Resonancia magnética nuclear (I): Absorción de energía por el núcleo

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Primera parte
Segunda parte

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El ciudadano medio entiende por resonancia magnética la técnica médica no invasiva que permite explorar el interior del cuerpo humano. Pero antes de encontrar aplicación en los hospitales, desde la década de los años 30 del siglo pasado hasta la fecha esta técnica ha sido y es extraordinariamente útil para identificar estructuras de moléculas y seguir procesos químicos.

Se basa en la medida de la energía que absorben los núcleos atómicos cuando se colocan dentro de un campo magnético muy intenso y se irradian al mismo tiempo con fotones de la región de las ondas de radio, VHF y UHF. Esto permite estudiar los átomos que forman una molécula, pero no los de todos los elementos de una vez, sino elemento a elemento. No obstante, indirectamente también se extrae información de los demás, hasta poder caracterizar la molécula completa. Por eso se habla de resonancia magnética nuclear de protones (RMN-1H), de carbono 13 (RMN-13C), de fósforo-31 (RMN-31P), etc.

 

Transiciones entre estados energéticos nucleares

clip_image006El fenómeno de la resonancia magnética nuclear que experimentan ciertos núcleos (que no todos) se puede explicar clásicamente imaginando que giran sobre sí mismos, es decir, que tienen la propiedad del espín. En su estado normal el eje de giro puede adoptar cualquier dirección espacial, como se observa en la imagen.

Como los núcleos están cargados positivamente, al girar producen un campo magnético (esta es una propiedad de toda carga que gira);es decir, se comportan como imanes. Por ello, cuando se les somete a un campo magnético externo, B, se alinean, si bien nos lo hacen en el mismo en el mismo sentido del campo magnético externo y otros en contra. Se dice que se crean dos estados de espín: α y β, como lo ilustra la siguiente figura:

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Ambos estados tienen diferente energía, pero esta diferencia es muy pequeña, viniendo dada por:

ν = (γ/2π)B

siendo γ una constante llamada relación giromagnética, que depende de cada núcleo, y ν la frecuencia asociada a esa diferencia de energía. De la fórmula se deduce que a mayor intensidad del campo, mayor separación energética entre los dos estados, lo que implica que más se puebla el estado a en comparación con el b. Por ello, lo que interesa en RMN, para observar bien las absorciones, es que la diferencia de energía entre los niveles sea la mayor posible, y por ello la técnica emplea campos magnéticos muy intensos.

Espectroscopía de resonancia magnética nuclear

La espectroscopía de resonancia magnética nuclear se basa en irradiar núcleos con la energía necesaria para que esta sea absorbida, con lo que los que se hallan en el estado menos energético (α) pasarán al β.

No se puede aplicar a todos los núcleos, sino solo a los que tienen número impar de protones o neutrones (o de ambas partículas), especialmente a: 1H, 13C, 15N, 31P y 19F. Cada uno de estos núcleos absorbe a una frecuencia de radiación diferente.

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Cuando se aplica a una muestra una intensidad de campo magnético pequeña, el espectro que se registra es del tipo mostrado en la imagen. Contiene un pico por núcleo magnéticamente activo de la molécula que se está analizando. Pero cuando se usa un campo magnético muy intenso (del orden de 10 teslas) y radiofrecuencias muy energéticas el espectro anterior revela una estructura fina que es la principal potencia de la técnica.

Observar la estructura fina de un pico implica que los demás ya no se observen. Es como si se quisieran apreciar simultáneamente las calles de varios núcleos urbanos desde una cámara situada en un satélite; no habría más remedio que aumentar la imagen, lo que nos permitiría ver cada vez las calles de solo una ciudad, ya que las demás se saldrían del encuadre.

Para explicar la estructura fina de un espectro necesitamos considerar tres conceptos claves en RMN: el apantallamiento o desapantallamiento de los núcleos, el desplazamiento químico de las señales y el acoplamiento de espines.

Apantallamiento y desapantallamiento

No todos los núcleos de una molécula “sienten” el mismo campo magnético exterior B porque algunos están protegidos de la influencia del campo (se dice que están apantallados) y otros están desprotegidos (desapantallados). Vamos a explicarlo para el átomo de hidrógeno.

Considérense varios átomos de hidrógeno situados en distintas posiciones de una molécula. Cada uno tendrá a su alrededor distinta densidad electrónica, dependiendo de la naturaleza química de los átomos próximos. Cuanto más densidad electrónica tenga más apantallado estará porque los electrones crean un campo magnético que se opone al externo. La siguiente imagen muestra dos tipos de protones en una molécula, uno apantallado (protegido) por un anillo bencénico  y otros desapantallados. Esto hace que “sientan” distinto campo efectivo (Befec) cuando se colocan dentro de un campo magnético externo B:

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Todo esto provoca que la separación energética entre los niveles α y β sea diferente para cada tipo de protón y, por tanto, que cada protón absorba una energía (frecuencia) diferente. Una representación de la cantidad de fotones absorbidos frente a la frecuencia de estos fotones es una serie de picos que constituyen el espectro de RMN.

