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Ressonância Magnética Nuclear de 1H: aplicações na identificação de micromoléculas
Prof. Dr Murilo Marinho de Castro LIma
Dezembro/2013
INTRODUÇÃO
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Ressonância Magnética Nuclear
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Espectroscopia é o estudo da interação da energia com a matéria. Quando se aplica energia à matéria, ela pode ser absorvida, emitida, causar uma modificação química ou ainda ser transmitida.
 A Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é a técnica espectroscópica mais valiosa aos químicos orgânicos.
 
 Muitos núcleos podem ser estudados por RMN, como 19F e 31P, porém 1H e 13C são os mais comuns.
Enquanto a técnica de infra-vermelho revela os grupos funcionais presentes numa molécula, a RMN faz o mapeamento do esqueleto carbono-hidrogênio da molécula.
A técnica de RMN de 1H é capaz de determinar o número de cada núcleo distinto de hidrogênio, assim como, obter informações acerca do ambiente químico vizinho a tais núcleos. 
A origem do sinal de RMN
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Muitos núcleos atômicos possuem um propriedade denominada spin, onde os núcleos comportam-se como se estivessem girando ao redor de um eixo. Todo núcleo que possui massa atômica ou número atômico ímpar, ou ambos, apresentam tal propriedade. 
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A origem do sinal de RMN
Na ausência de um campo magnético externo, os spins nucleares estão orientados randomicamente. 
Porém, quando uma amostra contendo tais núcleos sofre a ação de um campo magnético externo (B0), esses núcleos adotam orientações específicas. Alguns podem se alinhar paralelamente ao campo magnético, enquanto outros podem assumir uma orientação antiparalela. A orientação paralela é um pouco menos energética, e portanto, mais favorecida.
A origem do sinal de RMN
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Para o 1H ...
A origem do sinal de RMN
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Quando os núcleos são irradiados com uma radiação eletromagnética numa frequência adequada, ocorre absorção de energia e mudança da orientação do spin do estado menos energético para o mais energético. 
E quando acontece essa mudança na orientação do spin, diz-se que os núcleos estão em ressonância com a radiação aplicada  ressonância magnética nuclear
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E absorvida= (E spin -1/2 - E spin +1/2)= hυ
A origem do sinal de RMN
A exata frequência necessária para que a ressonância ocorra depende tanto da força do campo magnético aplicado quanto da identidade do núcleo.
Se um campo magnético muito forte for aplicado, a diferença de energia entre os estados de spin é maior, e portanto, uma maior frequência é necessária para que ocorra a mudança na orientação do estado de spin menos energético para o mais energético.
ΔE= f(γB0)=hυ
γ= razão magnetogírica
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Operação básica de um espectrômetro de RMN
1- A amostra é solubilizada em solvente deuterado e colocada num tubo de vidro apropriado, que é então, posicionado entre os polos do magneto.
2- O campo magnético forte provoca o alinhamento dos spins nucleares nas possíveis orientações, e a amostra é, então, irradiada com energia de radiofrequência (rf).
3- Se a frequência da irradiação da rf é mantida constante e a força do campo magnético varia, cada núcleo entra em ressonância de acordo com a força do campo magnético.
4- O detector monitora a absorção da energia de rf, e o sinal eletrônico é amplificado, e enviado ao computador, que através de transformada de Fourier, o apresenta na forma de picos.
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Deslocamento químico
Os prótons de uma molécula estão cercados por elétrons, e portanto, existem em ambientes químicos diferentes uns dos outros. Dessa forma, numa mesma molécula, os prótons ressonam em frequências distintas.
A densidade eletrônica na camada de valência varia para de um próton para outro.
Os prótons estão blindados pelos elétrons que os circundam. 
A circulação de elétrons na camada de valência dos prótons é chamada de corrente diamagnética local. Tal corrente gera um campo magnético no sentido contrário ao campo magnético aplicado, que é a anisotropia diamagnética. 
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Deslocamento químico
O espectro de RMN é apresentado como um diagrama, onde a força do campo magnético aplicado cresce da esquerda para direita.
