CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA...
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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL FCEyN - INTI Docente a cargo: SANTAGAPITA, Patricio CEBI_E1_9: Resonancia magnética nuclear Materia de Especialización CEBI_E1 Técnicas de análisis en biotecnología Módulo I: Moléculas pequeñas. Módulo II: Macromoléculas.
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CARRERA DE ESPECIALIZACION EN
BIOTECNOLOGIA INDUSTRIAL
FCEyN-INTI
Docente a cargo: SANTAGAPITA, Patricio
CEBI_E1_9: Resonancia magnética nuclear
Materia de Especialización CEBI_E1
Técnicas de análisis en biotecnología
Módulo I: Moléculas pequeñas.
Módulo II: Macromoléculas.
Técnicas de análisis
estructural
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Espectrometría de masa Espectroscopia RMN
Estudio de la interacción entre la radiación
electromagnética y la materia, con absorción
o emisión de energía radiante•Composición: átomos presentes y su proporción
(formula molecular)
•Constitución: uniones entre los átomos (grupos
funcionales y subestructuras)
•Configuración: disposición espacial de los átomos
•Conformación: disposición espacial de la molécula
(rotación o giro de los enlaces simples)
Espectroscopía
Patricio Santagapita_CEBI_E1
T
E
R
M
I
N
O
L
O
G
I
A
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Rayos X/g UV/Vis IR Microondas Radiofrecuencia
Transición de
e- internos
Transición de
e- de valencia
Vibración
molecularRotación
molecular
Spin nuclear
Espectroscopía
UV
Espectroscopía
de abs. atómica
Espectroscopía
IR
Espectroscopía
RMN
l
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Espectroscopía de absorción (o emisión), como IR o UV.
Detecta la absorción de radiofrequencias (radiación
electromagnética) por ciertos núcleos en una molécula..
TÉCNICA INFORMACIÓN OBTENIDA
Rayos XEstructura total de la molécula incluída la
estereoquímica (posiciones relativas de los átomos)
Ultravioleta-VisibleExistencia de cromóforos y/o conjugación en la
molécula (absorciones)
Infrarrojo Grupos funcionales (absorciones)
Espectrometría de masas* Formula molecular y subestructuras (relación m/z).
Resonancia magnética
nuclear
Grupos funcionales, subestructuras, conectividades,
estereoquímica, etc… (desplazamiento químico,
áreas de los picos y constantes de acoplamiento)
* No es una técnica espectroscópica en el sentido que estamos viendo pues no existe irradiación
electromagnética de la sustancia y no se produce absorción de dicha radiación.
Espectroscopía
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Patricio Santagapita_CEBI_E1
¿Por qué estudiar RMN?
• Elucidación estructural
• Química de los productos naturales.
• Síntesis orgánica. Método analítico para elegir las condiciones de
reacción
•Estudio de procesos dinámicos
• Cinética de reacciones.
• Estudio del equilibrio (químico y estructural).
• Estructura (tri-dimensional)
• Proteinas.
• ADN. Complejos proteína/ADN• Polisacáridos
• Diseño de drogas
• Relación Estructura Actividad por RMN
• Medicina – MRI (Imágenes)
RMN: Aplicaciones
Análisis cualitativo (determinación estructural) y
cuantitativo de las moléculas, orgánicas o inorgánicas,
que componen la muestra
• Determinación estructural de moléculas (productos naturales o sintéticos)
• Análisis de macromoléculas biológicas en condiciones similares a las naturales
• Estudio de la composición de muestras de origen natural (aceites, vinos, etc).
• Control de calidad en la industria química, industria de alimentos, industria farmacológica y en síntesis química.
• Determinación de constantes físicas y químicas (termodinámicas y cinéticas)
propiedades que poseen los núcleos atómicos
Patricio Santagapita_CEBI_E1
protones
electrones orbitando-
Núcleo+
0 neutrones
00
00
+
+
+
+
+
0
--
-
-
ESPÍN
(rotación alrededor
del eje)
MOMENTO ANGULAR
(Cantidad de movimiento
de rotación)
RMN: fenómeno
Núcleos atómicos: espacios ocupados por partículas subatómicas (protón y
neutrón). Rodeados de capas de e- (modelo eléctricamente neutro)
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Protón girandoUn protón girando genera un campo magnético (momento magnético). Este
campo magnético (B) se asemeja al de un imán (dipolo magnético).
¿Qué espín tienen los núcleos?
