Espectroscopia de RMN

¿Cómo funciona la espectroscopia de RMN?

La espec troscopia de RMN se basa en algunos conceptos complicados, pero el proceso en sí es relativamente sencillo. Sigue estos pasos:

• Disuelve tu muestra en un disolvente adecuado, como por ejemplo ${\mathrm{CCl}}_4$.
• Añade una pequeña cantidad de una molécula de referencia, como TMS.
• Coloca la muestra en un campo magnético externo.
• Dispara ondas de radio a la muestra.

Los núcleos de la muestra absorben y emiten ondas de radio en función de los demás átomos o grupos unidos a ellos. Estas ondas son detectadas por un detector. El detector produce un espectro que muestra la energía absorbida frente a una propiedad llamada desplazamiento químico.

¿Qué es el desplazamiento químico?

Encontrarás más información sobre la ciencia que hay detrás de la espectroscopia de RMN, incluido el desplazamiento químico, en Comprender la RMN. Sin embargo, ahora le echaremos un vistazo rápido para ayudarte a comprender cómo funciona la espectroscopia de RMN.

Como ya hemos dicho, los espectros de RMN muestran el desplazamiento químico de los núcleos. Se trata de una propiedad relacionada con algo llamado frecuencia de resonancia magnética. El desplazamiento químico se mide en partes por millón, o ppm.

Para resumirlo brevemente, ciertos núcleos actúan de forma un poco extraña cuando se colocan en un campo magnético externo. Adoptan uno de estos dos estados: paralelo, llamado de espín alineado, o antiparalelo, llamado de espín opuesto. Si les suministramos suficiente energía, pueden pasar de su estado paralelo a su estado antiparalelo. Esta energía se denomina frecuencia de resonancia magnética.

La frecuencia de resonancia magnética varía en función del entorno de un átomo.

Núcleos idénticos de un mismo elemento pueden tener frecuencias de resonancia magnética y valores de desplazamiento químico distintos si están unidos a grupos diferentes, porque se encuentran en entornos distintos. Éste es el concepto fundamental de la espectroscopia de RMN.

Un espectrómetro de RMN de alta potencia,

Andel Früh & Andreas Maccagnan, CC BY-SA 3.0, vía Wikimedia Commons [1]

Interpretar los espectros de RMN

Como ya hemos dicho, la espectroscopia de RMN produce unos gráficos llamadosespectros, que representan la energía absorbida por la muestra frente al desplazamiento químico. Los gráficos muestran una serie de picos diferentes. Los núcleos de átomos idénticos producen picos a diferentes valores de desplazamiento químico, dependiendo de los otros átomos o grupos de átomos unidos a ellos. Observa el pico que aparece a 0 ppm. Lo da el TMS, una molécula de referencia.

Un ejemplo de espectro de RMN, que muestra picos distintos. Observa el pico dado a 0 ppm por el TMS, la molécula de referencia. Anna Brewer, Originales de StudySmarter

Hay dos cosas importantes que debes saber:

• Los entornos con determinados grupos funcionales producen picos de desplazamiento químico que caen dentro de un rango concreto.
• Los entornos únicos producen picos de desplazamiento químico únicos.

¿En qué nos ayuda esto? Bien, si tienes dos picos claros en tu espectro, tu muestra debe contener núcleos en dos entornos distintos. Entonces puedes comparar el valor del desplazamiento químico de los picos con los valores de un libro de datos, que te dirá en qué tipo de entorno se encuentran los núcleos y los distintos grupos funcionales que están unidos a ellos. Esto te ayudará a determinar la estructura de la molécula de tu muestra.

Supongamos que tienes el siguiente espectro de una molécula desconocida.

Un espectro de RMN del carbono-13. Anna Brewer, StudySmarter Originals

Puedes ver picos en torno a 58 ppm, 18 ppm y 9 ppm. Comparemos estos valores con una tabla de datos.

