Interpretacion de espectros Interpretacion de espectros 11HH

• Por ahora hemos hablado de distintas tecnicas de RMN y secuencias de pulsos sin tener en cuenta como analizar los datos que obtenemos con estos experimentos.

• Vamos a hacer esto empezando por lo mas basico. Lo primero que vamos a discutir son espectros 1H. Como vimos, el rango de corrimientos quimicos de 1H es chico, en general de 15 a 0 ppm, aunque hay casos en que podemos tener señales arriba de 20 o debajo de -5 ppm:

• Los corrimientos quimicos de distintos nucleos 1H en una molecula son causados por differencias en el campo magnetico local, o al apantallamiento (σ), que sienten los nucleos en distintas regiones de la molecula:

0TMS

ppm

210 7 515

Alifaticos

Alcoholes, protones αa cetonas

Olefinas

Aromaticos,AmidasAcidos,

Aldehidos

Bef = Bo - Bloc — Bef = Bo( 1 - σ )

Origines delOrigines del σσ (B (Bloc loc ))

• El apantallamiento de los nucleos depende de la densidad electronica en sus alrededores. Podemos disectar las contribuciones al apantallamiento total como:

• El termino σdia es la contribucion diamagnetica, que tiene su origen en el campo magnetico generado por los electrones mas cercanos al nucleo (i.e., en orbitales s), y que esta en contra del campo externo Bo.

• σpara es el termino paramagnetico, y es debido a electrones en orbitales p y en enlaces. Esta a favor de Bo.

• El tercer termino, σloc, es debido a grupos fuincionales vecinos al nucleo, y puede estar a favor o en contra de Bo, dependiendo del tipo de grupo y su orientacion en el espacio. σloc es lo que hace que dos nucleos quimicamente similares en la misma molecula tengan distinto apantallamiento (y por ende corrimientos quimicos distintos).

• Considerando los nucleos mas importantes, 1H y 13C, vemos que como los 1H tienen ‘solo’ orbitales 1s, σdia domina, y para 13C el termino σpara domina porque estan ocupadas las capas p (menor energia que los orbitales p en 1H…)

σ = σdia + σpara + σloc

Origines delOrigines del σσ ( (continuado)continuado)

• Como dijimos antes, lo que determina al apantallamiento es la densidad electronica. Para un 1H aislado (perfectamente esferico), podemos calcular σ usando la formula de Lamb:

• Podriamos usar la misma formula para calcular cualquier corrimiento quimico y olvidarnos de disectar σ. El problema es que en una molecula la ecuacion de ρ(r) es muy compli- cada: Tenemos que considerar orbitales atomicos s, p, d, hibridos (i.e., spn), y tambien orbitales moleculares.

• Esto es el campo de los calculos de corrimientos quimicos con metodos mecanico-cuanticos. Anda, pero…

• De cualquier manera, la mayor parte de los efectos pueden ser descritos semi-cuantitativamente usando los σdia y σloc

para 1H (hay que acordarse que σpara contribuye poco en 1H).

• Primero vamos a analizar las contribuciones a σdia. Se dividen en efectos inductivos y mesomericos.Tienen sus sus origines en como afectan a la densidad electronica alrededor de un proton las distintas especies ligadas a el o en su cercanias.

σ = ∫ r ρ(r) drµo e2

3 me 0

∞

Contribuciones inductivas alContribuciones inductivas al σσdiadia

• En un atomo de 1H aislado, los electrones del orbital 1s tienen una distribucion perfectamente esferica. Usando la formula de Lamb obtenemos un valor de σdia de 17.8 ppm:

• Ahora, cuando agregamos un grupo, digamos un -CH3 para obtener metano, la nube electronica alrededor de los 1H se desforma porque el carbono es mas electronegativo (E), y atrae los electrones del orbital 1s del 1H hacia el:

• Como la densidad electronica alrededor del 1H disminuye, se desapantalla, y por lo tanto resuena a campos mas bajos (corrimientos quimicos mas altos).

