monografia espectroscopia de rmn

Departamento de Química

ANÁLISE ESTRUTURAL

ESPECTROSCOPIA ESPECTROSCOPIA DE RMN DE RMN

Duarte Paulo Correia

Funchal, Abril de 2002

ghfghfghfgfg 2

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

Ressonância Magnética Nuclear 1

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)

γ-rays x-rays UV VIS IR µ-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,


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

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

Ho

µωo

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

[1]

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 -α) sua

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

(antiparalelamente -β). 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.


N S

Transmissor

Detector

Registador

Magnete

Ho

B1

time

ωo or Bo0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Series1

ωo or Bo

time

ωo or Bo0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Series1

ωo or Bo

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 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 − ω = γ Β ), 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(ω) = s(t) eiωt dt


S(ω) = ∫

s(t) eiωt dt

s(t) = 1/2 π ∫

S(ω) eiωt dt

∞

∞

-∞

-∞

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

compreensível.

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 π - 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 π, 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


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

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

magnético sobre o núcleo.[5]

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 ν1 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]


610ν

HHδ

1

×−=TMSamostra

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

Referência δH

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 δ=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

δ 0,8 – 1,0 δ 1,2 – 1,5 δ 1,4 – 1,7

e ainda

Ar-CH3 Ar-CH2-R Ar-CHR3

δ 2,2 – 2,5 δ 2,5 – 2,9 δ 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-Fδ 3,0 – 3,3 δ 3,2 – 3,4 δ 3,5 – 3,7 δ 4,2 – 4,5

Substituintes múltiplos "sacadores" de electrões aumentam o desvio químico

relativamente aos substituintes simples.

CHCl3 CH2Cl2 CH3Clδ 7,27 δ 5,30 δ 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

δ 3,2 – 3,5 δ 1,2 – 1,4 δ 0,9 – 1,1


ElectronegatividadeElectronegatividade

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

provocado pelos grupos alifáticos.

Ar-NH2 R-NH2

δ 3 – 3,5 δ 0,6 – 2,5Ar-OH R-OHδ 4 – 12 δ 1 – 5,5

Ar-C≡C-H R-C≡C-Hδ 2,8 – 3,1 δ 2,3 – 2,5Ar-O-CH3 R-O-CH3

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

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

δ 2,4 – 2,6 δ 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-propilo

CH3-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.


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

2-Metilpropeno 3-Bromopropeno Metilciclopropamo

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

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 δ de acordo com

a seguinte formula

0

6

ν

)10(Δδ

−×= ν ppm (onde υ0 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 1


1 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:


1- C H 3

Y

2-

C H 2

Y

C H 3

3- CH3

Y

CH

CH3

4- C(CH3)3

Y

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

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.

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 δ=3,4 e o

metileno adjacente ao oxigénio tem δ=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 δ=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 :

.

.

.

.

.

..

padr

am

padr

am

am

padrpadramostra

A

A

M

M

N

NWW ×××=

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 δ = 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:

1

49,1

5,24

5,36 =

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 δ= 2.5 (2H) encontra-se na

área geralmente observada para os grupos metil adjacentes a grupos moderadamente

electronegativos. Por outro lado o pico a δ= 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 δ= 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 δ= 4.1 (2H), um tripleto a

δ= 1.2 (3H) e um singleto a δ= 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 δ= 4.1 encontra-se na

área onde geralmente observa-se grupos CH adjacentes a grupos electronegativos, i.e.,

oxigénio e o pico a δ= 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 δ= 7.1 (5H), e outro

singleto a δ= 2.3 (3H). O pico a δ= 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 δ= 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 δ= 2.2 (3H), um outro singleto

a δ= 10 (1H) e dois doubletos centrados mais ao menos a δ= 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 δ= 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 δ= 3.6 (3H), dois tipos

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

doubleto a δ= 1.6.

O singleto a δ= 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 δ= 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 σ)

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 δ=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 (δ = -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 (δ = 11,3), C2 e C4 (δ = 29,3), C3 (δ = 36,7), C6 (δ = 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 (δ)

recorrendo à seguinte fórmula

δ = -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 δ: -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 δ: -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 δ: -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 δ: -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 δ= 54 (CH3) e um tripleto a δ=

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 δ= 14 (CH3), dois tripleto um a δ

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

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

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

ácido ou um éster. O CH2 a δ= 59 está na região onde ocorrem os carbonos adjacentes

aos átomos electronegativos (i.e. oxigénio) e o CH3 a δ= 14 é um metil simples

terminal, o que pressupõe a presença de uma espécie -O-CH2CH3.

