1-propanol. 2-propanol

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1 1-propanol 2-propanol

2 RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR INTRODUÇÃO A espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) é basicamente uma outra forma de espectroscopia de absorção, semelhante à espectroscopia de infravermelho ou de ultravioleta. Neste caso determina-se a energia absorvida (radiação eletromagnética) contra uma frequência específica, na faixa de megahertz (MHz) do espectro eletromagnético, na presença de um forte campo magnético. Todos os núcleos possuem carga (prótons). Em alguns casos a carga gira em torno do eixo nuclear gerando um dipolo magnético ao longo do eixo. O momento angular da carga em movimento pode ser descrito em termos do "número de spin" I, que pode assumir os valores de 0, 1/2, 1 e 3/2. Spin I = 1/2 ( 1 H, 13 C, l5 N, l9 F, 31 P)

3 I,(I -1),... (-I + 1), -I Shell Model

4 Shell Model (prótos e nêutrons) Protons: 10 B 5 Neutrons: I = 1/2 x 6 = 3 Protons: 14 N 7 Neutrons:

5 O átomo de Hidrogênio A carga atribuída ao próton (+) também se movimenta ao redor do próprio eixo + i N S O movimento de cargas elétricas gera uma corrente elétrica, e... Uma corrente elétrica cria um campo magnético ao seu redor Com um polo norte, um polo sul e um momento magnético ( ) Ou seja, os núcleos dos átomos de hidrogênio podem ser vistos como pequenos ímãs!

6 O ESPECTRO ELETROMAGNÉTICO ALTA ALTA Frequencia (n) Energia BAIXA BAIXA X-RAY ULTRAVIOLET INFRARED MICRO- WAVE RADIO FREQUENCY Ultraviolet Visible Vibrational infrared Nuclear magnetic resonance 2.5 m 15 m 1 m 5 m 200 nm 400 nm 800 nm BLUE RED curto Wavelength (l) longo

7 O Espectro e os Efeitos Moleculares =>

8 Princípios Físicos da RMN Um núcleo atômico com diferentes números de prótons e nêutrons possui um momento angular em torno do seu centro de massa e consequentemente um momento magnético. Na ausência de um campo magnético os momentos magnéticos nucleares apontam em direções aleatórias do espaço, assim diz-se que a magnetização total M 0 é nula. Quando os núcleos são submetidos a um campo externo B 0 estes alinham-se paralelamente (baixa energia) ou anti-paralemente (alta energia) ao mesmo. Como os estados de mais baixa energia são mais prováveis, a magnetização total passa a ser paralela à B 0. Quando o campo magnético está desligado ( B 0 = 0 ) Momentos magnéticos orientados aleatoriamente Quando o campo magnético está ligado ( B 0 diferente de 0 ) Momentos magnéticos orientados sob ação de B 0 O primeiro passo de uma medição de RMN é o alinhamento dos ímãs nucleares com um forte campo magnético, produzido por um grande ímã no qual eles são colocados. Esse campo fará com que eles se alinhem, com os pólos norte dos núcleos apontando para o pólo sul do ímã.

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10 ABSORÇÃO DE ENERGIA Um núcleo com spin alinhado ao campo absorve energia e fica oposto ao campo magnético A diferença de energia depende do campo magnético aplicado

11 Os núcleos com spin I = 1 ou maior do que 1 possuem uma distribuição de carga não esférica. Esta assimetria é descrita por um momento elétrico de quadrupolo, o qual, afeta o tempo de relaxação e, conseqüentemente, o acoplamento com os núcleos vizinhos. Em termos quânticos, spin I determina o número de orientações diferentes que um núcleo pode assumir quando colocado em um campo magnético uniforme, de acordo com a fórmula 2 I + 1. Para o hidrogênio, cujo número de spin I é ½, duas orientações são possíveis em relação a um campo magnético externo uniforme e um pequeno excesso de população na orientação de menor energia. A diferença de energia é proporcional a força do campo magnético E = hn = h B 0 2

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13 Quanto mais forte o campo magnético aplicado, maior será a diferença de energia entre os possíveis estados de spin. A separação dos níveis de energia tbém dependem da partícula envolvida. Cada núcleo tem um valor de razão magnetogírica. O momento angular do núcleo é quantizado por unidades de h/2, chegando a seguinte equação: A frequência de energia absorvida é:

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15 Nos núcleos onde o número de nêutrons é par e o número de prótons também é par, não possuem momento magnético nuclear. Exemplos: 4 He (2p, 2n), 12 C (6p,6n) e 16 O (8p,8n). O momento magnético nuclear μ é proporcional ao spin nuclear I: A constante é chamada de fator giromagnético (magnetogírica), sendo uma característica de cada núcleo.