Algunos núcleos (como los protones de un grupo metilo) son magnéticamente indistinguibles, ya que dicho grupo experimenta continuamente una rotación rápida en torno al enlace de su C con el vecino. Estos tres núcleos darían el mismo pico. Por otro lado, una característica de una señal RMN es que su área es proporcional al número de núcleos a los que representa. Estas dos consideraciones explican el espectro RMN del diclorometano:

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Desplazamiento químico

La diferencia entre la frecuencia a la que aparecería el pico de un protón aislado y uno concreto dentro de una molécula se llama desplazamiento químico, δ, variable que es fundamental en RMN porque los núcleos pertenecientes a cada grupo funcional tienen un δ diferente. Por ejemplo, clip_image028los H de –NH2, –OH, –COOH tienen valores de δ diferentes. Y lo que es más interesante es que estos valores son bastante característicos, por lo que se pueden recoger en tablas o gráficos como el de más abajo. En estas tablas se recogen valores de desplazamientos químicos de protones en relación al desplazamiento de los protones del tetrametilsilano (TMS), al que se le asigna δ = 0 ppm (partes por millón). Este compuesto se ha elegido porque tiene varias ventajas: posee muchos protones equivalentes (12), que dan una única señal muy intensa, la cual aparece más a la derecha en el espectro que las señales de los protones de la gran mayoría de las moléculas (debido a que estos protones están fuertemente apantallados). El problema es que es insoluble en agua, y por ello no se puede emplear con disoluciones acuosas  (téngase en cuenta que el TMS u otra referencia se añade en pequeña cantidad a la muestra cuyo espectro se quiere obtener).

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Acoplamiento de espines

En realidad, el espectro de 1,1-dicloroetano visto más arriba es una simplificación. Un instrumento de campo potente revelaría una estructura fina como la que se observa en la siguiente imagen:

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En los recuadros se observan ampliaciones de las señales. En la señal correspondiente a los 3 protones del –CH3 se distinguen dos picos muy próximos y de parecida intensidad (doblete) y en la debida al único protón de –CHCl2 se aprecian cuatro picos (cuadruplete).

Este efecto se llama “acoplamiento” y se debe a las distintas orientaciones que pueden adoptar los espines nucleares de los protones. Las interacciones se producen entre grupos de protones vecinos, pero a veces se manifiesta asimismo (aunque en bastante menor grado) entre grupos algo más alejados unos de otros. Su efecto es desdoblar las señales, y el desdoblamiento sigue la llama regla de n + 1: un grupo de n protones magnéticamente equivalentes desdobla la señal de un grupo vecino en n+1 componentes. Esta regla es muy útil a la hora de asignar cada señal del espectro porque su multiplicidad ayuda a averiguar cuántos protones son vecinos de uno dado.

Cuando un grupo de protones tiene dos grupos vecinos se produce un “doble desdoblamiento”. Por ejemplo, los protones del grupo –CH2– de CH3–CH2–CHCl2 dan una señal consistente en un doblete de cuadrupletes, ya que el protón del –CHCl2 desdobla la señal considerada en dos picos (1+1) y cada uno de ellos resulta desdoblado en cuatro (3+1) por los tres protones de –CH3.

No obstante, en la práctica, si los grupos vecinos a uno dado son químicamente parecidos, muchas líneas espectrales se solapan de tal modo que se puede seguir aplicando la regla de n+1 directamente, siendo entonces n el número total de protones vecinos. Por ejemplo, así ocurre en la señal del –CH2– de la molécula CH3–CH2–CH2I, que en el espectro presenta una multiplicidad observable de sextuplete (5+1).

Constante de acoplamiento

Dada una señal multiplete (doblete, triplete, etc.), la separación entre picos se denomina constante de acoplamiento, J. Se expresa en hercios y es también un parámetro fundamental en RMN. Una de sus propiedades es que su valor es independiente del campo magnético externo aplicado, por lo que pueden tabularse valores típicos de J, lo que ayuda a asignar las señales espectrales de una especie desconocida. En general, estos valores están entre 1 y 20 Hz.

Dados dos multipletes en un espectro, si se miden las constantes de acoplamiento de ambosy coinciden, eso indica con un alto grado de probabilidad que ambos conjuntos de protones están acoplados y, por tanto, que son vecinos.

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