Monografia-espectroscopia de RMN

Departamento de Química

ANÁLISE ESTRUTURAL

ESPECTROSCOPIA ESPECTROSCOPIA DE RMNDE RMN

Duarte Paulo Correia

Funchal, Abril de 2002

ghfghfghfgfg 2

Ressonância Magnética Nuclear 1

Índice Geral

1. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) 3

1.1 Introdução 3

1.2 Origem do sinal 5

2. Espectrofotómetros 7

2.1 Espectrofotómetro de RMN (onda contínua) 9

2.2 Espectrofotómetro de RMN (Transformadas de Fourrier) 10

2.3 Resumo 13

3. Espectros RMN e Estrutura Molecular 13

3.1 Deslocamento Químico 14

3.2 Número de sinais e identificação dos tipos de protões 19

3.3 Resumo 22

3.4 Acoplamento Spin – Spin 23

3.5 Integração em RMN 30

3.6 Interpretação dos espectros 1H-RMN 32

3.7 Resumo 34

4. Espectroscopia de RMN de carbono 13 35

4.1 Sinais no espectro de 13C-RMN 36

4.2 Deslocamento químico do 13C 36

4.3 Interpretação dos espectros 13C-RMN 39

4.4 Resumo 40

5. Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional – 2D 41

6. Ressonância Magnética Nuclear – Aplicações 42

7. Exame médico 43

8. Conclusão 45

9. Bibliografia 47

Apêndice 1 48

Apêndice 2 50


1. Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

1.1 Introdução

A espectroscopia é o estudo da radiação electromagnética com a matéria. A

espectroscopia de ressonância magnética nuclear baseia-se no fenómeno de RMN para o

estudo das propriedades físicas e químicas da matéria, interpretando-se como um ramo da

espectroscopia que explora as propriedades magnéticas de núcleos atómicos.

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear encontra várias aplicações em

diversas áreas científicas. Em química a espectroscopia de RMN é frequentemente usada

no estudo da estrutura dos compostos usando técnicas uni ou bidimensionais simples

substituindo deste modo, as técnicas de cristalografia por raios X . Trata-se de uma técnica

não destrutiva que permite a análise de compostos orgânicos e alguns inorgânicos.

Desde a sua descoberta, em 1946 (Felix Bloch e Edward Purcell) a espectroscopia de

RMN tem tido um rápido crescimento, fruto dos contínuos avanços da tecnologia e da

utilidade deste método em química.[1]

Como outras técnicas espectroscópicas, NMR depende das variações de energia

quantificáveis que podem ser induzidas em pequenas moléculas quando estas são

irradiadas por radiação electromagnética. Os requisitos energéticos da NMR (10 -6 kJ/mol)

são relativamente pequenos quando comparados com outras técnicas espectrofotométricas

( a radiação de infravermelho situa-se nos 10-4 kJ/mol ; ultravioleta no intervalo 160-1300

kJ/mol).

Este tipo de espectroscopia está relacionada com as transições induzidas pelas

radiofrequências (rf) entre estados quantificados de energia dos núcleos orientados num

campo magnético.


10-1010-8 10-6 10-4 10-2 100 102

wavelength (cm)

-rays x-rays UV VIS IR -wave radio

O método funciona, de uma forma geral, da seguinte maneira. O núcleo de certos

elementos e isótopos comportam-se como se

fossem ímans girando em torno de um eixo.

Quando se coloca um composto contendo

átomos de 1H ou de 13C num campo magnético

muito forte e simultaneamente se irradia o

composto com energia electromagnética, os

núcleos podem absorver energia num processo denominado ressonância magnética.

A absorção desta radiação pelos núcleos desses elementos é quantificada e da origem a

um espectro característico.[3]

Sabemos que além da carga e da massa,

cerca de metade dos núcleos conhecidos

possuem um spin ou momento angular.

A rotação destas partículas carregadas – rotação de carga – gera um movimento magnético

orientado segundo o eixo de spin, o que significa que estes núcleos funcionam como

minúsculas barras magnéticas.[4]

Quando os núcleos são colocados num potente campo magnético uniforme, Ho, estes

sofrem uma torção e tendem a tomar uma orientação «permitida», em relação ao campo

externo. Este último alinha os núcleos que giram opondo-se à tendência desordenada dos

processos térmicos. Porém, os núcleos não se

alinham em posição perfeitamente paralela (ou

antiparalela), em relação ao campo. Na realidade,

os eixos dos respectivos spins ficam oblíquos em

relação ao campo, e tal como a parte superior de

um giroscópio, sofre um movimento de precessão,

em que cada polo do eixo nuclear descreve uma trajectória circular no plano do campo. [1]


Figura 1 – Orientação dos spins nucleares num campo magnético.[2]

Figura 2 – Espectro de NMR de protão do etil benzeno [2]

Ho

o

Figura 3 – Rotação do núcleo num campo magnético.[1]

Por exemplo para núcleos com spin igual a

½., quando a frequência do campo

magnético uniforme atinge a de precessão,

estes absorvem energia e passam a um

nível energético superior, antiparalelo ao

campo H0. Um desses núcleos, é o do

átomo de hidrogénio, ou seja, o protão 1H.

[4]

Por volta de 1950, descobriu-se que as

frequências de ressonância nuclear não

dependem apenas da natureza dos núcleos

atómicos, mas também do ambiente

químico. A utilidade desta técnica tornou-se então muito óbvia, na medida que poderia ser

utilizada para determinar o número e o tipo de grupos químicos num composto.[2] Porém,

quando associada a outros métodos espectroscópicos, a técnica de espectroscopia de

ressonância magnética nuclear, RMN, revolucionou a metodologia de identificação e

caracterização das moléculas fornecendo um grande volume de informações, fruto dos

efeitos das acções inter- e intramoléculares sobre os valores da força do campo magnético

ao nível dos núcleos das moléculas.

1.2 Origem do sinal

Tal como os electrões possuem o número quântico spin (S), os núcleos de 1H e de

alguns isótopos também possuem spin. O núcleo do hidrogénio comporta-se como um

electrão em que o seu spin é 1/2 e pode assumir dois estados: +1/2 e -1/2, o que pressupõe

a existência de dois momentos magnéticos. Existem ainda outros núcleos que apresentam

igual número quântico como o 13C, 19F e 31P, porém, elementos como 12C, 16O e 32S não têm

spin (DS = 0) e por isso não dão espectros de RMN. Há ainda núcleos com spin maior que

½, contudo o estudo destes núcleos não será aqui efectuado.

Como o protão tem carga eléctrica, a rotação deste gera um pequeno momento

magnético, cuja direcção coincide com a do eixo do spin. Este pequeno momento

magnético confere ao protão em rotação as propriedades de uma pequena barra


magnetizada. Na ausência de campo magnético externo, os momentos magnéticos dos

protões de uma amostra estão orientados ao acaso. Quando um composto contendo

hidrogénio (portanto, protões) é colocado num campo magnético externo, os protões só

podem assumir uma de duas orientações possíveis em relação ao campo magnético

externo. O momento magnético do protão pode, estar quer alinhado "paralelamente" ao

campo externo, quer "antiparalelamente".[5]

Figura 4 – Alinhamento do spin nuclear na ausência e presença de um campo magnético externo.[6]

Como vemos, os dois alinhamentos do protão num campo magnético não têm a mesma

energia. Quando o protão está alinhado a favor do campo (paralelamente -) sua energia é

mais baixa que a energia quando está alinhado contra o campo magnético

(antiparalelamente -). Sem campo magnético não há diferença de energia entre os protões,

e a diferença de energia gerada pelo campo externo aplicado depende da intensidade desse

campo. É então necessária certa quantidade de energia para fazer o protão passar do estado

de energia mais baixa para o estado de maior energia, que no espectrofotómetro de RMN 1H é proporcionada à radiação electromagnética utilizada (radiofrequência).

O sinal da espectroscopia de RMN resulta, assim, da diferença entre a energia

absorvida pelos spins que efectuam uma transição do estado de menor energia para o

estado de maior energia e a energia emitida pelos mesmos que simultaneamente efectuam

uma transição do nível de energia superior para o de energia inferior.[7] O sinal é então

proporcional à diferença populacional entre os estados considerados. Uma vez que a

capacidade de detectar estas pequenas diferenças populacionais é acentuada, a

espectroscopia de RMN torna-se num método sensível, sendo porém não tão sensível

quanto o desejado.[5]


O sinal RMN é um sinal com duas

componentes desfasadas de 90º. Estes quando

são detectáveis, são constituídos por uma

componente de absorção e uma componente de

dispersão, representadas na seguinte figura.

Figura 5 – Formato das curvas dos dois sinais

RMN observáveis.[1]

Com a utilização de um detector fase-sensível, pode observar-se quer o modo de

absorção quer o modo de dispersão. Porém os espectros de RMN são habitualmente

observados no modo de absorção, enquanto o de dispersão é utilizado para controle da

frequência de campo[1].

2. Espectrofotómetros

Um espectro de ressonância magnética de alta resolução é um aparelho disponível em

muitos laboratórios e fabricado comercialmente. Os instrumentos comerciais são

fornecidos com imãs permanentes com campo de aproximadamente 14000 Gauss e

produzem espectro de protão a 60 MHz, bem como espectros de 19F, 11B, 13C, 2H, 15N e

31P nas combinações apropriadas de frequência e força do campo magnético.

O espectrofotómetro de RMN é costituido por um grande “refrigerador” que contém

dois líquidos extremamente frios: o hélio

líquido a – 269 ºC e o azoto líquido a –

195 ºC. O hélio encontra-se na parte mais

interna do “refrigerador ” de forma a

arrefecer uma bobina supercondutora que

cria o campo magnético e o azoto na parte

externa para evitar a evaporação

demasiado rápida do hélio. A amostra a

ser analisada pelo espectrofotómetro, é então colocada num orifício situado na parte

superior do “refrigerador”(onde a técnica aponta).

Quando introduzida no aparelho, é sugeita a um fluxo de ar que faz girar o tubo porta-

amostra deforma a se obter a homogeniedade da amostra. Uma vez dissolvida a amostra, o


solvente que a compõe é deuterado e sob a frequência desejada , é formado um campo

magnético resultando então num espectro de RMN após tratamneto específico dos sinais.

[8]

Mencionamos que a frequência desejada e a força do campo são seleccionadas e o

campo magnético é varrido dentro de uma faixa de força de campo seleccionada. O

espectro de protão é usualmente obtido a 60 ou a 100 MHz, sendo que a região usual de

varrimento alcança 1000 Hz a 60 MHz ou 1700 Hz a 100 MHz. Medindo-se os

deslocamentos de frequência a partir de uma marcador de referência obtém-se geralmente

uma precisão de mais ou menos 1 Hz. O registro é apresentado como uma série de picos

cujas áreas são proporcionais ao número de protões que representam. As áreas dos picos

são medidas por um integrador electrónico que traça uma linha em diversos níveis. A

diferença entre os níveis é proporcional à área dos picos. A contagem dos protões com

auxílio do gerador é extremamente útil. Os picos ocultos sob outros picos podem ser, por

exemplo, detectados, ou a pureza da amostra, quando o trabalho é quantitativo, pode ser

determinada. [3]

Os espectrofotómetros permitem aos químicos medir a absorção de energia pelos

núcleos mais comumente analisados como o de 1H e de 13C.

