Summary of Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR)
NMR Spectroscopy Explained: Your Guide to Proton and Carbon-13
Introducción
La espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica analítica esencial en química orgánica para identificar estructuras moleculares mediante la interacción de núcleos magnéticos con un campo magnético externo. Este material resume conceptos clave de $^{1}$H y $^{13}$C RMN, explica cómo interpretar un espectro y ofrece ejemplos prácticos para estudiantes que estudian de forma independiente.
¿Qué mide la RMN?
- La RMN mide la diferencia de energía entre los niveles de espín nuclear en un campo magnético.
- En $^{1}$H RMN observamos protones; en $^{13}$C observamos átomos de carbono-13.
Definición: La desplazamiento químico ($\delta$) es la posición de una señal en el espectro medida en partes por millón (ppm) y se calcula con la fórmula $$\delta; (\text{ppm}) = \frac{\text{desplazamiento observado (Hz) desde TMS}}{\text{frecuencia del espectrómetro (MHz)}}.$$
Estructura del espectro de $^{1}$H RMN
Los cuatro rasgos principales de un espectro $^{1}$H que usamos para deducir estructura son:
- Número de señales
- Posición (desplazamiento químico)
- Intensidad (integrales)
- Acoplamiento o división (spin-spin splitting)
1) Número de señales
- Cada tipo químico de protón produce una señal. Protones equivalentes comparten señal.
- Para anillos y alquenos, dibuje todas las conexiones a hidrógeno para identificar equivalencias.
- En dobles enlaces, dos protones son equivalentes solo si están cis o trans respecto a los mismos grupos.
Ejemplos:
- Metano: 1 señal (todos los H equivalentes).
- Moleculas con 2, 3 tipos distintos de H muestran 2 o 3 señales respectivamente.
💡 Did you know?Did you know that in cyclopropane all hydrogen atoms are equivalent giving a single $^{1}$H RMN signal?
2) Posición de las señales (efectos de apantallamiento)
- Los electrones apantallan al núcleo; mayor densidad electrónica => señal más hacia arriba (upfield, menor $\delta$).
- Grupos electronegativos deshielan protones cercanos y desplazan sus señales hacia abajo (downfield, mayor $\delta$).
Tabla: Regiones típicas de desplazamiento en $^{1}$H RMN
| Tipo de protón | Desplazamiento $\delta$ (ppm) |
|---|---|
| R–CH3 | $\sim0.9$ |
| R2CH2 | $\sim1.3$ |
| R3CH | $\sim1.7$ |
| Alquil unido a Z (Z = O, N, halógeno) | $1.5$–$4$ |
| —C\equiv C–H | $\sim2.5$ |
| Alqueno =C–H | $4.5$–$6$ |
| Aromático (Ar–H) | $6.5$–$8$ |
| Aldehído (–CHO) | $9$–$10$ |
| Ácido carboxílico (–COOH) | $10$–$12$ |
- La sustitución alcaloide (más grupos alquilo en un C–H) aumenta ligeramente el desplazamiento.
3) Intensidad (integrales)
- El área bajo una señal es proporcional al número de protones que generan esa señal.
- Los espectrómetros actuales muestran integrales en unidades arbitrarias; la proporción entre integrales da la proporción de protones.
Cómo calcular número de H por señal (pasos):
- Sumar todas las unidades de integración.
- Dividir por el número total de protones de la fórmula molecular para obtener unidades por protón.
- Dividir cada integral por las unidades por protón y redondear al entero más cercano.
Ejemplo práctico: si integrales son 54, 23 y 33 (total 110) y la molécula tiene 10 H, unidades por protón = $110/10 = 11$. Entonces cada señal corresponde a $54/11\approx5$, $23/11\approx2$, $33/11\approx3$ protones.
4) Spin–spin splitting (acoplamiento)
- Protoness en carbonos adyacentes interaccionan magnéticamente y dividen señales en multipletes.
- Regla $n+1$: una señal se divide en $n+1$ picos por la presencia de $n$ protones equivalentes en el carbono vecino.
- Intensidades siguen la distribución binomial (Triángulo de Pascal): por ejemplo, un triplete 1:2:1, un cuarteto 1:3:3:1.
Tabla: patrones comunes de acoplamiento
| Fragmento | Patron para $H_a$ | Patron para $H_b$ |
|---|---|---|
| –C–CH–HaHb | doblete |
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NMR Spectroscopy Basics
Klíčová slova: NMR Spectroscopy
Klíčové pojmy: La fórmula del desplazamiento químico es $\delta = \dfrac{\text{desplazamiento (Hz)}}{\text{frecuencia (MHz)}}$, Número de señales en $^{1}$H RMN = número de tipos no equivalentes de protones, Desplazamientos mayores (downfield) indican deshielamiento por electronegatividad o grupos π, El área bajo la señal (integral) es proporcional al número de protones responsables, Regla $n+1$: una señal se divide en $n+1$ picos por $n$ protones vecinos, Patrones de multiplicidad siguen el Triángulo de Pascal (p.ej. cuarteto 1:3:3:1), $^{13}$C RMN suele decouplarse de protones para obtener singletes por carbono, O–H y N–H son sensibles a concentración e intercambio y pueden producir señales anchas, Use desplazamientos químicos para diferenciar isómeros que comparten patrones de acoplamiento, Siga un procedimiento: contar señales, integrar, analizar multiplicidad, asignar desplazamientos, ensamblar estructura