma rede cristalina ou ainda os de origem externa” 2

Interação= momentos multipolares eletromagnéticos do núcleo • momento de dipolo magnético (que governa a interação do núcleo com campos magnéticos) • momento de quadrupolo elétrico (responsável pela interação com gradientes de campo elétrico). Relacionam-se com o número quântico I (inteiro ou semiinteiro), denominado de spin nuclear 3

Spin nuclear= energia magnética nuclear = 2 I + 1, Spin nuclear Explica a possibilidade ou não de ocorrência do fenômeno de RMN (apenas núcleos com I diferente de zero apresentam essa possibilidade) 4

Particulas subatomicas podem ser imaginadas [eletrons, protons (=nucleons) e neutrons] as spinning (girando) sobre seus eixos. A maioria dos atomos tem spin (giro) neutro – no spin Regra: Se o nº de neutrons e o nº de protons são AMBOS pares, o núcleo NÃO TEM spin. Se o nº de neutrons MAIS o nº de protons É IMPAR, o núcleo tem spin NÃOINTEIRO (i. e. 1/2, 3/2, 5/2) Se o nº de neutrons e o nº de protons são AMBOS impares, o núcleo tem spin inteiro (i. e. 1, 2, 3) 5

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RPE Spin Eletrônico Em mecânica quântica, refere-se às possíveis orientações que partículas subatômicas, como prótons, elétrons, nêutrons, alguns núcleos atômicos, etc, têm quando estão em um campo magnético. RMN absorção de energia Spin Nuclear 10

No estado normal, a orientação dos spins é aleatória Núcleos com uma massa ou número atômico ímpar possuem "spin nuclear " 11

Na presença de um campo magnético, os spins se orientam na direção do campo B 0 N spin, I, tem 2 I + 1 orientações possíveis Nº quântico magnético S 12

Os spins tambem precessam ao redor do campo Precessão – inclinação do eixo B 0 http: //www. youtube. com/watch? v=cquv. A_Ip. Es. A&feature=fvwrel http: //www. youtube. com/watch? v=s 0 s. UNRtte. Vk 13

Quando uma radiofreqüência é aplicada. . . A frequencia necessária para causar spin-flip, é chamada de ressonância. http: //www. cem. msu. edu/~reusch/Virtual. Text/Spectrpy/nmr 2. htm#nmr 11 14

Quando a emissão de RF é desligada, os protons tendem a retornar ao estado de menor energia. Esta “relaxação” ao estado onde seus spins ficam paralelos ao campo magnetico estático, produz uma pequena quantidade de radiação RF, a qual é detectada como o sinal do RMN. 2 constantes de tempo diferentes sao tipicamente observadas: T 1 - longitudinal time constant. It is also called the spin-lattice (longitudinal) relaxation time. (spin-rede) T 2 - It is also called the spin-spin (transverse) relaxation time. T 1 e T 2 são captadas e convertidas em FID – Free induced decay - Decaimento livre de indução 15

Depois da devida amplificação, a rf é medida em intervalos muito curtos de tempo. Cada medida é armazenada em uma posição de memória do computador. Ao fim de 2 -3 min. o computador armazenou milhares de medidas, cujos pontos, representados de forma consecutiva, formam uma função senoidal completa, denominada FID. 16

Quando a aquisição ( AQ) é terminada, se da um novo pulso de rf e se mede de novo a relaxação. O FID obtido se soma a anterior. A cada 2 -3 min registramos um FID que somamos ao anterior. Ao fim de 1 h por exemplo, temos somado 1200 -1800 FID, dependendo da AQ. Isto faz com que se possa obter espectros com pequenas quantidades de amostra (1 mg) e de núcleos de pequena abundancia natural (como o 13 C). O FID é por tanto uma medida da volta ao equilíbrio. Para isso, o sinal de rf é convertido (digitalizado) em milhares de pontos (TD) durante o tempo de medida, denominado tempo de aquisição (AQ). O FID é constituído por uma composição de sinais senoidais, cada um correspondente a um sinal do espectro. Este sinal necessita de um tratamento posterior para ser convertido em espectro. 17

http: //www. youtube. com/watch? v=Bb. L_KDUixq. E Jean Baptiste Joseph Fourier 21/03/1768 (Auxerre) 16/05/1830 (Paris) As freqüências vão se acumulando em um FID e podem ser reveladas em espectro, mediante uma operação matemática: transformada de Fourier (FT). Após a aplicação da equação integral completa FT a cada ponto do FID, se obtém um novo conjunto de pontos, que é o verdadeiro espectro. 18