Núcleo está constituido por p protones y n neutrones
Espín del núcleo: vector combinación del espín de todos sus p
1. p y n pares proporcionan espín nulo (I = 0): 4He, 12C, 16O, …
2. p y n impares dan espín entero: I = 1 2D, 14N; I = 3 10B; …
3. p + n = impar espín semientero: I = 1/2 1H, 13C; I = 5/2 17O; …
TODO NÚCLEO CON ESPÍN NO NULO (I ≠ 0) ES SENSIBLE A RMN
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Patricio Santagapita_CEBI_E1
• Los estados de spin del nucleo (m) estan cuantizados:
m = I, (I - 1), (I - 2), … , -I
•m es el número cuántico magnético.
• Para 1H, 13C, 15N, 31P :
m = 1/2, -1/2
• Esto significa que solo existen dos estados (niveles E) para ese núcleo
En un núcleo con espín no nulo (I ≠ 0):
Los dipolos magnéticos están dispuestos al azar
¿Qué le ocurre bajo un campo magnético externo (B0)?
El campo intenta alinear los dipolos de los núcleos en su misma dirección pero:
1. El momento magnético
forma un ángulo con B0
2. Existe más de una
orientación del momento
respecto a B0
Patricio Santagapita_CEBI_E1
El momento magnético del núcleo rota alrededor del eje de B0 con una
frecuencia de precesión (w o u): Se comporta como un trompo o giroscopio
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Modelo de giróscopo del spin nuclear :
La cuantización de la componente según z del spin nuclear resulta en un
ángulo = 54.73º para spin ½ o de 45º para spin 1.
m = -1/2
B
o
Nucleo
rotando
Para un núcleo de I = ½
Dos estados energéticos posibles: a favor o en contra del
campo Bo
La energía necesaria para
pasar de un estado de espin al
otro está determinada por:
E = h = g h B0 / 2
0 = g B0 / 2 ECUACIÓN
DE LARMOR
E: relacionado con la intensidad del campo externo (B0) y con la frecuencia de
precesión ()
El cambio de orientación se realiza absorbiendo o emitiendo radiación a la misma
frecuencia ()
Bo = 0
Bo > 0
a
b
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Bajo un B0…
qué ocurrirá si suministramos E por otra fuente?
Irradiando una radiofrecuencia () los núcleos entran en RESONANCIA:
absorben E y cambian de orientación
Cambio de orientación crea un voltaje que puede ser registrado
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Magnetización macroscópica
•Mo es directamente proporcional a la diferencia de población (Na - Nb), en la cual se
promedian las contribuciones de los diferentes ms :
• Si descomponemos la contribución de los m en contribución sobre z y en el plano
<xy>. Los componentes en el plano <xy> estan distribuidos al azar y se cancelan.
Para los del eje z, tenemos una magnetizacion proporcional a Na - Nb.
• Esto es mas o menos la situacion en una muestra macroscópica, usamos Mo
• Diferencia importante entre m y Mo. El primero está cuantizado y puede adoptar sólo
uno de dos estados (a o b), El ultimo es la población total de spins (es un número
continuo de estados).
Mo
y
x
z
x
y
z
Bo Bo
Interpretación gráfica
Detector (bobina) para registrar el cambio de orientación
propiedad del núcleo (espín I)
RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR
campo magnético externo (B0) (imán)
radiofrecuencia (bobina)
Patricio Santagapita_CEBI_E1
La señal depende del exceso de núcleos que viene fijado por E:
Al dejar de irradiar con la frecuencia de resonancia la
distribución vuelve al estado basal (relajación)
1. Constante giroscópica del núcleo (g)
2. Campo magnético externo (B0) E
ghB 0
2 h
A mayor B0 :
1. Mayor exceso en Ni (más señal o
sensibilidad)
2. Mayor 0 (más resolución)
Patricio Santagapita_CEBI_E1
2 millones
1 millón + 8
1 millón -8
1 millón + 64
1 millón - 64
1 millón + 32
1 millón - 32
Em = 16 m = 64 m = 128
B0 (Tesla) 0 T 2.35 T
(100 MHz)
9.4 T
(400 MHz)
18.8 T
(800 MHz)
El exceso de
población
con el que
se trabaja es
muy
pequeño
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Espectros RMN 1H de santonina
90 MHz 500 MHz
Influencia de B0 en la
calidad del espectro
A mayor B0 MAYOR RESOLUCIÓN DE MULTIPLETES
Para cada tipo de núcleo la frecuencia de Larmor puede sufrir
pequeñas variaciones que dependen del entorno molecular:
Los electrones de los alrededores
producen pequeños campos
magnéticos que se agregan a B0
Desplazamiento
Químico (ppm de
la frecuencia)
Los núcleos de los alrededores
con momento magnético dan
lugar a desplazamientos
simétricos de las frecuencias
Acoplamiento
spin-spin:J (Hz)
Patricio Santagapita_CEBI_E1
¿Qué información se puede obtener de
un espectro RMN 1H?
