Tema 5 PQ 317 2020-1 RMN (1).pdf

Resonancia Magnética Nuclear
SECCIÓN 2: ESPECTROSCOPIA MOLECULAR

Lic. Carlos Timaná de La Flor
Contenido
SECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN
Tema 1. Generalidades sobre Química Analítica Instrumental / 3 horas
SECCIÓN 2: ESPECTROSCOPIA MOLECULAR
Tema 2. Introducción a los métodos ópticos / 3 horas
Tema 3 Espectroscopia Ultra violeta – Visible / 3 horas
Tema 4. Espectroscopia Infrarroja / 3 horas
Tema 5. Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear / 6 horas
Tema 6. Espectrometría de masas / 3 horas
SECCIÓN 3: ESPECTROSCOPIA ATÓMICA
Tema 7. Absorción y emisión atómica / 3 horas
SECCIÓN 4: ESPECTROSCOPIA DE RAYOS X
Tema 8. Bases de la espectroscopia de rayos X. Fluorescencia de rayos X / 3 horas
Tema 9. Difracción de Rayos X / 3 horas
SECCIÓN 5: MÉTODOS ELECTROANALÍTICOS
Tema 10. Potenciometría. Coulombimetría. Voltamperometría / 6 horas
SECCIÓN 6: MÉTODOS DE SEPARACIÓN
Tema 11. Cromatografía / 3 horas
SECCIÓN 7: MÉTODOS DIVERSOS
Tema 12. Análisis Térmico / 3 horas

Compuesto
desconocido
purificación
propiedades físicas
F.E. , F.M.
Espectroscopía
Ya sea que provenga de una reacción como de una fuente natural, la
purificación de un compuesto puede llevarse a cabo mediante las siguientes
técnicas:
Técnicas
recristalización
destilación
extracción
cromatografía
INTRODUCCIÓN

Cuando se lleva a
cabo una reacción,
la mezcla final hay
que elaborarla para
separar y prepurificar
el producto
perseguido.
La separación y
purificación del
producto es a veces
muy difícil y tiene
que recurrirse a
técnicas más
sofisticadas como la
cromatografía.
Una vez aislado y purificado, el producto ha de ser caracterizado y su estructura
determinada inequívocamente. Este es el objetivo de la ESPECTROSCOPIA, utilizando
las técnicas fundamentales que se indican.

La Resonancia Magnética Nuclear la técnica más poderosa para
determinar estructuras en Química Orgánica
Toma unos pocos mg de una
sustancia y disuelvelos en un
disolvente deuterado, CDCl3,
por ejemplo. Pon la disolución
en un tubo apropiado de 5 mm
de diámetro.
Introduce el tubo con la
muestra en un poderoso
imán superconductor
como el de la foto
ya estás listo para
obtener un espectro
de resonancia
magnética nuclear

El giro de las cargas eléctricas
del núcleo hace que se
comporte como un pequeño
imán
En presencia de un campo
magnético externo B0 el núcleo
es capaz de orientarse a favor
o en contra
momento magnético (μ)
Los dos estados tienen
diferente energía. Esa
diferencia aumenta con la
intensidad del campo
magnético
2. FUNDAMENTO FÍSICO

La energía necesaria para producir un tránsito entre estados
(resonancia) es del orden de las radiofrecuencias (depende de
Bo y g). Por lo tanto, la espectroscopía de RMN es la
herramienta energéticamente más suave utilizada para
examinar la estructura de las moléculas.
Para el protón desnudo (1H) en un campo Bo de 14092 Gauss (1 T = 104 G), la frecuencia de
resonancia sería de 60 MHz . Para el protón desnudo (1H) en un campo Bo de 14 Teslas (1 T
= 104 G), la frecuencia de resonancia sería de 600 MHz (lo que equivale a una energía de 0.2
J/mol. La diferencia de energía entre los dos estados de espín es menor que 0,1 cal / mol,
mientras que , las transiciones IR implican 1 a 10 kcal / mol y las transiciones electrónicas
(UV-VIS) son casi 100 veces mayor.). Para campos magnéticos más intensos son necesarias
frecuencias mayores. (El campo magnético –flujo magnético- de la Tierra es de
aproximadamente 10-4 T a nivel del suelo)
SE DENOMINA RESONANCIA MAGNÉTICA
NUCLEAR AL FENÓMENO POR EL QUE UN
NÚCLEO SALTA DE UN ESTADO DE ESPÍN A
OTRO CUANDO ES IRRADIADO CON LUZ DE LA
ENERGÍA ADECUADA (FRECUENCIA DE
LARMOR)
Espín 
Espín 
energía
E
Luego de la
perturbación (que
origina excitación)
viene la relajación