• Para los haluros de hidrogeno, cuanto mas electronegativo sea el haluro, mas se desapantalla el 1H (el valor de σ es inversamente proporcional al E del haluro):

σ (HF) < σ (HCl) < σ (HBr) < σ (HI)

H (1s)

H (1s) C (sp3)

Efectos inductivos Efectos inductivos ((continuadocontinuado))

• Los efectos inductivos sobre el σ del 1H no se deben solo a grupos directamente enlazados a el. La densidad electronica alrededor del 1H depende de los orbitales moleculares de toda la molecula (i.e., los enlaces).

• La electronegatividad se ‘tansmite’ a traves de orbitales moleculares (enlaces): Si tenemos un atomo muy electrone- gativo enlazado a un carbono, protones enlazados a ese carbono polarizado van a tener menor densidad electronica en sus orbitales 1s (i.e., desapantallados). Para la serie del metano tenemos:

• En la serie del metano se puede hacer una correlacion similar a la que hicimos con la la electronegatividad, pero usando la polarizacion del enlace C-X.

• Las especies que causan el efecto inductivo no estan limitadas a ser halogenos (o un solo atomo). Podemos considerar efectos de grupos funcionales enteros, como ser -NO2, -OH, -SH, -NH2, etc.

H-CH3 H-CH2I H-CH2Br H-CH2Cl H-CH2F

2.1 2.5 2.8 3.0 4.0

0.23 1.98 2.45 2.84 4.13

E

δ

Efectos inductivosEfectos inductivos ( (……))

• Es mas, no necesitamos un groupo/atomo particularmente polar/electronegativo. Solo con alargar la cadena de carbo- nos se observa un descenso del apantallamiento de los 1H.

• Esto se ve claramente si comparamos los corrimientos quimicos de los protones en hydrocarburos lineales:

• Otro factor que afecta la densidad electronica, y por ende el apantallamiento de un 1H, es la carga parcial en el atomo de carbono. Esto se ve comparando distintos iones aromaticos con el benzeno:

• En todos estos sistemas tenemos el mismo numero de electrones π (la regla 4n + 2 de Huckel se cumple). La carga en los carbonos del tropolio es positiva, asi que le ‘sacan’ electrones 1s a los 1H, desapantallandolos. Lo opuesto se ve en el caso del ion ciclopentadienilo…

HHH

LiBr

9.135.377.27

H-CH3 H-CH2-CH3 H-CH2-CH2-CH3

0.23 0.80 0.91

Efectos mesomericosEfectos mesomericos - - GEAsGEAs yy GEDsGEDs

• Ahora vamos a analizar que sucede con un proton olefinico o aromatico en las cercanias de grupos que pueden participar en resonancia, osea efectos mesomericos (+M o -M).

• Vamos a usar como ejemplo al eteno y sustituyentes que sean GEAs o GEDs. En el caso de la metilvinilcetona, los corrimientos quimicos de los protones olefinicos se van a mover a campos bajos porque la cetona, un GEA, hace disminuir la densidad electronica del doble enlace, y por ende alrededor de los 1Hs:

• En el caso del metilvinileter vemos lo opuesto. El grupo metoxilo, un GED, va a donar electrones al doble enlace. Esto aumenta la densidad electronica alrededor de los 1H, y por lo tanto terminan mas apantallados:

6.11

5.29

6.52

3.74

5.29

3.93

HH

H H

HH

H

O

CH3

HH

H

O

CH3

HH

H H

HH

H O

CH3

HH

H O

CH3

Efectos mesomericos Efectos mesomericos ((continuadocontinuado))

• Se puede usar un razonamiento similar para analizar corri- mientos quimicos de 1Hs en sistemas aromaticos.

• Por ejemplo, en la anilina tenemos un GED (efecto +M). Como el anillo tiene mayor densidad electronica, todos los protones van a estar apantallados con respecto al benzeno (corrimientos quimicos mas bajos que 7.24 ppm).

• Si dibujamos los hibridos de resonancia vemos que las posiciones orto y para tienen mayor densidad electronica que la meta, y protones en estas posiciones estan mas apantallados (corrimientos quimicos mas bajos):

7.08

6.55

6.70

7.08

6.55

N

H

H

H

H

H

N

H

H

H

H

H

H H

N

H

H

H

H

H

H H

N

H

H

H

H

H

H H

N

H

H

H

H

H

N

H

H

H

H

H

H H

N

H

H

H

H

H

H H

N

H

H

H

H

H

H H

Efectos mesomericosEfectos mesomericos ( (……))

• Por otro lado, en el nitrobenzeno tenemos un GEA, (i.e., efectos -M). Todos los carbonos van a tener menor densi- dad electronica, particularmente los orto y para.

