6- Espectrometria de Ressonância Magnética Nuclear (RMN)

          O núcleo de certos elementos e isótopos comportam-se como se fossem ímãs girando em torno de um eixo. Têm esta propriedade alguns núcleos como o do hidrogênio comum e o do carbono 13. 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 eletromagnética, os núcleos podem absorver energia num processo denominado ressonância magnética. A radiação utilizada no espectrômetro de RMN é a radiofrequência (rf), de comprimento de onda altíssimo (da ordem de metros) e baixa energia (da ordem de 10-6 kcal/mol). A absorção desta radiação pelos núcleos desses elementos é quantizada e produz um espectro característico. Esta absorção não ocorre a menos que a frequência da radiação e a intensidade do campo magnético tenham valores bem definidos. Os espectrômetros permitem aos químicos medir a absorção de energia pelos núcleos de 1H e de 13C, além do núcleo de outros elementos que discutiremos mais adiante. Estes instrumentos trabalham com um campo magnético muito forte, capaz de provocar até a morte de uma pessoa que tenha uma ponte de safena e trabalhe muito perto do aparelho de RMN. Vamos nos ater inicialmente à espectrometria de ressonância magnética de prótons (RMN 1H).

          Os aparelhos de RMN 1H em geral utilizam ímãs supercondutores com campos magnéticos muito intensos e pulsos curtos de radiação de radiofrequência, que provocam a absorção de energia pelos núcleos de 1H, todos ao mesmo tempo, e ocorre ressonância. A excitação dos núcleos provoca um fluxo de pequena corrente elétrica numa bobina receptora que envolve a amostra. O instrumento então amplifica a corrente exibe o sinal (um pico ou uma série de picos) no computador, que então efetua a promediação dos sinais e depois um cálculo matemático (transformada de Fourier), exibindo um espectro legível.


          6.1) A origem do sinal:

          Assim como os elétrons possuem o número quântico spin (S), os núcleos de 1H e de alguns isótopos também possuem spin. O núcleo do hidrogênio comum é como o elétron: seu spin é 1/2 e pode assumir dois estados: +1/2 e -1/2. Isto significa que o núcleo do hidrogênio possui dois momentos magnéticos. Outros núcleos com número quântico spin igual a 1/2 (veja mais sobre momento magnético spin em Termos de Russel-Saunders), são os dos isótopos 13C, 19F e 31P. 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 1/2. Porém, vamos estudar apenas os espectros de 1H e de 13C, ambos com DS = 1/2.

          Como o próton tem carga elétrica, a rotação a rotação do próton gera um pequeno momento magnético - momento cuja direção coincide com a do eixo do spin. Este pequeno momento magnético confere ao próton em rotação as propriedades de uma pequena barra magnetizada. Na ausência de campo magnético externo, os momentos magnéticos dos prótons de uma amostra estão orientados ao acaso. Quando um composto contendo hidrogênios (portanto, prótons) é colocado num campo magnético externo, os prótons só podem assumir uma de duas orientações possíveis em relação ao campo magnético externo. O momento magnético do próton pode estar alinhado "paralelamente" ao campo externo, ou "antiparalelamente" ao campo. estes dois alinhamentos correspondem aos dois estados de spin mencionados anteriormente.

          Como vemos, os dois alinhamentos do próton num campo magnético não têm a mesma energia. Quando o próton está alinhado a favor do campo (paralelamente) sua energia é mais baixa que a energia quando está alinhado contra o campo magnético (antiparalelamente). Sem campo magnético não há diferença de energia entre os prótons, e a diferença de energia gerada pelo campo externo aplicado depende da intensidade desse campo. É necessária certa quantidade de energia para fazer o próton passar do estado de energia mais baixa para o estado de maior energia. No espectrômetro de RMN 1H esta energia é proporcionada pela radiação eletromagnética utilizada (radiofrequência). Quando ocorre esta absorção dizemos que os núcleos estão em ressonância com a radiação.

          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 hidrogênio no composto (veremos mais adiante as diferenças entre os átomos de hidrogênio). 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 exatidão, estão entre si na mesma razão que o número de átomos de hidrogênio que provocam cada sinal. Os espectrômetros medem automaticamente estas áreas e plotam curvas denominadas curvas integrais, correspondentes a cada sinal. As alturas das curvas integrais são proporcionais às áreas subentendidas pelos sinais. A resolução e nitidez dos espectros de RMN dependem da intensidade do campo magnético utilizado. Assim, nos aparelhos que utilizam um campo magnético de 7,04 tesla, a diferença de energia corresponde à radiação eletromagnética de 300 MHz. Há instrumentos mais modernos que operam com frequências de 600 e até 800 MHz.