• Número de señales: relacionada con el número de 1H diferentes
de la muestra
• Frecuencia de las señales () : relacionada con el entorno
molecular del núcleo.
• Área de las señales (integral): relacionada con la cantidad de
cada tipo de 1H.
• Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H
vecinos de cada tipo.
• Constantes de acoplamiento (J): brinda información
estereoquímica.
• Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos
funcionales (-COOH, -OH, -NH2)
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Multiplicidad de señales
triplete multiplete triplete
frecuencia ()
constantes de acoplamiento: J (Hz)
integrales
Patricio Santagapita_CEBI_E1
Escala de RMN (, ppm)
La frecuencia de Larmor de un núcleo depende de B0
No se puede definir ni utilizar una escala de
frecuencias absoluta en RMN
Ej: en un equipo de 90 MHz, la señal de CH3Br aparece a 90000237 Hz,
la de CH2Br2 a 90000441 y la de CHBr3 a 90000614 Hz
0 = g B0 / 2
ECUACIÓN DE
LARMOR
Se define una escala relativa y
sin unidades:
desplazamiento químico (, ppm)
utilizando una sustancia de
referencia
= muestra - ref.
ref.
X 106
Se expresa en partes por millón (ppm)
es independiente de B0 para un dado núcleo, su será el mismo
en cualquier equipo.
H3C Si CH3
CH3
CH3
Tetrametilsilano = TMS. Referencia más usada.
Soluble en la mayor parte de los solventes, inerte,
volátil, da una señal intensa (12H) y suele estar a
menores que la mayor parte de los compuestos
orgánicos
Por definición: TMS = 0
El TMS se agrega al solvente deuterado en el que se prepara la muestra
Desplazamiento
0
TMS
ppm
210 7 515
Alifáticos
Alcoholes, protones a
a cetonas
OlefinasAromaticos
Acidos, Aldehidos
ppm
50150 100 80210
Alifaticos CH3, CH2, CH
Carbonos unidos a grupos oxigenados
Aromaticos,olefinas
C=O de Acidos,
y derivados de ácido
0
TMS
C=O de cetonas
Escalas de
1H : ~ 15 ppm
13C : ~ 220 ppm
Desplazamiento
El electrón tiene I = ½
posee momento
magnético y éste es
mucho más intenso que
el de 1H
En una molécula, un núcleo está rodeado
por una nube electrónica el Bef sobre el
núcleo es la suma de B0 y el campo
generado por los electrones, Bloc
Como el electrón tiene
carga negativa, el campo
se opone al B0 Bef < Bo
la nube electrónica
apantalla
Desplazamiento31
e- que rodean al nucleo
tienen carga opuesta al 1H, entonces pueden
generar un campo
magnético opuesto a B0
Desapantallamiento
Factores que disminuyen
la densidad electrónica
permiten al núcleo “ver”
más a B0 ⇒ Resonancia
a > energía
Apantallamiento
Factores que aumentan
la densidad electrónica
no dejan “ver” al núcleo a
B0 ⇒ Resonancia a <
energía
RMN de protones
Aumenta el campo magnéticoCampo bajo Campo alto
Aumenta la frecuencia
< apantallamiento
campos bajos
> δ
> apantallamiento
campos altos
< δ
“Protección” “Desprotección”
Factores que afectan al
desplazamiento
Efecto inductivo:
Si un átomo más electronegativo retira densidad de carga
eléctrica, el Bloc que se oponía a B0 disminuye, en consecuencia
la resonancia se produce con un campo externo menos intenso.
Ojo! Se produce a mayor frecuencia, más a la izquierda
Cuanto mayor es la diferencia de
electronegatividad, mayor es el
desapantallamiento/protección
Anisotropía magnética de los sistemas :
Cuando los sistemas de electrones son sometidos a B0 inducen otro campo
que se opone al anterior.