Hay muchos núcleos activos en resonancia que pueden dar lugar a un espectro
rmn. Afortunadamente, todos ellos tienen una constante giromagnática 
distinta y absorben ondas de radio a frecuencias muy diferentes. Es como si
tuviéramos un montón de emisores/receptores diferentes, los distintos
núcleos, cuya señal recibimos como en un aparato de radio, en una zona del
dial diferente
Los espectros de rmn más comunes son los de hidrógeno (1H) y de
carbono (13C)que son precisamente los átomos más abundantes en una
molécula orgánica

Un típico espectrómetro (de onda continua) se muestra en el siguiente diagrama. Una solución de
la muestra en un tubo de vidrio de 5 mm uniforme está orientado entre los polos de un imán
potente, y se hace girar para promediar las variaciones de campo magnético, así como
imperfecciones de tubo. La radiación de radiofrecuencia de energía apropiada se emite en la
muestra a partir de una bobina de antena (de color rojo). Una bobina receptora rodea el tubo de
muestra, y la emisión de energía de RF absorbida es supervisado por los dispositivos electrónicos
adecuados y un ordenador. El espectro de RMN se adquiere mediante la variación o barrido del
campo magnético en un pequeño intervalo mientras se observa la señal de RF de la muestra. Una
técnica igualmente eficaz es variar la frecuencia de la radiación de RF mientras se mantiene la
constante de campo externo.
3. EL EQUIPO DE RMN

(p.eb. 4 K)
(p.eb. 77 K)

4. INFORMACIÓN DE UN ESPECTRO DE RMN‐1H

Los hidrógenos de una molécula resuenan a campos magnéticos distintos (se dice que tienen
distintos desplazamientos químicos) en función de la densidad electrónica que les circunda.
Una mayor densidad electrónica circundante a un
hidrógeno hace que éste aparezca en un espectro
RMN a desplazamientos químicos pequeños
(apantallamiento – campo alto). Una densidad
electrónica pequeña alrededor de un hidrógeno
hace que éste aparezca a desplazamiento químico
más alto (desapantallamiento – campo bajo).
El campo magnético real que sufre cada hidrógeno está modulado por la densidad
electrónica circundante.
A. DESPLAZAMIENTO QUÍMICO
Experimentalmente se ha visto más conveniente fijar la frecuencia del componente magnético
oscilante de la RF y hacer variar el campo magnético externo hasta que se logre la resonancia.
5. INTERPRETACIÓN DE UN ESPECTRO RMN DE PROTONES
El factor fundamental
del desplazamiento
químico es la
circulación
electrónica alrededor
del núcleo inducida
por el campo
magnético externo Bo

Los electrones π son más polarizables que los
electrones sigma. Por lo tanto, no deberíamos
sorprendernos que los electrones pi produzcan
campos secundarios fuertes que perturban
núcleos cercanos. La nube de electrones del
benceno por encima y por debajo del plano del
anillo circula en reacción al campo externo a fin
de generar un campo opuesto en el centro del
anillo y un campo de apoyo en el borde del anillo.
Este tipo de variación espacial se denomina
anisotropía, y es común a las distribuciones no
esféricas de electrones. Las regiones en las que el
campo inducido apoya o suma al campo externo
se dice que están desprotegidos, porque un
campo externo ligeramente más débil ocasionará
resonancia para núcleos en tales áreas. Sin
embargo, las regiones en las que el campo
inducido se opone al campo externo se
denominan protegido por lo que se necesita un
aumento en el campo aplicado para la
resonancia. En la figura Las regiones protegidas
son designados por un signo más, y las regiones
desprotegidas por un signo negativo.