Os núcleos que absorvem em campo baixo requerem um campo magnético menos forte para que ocorra a ressonância, portanto tais núcleos estão menos blindados. Enquanto que os núcleos que absorvem em campo alto necessitam da aplicação de um campo magnético forte, são mais blindados pelos elétrons da camada de valência.
Campo baixo
(desblindado)
Campo alto
(blindado)
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Deslocamento químico
Deslocamento químico  δ, onde 1δ equivale a 1 ppm da frequência operante no espectrômetro
Ex.: Num aparelho de 500MHz, 1 δ = 500 Hz
δ = deslocamento em Hz
Frequência do espectrômetro em MHz
Efeitos da eletronegatividade no deslocamento químico
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Substituintes eletronegativos no carbono reduzem a blindagem local diamagnética na vizinhança dos prótons ligados, pois reduzem a densidade eletrônica ao redor dos prótons.
Quanto mais eletronegativo o substituinte, mais desblindado será o próton e, portanto, seu deslocamento químico aparecerá em campo mais baixo.
		CH3F	CH3OH	CH3Cl	CH3Br	CH3I	CH4
	Eletronegatividade	4.0	3.5	3.1	2.8	2.5	2.1
	δ	4.26	3.40	3.05	2.68	2.16	0.23
Efeitos da hidridização no deslocamento químico
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Hidrogênios sp3  0- 2 ppm
Hidrogênios sp2  Numa ligação C-H sp2, o C tem maior caráter s (33%), do que um C sp3. Quanto maior o caráter s, maior é a eletronegatividade do C
Efeitos da hidridização no deslocamento químico
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Hidrogênios sp  hidrogênios acetilênicos aparecem entre 2- 3ppm. Pela hibridização, eles deveriam ser mais desblindandos que os hidrogênios vinílicos, dado o maior caráter s.
Devido ao efeito de anisotropia, os hidrogênios acetilênicos são blindados, aparecendo em campo mais alto. 
Anisotropia  corrente magnética gerada pela circulação de elétrons π
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Equivalência química
Todos os prótons encontrados em ambientes químicos idênticos numa molécula são quimicamente equivalentes.
1 sinal no espectro de RMN 1H
3 sinais no espectro de RMN 1H
2 sinais no espectro de RMN 1H
Equivalência química
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Para moléculas relativamente pequenas, uma rápida olhada na estrutura já é o suficiente para identificar os tipos de prótons presentes e quantos sinais de absorção irão aparecer no espectro de RMN 1H.
 Em caso de dúvida, a equivalência ou não equivalência de dois prótons pode ser determinada comparando quais seriam as estruturas formadas caso cada hidrogênio fosse substituído por um grupo X. 
Nessa molécula do 2-metilpropeno existem dois grupos de hidrogênios homotópicos, portanto 2 sinais no espectro de RMN 1H. 
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Equivalência química
Se a substituição de cada um dois átomos de hidrogênio pelo mesmo grupo gera compostos que são enantiômeros, diz-se que os dois átomos de hidrogênio são enantiotópicos.
Substituição de cada H por -OH
enantiômeros
 Hidrogênios enantiotópicos possuem o mesmo deslocamento químico e apresentam apenas um sinal no espectro de RMN 1H.
Equivalência química
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Se a substituição de cada um dois átomos de hidrogênio pelo mesmo grupo gera compostos que são diastereoisômeros, diz-se que os dois átomos de hidrogênio são diastereotópicos.
Substituição de cada H por -OH
O cloroeteno fornece 3 sinais de prótons não equivalentes: um para o próton do grupo ClCH=, e um para cada um dos hidrogênios diastereotópicos do grupo =CH2. 
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Integração das absorções no RMN 1H
A área sob cada pico é proporcional ao número de prótons que geram o pico.
O espectrômetro é capaz, através de medidas eletrônicas, integrar a área abaixo de cada sinal, e assim, fornecer o número relativo a cada tipo de hidrogênio presente na molécula. 