• Por lo tanto, todos los 1Hs del nitrobenzeno van a estar desapantallados, y el efecto va a ser mayor para aquellos en posiciones orto y para:

N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

7.55

8.15

7.70

7.55

8.15 N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

N

H

H

H

H

H

O O

Factores que afectan a Factores que afectan a σσlocloc - Anisotropia - Anisotropia

• Los enlaces son inherentemente anisotropicos. Como tienen una direccion en el espacio, segun como los miremos van a ser distintos.

• Cuando sometemos a un anlace (i.e., densidad electronica) a un campo magnetico (Bo), se va a generar un campo magnetico inducido que tambien va a ser anisotropico.

• Por lo tanto, el entorno magnetico de un 1H en las cercanias de estos grupos va a ser anisotropico (σloc). Esto quiere decir que el campo magnetico efectivo sobre el 1H va a variar en funcion de su posicion con respecto al grupo que crea el dipolo magnetico inducido.

• Si consideramos un enlace C-C simple, que tiene simetria cilindrica, y tenemos ademas en cuenta que el dipolo magne- tico inducido esta centrado en el medio del enlace, las lineas del campo inducido, que se opone a Bo, serian asi:

• Osea, 1Hs en las puntas del enlace sienten campos magne- ticos mas altos, y 1Hs a los costados campos mas bajos.

C CBo

Efectos anisotropicosEfectos anisotropicos ( (continuado)continuado)

• Para calcular la magnitud del dipolo magnetico inducido, tenemos que saber la suceptibilidad magnetica del enlace, χ. Hay dos, una paralela al enlace, χ||, y otra perpendicular, χ⊥. La magnitud del dipolo magnetico se puede estimar con la ecuacion de McConnell:

• Aca r es la distancia del centro del enlace hasta el 1H en estudio, y θ es el angulo formado por el vector que los conecta y la direccion del enlace:

• La formula es una aproximacion y por lo tanto bastante general. Por lo tanto la podemos aplicar a enlaces simples, dobles, triples, carbonilos, y en principio funciona hasta en sistemas aromaticos.

1σ = ( χ|| - χ⊥) · ( 1 - 3cos2θ ) 3r3 4π

C

C

H θ

Efectos anisotropicos Efectos anisotropicos ((……))

• Lo mas util que surge de esta equacion es que si la grafi- camos en funcion de xyz, se ven dos conos con origen en el centro del enlace. Dentro de ellos, estamos apantallados. Hacia los lados, desapantallados. A un angulo de 54.7o, el efecto es cero (el angulo magico):

• Para dobles enlaces (C=O, C=C), la situacion es similar:

• Para triples enlaces, el campo magnetico inducido es tal que los valores de χ|| y χ⊥ se invierten:

-+

+CC-

-+

+CC-

+-

-+ CC

Efectos anisotropicosEfectos anisotropicos ( (……))

• Vamos a ver algunos ejemplos. En la metoxigalactosa pode- mos usar esto para ver cual es el α y cual es el β:

• En el isomero α, el 1H anomerico esta en el area desapanta- llante del cono, y en el β es al revez.

• Otro ejemplo claro son los aldehidos. El proton aldehidico esta muy desapantallado por dos razones. Primero, esta enlazado a un carbono en doble enlace con oxigeno (muy electropositivo), lo que merma su densidad electronica y lo desapantalla.

• Ademas, el proton esta metido justo dentro de la region desapantallante del grupo carbonilo. Juntos, esto dos efectos hacen que los 1Hs de los aldehidos resuenen a campos muy bajos (ppms altos):

-+

+OC-

H

O

OMe

H

O

H

OMe5.18

4.69

3.97

3.78

Efectos de corriente de anilloEfectos de corriente de anillo

• Uno de los efectos mas importantes causado por campos magneticos inducidos sobre corrimientos quimicos de 1H son debidos a anillos aromaticos.