DESPLAZAMIENTO QUÍMICO δ
Es la variación de la frecuencia de resonancia de un determinado núcleo respecto a la
frecuencia del estándar en las condiciones del aparato de medida
Medido en ppm
(Partes por millón)
Origen
Unidad
δ = 0, tetrametilsilano, SiMe4
Por ejemplo, si nuestra señal aparece a 60 Hz del TMS en un aparato de 60 Mhz , el
desplazamiento químico sería δ = 1 ppm, es decir, una parte por millón de la frecuencia del
aparato empleado .
H muy
apantallados

H apantallados
H protegidos
H desapantallados
H desprotegidos
Los sustituyentes sobre los
carbonos alteran la
densidad electrónica de los
hidrógenos y provocan que
éstos aparezcan a
desplazamientos químicos
diferentes.
La simetría hace que
algunos hidrógenos
puedan aparecer al mismo
desplazamiento químico.

Campo bajo Campo alto
Aumenta la frecuencia a campo fijo
Protones más
apantallados,
resuenan a
campos más
altos y
frecuencias
más bajas
Protones menos
apantallados,
resuenan a
campos más
bajos y
frecuencias más
altas
H desapantallados
H desprotegidos
H apantallados
H protegidos
SEÑALES DE RMN DEL PROTÓN
Aumenta el campo magnético a frecuencia fija

Los compuestos orgánicos dan señales de rmn de
protón en un rango de 0-10 ppm habitualmente. Los
hidrógenos que se encuentran unidos a carbonos
que poseen átomos electronegativos (X) sufren
desapantallamiento, respecto de los hidrógenos que
están unidos a carbonos sin esos átomos. Los
hidrógenos unidos a carbonos en hibridación sp2
resultan especialmente desapantallados. El
hidrógeno de algunos grupos OH puede llegar a salir
tan desapantallado que excedan el límite habitual de
las 10 ppm.

Tipo de protón Desplazamiento químico δ (ppm)
RCH3 0.8-1.0
alcano secundario RCH2R’ 1.2-1.4
alcano terciario R3CH 1.4-1.7
alílico
R2C
R'
CH3
1.6-1.9
bencílico ArCH2R 2.2-2.5
cetona
C
O
CH3
R
2.1-2.6
alquino RC≡CH 1.7-3.1
R-CH2-X (X=halógeno, O) 3-4
alqueno terminal, R2C=CH2 4.6-5.0
alqueno interno R2C=CH-R 5.2-5.7
aromático, ArH 6.0-9.5
aldehído
C
O
H
R
9.5-9.9
alcohol ROH 0.5-5.0
tiol RSH 0.5-5.0
amina RNH2 0.5-5.0

El lugar que ocupan los hidrógenos en una molécula (topicidad) hace que puedan
aparecer al mismo o diferente desplazamiento químico. ¿Cómo se determina la
topicidad de los hidrógenos?
TOPICIDAD
La topicidad puede determinarse mediante una
sustitución imaginaria de hidrógeno por deuterio y
el análisis de la relación estereoquímica de los
productos resultantes.
Los tres compuestos imaginarios que
aparecen al sustituir los hidrógenos
por deuterios son idénticos. Por tanto,
los hidrógenos de un metilo son
homotópicos. Resuenan al mismo
desplazamiento químico.