Um dos exemplos mais sonantes refere-se à espectroscopia de ressonância magnética

de protões (1H-RMN). Os aparelhos de 1H-RMNem geral utilizam imãs supercondutores

com campos magnéticos muito intensos e pulsos curtos de radiação de radiofrequência,

que provocam a absorção de energia pelos núcleos de 1H. A excitação dos núcleos provoca

um fluxo de pequena corrente eléctrica numa bobina receptora que envolve a amostra. O

instrumento então amplifica a corrente exibindo o sinal (um pico ou uma série de picos) no

computador, que por sua vez efectua a premeditação dos sinais e depois de um cálculo

matemático (transformada de Fourier), exibe um espectro legível.

Existem vários tipos de espectrofotómetros de RMN, entre os quais o de onda contínua

e o de transformada de Fourrier. A ressonância magnética nuclear surgiu com aparelhos de

ondas contínuas (C.W.), até que em 1970 os primeiros aparelhos baseados nas

transformadas de Fourrier (F.T.) apareceram e dominaram o mercado.[9]


2.1 Espectrofotómetro de RMN (onda contínua)

O espectrofotómetro de ressonância magnética nuclear é constituído por seis

componentes fundamentais: um magnete, que separa os estados energéticos do spin

nuclear; um transmissor, que fornece a energia RF; o suporte da amostra, provido de

bobinas eléctricas para a ligação desta ao gerador RF; um detector que processa os sinais

RMN; um registador que fornece o espectro ; finalmente, um gerador para o “varrimento”

do campo magnético da região de ressonância, para produzir o espectro.

Figura 6 - Aspecto esquemático dos componentes de um espectrofotómetro de RMN.[6]

O espectrofotómetro RMN difere dos instrumentos ópticos em dois aspectos. Por um

lado, os níveis magnéticos nucleares são muito próximos, pelo que é necessária energia das

radiofrequências para induzir as transições; além disso, a radiação RF é monocromática, o

que elimina a necessidade de prismas ou redes. Como a diferença entre os níveis de

energéticos é determinada pelo campo magnético externo aplicado, pode obter-se o

espectro por “varrimento” do campo magnético (Método do varrimento do campo),

enquanto se mantém constante a frequência da radiação RF, ou por variação desta última

(Método de varrimento da frequência ), enquanto se ,mantém constante o campo externo,

como na espectroscopia convencional.

A maioria dos espectrofotómetros RMN actuais trabalham com uma força de campo de

14,09KG e um campo RF de 60 MHz. Trata-se de aparelhos relativamente baratos e de

fácil manejo, para medidas de rotina dos protões. Porém, como os deslocamentos químicos


N S

Transmissor

Detector

Registador

Magnete

Ho

B1

time

o or Bo0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Series1

o or Bo

time

o or Bo0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Series1

o or Bo

e a sensibilidade do aparelho dependem do campo, é, por vezes, vantajoso trabalhar a uma

força de campo superior, em proporção com a homogeneidade e estabilidade.[1]

Mediante condições apropriadas, o espectrofotómetro de RMN permite efectuar o

espectro de outros núcleos como é o caso do 19F, 13C entre muitos outros, sendo para tal,

necessário, apenas uma sonda e fonte RF diferente para cada tipo de núcleo em análise.

No caso da espectroscopia em que a excitação é conseguida recorrendo a ondas

contínuas, a ideia é a mesma que para o Ultravioleta, isto é, é efectuado um scaner das

frequências de uma forma contínua (ou um “varrimento” do campo magnético, que tem o

mesmo efeito ), e registado sucessivamente como os diferentes componentes

do M0 dão origem a Mxy a

diferentes frequências (ou campos

magnéticos)

Obtém-se um domínio do tempo

no espectro de frequência uma vez

que o “varrimento” não é

suficientemente lento.[4]

Com espectrofotómetros bem

estabilizados, a reprodutibilidade

dos sucessivos registos espectrais

permite a melhoria da sensibilidade dos mesmos. Actualmente , é habitual um aumento da

sensibilidade de 10 a 50 vezes, o que requer algumas horas de funcionamento estável.

Porém, o espectrofotómetro com base na transformada de Fourrier permite o mesmo

aumento de sensibilidade em muito menos tempo.

2.2 Espectrofotómetro de RMN (Transformadas de Fourrier)

O maior impulso para a evolução da técnica de espectroscopia de ressonância

magnética nuclear surgiu nos finais da década de 60. Richard R. Hernst descobriu,

( juntamente com Weston A.Anderson) que a sensibilidade do espectro de RMN poderia

ser aumentada dramaticamente se o “varrimento” a baixa frequência fosse substituído por

pequenos e intensos impulsos de radiofrequência. Os impulsos provocavam um sinal que

seria emitido pelo núcleo, sinal este que é medido como uma função do tempo após cada

impulso. Ernst verificou, contudo que era possível extrair as frequências de ressonância de

tal tipo de sinal e converter o sinal num espectro de RMN recorrendo a uma operação


matemática(Transformadas de Fourrier, FT). A descoberta de Ernest é a base da

espectroscopia moderna de RMN, designada por FT-NMR. Esta nova técnica contribui

para um aumento da sensibilidade de cerca de 10 vezes e nalguns casos 100 vezes, uma

vez que a resposta do impulso contém informações em todas as frequências de ressonância

de uma forma simultânea.[2]

Os espectrofotómetros de FT-RMN usam um sistema de radiação de radiofrequência

(R.F.) de forma a provocar no núcleo exposto a num campo magnético, a rotação para um

alinhamento de energia superior. Neste método a amostra é irradiada não com uma série

sucessiva de frequências isoladas, como no caso da RMN de onda contínua, mas sim com

uma banda de frequências centrada na frequência de ressonância do núcleo em estudo. O

intenso impulso R.F. excita simultaneamente toda a banda de frequências de precessão da

espécie nuclear escolhida.

Todos os núcleos iram tornar a emitir radiação R.F. à respectiva frequência de

ressonância, criando, assim, um modelo de interferência na emissão de R.F. resultante

versus tempo, conhecida como queda de indução livre (FID). O sinal de queda da indução

livre que se segue a cada impulso repetitivo é tratado num conversor de códigos analógico

para dígito. Os sinais transitórios sucessivos são, deste modo, acumulados num

computador laboratorial, até se obter a razão sinal/ruído apropriada. Usando os algoritmos

de Fourrier o computador realiza, então, uma rápida transformação de Fourrier para o

domínio da frequência, permitindo a apresentação normal do espectro de absorção versus

frequência.[1]

Para explicar os resultados obtidos por esta técnica, é usada uma “ferramenta”

matemática, a Transformada de Fourrier. Esta permite a transformação de informação

no domínio do tempo para o domínio da frequência e traduz a linguagem dos núcleos em

algo compreensível para o analisador sendo dada pelas seguintes equações.[8,10]

S() = s(t) e-it dt

Estas duas equações transformam o sinal de RMN de uma forma para outra mais

compreensível.


S() = ∫

s(t) e-it dt

s(t) = 1/2 ∫

S() eit dt

-

-

Figura 7 – Transformada de Fourrier aplicada ao sinal obtido[2]

O diagrama a) da figura mostra o sinal do 13C , que ocorre na natureza em cerca de 1%

do carbono total numa solução de etilbenzeno obtido pela técnica do pulso. Após a

transformada de Fourrier, obtém-se o espectro de 13C – diagrama b). Se a experiência fosse

realizada com a técnica antiga, durante o mesmo período, apenas seria possível efectuar

um “varrimento” e o espectro obtido aparentar-se-ia com o do diagrama c).[2]

A magnitude das variações de energia envolvendo a espectroscopia de RMN são

pequenas, o que significa que a sensibilidade é uma das maiores limitações. Uma das

maneiras de ultrapassar este problema é permitir a gravação simultânea e ao longo do

processo dos espectros obtidos, e em seguida adicionar cada um destes num somatório que

resulta no espectro final. Uma vez que o ruído de fundo é casual, a adição dos espectros é

efectuada como a raiz quadrada do número de espectros obtidos. Por exemplo, se são

efectuados gravados e somados 1000 espectros de um composto, o ruído de fundo aumenta

numa proporção de 10, porém o sinal aumenta em magnitude cerca de 1000, aumentando

assim a sensibilidade.[1]

FT-NMR torna possível o estudo de pequenas quantidades de material bem como de

isótopos interessantes de baixa abundância natural. [2]

Além dos espectrómetros descritos existem outros tipos como é o caso do RMN de

onda pulsada, e o de risca larga. Neste ultimo, a sua utilização direcciona-se

essencialmente para estudos sobre sólidos, fornecendo uma valiosa informação relativa a

estruturas cristalinas ou não-cristalinas, assim como movimentos internos nos polímeros.


2.3 Resumo

Os espectrofotómetros de ressonância magnética nuclear são constituídos por:[3]

- Um forte íman cujo campo homogéneo possa ser variado de forma contínua e

precisa sobre uma faixa relativamente estreita. Isto é obtido por meio de um

gerador de varrimento;

- Um oscilador de radiofrequência;

- Um receptor de radiofrequência;

- Um registrador;

- Calibrador e integrador;

- Um compartimento de amostra que permite o posicionamento desta em relação ao

campo magnético principal, à espiral do transmissor e à espiral do receptor.

Existem vários tipos de espectrofotómetros, entre os quais:

- Espectrofotómetro de onda contínua – a frequência é variada de forma contínua e

linear, por modulação da frequência básica.

- Espectrofotómetro de impulsos ou de onda pulsada (transformada de Fourrier) – a

radiação de radiofrequência é muito mais intensa, mas é aplicada durante curtos

intervalos de tempo.

3. Espectros RMN e Estrutura Molecular

Para a maior parte dos fins, os espectros RMN de alta resolução podem descrever-se

em termos de deslocamentos químicos e constantes de acoplamento. Dois outros

parâmetros por vezes referidos são os tempos de relaxação spin-rede e spin-spin dos

núcleos. A rotação interna, as trocas químicas e outros processos podem afectar os tempos

de relaxação, de modo a originar efeitos termo-dependentes sobre os espectros. Nos sólidos

predominam as interacções directas dipolo-dipolo magnéticos, os tempos de relaxação são

prolongados e o espectro de RMN é constituído por riscas muito largas. Nos líquidos e

gases, as interacções directas dipolo-dipolo anulam-se, em geral, pelos rápidos

movimentos intra- e intermoleculares, os tempos de relaxação são muito menores e

observam-se espectros de RMN de riscas finas.[1]


3.1 Deslocamento Químico

Se os protões de uma molécula qualquer perdessem todos os seus electrões e fossem

isolados dos outros núcleos, todos estes absorveriam energia num campo magnético de

intensidade bem determinada e para uma dada frequência de radiação electromagnética. No

entanto, esta situação não corresponde à realidade.

