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Espectroscopia de RMN

Última atualização em 19 de agosto de 2022

Definição

A espectroscopia de ressonância magnética nuclear, ou “RMN”, é um processo usado para descobrir informações sobre as propriedades magnéticas de um composto. Faz isso registrando os padrões espectrais magnéticos emitidos pelos núcleos dentro dos átomos de uma amostra. Usando a RMN, os pesquisadores podem determinar a estrutura molecular de um composto.

Visão geral

Os cientistas usam uma máquina chamada espectrômetro de RMN, que processa usando radiação eletromagnética, como ondas de rádio. Um espectrômetro de RMN pulsa uma onda de rádio na amostra, que excita os átomos dentro da amostra. Em frequências específicas, os átomos ressoam e retornarão um sinal. Esses sinais são específicos para certos tipos de átomos e mudam, dependendo de como os átomos estão ligados. As frequências de retorno detectadas pela máquina sensível são, portanto, específicas para cada molécula. Esta informação pode ser usada para determinar o tamanho e a forma da molécula original.

Cada átomo singular emite uma mudança de ressonância suficiente para ser rastreada por máquinas de RMN, e isso depende muito e afetado pelo campo magnético efetivo no núcleo. Essa ressonância muda como um átomo forma mais conexões com outros átomos. Podemos recorrer a esses padrões de ressonância para começar a entender os detalhes da estrutura tridimensional de uma molécula e os grupos funcionais que a formam.

Vantagens da espectroscopia de RMN

Anos após anos de pesquisa em química ajudaram os cientistas a criar a imensa biblioteca espectral que agora usamos como uma ferramenta de referência para tirar parte do mistério da identificação de substâncias desconhecidas. Agora sabemos quais padrões espectrais esperar de quais grupos funcionais e podem inferir informações estruturais, químicas e magnéticas de uma leitura de RMN. Portanto, não é exagero dizer que a RMN nos ajudou a desenvolver uma compreensão mais profunda do mundo ao nosso redor.

Comparado com a espectrometria de massa, a espectroscopia de RMN contém várias vantagens. Primeiro de tudo, não há necessidade de purificar ou derivar uma substância antes da análise. A RMN é capaz de medir e observar todos os átomos dentro da amostra. Segundo, a RMN é uma medição quantitativa e, portanto, não precisa de tanta análise quanto espectrometria de massa para decifrar os resultados. No entanto, o NMS pode não ser a ferramenta apropriada para alguns aplicativos.

RMN e compostos desconhecidos

As leituras de ressonância que obtemos da espectroscopia de RMN nos emprestam a capacidade de decifrar a estrutura molecular de um composto desconhecido e sua “pureza”. A pureza é definida como uma substância que contém apenas um tipo de molécula. Às vezes, solventes ou outros produtos químicos podem permanecer dentro de uma amostra e diminuir sua pureza. Se estivéssemos testando uma substância misteriosa, compararíamos os picos em nossas leituras de RMN com as vastas bibliotecas espectrais existentes e, em seguida, fazemos inferências sobre os compostos da estrutura básica.

Medindo cada átomo

Nossas leituras vamos inferir algumas coisas. Primeiro, o comprimento de um pico em nossas leituras de RMN refletirá a proporção relativa do referido átomo no esqueleto de nossa amostra. Portanto, podemos estimar quantos átomos de hidrogênio ou grupos de metano estão em nosso composto desconhecido com base no comprimento relativo do pico em comparação com os que são desativados pelos outros átomos.

Compreendendo a posição dos átomos

Segundo, a espectroscopia de RMN também nos fornece informações sobre a posição relativa de nossos átomos. Um átomo de hidrogênio pode emitir vários sinais diferentes de ressonância, dependendo de seus átomos ou grupos vizinhos. Por exemplo, um átomo de hidrogênio localizado ao lado de um grupo polar, como um grupo carboxil contendo oxigênio, emitirá uma leitura mais alta de RMN do que um átomo de hidrogênio vizinho por grupos de metano não polar.

