Análise Instrumental Profa Michelle Rodrigues

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1 Análise Instrumental Profa Michelle Rodrigues
Espectrometria de RMN de Hidrogênio Análise Instrumental Profa Michelle Rodrigues

2 Introdução Certos núcleos da molécula na amostra absorvem radiação eletromagnética na região de radiofreqüência (rf), na presença de campo magnético, e emitem esta energia quando o núcleo é transferido para seu estado fundamental (original). Ocorre transição entre níveis de energia rotacional dos núcleos atômicos. Ou seja, transição de spin dos núcleos em um campo magnético. OBJETIVO: analisar a estrutura molecular e ligações entre os átomos numa molécula Espectro Eletromagnético

3 PROPRIEDADES MAGNÉTICAS DOS NÚCLEOS
Todos os núcleos têm carga; A carga pode girar em torno do eixo nuclear gerando um dipolo magnético nuclear (µ) em torno do eixo nuclear; A carga em movimento apresenta um momento angular descrito como spin (I), podendo ser: 0 (núcleo que não gira), ½, 1, 3/2, etc; O número de spin (I) determina o número de orientações diferentes que um núcleo pode assumir quando na presença de um campo magnético uniforme (movimento de rotação do núcleo em torno do seu próprio eixo); O número de spin I dos núcleos 1H e 13C é igual a ½, permitindo uma distribuição de carga esférica e uniforme; Bz Campo magnético estático e uniforme Bo sempre na direção z e no eixo do núcleo. Circulação da carga do núcleo do hidrogênio.

4 O momento angular está quantizado e gera uma quantização de energia;
No caso de núcleos com spin ½ , na presença de campo magnético, existem dois níveis de energia: A diferença de energia entre os dois spins é dependente do campo magnético aplicado. Na ausência de campo magnético não há ≠ de energia entre spins; O momento angular está quantizado e gera uma quantização de energia; Ao introduzir energia na forma de radiofreqüência (υ), há indução de transição entre esses dois níveis de energia, na presença de um campo magnético de intensidade B0 (campo magnético estático e homogêneo). Equação fundamental RMN: υ = (γ/2π)B onde, γ/2π = constante (relaciona radiofreqüência com intensidade do campo magnético) Para hidrogênio: υ= 100MHz e B0= 2,35T Spin maior Spin menor Intensidade do campo magnético

5 E = µ B0 µ = γ I Onde: γ = razão magnetogírica = constante nuclear fundamental = constante de proporcionalidade entre o momento magnético µ e o número de spin I. Ela é quem caracteriza o núcleo. Ela é quem fornece a razão entre freqüência e campo magnético necessária para que certo núcleo absorva energia e sofra ressonância. Órbita de precessão Dipolo magnético nuclear µ Núcleo em movimento de rotação Quando radiofreqüência (rf)(υ) aplicada é igual à freqüência de precessão dos núcleos equivalentes (freqüência de Lamour, υL, em MHz), ocorre ressonância: Relação básica de RMN: υL = υ = (γ/2π)B0 Freqüência de Lamour: é a relação entre a força do campo magnético e a radiofreqüência.

6 Transição quântica: spin dos núcleos em campo magnético.
Nessa razão de radiofrênqüência com campo magnético (υ= 100MHz e B0= 2,35T), o hidrogênio absorve energia passando para o estado de energia mais alta (spin maior), e o sistema entra em ressonância (resultando no espectro). Por isso o nome Espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear. A diferença na freqüência da ressonância por cada núcleo é medida como deslocamento químico (δ). Espectro é obtido pelo registro da energia absorvida em função da freqüência. Os núcleos excitados ao retornarem ao estado fundamental irradiam energia, que é detectada. Energia emitida é detectada. Transição quântica: spin dos núcleos em campo magnético. Núcleos que possuem spins emparelhados, ou seja, spin = 0, não possuem momento angular, não podendo ser utilizados em RMN. 136C1/2 Meio-inteiro Inteiro zero Ímpar par Ímpar ou par ímpar par

7 Existem dois métodos de obtenção do espectro (dois tipos de espectrometria de RMN):
Método de varredura contínua (CW)/ Espectrômetro de varredura: amostra na presença de B0 é irradiada por uma lenta varredura na faixa de freqüência dos hidrogênios (faixa de interesse). Os hidrogênios diferentes entram em ressonância, um de cada vez. Baixa sensibilidade (relação sinal/ruído). Método pulsado ou de varredura instantânea/ Espectrômetro pulsado: amostra na presença de B0 é irradiada com pulso curto de energia de radiofreqüência de alta potência, atingindo faixa de freqüências de interesse, gerando o campo magnético desejado. Excita-se (ressonância) simultaneamente todos os núcleos da amostra e coleta-se os sinais. Maior sensibilidade.

8 Informações obtidas por RMN:
Intensidade: número de núcleos que dá origem ao sinal Deslocamento químico: ambiente químico dos núcleos Constante de acoplamento: geometria molecular e conectividade.