En el RMN-1H de la propanona sólo hay una señal porque todos los protones son equivalentes.
La señal se presenta a 2,2 ppm, zona en que resuenan los protones unidos a un
carbono unido, a su vez, a un grupo carbonilo (1,5 – 2,5).
Información disponible a partir del desplazamiento químico (espectro de baja resolución)
Equivalencia química:
Dos átomos de hidrógeno son equivalentes cuando al ser sustituidos
por otro átomo dan el mismo compuesto. Producen igual 
0
1
2
3
PPM

Los protones metilo absorben a δ = 3.4 ppm y los protones hidroxilo absorben a δ = 4.8 ppm.
Los tres protones metilo son equivalentes, por lo que producirán sólo una señal.
ESPECTRO DE RMN‐1H DEL METANOL

Los protones aromáticos absorben a desplazamientos químicos próximos a δ = 7.2 ppm y los
protones metilo absorben a δ = 2.3 ppm.
Los protones adheridos directamente al anillo aromático serán los más desapantallados
ESPECTRO DE RMN‐1H DEL TOLUENO

B.‐ INFORMACIÓN DISPONIBLE A PARTIR DE LA INTEGRAL
La línea integral (verde) indica la intensidad del pico e informa
del número de protones que producen la señal
Ejercicio: En el primer caso las dos señales están en la proporción 3:2. Como el número
total de protones es de 10, una corresponde a 6 protones y la otra a 4. ¿Y en los otros
dos casos?

C.‐ INFORMACIÓN DISPONIBLE A PARTIR DEL ACOPLAMIENTO ESPÍN‐ESPÍN O
MULTIPLICIDAD (ESPECTRO DE ALTA RESOLUCIÓN)
En muchos casos los picos aparecen como grupos de picos debido al acoplamiento
que sufren los espines con núcleos vecinos
El espectro RMN del 1,1‐dicloroetano
presenta dos señales:
δ = 5,9 ppm ; integración = 1 corresponde a ‐
CHCl2
δ = 2,1 ppm ; integración = 3 corresponde a ‐
CH3
¿Por qué las señales se han
desdoblado y aparecen con 4 y 2
picos respectivamente?

El desdoblamiento de las señales se produce por el efecto del campo magnético vecino sobre el
aplicado externamente, provocando que la frecuencia de resonancia cambie (acoplamiento espín‐
espín)
Efecto de grupo -CH- sobre el grupo -CH3
El espín del grupo metino ‐CH puede
adoptar dos orientaciones con respecto al
campo externo aplicado. Como resultado
de ello la señal del grupo ‐CH3 vecino se
desdobla en dos líneas de igual intensidad,
un doblete.
Efecto del grupo -CH3 sobre el grupo -CH
Los espines de los tres protones del grupo
metilo pueden adoptar 8 combinaciones,
que se pueden agrupar en cuatro opciones
diferentes (en dos casos hay tres
combinaciones equivalentes). Como
resultado de ello la señal del grupo vecino ‐
CH se desdobla en cuatro líneas con
intensidades respectivas 1:3:3:1, un cuartete

Podemos afirmar que la proximidad de n protones equivalentes en un carbono vecino
provoca el desdoblamiento de la señal en n+1 líneas, el número de éstas se conoce como
multiplicidad de la señal. Los protones equivalentes no se acoplan entre sí.
Nº de protones equivalentes Nº de picos (multiplicidad) Relaciones de área
0 1 (singulete) 1
1 2 (doblete) 1 1
2 3 (triplete) 1 2 1
3 4 (cuadruplete) 1 3 3 1
4 5 (quintuplete) 1 4 6 4 1
5 6 (sextuplete) 1 5 10 10 5 1
6 7 (septuplete) 1 6 15 20 15 6 1
Regla N + 1

Cuando en el acoplamiento intervienen
dobles enlaces la situación no sigue la regla
del n+1
J (constante de acoplamiento) es independiente del campo magnético
aplicado
D.‐ CONSTANTE DE ACOPLAMIENTO J

1 pico singlete Carbono adyacente sin hidrógeno
3 picos triplete
Carbono adyacente con 2
hidrógenos CH2
4 picos quartete
Carbono adyacente con 3
hidrógenos CH3
ESPECTRO DE RMN‐1H DE ALTA RESOLUCIÓN DEL
PROPANOATO DE METILO