9
3
Acoplamento Spin-Spin
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Pelo fato dos núcleos dos átomos de hidrogênio possuírem momento magnético, comportam-se como “ímãs. Por se comportarem como ímãs, os núcleos “sentirão” uns aos outros atravésdas ligações químicas, ou seja, o momento magnético de um núcleo afeta o momento magnético do núcleo vizinho. A esse fenômeno dá-se o nome de acoplamento spin-spin.
De maneira geral, a regra do n+1 é empregada. Prótons que possuem n prótons equivalentes vizinhos, apresentam n+1 picos no espectro de RMN 1H.
Acoplamento Spin-Spin
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Prótons equivalentes comportam-se com um único grupo
Ha possui dois hidrogênios vizinhos (n+1=3) tripleto
Integral= 1
Hb e Hc são equivalentes e possuem um único H vizinho (n+1=2) dupleto
Integral= 2
Ha possui 3 Hs equivalentes vizinhos (n+1=4)  quarteto Integral=2
a
b
Hidrogênios b possuem 2 Hs equivalentes vizinhos (n+1=3) tripleto Integral= 3
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Acoplamento Spin-Spin
As metilas possuem 1 H vizinho (n+1=2) dupleto 
Integral=6
Seis hidrogênios equivalentes vizinhos (n=1=7) septeto Integral=1
Acoplamento Spin-Spin
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A proporção da intensidade de cada pico no multipleto derivado da regra de n+1 pode ser verificada pelo triângulo de Pascal. 
	Nº de prótons equivalentes vizinhos	Multipleto
	0	Simpleto
	1	Dupleto
	2	Tripleto
	3	Quarteto
	4	Quinteto
	5	Sexteto
	6	Hepteto
Acoplamento Spin-Spin
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A distância entre cada pico em um simples multipleto é chamada de constante de acoplamento, J (medida em Hz). 
A constante de acoplamento é a medida de quão fortemente um núcleo está sendo afetado pelos estados de spin de seus vizinhos. 
Acoplamento Spin-Spin
26
bromoetano
Acoplamento Spin-Spin
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E quando a regra de n+1 falha?
Quando os prótons ligados a um mesmo carbono não são quimicamente equivalentes, eles possuem deslocamentos químicos diferentes e, portanto, a regra n+1 não é aplicável.
Livre rotação
JAC= JBC
JAB= 0
n+1
Espectro de 1ª ordem
Não há rotação
JAC≠ JBC
JAB ≠ 0
Não se aplica n+1
Espectro de 2ª ordem
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Acoplamento Spin-Spin
geminal
cis
trans
Acoplamento Spin-Spin
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Espectros de 2ª ordem são observados quando núcleos com deslocamentos químicos muito próximos, porém não idênticos, acoplam entre si. 
Espectro obtido em 60 MHz
Informações fornecidas pela RMN
30
Informações diretas...
	Intensidade	Nº de núcleos que dá origem ao sinal
	Deslocamento químico	Ambiente químico dos núcleos
	Constante de acoplamento	Geometria molecular e conectividade
31
Aplicações da RMN de 1H
Aplicações da RMN de 1H
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Elucidação estrutural
 Investigação de formulações
Análise de misturas
Determinação da pureza de amostras
Controle e garantia da qualidade
Análise quantitativa
Investigação de mecanismos de reação
Pesquisa e desenvolvimento nas áreas da química: orgânica, inorgânica e físico-química
Indústria química
Pesquisa nas áreas biológica e bioquímica
Indústria de alimentos
Indústria Farmacêutica
Indústria de polímeros
Desenvolvimento e produção agroquímica
33
Análise de micromoléculas
Alcanos
34
	R-CH3	0.7- 1.3 ppm
	R-CH2-R	1.2 – 1.4 ppm
	R3- CH	1.4 – 1.7 ppm
	-CH-CH-	3J= 7- 8 HZ
Alcenos
35
	C=C-H	4.5 – 6.5 ppm
	C=C-C-H	1.6 – 2.6 ppm
Alcenos
36
J= 16Hz
J= 16Hz
7.83 ppm
6.46ppm
Ácido trans-cinâmico
Alcenos
37
3Jbc= 16Hz
3Jac= 8Hz
2Jab= 4Hz
Vinil acetato
Compostos aromáticos
38
a
b
c
6.8 ppm
2.59 ppm
1.24 ppm
39
Compostos aromáticos
Efeito do substituinte...