Numa molécula, alguns núcleos de hidrogénio estão em regiões de densidade

electrónica maior do que em outros, pelo que teremos então protões que absorvem energia

em campos magnéticos de intensidades ligeiramente diferentes. Como resultado teremos

sinais no espectro de RMN que aparecem em diferentes posições. Desta forma, estamos

perante protões que apresentam um deslocamento químico diferente.

Porém, a intensidade do campo em que a absorção ocorre depende sensivelmente das

vizinhanças magnéticas de cada protão. O mecanismo pelo qual as vizinhanças químicas

modificam o campo magnético, Bo num dado núcleo depende do tipo de ligações e de

átomos que rodeiam o núcleo em questão. Estas vizinhanças magnéticas, por sua vez,

dependem de dois factores: dos campos magnéticos gerados pelos electrões em movimento

e dos campos magnéticos que provêm de outros protões vizinhos (acoplamentos de spins

entre os núcleos de 1H). [5]

Assim como o número de sinais num espectro de RMN diz-nos quantas espécies de

protões existem numa molécula, a posição dos sinais ajuda-nos a determinar que espécie de

protões se trata: aromáticos ou alifáticos; primários, secundários, ou treciários; benzílicos,

vinílicos ou acetilénicos; adjacentes a átomos de halogéneo ou a qualquer outro grupo de

átomos.

Todas estas diferentes espécies de protões têm diferentes ambientes electrónicos que

determinam assim, o local exacto do espectro em que o protão absorve. [4]

A circulação dos electrões de uma ligação sob a influência de um campo magnético

externo gera campo magnético de baixa intensidade (campo induzido) que protege o protão

em relação ao campo externo. Isto quer dizer que o campo magnético real que actua sobre

o protão é menor do que o campo externo.

Desta forma, se o campo induzido opõe-se ao campo aplicado, o protão encontra-se

protegido. Porém se o campo induzido reforça o campo aplicado, então o campo sentido

pelo protão sofre um aumento e o protão diz-se desprotegido.


A circulação de electrões–

especificamente electrões - à volta de

núcleos vizinhos gera um campo que

dependendo da situação do protão, tanto

pode contrariar, como reforçar o campo

aplicado sofrido pelo mesmo.

Para um determinado campo magnético

externo, um protão que está fortemente

protegido pelos electrões não pode absorver

a mesma energia que um protão de baixa

protecção. Um protão protegido ou

blindado, absorverá energia num campo

externo de maior intensidade (frequências mais elevadas). Desta forma será então

necessário um campo externo mais intenso para compensar o efeito do pequeno campo

induzido.

O grau de protecção do protão pelos electrões vizinhos depende da densidade

electrónica relativa em torno desse protão. A densidade electrónica em torno do protão, por

sua vez, depende, em grande parte, da

presença de grupos eletronegativos.

Quanto mais próximo destes grupos

"aceitadores de electrões", menos

blindado estará o protão.

Por outro lado, a deslocalização de

electrões, isto é, a ressonância também contribui para a desprotecção do protão. Assim,

protões aromáticos de anéis benzénicos não são protegidos (como podemos ver na figura

8 ), e absorvem energia num campo magnético de baixa intensidade. Em contrapartida,

protões ligados a carbonos de duplas e triplas ligações possuem blindagem relativamente

alta, devido à elevada densidade electrónica das ligações , e absorvem energia num

campo magnético mais alto.

Os deslocamentos químicos são medidos na escala horizontal do espectro, em Hertz

(Hz), e normalmente exprimidos em partes por milhão (ppm), pois os deslocamentos

associados são muito pequenos quando comparados com a intensidade do campo

magnético externo. Quanto mais para esquerda se localiza o sinal, menor é o campo

magnético sobre o núcleo.[5]


Figura 8 – Campo induzido que reforça o campo aplicado nos protões aromáticos – Protões desprotegidos

Figura 9- Escala de desvio químico para a espectroscopia de 1H-RMN.[11]

O ponto de referência a partir do qual se medem os deslocamentos químicos não é, por

questões de ordem prática, o sinal do protão nuclear, mas o sinal de um certo composto,

em regra, o TMS, tetrametilsilano (CH3)4Si.

O TMS contém 12 protões, mas estes são todos

quimicamente equivalentes, pelo que originam um único

sinal muito nítido. Como o silício é menos eletronegativo

que o carbono, os protões do TMS estão em regiões de

grande densidade electrónica. Por isso estão muito

blindados e o sinal ocorre numa região do espectro onde

poucos átomos de hidrogénio absorvem energia, pelo que muito raramente este composto

referência interfere com os sinais dos outros protões. Depois de o espectro ter sido

levantado, pode-se eliminar o TMS facilmente por evaporação. O valor do deslocamento

químico é desta forma expresso pela seguinte formula.

em que Hamostra e HTMS são as posições das riscas de absorção para a amostra e referência,

respectivamente, expressas em unidades de frequência (hertz), e 1 é a frequência

operacional do espectrofotómetro.

Particularmente este tipo de desvios químicos podem não só ser significativamente

sensíveis à natureza do solvente como à presença de espécies paramagnéticas.

Além do TMS, são usados outros padrões de referência (secundários) que são usados

em soluções aquosas. A tabela seguinte mostra exactamente alguns desses padrões em

soluções aquosas.[12]


Tabela 1- Referências secundárias para 1H-RMN de soluções aquosas.[12]

Referência H

DSS 0,0(a)

TSS 0,0(a)

t-BuOH 1,231CH3CN 2,059(b)

Acetona 2,216(b)

DMSO 2,710(c)

N(Me)4+Br- 3,178

p-Dioxano 3,743

(a) Derivado do TMS em solução aquosa

(b) Sujeito a troca em meio básico

(c) Impróprio em meio ácido

Como já se acentuou, é o fenómeno de desvio químico que torna a espectroscopia de

RMN uma técnica poderosíssima na identificação e determinação da estrutura de

substâncias. Tal como a espectroscopia de I.V. onde há frequências características de

grupos de átomos, também se verificam zonas características de absorção RMN para a

maior parte das situações moleculares em que se encontram núcleos 1H ou 13C.

Em seguida apresenta-se uma lista de desvios químicos de alguns das classes se

compostos mais comuns.

Figura 10- Desvios químicos característicos da 13C-RMN para amostras em CDCl. A

escala é relativa ao TMS a =0.[13]


Tendo em conta a figura e a tabela resumo, apresentada no apêndice 1, podem ser

efectuadas algumas verificações:[14]

Os protões primários absorvem em campos magnéticos mais elevados que os protões

secundários e estes em campos superiores aos dos protões terciário.

R-CH3 R-CH2-R R3C-H

0,8 – 1,0 1,2 – 1,5 1,4 – 1,7

e ainda

Ar-CH3 Ar-CH2-R Ar-CHR3

2,2 – 2,5 2,5 – 2,9 2,8 – 3,2

A elevada electronegatividade de um elemento ligado a um carbono favorece o

aumento do deslocamento químico dos protões do carbono.

R-CH2-I R-CH2-Br R-CH2-Cl R-CH2-F 3,0 – 3,3 3,2 – 3,4 3,5 – 3,7 4,2 – 4,5

Substituintes múltiplos "sacadores" de electrões aumentam o desvio químico

relativamente aos substituintes simples.

CHCl3 CH2Cl2 CH3Cl 7,27 5,30 3,05

O efeito desprotector dos grupos "sacadores" de electrões diminui com o aumento das

distâncias.

R’O-CH3 R’O-CH2CH3 R’O-CH2CH2CH3

3,2 – 3,5 1,2 – 1,4 0,9 – 1,1

Como substituinte, os anéis aromáticos induzem um desvio químico superior ao

provocado pelos grupos alifáticos.

Ar-NH2 R-NH2

3 – 3,5 0,6 – 2,5


ElectronegatividadeElectronegatividade

Ar-OH R-OH 4 – 12 1 – 5,5

Ar-CC-H R-CC-H 2,8 – 3,1 2,3 – 2,5Ar-O-CH3 R-O-CH3

3,7 – 4,0 3,2 – 3,5Ar-(C=O)-H R-(C=O)-H 9,7 – 10,3 9,4 – 9,9

Ar-(C=O)-CH3 R-(C=O)-CH3

2,4 – 2,6 2,1 – 2,4

3.2 Número de sinais e identificação dos tipos de protões

Numa dada molécula protões com o mesmo ambiente absorvem à mesma indução

magnética aplicada e são designados por protões equivalentes. O número de sinais no

espectro de RMN diz-nos, então, quantos conjuntos de protões equivalentes, ou quantas

“espécies” de protões, existem na molécula.

De forma a compreender o estabelecimento da equivalência entre os protões de uma

molécula, serão abordados alguns exemplos dados pelas seguintes fórmulas de estrutura.

Cloreto de etilo Cloreto de isopropilo cloreto de n-propiloCH3-CH2-Cl CH3-CHCl-CH3 CH3-CH2-CH2-Cl

2 sinais no RMN 2 sinais no RMN 3 sinais no RMN

Tendo em conta que, para serem quimicamente equivalentes, os protões têm de ser

também estereoquimicamente equivalentes, dai que para as seguintes estruturas temos a

seguinte análise.

2-Metilpropeno 3-Bromopropeno Metilciclopropamo

No caso particular do 1,2-dicloropropano o espectro é constituído por 4 sinais.


H H

HH

H

CH3

b

a

cc

dd4 sinais no RMN

c

a bCH3

H

HC=C

Br

3 sinais no RMN

C=CH

HCH3

CH3

a

ba

b

2 sinais no RMN

Os ambientes dos dois protões ligados ao C-1 não são os mesmos, o que traduz-se

numa absorção a diferentes intensidades de campo. Porém pode suceder a situação em que

os protões não sejam suficientemente diferentes para os sinais estarem apreciavelmente

separados e então resultar em menos sinais dos que haviam sido previstos. Desta forma

impõe-se uma questão: como é que é possível predizer o número de sinais no espectro de

ressonância magnética nuclear?

Ora bem, para avaliar a equivalência de protões recorre-se ao mesmo método que

permite-nos identificar o número de isómeros.[4]

Assim temos que para uma mesma molécula podem existir vários átomos de hidrogénio

equivalentes, isto é, com o mesmo deslocamento químico. Portanto, o sinal destes protões

cai na mesma posição do espectro de RMN. Dizemos então que estamos perante protões

homotópicos.

Por exemplo, o espectro de 1H-RMN da molécula de etano (C2H6) dá um único pico -

um singleto. Mas como é que 6 átomos de hidrogénios podem dar apenas um sinal?

Tal situação é possível porque todos estes protões do etano têm as mesmas propriedades

químicas. Por exemplo, se substituirmos qualquer um dos hidrogénios por um grupo Z

qualquer, teremos a mesma molécula C2H5Z, idêntica tanto na estrutura geométrica e

espacial quanto nas propriedades físico-químicas. Sabe-se que no grupo metil (-CH3) todos

os três protões são equivalentes, pois existe a possibilidade de rotação da ligação sigma.