El espectro de RMN de protón del 1,1,2‐tribromoetano muestra un triplete de área 1 a δ = 5.7 ppm
y un doblete de área 2 a δ = 4.1 ppm
Las señales para Ha y Hb están acopladas debido al acoplamiento espín‐espín entre los
hidrógenos
1,1,2‐tribromoetano

Ejercicio: ¿A cuál de las tres sustancias corresponde el RMN de baja
resolución?
Ácido propanoico

El grupo isopropilo aparece como un doblete intenso a campo más alto y como un multiplete débil
(un septuplete) a campo más bajo. El grupo metilo aparece como un singulete a δ = 2.1 ppm.
El protón c tiene 6 hidrógenos en el átomo de carbono adyacente, por lo que su señal será un septeto
(6 + 1 = 7). Los hidrógenos de los grupos metilo tienen un hidrógeno en el átomo de carbono
adyacente por lo que su señal será un doblete (1 + 1 = 2) .
metil isobutil cetona (MIBK)

Ejercicio: ¿Qué información puede obtener del siguiente espectro
sabiendo que la fórmula molecular del compuesto es C4H8O2 ?
3 entornos diferentes para los
átomos de hidrógeno
Los átomos de hidrógeno en
estos tres ambientes están
en una relación 2:3:3
Como son 8 hidrógenos, hay
un grupo CH2 y dos grupos CH3
El grupo CH2 de 4.1 ppm
tiene junto a él un grupo CH3
El grupo CH3 de 1.3 ppm tiene
junto a él un grupo CH2
El grupo CH3 de 2.0 ppm tiene
junto a él un carbono sin hidrógeno

Están presentes 5 tipos de H en la proporción 5 : 2 : 2 : 2 : 3.
Hay un singlete de 5 H, dos tripletes de 2 H cada uno, un cuartete de 2 H y un triplete de 3 H. Cada triplete
indica que hay 2H en la posición adyacente, y un cuartete 3H en la misma posición.
Por ello los picos a 4,4 y 2,8 ppm deben estar conectados como unidad CH2CH2.
Los picos a 2,1 y 0,9 ppm deben formar CH2CH3 .
Usando la tabla de desplazamiento químico los H pueden ser asignados de la siguiente manera:
7.2ppm (5H) = ArH
4.4ppm (2H) = CH2O
2.8ppm (2H) = Ar‐CH2
2.1ppm (2H) = O=CCH2CH3
0.9ppm (3H) = CH2CH3
Ejercicio: Interpretación del espectro RMN 1H:

Ejercicio: Interpretación del espectro RMN 1H
1‐propanol
Protocol of the H-1 NMR Prediction:
Node Shift Base + Inc. Comment (ppm rel. to TMS)
OH 4,38 2,00 alcohol
2,38 general corrections
CH2 3,50 1,37 methylene
2,20 1 alpha -O
-0,04 1 beta -C
-0,03 general corrections
CH2 1,51 1,37 methylene
0,00 1 alpha -C
0,15 1 beta -O
CH3 0,90 0,86 methyl
0,10 1 beta -C-R

A veces un espectro RMN
puede ser muy complejo, por
lo que convendría desacoplar
algunos núcleos. Uno de los
métodos, desacoplamiento
químico, implica un
intercambio de D2O, y resulta
muy útil para detectar protones
ácidos, como los presentes en
alcoholes (ROH) o en ácidos
carboxílicos (RCOOH)
ROH + D2O  ROD + HOD
7. DESACOPLAMIENTO DE SEÑALES

El núcleo 13C también muestra resonancia magnética nuclear ya que, al igual que los
protones, tiene espín ½.
8. RMN del 13C
Los desplazamientos químicos,
también medidos con respecto al
tetrametilsilano (TMS), se
encuentran en el rango de 0‐220
ppm y son afectados por los
mismos factores que en el caso de
los protones

13C Rangos de desplazamientos químicos
Los desplazamientos químicos, también medidos con respecto al tetrametilsilano
(TMS), se encuentran en el rango de 0‐220 ppm y son afectados por los mismos factores
que en el caso de los protones

