tutorial de resonancia magntica nuclear de protn ( 1h-rmn ) · (1h-rmn) ficha número 01 objetivo :...

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

TUTORIAL PARA LA INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS DE RESONANCIA MAGNÉTICA

NUCLEAR DE PROTÓN.

Juan A. Palop

Tutorial para la interpretación de espectros de Resonancia Magnética Nuclear de protón __________________________________

TUTORIAL DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR

PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 01

Objetivo : descripción e instrucciones operativas.

El objeto del presente tutorial es suministrar al alumno un material didáctico que le permita ejercitarse en la interpretación práctica de espectros de resonancia magnética nuclear de protón tras haber realizado el correspondiente estudio teórico del tema. No incluye, por tanto, explicaciones teóricas que ya se suponen conocidas y estudiadas en otros textos reglados, sino que se centra en presentar casos prácticos ayudando a su interpretación y haciendo hincapié en los aspectos de mayor dificultad. Se trata pues de un documento para el trabajo personal autodirigido de alumnos principiantes en esta técnica. La repetición es un arma pedagógica necesaria en el terreno práctico. Se van a presentar muchos espectros y aunque cada uno se trae para ejemplificar un aspecto determinado, es muy interesante interpretar completos todos los espectros para adquirir esa agilidad y soltura que proporciona el ejercicio repetitivo. Los espectros presentados son teóricos, obtenidos por un programa informático que, tomando como base múltiples datos reales, calcula el espectro esperado para una estructura dada. Los espectros, por tanto, pueden presentar pequeñas diferencias con los reales pero tales errores son insignificantes para los efectos docentes que se pretenden. Algunos espectros no están completos y muestran exclusivamente la parte que interesa para un objetivo didáctico concreto. Este tutorial está constituido por fichas temáticas independientes y aunque es conveniente seguir el orden que se indica para su estudio, puede prescindirse del conocimiento de alguna ficha. Los aspectos tratados en las correspondientes fichas son los siguientes :

Ficha 01 Descripción e instrucciones operativas. Ficha 02 Información primaria disponible en un espectro de rmn. Ficha 03 Distorsión de las alturas de los picos de un grupo de señales. Ficha 04 Hidrógenos alifáticos : efecto del grado de sustitución del carbono

sobre el desplazamiento químico. Ficha 05 Hidrógenos alifáticos : efecto de los sustituyentes electronegativos

sobre el desplazamiento químico. Ficha 06 Hidrógenos alifáticos : influencia de la distancia en los efectos

electrónicos y su repercusión en el desplazamiento químico. Ficha 07 Estudio de hidrógenos vinílicos y alquínicos. Ficha 08 Estudio de hidrógenos unidos a anillo aromático. Ficha 09 Forma característica de las señales de OH y NH. Ficha 10 Distinción del solapamiento de señales múltiples. Ficha 11 Efecto del valor de frecuencia al que trabaja el equipo. Ficha 12 Expresión abreviada de datos de rmn. Ficha 13 Ejemplos de elucidación de estructuras.

2

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop


PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 02

Objetivo : información primaria disponible en un espectro de rmn.

El estudio de un espectro de resonancia magnética nuclear permite la obtención de apreciable información sobre la estructura de un compuesto orgánico a la que es conveniente acceder de una forma sistematizada para conseguir un más alto rendimiento. Cuatro son los aspectos primarios en cuanto a información que deben investigarse : 1º. Número de señales (o grupos) presentes que se corresponden con el número de tipos de hidrógeno distintos existentes en la molécula, entendiendo por “tipos de hidrógeno” no diferencias en cuanto a la naturaleza del elemento que, lógicamente, en todos es igual sino los distintos alrededores moleculares, electrónicos y estéricos, que puede percibir un hidrógeno por su situación concreta en una molécula. Compruebe que existen seis tipos distintos de hidrógenos en la molécula siguiente :

CH3

N

CH3

O CH3

O O

CH

cuyo espectro se incluye a continuación con la correspondiente asignación de las seis señales existentes correspondientes a los distintos tipos de hidrógeno :

6 5 4 3 2

[1]

[3]

[4]

[5]

[2]

[6]

CH 3 1

2

O N

CH 3 3

C H4

O

O C H 35H6

3


cada tipo de hidrógeno aparece como una señal simple, después veremos que también podrán ser múltiples (grupo de señales). 2º. Posición de las señales, en referencia al valor de abscisa con que cada señal aparece en el espectro y que es función del campo magnético necesario para hacer resonar cada tipo de hidrógeno influenciado por alrededores electrónicos moleculares distintos. En el siguiente espectro en el que se indican las asignaciones, se incluye además una tabla que muestra el tipo de hidrógeno (group, numerado en la fórmula) al que se refiere cada fila, el número de hidrógenos equivalentes que pertenecen a ese tipo (nH), su posición en la escala δ (abscisa proporcional a la intensidad de campo magnético, denominada habitualmente desplazamiento químico, shift) y finalmente el error de cálculo al tratarse de un espectro obtenido teóricamente :

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

[3]

[4]

[2]

[1]

Group nH Shift 1 2 4.404 2 2 3.912 3 3 2.175 4 3 3.39

O

1

O

2

CH3 3

O

C H 3 4

Escala δ

3º. Multiplicidad de las señales. Como puede apreciarse, en los espectros estudiados hasta ahora en esta ficha, las señales que representan a los distintos tipos de hidrógeno son señales simples, singletes, es decir señales compuestas de un único pico, sin embargo, es muy frecuente encontrar en los espectros señales múltiples conteniendo varios picos, con una proporción definida, representando el conjunto a un sólo tipo de hidrógeno. La causa de esta multiplicidad es el efecto magnético que ejercen los núcleos de hidrógeno contiguos sobre el hidrógeno en resonancia, lo que se conoce como acoplamiento spin-spin. Esto puede observarse en el sencillo espectro que se muestra a continuación :

4

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5 4 3 2 1

[1][1]

[4]

[4]

[4]

[2][2]

[2][2]

[2][2]

[3]

[3][3]

[3]

CH 3 1

2

CH 3 1

O

O 3

C H 34

En este espectro se ven acoplados los hidrógenos de los carbonos 1 y 2 que son vecinos y también hay acoplamiento entre los hidrógenos de los carbonos 3 y 4. Normalmente el efecto de acoplamiento spin-spin sólo se aprecia entre hidrógenos de carbonos vecinos. La multiplicidad que se observa es la siguiente : los hidrógenos 1 aparecen como doblete porque tienen un único hidrógeno vecino, el del carbono 2, apareciendo este hidrógeno como septuplete (señal compuesta por siete picos) al ser seis los vecinos que tiene su carbono contiguo, el 1. Al otro lado del grupo éster también se muestran acoplados los hidrógenos 3 y 4, siempre con una multiplicidad que responde a un número de picos igual a n+1 donde n es el número de hidrógenos de los carbonos inmediatamente contiguos, así 3 es un cuadruplete (3 H vecinos) y 4 un triplete (2 H vecinos). A veces, como ocurre con las señales 1 y 4, los grupos múltiples están muy próximos o incluso pueden solaparse, pero su diferenciación puede hacerse ya que las alturas de los picos que componen una misma señal responden a valores definidos lo que permite su identificación. La separación entre dos picos cualesquiera de cada una de dos señales múltiples acopladas es siempre un valor constante que se denomina constante de acoplamiento. Se simboliza esta constante por J y se expresa en unidades de frecuencia (hertzios). 4º. Área bajo las señales. La absorción de energía que se produce al entrar en resonancia un tipo de hidrógeno es directamente proporcional al número de hidrógenos que integran ese tipo, porque a más hidrógenos se requiere absorber más energía y se aprecia una mayor intensidad en la señal generada. La mejor forma de medir esta magnitud proporcional a la absorción es medir el área bajo las señales. Este área no se expresa en unidades absolutas de superficie sino con una línea de saltos los cuales son en su altura proporcionales a la superficie contenida bajo las curvas por lo que la medida tiene carácter relativo, no absoluto, a no ser que sea conocido el número total de hidrógenos que posee la molécula en estudio lo que permitirá deducir el salto que corresponde a cada hidrógeno dividiendo el salto total entre el número total de hidrógenos. Los saltos quedan reflejados en la línea de integración que aparece en los espectros por encima de las señales. En las señales múltiples, el salto atribuible a un

5


grupo es la suma de todos los saltos que producen los distintos picos que lo componen. A continuación se muestra un ejemplo que recoge los aspectos indicados :

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

O CH3

O

Finalmente, como resumen de todo lo dicho, estúdiense las informaciones contenidas en el siguiente espectro y hágase su correspondiente asignación :

8 7 6 5 4 3 2 1 0

[1]

[1]

[10]

[10][10][2]

[11]

[4]

[3]

[12][9][9]

[7][8]

[7][6]

[6]

Group nH Shift Error1 6 1.05 0.082 1 2.503 0.153 2 3.795 0.364 3 3.186 0.255 1 7.253 0.236 1 7.253 0.237 1 7.206 0.288 1 7.206 0.289 1 7.191 0.2610 2 2.186 0.5311 2 2.819 0.0612 1 6.064 0.43

CH3 1

2

CH3 1

O

3 O

CH34

5

6 7

8 9

10 11H12

6

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 03

Objetivo : distorsión de alturas en picos de un grupo de señales.