16 A equação fundamental da RMN relaciona a frequência eletromagnética com a força do campo. n = frequência da radiação eletromagnética A constante (gama), a razão giromagnética (magnetogírica) é uma constante nuclear fundamental. A razão magnétogírica é a constante de proporcionalidade entre o momento magnético e o número de spin I. O hidrogênio girando em um campo magnético externo; o eixo magnético do núcleo terá um movimento de precessão ao redor do eixo do campo de maneira análoga a que se observa para um pião sob a influencia do campo gravitacional. 0 = freqüência de Larmor

17 Frequência de precessão A precessão dos momentos magnéticos nucleares em torno de B 0, com uma freqüência proporcional à B 0 característica de cada núcleo, denominada frequência de Larmor. O campo magnético B 0 obriga os núcleos do Hidrogênio a realizar um movimento chamado de precessão (como o roda-pião). A velocidade deste movimento é caracterizada através da freqüência de precessão. A freqüência de precessão é importante devido a sua relação com o fenômeno de ressonância.

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19 Transformada de Fourier! Transforma o domínio do tempo em domínio da frequências. Transforma o Sinal Analógica em Digital.

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21 DESLOCAMENTO QUÍMICO A diferença da posição de absorção do hidrogênio e a de um hidrogênio de referência é chamada de deslocamento químico do hidrogênio em questão. Hidrogênios em ambientes químicos "diferentes" têm deslocamentos químicos diferentes. Hidrogênios no mesmo ambiente químico têm o mesmo deslocamento químico. O hidrogênio encontram-se blindados fracamente pelas nuvens eletrônicas que os cercam, cuja densidade varia com o ambiente químico. Esta variação dá origem à absorção em posições diferentes. Os elétrons circulam sob a influência de um campo magnético, produzindo seu próprio campo magnético que age em oposição ao campo aplicado, de acordo com a "regra da mão direita". Isto resulta no efeito de blindagem.

22 Exemplo: ClCH 2 CH 2 OH Os hidrogênios dos grupos CH 2 em ClCH 2 CH 2 OH têm deslocamentos químicos diferentes e os hidrogênios no mesmo grupo metileno, têm deslocamentos químicos iguais. O composto de referência mais utilizado tanto para os núcleos de hidrogênio como para os de carbono é o Tetrametilsilano (TMS). Vantagens de se usar o TMS CH 3 Quimicamente inerte. Volátil (P.E. 27 o C). CH3 CH 3 Solúvel na maior parte dos solventes orgânicos. O composto produz apenas um pico de absorção, agudo, na região de maior blindagem do que a maior parte dos hidrogênios e carbonos de compostos orgânicos. O deslocamento químico aumenta da direita para a esquerda. CH 3 Quando os deslocamentos químicos são expressos em Hz (representados por n), a frequência do campo magnético deve ser especificada. Si

23 Escala d O deslocamento químico aumenta da direita para a esquerda. São expressos em ppm dividindo-se n pela freqüência aplicada e multiplicando-se por 10 6.

24 Laboratório de Ressonância Magnética Nuclear

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27 500 MHz 300MHz

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29 -200 o C (N 2 ) -270 o C (He) He R$ 80,00 N 2 R$ 9,00 Ano 2014

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31 800 MHz

32 900 MHz

33 Tubos para amostras

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35 Probes

36 Bobina de varredura The spectrometer

37 Aumento campo magnético aplicado

38 Átomos eletronegativos desblindam mais e provocam um maior deslocamento químico. Este efeito diminui com a distância..

39 Localização dos Sinais

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41 RMN de 1 H - Número de Sinais Dois hidrogênios serão equivalentes se ambos forem cis (ou trans) ao mesmo grupo. Exemplo:

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46 Hidrogênio ligado a carbonila de aldeído, d=9-10ppm Eletronegatividade do átomo de oxigênio

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49 Bobina de varredura The spectrometer

50 Aumento campo magnético aplicado

51 .