• El campo magnetico inducido por un anillo aromatico es el mas facil de entender. La corriente de anillo de un grupo aromatico genera un campo magnetico inducido perpendi- cular al plano del anillo. Esta en contra del campo magnetico externo Bo (ley de Lentz…):

• Las lineas de campo a travez del anillo estan en contra del campo externo (el momento magnetico inducido se opone a los efectos de Bo), pero las lineas de campo retornantes, que van por afuera del anillo, estan a su favor.

• Por lo tanto, protones a los costados del anillo aromatico se ven desapantallados (i.e., campos bajos, corrimientos quimicos mas altos), y los que esten en regiones arriba/abajo del anillo estan apantallados (i.e., campos altos y corri- mientos quimicos mas bajos).

e- Bo

Banillo

Efectos de corriente de anillo Efectos de corriente de anillo ((continuado)continuado)

• Como vimos para sistemas mas simples (enlaces simple, doble, etc.), tambien podemos estimar el valor del apantalla- miento en funcion de la posicion de nuestro nucleo 1H con respecto al anillo aromatico.

• Hay mas de una formula para hacer esto, pero todas dan resultados mas o menos similares. La mas simple es basada en el modelo del dipolo puntual de Pople:

• CPople es una constante de proporcionalidad que puede parametrizaese por medio de calculos teoricos (ab initio), o mas comunmente contra datos experimentales. ica es el factor de intensidad de la corriente de anillo, y depende del tipo de anillo aromatico. Para el benzeno es 1.00.

δca = CPople * ica . r-3 . ( 1 - 3 . cos2θ )

H

θr

Efectos de corriente de anillo Efectos de corriente de anillo ((……))

• Como con los enlaces, podemos graficar el apantallamiento de un 1H en funcion de su posicion con respecto al anillo. Tambien va a tener forma de cono, y regiones de apantalla- miento (-, corrimiento quimicos bajo) y desapantallamiento (+, corrimientos quimicos altos):

• Protones a los lados del anillo experimentan campos locales mayores (ppm’s mas altas), y aquellos arriba o abajo campos locales menores (ppm’s mas bajos).

• Esta es la razon por la cual los protones de un anillo aromatico, que estan apuntando hacia afuera, tienen corrimientos quimicos en el rango de 6 a 9 ppm:

H

H

H 7.27 7.79

7.41

+ +

_

_

Efectos de corriente de anilloEfectos de corriente de anillo ( (……))

• Hay casos en que los protones del anillo aromatico terminan apuntando hacia adentro, y por lo tanto en la region apantallante del cono. Esto se da en el [18]anuleno:

• Hay un ejemplo mas de un anillo con un efecto anisotropico considerable. El ciclopropano tiene much tension en el anillo, y los enlaces tienen caracter de doble enlace (los carbonos tienen caracter sp2). Hay un dipolo magnetico perpendicular al plano del anillo:

• Ahora, la tension en el ciclopropano hace que los 1H queden en la region apantallante del cono. Por lo tanto, sus resonan- cias estan desplazadas a campos altos mas o menos 1 ppm en comparacion con otros cicloalkanos no tensionados.

H

H

H

H

H

H

H H

HH

H

H

H

H

H

HH

H

+9.28-2.99

H

H

H

H

H

H

++

-

-

Efectos de campos electricos y van der WaalsEfectos de campos electricos y van der Waals

• A pesar de que hay muchos otros, vamos a terminar describiendo los efectos de grupos polares e interacciones estericas tienen sobre corrimientos quimicos.

• Entender como un grupo polar afecta al apantallamineto de un proton es facil. Dependiendo de la carga, el campo electrico empuja o atrae a la desidad electronica del 1H, desformandolo y afectando su campo magnetico local.

• Similarmente, un grupo sin carga que este muy cerca de un proton va a distorsionar su densidad electronica debido a contactos van der Waals (vdW). Los dos efectos estan repre- sentados por la Equacion de Buckingham:

• Aca A y B son constantes, EC-H representa el vector del campo electrico a lo largo del enlace C-H, y E2 el cuadrado de la magnitud del campo electrico en el proton.

• El primer termino de la ecuacion describe efectos de grupos cargados, como los que encontramos en proteinas, bastante bien. La segunda hace lo mismo con contactos de vdW.

