Fundamentos da Ressonância Magnética Nuclear

Transcrição

1 Fundamentos da Ressonância Magnética Nuclear José Daniel Figueroa-Villar Grupo de Química Medicinal Departamento de Química Instituto Militar de Engenharia Rio de Janeiro, Brasil

2 Por que RMN é tão importante? 1. É um dos mais importantes sensos químicos e físicos a nível molecular.. Desde seu descobrimento está em constante processo de evolução. 3. Aplicação em inúmeros tipos de estudos. Por exemplo: a. Estrutura e conformação molecular. b. Interações intermoleculares. c. Dinâmica molecular. d. Cinética enzimática e de reações químicas. e. Predição de parâmetros por métodos de cálculo. f. Metabolômica. g. Análise de misturas. h. Métodos de high through-put screening i. Monitoramento da composição e propriedades de objetos. j. Estudos de metabolismo celular. k. Estudos de materiais em alto e baixo campo.

3 Premio Nobel em Física 195 Por seu desenvolvimento de novos métodos para medições com precisão em ressonância magnética nuclear e descobrimentos nessa área Felix Bloch Edward Mills Purcell

4 Premio Nobel em Química 1991 Por suas contribuições no desenvolvimento de metodologias em ressonância magnética nuclear de alta resolução. Richard R. Ernst

5 Premio Nobel em Química 00 Por seu desenvolvimento de espectroscopia de ressonância magnética nuclear para a determinação da estrutura tridimensional de macromoléculas biológicas em solução. Kurt Wüthrich

6 Premio Nobel em Fisiologia e Medicina 003 Por seus descobrimentos sobre imagens por ressonância magnética Paul C. Lauterbur Sir Peter Mansfield

7 Amostra Furo interno Sonda Computador Console Magneto

8 Rotor Altura da solução: A cm ou 0,7 ml

9 MAGNETO Portas do Hélio Torre do Hélio Portas do Nitrogênio Torre do Nitrogênio Local da amostra Tampa metálica Câmara de vácuo Furo interno Bobina do Magneto Local da sonda

10 Parâmetros e Informações da RMN Parâmetro Símbolo Informação Fornecida Intensidade do sinal I Número de Núcleos Deslocamento químico Ambiente Químico e Físico dos Núcleos Constante de acoplamento J Conectividade e Geometria Tempos de relaxação T 1 e T Dinâmica e Dimensões Moleculares Efeito Ovehauser Nuclear NOE Interações Espaciais e distâncias interatômicas Difusão Molecular D Dinâmica e Dimensões Moleculares

11 Aplicações da RMN Identificação de substâncias químicas (puras e misturas). Determinação de estruturas moleculares: Fármacos. Proteínas. Ácidos nucléicos (DNA e RNA). Estudos de interações inter-moleculares: Estudos de dinâmica molecular. Estudos de cinética enzimática e de reações químicas. Estudos de metabólitos em sistemas fisiológicos. Obtenção de imagens (MRI). Análise de amostras líquidas ou sólidas.

12 Fundamentos da RMN Spin: propriedade de uma partícula que confere a mesma um momento magnético. Não tem equivalente clássico É definido pela composição e estrutura nuclear N o prótons N o nêutrons spin Par Par 0 Par Impar ½, 3/, 5/... Impar Par ½, 3/, 5/... Impar Impar 1,, 3... Exemplos 1 C e 16 O 13 C, 9 Si, 119 Sn, 19 Xe 1 H, 7 Li, 11 B, 15 N, 7 Al, 59 Co H, 6 Li, 10 B, 14 N, 50 V, 138 La I>1/ Distribuição não esférica da carga nuclear (quadrupolar)

13 Elementos acessíveis por RMN

14 Momento Magnético Nuclear

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16 Z Orientações dos momentos magnéticos para núcleos atômicos de spin ½ Bo

17 Efeito do campo magnético B o Bo=0 Energia igual Bo 0 Energia diferente

18 Efeito do campo magnético Bo

19 E E=E - E Bo=0 Bo>0

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21 Deslocamento Químico

22 Deslocamento Químico Frequência da amostra (Hz) Frequência da referência (Hz) Frequência do espectrômetro (Hz) Frequência do espectrômetro (MHz)

23 Escala CH 3 B o =,35 Tesla H 3 C CH 3 B o = 7,05 Tesla a B 0 1 a r 0 B B r a 0 r r a x10 6 Hz MHz

24 CH 3 B o =,35 Tesla H 3 C CH 3 7,50 ppm,10 ppm A escala delta independe do campo magnético usado, mas implica no uso de uma referência 7,50 ppm,10 ppm B o = 7,05 Tesla

25 Algumas Referências Importantes 1 H, 13 C e 9 Si 31 P (CH 3 ) 4 Si ou TMS H 3 PO 4 1,0 M em D O 15 N CH 3 NO 7 Al 17 O Al(NO 3 ) 3 1,0 M em D O D O 51 V VOCl

26 Deslocamento Químico Mudanças de ambiente químico (livre-ligado) Mudanças conformacionais (livre-ligado) Baixa sensibilidade Controle rigoroso de condições: Temperatura Meio (ph, solvente, concentração, força iônica, etc.) Necessidade de referência Muitos fatores afetam