Una tabla de datos típica para la RMN del carbono-13. Anna Brewer, StudySmarter Originals

El pico a 58 ppm coincide con los valores de un ${\mathrm{RCH}}_2\mathrm{O}$ que oscilan entre 50 y 90 ppm. Por tanto, podemos deducir que esta molécula contiene ese grupo concreto. Del mismo modo, podemos ver que el pico a 18 ppm entra en el intervalo de un grupo ${\mathrm{RCH}}_2\mathrm{R}$ y el pico de9 ppm corresponde a un grupo ${\mathrm{RCH}}_3$ grupo.

¿Qué molécula conoces que contenga sólo estos grupos concretos? Juntémoslas:

Nuestra molécula misteriosa es el propan-1-ol. Anna Brewer, Originales de StudySmarter

La molécula es propan-1-ol.

En resumen, comparando los valores de desplazamiento químico con los rangos de un libro de datos, podemos deducir los distintos grupos de una molécula y averiguar su estructura global.

Diferentes tipos de espectroscopia RMN

No todos los núcleos pueden utilizarse en espectroscopia de RMN. La mayoría no se ven influidos por un campo magnético externo y no pueden detectarse. Dos tipos de núcleos que sí producen resultados en la espectroscopia de RMN son los núcleos de carbono-13 y de hidrógeno-1.

Ambos tipos de espectroscopia siguen la técnica general descrita anteriormente y detectan el desplazamiento químico de los núcleos de carbono-13 y de hidrógeno-1, respectivamente. Sin embargo, los picos de desplazamiento químico en los espectros de hidrógeno-1 caen dentro de un rango mucho más pequeño.

Un átomo de hidrógeno-1. Si le quitas el electrón, sólo te queda el núcleo, que contiene un solo protón. Anna Brewer, StudySmarter Originals

La espectroscopia de RMN del hidrógeno-1 tiene algunas ventajas sobre la espectroscopia del carbono-13:

• La mayoría de los átomos de hidrógeno son el isótopo hidrógeno-1, mientras que sólo alrededor del 10% de los átomos de carbono son el isótopo carbono-13. Esto significa que los espectros de hidrógeno-1 ofrecen resultados más claros y nítidos.
• El tamaño de los picos en los espectros de hidrógeno-1 es proporcional al número de núcleos de hidrógeno-1 en ese entorno concreto, lo que no ocurre con los picos de RMN de carbono-13. Esto se muestra mediante una traza de integración.
• Los picos de hidrógeno-1 muestran algo llamado acoplamiento espín-espín. En este caso, se dividen en picos más pequeños en función de cuántos átomos de hidrógeno haya en entornos adyacentes, y nos dan más información sobre la estructura de la molécula.

Este espectro de hidrógeno-1 del etanol muestra el acoplamiento espín-espín. Algunos picos se han dividido en varios picos más pequeños. Anna Brewer, StudySmarter Originals

Aprenderás más sobre la RMN del carbono-13 y del hidrógeno-1 en RMN del carbono -13 y RMN del hidrógeno -1 respectivamente.

Usos de la espectroscopia de RMN

La espectroscopia de RMN tiene muchas aplicaciones en la ciencia moderna. Como hemos explorado, su función principal es analizar la estructura y la forma de las moléculas. Sin embargo, también se utiliza para lo siguiente

• Determinación del plegamiento de proteínas.
• Cribado y diseño de fármacos.
• Averiguar cómo interactúan las moléculas en las reacciones químicas.
• Determinar la proporción de sólidos y líquidos en los lípidos.

Pros y contras de la espectroscopia de RMN

La espectroscopia de RMN tiene pros y contras. Veámoslos a continuación.

Ventajas

• Sus espectros son únicos, bien resueltos y generalmente predecibles para moléculas pequeñas.
• Produce señales distinguibles para distintos grupos funcionales.
• Incluso puede utilizarse para distinguir el mismo grupo funcional en distintos entornos.

Limitaciones

• Requiere muestras de gran tamaño, entre 2 y 50 mg.
• La adquisición y el funcionamiento de las máquinas son costosos. Existen máquinas menos caras, pero dan espectros de menor resolución, en los que los picos de desplazamiento químico se solapan y se confunden.
• Por lo general, sólo puede utilizarse para sustancias solubles, ya que el análisis de sólidos requiere una máquina específica y da espectros de menor resolución.
• Es un proceso lento y no puede utilizarse para reacciones rápidas.