Los picos que componen las señales múltiples guardan determinadas proporciones en cuanto a sus respectivas alturas, así por ejemplo un doblete presenta dos picos de la misma altura, un triplete es un conjunto de tres picos en la proporción 1:2:1, un cuadruplete ha de respetar la proporción 1:3:3:1, un quintuplete debe presentarse en proporción 1:4:6:4:1, un sextuplete muestra alturas proporcionales a 1:5:10:10:5:1 y, en general, un multiplete aparece con sus picos proporcionales a los coeficientes del desarrollo del binomio de Newton (a + b)n que se recogen en el denominado triángulo de Pascal. La razón teórica de este hecho se encuentra en la influencia que ejercen los núcleos de hidrógeno contiguos sobre la resonancia de un hidrógeno concreto (acoplamiento spin-spin) según las distintas combinaciones de orientación de spin que puedan presentar dichos hidrógenos vecinos. Frecuentemente las alturas esperadas que se acaban de enunciar sufren una distorsión en mayor o menor grado por razones teóricas que tiene una utilidad práctica que vamos a comentar. Entre dos grupos de señales correspondientes a hidrógenos acoplados y por tanto múltiples, se observa una distorsión de alturas que se refleja en mayores alturas que las correspondientes teóricas para los picos interiores del conjunto de ambos grupos de señales y alturas inferiores para las señales más alejadas del centro respecto a ambos grupos de señales. En el siguiente caso, espectro del 1,4-dietoxibenceno, se aprecia este fenómeno :

7 6 5 4 3 2 10.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

OO

C H3CH3

Como puede observarse el pico de la izquierda del triplete a 1,40 δ (interior del conjunto de ambos grupos de señales ) es de mayor altura que el de la derecha (exterior del conjunto) cuando en principio deberían ser iguales. Lo mismo ocurre en el

7


cuadruplete, en el que los picos de la derecha de esta señal múltiple (interiores del conjunto) son más altos respectivamente que los de la izquierda (exteriores del conjunto). La distorsión es proporcional a la distancia a la que se encuentran los grupos de señales en el espectro (diferencia de desplazamientos químicos) : cuanto más cercanos, mayor es la distorsión como puede comprobarse en los siguientes espectros :

3 2 1

CH3CH3

CH3N

En el espectro anterior se recogen las señales correspondientes a los metilenos de la molécula de dibencil-3,3-dimetilbutilamina : los tripletes que se atribuyen al metileno unido a tert-butilo y al metileno unido a nitrógeno, están acoplados entre sí, están distorsionados y distan aproximadamente 1 δ en el espectro, mientras que en el espectro siguiente de 4-oxopentanoato de etilo están más próximos y también más distorsionados, se asigna el unido a éster a 2,40 δ y el unido a cetona a 3,05 δ :

5 4 3 2 1 0

CH3

O

O

O

CH3

Obsérvese en el espectro anterior cómo el triplete y cuadruplete del grupo etoxilo respectivamente a 1,25 δ y 4,10 δ aparecen menos distorsionados al estar más alejados entre sí. Aún es más marcado el efecto en la siguiente molécula de metilenos tan

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parecidos que aparecen en el espectro sólo a una distancia de 0,40 δ (el contiguo a fenilo aparece a 3,20 δ y el contiguo a trinitrofenilo a 3,60 δ) :

9 8 7 6 5 4 3 2

N+

O-

O

N+

O-

O

N+

O-

O

En la interpretación de espectros complicados ésta distorsión puede utilizarse para identificar qué señales están acopladas entre sí o, dicho de otra manera, con la observación de la distorsión puede deducirse dónde buscar a su derecha o izquierda en el espectro la señal acoplada con la que está en estudio. Observe el siguiente espectro :

8 7 6 5 4 3 2 1 al estudiar las señales múltiples de la derecha se aprecia por la distorsión que los dos tripletes no pueden estar acoplados entre sí pues tienen sus picos orientados ambos hacia la derecha “mirando” al grupo con el que ambos están acoplados, el quintuplete a 1,80 δ. Vea también cómo el triplete más próximo al quintuplete está más distorsionado. Asigne las señales sabiendo que se trata de 1-bromometoxi-3-fenilpropano. En el siguiente ejemplo se aprecia también la ayuda que puede prestar interpretar correctamente la distorsión de las señales al asignarlas a una estructura :

9


7 6 5 4 3 2 1

CH3

O

O N

CH3

O

puede hacerse la siguiente deducción de partida : el triplete a 5,60 δ tiene necesariamente que estar acoplado con el doblete a 3,65 δ que tiene la orientación inversa de sus picos y no con el triplete a 1,00 δ aunque también tenga orientación inversa porque si así fuera deberían estar acoplados también entre sí el doblete a 3,65 δ y el cuadruplete a 2,25 δ, lo que es imposible ya que tienen los picos interiores de sus señales de menor altura que los exteriores. Por último, analicemos el espectro que se muestra a continuación, en el que cabe la duda de si el triplete a 5,70 δ está acoplado con el triplete a 1,30 δ o con el doblete a 3,20 δ pues ambas tienen la misma orientación en la distorsión de sus picos. Prescindiendo de otros datos podría sospecharse que el acoplamiento del triplete de la izquierda deberá establecerse con el doblete pues, si se realizara con el triplete a 1,10 δ, al estar tan alejados casi no se produciría distorsión en la proporción de sus picos :

O

CH3

Cl

Cl

8 7 6 5 4 3 2 1 0

10

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 04

Objetivo : efecto del grado de sustitución del carbono sobre el desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos.

Un mayor grado de sustitución del carbono al que está unido el hidrógeno en estudio supone desapantallamiento , es decir, un mayor desplazamiento químico (valor de δ) para el mismo, entendiéndose todos sustituyentes de tipo alquílico para poder comparar sin la interferencia de otros efectos. El siguiente espectro muestra de izquierda a derecha cómo aparecen en sus respectivas posiciones normales metino (1,55 δ), metilenos (1,30 δ) y metilos (1,05 δ) del compuesto 3-etilpentano :

3 2 1 0

CH3

CH3

CH3

a continuación, para observar el detalle, se registra el espectro con ampliación de escala :

2.0 1.5 1.0

11



PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 05

Objetivo : efecto de los sustituyentes electronegativos sobre el desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos.

La presencia de grupos electroatrayentes en la molécula provoca una modificación en el desplazamiento químico en el sentido de aumento del valor δ (menor campo). La magnitud del efecto depende de la intensidad de la electroatracción. Obsérvese en los espectros siguientes cómo la presencia de un grupo nitro o cloro afecta al desplazamiento químico al comparar la posición del hidrógeno más afectado con su situación normal que viene representada por el hidrocarburo 2-metilpropano (primer espectro) donde el hidrógeno de metino está centrado en 2,10 δ :

3 2 1 0

CH3

CH3

CH3

la presencia de un grupo nitrilo lleva a este hidrógeno hasta 2,65 δ :

4 3 2 1 0

CH 3

CH 3

N

12

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La sustitución de un cloro da el siguiente espectro con un desplazamiento químico para el hidrógeno en estudio de 4,15 δ :

5 4 3 2 1 0

CH 3

CH 3

C l

Obsérvese cómo, aunque en menor grado, el grupo electroatrayente en los dos últimos espectros también afecta a los grupos metilo próximos de manera que aparecen entre 1,40 -1,50 δ cuando en un hidrocarburo sin grupos electroatrayentes como el del espectro primero debe aparecer hacia 0,90 δ. Estos efectos se acumulan aditivamente como puede compararse en el siguiente caso :

5 4 3 2 1 0

CH 3 O O

O O C H 3

en el que existen metilenos desplazados (3,40 δ el de grupo etoxilo y a 3,60 δ los metilenos centrales de la molécula) por la presencia de un oxígeno contiguo y otros doblemente afectados por dos oxígenos (4,50 δ).