Um átomo de hidrogênio ligado a um átomo polar, por outro lado, terá uma leitura ainda maior de RMN devido ao aumento da mudança de ressonância. Em geral, o padrão que encontramos é que as relações polares emitirão altas leituras de RMN, enquanto não polar realizar o oposto. A RMN funciona espetacularmente bem para grupos funcionais. Grupos hidroxila, grupos de amina, grupos carboxila e muito mais têm mudanças características de ressonância de RMN que são uma informação automática. Quando os encontramos, podemos realmente começar a visualizar nossa molécula.

Uma vez que nossa estrutura básica é entendida, nossos resultados de RMN podem nos ajudar a inferir várias coisas sobre a conformação molecular do composto e suas propriedades físicas (isto é, ebulição, pontos de fusão, mudanças de fase) com base nos componentes moleculares presentes e sua polaridade.

Os princípios da RMN

O princípio orientador por trás da RMN está no fato de que os núcleos têm duas propriedades especiais: eles podem girar e são acusados. Essas propriedades fazem com que os núcleos reajam a um campo magnético. Se nós executássemos uma corrente elétrica ou apliquemos um campo magnético externo, isso permitiria uma transferência de energia ascendente para um estado superior. Essa transferência de energia é refletida em um determinado comprimento de onda e radiofrequência.

Quando o spin retornar à sua linha de base, a energia emitida da queda será lida pelas máquinas de RMN. Da mesma forma, a aplicação de um campo magnético externo pode fazer com que um núcleo gire na mesma direção ou contra a direção do campo magnético. Um núcleo com a rotação oposta terá maior energia. Um núcleo girando na mesma direção terá menor energia.

Além disso, a frequência ressonante que se aplica à espectroscopia de RMN será afetada pela blindagem de elétrons. A regra geral é que quanto mais eletronegativo o núcleo é, maior a frequência ressonante esperada. Além disso, quanto mais eletronegativo, ou “retirada de elétrons”, um grupo é menor a mudança química. Por outro lado, os grupos mais “doadores de elétrons” terão as maiores mudanças químicas. O aumento da mudança química pode ser devido a muitos fatores, incluindo a deslocalização da corrente que ocorre em grupos aromáticos que podem distribuir corrente entre os grupos.

Padrões de RMN e divisão de sinal

Embora tenhamos discutido brevemente algumas coisas a procurar ao interpretar as leituras de RMN, é importante discutir a divisão química em mais detalhes e resumir alguns pontos.

Interpretando sinais de RMN:

Divisão do sinal

O processo de divisão de sinal é um conceito importante na RMN e nos fornece informações vitais sobre os prótons em nossa molécula. Esse fenômeno de divisão de sinal é aquele em que vemos um sinal de prótons “dividir” em vários picos menores, todos dependentes de seus vizinhos de hidrogênio.

Quando não houver hidrogênios adjacentes, observaremos um único pico. No entanto, quando um hidrogênio é adjacente a outro hidrogênio, a ressonância se dividirá em dois, chamada dupleto. Além disso, quando dois hidrogênios são encontrados em átomos adjacentes, veremos três picos chamados um sinal de trigêmeo. Por outro lado, quando houver três hidrogênios nos átomos adjacentes, veremos a ressonância dividida em quatro picos chamados quarteto.

A ressonância de RMN será previsivelmente dividida em picos n + 1, onde n representa o número de hidrogênios nos grupos funcionais adjacentes.

Questionário

1. Qual dos seguintes padrões está correto sobre a espectroscopia de RMN?

2. Ao observar os prótons em uma RMN, ter dois hidrogênios adjacentes provavelmente darão qual dos seguintes sinais?

3. Ao conduzir a espectroscopia de RMN em uma amostra desconhecida, você descobre que existe um sinal para moléculas de hidrogênio que é dividido em 4 sinais diferentes. O que isso diz sobre a molécula que você está estudando?

4. Qual das alternativas a seguir é uma vantagem da espectroscopia de RMN sobre a espectrometria de massa?

5. O que causa o sinal na espectroscopia de RMN?

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