27 Anel de teflon OH(D) O CH 3 Condição 1 H 3 C O O Região de observação ppb Condição Chalaça et col., J. Mol. Structure, 000, 554(-3), 5-31

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29 Acoplamento Dipolar. r Br Bp z P cos r 4 B 3 o r sen r 4 B 3 o p i b a i b a i zb a b za i zb a b za b a b a zb za 3 o b a sen e Î Î 4 3 sen e Î Î 4 3 cos sen e Î Î Î Î 3 cos sen e Î Î Î Î 3 1) (3cos Î Î Î Î 4 1 1) (3cos Î Î r 8 h H DD = 3 o b a r 8 h R

30 Acoplamento Spin-spin a A B Baixa energia A B Alta energia b A B C Baixa energia A B C Alta energia

31 1/4 J AX X X A A X1 A1 X1 A1 A isolado A+X J = 0 AX A+X J > 0 AX

32 a Caso 1: H a isolado X Caso : H a e H x sem acoplar b A1+A X1+X X Caso 3: H a e H x acoplados c A JAX A1 X JAX X1 X JAX/ JAX/ X JAX/ X JAX/

33 j AB 3 h o g 3 s B A B Constante de Planck Permeabilidade do vácuo Fator de Landée Magneton de Bohr Razão Magnetogírica de A Razão Magnetogírica de B

34 Acoplamento Spin-Spin 1/4 J AX X X A A A1 A1 X1 X1 A isolado A+X J = 0 AX A+X J > 0 AX H = n i i B o (1 i ) Î Zi J Î. Î + ik i k i k

35 CH-CH b7 b8 b7 b8 b5 b6 b5 b6 a4 a4 a a3 a a3 a1 b3 b4 a1 b3 b4 b1 b b1 b j/ A B C

36 A a b a1-a4 b1-b8 B a b a-a3 b1-b4 b5-b8 a1 a4 jab jab jab C a b

37 Hc C Ha C Hb C c4 b3 b4 c3 a4 a3 a1 c b a b1 c1 A A+B A+B+C jab jab+jac

38 Hc C Ha C Hb C a b c a1 a a3 a4 b1 b c1 c a Jab Jac b c

39 Triângulo de Pascal para I=1/ 1 n

40 Acoplamento para I>1/ z +1 I 1 m m m I I I E 1 E0 E 1 0 E-1-1 E E0 B0 E1

41 Exemplo I=1, CDCl 3 d4 d4 d3 d3 c3 c3 c c c1 d c1 d d1 d1

42 d1 d d3 c1 c c3 c4 jdc jdc jdc D C

43 Triângulo de Pascal para I=1 n

44 Hamiltonianos da RMN em Líquidos H Zeeman B o (1 ) Î Z H n i i B o (1 i ) Î Zi i k J ik Î i.î k H n i i Î Zi i k J ik Î. Î i k

45 Acoplamento de Primeira Ordem Sistema AX X - A >> jax H= - AÎ za - XÎ zx + J AX Î ZA.Î ZX A A1 X X1 JAX JAX X JAX/ JAX/ X JAX/ X JAX/

46 Acoplamento de Primera Ordem Sistema AX Estados estacionários Níveis de energia E = h[ ½ ( A + X ) + ¼ J AX ] E = h[ ½ ( A - X) - ¼ J AX ] E = h[- ½ ( A - X) - ¼ J AX ] E = h[- ½ ( A + X ) + ¼ J AX ]

47 Transição Nome da transição Freqüência A1 A ½ J A A A + ½ J A X1 X ½ J A X X + ½ J A A A1 X X1 JAX JAX X JAX/ JAX/ X JAX/ X JAX/

48 Acoplamento de Segunda Ordem Sistema AB j AB A B H= - A Î za - B Î zb + J AB Î Az.Î Bz + ½ J AB (Î A+ Î B- + Î A- Î B+ ) B 1 A B A 1 JAB JAB 1/( A + B) 1/( A + B) + 1/[( B- A)+ J AB ]1/ 1/( A + B) - 1/[( B- A)+ J AB ]1/

49 Acoplamento de Segunda Ordem Sistema AB Função N o Função de Onda Energia (Hz) 1 - ½ ( A + B ) + ¼ J AB cos + sen ½ [( A - B ) + J AB ] 1/ ¼ J AB 3 sen - cos - ½ [( A - B ) J AB ] 1/ ¼ J AB 4 ½ ( A + B ) + ¼ J AB cos {[ ( ( J AB ) J AB 1/ ] ) 1/ J AB } 1/ sen {[ ( J J AB 1/ AB ) ] J AB } 1/

50 Transição Freqüência Intensidade A 1 (1 ) ½ ( A + B ) -½ [( A - B ) + J AB ] 1/ - ½J AB 1-sen B 1 (1 3) ½ ( A + B ) +½ [( A - B ) + J AB ] 1/ - ½J AB 1+sen A ( 4) ½ ( A + B ) - ½ [( A - B ) + J AB ] 1/ + ½J AB 1+sen B (3 4) ½ ( A + B ) +½ [( A - B ) + J AB ] 1/ + ½J AB 1-sen B 1 A B A 1 JAB JAB 1/( A + B) 1/( A + B) + 1/[( B- A)+ J AB ]1/ 1/( A + B) - 1/[( B- A)+ J AB ]1/