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 06

Objetivo : influencia de la distancia en los efectos electrónicos y su repercusión en el desplazamiento químico de hidrógenos alifáticos.

El valor del efecto inductivo que ejerce un sustituyente sobre otro punto de la molécula se ve muy afectado por la distancia entre ambos. En resonancia magnética nuclear se aprecia este fenómeno en la magnitud del campo magnético necesario para hacer resonar los hidrógenos situados a diferentes distancias de un grupo electroatrayente sustituido. Estudiemos el efecto del cloro sobre los hidrógenos de los carbonos 1, 2 y 3 en la molécula de 1-cloro-1,2,3-trifenil-4,4-dimetilpentano :

8 7 6 5 4 3 2 1

CH3

CH3

CH3

Cl

Véase en la ampliación de escala siguiente cómo el potente efecto electoatrayente del grupo cloro va disminuyendo con la distancia creciente : 4,50 δ (separados cloro e hidrógeno en estudio por dos enlaces), 4,25 δ (tres enlaces) y 3,70 δ (4 enlaces).

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

CH 3

C H 3

C H 3

C l

En el siguiente gráfico se muestra el espectro de otro ejemplo de interés, la molécula de 2,6-dicloroheptano :

14

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4 3 2 1

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

Cl Cl

Los hidrógenos de metino directamente unido a cloro (carbonos 2 y 6) que son los más afectados por su efecto inductivo aparecen a menor campo, 4,10 δ, a continuación (2,50 δ) aparecen los hidrógenos de metinos con los números 3 y 5 de la cadena, donde el efecto es menor y, finalmente, los hidrógenos del metino central (carbono 4) a 1,50 δ. Sin embargo, este efecto electrónico interno de la cadena no es el único que interviene como puede apreciarse al estudiar la posición de los metilos de esta misma molécula. Los hidrógenos de los metilos más cercanos a los cloros (carbonos 1 y 7) aparecen en el espectro como doblete a 1,50 δ, los sustituidos sobre los carbonos 3 y 5 a mayor campo, 0,90 δ, pero los hidrógenos del metilo sustituido en 4 aparece a menor campo que estos últimos aún estando más alejado por enlaces y esto es porque se han de considerar también efectos electrónicos externos debidos a las posiciones espaciales relativas de los grupos entre sí como también se puede apreciar en el espectro siguiente :

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

CH3

CH3CH3

Cl

Cl

Cl

El hidrógeno del carbono 4 aparece a mayor valor delta (3,75 δ) que el del carbono 3 (triplete a 3,00 δ). Esto puede explicarse porque en las conformaciones más estables de la molécula la proximidad del H del carbono 4 al grupo triclorometilo sea mayor que la del H del carbono 3, entendiéndose por el exterior no contando enlaces por la cadena

15


carbonada como puede apreciarse en la imagen siguiente de modelo molecular de la conformación de mínima energía de la molécula en estudio :

El fragmento de espectro que se muestra a continuación contiene los hidrógenos de metino que posee la estructura de 3,4-difenil-2,2,6,6-tetrametil-5-nitroheptano :

5 4 3 2

CH3

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

N+ O-

O

En este compuesto, el metino (carbono 4) vecino al grupo nitro y que aparece como triplete a 4,90 δ por encima, incluso, que el metino directamente unido al grupo nitro (carbono 5) que sale a 4,60 δ, debido a la proximidad al grupo nitro por el exterior de la molécula tan impedida en su movimiento por la presencia de grupos voluminosos. En muchas estructuras se manifiestan simultáneamente varios efectos como ocurre en el siguiente ejemplo donde, además del efecto distancia que estamos comentando, se aprecia el efecto que ejerce el grado de sustitución del carbono unido al hidrógeno en estudio. En este caso, los dos efectos tienen resultados convergentes, un desplazamiento a mayor número delta, pero en otros casos podrían compensarse en mayor o menor grado con resultados impredecibles :

16

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8 7 6 5 4 3 2 1 0

O

C H 3CH 3

El carbono 3 es el más próximo al grupo electroatrayente (fenóxido) y también el más sustituido por lo que aparece a un desplazamiento químico de 4,30 δ, ambos efectos se van amortiguando al alejarnos hacia los extremos de las cadenas : los carbonos 2 y 4 aparecen a 1,50 δ y los carbonos 1 y 5 a 0,90 δ. Finalmente, estudie este efecto realizando la asignación de señales a los grupos de hidrógenos de la molécula de 1,1-diclorobutano cuyo espectro se incluye a continuación:

6 5 4 3 2 1

G ro u p n H S h if t E r ro r1 1 5 .6 7 4 0 .1 53 2 1 .4 5 1 0 .2 52 2 1 .9 2 0 .2 84 3 1 .0 3 6 0 .1 2

C H 3

C l

C l

como puede apreciarse en la tabla de desplazamientos el hidrógeno del metino, muy afectado por el efecto inductivo de dos cloros aparece a 5,60 δ, el metileno siguiente (carbono 2) a 1,90 δ, el siguiente a 1,40 δ y el último, donde ya el efecto es débil, a 1 δ. Como ejercicio final de esta ficha asigne las señales del espectro de resonancia magnética nuclear de la molécula de 2,3,4,4,5,6-hexametil-2,5-ciclohexadienona :

4 3 2 1 0

O

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 07

Objetivo : estudio de hidrógenos vinílicos y alquínicos.

Vinílicos son aquellos hidrógenos que están sustituidos sobre carbonos que mantienen un doble enlace (olefínicos). Su intervalo δ usual de aparición es entre 5,50 y 7,50 δ. Por la parte inferior de este intervalo pueden confundirse con los hidrógenos alifáticos menos apantallados y por la parte superior interfieren con los hidrógenos aromáticos. En el espectro siguiente se muestra un ejemplo típico en el que no se aprecian solapamientos :

9 8 7 6 5 4 3 2

ClCl

NH2

NH2

H

H

alifáticos altos

vinílicos

aromáticos bajos

La estructura siguiente posee dos hidrógenos vinílicos situados respectivamente en ambos extremos del intervalo indicado, posiciones causadas por las influencias de dos grupos, uno fuertemente electrodonante y el otro fuertemente electroatrayente :

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

N2

O

OH1

3

H4

H5

54

1

2+3

18

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En ocasiones, a causa de determinadas geometrías y distribuciones electrónicas peculiares se generan ambientes magnéticos que se traducen en desplazamientos químicos excepcionales para ciertos hidrógenos vinílicos que se alejan del intervalo normal :

8 7 6 5 4 3 2

3.12[2]

3.69[4]3.77[4]

4.83[1]

6.77[3]6.84[3]

CH3 2NH1

N

H3

H4

9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH3

N+

O-

O

O

Br

H( 8.56 )

como en los espectros anteriores las señales de hidrógenos vinílicos que aparecen centradas a 3,73 δ ( espectro izquierda) y a 8,56 δ (espectro derecha). Los alquenos sustituidos con un grupo electrodonante y otro electroatrayente presentan, en su distribución electrónica, un momento dipolar que se traduce experimentalmente en un espectro que presenta a mayor δ el hidrógeno más próximo a la zona positiva del dipolo, o sea, unido al grupo electrodonante y a menor δ el próximo al grupo electroatrayente y, por tanto, polo negativo del dipolo alquénico. Esto se aprecia en los siguientes casos :

8 7 6 5 4 3 2 1

[2]

[2]

[1]

[1][1]

[1]

[4]

[4][3]

[3]

Br O

1 CH32

O

H3

H4

8 7 6 5 4 3 2

[2]

[4][4]

[1]

[3][3]

CH3 2NH1

Cl

ClCl

H3

H4

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0

1

2

3

4

5 O

N

H6

H7

aromáticos

Esto es común a los isómeros cis que se acaban de mostrar como a los trans que se incluyen a continuación. Puede observarse que no hay diferencias muy marcadas entre los desplazamientos químicos de los hidrógenos vinílicos según estén en disposición cis o trans, el factor más importante es el efecto electrónico de los sustituyentes que afecta la densidad electrónica del doble enlace. Los espectros de los isómeros trans son :