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53 Acoplamento a três ligações ( 3 J ) O acoplamento vicinal tem uma constante de acoplamento designada como 3 J. HA H B H A H B H A H B J J C C C C C C H A H B RO-CHR-CHR-CR 3 Sistema AX Cada hidrogênio produzirá uma absorção e estas estarão separadas. O spin de cada hidrogênio é ligeiramente afetado pelas duas orientações dos spins do outro hidrogênio A distância entre os picos que compõem o dublete é chamada de constante de acoplamento J

54 H H sistema C C no composto RO-CHR-CH 2 -CR 3 H

55 55

56 Triângulo de Pascal Regra do 2nI+1 n= n o de hidrogênios I = n o de spins 1H + 1H = dubleto 1H + 2H = tripleto 1H + 3H = quarteto 1H + 4H = quinteto

57 ACOPLAMENTO SIMPLES SPIN-SPIN

58 O espectro de RMN de hidrogênio do 1,1,2-tribromoetano mostra um tripleto em δ = 5,7 ppm e um dubleto em δ = 4.1 ppm

59 RMN de 1 H Acoplamento Spin-Spin

60 Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy 1 H NMR Spin-Spin Splitting Whenever two (or three) different sets of adjacent protons are equivalent to each other, use the n + 1 rule to determine the splitting pattern. 60

61 Splitting for Isopropyl Groups => Chapter 13 61

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63 A Figura abaixo mostra o espectro de RMN de 1 H do cloreto de etila obtido a 60 MHz. O pico em d=0,00 corresponde à referência interna tetrametilsilano (TMS) e o pico em d=7,27 pertence à impureza de CHCl 3 do solvente CDCl 3. Sistema AX 3 O acoplamento vicinal descrito (H-C-C-H) envolve três ligações e pode ser representado por J HCCH ou 3 J

64 CH 3 O CH 3 CH 3 COCH 2 CH 3 OCH 2 (2H) CH 3 (3H) (3H) CH 3 OCH 2

65 C 4 H 8 O CH 3 O CH 3 CH 3 CCH 2 CH 3 CH 2 CH 3 CH 3 CH 2

66 C 5 H 10 O 2 CH 3 CH 3 O CH 3 CH 2 COCH 2 CH 3 OCH 2 CH 2 CH 3 CH 3 OCH 2 CH 2

67 . ethyl Cbutanoate 6 H 12 O 2 CH 3 CH 2 CH 2 COCH 2 CH 3 O CH 3 CH 3 CH 2 OCH 2 CH 2

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69 A constante de acoplamento vicinal 3 J HH mede a separação em Hz entre os picos, que nesse caso são os dubletos representados abaixo. J H J A H B C C HA H B Curva de Karplus H R cc H C C Comprimento da Ligação H C C H Ângulos das ligações H C C H X Eletronegatividade do Substituinte X Constantes de acoplamentos vicinais calculadas para diferentes valores de ângulo diedro

70 ACOPLAMENTOS VICINAIS E GEMINAIS EM SISTEMAS RÍGIDOS O acoplamento entre hidrogênios heterotópicos presentes em átomos de carbonos vizinhos, em sistemas rígidos, depende primariamente do ângulo diedro entre os planos H- C-C' e C-C'-H' Karplus mostrou que estes cálculos são aproximados e não levam em conta fatores como a eletronegatividade dos substituintes, os ângulos de ligação (H-C-C'e C-C'-H') e os comprimentos de ligação.

71 Cicloexanos ACOPLAMENTO A LONGA DISTÂNCIA Os acoplamentos alílicos (H-C-C=C-H) são pequenos (de 0 a 3 Hz aproximadamente) O acoplamento "meta" no anel benzênico varia entre 1 e 3 Hz e o "para" entre 0 e 1 Hz conformação W O valor de J AB no sistema biciclo-[2.1.1]-hexano é de 7 Hz

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74 p-cloro-estireno Sistema ABX, pode ser considerado equivalente ao AMX Os hidrogênio A e B não são equivalentes em deslocamento químico A (d~5,70) X (d~6,70) A ( 3 J~18 Hz) B ( 3 J~11 Hz) B ( 3 J~2 Hz) o acoplamento trans é maior do que o cis e o acoplamento geminal é muito pequeno

75 Espectro para o Estireno

76 Como seria os sinais para os Hidrogênio H a, H b e H c do acetato de vinila?

77 Acrilonitrila H a H b H c CN Acoplamento Vicinal 3 J HH 2 J HaHb = 1.5 Hz 3 J HaHc = 11.3 Hz 3 J HbHc = 18.2 Hz Ha Hb J HaHb = 6-10 Hz (orto) Acoplamento em Sistema Aromático J HaHc = 1-3 Hz (meta) Hd Hc J HaHd = 0-1 Hz (para) Ha Cl Ha Hb Hb NO 2 Espectro de 1 H em 300 MHz do 1-cloro4-nitrobenzeno