Aromáticos: el campo
magnético efectivo que
“sienten” los protones
aumenta ⇒δ↓
Otros sistemas
con electrones
Factores que afectan al
desplazamiento
Puentes de hidrógeno:
Los protones que pueden formar enlaces por puentes de hidrógeno
(alcoholes, aminas) disminuyen fuertemente la densidad electrónica
alrededor del 1H. A medida que aumentan los puentes aumenta
también el desplazamiento químico.
RMN del hidrógeno ácido del fenol a distintas concentraciones
Factores que afectan al
desplazamiento
Multiplicidad
El 1H que observamos sufre está sometido a dos Bef
diferentes:
En uno B0 se refuerza por el 50% de los núcleos alineados
con él
2) En el otro, B0 sufre una pequeña merma por el 50% de
los núcleos que están en su contra.
El 1H aparece como un doblete debido a la influencia del
protón vecino. La separación entre las señales es la
constante de acoplamiento J y se mide en Hz.
8
4 4
2 22 2
1 111 1111
1
1 1
1 2 1
1 3 3 1
1 4 6 4 1
Generalizando: la señal de un núcleo
acoplado a n spins equivalentes constará de
n + 1 líneas
Las intensidades de
las líneas siguen el
triángulo de Pascal
sd
tqqn
Patrones de acoplamiento
más comunes
X CH3
X
XX
tert-butilo: singulete
Metilo: singulete
iso-propilo: septeto - doblete
Etilo: cuarteto - triplete
2Jgem = 0 – 1 Hz
3Jtrans = 11- 18 Hz
3Jcis = 6 - 15 Hz
La multiplicidad observada
para Ha es un doble
doblete
3JAB3JAB
3JACC
CX
Ha
Hc
Hb
Patrones de acoplamiento
más comunes
Alquenos
INTERPRETACIÓN DE UN
ESPECTRO 1H-RMN
• Número de señales: relacionada con el número de 1H diferentes
• Frecuencia de las señales () : relacionada con el entorno molecular
del núcleo. Tipo de 1H diferentes
• Área de las señales (integral): cantidad de cada tipo de 1H diferentes
• Multiplicidad de cada señal: relacionada con el número de 1H vecinos
de cada tipo.
• Constantes de acoplamiento (J): brinda información estereoquímica
• Intercambio de 1H : indica la presencia de cierto tipo de grupos
funcionales (-COOH, -OH, -NH2)
INTERPRETACIÓN DE UN
ESPECTRO 1H-RMN
Tabla
Señal Multip.
y J
integral
1.1 14
2.3 11
3.7 15
total 40
40/8=5
14/5=2.8~3 11/5=2.2~2 15/5=3
Estructura??
FM=C4H8O2
IR→C=O
INTERPRETACIÓN DE UN
ESPECTRO 1H-RMN
Tabla
Señal Multip.
y J
integral
1.1 14
2.3 11
3.7 15
total 40
40/8=5
14/5=2.8~3 11/5=2.2~2 15/5=3
Estructura??
FM=C4H8O2
IR→C=O
INTERPRETACIÓN 1H-RMN –
su isómero
Como preparar una muestra?
Para un 1H se utilizan unos pocos mg…
• Cuidados:5-10 mg para moléculas promedio.
• La muestra: soluble en un solvente deuterado.
¿Por qué? La señal del deuterio se utiliza para la estabilización del campo y como referencia.
• ¿Cuánto? alrededor de 0,5 mL de solvente
• No disolver en recipientes grandes
• La solución no debe contener sólidos en suspensión (polvo, sílica, fibras, etc.) ⇒ Filtrar a través (algodón o lana de vidrio).
• Evitar la presencia de metales (limaduras, restos de granallas, etc.)
• La solución debe ser homogénea en todo el tubo
• Evitar excesiva manipulación del material
Cuantificación por RMN
Cuantificación relativa
similar a un CG pero el factor de respuesta es conocido en forma exacta
RMN es el método más usado para la determinación relativa de isómeros, diasterómeros y enantiómeros
Cuantificación absoluta
Se agrega un estándar a una masa conocida de mezcla
RMN es un método primario de medición (con la más alta calidad metrológica y cuyos resultados son aceptados sin referencia a un estándar de la cantidad que se está midiendo)
Cuantificación absoluta:
Uso de patrón interno
El área no depende de la molécula en que se encuentran (la respuesta se relaciona con la cantidad de núcleos)
No requiere separación previa ni establecimiento del factor de
respuesta.