19


8 7 6 5 4

O

NH

H

aromáticos

7 6 5 4 3 2

3.07[2]

4.32[4]4.43[4]

6.25[1]

6.49[3]

Cl

ClCl

NH1

CH3 2

H3

H4

8 7 6 5 4 3 2 1

1.16[2]

1.22[2]

1.28[2]

4.02[1]

4.08[1]4.14[1]

4.20[1]

6.42[4]6.54[4]7.41[3]

Br

O

1 CH32

O

H3

H4

Cuando los grupos sustituidos poseen efectos electrónicos similares, los desplazamientos de los hidrógenos vinílicos también son semejantes :

6 5 4 3 2 1

[3]

[3]

[3]

[1]

[2]

[2][2]

[2]

[5][5]

[4][4]

CH3 1N O 2

CH33

H4

H5

CH31

J4,5 = 4.1 Hz

9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0

NO

/O

OOH

H

H

(a)

(b)(a)(b)

J = 12.9 Hz

Dándose la igualdad total, en desplazamiento químico y sin acoplamiento, en aquellas estructuras que son totalmente simétricas :

9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0

H H

N+

O-

ON

+

O- O

7 6 5 4 3 2

CH3

CH3

O

O

H

H

20

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Aunque la localización del desplazamiento químico puede ser problemática en algunos casos, el verdadero problema en los hidrógenos vinílicos es la interpretación de su multiplicidad pues se producen acoplamientos entre ellos, entre sus relativas posiciones cis y trans, entre hidrógenos no equivalentes sobre el mismo carbono y con los alifáticos contiguos, lo que supone normalmente bastante complejidad. Van a analizarse algunos de estos casos de interés a continuación. Como los alifáticos, los hidrógenos vinílicos vecinales se acoplan, si bien, la rigidez del doble enlace hace que los hidrógenos vecinos se relacionen de distinta forma según sus posiciones relativas sean cis o trans :

8 7 6 5 4 3 2

CH3

O

H Ha b

a

b

8 7 6 5 4 3 2

CH3

O

H

Ha

b

b

a

en el Hb las diferencias son menos marcadas pero el Ha pasa de 6,80 δ a 7,55 δ de estar en cis a estar en trans, pues la rigidez del sistema hace que se produzca cierto cambio en la distribución electrónica y, en definitiva, en el entorno magnético. Esta diferencia se aprecia también en los valores de las constantes de acoplamiento : 11,9 Hz en el cis y 16,4 Hz en el trans. Los valores estándar para las constantes de acoplamiento son en valores aproximados : Hidrógenos geminales = 0 a 3 Hz , Hidrógenos cis = 7 a 11 Hz e Hidrógenos trans = 12 a 18 Hz , como se esquematiza a continuación :

H

HH

R

7-11

0-3

12-18

21


Los hidrógenos geminales suelen aparecer a bajos valores δ y, como se ha indicado, con pequeñas constantes de acoplamiento :

9 8 7 6 5

5.28[5]5.32[4]

5.51[3]5.55[3]

7.54[1]

8.51[2]8.55[2]

2

3

NH

1

O

H4

H5J2,3 = 4.8

J4,5 = 1.7

6 5 4 3 2

2.16[1]

3.02[2]4.69[3]5.09[4]

5.11[4]

O

CH3 1

O

CH2

H3

H4

J3,4 = 2.68 Hz

el primero de los espectros muestra para los hidrógenos vinílicos 3 y 4 dos dobletes con sus picos muy próximos como los hidrógenos 4 y 5 del segundo espectro que son también geminales y se diferencian bien de los cis 2 y 3. Ahora se proponen dos espectros, uno en disposición cis y otro en trans que presentan valores típicos para las constantes de acoplamiento J de estos isómeros :

7 6 5 4 3 2 1

[5]

[5]

[1,3]

[1,3]

[2,4][2,4]

12

34

OCH3 5

CH3 5

J1,2 = J3,4 = 10.0 Hz

7 6 5 4 3 2

[1]

[2]

[3]

[3][4][4]

SCH3 1

Cl

Cl

CH32

O

H3

H4

J3,4 = 15. 6 Hz

El doble enlace es un sistema adecuado para que se produzcan acoplamientos entre hidrógenos que están más distantes de las posiciones vecinas entre las que se han estudiado los acoplamientos más usuales, en estos casos se habla de acoplamientos a larga distancia como el que se aprecia en el siguiente caso del que primero se recoge el espectro normal donde las multiplicidades son difíciles de ver por los valores tan pequeños de las constantes de acoplamiento (1,2 Hz) y después se ofrecen las señales ampliadas para poder apreciar en detalle la multiplicidad :

22

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

1.80 1.70

6 5 4 3 2 1

1

O

O

2CH33

CH3 4

1 + 2

3 + 4

5.60 5.50

Otro ejemplo lo constituye el ácido 3-cloro-4-fenil-2Z-butenoico :

11 10 9 8 7 6 5 4 3

OOH

Cl

H

5.80 5.70 5.60 5.50

J = 1 . 5 Hz

el hidrógeno vinílico se acopla con el metileno bencílico a larga distancia. Cuando existen tres o más hidrógenos vinílicos próximos, los acoplamientos son tales que resultan espectros difíciles de interpretar :

7 .5 7 .0 6 .5 6 .0 5 .5

[4 ]

[5 ]

[4 ][4 ]

[4 ]

[5 ]

[5 ]

[4 ]

[5 ]

[5 ]

[4 ][5 ]

[5 ]

[3 ][3 ]

[3 ][3 ]

[3 ]

[3 ]

[3 ]

[3 ]

[3 ]

[3 ]

[2 ]

[2 ]

[2 ]

[2 ]

C H 31

C l

H2

H3

H4

H5

7.0 6.5 6.0 5.5

[2][2]

[2][2]

[4]

[4]

[4]

[3][3]

[3][3]

O

O

C H 31

H2

H3

H4

23


Hidrógenos alquínicos son los unidos a un alquino terminal . Aparecen en el intervalo 2,0 a 3,5 δ :

5.0 4.5 4.0 3.5 3.0

3.41[1]

CH1

Br

Br

Br

3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0

[2]

[1]

CH1

CH32

CH32

CH32

1.97 ppm

Pueden darse acoplamientos a larga distancia cuando existen hidrógenos en un carbono vecino al triple enlace como se ve en el siguiente caso : así mismo se aprecia la multiplicidad en el siguiente ejemplo donde el hidrógeno alquínico se observa como doblete con una constante de acoplamiento de 2,7 Hz :

5 4 3 2

CH2

3

NH1

CH3 4

2

4

3triplete

1

J2,3 = 2.7 Hz

7 6 5 4 3 2

CH 3

C H

C l

24

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 08

Objetivo : estudio de hidrógenos unidos a anillo aromático.

La distinción entre hidrógenos alifáticos y aromáticos resulta normalmente fácil porque sus desplazamientos químicos son muy distintos. Salvo casos excepcionales como el cloroformo (CHCl3 aparece a 7,28 δ), los hidrógenos alifáticos no aparecen por encima de 6 δ mientras que los aromáticos siempre lo hacen por encima de ese valor (intervalo normal de 6 a 8 δ). Con los hidrógenos vinílicos (intervalo normal de 5,5 a 7,5 δ) ya no resulta tan sencilla la distinción pues a veces pueden solaparse ambos en el intervalo entre 6 y 7 δ . Todos los tipos indicados se diferencian bien en el ejemplo que se ofrece a continuación :

8 7 6 5 4 3 2 1 0

O

C H 3

O

C l

CH 3

H

H

los distintos tipos de alifáticos se observan hasta 4,6 δ (desplazamiento del metino unido a cloro), a 6,85 δ los vinílicos y el conjunto de aromáticos a 7,1 δ. Para situar el desplazamiento químico de los hidrógenos aromáticos se toma como referencia la posición de los hidrógenos de benceno (7,24 δ) como estructura aromática pura sin influencias de otros grupos funcionales que puedan perturbar el ambiente electrónico ya que los grupos sustituidos sobre el anillo aromático ejercen una influencia sobre los hidrógenos del mismo porque sus efectos electrónicos modifica la densidad electrónica sobre el anillo lo que afecta al campo magnético que actúa sobre dichos hidrógenos. Véase como ejemplo el efecto que ejerce un grupo electrodonante débil como es un grupo alquilo en el desplazamiento químico de los hidrógenos aromáticos tomando como referencia los del benceno : los hidrógenos del areno aparecen a menor δ, mayor intensidad de campo magnético, que los de benceno.