          6.2) O deslocamento químico:

          Se os hidrogênios de uma molécula perdessem todos os seus elétrons e fossem isolados dos outros núcleos, todos os eles (prótons) absorveriam energia num campo magnético de intensidade bem determinada, para uma dada frequência de radiação eletromagnética. No entanto, não é essa a situação real. Numa molécula, alguns núcleos de hidrogênio estão em regiões de densidade eletrônica maior do que em outros; por isso, os núcleos (prótons) absorvem energia em campos magnéticos de intensidades ligeiramente diferentes. Os sinais destes prótons, assim, aparecem em diferentes posições no espectro de RMN. Têm-se, como se diz, deslocamento químico diferente. A intensidade do campo em que a absorção ocorre depende sensivelmente das vizinhanças magnéticas de cada próton. Estas vizinhanças magnéticas, por sua vez, dependem de dois fatores: dos campos magnéticos gerados pelos elétrons em movimento e dos campos magnéticos que provêm de outros prótons vizinhos (acoplamentos de spins entre os núcleos de 1H).

          A circulação dos elétrons de uma ligação sob a influência de um campo magnético externo gera diminuto campo magnético (campo induzido) que blinda o próton em relação ao campo externo. No próton, o campo induzido se opõe ao campo externo. Isto quer dizer que o campo magnético real que atua sobre o próton é menor do que o campo externo. Um próton que está fortemente blindado pelos elétrons não pode absorver a mesma energia que um próton de baixa blindagem, num mesmo campo magnético externo. Um próton blindado absorverá energia num campo externo de maior intensidade (ou em frequências mais elevadas). O campo externo deve ser mais intenso para compensar o efeito do pequeno campo induzido.

deslocamento químico de prótons no espectro de RMN

          O grau de blindagem do próton pelos elétrons circulantes depende da densidade eletrônica relativa em torno desse próton. A densidade eletrônica em torno do próton, por sua vez, depende, em grande parte, da presença de grupos eletronegativos. Quanto mais próximo destes grupos "retiradores de elétrons", menos blindado estará o próton. A deslocalização de elétrons (ressonância) também contribui para a desblindagem do próton. Assim, prótons aromáticos de anéis benzênicos não são blindados, e absorvem energia num campo magnético de baixa intensidade. Em contrapartida, prótons ligados a carbonos de duplas e triplas ligações possuem blindagem relativamente alta, devido à alta densidade eletrônica das ligações pi, 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), devido a estes deslocamentos serem muito pequenos em comparação com a intensidade do campo magnético externo. Quanto mais para esquerda se localiza o sinal, menor é o campo magnético sobre o núcleo. Estas posições são medidas em relação à absorção dos prótons de um composto de referência, pois não seria prático medir o valor real do campo magnético no qual ocorre a absorção de energia. O composto de referência normalmente utilizado é o tetrametilsilano (TMS). À amostra cujo espectro esteja sendo levantado adiciona-se pequena quantidade de TMS e toma-se o sinal dos 12 prótons equivalentes do TMS como o ponto zero da escala. Veja abaixo a estrutura do TMS:

TMS

          Há várias razões para a escolha do TMS como composto de referência:

          Assim, o sinal do TMS raramente interfere nos sinais de outros prótons. Depois de o espectro ter sido levantado, pode-se eliminar o TMS facilmente por evaporação.

          químico de alguns hidrogênios (a ordem de Veja abaixo uma tabela com os valores mais comuns para o deslocamento blindagem decresce de cima para baixo):