La intensidad de las señales no está relacionada con el número de carbonos Lo más
importante es el número de señales

Espectro de 1H-RMN y 13C-RMN de un aldehído heterocíclico.
Observe la correlación entre los desplazamientos químicos en los dos espectros. El espectro de protón tiene una
anchura de barrido de 10 ppm y el espectro de carbono tiene una anchura de 200 ppm.
Los picos de 13C‐RMN no son proporcionales al número de carbonos que dan lugar a los picos. Los átomos de carbono
que no tienen ningún protón adherido a ellos suelen producir picos pequeños. En el espín del protón desacoplado
13C‐RMN cada señal de carbono aparece como un singlete no desdoblado. El aldehído heterocíclico tiene 5 carbonos,
todos en distintos entornos, de manera que el espectro mostrará 5 picos.

Espectro de protón y 13C-RMN del 1,2,2-tricloropropano.
La molécula tiene 3 átomos de carbono distintos, por lo que el espectro del espín del
protón desacoplado 13C‐RMN tendrá 3 picos. La molécula tiene sólo dos tipos de protones
distintos que no están acoplados; así pues, el 1H‐RMN tendrá dos señales de singulete no
desdoblado.

Espectro 13C-RMN desacoplado fuera de resonancia y totalmente desacoplado,
con transmisor de banda ancha de la 2-butanona.
La 2‐butanona tiene 4 átomos de carbono diferentes, por lo que en la banda del espectro
desacoplado mostrará cuatro señales distintas. Permitiendo el acoplamiento entre los
carbones y sus hidrógenos, las señales se desdoblan de acuerdo con los protones
adheridos a los carbonos (aplicación de la regla N+1).

PROBLEMA
C7H8O2
NMR Solvent: CDCl3
IR Solvent: neat

DETERMINACION DEL INDICE O NÚMERO DE INSATURACIONES.
Dicho parámetro nos va a dar una idea bastante aproximada del tipo de producto que estudiamos.
Partimos para ello de la fórmula molecular.
Para calcular dicho parámetro utilizaremos la expresión:
N.I. = { (2 #C – #H + #N)/2 } + 1
Como podemos observar en la expresión no interviene el número de átomos de oxígeno, ni otros
oligoelementos.
Ejemplos: Una fórmula molecular de C12H14O4 dará N.I. = (12.2-14)/2 + 1 = 6
Una fórmula molecular de C7H5NO3 dará N.I. = (7.2-5 + 1)/2 + 1 = 6
Una vez obtenido el número de instauraciones debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones:
Un ciclo equivale a una instauración.
Un anillo bencénico o heterociclo aromático hexagonal equivale a 4 insaturaciones: (tres dobles enlaces
más un ciclo).
Un heterociclo aromático pentagonal equivale a tres instauraciones: (dos dobles enlaces más ciclo).
Un triple enlace equivale a dos instauraciones.
Un doble enlace equivale a una instauración.

PROBLEMA
BUTANONA: CH3CH2COCH3
PROBLEMA 1

PROBLEMA 2
Tienes cuatro viales sin etiqueta, cada uno de ellos contiene un isómero del
dicloropropano. Con el fin de identificar correctamente cada compuesto y poner la
etiqueta correcta a cada vial, has registrado sus espectros de 13C y 1H. Empareja
las características de cada espectro con el compuesto correspondiente:
1,1-dicloropropano 2,2-dicloropropano
1,2-dicloropropano 1,3-dicloropropano
(i)
13C RMN:
Tres señales entre δ0 y 60 ppm
1H RMN:
(la señal más desapantallada es un
sextete)
(ii)
13C RMN:
Dos señales entre δ0 y 70 ppm
1H RMN:
Una señal singlete a δ1.2 ppm
(iii)
13C RMN:
1H RMN:
triplete)
(iv) (iv) 13C RMN:
1H NMR:
triplete)

Problema 3
C9H12
MW = 120

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