25


7.24

Los efectos son acumulativos por lo que mayor número de grupos alquilo sustituidos supone un mayor desplazamiento :

8 7 6 5 4 3 2 1

CH3

CH3

CH3

7.09 ppm

Por el contrario, los grupos electroatrayentes producen desplazamientos a mayor número δ como se aprecia con la siguiente estructura :

9 8 7 6 5 4 3

NN

7.92 ppm

Así actúan los grupos : ciano, nitro, aldehído, cetona, ácido carboxílico y derivados. Su acumulación en un mismo anillo provoca una adición de efectos :

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH 3

CH 3

7.15 ppm

26

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

10 9 8 7 6 5

N+

O-

O

N+

O-

O

N+O

-

O

N+

O-

O

8.33 ppm

Hay ciertos sustituyentes que a pesar de poseer átomos electronegativos como N u O, de los que podía esperarse un efecto inductivo electroatrayente, sin embargo se comportan de modo totalmente opuesto, desplazan los hidrógenos vecinos a menor número δ :

8 7 6 5 4 3 2

2.89

3.63

6.15

6.186.26

6.666.68

6.71

O

CH 3

N

CH 3

CH 3

Esto se produce cuando estos átomos están unidos directamente al sistema aromático y sus orbitales conteniendo parejas de electrones libres solapan con los orbitales vacíos del sistema π aromático por lo que pueden ceder temporalmente estos electrones por efecto de resonancia resultando así ser fuertes donadores. Éste es el caso del grupo amina, fenol, éter y similares que provocan fuertes descensos en el desplazamiento químico δ, al resultar más intenso el efecto donador por resonancia que el atractor por efecto inductivo. Cuando estos grupos no están conjugados con sistemas aromáticos muestran exclusivamente su efecto inductivo electroatrayente y desplazan a los hidrógenos vecinos a mayor número δ en función de la distancia como se aprecia comparativamente en los dos ejemplos que se ofrecen a continuación :

27


8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH3

CH3

7.01 ppm

8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH3

CH3 OH

OH

7.15 ppm

El caso de los halógenos es peculiar pues aún presentando los dos efectos contrapuestos, los muestran casi con la misma intensidad, quizá predominando aunque muy débilmente la donación por resonancia :

8 7 6 5 4

Cl

Cl7.20 ppm

obsérvese el pequeño desplazamiento producido en referencia al benceno (7,24 δ). La posición relativa del sustituyente respecto de un determinado hidrógeno afecta mucho a la influencia que sobre él se ejerce. En general, el efecto de un sustituyente del signo que sea es más marcado respectivamente sobre los hidrógenos que tiene en :

ORTO > PARA > META

pues no sólo afecta la distancia externa sino también los efectos intraanulares. En los siguientes ejemplos de moléculas se puede apreciar este fenómeno comparativamente :

28

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

9 8 7 6 5 4 3 2 1

N+

O-

O

H

CH3CH3

CH3

CH3

( 6.52 ppm )

META

9 8 7 6 5 4 3 2 1

N+

O-

O

H

CH3

CH3

CH3

CH3

PARA

( 7.03 ppm )

9 8 7 6 5 4 3 2 1

N+

O-

O

H

CH3

CH3

CH3

CH3 ( 8.06 ppm )

ORTO

En el siguiente ejemplo, con un grupo fuertemente electrodonante, puede comprobarse cómo el efecto es más intenso en los hidrógenos en orto que en el hidrógeno en para :

8 7 6 5 4 3 2

[2,3]

[1]

[4] [5] [6]

Group nH Shift Error1 6 2.86 0.082 3 2.266 0.19 3 3 2.266 0.194 1 6.133 1.55 1 6.133 1.5 6 1 6.264 0.32

N C H31

C H 3 1

CH32C H 3 3

H4

H 5

H 6

Existen tablas donde se recoge la cuantificación de estos efectos de manera que se indica para un sustituyente dado, el desplazamiento positivo o negativo aproximado en unidades δ con relación al benceno (7,24 δ) que puede causar en los hidrógenos situados en las distintas posiciones del anillo, véanse como ejemplo los siguientes datos de sustituyentes frecuentes :

29


sustituyente H en orto H en meta H en para

⎯ NO2 0,97 0,30 0,42 ⎯ COOMe 0,93 0,20 0,27

⎯ CHO 0,73 0,23 0,37 ⎯ COMe 0,63 0,27 0,27 ⎯ CONH2 0,50 0,20 0,20 ⎯ OCOR 0,20 − 0,10 − 0,20

⎯ Cl 0,00 0,00 0,00 ⎯ Me − 0,15 − 0,10 − 0,10

⎯ OMe − 0,23 − 0,23 − 0,23 ⎯ OH − 0,37 − 0,37 − 0,37 ⎯ NH2 − 0,77 − 0,13 − 0,40

⎯ NHMe − 0,80 − 0,30 − 0,57

Puesto que los diferentes grupos sustituidos, según sus efectos electrónicos, ejercen distintas influencias en los hidrógenos del anillo y que, como se ha visto, el efecto también es distinto según la posición relativa, se dan algunas situaciones típicas que para su más fácil identificación van a estudiarse a continuación : A. COMPUESTOS MONOSUSTITUIDOS 1. Con sustituyente alquílico puramente alifático, al menos en las proximidades del anillo aromático, como en el siguiente espectro de un areno :

8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH3

CH3

se observa un singlete que engloba a todos los hidrógenos aromáticos pues no existen diferencias en los ambientes magnéticos apreciados en las posiciones o, m y p. La posición, 7,18 δ, se debe al débil efecto inductivo electrodonante del grupo alquilo. Aunque la cadena carbonada sustituida tenga algún grupo funcional electroatrayente, si éste está situado en una posición alejada del anillo, su efecto no se aprecia :

30

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

CH 3

O

2. Con sustituyente electrodonante fuerte todos los hidrógenos son desplazados a mayor campo (menos δ) pero la influencia es mayor en orto, algo menor en para y menor en meta. Como tienen alrededores distintos no son equivalentes los de las distintas posiciones y se acoplan entre sí mostrando la correspondiente multiplicidad. Estúdiese el espectro del isopropoxibenceno que se da a continuación :

8 7 6 5 4 3 2 1 0

OCH3

CH3

Los aromáticos aparecen bajo dos grupos de señales, los orto y para en un multiplete entre 6,80 y 6,97 δ y los meta en otro entre 7,15 y 7,27 δ. La multiplicidad es muy compleja. 3. Con sustituyente electroatrayente fuerte, benzoato de etilo :

31


9 8 7 6 5 4 3 2 1

O

O C H 3

todos sus hidrógenos aromáticos son desplazados a menor campo, mayor δ, pero la influencia es mayor en orto (8,10 δ), y menor en para (7,50 δ) y meta (7,40 δ), mostrándose todos acoplados. En general y salvo excepciones, los espectros de anillos monosustituidos presentan el siguiente aspecto según sus sustituyentes sean electrodonantes o electroatrayentes respectivamente :

10 9 8 7 6 5

electrodonante

orto

para

meta

10 9 8 7 6 5

electroatrayente

meta

orto

para

32

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

que registrándolos a mayor frecuencia (400 MHz), con lo cual se estrecharían las señales, podrían verse así respectivamente :

10 9 8 7 6 5

meta

para

orto

10 9 8 7 6 5

orto

meta

para

En algunos casos pueden encontrarse monosustituciones menos claras con grupos electroatrayentes o electrodonantes como apreciamos en las siguientes estructuras que podemos calificar de excepciones por ambos extremos :

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0

O

O

O

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

N

B. COMPUESTOS DISUSTITUIDOS 1. ORTO. Cuando los dos sustituyentes son de distinta naturaleza electrónica, los cuatro hidrógenos restantes sustituidos son todos ellos no equivalentes y se acoplan entre sí produciendo un conjunto de multipletes de difícil asignación como por ejemplo en :

33


10 9 8 7 6 5

[4][4]

[4]