9 Instrumento Ímãs supercondutores: é a parte mais cara do instrumento. É constituído de bobina (solenóide) feita com um fio supercondutor. A intensidade, homogeneidade e estabilidade do B0 determina a sensibilidade e resolução do método. Supercondutores geram B0 mais estável. Hélio líquido: mantêm a temperatura baixa (próxima a 4K) para evitar resistência na bobina. Condutividade ideal à esta temperatura. Nitrogênio líquido: câmara que evita perda de calor com meio externo (mantêm a temperatura baixa na primeira câmara). Temperatura a 77K. Câmara de vácuo: evita perda de calor. Temperatura ambiente (293K). Frasco de Dewar: contém todas as câmaras. Amostra: solução em solvente deuterado contida em tubo de vidro de 5mm de diâmetro. É colocado no compartimento de amostra (probe). Sonda (probe): é composto de tubo de amostra, bobina de transmissão-recepção e orifício de onde sai ar comprimido. As bobinas: convertem radiofreqüência em campo magnético oscilante (perpendicular ao B0 homogêneo do ímã) que será aplicado à amostra e afetará os spins nucleares da amostra; convertem os campos magnéticos oscilantes gerados pelos spins nucleares em sinais elétricos que podem ser detectados pelo receptor.

10 Solvente deuterado: CDCl3, DMSO, MeOH Amostra: 2-10mg 1H
Espectrômetro pulsado + ar comprimido Solvente deuterado: CDCl3, DMSO, MeOH Amostra: 2-10mg 1H >>10mg 13C

11 A energia eletromagnética de radiofreqüência υ é aplicada de tal modo que seu componente magnético B1 (oscilante) encontra-se em ângulo reto em relação ao campo magnético principal B0 (homogêneo e estático)

12 Deslocamento Químico Apenas um sinal deveria ser obtido quando energia de radiofreqüência e o campo magnético intenso interagem com os hidrogênios da amostra, de acordo com a equação: υ = (γ/2π)B0 Porém, os hidrogênios de uma molécula são blindados fracamente pelas nuvens eletrônicas que os cercam, cuja densidade varia com o ambiente químico. Essas variações dão origem as diferenças em deslocamento químico. Deslocamento químico é a diferença entre a posição de absorção de um determinado hidrogênio submetido a um ambiente químico e um hidrogênio padrão. (≠ ambiente ≠ deslocamento) Logo, a equação básica de RMN pode ser alterada para: υefetiva= (γ/2π)B0 (1-σ) onde, σ = constante de blindagem, cujo valor é proporcional à blindagem. Num B0 a freqüência efetiva (υefetiva) da ressonância é menor que a freqüência aplicada (υ)

13 O grau de blindagem depende da densidade dos elétrons em movimento.
Blindagem: os elétrons circulam sobre a influência de um campo magnético, produzindo seu próprio campo magnético (provocam corrente elétrica) que age em oposição ao campo aplicado. O grau de blindagem depende da densidade dos elétrons em movimento. Blindagem do núcleo pelo movimento do elétron. B0 Menor deslocamento Freqüências mais baixas Maior blindagem blindados Maior deslocamento Freqüências mais altas Menor blindagem desblindados Escala de RMN em 300MHz e 600MHz.

14 Os hidrogênios mais desblindados estão mais expostos em relação ao campo aplicado, e a ressonância ocorre em freqüência mais alta. δ = ppm = υ efetiva – υreferência onde, υ referência = 0 (TMS = tetrametil –silano) υaparelho Fatores que afetam o deslocamento químico: Eletronegatividade: quanto maior (menor a densidade eletrônica e maior atração da nuvem eletrônica), menor o efeito de blindagem e maior o deslocamento químico. Anisotropia magnética: os elétrons π causam maior efeito de blindagem, devido a estes circularem num plano perpendicular ao campo aplicado (induzem campo magnético em oposição ao campo aplicado), diminuindo o deslocamento químico. Em contraste os elétrons σ de uma ligação produzem pouco efeito de blindagem.

15 Acoplamento escalar (J)
Ou acoplamento de spin, é o acoplamento indireto dos spins dos hidrogênios através dos elétrons de ligação. Spin do núcleo e do elétron são antiparalelos (princípio de Pauli – elétron + núcleo). Constante de acoplamento = J = diferença de freqüência (Hz) entre dois sinais de um mesmo núcleo (raramente ultrapassa 20Hz. Diferente do deslocamento) O spin de cada hidrogênio é afetado pelas duas orientações do outro hidrogênio através dos elétrons da ligação, o que faz com que apareça dubleto Acoplamento spin-spin entre dois hidrogênios com deslocamentos químicos diferentes

16 Os dois H do metileno se acoplam igualmente com o H do metino (equivalente). Forma dubleto pela divisão do sinal de absorção do H do metileno pelo H do metino; O tripleto é o resultado da divisão da absorção do metino pelos dois H do metileno. Os picos se superpõem porque as constantes de acoplamento são iguais; Acoplamento spin-spin entre grupos CH e CH2 com deslocamentos químicos diferentes Tripleto por desdobramento consecutivo

17 Multiplicidade: número de picos para determinado núcleo. m = n + 1
Onde: n = número de hidrogênios vizinhos acoplados com a mesma constante de acoplamento (H equivalente). A intensidade relativa dos picos de um multipleto depende de n: Dubleto (n = 1): 1:1 Tripleto (n = 2): 1:2:1 Quarteto (n = 3): 1:3:3:1 Triângulo de Pascal apresenta as intensidades relativas dos multipletos.

18 O que fazer com um espectro?
Com a fórmula molecular calcular o grau de insaturação: C- H/2 + N/2 – Hal/2 +1 Deslocamento químico (ppm)- escala no eixo horizontal do espectro que reflete o ambiente químico a que o núcleo está submetido. Acoplamento escalar – desdobramento de um sinal em várias linhas – reflete o número de H equivalentes (ou de mesmo J) vizinhos ( = n) ao núcleo observado. m= n + 1 Integral – reflete a proporção “relativa” de Hs em cada sinal. A:B:C (medida em cm) ÷ pelo menor valor x número inteiro até a soma ficar parecida com o no de Hs da fórmula aproximar para no inteiro