Tipuri uzuale de spectre uni și bidimensionale RMN și tipuri de informații furnizate de acestea

1. INTRODUCERE

Spectroscopia de rezonanţă magnetică nucleară (RMN) este una dintre cele mai importante metode analitice disponibile în prezent, fiind aplicată atât de chimişti cât şi de fizicieni în studiul gazelor, lichidelor şi solidelor. Biochimiştii folosesc această tehnică în determinarea structurii peptidelor şi proteinelor. Spectroscopia RMN este folosită şi în medicină, fiind cunoscută sub denumirea de Imagistică (MRI).

Numărul mare de nuclei activi în RMN a atras interesul nu numai chimiştilor organiticieni, ci şi celor din domeniile chimiei organometalice, anorganice şi macromoleculare.

Rezonanţa magnetică nucleară a fost descrisă pentru prima dată de Isidor Rabi în 1938. Opt ani mai târziu, în 1946, două echipe de cercetători, conduse de Bloch şi Purcell, au investigat primele spectre RMN pe lichide şi solide

Datorită descoperirii făcute cei doi au primit în 1952 premiul Nobel pentru fizică.

Dintre toate metodele fizice de caracterizare, rezonanţa magnetică nucleară este aceea care oferă cea mai bogată şi completă informaţie structurală asupra scheletului organic al compuşilor studiaţi. Spre deosebire de spectrele Infra-roşu şi cele de Spectroscopie de Masă, care sunt prea bogate în informaţii, sau de spectrele UV-VIS care sunt prea sărace, deci greu interpretabile, aproape toată informaţia din spectrele RMN poate fi pusă în legătură directă cu formula structurală a substanţei.

Dezvoltată prin analogie cu rezonanţa electronică de spin, spectroscopia de rezonanta magnetică nucleară, aplicată mai întâi pentru studiul protonilor şi extinsă ulterior pentru o serie de alţi nuclei (13C, 19F, 31P, 17O etc.), a devenit în prezent cea mai importantă metodă de studiu a structurii, configuraţiei şi conformaţiei compuşilor organici.3

2. FENOMENUL RMN

2.1. MAGNETISMUL NUCLEAR

Întocmai ca şi electronul, protonul efectuează o mişcare rapidă de rotaţie în jurul axei sale, mişcare numită „spin nuclear”. Mişcării de rotaţie a protonului i se asociază un moment magnetic de spin.

În cazul unor nuclee compuse din mai multi protoni şi neutroni, are loc o compensare a spinilor particulelor elementare, iar spre exterior se manifestă un momnet magnetic rezultant.

Magnetismul nuclear este caracterizat prin numărul cuantic de spin nuclear, I, care poate avea valori diferite, conform următoarelor reguli 3:

1. nuclei care conţin un număr par de protoni şi un număr par de neutroni au numărul cuantic de spin nuclear egal cu zero (I = 0). La aceşti nuclei momentele magnetice de spin ale protonilor şi neutronilor se compensează separat şi nu apare un moment magnetic de spin nuclear (μI = 0).

2. nuclei care conţin un număr impar fie de protoni, fie de neutroni, au ca valori I numere fractionare: I = 1/2; 3/2 sau 5/2.

3. nuclei în care atât protonii cât şi neutronii sunt prezenţi în număr impar au valori I întregi: I = 1; 2; 3.

2.2. ORIENTAREA NUCLEELOR ÎN CÂMP MAGNETIC EXTERIOR

Momentul magnetic foarte mic al nucleelor se poate pune în evidenţă prin interacţiunea sa, cunatificată, cu un câmp magnetic exterior. Vectorul momentului magnetic al nucleului se orientează în raport cu direcţia câmpului exterior. Orientarea este cuantificată, în sensul că proiectia momentului magnetic nuclear pe direcţia câmpului poate avea numai anumite valori. În general, momentul magnetic al nucleului poate adopta (2I + 1) orientări. Pentru nucleele cel mai des întâlnite în chimia organică: 1H, 13C, 19F, 31P, spinul nuclear I are valoarea 1/2, astfel încât rezultă numai două orientări posibile, una aproximativ în sensul câmpului (făcând cu aceasta un unghi de 54° = arccos 1/√3) numită şi orientare paralelă şi alta aproximativ opusă sensului câmpului (facând unghi de 126° cu acesta) numită şi orientare antiparalelă. Pentru a se putea menţine la această înclinaţie constantă vectorul momentului magnetic nuclear execută o mişcare de precesie (Larmor) de frecvenţă proporţională cu intensitatea H a câmpului magnetic exterior.3-5