[4][3]

[3]

[5][2]

[2][2]

2

3

4

5

N+

O-

O

O H

Solamente cuando se estudian estructuras muy simétricas, con los dos sustituyentes iguales, resultan espectros más simples, por lo general con dos grupos de señales que integran 2H cada uno, como se puede apreciar en los casos siguientes de grupos electroatrayentes :

10 9 8 7 6 5

N

N

orto-meta

para-meta

9 8 7 6 5 4 3 2

O

O

para-meta

orto-meta

8 7 6 5 4 3 2

CH

CH

para-meta

orto-meta

los dos grupos de señales son bastante simétricos, acoplados entre sí y corresponden una a los hidrógenos más próximos a los sustituyentes (orto respecto a uno y meta respecto al otro sustituyente) y la otra a los hidrógenos más alejados (para respecto a uno y meta respecto al otro sustituyente). El desplazamiento químico de estos grupos se corresponde con el mayor efecto que ejercen los grupos electroatrayentes sobre los hidrógenos orto-meta (a mayor δ) que sobre los para-meta. Los sustituyentes electrodonantes desplazan a todos los hidrógenos hacia menor δ pero el efecto es más marcado en los orto-meta que en los para-meta :

34

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

8 7 6 5 4 3 2

NH2

NH2

7 6 5 4 3 2

N NCH3 CH3

Sin embargo, es muy frecuente que dos sustituyentes electrodonantes en orto provoquen entornos muy similares o casi iguales en las demás posiciones del anillo, por lo que no es difícil ver espectros de este tipo de compuestos donde todos los hidrógenos aromáticos aparecen sin acoplamiento y bajo un único singlete :

8 7 6 5 4

OH

OH

8 7 6 5 4 3

O O

8 7 6 5 4 3 2

CH3

CH3

2. META. Las estructuras meta producen también, si los sustituyentes son de efectos muy distintos, espectros muy complejos difíciles de interpretar :

9 8 7 6 5 4 3

NH2

N

35


pues realmente los cuatro hidrógenos resultan muy distintos y están acoplados. Sólo en algunos casos, cuando puede hablarse de cierta concordancia en los efectos electrónicos, se simplifica la interpretación de los espectros al ajustarse más a patrones

teóricos : 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

[5]

[4]

[3][2]

[1]

1

234

O

CH35N+

O-

O

8 7 6 5 4 3 2

NH NHCH3 CH3

orto-orto

orto-parameta-meta

apréciese en estos ejemplos anteriores, por una parte, el sentido de los desplazamientos que ejercen electrodonantes y electroatrayentes y, por otra, la norma general de mayor efecto en el orden orto > para > meta, aunque existen excepciones a estos comportamientos en la variedad de sustituyentes y posiciones relativas posibles para los hidrógenos. 3. PARA. Cuando se aplican a la sustitución para los mismos razonamientos manejados en las sustituciones orto y meta antes estudiadas: carácter electrónico, intensidad del efecto, posición relativa respecto a cada sustituyente y simetría del compuesto, se pueden interpretar estos espectros :

8 7 6 5 4 3 2 1

O

OCH3

NCH3

CH3

orto-electroatrayente

orto-electrodonante

36

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

en los que es muy frecuente encontrar dos dobletes acoplados, más o menos separados entre sí según la semejanza de los efectos de los sustituyentes, como se detalla en el espectro siguientes de un compuesto con dos sustituyentes de efectos muy similares :

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5

Cl Br

H c Hb

H c Hb

H bH c

los hidrógenos en orto con respecto a Cl ( Hc ) son equivalentes, salen a mayor δ porque el cloro es más electronegativo y aparecen como doblete ya que tienen un sólo vecino con quien acoplarse, el Hb. De éstos últimos se puede decir lo complementario: son equivalentes entre sí, salen a menor δ por ser el Br menos electronegativo y también aparecen como doblete al acoplarse con su vecino Hc. Cuanto más parecidos sean los efectos electrónicos de los dos sustituyentes, más próximos estarán los dos dobletes, de modo que los muy semejantes o los iguales aparecen como un singlete al ser los ambientes equivalentes :

8 7 6 5 4 3 2 1

S SCH3

CH3

9 8 7 6 5 4 3 2

O CH3

N

37


C. COMPUESTOS POLISUSTITUIDOS. En los casos de polisustitución las señales son muchas veces complejas y la multiplicidad y acoplamientos difíciles de apreciar pues los alrededores químicos pueden ser muy diferentes y, además, en el anillo se suelen dar acoplamientos a larga distancia (espectro de la izquierda, sólo se presenta la zona aromática), aunque en otros casos se pueden interpretar los espectros con los criterios generales antes vistos

(espectro de la derecha) :

8 7 6 5 4 3 2 1

[6][4]

[5]

[5][3][2]

[1]

1

2 3CH3 4

N+

O-

O

O5 CH36

8.5 8.0 7.5 7.0

O CH3

N

OCH3

Más simples de interpretar resultan aquellas estructuras que presentan simetría en la sustitución o mayor semejanza de los grupos sustituidos, lo que disminuye las posibilidades de alrededores electrónicos diferentes y simplifica los espectros :

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1

O

O

O

CH3

H

H

9 8 7 6 5 4 3 2

Cl

Cl

Cl

ClCl

Cl

CH3

CH3

H

H

la primera de las estructuras anteriores muestra un caso con dos tipos de hidrógenos que están acoplados entre sí por su vecindad en el anillo (a 6,85 δ sale el H para respecto al etoxilo y los otros dos equivalentes, a 8,10 δ). La segunda estructura presenta también dos tipos de hidrógenos, singletes sin acoplar por su posición relativa en para.

38

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

En los anillos aromáticos pueden darse acoplamientos a larga distancia, situación que podríamos considerar intermedia entre las dos últimas que acabamos de considerar, y de la que es un ejemplo el siguiente compuesto :

8.0 7.5 7.0 6.5

[3][3]

[2]

[2]

[2]

2

33

O

CH3

O

CH3

NHCH3

10 9 8 7 6 5 4 3 2

O

CH3

O

CH3

NHCH3

en el espectro de la derecha se ha ampliado la zona aromática para apreciar el débil acoplamiento a larga distancia entre hidrógenos en meta. Finalmente se ofrecen algunos compuestos de gran simetría que presentan un único tipo de hidrógeno que se refleja en el espectro como un singlete :

8 7 6 5 4 3 2 1

Br

Br

O

O

CH3

CH3

10 5 0

[2]

[3]

[1]

11

N NCH32

CH33

los hidrógenos equivalentes están en posición orto en el primer compuesto, en meta en el segundo y en para en el primero que va a continuación :

8 7 6 5 4 3

[3,4]

[1,2]

1

2

O

CH33

O

CH34

O

CH33

O

CH34

7 6 5 4 3 2 1 0

CH3

CH3

CH3CH3

CH3

CH3

el último ejemplo recoge un compuesto con tres hidrógenos aromáticos equivalentes.

39



PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 09

Objetivo : forma característica de las señales de OH y NH.

Los átomos de hidrógeno unidos a oxígeno o a nitrógeno, a diferencia de los unidos a carbono, sufren un intercambio muy rápido intermolecular de manera que una determinada molécula en brevísimo espacio de tiempo está unida a diferentes átomos de hidrógeno con sus distintos espines que se van sustituyendo en esa posición. El resultado visible en el espectro es un ensanchamiento considerable de la señal correspondiente en la que en muchas ocasiones no se puede apreciar la multiplicidad pero precisamente por esa forma característica se pueden identificar estos hidrógenos unidos a heteroátomos. La presencia de impurezas de tipo ácido o básico puede potenciar este efecto a base de catalizar la reacción de intercambio y aumentar la velocidad del mismo. El desplazamiento químico es muy variable en alcoholes, normalmente dentro del intervalo de 0,5 a 6 δ :

6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

CH 3

O

O H

H H

en este alcohol la señal de OH aparece a 3,95 δ, es ancha y como debe integrar sólo para 1H, consecuentemente es de poca altura. La anchura de las señales es muy variable según pureza, contenido en agua de la muestra, disolvente, temperatura, etc. En el caso más acentuado puede convertirse la señal en un leve abultamiento de la línea de base. Apréciese la anchura en el siguiente espectro :

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

O HOH

40

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

Las aminas también generan una señal ancha de desplazamiento químico variable (1 a 4 δ en alifáticas y 3,5 a 6 en aromáticas, aproximadamente)