Assim a substituição de um protão qualquer de cada um dos carbonos do etano por um

grupo Z, dá origem à mesma molécula. Já na molécula de eteno (H2C=CH2) a ligação dupla

não permite a rotação, e forma-se dois compostos isoméricos diferentes (Cs e trans) ao

substituirmos um protão de cada um dos carbonos.

Porém a simetria da molécula derivada da existência de um plano de simetria, faz com

que existam protões homotópicos que são interpretados como um único sinal.


Um exemplo é a molécula do 2-metilpropeno, em baixo representada, com dois grupos

de protões homotópicos (em azul e em vermelho)

Substituindo qualquer um dos dois átomos de hidrogénio azuis por um bromo, temos a

mesma molécula: 1-bromo-2-metilpropeno. Por outro lado, ao substituir qualquer um dos

seis átomos de hidrogénio vermelhos teremos também, a mesma molécula: 3-bromo 2-

metilpropeno. Deste modo, o 2-metilpropeno dá dois sinais no espectro de RMN 1H: um

correspondente aos protões homotópicos azuis e outro correspondente aos vermelhos.

Em suma, podemos dizer que os protões são considerados homotópicos porque

possuem a mesma vizinhança, e o espectro de RMN 1H não detecta diferenças químicas

entre estes hidrogénios, uma vez que eles têm o mesmo grau de blindagem. A diferença

entre os dois sinais do 2-metilpropeno deriva somente do deslocamento químico dos dois

grupos de hidrogénio.

Se a substituição de cada um dos átomos de hidrogénio pelo mesmo grupo leva à

formação de compostos que são enantiómericos, então, os dois protões considerados são

enantiotópicos. Neste caso, os ambientes destes dois protões são imagens um do outro

num espelho plano e num meio aquiral comportam-se como se fossem equivalentes dando

apenas um sinal no espectro. [4, 5]

Consideremos, por exemplo, o brometo de etilo. A substituição de qualquer um dos

dois protões metilénicos daria um de dois enantitómeros.


Os dois átomos de hidrogénio do brometo de etilo são enantiotópicos. O composto dá

então, dois sinais no espectro de 1H-RMN: um correspondente aos três protões

homotópicos do grupo metil e outro correspondente aos dois protões enantiotópicos, que

também são equivalentes.

Por outro lado, se a substituição de cada um dos átomos de hidrogénio pelo mesmo

grupo leva à formação de compostos que são diasteroisómericos, os dois protões

considerados são diasterotópicos.

A identificação deste tipo de protões num composto é muito importante porque eles

não têm o mesmo deslocamento químico e dão sinais diferentes no espectro, contudo, na

maioria das vezes, estes sinais são tão próximos que torna-se difícil distinguir cada um

deles. A única forma de poder assegurar uma boa reprodutibilidade do espectro é recorrer a

espectrófotometros de alta frequência.

São então este tipo de protões que podem ser responsáveis pelo aparecimento de sinais

extra no espectro de RMN.

As moléculas de cloroeteno e 1-bromopropanol, abaixo representadas, são um

exemplo típico de compostos com este tipo de protões.[5]

3.3 Resumo

Felizmente, todos os protões não podem absorver energia na mesma frequência ou no

mesmo campo magnético externo aplicado o que possibilita a identificação de cada um no

espectro de RMN. Para tal há alguns conceitos a ter em conta.[15]


O número de sinais no espectro de 1H-RMN de uma molécula é igual ao número de

protões estereoequivalentes.

Os protões são estereoequivalentes, se estes formam ligações semelhantes, isto é, se a

geometria no resto da molécula é idêntica, e se o caracter das ligações vizinhas também

é idêntico.

A identificação de protões equivalentes numa molécula pode ser conseguida por dois

métodos distintos: Ou podemos usar cada protão como ponto de referência e

caracterizar o resto da molécula de forma a localizar protões com ambientes idênticos.

Ou podemos observar as operações de simetria que relacionam cada um dos protões.

Se os protões possuem ambientes químicos semelhantes então os sinais de RMN têm

tipicamente desvios químicos semelhantes. É então possível discriminar certos

deslocamentos químicos característicos dos protões de vários grupos funcionais de

compostos.

O deslocamento químico pode ser expresso

- Como a diferença de frequência entre o sinal dum padrão (ex. TMS) e o respectivo

sinal da amostra.

- Ou como um valor independente da frequência numa escala de de acordo com a

seguinte formula

ppm (onde é a frequência do espectrofotómetro)

3.4 Acoplamento Spin - Spin

Desdobramento do sinal é o fenómeno que ocorre devido às influências magnéticas dos

átomos de hidrogénio adjacentes aos átomos responsáveis pelo sinal. Este efeito é

conhecido como acoplamento spin-spin.[5] Este acoplamento spin-spin de protões em

carbonos adjacentes, também responsável por cada um dos picos observados, é também

muito importante para a determinação da estrutura de compostos. Porém para o entender,

há que ter em conta que os protões não são somente afectados pelo campo magnético

externo, mas também pelos campos magnéticos de todos os protões dos carbonos

adjacentes.[14]

O desdobramento traduz o ambiente dos protões responsáveis pela absorção, mas em

relação aos electrões, mas em relação a outros protões, adjacentes. Podem compreender o

que sucede se nos imaginarmos sentados num protão e olharmos em todas as direcções:


podemos ver e contar os protões ligados aos átomos de carbono que se encontram

adjacentes ao átomo de carbono a que se fixa o nosso protão, podendo até ver protões

ainda mais afastados.[4]

Quando estamos perante o acoplamento de um protão com outro forma-se um pico

duplo (dupleto), entre três protões forma-se um pico triplo (tripleto) e assim por diante. Os

sinais com múltiplos picos (mais de 7 ou 8) podem ser chamados multipletos.

Figura 11- desdobramento do sinal de protão na espectroscopia de RMN.[5]

Os efeitos do acoplamento spin-spin são transferidos principalmente pelos electrões de

ligação e não são usualmente observados se os protões acoplados estiverem separados por

mais de três ligações sigma.[5]

Porém, se os protões que permitem o acoplamento, têm desvios químicos

suficientemente distintos, o número de picos em 1H-NMR é N+1, onde N é o número total

de protões quimicamente equivalentes em átomos de carbono adjacentes. Esta dedução é

uma regra designada por regra do N+1.

A tabela seguinte ilustra o número de picos num multipleto, resultantes da regra N+1, e

as intensidades ideais esperadas para cada pico.

Tabela 2- Desdobramentos resultantes N protões equivalentes em átomos de carbono adjacentes.[14]

N Aparência dos picos

Intensidade relativa dos picos

0 Singleto 11 Doubleto 1 : 12 Tripleto 1 : 2 : 13 Quarteto 1 : 3 : 3 : 14 Quinteto 1 : 4 : 6 : 4 : 15 Sexteto 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 16 Septeto 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1

Podemos ver como a regra do N+1 aplica-se a alguns dos mais comuns padrões de

desdobramento nos seguintes exemplos:


Assim temos que N Protões irão desdobrar os

protões adjacentes em (N+1) picos. As intensidades

destes picos são simplesmente o resultado das

possíveis orientações de spin, portanto, os protões de

um grupo CH2 podem ter os seguintes spins:

O par intermédio é degenerado, portanto um protão

adjacente ao grupo CH2 será dividido em três picos distintos na razão 1:2:1.


1-

2-

3- CH3

Y

CH

CH3

4-

5-

C

CX

Y

H

H

6-

X CH

Y

CH3

7-

CH2

CH2

Y

X

8- X

Y

CH

CH2

X

- Tripleto de área relativa 3. Três protões são desdobrados por 2

- Quarteto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 3

- Doubleto de área relativa 6. Seis protões são desdobrados por 1

- Septeto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 6

- Singleto de área relativa 9. Nove protões não são desdobrados

- Doubleto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 1

- Doubleto de área relativa . Um protão é desdobrado por 1

- Doubleto de área relativa 3. Três protões são desdobrados por 1

- Quarteto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 3

- Tripleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2

- Tripleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2

- Doubleto de área relativa 2. Dois protões são desdobrados por 2

- Tripleto de área relativa 1. Um protão é desdobrado por 2

- Singleto de área relativa 3. Três protões não são desdobrados

A separação entre estes picos é referida como sendo a constante de acoplamento, J, que

é medida em Hz

Os efeitos do desdobramento são vulgarmente descritos recorrendo a um esquema

designado por “árvore de desdobramento – splitting tree” que mostra a absorvância

inicial a ser dividida, por uma constante de acoplamento J, em (N+1) picos.

Um esquema deste tipo é muito útil para a compreensão de modelos de desdobramento

mais complexos, como os que ocorrem no Br-CH2-CH2-CH2-OD, como se pode ver na

seguinte figura. [16]

Figura 12- Espectro de 1H-NMR do C3H6ODBr [16]

Como era esperado, o deutério (2H) com spin=1, não mostra qualquer pico em RMN de

protão. Porém o grupo metileno adjacente ao bromo é deslocado para =3,4 e o metileno

adjacente ao oxigénio tem =3,75 aparecendo como simples tripletos, cada um dividido

por um grupo CH2 central.

Relativamente às constantes de acoplamento

para estes modelos de desdobramento, estas

apresentam-se ligeiramente diferentes. A

constante a-b é J =15 Hz enquanto que a

constante b-c é J = 12 Hz. O modelo de

desdobramento para o metileno central é mais

complexo, pois inicialmente é desdobrado pelos

protões do carbono a num tripleto, J= 15 Hz, e

em seguida, cada um destes picos resultantes é novamente desdobrado pelos protões do

carbono c num tripleto com J = 12 Hz.


Ao analisar à “árvore de desdobramento”, podemos fazer uma estimativa do número de

picos do espectro, que neste caso será 9 picos centrados a cerca de =1,53. Porém, o

espectro de NMR obtido, ilustrado na figura 12, mostra apenas 5 picos nesta região. Tal

situação fica a dever-se ao facto dos 7 picos centrais estarem apenas separados por 2 Hz,

e o espectrofotómetro de 60 MHz não ter capacidade de resolução suficiente.[16]

Porém nem sempre se observa desdobramento do sinal, uma vez que poderemos estar

perante protões equivalentes homotópicos ou enantiotópicos, ou seja, não ocorre

desdobramento de sinal entre protões com mesmo deslocamento químico. Assim, por

exemplo, no espectro do etano (CH3CH3) apenas verifica-se a existência de um pico

(singleto), correspondente aos seis átomos de hidrogénio homotópicos.

Para melhor compreensão da capacidade de desdobramento do sinal, provocado pelo

acoplamento spin-spin em diferentes situações, serão abordados alguns exemplos de

análise de espectros de 1H-RMN.[5]

i. PROPANOL

O grupo OH actua como um grupo "retirador de electrões", isto devido à sua alta

eletronegatividade, o que provoca não só uma deslocalização da densidade electrónica da

molécula na direcção do grupo em causa, como também um efeito indutivo na cadeia

nesse mesmo sentido.