Δσ = - AEC-H - BE2C

H

Algunos ejemplosAlgunos ejemplos

• Para concluir la discusion, vamos a mirar algunos ejemplos interesantes en los cuales los corrimientos quimicos se pueden usar para decidir cuestiones estructurales.

• El primero trata con la anisotropia del ciclopropano. En la siguiente cetona aromatica, el corrimiento quimico de los protones indicados esta donde lo esperamos:

• Solo cambiando los dos metilos por un spirociclopropano, el campo magnetico inducido por el anillo, perpendicular a los fenilos, desapantalla los protones aromaticos y los despla- za a campos altos:

O

H3C CH3H H

O

H H

7.42

6.91

Algunos ejemplosAlgunos ejemplos ( (continuado)continuado)

• Estas dos cetonas demuestran los efectos de la anisotropia del grupo carbonilo:

• El siguiente ejemplo demuestra que los sistemas antiaromaticos son paramagneticos (su campo inducido va a favor del campo magnetico externo). En este di- hidropireno todo resuena donde esperamos para un sistema aromatico con 14 e- (4 x 3 + 2).

• Al generar el dianion por redu- ccion con K0 obtenemos un sis- tema con 16 e- (no 4 x n + 2). Esto lo hace paramagnetico, y todos los corrimientos quimicos cambian en forma bastante dramatica…

H OH

O

H7.27 6.57 5.47

CH3

CH3

CH3

CH3

2

δ (CH3) ~ -4δ (Ar-H) ~ 8

δ (CH3) ~ 21δ (Ar-H) ~ -4

Algunos ejemplosAlgunos ejemplos ( (……))

• Otro caso en el que muchos efectos entran en juego es el de las cetonas α,β-insaturadas. Aca la resonancia (efectos me- somericos) dominan el corrimiento quimico de los protones β:

• Tambien tenemos la anisotropia del grupo CO:

• En el malonato cis el desapantallamiento no es tan grande porque los dos carbonilos cis tuercen la molecula fuera del plano y reducen la resonancia.

• En estos pagodanos, podemos ver efectos de contacos vdW. Al intercambiar un H por un HO tenemos un corrimiento a campos bajos:

O O

O

O

OH

HO

H

H

O

O OH

HO

H

H

6.83 6.28

H

OH

HH H

H

HOH

-1.0 -2.4

Las reglas de ShooleryLas reglas de Shoolery

• De lo anterior, vemos que la mayoria de los efectos en los corrimientos quimicos de 1H han sido tabulados.

• Ademas, es claro que la mayoria son aditivos. Por lo tanto, si podemos estimar los efectos individuales que cada grupo o enlace tiene sobre el corrimiento quimico de un proton, podemos sumarlos para estimar el efecto total causado por todos los grupos juntos.

• Hay una serie de reglas empiricas que se basan en esto. La mayoria fueron parametrizadas por Shoolery en los 50s/60s.

• Para usarlas, primero identificamos que tipo de proton tenemos: CH3, CH2, o CH alifatico, CH2 or CH olefinico, CH aromatico, α o β a una cetona o alcohol, perteneciente a un sistema α,β-insaturado, etc. Cada uno tiene un valor base.

• Despues buscamos las contribuciones debidas a grupos ligados a los carbonos de nuestro sistema base, y los sumamos para obtener una estimacion del corrimiento quimico para el proton que nos interesa.

• Vamos a analizar varios casos para ver como funciona…

δH = δHbase + Σ contribuciones

Reglas de ShooleryReglas de Shoolery ( (continuadocontinuado))

• Compuestos alifaticos. Hay dos metodos para estimar efectos aditivos en los corrimientos quimicos de 1H alifaticos.

• En el mas simple, tenemos dos tipos de ‘esqueleto’ con valores base distintos, uno para R1-CH2-R2 (metileno) y otro para R1-CH-(R2)-R3 (metino), a los que le sumamos los efectos de los sustituyentes R1, R2, o R3:

• Por ejemplo, para CH2Br2 seria δ = 1.25 + 1.9 + 1.9 = 5.05 ppm, que compara bien con el valor experimental (4.94 ppm).