4 3 2 1 0

ONH 2 N H 2

Los fenoles constituyen otro grupo funcional con grupos OH que dan señales anchas, si bien, es frecuente encontrarlas en este caso a valores más altos de δ que los alcoholes :

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

O H

O H

CH 3

CH 3

El grupo NH2 de amida (5,0 a 8,5 δ) suele aparecer a campo más bajo que en las aminas por el desapantallamiento del carbonilo y son señales más estrechas (similares a C-H) por la menor capacidad de intercambio que muestra este tipo de hidrógeno :

8 7 6 5 4 3 2 1

O

NH2

41


Esta diferencia indicada se aprecia bien en las hidrazidas que tienen ambos tipos de H :

8 7 6 5 4 3 2 1

CH 3

O

N H N H 2

O

NH2 aparece a 5,65 δ y NH unido a carbonilo a 7,40 δ. Las amidas sustituidas tienen parecido desplazamiento, en la siguiente puede apreciarse el acoplamiento (en el espectro se superponen dos señales, metino y metileno, a 3,15 δ) :

7 6 5 4 3 2 1 0

CH 3

CH 3

O

N H

C H 3

Cuando está presente el grupo amida acompañado de otros grupos que contienen hidrógenos unidos a heteroátomo, las señales se separan como en espectro siguiente :

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

OH

OH

C H 3

C H 3

O

N H 2

42

1H-RMN _________________________________________________________________ Juan A. Palop

donde los hidrógenos de alcohol salen a 3,40 δ y el grupo NH2 de amida a 8,40 δ. Lo mismo ocurre en el siguiente espectro de amida-amina :

7 6 5 4 3 2 1 0

O

N H 2

NH 2

con NH2 de amida a 5,05 δ y NH2 de amina a 1,30 δ. Sin embargo, en la mayoría de los casos de estas moléculas que contienen varios hidrógenos no amídicos unidos a heteroátomo es frecuente que salgan todos reunidos bajo la misma señal aunque los grupos estén en posiciones muy distintas y aunque correspondan a uniones con heteroátomos distintos. Cuando las muestras contienen restos de humedad es habitual que la ancha señal de agua (por ejemplo, en dimetilsulfóxido en torno a 3,30 δ) englobe las señales de los hidrógenos unidos a heteroátomo que pueda contener la molécula, lo que a veces desorienta en la asignación. Así por ejemplo, el siguiente glicol-amina engloba todos los hidrógenos unidos a heteroátomo en la señal ancha a 2,10 δ :

5 4 3 2 1 0

N H 2

C H 3 C H 3

OH O H

incluso el caso alcohol-fenol-amina :

43


7 6 5 4 3 2 1

O H

N H

C H 3

OH

El hidrógeno activo de los ácidos carboxílicos aparece a un desplazamiento químico tan peculiar que es difícil confundirlo con otros grupos funcionales, aproximadamente entre 9,5 y 13 δ, en el extremo superior de la escala delta y con la forma ancha característica :

10 5

OH

O

OH

O

Cuando el grupo ácido carboxílico está presente con algún otro hidrógeno unido a heteroátomo, el conjunto aparece bajo una única señal y a campo mucho más alto :

4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0

O

OH ONH2

44

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Igual efecto puede apreciarse en el siguiente hidroxiácido :

8 7 6 5 4 3 2 1

O

O H

OH

Aunque en principio pudiera parecer que los grupos sulfhidrilo tuvieran el mismo comportamiento no es así pues el azufre no es lo suficientemente electronegativo para permitir el intercambio y se observan señales estrechas y acopladas como en el ejemplo :

6 5 4 3 2 1 0

SH

SH

CH3

CH3

H

H

SULFHIDRILO

puede diferenciarse su carácter alifático (1 a 2 δ) o aromático (hasta 4 δ) :

8 7 6 5 4 3 2 1

SH

C H 3

S H

aromático a 3,18 δ y alifático a 1,90 δ (doblete como corresponde en este ejemplo).

45



PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 10

Objetivo : distinción del solapamiento de señales múltiples.

Como es sabido, la posición de una señal en la escala δ depende de los alrededores electrónicos del tipo de hidrógeno en estudio y su multiplicidad depende de los hidrógenos contiguos que tenga, de manera que en el espectro siguiente de la molécula de 4-metoxi-2-butanona, se puede interpretar fácilmente :

5 4 3 2 1 0

CH 3

O

C H 3

O

que consta de dos singletes y dos tripletes bien diferenciados y distanciados entre sí del orden de 0,50 δ, porque los alrededores electrónicos de los tipos de hidrógeno presentes son lo suficientemente diferentes para que las señales correspondientes no se mezclen pero en otros casos en que los alrededores químicos sean más parecidos puede producirse solapamiento de señales lo que puede inducir a error de interpretación. Por ejemplo en el espectro que se incluye a continuación las señales entre 7,00 y 7,60 δ no se pueden confundir con un cuadruplete porque no se respetan ni las constantes de acoplamiento entre picos consecutivos ni la proporción de los distintos picos que constituyen una señal:

8 7 6 5 4

46

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La señal centrada en 4,50 δ no puede confundirse con un doblete ya que se deduce que son dos singletes próximos al no existir ninguna otra señal múltiple en el espectro con esa misma constante de acoplamiento lo que justificaría su multiplicidad. A continuación se estudiará un caso de solapamiento de dos señales múltiples correspondientes a hidrógenos que presentan alrededores electrónicos muy similares y, por tanto, desplazamientos químicos similares :

5 4 3 2 1

Cl Br

De los dos bloques de señales que se aprecian en el espectro, en el centrado a 2,20 δ se distingue bien una señal múltiple, quintuplete, con los picos internos siempre mayores que los externos, forma de tejado, y respetándose las constantes de acoplamiento, es decir que todos los picos están a la misma distancia de sus contiguos, sin embargo, el bloque centrado hacia 3,50 δ no cabe pensar que sea un multiplete (sextuplete al contar con seis señales) pues no se cumplen ninguna de las dos condiciones señaladas. Se trata de dos tripletes solapados como se aprecia mejor en la siguiente representación con ampliación de escala :

3.70 3.60 3.50 3.40 3.30

[3]

[3]

[3][3]

[3]

[3]

[3]

[3][3]

[3][3]

[1]

[1][1][1]

[3]

[1]

[1][1][1][1]

[1]

[1]

[1]

[1][1]

[1]

1

2

3

C l B r

47


En algunas ocasiones la proporción entre los picos (alturas) de un grupo es definitiva para diferenciar la señal :

4 3 2 1

La señal a 1,05 δ no puede confundirse con un triplete pues no guardan sus picos la proporción 1:2:1, como se puede apreciar mejor en la siguiente expansión de escala donde además se ve que no se cumplen las constantes de acoplamiento:

1.5 1.0

CH3 1 2

CH31

O

3

O

CH34CH3 4

CH34

En el caso que se propone a continuación se presenta una confusa señal entre 3,50 y 3,80 δ que es difícil asignar a priori, sin embargo, puede deducirse estudiando la señal que : No es un cuadruplete (no respeta la proporción 1:3:3:1) No es un triplete (izquierda) + singlete (derecha) porque en el presunto triplete no se cumplen las constantes de acoplamiento y además ¿con quién estaría acoplado el triplete, si no hay ninguna otra señal múltiple alifática y con las aromáticas es imposible acoplarse?

48

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No son dos dobletes (1-2 y 3-4) porque al ser las únicas señales múltiples alifáticas deberían estar acopladas entre sí y las distorsiones de sus alturas, además de ser excesivas (proporción teórica 1:1), miran ambas hacia la derecha. Si consideramos los dobletes 1-3 y 2-4, entonces ambos miran hacia la izquierda.