Espectrômetro de RMN Componentes: 1. Criomagneto 2. probe-head – sonda 3. Console (parte eletrônica) 4. Computador 19

Espectrômetro de RMN 20

Preparação de amostras para RMN 200/500 MHz que utilizem sondas (PROBE) de 5 mm em estado líquido. Limpeza do tubo de RMN: 1. Lavar o tubo com o mesmo solvente de sua amostra não deuterado, seguido de etanol e por último com acetona para acelerar o processo de secagem. Este último solvente deve ser de melhor qualidade para evitar que fiquem resíduos no tubo. 2. Lavar também a tampa: pois ela pode estar contaminada. 3. Secar no máximo a uma temperatura de 40º C, para evitar a deformação do tubo. Cuidados com o solvente deuterado: A maior parte dos solventes mais usados para se fazer análise de RMN absorvem água com facilidade, é o caso do DMSO-d 6, da Acetona-d 6 e Metanol-d 4. Esses solventes geralmente ficam guardados em geladeiras, quando for utilizar, retire o frasco da geladeira e deixe-o fechado, somente abrindo-o quando estiver à temperatura ambiente. Após o preparo da amostra feche o frasco imediatamente. Preparação da amostra: 1. A primeira informação que deve se ter para o preparo da amostra, é saber qual o solvente correto que dissolva totalmente a amostra. A escolha do solvente pode ser baseada no tipo de composto, ou mesmo testando com solventes não deuterados. OBS. : o DMSO é de difícil remoção por não ser volátil. 2. Sabendo se qual o solvente correto, dissolva a amostra em aprox. 0, 5 a 0, 75 ml de solvente deuterado, no recipiente da amostra (em caso de pouca quantidade de amostra), transfira a solução para o tubo de RMN com uma pipeta pasteur. Cuidado para quando for preparar mais de uma amostra e solventes deuterado diferentes, não utilizar a mesma pipeta, pois irá contaminar o solvente. Assim que dissolver a amostra, transfira imediatamente para o tubo de RMN e tampe. Pois a maior parte dos solventes absorvem água com muita facilidade. 3. Caso haja uma grande quantidade de amostra, deve se transferir um pouco para o tubo de RMN ( +/20 mg) e adicionar solvente deuterado. 21

Este valor (+/- 20 mg) é tido como referencia para sondas de 5 mm, porque favorece tanto experimentos de 1 H quanto 13 C. Experimentos de 1 H, perdem resolução quando a amostra está muito concentrada. Por outro lado os experimentos de 13 C são obtidos mais rapidamente quando mais concentrados. A altura do solvente deve ser de até 3, 5 cm no tubo de 5 mm, isto garante que a amostra estará na região de análise de emissão e detecção do equipamento. 22

Nmr sample preparation / Nmr tube cleaning http: //www. youtube. com/watch? v=-LALd. T_l. Dt. U&feature=related http: //www. youtube. com/watch? v=I 3 g. Pj. I 218 -A http: //www. youtube. com/watch? v=Aas. MEn. Cts. EI Demonstrando a operação shimming http: //www. youtube. com/watch? v=Bir. HLLz 3 a. Xc&feature=related Instalações http: //www. youtube. com/watch? v=M-f. Li. Mm 8 Sng http: //www. youtube. com/watch? v=CHSoz. HJa. Gwg&feature=related 23

Finalmente, o espectro. . . Não deveria ter um sinal só? Por que ele tem vários sinais? 24

Por que um espectro de RMN tem vários sinais? Cada núcleo sofre influencia da eletrosfera: blindagem eletrônica: ↑blindagem ↑densidade ē ē produzem seu próprio campo magnético, modificando o campo induzido frequencia Mais desblindado*, maior a velocidade (frequencia) de precessão 25