Assim, da esquerda para a direita, teremos uma diminuição da densidade electrónica dos

hidrogénios em causa, o que explica o deslocamento químico desses protões no espectro

(recordemos que quanto maior a blindagem dos protões, mais para a direita do espectro

será o seu deslocamento químico).

Os protões vermelhos são homotópicos e consequentemente têm o mesmo

deslocamento químico. Eles acoplam-se entre si e com os H azuis, que estão separados

destes por menos de quatro ligações. O sinal resultante é desdobrado num tripleto, porém,

esse desdobramento ocorre somente devido ao acoplamento com os H azuis.


O desdobramento do sinal é então independente dos hidrogénios homotópicos, contudo

a influência destes faz-se sentir como um aumento da intensidade do pico (a curva integral

tem, deste modo, valor 3).

Pode-se assim generalizar, que o número de picos no sinal de um protão é igual ao

número de protões adjacentes + 1.

Seguindo o mesmo raciocínio, temos que:

Os protões azuis também homotópicos, acoplam com os H vermelhos e com os H

verdes formando um sexteto de curva integral 2. No caso dos protões verdes homotópicos,

estes acoplam com os H azuis formando por sua vez um tripleto de curva integral 2.

Sob o ponto de vista teórico, era de esperar que os H verdes acoplassem com o H do

grupo hidróxido, pois a distância é de três ligações. Contudo, muitas vezes este tipo de

protões mesmo estando separado de outro hidrogénio por menos de quatro ligações sigma,

não sofrem acoplamentos com outros protões, a não ser em presença de solventes

específicos, que diminuem a polaridade do meio.

Este comportamento pode ser explicado uma vez que o grupo hidróxido efectua

ligações de hidrogénio intermoleculares, que dificultam, deste modo, a interacção com

outros protões.

ii. BROMO-METANOATO DE ISOPROPILA

Os protões vermelhos são homotópicos pois possuem a mesma vizinhança química,

dando, deste modo, apenas um sinal - um dupleto (de curva integral 6), em virtude do

acoplamento com o H verde.

O protão verde acopla com os seis H vermelhos e gera um septeto, de curva integral 1.

Os protões azuis, que também são homotópicos, geram um único sinal. Porém, como não

há protões adjacentes, o pico é único - um singleto, de curva integral 2.


A análise dos deslocamentos químicos observados, pressupõe uma explicação que se

baseia no efeito da electronegatividade dos grupos Br, oxigénio e carbonilo. O H verde é o

menos blindado, pois está separado do oxigénio por apenas duas ligações. No caso dos H

vermelhos, estes estão separados do oxigénio por três ligações, o que provoca um efeito

electronegativo por parte do oxigénio sobre estes protões menos pronunciado, ficando,

deste modo mais protegidos. Finalmente, os H azuis estão ligados a um carbono que por

sua vez se liga a um bromo, de pequena electronegatividade, e a um carbonilo. Estas

vizinhanças provocam então, um efeito electromnegativo menor que o oxigénio e por

conseguinte, uma maior blindagem resultando num sinal que cai numa posição de campo

alto.

iii. ÁCIDO p-TOLUIL-ACÉTICO

Neste ultimo exemplo temos que uma situação em que o protão do hidróxido não acopla

com outros protões dando deste modo um sinal - singleto, de curva integral 1.

Os protões vermelhos são homotópicos, e por isso dão apenas um sinal - um singleto

(de curva integral 2), uma vez que não é possível o acoplamento com os átomos de

hidrogénio adjacentes. Cada protão azul acopla com um H violeta adjacente e dá um

dupleto. Porém, como os protões azuis são homotópicos e o sinal tem curva integral 2.

Os protões violetas, por outro lado, também são homotópicos e cada um deles acopla

com um H azul adjacente, gerando também um dupleto de curva integral 2. Os protões

verdes são homotópicos e não possuem átomos de hidrogénio adjacentes, e por isso dão

um singleto, de curva integral 3.

Os deslocamentos químicos observados são explicados devido ao efeito da

electronegatividade do grupo carboxilo e ao efeito da deslocalização de electrões gerado

pela ressonância do anel benzenico, que desprotege os hidrogénio aromáticos. Desta forma,

temos que o H do carboxilo é fortemente desprotegido pela acção da electronegatividade

dos oxigénios. Os H verdes têm uma blindagem relativamente alta, pois estão muito

distantes do grupo carboxilo.[A]


3.5 Integração em RMN

A primeira característica a realçar no espectro de RMN 1H é a relação entre o número de

sinais no espectro e o número de tipos diferentes de átomos de hidrogénio no composto. O

que é importante na análise de um sinal no espectro não é a sua altura, mas a área

subentendida pelo pico. Estas áreas, quando medidas com exactidão, estão entre si na

mesma razão que o número de átomos de hidrogénio que provocam cada sinal. Deste

modo, a área limitada por uma banda de absorção é proporcional ao número de núcleos

responsáveis por essa absorção. [1, 5] Os espectrofotómetros medem automaticamente

estas áreas e constroem curvas denominadas curvas integrais, correspondentes a cada

sinal em que as alturas destas curvas são proporcionais às áreas subentendidas pelos sinais.

[5]

O integral é representado por uma função escalonada: a altura de cada escalão é

proporcional ao número de núcleos dessa região particular do espectro, com um rigor que

anda na ordem dos ± 2 %.

Para análise quantitativa terá que incluir-se juntamente com a amostra uma quantidade

conhecida de um composto referência. O sinal RMN deste último deverá, de preferência,

conter um forte singleto situado numa região do espectro de RMN não ocupada pelos picos

da amostra, uma vez que é essencial para a integração a desfasagem do sinal de dispersão.

A partir da áreas dos dois picos Aamostra e Apadrão e do peso do padrão interno tomado,

calcula-se a quantidade presente do componente da amostra à custa da expressão :

em que Npadr. e Nam. representam, respectivamente, o número de protões nos grupos do

padrão e da amostra que dão origem aos picos de absorção, e Mpadr., Mam. são os pesos

moleculares dos respectivos compostos.

Uma vez conhecida a formula empírica do composto, o cociente entre a altura total

( expressa em quaisquer unidades arbitrárias) e o número de protões representa o

incremento da altura por protão. Mesmo sem dispor deste dado, mas conhecendo a origem

de determinada banda, pode-se calcular o incremento por protão a partir da diferença de

elevação dessa banda, dividindo-a pelo número de protões do grupo responsável pela

absorção. Porém, não há qualquer processo de tratamento das bandas sobrepostas. [1]

O desvio químico e os modelos de desdobramento spin-spin, dão uma elevada

informação acerca dos ambientes dos protões nas moléculas. Mas existe ainda outro tipo de


informação que podemos facilmente obter a partir de um espectro de RMN. A integração

dos picos, permite-nos calcular o número relativo de cada grupo de protões que dão origem

ao grupo em questão.

Os espectrofotómetros modernos dão-nos routinamente as integrações num formato

digital. Como já foi constatado, o espectro de 1H-RMN dá-nos a integração baseando-se na

contagem dos protões, porém, os sinais dos espectros de 13C-RMN são dependentes em

muito mais do que o número de núcleos equivalentes que dão origem ao sinal. Na maior

parte das vezes, não é muito difícil combinar os valores da integração RMN com os

padrões de desdobramento spin-spin para deduzir o número real de protões numa molécula

simples. Por exemplo, os padrões de desdobramento do tripleto e do doubleto no

bromoetano, informa-nos imediatamente que o grupo etil está presente na molécula.

Figura 13 – Espectro de RMN do Bromoetano e respectiva integração.[17]

O tripleto deve derivar da absorção do grupo CH3, e o quarteto deve ser originado a

partir do grupo CH2, uma vez que os desdobramentos spin-spin reflectem o número de

protões vizinhos. Os protões do CH3 com = 1,68 devem ter uma área relativa de 3,

enquanto que o sinal de absorção do grupo CH2 tem uma área de 2.

As alturas reais (que são proporcionais às áreas dos picos) são respectivamente 36,5 mm

e 24,5 mm. Então a razão entre os picos é:

Se assumirmos que a integração acarreta alguns erros ( em cerca de 10%), podemos

arredondar o número relativo de protões não equivalentes para 1,5. Uma vez que não é

possível para um composto conter 1,5 protões a razão deve então ser 3:2 (ou 6:4, etc).

No caso do bromoetano, temos então três protões metil para dois protões metilénicos.

[17]


3.6 Interpretação dos espectros 1H-RMN

Em seguida dar-se-á alguns exemplos de espectros de 1H-RMN de compostos.

Figura 14 – Espectro de 1H-RMN da 3-pentanona.[18]

O espectro de RMN de protão tem um quarteto e um tripleto, o que indica a presença

de um grupo CH2 adjacente a um CH3. O pico a = 2.5 (2H) encontra-se na área

geralmente observada para os grupos metil adjacentes a grupos moderadamente

electronegativos. Por outro lado o pico a = 1.2 (1H) encontra-se na zona de absorção dos

grupos metil simples adjacentes aos carbonos (CH3CH2). A molécula contém um oxigénio,

porém o pico a = 2.5 não está suficientemente blindado para representar uma ligação do

tipo -O-. Deste modo, está-se perante um grupo carbonil.

Figura 15 – Espectro de 1H-RMN do acetato de etil.[18]

O espectro de RMN de protão tem 3 picos: um quarteto a = 4.1 (2H), um tripleto a =

1.2 (3H) e um singleto a = 1.97 (3H). O quarteto e o tripleto sugerem a existência de um

acoplamento do CH2 com o CH3 num grupo etil. O pico a = 4.1 encontra-se na área onde

geralmente observa-se grupos CH adjacentes a grupos electronegativos, i.e., oxigénio e o

pico a = 1.97 na região correspondente aos grupos metil adjacentes ao carbonil.


Figura 16 – Espectro de 1H-RMN do Tolueno.[18]

O espectro de protão de RMN tem 2 picos: um singleto a = 7.1 (5H), e outro singleto

a = 2.3 (3H). O pico a = 7.1 situa-se na zona de absorção dos aromáticos, sugerindo

assim a presença de um composto aromático mono-substituido. Por outro lado, o pico a =

2.3 situa-se na região dos grupos metil adjacentes a grupos moderadamente

electronegativos.

Os compostos aromáticos mono-substituidos possuem 3 tipos de hidrogénios no anel,

porém, o facto da constante de acoplamento entre eles ser geralmente pequena e os desvios

químicos muito próximos, faz com que o multipleto previsto apareça como um singleto.

Figura 17 – Espectro de 1H-RMN do 4-metilbenzaldeido.[18]

O espectro de 1H-RMN possui 3 picos: um singleto a = 2.2 (3H), um outro singleto a

= 10 (1H) e dois doubletos centrados mais ao menos a = 7.6. Os doubletos encontram-se

na região dos aromáticos e o facto de se observar dois doubletos (2H cada), significa que

estamos perante um composto 1,4-disubstituido. Quanto ao singleto a = 2.2, este situa-se

na zona dos grupos metil adjacentes a grupos moderadamente electronegativos, enquanto

que o outro singleto situa-se na região correspondente aos protões aldeídicos.