8 7 6 5 4 3 Se concluye que deben ser cuatro singletes muy próximos. Este registro pertenece a la siguiente molécula :

O O

N+

O-

O

OCH3

y la asignación de los cuatro singletes es : 3,53 δ, metileno entre carbonilos; 3,63 δ, metileno junto a o-metoxifenilo; 3,70 δ, metilo y 3,79 δ, metileno junto a m-nitrofenilo. Finalmente se estudiará un espectro complejo con solapamiento de varias señales perteneciente a la molécula siguiente :

CH3

O

O

CH3

H H

49


Intente asignar las distintas señales a los tipos de hidrógeno que muestra la estructura y cuide especialmente la zona entre 1,40 y 2,40 δ que muestra los solapamientos :

7 6 5 4 3 2 1

Si no ha conseguido interpretar el conjunto de señales problemático, vea la solución :

CH3(b)

O 1

2

O

3 C 3(a)

CH2

H

a 1,45 δ aparece un singlete correspondiente al metilo (a), centrado en 1,60 δ se aprecia un doblete correspondiente al metilo (b) que solapa con un quintuplete centrado casi en la misma posición y que debe asignarse al metileno 2. Las señales entre 2,10 y 2,40 δ no pueden confundirse con un quintuplete aunque sean cinco, sería deforme y sin las proporciones debidas, se trata de dos tripletes coincidentes en sus últimos picos, derecho e izquierdo respectivamente, que se corresponden con el metileno 3 (2,18 δ) y el metileno 1 (2,34 δ). En una ampliación de escala de la zona se puede apreciar mejor :

2.5 2.0 1.5 1.0 La multiplicidad del teórico singlete a 1,45 δ se debe a acoplamientos a larga distancia con los hidrógenos vinílicos próximos.

50

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PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 11

Objetivo : efecto del valor de frecuencia al que trabaja el equipo.

Los equipos de resonancia magnética nuclear normalmente trabajan haciendo un barrido de campo variable a una frecuencia constante. El valor constante de frecuencia varía de unos aparatos a otros y, aunque este parámetro no afecta en absoluto al desplazamiento químico al que aparecen las señales, sí modifica el aspecto de las mismas y las constantes de acoplamiento. En términos generales, para mayores valores de frecuencia, las señales múltiples se estrechan aproximando todos sus picos aunque el centro de la señal permanece en el mismo valor δ y esto contribuye a simplificar en muchos casos las situaciones dudosas de solapamiento de señales. Para la molécula que se indica a continuación, cuyas asignaciones de desplazamiento químico están en la tabla adjunta,

GroupnH Shift Error1 1 3.439 0.342 2 2.984 0.393 3 1.096 0.214 3 1.888 0.15 3 1.197 0.226 2 2.984 0.397 3 1.096 0.218 3 3.622 0.459 1 7.265 0.2710 1 7.265 0.2711 1 7.287 0.1612 1 7.287 0.1613 1 7.242 0.1714 1 5.033 0.2215 1 6.912 0.58

1

N

2

CH3 3

CH34

O

CH35

6 CH37

OCH3 8

9

10

11

12

13

H14

H15

compruébese la diferencia existente en la siguiente secuencia de espectros registrados a distintas frecuencias que se indican respectivamente sobre los mismos :

7 6 5 4 3 2 1

60 MHz

51


El registro anterior se ha realizado a 60 megahertzios (MHz) y el siguiente a 90 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

90 MHz

Registro obtenido en un equipo de 150 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

150 MHz

Registro obtenido en un equipo de 200 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

200 MHz

52

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El siguiente registro se ha obtenido en un equipo que trabaja a 400 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

400 MHz

A continuación se muestra el registro obtenido a 600 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

600 MHz

El siguiente y último espectro de la serie se ha obtenido a 1000 MHz :

7 6 5 4 3 2 1

1000 MHz

53



PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 12

Objetivo : expresión abreviada de datos de rmn.

Toda la información que se encuentra implícitamente contenida en un espectro de resonancia magnética nuclear se puede expresar sin excesivas pérdidas en una forma abreviada que economiza espacio y facilita la interpretación. Sea, por ejemplo, el espectro de la siguiente estructura :

el espectro de rmn de protón de este compuesto puede describirse con la siguiente clave que expresa los desplazamientos químicos en unidades δ : 1H-rmn (δ) = 2,49 (t, CH2−CO, 2H); 2,89 (s, CH3−N, 3H); 3,99 (s, CH3−N, 3H); 3,92 (t, CH2−O, 3H, J6,7 = 6,9 Hz); 5,54 (s, CH2−NO2, 2H); 6,98 (d, Haro−orto−O, 2H); 7,20 (d, Haro−meta−O, 2H, J1,2 = J3,4 = 8,5 Hz). En el extracto anterior, a continuación del desplazamiento químico de cada señal se detalla entre paréntesis abreviadamente :

8 7 6 5 4 3 2

2 .4 9 [7 ]

2 .8 9 [8 ]2 .9 9 [9 ]

3 .9 2 [6 ]5 .5 4 [5 ]

6 .9 5 [1 + 3 ]

7 .0 1 [1 + 3 ]

7 .2 4 [2 + 4 ]

7 .1 6 [2 + 4 ]

12

34

5

N+ O

-O

O6

7 NC H 38

C H 39

O

54

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a) la multiplicidad como s (singlete), d (doblete), t (triplete), c (cuadruplete), q (quintuplete), sex (sextuplete), sep (septuplete) y m (multiplete) cuando no se puede apreciar con exactitud el número de picos. Se emplea s.a. (señal ancha) para NH y OH. b) la situación dentro de la molécula del tipo de hidrógeno en estudio mediante algún dato de su entorno molecular que permita identificarlo. c) la integración expresada ya en el número de hidrógenos (nH) que pertenecen a ese grupo. d) el valor de la constante de acoplamiento en aquellas señales que presentan multiplicidad. Este formato es de uso muy frecuente cuando hay que transferir datos de muchos compuestos y es conveniente economizar espacio como en las publicaciones científicas. Como ejercicio a este respecto dibuje el espectro de rmn de protón de un compuesto que puede describirse así : 1H-rmn (δ) = 1,20 (t, CH3, 3H, J9,10 = 7,1 Hz); 3,62 (s, CH2−CO, 2H); 3,74 (d, CH2Cl, 2H, J7,8 = 7,1 Hz); 4,19 (c, CH2−O, 2H); 4,77 (t, CO−CH−CO, 1H); 7,16 (s, Haro, 5H). Solución :

8 7 6 5 4 3 2 1

1

2

3

4

5

6

O

7

8

O

O9

C H 31 0

C l

55



PROTÓN (1H-rmn)

Ficha número 13

Objetivo : ejemplo de elucidación de estructuras.

La principal aplicación de la técnica de resonancia magnética nuclear en química es la elucidación de estructuras. Leves cambios en una estructura suponen frecuentemente variaciones muy considerables en su espectro de resonancia por lo que la técnica resulta muy potente en la identificación de estructuras. En la presente ficha se pretende poner esto de manifiesto utilizando un caso práctico : la molécula C4H8O, la cual presenta numerosos isómeros de todo tipo entre los cuales se puede distinguir empleando sus espectros de resonancia. A continuación se van a incluir los espectros registrados de algunos de estos isómeros que se identifican por la correspondiente numeración y posteriormente se ofrecen las fórmulas desarrolladas de los compuestos referidos que se pueden identificar por las correspondientes letras. Se trata pues de relacionar cada espectro con la molécula que lo ha generado estableciendo las apropiadas parejas registro-fórmula (número-letra). Al final se dan las soluciones correctas de estas relaciones que se recomiendan no consultar salvo caso extremo.

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 1

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 2

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 4

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 3

56

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10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 5

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 6

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 7

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 8

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 9

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 10

57


10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 11

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 12

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 13

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 14

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 15

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Nº 16

58

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10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

N º 1 7

A continuación se ofrecen las fórmulas desarrolladas de aquellos isómeros de C4H8O cuyos espectros se han dado anteriormente :

CH3

OCH3 CH2

OCH3 CH2 OH CH3 OH

A B C D

CH2 O CH3 CH3 OH

CH3

CH3

O

H

O

CH3O

CH3

O

H

OHCH3 CH3

O

CH3

O

CH3

CH3O

CH3

OH

CH3

CH3

O

CH2

CH3

OH

EF G H

I

J K L MN

O P Q

Finalmente se indican las soluciones que sólo deben utilizarse como comprobación de los ejercicios resueltos o cuando resulte imposible llegar a la identificación tras numerosos intentos : 1-H; 2-G; 3-P; 4-I; 5-Q; 6-E; 7-M; 8-C; 9-L; 10-A; 11-K; 12-N; 13-B; 14-J; 15-F; 16-D; 17-O.

59

tutorial de resonancia magntica nuclear de protn ( 1h-rmn ) · (1h-rmn) ficha número 01 objetivo :...

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