Porque um espectro de RMN tem vários sinais? Conseqüentemente, o deslocamento químico é função do núcleo e seu ambiente químico Mesmo ambiente, mesmo ; Ambientes ≠, ≠ HO-CH 2 -CH 3 Freqüência maior Velocidade de precessão Freqüência menor 26

e ainda…a área ou altura dos sinais é proporcional a quantidade de núcleos: Integração das áreas dos sinais = nº de hidrogenios HO-CH 2 -CH 3 3 2 1 27

adicionalmente, os sinais se desdobram em função dos núcleos vizinhos: Multiplicidade dos sinais HO-CH 2 -CH 3 28

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Material suplementar http: //www. youtube. com/watch? v=u. NM 801 B 9 Y 84 RSC http: //www. chem. queensu. ca/facilities/nmr/webcourse/ http: //chemwiki. ucdavis. edu/Organic_Chemistry/Organic_Chemis try_With_a_Biological_Emphasis/Chapter__5%3 a_Structure_Det ermination_II http: //www. chem. wisc. edu/areas/reich/nmr/05 -hmr-02 -delta. htm 31

Convertendo a em deslocamento quimico Problema: assim como dependem do campo aplicado Bo O que é deslocamento químico? Neste ponto precisamos de uma referencia (padrão interno ou padrão externo). Definição da escala em ppm (ppm = parte por milhão, escala relativa) 32

Por que foi escolhido TMS como padrão interno? (TMS) = 0 ppm 1. Contem 12 protons equivalentes, altamente blindados – fornece apenas um sinal, e pode ser usado em pequenas quantidades, 2. É quimicamente inerte, magneticamente isotropico e não-associante, 3. Possui baixo PE (26, 5 ºC) Mas nem sempre é possivel utilizar TMS… (insoluvel em água) Usar outra referencia no espectro ou ainda um padrao externo: composto de referencia em um capilar selado juntamente com a amostra – utilizar tubos coaxiais 33

Higher frequency Lower frequency 34

Questões A proton has a chemical shift (relative to TMS) of 4. 56 ppm. a) What is its chemical shift, expressed in Hz, in a 300 MHz instrument? On a 200 MHz instrument? a) 1 ppm = 300 Hz, so 4. 56 ppm corresponds to 1368 Hz on the 300 MHz instrument. On the 200 MHz instrument, the chemical shift is 912 Hz. 35

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Do que depende o deslocamento Químico? Campo oposto ao aplicado, gerado pelo fluxo de elétrons ao redor do nucleo = Densidade eletrônica sobre o nucleo (Efeitos indutivo e de ressonancia) Campo oposto ao aplicado, gerado pelo fluxo de életrons nas ligações = Anisotropia magnética São fenomenos de proteção (blindagem) 38

Do que depende o deslocamento Químico? Campo oposto gerado pelo fluxo de elétrons ao redor do nucleo = Densidade eletrônica sobre o nucleo B 0 RCHO ~ 9, 97 39

Do que depende o deslocamento Químico? Campo oposto gerado pelo fluxo de elétrons ao redor do nucleo = Densidade eletrônica sobre o nucleo = Eletronegatividade da vizinhança 40

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Do que depende o deslocamento Químico? Efeito de ressonância de elétrons Qual H é mais desblindado? 42

Do que depende o deslocamento Químico? Efeito de ressonância de elétrons Qual H possui menor densidade eletronica sobre o nucleo? H ~ 6, 2 ppm H ~ 6, 8 ppm 43

Do que depende o deslocamento Químico? Efeito de ressonância de elétrons Qual H possui menor densidade eletronica sobre o nucleo? H ~ 6, 2 ppm H ~ 4, 6 ppm 44

Do que depende o deslocamento Químico? Efeito de ressonância de elétrons Qual H possui maior densidade eletronica sobre o nucleo, o, m ou p? * * * 45

Efeito indutivo – eletronegatividade Efeito de ressonância – deslocalização de elétrons Anisotropia magnética Permitem o entendimento e a previsão do deslocamento químico. 46

Do que depende o deslocamento Químico? Anisotropia magnética 9, 30 ppm -3, 00 ppm 47

Do que depende o deslocamento Químico? Anisotropia magnética Cones de proteção Discutir os hidrogenios nas posições o, m e p 48

Do que depende o deslocamento Químico? Anisotropia magnética Cones de proteção Nos ciclos hexanos hidrogenios equatoriais mais desblindados Hidrogenios axiais mais blindados 49