Figura 18 – Espectro de 1H-RMN do 4-isopropil-1-methoxibenzeno[18]

O espectro de 1H-RMN possui 4 tipo de picos: um singleto a = 3.6 (3H), dois tipos de

doubletos centrados mais ao menos a = 6.9 (4H), um septeto a = 2.7 (1H) e um doubleto

a = 1.6.

O singleto a = 3.6 refere-se a um grupo CH3 isolado adjacente a um centro

electronegativo, como o oxigénio. O septeto e o doubleto indicam a presença de um grupo

isopropil – CH(CH3)2 em que o carbono se encontra ligado a um grupo moderadamente

electronegativo e os dois doubletos a = 6.9 indicam que está-se perante um composto

aromático 1,4-disubstituido.

3.7 Resumo

Um fenómeno muito importante que explica o aparecimento de sinais no espectro de

RMN e que resulta da presença de protões vizinhos e da sua influência é o acoplamento

spin-spin.[15]

O acoplamento spin-spin ocorre entre 2 ou mais grupos de protões, se estes são:

- não equivalentes

- suficientemente próximos (a menos de 3 ligações )

A constante de acoplamento, Jax, é uma medida de intensidade do acoplamento spin-

spin entre os dois protões A e X e é definida como:

Jax – é a distância entre duas linhas adjacentes individuais no sinal do multipleto do

grupo A, provocado pelo acoplamento com o grupo X, em hertzs.

A intensidade de um sinal é determinada como sendo a área abaixo da curva do

espectro de RMN.

A intensidade do sinal é proporcional ao número de protões equivalentes que lhe dá

origem.


4. Espectroscopia de RMN de carbono 13

Embora o 13C corresponda a apenas 1,1% do carbono natural, o facto do núcleo desse

isótopo de carbono provocar um sinal de RMN tem grande importância para a análise de

compostos orgânicos. Tal situação, apesar de parecer muito restrita, é possível uma vez que

o principal isótopo do carbono, o 12C, com abundância natural de cerca de 89,9%, não tem

spin magnético, e por isso não tem capacidade de gerar sinais de RMN.

De certa maneira, os espectros de RMN 13C são, usualmente, menos complicados que os

espectros de RMN 1H e mais fáceis de interpretar.

Devido ao fato de o 13C existir naturalmente em percentagem tão baixa, os sinais de

RMN gerados pelos seus núcleos, em analogia com os sinais gerados pelos núcleos dos

protões, não poderiam ser visualizados no espectro. Porém, a técnica utilizada nos

aparelhos de RMN 13C consiste em irradiar um pulso curto e potente de radiofrequência,

que excita todos os núcleos de 13C existentes na amostra. Os dados são então digitalizados

automaticamente e guardados num computador numa série de pulsos repetidos,

construindo desta forma os sinais.

Ao contrário do espectro de RMN 1H, que necessita apenas algumas miligramas de

amostra, na RMN de 13C é preciso de 10 a 200 mg em 0,4 ml de solvente deuterado. Essa

grande diferença é necessária para compensar a baixa percentagem de 13C, e permitir o

acumulação de sinais. Além disso, enquanto no espectro de RMN 1H a faixa de absorção

magnética dos protões varia de 0 a 10 ppm, eventualmente 14 ppm, no espectro de RMN 13C a faixa varia de 0 a 240 ppm, como se pode constactar na seguinte figura.[5]

Figura 19 - Escala de desvio químico para a espectroscopia de 13C-RMN.[11]

4.1 Sinais no espectro de 13C-RMN


Um aspecto que simplifica bastante a interpretação do espectro de RMN 13C é o facto

de cada tipo de átomo de carbono produzir apenas um pico (singleto). Não há

acoplamentos carbono-carbono que provoque o desdobramento do sinal em picos

múltiplos. Por isso pode-se utilizar aparelhos de RMN mais simples, de 30 ou 60 MHz, já

que não é necessária grande precisão para distinguir sinais desdobrados. Nos espectros de 1H-RMN, os protões que estão próximos uns dos outros (separados por um máximo de 3

ligações) acoplam-se entre si e geram sinais desdobrados. Isso não ocorre com carbonos

adjacentes, pois apenas um em cada 100 átomos de carbono tem o núcleo de 13C (cuja

abundância é de aprox. 1,1%). Deste modo, a probabilidade de dois átomos de carbono 13

estarem adjacentes é de 1 em 10.000, o que elimina, a possibilidade do desdobramento dos

sinais.

Embora não ocorram interacções carbono-carbono, os núcleos dos hidrogénio ligados ao

carbono podem interferir e desdobrar os sinais de 13C em picos múltiplos. Porém, é

possível eliminar os acoplamentos H-C recorrendo a uma técnica de irradiação selectiva

(técnica de desacoplamento). Deste modo, eliminadas as interacções protão-carbono, num

espectro de RMN 13C completamente desacoplado, está-se na situação em que cada tipo de

carbono produz apenas um pico.[5]

4.2 Deslocamento químico do 13C

Conforme vimos anteriormente, nos espectros de 1H, o deslocamento químico de um

determinado núcleo depende da densidade relativa de electrões em torno do átomo. As

Baixas densidades electrónicas em torno de um átomo expõem o núcleo ao campo

magnético e provocam o aparecimento de sinais em campos baixos (ppm maiores, para a

esquerda da escala) no espectro de RMN. Por outro lado, densidades electrónicas

relativamente altas em torno de um átomo blindam o núcleo contra o campo magnético e

provoca o aparecimento de sinais em campos altos (ppm menores, para a direita da escala)

no espectro de RMN.

Os carbonos que estão ligados exclusivamente a outros átomos de carbono e de

hidrogénio, têm blindagem elevada diante do campo magnético, enquanto que os carbonos

ligados a grupos eletronegativos, ou seja, grupos "sacadores de electrões", estão

relativamente desblindados.[5,4]


Figura 20- Desvios químicos característicos da 13C-RMN para amostras em CDCl. A

escala é relativa ao TMS a =0.[13]

O padrão de referência mais utilizado em 13C-RMN, é igualmente o tetrametilsilano

(TMS), porém os carbonos do TMS (equivalentes) absorvem energia em 60 ppm sendo que

a atribuição do valor 0 ppm serve apenas para indicar a referência.

Contudo existem compostos que absorvem energia em campos mais baixos que o TMS,

como é o caso dos alcanos. Dentro dessa faixa pode-se prever o deslocamento químico de 13C de hidrocarbonetos quer lineares quer ramificados.

É possível realizar cálculos teóricos simples de absorção dos carbonos, que desta forma

permite-nos comparar com os dados experimentais das tabelas e confirmar a presença de

cada carbono. Para tal apenas é necessário ter em conta alguns parâmetros tais como o

deslocamento químico do 13C ( = -2,5); o número de átomos de carbono que causam

determinado efeito, n (carbono a,b,g,d…); e o parâmetro de deslocamento aditivo, em ppm,

A, dado pela seguinte tabela:

Tabela 3- Valores do parâmetro de deslocamento aditivo.[5]

13C (A) 13C (A)A + 9,1 2o (3o)* - 2,5B + 9,4 2o (4o)* - 7,2G - 2,5 3o (2o)* - 3,7D + 0,3 3o (3o)* - 9,5E + 0,1 4o (1o)* - 1,5

1o (3o)* - 1,1 4o (2o)* - 8,41o (4o)* - 3,4 - -


* As notações 1o (3o) e 1o (4o) significam, respectivamente, um carbono primário ligado a

um terciário e um carbono primário ligado a um quaternário. As notações 2o (3o) e 2o (4o)

significam, respectivamente, um carbono secundário ligado a um terciário e um carbono

secundário ligado a um quaternário, e assim por diante. O primeiro número (fora dos

parêntese) é o carbono que se está analisando. Para cada carbono desses deve-se

acrescentar ao cálculo o valor dado na da tabela (A).

Por exemplo, estudemos o seguinte o seguinte hidrocarboneto:

Os valores de deslocamento químico observados experimentalmente para estes carbonos

são: C1 e C5 ( = 11,3), C2 e C4 ( = 29,3), C3 ( = 36,7), C6 ( = 18,6).

Os carbonos C1 e C5 bem como C2 e C4 têm mesmo deslocamento químico porque são

equivalentes na molécula, pois têm a mesma vizinhança e a molécula é simétrica.

Deste modo podemos efectuar o cálculo teórico dos deslocamentos químicos ()

recorrendo à seguinte fórmula

= -2,5 + S nA

Para efectuar o estudo teórico temos que ter em conta que carbonos a são aqueles

ligados directamente ao carbono analisado, os carbonos b são aqueles ligados ao carbono

a, e assim por diante. Desta forma temos:

- Para C1 e C5: um carbono a, um carbono b, dois carbonos g e um carbono d.

Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 1) + (9,4 x 1) + (-2,5 x 2) + (0,3 x 1) = 11,3

- Para C2 e C4: dois carbonos a, dois carbonos b e um carbono g. Além disso, C2 é

um carbono secundário ligado a um terciário [2o(3o) = -2,5].

Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 2) + (9,4 x 2) + (-2,5 x 2) + (-2,5 x 1) = 29,5

- Para C3: três carbono a e dois carbonos b. Além disso, C3 é um carbono terciário

ligado a dois carbonos terciários [2o(3o) = -3,7].

Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 3) + (9,4 x 2) + (-3,7 x 2) = 36,2

- Para o C6: um carbono a, dois carbonos b e dois carbonos g. Além disso, C6 é um carbono primário ligado a um terciário [1o(3o) = -1,1].

Cálculo de : -2,5 + (9,1 x 1) + (9,4 x 2) + (-2,5 x 2) + (1,1 x 1) = 19,3


Comparando estes valores obtidos através dos cálculos teóricos com os valores

observados:

C1 e C5 11,3 (observado) 11,3 (calculado)

C2 e C4 29,3 (observado) 29,5 (calculado)

C3 36,7 (observado) 36,2 (calculado)

C6 18,6 (observado) 19,3 (calculado)

Verifica-se que os valores ou são exactamente iguais ou ligeiramente diferentes.[5]

4.3 Interpretação dos espectros 13C-RMN

São imensos os exemplos que podem ser dados de espectros de 13C-RMN, porém, aqui

apenas serão ilustrados alguns.