Compostos aromáticos
40
Compostos aromáticos
41
δ
δ
δ
δ
Compostos aromáticos
42
Anéis para-dissubstituídos
anetol
Plano de simetria
Compostos aromáticos
43
Outras substituições...
Ex.: 2,4-dinitroanisol
Álcoois 
44
	C-OH	0.5- 5.0 ppm
	CH-O-H	3.2 – 3.8 ppm
O deslocamento químico do H de –OH é variável, pois depende da concentração da amostra, do solvente, da presença de água ou impurezas ácidas ou básicas. Muitas vezes esses fatores podem causar o alargamento do pico.
Éteres
45
	R – O - CH	3.2 – 3.8 ppm
Éteres
46
Aminas
47
	R-N-H	0.5-4.0 ppm
	-CH- N-	2.2 – 2.9 ppm
		3.0 – 5.0 ppm
Aldeídos
48
	R- CHO	9.0 – 10.0ppm
	R-CH-CH=O	2.1-2.4 ppm
	-CH-CHO	3J= 1 – 3 Hz
Comum a todo Hα carbonila  efeito anisotrópico da carbonila
Cetonas
49
		2.1 – 2.4 ppm
Simpleto intenso em 2.1ppm
Ésteres
50
	R-CH-COOR	2.1- 2.5ppm
	R-COO-CH-	3.5- 4.8ppm
Diagnóstico de ésteres
Ácidos Carboxílicos
51
	R- COOH	11.0 – 12.0 ppm
	-CH-COOH	2.1 – 2.5ppm
Ácido etilmalônico
Amidas
52
	R(CO)-N-H	5.0 – 9.0 ppm
	-CH-CONH	2.1- 2.5 ppm
	R(CO)-N-CH	2.2 – 2.9 ppm
A absorção de –NH é extremamente variável, dependendo, além do ambiente químico da molécula, também da T e do solvente.
A rotação nas amidas é bem restrita, graças à ressonância entre o N e a carbonila na ausência de livre rotação, Hs ligados ao N não são equivalentes, fornecendo 2 picos de absorção.
53
Para treinar...
1
54
Acetato de etila
IDH= C – H/2 + N/2 – Hal/2 + 1 4-8/2 +1 = 1
2
55
a
b
c
d
e
c
d
a
b
IDH= 8 – 11/2 + ½ + 1= 4
3
56
2-metoxibenzaldeído
4
57
0.97 (3H, t, J=7Hz)
1.42 (2H, sextupleto, J= 7Hz)
2.00 (2H, quinteto, J= 7Hz)
4.40 (2H, t, J= 7Hz)
a
b
c
e
5
58
δ 1.08(6H, d, J=7Hz)
2.45 (4H, t, J= 5Hz)
2.80 (4H, t, J= 5Hz)
2.93 (1H, hepteto, J= 7Hz)
a
b
a
b
6
59
 7.83 (2H, d, J = 8.8 Hz, H-2’ e H-6’)
 6.92 (2H, d, J = 8.8 Hz, H-3’ e H-5’)
 6.83 (1H, d, J = 2.1 Hz, H-6) 
6.71 (1H, d, J = 2.1 Hz, H-8)
6.58 (1H, s, H-3)
apigenina
Bibliografia
60
Clayden, J.; Greeves, N.; Warren, S.; Wothers, P. Organic Chemistry. 4ª edição. Oxford University Press, 2005
McMurry, John. Organic Chemistry. 7ª edição. Thomson Brooks Cole, 2008
Pavia, D. L.; Lampman, G. M.; Kriz, G. S. Introduction to spectroscopy. 3ª edição. Thomson Brooks Cole, 2001
Solomons, G.; Fryle, C. B. Química Orgância. 1ª edição. LTC Editora, 2001
Atividade Complementar
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a
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