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79 Espectro de 1º ordem

80 n/j maior do que aproximadamente 10 Espectro de 1º Ordem

81 RO-CHR-CHR-CR 3 Sistema AX

82 = 2,1, SINGLETO (s), 3H. = 4,6, DUPLO DUBLETO (dd), J = 10Hz e J = 3,0 Hz, (1H, Hb) = 4,8, DUPLO DUBLETO (dd), J = 15 Hz e J = 3,0 Hz, (1H, Ha) = 7,3, DUPLO DUBLETO (dd), J = 15 Hz e J = 10 Hz ( 1H, Hc).

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84 Qual é a fórmula estrutural do C 2 H 5 Br?

85 Qual é a fórmula estrutural do C 8 H 10?

86 Qual é a fórmula estrutural do C 8 H 10?

87 Qual é a fórmula estrutural do C 8 H 8 O? CH 3 O H H H H CH 3 C H H H H CH 3 H C C C H H H H C C C H H H

88 Qual é a fórmula estrutural do C 3 H 8 O? CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 2 CH 2 O OH CH 3 CH 2 CH 2 O OH

89 Qual é a fórmula estrutural do C 4 H 10 O? CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 OH CH 2 O CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 2 O OH CH 2 CH 2

90 Qual é a fórmula estrutural do C 7 H 14? CH 2 C CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2

91 Qual é a fórmula estrutural do C 6 H 12 O 2?

92 Qual é a fórmula estrutural do C 8 H 8?

93 Desdobramento dos sinais dos hidrogênios H a e H b H a c H C C Hb

94 Efeito NOE (Nuclear overhauser effect) Desacoplamento de spin seletivo

95 Espectros de RMN de 13 C

96 Espectros de RMN de 13 C

97 Espectros de RMN de 13 C

98 Espectros de RMN de 13 C

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100 Espectro de RMN de 13 C C 4 H 8 O

101 C 4 H 10 O OH

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105 DEPT-135 mostra carbonos ligados a hidrogênios, não mostra CDCl3 e carbonos quaternários, CH e CH 3 sinais positivos. CH 2 sinais negativos DEPT-90 só aparece CH DEPT-45 todos os carbonos hidrogenados

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107 DEPT (Distortion enhancement by polarization transfer) CH e CH 3 para cima e CH 2 para baixo

108 Carbonos Equivalentes

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110 RMN em duas dimensões (RMN 2D) COSY 1 Hx 1 H Correlation Spectroscopy

111 COSY spectrum of codeine

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113 HETCOR Heteronuclear Correlation Spectroscopy 1 Hx 13 C

114 APLICAÇÕES DA RMN RMI (Ressonância Magnética de Imagem RMN TOMOGRAFIA

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117 A ressonância magnética (RM) nuclear foi descoberta em 1946 porém apenas em 1977 foram adquiridas e publicada as primeiras imagens do corpo humano por esta técnica. Há 10 anos sua aplicabilidade clínica tornou-se acessível aos pacientes que procuram serviços médicos especializados e esta tecnologia vem tornando-se cada vez mais no método diagnóstico por imagem mais revolucionário de todos os tempos. Ao contrário das conhecidas imagens de Rx e tomografia computadorizada, a RM não utiliza radiação ionizante e sim pulsos de radiofreqüência. Em termos práticos podemos considerar o aparelho de ressonância magnética como um grande e potente ima. A aquisição das imagens pode ser entendida da seguinte maneira. 1. O paciente é colocado no aparelho de ressonância magnética. 2. Uma vez dentro da máquina todos os íons hidrogênio existentes nos diferentes tecidos do corpo irão se alinhar paralelamente com o campo magnético do aparelho. 3. Uma bobina de radiofreqüência emite seus pulsos que são capazes de mudar o eixo destes íons em 90 graus. 4. Quando a bobina desliga os íons tendem a se realinhar ao campo magnético porém com intensidades e velocidades diferentes de acordo com o tipo de tecido em que eles se encontram. 5. Esta diferença de intensidade e tempo é captada e quantificada pelo aparelho que localiza e define uma cor em escala de cinza para cada ponto detectado. 6. As informações são processadas por uma estação de trabalho computadorizada que realiza a construção da imagens nos planos coronal, axial e sagital.