Principios de análisis instrumental

La espectroscopia de resonancia magnética nuclear también se usa para el análisis de elementos. Por ejemplo, es posible efec– tuar determinaciones cuantitativas exactas del hidrógeno total en mezclas orgánicas. De igual manera, la resonancia del flúor-19 se puede usar para el análisis cuantitativo de dicho elemento en compuestos orgánicos; este análisis es difícil de efectuar mediante los métodos clásicos. En el caso del trabajo cuantitativo se podría usar un espectrómetro de baja resolución o de línea ancha. A pesar de los ejemplos precedentes, el costo de los instru– mentos detiene la expansión del uso de la espectroscopia de reso– nancia magnética nuclear para el análisis cuantitativo. Además, la probabilidad de que las resonancias se traslapen se incrementa al aumentar la complejidad de la muestra. Más aún, la resonancia magnética nuclear no es a menudo tan sensible ni tan conveniente como otras técnicas. 19E RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DEL CARBON0-13 La resonancia magnética nuclear de carbono-13 se estudió por primera vez en 1957, pero apenas comenzó a utilizarse amplia– mente a principios de los años setenta. La razón de este retraso fue el tiempo que se necesitó para crear instrumentos sensibles qu e permitieran la detección de las débiles señales de resonan– cia magnética nuclear del núcleo del 13 C. La baja intensidad de la señal se relaciona directamente con la poca abundancia natu– ral del isótopo ( l.l %) y su pequeña relación giromagnética, que es alrededor de la cuarta parte de la del protón. Estos factores se combinan para hacer de la resonancia magnética nuclear del 13 C unas 6000 veces menos sensible que la resonancia magnética nuclear protónica. Entre los adelantos más importantes en la intensificación de la señal de resonancia magnética nuclear que produjeron un enorme crecimiento de la espectroscopia de resonancia magnética del 13 C están los imanes de alta intensidad de campo y los instrumentos de transformada de Fourier. Sin estos logros la RMN de 13 C se res– tringiría al estudio de sólidos muy solubles de baja masa molecular, líquidos puros y compuestos enriquecidos isotópicamente. 15 Respecto a la aptitud para revelar estructuras orgánicas y bioquímicas, la RMN de 13 C tiene varias ventajas sobre la RMN protónica. En primer lugar, proporciona información acerca del esqueleto de las moléculas y no de su periferia. Además, el inter– valo de desplazamiento químico para el 13 C en la mayor parte de los compuestos orgánicos es de alrededor de 200 ppm, comparado con las lO a 15 ppm para el protón. Por consiguiente, hay menos traslape de picos en los espec– tros de 13 C que en los espectros de protones. Por ejemplo, con frecuencia es posible observar los picos de resonancia indivi- 14 Véase R. H. Cox y D. E. Leyden, en Treatise 011 Analytical Chemistry, 2a. ed., P.). Elving, M. M. Bursey e l. M. Kolthoff, eds., parte!, vol. 10, pp. 127-1 36, New York: Wiley, 1983. 15 Para mayor información, véase D. L. Pavia, G. M. Lampman, G. S. Kritz y ). R. Vyvyan, lntroduction to Spectroscopy, Sa. ed., cap. 6, Stamford, CT: Cengage, 20 15; K. Pihlaja y E. Kleinpeter, Carbon-13 NMR Chemical Shifts in Structural and Stereo– chemical Analysis, New York: Wiley-VCH, 1994; N. Beckmann, Carbon-13 NMR Spectroscopy ofBiological Systems, New York: Academic Press, 1995; E. Breitmaier y W. Voelters, Carbon-13 NMR Spectroscopy, 3a. ed., New York: VCH, 1987. ))) 19E Resonancia magnética nuclear del carbono-13 471 duales de cada átomo de carbono en compuestos cuyos pesos molecul ares oscilan entre 200 y 400. Además, no se observa el acoplamiento homonuclear espín-espín entre átomos de carbono porque es pequeña la probabilidad de que dos átomos de 13 C estén adyacentes en muestras con abundancia natural. Asimismo, no ocurre el acoplamiento heteronuclear de espín entre 13 C y 12 C, debido a que el número cuántico de espín de este último es cero. Sin embargo, el acoplamiento heteronuclear entre el carbono y el hidrógeno si ocurre. Se pueden aplicar excelentes métodos para desacoplar la interacción entre los átomos de 13 C y los protones. Con el desacoplamiento, el espectro para un tipo particular de carbono generalmente exhibe una sola línea. 19E.1 Desacoplamiento del protón Se utilizan tres tipos principales de experimentos para el desaco– plamiento del protón en RMN de 13 C: el desacoplamiento de banda ancha, el desacoplamiento sin resonancia y el desacoplamiento de pulsos o de compuerta. Desacoplamiento de banda ancha Es un tipo de desacoplamiento heteronuclear en el que se evita que los núcleos de 1 H causen el desdoblamiento espín-espín de las líneas de 13 C al irradiar la muestra con una señal de radiofrecuencia de banda ancha que abarca la región espectral completa del protón, en tanto que el espectro de 13 C se obtiene de la forma usual. Por lo general, la seí1al del protón es producida por una segunda bobina instalada en la sonda de la muestra. En la figura 19.27 se observa el efecto del desacoplamiento de banda ancha. Desacoplamiento sin resonancia Aunque la mayoría de los espectros de 13 C se simplifican consi– derablemente mediante el desacoplamiento de banda ancha, este procedimiento elimina también la información del desdobla– miento espín-espín que podría tener importancia en las asigna– ciones estructurales. En el pasado esta limitación se corregía con el desacoplamiento sin resonancia. En esta técnica, la frecuencia de desacoplamiento se ajusta a unos l 000 o 2000 Hz por arriba de la región espectral del protón, lo que origina un espectro parcialmente desacoplado en el que están ausentes todos los desplazamientos espín-espín, excepto los más grandes. En estas circunstancias, los núcleos de los carbonos prin– cipales (con tres protones) originan un cuádruple de picos, los car– bonos secundarios dan tripletes, los núcleos de carbono terciarios se presentan como dobletes y los carbonos cuaternarios muestran una sola línea. En la figura 19.28 se ilustra la utilidad de esta técnica para identificar el origen de las resonancias en un espectro de 13 C. Desacoplamiento de pulsos Los espectrómetros modernos de RMN proporcionan informa– ción del desacoplamiento mediante la aplicación de complejos esquemas de pulsos que mejoran la relación señal-ruido de forma más rápida que el desacoplamiento sin resonancia. Estas técnicas no se tratan en este capítulo. 16 16 Véase H. Friebolin, Basic One-a11d Two-Dimensional NMR Spectroscopy, Sa. ed., Weinheim, Germany: Wiley-VCH, 2010; ). K. M. Sanders y B. K. Hunter, Modern NMR Spectroscopy: A Guide for Chemists, 2a. ed., New York: Oxford, 1993.