Sustituyente δ

Alkyl 0.0-C=C- 0.8-C≡C- 0.9-C6H5 1.3-CO-R 1.3-OH 1.7-O-R 1.5

-O-CO-R 2.7-NH2 1.0-Br 1.9-Cl 2.0

R1-CH2-R2

δ = 1.25 + R1 + R2

R1-CH-(R2)-R3

δ = 1.50 + R1 + R2 + R2

Reglas de ShooleryReglas de Shoolery ( (……))

• El otro es general. La base es metano (δbase = 0.23 ppm), y sumamos los efectos de los sustituyentes directamente.

• Ahora, si en vez de metano tenemos una cadena mas larga, el δbase es 0.933 ppm y consideramos cuantos carbonos tiene. Cada carbono en el esqueleto tiene un incremento que sumamos al valor base:

• Ademas, los efectos de los sustituyentes ligados a estos carbonos dependen de su posicion en la cadena:

• Es mas general, pero mucho mas complicado.

δ = δbase + Σ S(δ)

CH3- 0.47Cl- 2.53RO- 2.36

RC(=O)O- 3.13

HO- 2.47Br- 1.995Cl- 2.170=O -

0.0480.3630.2541.021

0.2350.0230.1770.004

C1 C2 C3

C2C2 C3 C2

C3C2 C3

C3

C3C3

0.248 0.244 0.147 0.006

Reglas de ShooleryReglas de Shoolery ( (……))

• Olefinas. Para los alkenos no solo cambiamos el valor base, sino que ademas tenemos en cuenta el tipo de sustituyente y su estereoquimica (cis, trans, o geminal):

• Para el acido cinamico (trans Ph-CHa=CHb-COOH), tenemos δHa = 5.25 + 1.38 + 0 + 0.98 = 7.61, y δHb = 5.25 + 0.80 + 0 + 0.36 = 6.41. Comparan muy bien con los valores reportados de 7.82 y 6.47 ppm.

Sustituyente δgem

H- 0.0Alkyl- 0.45-OR 1.21

-Ar 1.38-C=C- 1.24-OH 1.22-Cl 1.08

δcis

0.0-0.22-0.60

0.360.02-1.07-0.40

δtrans

0.0-0.28-1.00

-0.07-0.05-1.21-1.02

H

C

Rgem

C

Rcis

Rtrans

δ = 5.25 + Rgem + Rtrans + Rcis

-COOH 0.80 0.98 0.32

Reglas de ShooleryReglas de Shoolery ( (……))

• Aromaticos. Las reglas tambien estan parametrizadas para protones en anillos aromaticos. Tenemos un valor base de 7.26 ppm (benzeno), y contribuciones segun el tipo y posicion de los sustituyentes:

δ = 7.26 + Rorto + Rmeta + Rpara

Sustituyente δorto

H- 0.0CH3- -0.18-NO2 0.95

-OCH3 1.38-Cl 1.24-F 1.22

δmeta

0.0-0.100.26

0.360.02-1.07

δpara

0.0-0.200.38

-0.07-0.05-1.21

-COOH 0.85 0.18 0.25

-CONH2 1.38-CH=CH2 1.24

-SO3H 1.22

0.360.02-1.07

-0.07-0.05-1.21

H

Rorto

Rmeta

Rpara

Reglas de Shoolery Reglas de Shoolery ((……))

• Para el p-xileno:

δHa= 7.26 - 0.18 - 0.10 = 6.98 (6.97)δHb = δHa

• Para el 1-cloro-4-nitrobenzeno

δHa = 7.26 + 0.95 - 0.02 = 8.19 (8.17)δHb = 7.26 + 0.03 + 0.26 = 7.55 (7.52)

• Para el mesitileno

δH = 7.26 - 2 * 0.18 - 0.20 = 6.70 (6.78)

• Para el 2,4-dinitro-1-metoxibenzeno

δHa = 7.26 - 0.48 + 2 * 0.26 = 7.30 (7.28)δHb = 7.26 + 0.95 + 0.38 - 0.09 = 8.50 (8.47)δHc = 7.26 + 2 * 0.95 - 0.09 = 9.07 (8.72)

CH3

Ha

CH3

Hb

NO2

Ha

Cl

Hb

CH3

H

H

CH3

H

H3C

OCH3

NO2

NO2

Hc

Ha

Hb