Condiciones para un patrón
• Tener por lo menos un núcleo en común con la muestra
• Ser soluble en el mismo solvente
• No interferir con la muestra (no dar señales próximas, preferentemente una única, ni reaccionar químicamente con ella)
• Obtenerse con alto grado de pureza y título confiable
• Sustancia estable, no volátil, preferentemente sólida
Patrones más comunes
S: integral, N: nro. de núcleos, m: masa, M: PM, p: pureza
A B C D E F G
Ventajas y desventajas…
Ventajas
• No requiere de determinación del factor de respuesta => NO son necesarios estándares de TODOS los analitos
• No requiere mantenimiento del sistema de detección (sangrado de columnas, carbonización en inyectores, etc.)
• No requiere de separación previa y puede cuantificarse más de un compuesto en el mismo espectro.
• Pueden cuantificarse impurezas inesperadas.
• Es simple, preciso y no destructivo.
• El costo de mantenimiento es fijo (se use o no el espectrómetro).
Desventajas
• El costo de mantenimiento es el mismo.
• El costo del equipo de altos campos es 20 o 30 veces el de un CG o un HPLC
• La utilización del equipo requiere de personal entrenado
• Requiere de la utilización de He y N2 líquidos, y su consumo es permanente.
y = 45º se observan todas las señales
y = 90º se observan sólo los CH
y = 135º se observan por un lado CH y CH3 y por otro los CH2 , con
fases opuestas
O
MeH
DEPT 45: CH3, CH2 y CH ↑
DEPT 90: solo CH ↑
DEPT 135: CH3 ↑ , CH ↑, CH2 ↓
Programa de análisis
Instrumentación en RMN
• Imán - Normalmente un superconductor. Algunos electroimanes e imanes
permanentes (EM-360, EM-390) quedan.
• Generador de Frequencia – Crea la corriente alterna (a wo) que induce B1.
De onda continua o pulsado.
• Detector – Resta la frecuencia base (una frecuencia constante muy cercana a
wo) de la frecuencia de salida. Da una frecuencia baja mucho más facil de manejar.
• Registrador - XY ploter, osciloscopio, computadora, etc., etc.
N S
Bo
B1
Detector
Generador de
Frecuencia
Registrador
Imán
Free Induction Decay (FID) (decaimiento libre de la inducción
• Estamos interesados en analizar la señal que aparece en la espira receptora
despues de poner la magnetización en el plano <xy> ( / 2 pulso).
• Dijimos que la muestra retornará al equilibrio precesionando (z). En el sistema
rotante, la frecuencia de esta precesión es w - wo. La relajación de Mo en el
plano <xy> es exponencial (más la clase que sigue). Entonces, la espira
receptora detecta una señal que decae y es cosinusoidal (para un spin sólo):
w = wo
Mxy
w - wo > 0
time
Mxytime
FID
• En una muestra real tenemos cientos de sistemas de spin, todos con frecuencias
diferentes de la de B1 (o frequencia carrier).
Como hemos usado un pulso y efectivamente excitado todas las frequencias
al mismo tiempo, veremos una combinación de todas en la espira receptora
y esto se llama Free Induction Decay (o FID):
• La FT de esta función nos da el espectro de RMN en frecuencias:
RMN de proteínas
Guías prácticas:
http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/projects/schirra/html/home.htm
http://www.protein-nmr.org.uk/
http://www.nmr2.buffalo.edu/resources/edu/matr/nmr2_2004.pdf
•Las proteínas grandes (> 150 residuos) dan peores resultados que las pequeñas, y generalmente NO se pueden asignar todos los picos.
•RMN > 750 MHz
•Los espectros son MUY complejos RMN 2D
RMN de proteínas
•Los espectros son MUY complejos
Imposibles de interpretar!
RMN 2D
Si los núcleos son iguales:
Las señales fuera de la diagonal son las interesantes,
por que son las de los protones (x ej) que si
intercambiaron información durante el t1.
Si se miden protones en ambas dimensiones, igual siguen siendo complejos!
Actuales…
http://www.nmr2.buffalo.edu/resources/edu/matr/nmr2_2004.pdf
Comparación MS vs NMR
en Metabolómica
Comparación MS vs NMR
en Metabolómica
Gran diferencia de espacio
Comparación MS vs NMR
en Metabolómica
LF-NMR (bajo campo)
LF-NMR (bajo campo)
Free Induction Decay (FID) (decaimiento libre de la inducción
w = wo
Mxy
time
Enlace interesante
https://www2.chemistry.msu.edu/faculty/reusch/virttxtjml/spectrpy/nmr/nmr1.ht
m