  Tipo de próton    Deslocamento químico 
  Alquila primário R-CH3           0,8 - 1,0
  Alquila secundário R-CH2-R            1,2 - 1,4
  Alquila terciário R3CH           1,4 - 1,7
  Alílico R2C=CR-CH3           1,6 - 1,9
  Cetona R-CO-CH3           2,1 - 2,6
  Benzílico ArCH3           2,2 - 2.5
  Acetilênico RC CH           2,5 - 3,1
  Iodeto de alquila RCH2I           3,1 - 3,3
  Éter R-O-CH2-R           3,3 - 3,9
  Álcool R-CH2OH           3,3 - 4,0
  Brometo de alquila R-CH2Br           3,4 - 3,6
  Cloreto de alquila R-CH2Cl           3,6 - 3,8
  Vinílico R2C=CH2           4,6 - 5,0
  Vinílico R2C=CHR           5,2 - 5,7
  Aromático Ar-H           6,0 - 9,5
  Aldeído R-COH           9,5 - 9,6
  Hidroxila de álcool R-OH           0,5 - 6,0 *
  Amínico R-NH3           1,0 - 5,0 *
  Fenólico ArOH           4,5 - 7,7 *
  Carboxílico R-COOH         10,0 - 13,0 *

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


          6.3) Identificação dos tipos de hidrogênio:

          Hidrogênios Homotópicos - Numa mesma molécula podem existir vários átomos de hidrogênio equivalentes, isto é, com o mesmo deslocamento químico. Portanto, o sinal destes hidrogênios cai na mesma posição do espectro de RMN. Dizemos que estes hidrogênios são quimicamente equivalentes e são chamados hidrogênios homotópicos. Imagine, por exemplo, a molécula de etano (C2H6). O espectro de RMN 1H desta molécula daria um único pico - um singleto. Mas como é que 6 hidrogênios podem dar apenas um sinal? É porque todos estes hidrogênios do etano têm as mesmas propriedades químicas. Por exemplo, se substituirmos qualquer um dos hidrogênios por um grupo Z qualquer, teremos a mesma molécula C2H5Z, idêntica tanto na estrutura geométrica e espacial quanto nas propriedades físico-químicas. Nós sabemos que no grupo metil (-CH3) todos os três hidrogênios são equivalentes, pois existe a possibilidade de rotação da ligação sigma. Assim, se substituirmos um hidrogênio qualquer de cada um dos carbonos do etano por um grupo Z, teremos a mesma molécula. Já na molécula de eteno (H2C=CH2) a ligação dupla não permite o giro, e podemos formar dois compostos isômeros diferentes (cis e trans) se substituirmos um hidrogênio de cada um dos carbonos (veja mais detalhes em isomeria geométrica). Apesar disso, a molécula é simétrica, isto é, existe um plano de simetria em sua estrutura. Essa simetria faz com que existam hidrogênios homotópicos, ou seja, que são interpretados como um único sinal. Veja agora o seguinte exemplo:

hidrogênios homotópicos

          Na molécula do 2-metilpropeno acima temos dois grupos de hidrogênios homotópicos (em azul e em vermelho). Substituindo qualquer um dos dois hidrogênios azuis por um bromo, temos a mesma molécula: 1-bromo 2-metilpropeno. Também podemos substituir qualquer um dos seis hidrogênios vermelhos por um bromo, e teremos a mesma molécula: 3-bromo 2-metilpropeno. Assim, o 2-metilpropeno dá dois sinais no espectro de RMN 1H: um correspondente aos hidrogênios homotópicos azuis e outro correspondente aos hidrogênios homotópicos vermelhos. Podemos dizer que os hidrogênios são homotópicos porque possuem a mesma vizinhança, e o espectro de RMN 1H não detecta diferenças químicas entre estes hidrogênios, já que eles têm o mesmo grau de blindagem. A diferença entre os dois sinais do 2-metilpropeno é o deslocamento químico dos dois grupos de hidrogênios e o valor da curva integrais dos picos: a curva dos hidrogênios azuis terá valor relativo 2 (dos dois prótons) e a curva dos hidrogênios vermelhos terá valor relativo 6 (dos 6 prótons).

          Hidrogênios Enantiotópicos e Diasterotópicos - Se a substituição de cada um dos hidrogênios pelo mesmo grupo leva a compostos que são enantiômeros, os dois átomos de hidrogênio são enantiotópicos. Eles têm o mesmo deslocamento químico e dão apenas um sinal no espectro. Veja o exemplo abaixo:

hidrogênios enantiotópicos

          Os dois átomos de hidrogênio do brometo de etila são enantiotópicos. O composto então dá dois sinais no espectro de RMN 1H: um correspondente aos três prótons do grupo metil (são homotópicos) e outro correspondente aos dois prótons enantiotópicos, que também são equivalentes.