Do que depende o deslocamento Químico? Anisotropia magnética Cones de proteção + 50

Em resumo 51

Área dos Sinais 52

Área dos sinais A área ou a intensidade dos sinais é proporcional ao numero de hidrogenios na molécula È uma relação interna na molécula. 53

Área dos sinais 3 3 2 54

Área dos sinais È util para identificar misturas, seu composto está puro? È util para quantificar amostras È util para determinar proporções em misturas Discutir alguns exemplos 55

Multiplicidade dos sinais Acoplamento de Spins 56

Multiplicidade: Acoplamento Os spins sentem a presença dos spins vizinhos Os spins dos núcleos tendem a se alinhar com os spins dos elétrons. (explicar) Principio de Pauli: os eletrons de ligação se emparelham com os spins antiparalelos Interagem através dos elétrons das ligações químicas O acoplamento se da através das ligações químicas Todos os spins acoplam entre si, uns mais outros menos 57

Multiplicidade: Acoplamento Dois spins se acoplam somente quando estes estiverem em ambientes químicos diferentes, ou seja hidrogenios com deslocamentos químicos diferentes. Os três hidrogenio do CH 3 não se acoplam. 58

Multiplicidade: Acoplamento Intensidade do acoplamento Quanto maior for a densidade eletrônica entre dois spins mais forte será o acoplamento. A intensidade do acoplamento é medida através da constante de acoplamento (J), dada em Hz. 59

Multiplicidade: Acoplamento Portanto o desdobramento dos sinais é causado pelos hidrogênios vizinhos. Multiplicidade = 2 n. I + 1 n = número de vizinhos I = número de spin 60

Multiplicidade: Acoplamento Multiplicidade = 2 n. I + 1 61

Multiplicidade: Acoplamento Em Resumo Se o desdobramento dos sinais é causado pelos hidrogênios vizinhos. As multiplicidade e as constantes de acoplamento (J) dão informações a respeito da vizinhança. 62

Multiplicidade: Acoplamento Tipos de acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J Geminal Ha-C-Hb 2 J 63

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J O acoplamento vicinal (valor de J) depende do ângulo diedro entre os spins que se acoplam Lembre-se o acoplamento ocorre através das ligações. 64

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J O acoplamento vicinal (valor de J) depende do ângulo diedro entre os spins que se acoplam 65

Multiplicidade: Acoplamento Porque o acoplamento entre CH 3 -CH 2 é de 7 Hz? 66

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J O acoplamento vicinal (valor de J) depende do ângulo diedro entre os spins que se acoplam Discutir o exemplo do ciclo hexano 67

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J O acoplamento vicinal (valor de J) depende do ângulo diedro entre os spins que se acoplam 68

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J Em ligações duplas trans cis 69

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J Em ligações duplas 70

Multiplicidade: Acoplamento Vicinal Ha-C-C-Hb 3 J Em ligações duplas 71

Multiplicidade: Acoplamento Geminal Ha-C-Hb O acoplamento geminal (valor de J) depende do ângulo de ligação H-C-H ( ). 72

Multiplicidade: Acoplamento Geminal Ha-C-Hb O acoplamento geminal (valor de J) depende do ângulo de ligação H-C-H ( ). 73

Multiplicidade: Acoplamento Geminal Ha-C-Hb O acoplamento geminal (valor de J) depende do ângulo de ligação H-C-H ( ). Cilco hexanos 2 J ~12 -17 =CH 2 ~ 0, 3 (porque? ) 74

Multiplicidade: Acoplamentos a longa distância Até agora, vicinal (3 J) e geminal (2 J) Lembre-se o acoplamento ocorre através das ligações, portanto depende da densidade eletrônica entre os spins. Usualmente é pequeno, < 3 Hz 75

Multiplicidade: Acoplamento Exemplo Anéis aromaticos, discutir acoplamento orto, meta e para, mostrar a multiplicidade dos sinais, as constantes e o triangulo de pascal. 76

Baixando e instalando o software livre NMR processor - ACDlabs http: //www. acdlabs. com/resources/freeware/nmr_proc/ Fazer o cadastro no site, baixar e instalar o programa 77