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

a δ= 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 δ= 27 (CH3), três doubletos

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

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

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

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

terminal, ligeiramente blindado por um grupo moderadamente electronegativo (um

carbonilo). Os doubletos a δ= 129,128 e 133 e ainda o singleto a δ= 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 protões


Número de linhas de ressonância Número de grupos de protões equivalentesPosição dos sinais de ressonância Tipo de grupos de protõesIntensidade relativa dos sinais de ressonância

Número de protões que provocam o sinal

Estrutura fina dos sinais de ressonânciaPosição 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 δ(ppm)Alifáticos primários R-CH3 0,8 – 1,0

Alifáticos secundários R-CH2-R 1,2 – 1,5Alifáticos terciários R3C-H 1,4 – 1,7

Vinílicos C=C-H 4.6 – 5.9Alilícos C=C-CH3 1.6 – 1.9

Acetilénicos alifáticos R-C≡C-H 2.3 – 2.5Acetilénicos aromáticos Ar-C≡C-H 2.8 – 3.1

Aromáticos Ar-H 6 – 8.5Benzílicos primários Ar-CH3 2,2 – 2,5


Benzílicos secundários Ar-CH2-R 2,5 – 2,9Benzílicos terciários Ar-CHR2 2,8 – 3,2

ÁlcooisR-OH 1 – 5,5

HO-CH 3,4 – 4,0HO-CH2-CH 1,2 –1,6

Fenois Ar-OH 4 – 12

Aminas alifáticas

R-NH2 0,6 –2,5R’2N-CH3 2,2 – 2,6

R’2N-CH2CH3 2,5 – 2,8R’2N-CH2CH3 1,0 – 1,3

Aminas aromáticaAr-NH2 3 – 4,5

Ar-NH-CH3 2,8 – 3,1Ar-NH-CH2CH3 3,0 – 3,3

Éteres alifáticos

R’O-CH3 3,2 – 3,5R’O-CH2-R 3,4 – 3,8

R’O-CH2CH3 1,2 – 1,4R’O-CH2CH2CH3 0,9 – 1,1

Éteres aromáticosArO-CH3 3,7 – 4,0

ArO-CH3-R 3,9 – 4,3Continuação da tabela 4

Composto ou classe Tipo de protão δ(ppm)

Cetonas alifáticas

R’-(C=O)-CH3 2,1 – 2,4R’-(C=O)-CH2-R 2,3 – 2,7

R’-(C=O)-CH2CH2-R 1,1 – 1,4Ar-(C=O)-CH3 2,4 – 2,6

Ar-(C=O)-CH2-R 2,5 – 2,8

Aldeídos alifáticosR-(C=O)-H 9,4 – 9,9

H-(C=O)-CH2-R 2,1 – 2,4H-(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 – 2,2R’O-(C=O)-CH2CH3 2,1 – 2,4

R’O-(C=O)-CH2CH2-R 1,2 – 1,4R’-(C=O)-O-CH3 3,6 – 4,0

R’-(C=O)-O-CH2CH3 3,7 – 4,1R-O-(C=O)-H 8,0 – 8,2

Esteres aromáticos

ArO-(C=O)-CH3 2,0 – 2,5ArO-(C=O)-CH2CH3 2,2 – 2,7

Ar-(C=O)-O-CH3 4,0 – 4,2Ar-(C=O)-O-CH2CH3 4,2 – 4,5

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

R-CH2-(C=O)-OH 2,2 – 2,4R-CH2CH2-(C=O)-OH 1,0 – 1,4

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

Amidas alifáticasR-(C=O)-NH2 5,5 – 7,5

R2N-(C=O)-CH3 1,8 – 2,2R-(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 5,30Clorofórmio 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 δ (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 δ do núcleo X seja definida por:

δX, amostra = νX, amostra - ν X, referência (1) νX, referência

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

Esta definição pode ser alternativamente escrita:

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

ou

δX, amostra/ppm = ν X, amostra - ν X, referência/Hz (3) νX, 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.: δC ou

δ (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.


monografia espectroscopia de rmn

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