Figura 21 – Espectro de 13C-RMN do 1,2-dimetoximetano[18]

O espectro de 13C-RMN tem 2 picos: um quarteto a = 54 (CH3) e um tripleto a = 80

(CH2). Como a molécula tem quatro carbonos e apenas dois picos em 13C-RMN então

conclui-se que o composto deve ter simetria. Ambos os picos estão na região adjacentes

aos átomos electronegativos.(oxigénio)

Figura 22 – Espectro de 13C-RMN do etil cianoacetato.[18]


O espectro de 13C-RMN tem 5 picos: um quarteto a = 14 (CH3), dois tripleto um a =

59 (CH2) e outro a = 22 (CH2) respectivamente e ainda dois singletos um a = 118 e outro

a = 172. Uma vez que a molécula tem 5 carbonos e 5 picos então a molécula não possui

simetria. O singleto a = 172 situa-se na região do carbonil podendo ser um ácido ou um

éster. O CH2 a = 59 está na região onde ocorrem os carbonos adjacentes aos átomos

electronegativos (i.e. oxigénio) e o CH3 a = 14 é um metil simples terminal, o que

pressupõe a presença de uma espécie -O-CH2CH3.

Por outro lado o singleto a = 118 refere-se a um carbonitrilo e a blindagem ao CH2 a

= 22 indica que este está adjacente ao carbono-sp do nitrilo.

Figura 23 – Espectro de 13C-RMN da Acetofenona.[18]

O espectro de 13C-RMN tem 6 picos. Um quarteto a = 27 (CH3), três doubletos

(grupos CH) a = 129, 128 e 133, e ainda dois singletos um a = 137 e outro a = 197.

Uma vez que a molécula tem oito carbonos e 6 picos, significa então que deve ter algum

grau de simetria. O singleto a = 197 situa-se na região do carbonilo podendo ser um

aldeido ou uma cetona. Os grupos CH3 a = 27 referem-se a um grupo metil simples

terminal, ligeiramente blindado por um grupo moderadamente electronegativo (um

carbonilo). Os doubletos a = 129,128 e 133 e ainda o singleto a = 137 situam-se nas

regiões dos aromáticos e sugerem a existência de grupos aromáticos monosubstituidos,

com simetria em quatro dos seis carbonos.

4.4 Resumo

A espectroscopia 13C-RMN permite estudar as estrutura das moléculas.[15]

Permite reconhecer o esqueleto de carbono de um composto e o ambiente químico de

cada um dos núcleos de carbono.


O espectro de 13C-RMN pode ser muito complicado devido aos diversos acoplamentos 13C-1H, porém podemos simplificá-lo recorrendo a irradiação simultânea da amostra

com uma banda de frequência intensa – Desacoplamento de banda larga.

Os desvios químicos em 13C-RMN são significativamente maiores que em 1H-RMN.

Em determinadas moléculas é possível determinar teoricamente a posição do sinal do 13C no espectro de RMN

5. Ressonância Magnética Nuclear Bidimensional – 2D

Um dos desenvolvimentos mais importantes para a espectroscopia durante os anos de

1960 – 1970 foi o desenho de novos magnetes, baseados em materiais supercondutores.

Este novo tipo de magnetes possibilitou a obtenção de campos magnéticos maiores e mais

estáveis levando á obtenção de espectros com muito melhor sensibilidade e resolução. A

partir deste momento podia-se estudar sistemas

mais complexos. Porém, o grande

desenvolvimento surgiu com Ernst que

desenvolveu em 1975 um sistema de FT-RMN

bidimensional (2D), baseado nas técnicas de

pulsação. O diagrama ilustra o desenvolvimento do tempo do método FT-RMN

unidimensional (1D) e FT-RMN (2D).

Em RMN (1D), os spins nucleares são expostos a um pulso após o qual, é detectado um

sinal no receptor em função do tempo t. Em RMN (2D), os

spins nucleares são sujeitos a dois ou mais pulsos, com um

intervalo de tempo t1.

Após o segundo pulso, o sinal é obtido da mesma forma

que para RMN (1D), embora aqui se designe a variável de

tempo por t2. Depois desta etapa, o espectrofotómetro

retomo o mesmo procedimento mas repetindo-o com

outros valores de t1. A variação de t1, modifica o sinal

medido durante t2. Esta situação origina então, uma tabela

bidimensional que contém a intensidade do sinal como

função da t1 e t2.

Após estas variáveis serem submetidas às transformadas

de Fourrier, obtém-se um espectro de frequência bidimensional na forma de um mapa, que


mostra a dependência da intensidade do sinal em duas variáveis de frequência,

denominadas F1 e F2.[2]

Os dois eixos de frequências correspondem às frequências de ressonância de protões e

carbonos 13. A ocorrência de um sinal num determinado local significa que o átomo de

carbono, que no mapa corresponde à “latitude” está directamente ligado ao protão cuja

frequência de ressonância é dada pela “longitude”.

Os espectros

unidimensionais de protão

e de carbono 13 são

ilustrados nos extremos da

seguinte figura.

Figura 24 – Espectro de

correlação para uma

molécula orgânica.[2]

1. Ressonância Magnética Nuclear - Aplicações

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear é hoje em dia usada praticamente

em todos os ramos da química , quer nas universidades como também nos laboratórios

industriais.

Uma investigação típica em RMN, combina vários tipos de espectros 1D, 2D e por

vezes até 3D ou 4D. É a acumulação desta informação que fornece vulgarmente uma figura

detalhada da estrutura da molécula. Por exemplo, a estrutura tridimensional completa de

muitas proteínas e outras macromoléculas biológicas tem sido determinada por este meio.

A espectroscopia de RMN também tem sido usada para estudar não só a estrutura das

moléculas mas também a interacção entre diferentes espécies moléculares (ex. Enzimas -


substracto), para estudar os seus movimentos em líquidos e polímeros, bem como para

obter informação acerca das velocidades de certas reacções. [2]

Ocupa, igualmente, um lugar saliente no campo da análise qualitativa e quantitativa,

desde componentes em produtos alimentares, a fluidos biológicos e metabolitos em tecidos

e órgãos de seres vivos intactos, de um modo não invasivo e não destrutivo.[3]

A classe de possíveis aplicações da RMN é demasiado grande para se efectuar uma lista

exaustiva, porém algumas destas aplicações incluem: Verificação do grau de pureza das

matérias primas; Análise de drogas e fármacos; controlo e qualidade de produtos químicos;

investigação de reacções químicas; investigação de substâncias desconhecidas bem como

análise de polímeros.

Por outro lado, a caracterização espacial do sinal de RMN da água (juntamente com o

desenvolvimento acelerado das capacidades de computação) permitiu, também, o

desenvolvimento do domínio de imagem por ressonância magnética, hoje uma das técnicas

imageológicas fundamentais em medicina e noutras áreas.[3]

A técnica adaptada aos objectivos do utilizador constitui um excelente método de estudo

do cérebro, medula espinhal, ossos esponjosos, pelve masculina ou feminina e grandes

articulações[19]. Para tal é utilizado e cada vez com mais regularidade nos hospitais, um

aparelho de ressonância magnética de imagem, RMI, que não é mais do que um aparelho

de RMN especializado.

2. Exame médico - RMN

Ressonância Magnética Nuclear (RMN), ou RMI como é conhecido no meio, é um

exame que permite aos médicos analisarem as estruturas internas do corpo sem o recurso

aos raios-x. Esta tecnologia possibilita aos médicos detectar doenças em desenvolvimento,

ou anormalidades mais precocemente. Basicamente a RMN utiliza um poderoso campo

magnético e ondas de radiofrequência e a combinação do campo magnético e

radiofrequência produz imagens muita claras de estruturas do corpo humano como o

cérebro, espinha, articulações, coração e outros órgãos vitais.

O exame é realizado numa sala contendo grande máquina de RMN designada pelos

médicos por "Magnete". A unidade de RMN parece um túnel aberto no meio de uma

grande caixa, podendo ser de diferentes tipos mas com um funcionamento semelhante.


Figura 25- Exame médico por ressonância magnética nuclear.[20]

O procedimento para a análise clinica é o seguinte. O paciente deita-se numa

confortável maca que irá suavemente deslocar-se para dentro do magnete onde o scan

(exame) será realizado.

Por vezes a "bobina", que é apenas um rádio

receptor especial, é colocada em torno da área do

corpo a ser estudado, cabeça, joelho, fígado. etc. e

noutras situações, o técnico injecta um medicamento

(agente contraste) através de uma injecção de forma a

facilitar a interpretação das imagens do corpo do

paciente. Os dados obtidos pelo scan são

processados por um poderoso computador que os

transforma em imagens muito nítidas que o médico

especialista irá interpretar.

A RMN por si própria é um procedimento totalmente indolor, virtualmente sem efeitos

colaterais. Actualmente milhões de pacientes tem feito esse tipo de exame comprovando

ser extremamente seguro até porque a técnica utiliza apenas ondas de rádio e magnetização

com as quais convivemos no dia a dia.[20]


3. Conclusão

A espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear tornou-se num método standar em

muitos laboratórios de química. Esta técnica é reconhecidamente a mais importante para a

investigação a nível molecular, permitindo obter informação estrutural e dinâmica para

qualquer estado da matéria, uma vez que existem relações muito próximas entre os dados

obtidos por 1H-RMN e o arranjo dos protões na molécula em investigação.[3, 15]

São várias as informações que podemos obter num espectro tais como

Informação contida no espectro Arranjo dos protõesNúmero de linhas de ressonância Número de grupos de protões equivalentes

Posição dos sinais de ressonância Tipo de grupos de protões

Intensidade relativa dos sinais de ressonância

Número de protões que provocam o sinal

Estrutura fina dos sinais de ressonância Posição dos grupos de protões relativamente a cada um deles

Em muitos casos este conhecimento permite-nos

- Predizer espectros de moléculas baseando-se apenas na formula estereoquímica.

- Propor uma estrutura para uma molécula desconhecida baseando-se apenas no seu

espectro.

- Decidir entre várias estruturas possíveis para uma molécula baseando-se no

espectro obtido, ou pelo menos um limite de várias possibilidades.

A aplicação da espectroscopia de RMN baseia-se, deste modo, essencialmente na

correlação empírica das estruturas com deslocamentos químicos observados e constantes

de acoplamento.[15]

Em termos de investigação clínica e desenvolvimento de imagem, a RMN direciona-se

para determinados objectivos nomeadamente:[12]

- Comparar a RMN com outras modalidades.

- Aproveitar as características únicas da imagem RMN.

- Determinar as técnicas mais úteis para cada local ou doença.

- Determinar a utilidade de medidas directas de T1 de tecidos normais e de lesões

benignas e malignas.

- Interaccionar com a cirurgia e radioterapia na preparação, planeamento e estudo da

resposta ao tratamento de cancros e linfomas.

- Avaliar o problema da segurança.


- Desenvolver técnicas de aumento de contraste.

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear, e uma técnica que vem sendo muito

usada fruto das enormes vantagens que possui, nomeadamente a possibilidade de estudar

um elevado número de núcleos e em todas as fases (gás, liquido e sólido), elevadas

intervalos de temperaturas, técnica não destrutiva e segura. Porém o recurso a esta técnica

também traz alguns inconvenientes que referem-se à insensibilidade do método, bem como

a impossibilidade de analisar misturas multicomponentes e ao elevado custo dos aparelhos

e sua manuntenção.[21]

Contudo, a versatilidade da NMR faz dela um dos métodos mais importantes e

perspicaz usados nas mais diversas ciências onde tem aplicação tal como a área científica

onde têm de ser respeitados alguns códigos impostos pelos organismos próprios, e

resumidos no apêndice 2.