          Se a substituição de cada um dos hidrogênios pelo mesmo grupo leva a compostos que são diasteroisômeros, os dois átomos de hidrogênio são diasterotópicos (lembre-se que os diasteroisômeros não formam par objeto-imagem). A identificação de hidrogênios diasterotópicos em um composto é muito importante porque eles não têm o mesmo deslocamento químico e dão sinais diferentes no espectro, embora na maioria das vezes estes dois sinais estejam tão próximos que torna-se difícil distinguí-los, a não ser que se utilize um espectrômetro de alta frequência. Os hidrogênios diasterotópicos, portanto, podem explicar o aparecimento de sinais extras no espectro. Veja os exemplos abaixo:

hidrogênios diasterotópicos


          6.4) O desdobramento do sinal:

          Desdobramento do sinal é o fenômeno que ocorre graças às influências magnéticas, sobre os átomos de hidrogênio responsáveis pelo sinal, de outros átomos de hidrogênio adjacentes. Este efeito é conhecido como acoplamento spin-spin. O acoplamento de um hidrogênio com outro gera um pico duplo (dupleto), o acoplamento entre três hidrogênios gera um pico triplo (tripleto) e assim por diante. Sinais com múltiplos picos (mais de 7 ou 8) podem ser chamados multipletos.

desdobramento do sinal de RMN1H

Os efeitos do acoplamento spin-spin são transferidos principalmente pelos elétrons de ligação e não são usualmente observados se os prótons acoplados estiverem separados por mais de três ligações sigma.

          Não se observa desdobramento de sinal de prótons equivalentes (homotópicos) ou enantiotópicos, ou seja, não há desdobramento de sinal entre prótons com mesmo deslocamento químico. Assim, por exemplo, no espectro do etano (CH3CH3) há apenas um pico (singleto), correspondente aos seis átomos de hidrogênio homotópicos. Veja alguns exemplos de análise de espectros de RMN 1H:

1) PROPANOL


  espectro de RMN1H do propanol 

          O grupo OH age como um grupo "retirador de elétrons", ou seja, devido à sua alta eletronegatividade, a densidade eletrônica da molécula está deslocada a favor desse grupo, e o efeito indutivo na cadeia segue também esse sentido. Assim, da esquerda para a direita, os hidrogênios têm a densidade eletrônica diminuída, o que explica o deslocamento químico desses prótons no espectro ao lado (lembre-se de que quanto maior a blindagem dos prótons, mais para a direita do espectro será o seu deslocamento químico).

          Os H vermelhos são homotópicos, portanto, têm o mesmo deslocamento químico. Eles acoplam-se entre si e com os H azuis, que estão separados dos hidrogênios em vermelho por menos de quatro ligações. O sinal é desdobrado num tripleto, porém, esse desdobramento é devido somente ao acoplamento com os H azuis); o acoplamento entre os hidrogênios homotópicos gera apenas um aumento da intensidade do pico (a curva integral tem valor 3). Pode-se generalizar que o número de picos no sinal de um próton é igual ao número de prótons adjacentes + 1.

          Seguindo o mesmo raciocínio feito acima, temos que:


2) BROMO-METANOATO DE ISOPROPILA


  espectro de RMN1H do bromo-metanoato de isopropila 

          Os deslocamentos químicos observados são explicados devido ao efeito da eletronegatividade dos grupos Br, oxigênio e carbonila. O H verde é o menos blindado, pois está separado do oxigênio por apenas duas ligações. O H vermelhos estão separados do oxigênio por três ligações, e por isso, o efeito eletronegativo do oxigênio é menos pronunciado sobre estes prótons, que então, ficam mais protegidos. Finalmente, os H azuis estão ligados a um carbono que se liga ao bromo, de pequena eletronegatividade, e a uma carbonila, ou seja, não há perto destes hidrogênios um grupo tão eletronegativo como o oxigênio. Por isso eles têm blindagem maior e a o sinal cai numa posição de campo alto.


3) ÁCIDO PARA-TOLUIL-ACÉTICO


  espectro de RMN1H do ácido para-toluil-acético 

          Os deslocamentos químicos observados são explicados devido ao efeito da eletronegatividade do grupo carboxila e do efeito de deslocalização de elétrons gerado pela ressonância do anel benzênico, que desblinda os hidrogênios aromáticos. O H da carboxila é fortemente desblindado pela ação da eletronegatividade dos oxigênios. Os H verdes têm blindagem relativamente alta, pois estão muito distantes da carboxila.


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Química 2000 - Wagner Xavier Rocha, 1999