4. Bibliografia

[1]– Willard H., Merritt.Jr. L., Dean, J.,”Análise Instrumental” ,2ª edição, Fundação

Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1979

[2]- http://www.nobel.se/chemistry/laureates/1991/illpres/

[3]- http://www.deq.eng.ufba.br/polimeros/rmn.html

[4]- Morrison, R. and Boyd,; "Química Orgânica", 13ª ed., Fundação Calouste

Gulbenkian, Lisboa, 1996

[5]- http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/espectrometria3.htm

[6]- http://208.7.154.206/gmoyna/NMR_lectures/NMR_lecture1/index.htm

[7]- http://fischer.union.edu/chem20/nmrfacts.html

[8]- http://www.shu.ac.uk/schools/sci/chem/tutorials/molspec/nmr3.htm

[9]- http://www.chem.vt.edu/chem-ed/spec/spin/ftnmr.html

[10]- http://www.psrc.usm.edu/spanish/nmr.htm

[11]- http://www.chem.toronto.edu/coursenotes/CHM240/RAB.webfolder/index.html

[12]- Gil, Victor M.S., Geraldes, Carlos F.G.C. “Ressonância Magnética Nuclear –

Fundamentos e Aplicações ”, Fundação Calouste Gulbenkian, Lisboa, 1987

[13] http://www.cem.msu.edu/~reusch/OrgPage/VirtualText/Spectrpy/nmr/

nmr1.htm

[14]- Eaton, David C., “Laboratory Investigations in Organic chemistry”, Macgraw-Hill

Book Company, New York, 1989

[15]-http://www.org.chemie.tu-muenchen.de/people/rh/nmrueb/uebung.prg/html.txt/

english/einfach.html

[16]- http://www.chem.uic.edu/web1/OCOL-II/WIN/SPEC/HNMR/NMRF.HTM

[17]- Mohring Jerry R., Hammound, Christina Noring, et all, “Experimental Organic

Chemistry - A balanced Approach: Macroscale and Microscale”, W.H.Freeman and

Company, New York, 1998.

[18]- http://chipo.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/NMR.htm

[19]- http://www.lui-bertolo.hpg.ig.com.br/Resson_Magne/Ressonancia_Magnetica.htm

[20]- http://www.radiology.com.br/pacientes_resmag.htm

[21]- http://www.student.oulu.fi/~pingman/nmrlabra/basics.htm

[22]- http://ernst.dq.ufscar.br/~calvin/TRADUQN.DOC


Apêndice 1

Tabela 4 - Desvios químicos de vários protões*.[13]

Composto ou classe Tipo de protão (ppm)

Alifáticos primários R-CH3 0,8 – 1,0

Alifáticos secundários R-CH2-R 1,2 – 1,5

Alifáticos terciários R3C-H 1,4 – 1,7

Vinílicos C=C-H 4.6 – 5.9

Alilícos C=C-CH3 1.6 – 1.9

Acetilénicos alifáticos R-CC-H 2.3 – 2.5

Acetilénicos aromáticos Ar-CC-H 2.8 – 3.1

Aromáticos Ar-H 6 – 8.5

Benzílicos primários Ar-CH3 2,2 – 2,5

Benzílicos secundários Ar-CH2-R 2,5 – 2,9

Benzílicos terciários Ar-CHR2 2,8 – 3,2

Álcoois

R-OH 1 – 5,5

HO-CH 3,4 – 4,0

HO-CH2-CH 1,2 –1,6

Fenois Ar-OH 4 – 12

Aminas alifáticas

R-NH2 0,6 –2,5

R’2N-CH3 2,2 – 2,6

R’2N-CH2CH3 2,5 – 2,8

R’2N-CH2CH3 1,0 – 1,3

Aminas aromática

Ar-NH2 3 – 4,5

Ar-NH-CH3 2,8 – 3,1

Ar-NH-CH2CH3 3,0 – 3,3

Éteres alifáticos

R’O-CH3 3,2 – 3,5

R’O-CH2-R 3,4 – 3,8

R’O-CH2CH3 1,2 – 1,4

R’O-CH2CH2CH3 0,9 – 1,1

Éteres aromáticosArO-CH3 3,7 – 4,0

ArO-CH3-R 3,9 – 4,3

Continuação da tabela 4


Composto ou classe Tipo de protão (ppm)

Cetonas alifáticas

R’-(C=O)-CH3 2,1 – 2,4

R’-(C=O)-CH2-R 2,3 – 2,7

R’-(C=O)-CH2CH2-R 1,1 – 1,4

Ar-(C=O)-CH3 2,4 – 2,6

Ar-(C=O)-CH2-R 2,5 – 2,8

Aldeídos alifáticos

R-(C=O)-H 9,4 – 9,9

H-(C=O)-CH2-R 2,1 – 2,4

H-(C=O)-CH2CH2-R 1,1 – 1,4

Aldeídos aromáticos Ar-(C=O)-H 9,7 – 10,3

Esteres alifáticos

R’O-(C=O)-CH3 1,9 – 2,2

R’O-(C=O)-CH2CH3 2,1 – 2,4

R’O-(C=O)-CH2CH2-R 1,2 – 1,4

R’-(C=O)-O-CH3 3,6 – 4,0

R’-(C=O)-O-CH2CH3 3,7 – 4,1

R-O-(C=O)-H 8,0 – 8,2

Esteres aromáticos

ArO-(C=O)-CH3 2,0 – 2,5

ArO-(C=O)-CH2CH3 2,2 – 2,7

Ar-(C=O)-O-CH3 4,0 – 4,2

Ar-(C=O)-O-CH2CH3 4,2 – 4,5

Ácidos carboxílicos alifáticos

R-(C=O)-OH 10,4 – 12,0

R-CH2-(C=O)-OH 2,2 – 2,4

R-CH2CH2-(C=O)-OH 1,0 – 1,4

Ácidos carboxílicos aromáticos Ar-(C=O)-OH 10,4 – 12,0

Amidas alifáticas

R-(C=O)-NH2 5,5 – 7,5

R2N-(C=O)-CH3 1,8 – 2,2

R-(C=O)-NH-CH3 2,8 – 3,0

Cloretos alquílicosR-CH2-Cl 3,5 – 3,7

R-CH2CH2-Cl 1,6 – 1,8

Cloretos metilénicos CH2Cl2 5,30

Clorofórmio CHCl3 7,27

* O deslocamento químico destes protões varia com o tipo de solvente utilizado, com a temperatura e com a concentração.


Apêndice 2

i. RECOMENDAÇÕES DA IUPAC [22]

Abaixo estão listadas as recomendações de RMN publicadas pela IUPAC, que referem-

se a deslocamentos químicos (incluindo apresentação de espectros) além de outras. Essas

recomendações são relativas à notação e são particularmente dirigidas às publicações em

revistas de química.

1 - O núcleo que origina o espectro em análise deve ser sempre especificado

explicitamente por extenso ou abreviado (ex.: RMN de 10B ou RMN de boro-10). O

número de massa do isótopo deve ser dado, excepto nos casos em que não há

ambiguidade. Abreviações tais como RMP para designar RMN de protão não são

recomendadas. No termo RMN multinuclear a palavra “nuclear” fica repetida e portanto, é

também desaconselhado. Quando for necessário se referir a vários núcleos, deve-se

escrever por extenso ressonância magnética multinuclear.

2 - A apresentação gráfica do espectro deve mostrar o aumento da frequência para a

esquerda na horizontal e o aumento de intensidade na vertical.

3 - A escala adimensional para deslocamentos químicos deve estar ligada a uma

referência, que deve ser claramente apresentada. Os procedimentos utilizados devem ser

cuidadosamente definidos.

4 - O factor da escala adimensional para deslocamento químico deve ser em partes por

milhão, para o qual ppm é a abreviação apropriada. A radiofrequência da referência,

apropriada ao núcleo em questão e ao espectrofotómetro usado, deve sempre ser

apresentada com bastante exactidão em relação aos valores numéricos dos deslocamentos

listados. Infelizmente, os softwares fornecidos pelos fabricantes para converter unidades de

frequência para ppm em RMN com Transformada de Fourier, usam, às vezes, a frequência

portadora no denominador, em vez da verdadeira frequência da referência, o que pode

ocasionar erros significativos.

5 - A escala de deslocamento químico deve ser definida em relação às frequências de

ressonância, com a conversão de sinal apropriada (isto é, sinal positivo deve implicar que a

amostra sofre ressonância em frequência maior que a referência). A fim de evitar


ambiguidades de sinal, o termo “deslocamento químico” não deve ser usado para

descrever variações na blindagem.

6 - O símbolo (delta grego) deve ser usado para escalas de deslocamentos químicos

com a convenção de sinal dada acima. Tal símbolo não deve nunca ser usado para se

referir a blindagem. Assim, recomenda-se para estar de acordo com o que vem sendo

praticado que a escala do núcleo X seja definida por:

X, amostra = X, amostra - X, referência (1) X, referência

e que a notação ppm apareça com o valor numérico apropriado, quando relevante. Esta

definição pode ser alternativamente escrita:

X, amostra/ppm = X, amostra - X, referência x 106 (2) X, referência

ou

X, amostra/ppm = X, amostra - X, referência/Hz (3) X, referência /MHz

Esta redefinição (Equação (1) ou as alternativas (2) e (3) ) permite que valores possam

ser escritos em ppb (como é apropriado para alguns efeitos de isótopos) ou % (relevante

para alguns deslocamentos de metais pesados), ou ainda em ppm (que sem dúvida alguma

permanecerá como o uso mais comum).

7 - O núcleo em questão deve ser indicado subscrito ou entre parênteses, ex.: C ou

(13C), a menos que não haja ambiguidade.

8 - Tanto quanto possível, a informação completa deve ser fornecida nas publicações em

relação a qualquer parâmetro que possa influenciar nos deslocamentos químicos, tais

como:

(I) Estado físico da amostra, isto é, sólido, líquido, solução ou gás, e outros fatos

adicionais relevantes, quando necessário.

(II) Para soluções, o nome do solvente e a concentração do soluto.

(III) A natureza do procedimento de referenciação, ex.: interna, externa (tubos coaxiais

ou substituição), frequência absoluta.

(IV) O nome do composto de referência e, se usado internamente na solução, sua

concentração.


(V) A temperatura e a pressão da amostra.

(VI) Se oxigénio ou outros gases foram removidos da amostra.

(VII) Qualquer produto químico presente na amostra além da substância sob

investigação e do composto de referência.

9 - O sinal do 1H de uma solução diluída (1% vol. em CDCl3 preferencialmente) do

tetrametilsilano, deve ser usado como referência interna primária para as frequências de

ressonância (e também os deslocamentos químicos) de todos os núcleos. Entretanto, para

soluções aquosas as recomendações da Ref. 3, são indicadas.


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Monografia-espectroscopia de RMN