A Espectroscopia de RMN de Hidrogênio

Espectrometria de RMN de hidrogênio

Introdução

O RMN ocorre sob condições apropriadas em um campo magnético onde uma amostra pode absorver radiação eletromagnética na região de radiofrequência em uma frequência regida pelas características estruturais da amostra. A absorção é função de determinados núcleos da molécula. Um espectro de RMN é um registro gráfico das frequências dos picos de absorção contra suas intensidades.

Teoria

Propriedades magnéticas dos núcleos

Todos os núcleos têm carga. Em alguns casos, a carga “gira” em torno do eixo nuclear e gera um dipolo magnético ao longo do eixo. O momento angular da carga em movimento pode ser descrito em termos do número de spin I. 

Os núcleos com número de spin um ou superior têm distribuição de carga não – esférica. Essa assimetria é descrita por momento elétrico quadruplo, o qual afeta o tempo de relaxação, a largura do sinal e o acoplamento com os núcleos vizinhos. O numero de spin I determina o número de orientações diferentes que o núcleo pode assumir quando colocado em um campo magnético uniforme.

Excitações dos núcleos com spin ½

         No caso dos núcleos com spin ½ existem dois níveis de energia com um pequeno excesso de população dos hidrogênios no estado de energia mais baixa. Podemos introduzir energia na forma de radiofrequência de modo a induzir a transição entre esses níveis de energia em um campo magnético estacionário de intensidade B0.

        Para o hidrogênio a frequência é 100 MHz em um campo magnético B0 igual a 2,35 tesla. Nessa razão, o sistema está em ressonância e a energia é absorvida pelo hidrogênio, que passa para o estado de energia mais alto, daí resultando no espectro.

        No espectrômetro com onda continua (CW) a amostra é colocada em um campo magnético e irradiada por uma lenta varredura da faixa de frequência de interesse. O espectro resultante é obtido pelo registro da energia absorvida em função da frequência. No espectrômetro pulsado, a amostra é colocada no campo magnético e irradiada com um pulso de energia de radiofrequência de alta potencia que atinge uma faixa de frequência suficiente para cobrir a região de interesse. Esse pulso excita simultaneamente todos os núcleos da amostra. Imediatamente após o pulso, os núcleos excitados começam a voltar ao estado fundamental e a irradiar energia. Um detector coleta a energia emitida e produz um o decaimento livre da indução(FID),  que é a soma da radiação de todos os núcleos durante o tempo de emissão. A informação contida no FID, que é função do tempo, é convertida em um espectro convencional, que é função da frequência.

        Quando os picos de absorção são muito intensos, observa-se, às vezes, nos espectros de varredura contínua pequenas bandas dispostas simetricamente em ambos os lados de um pico intenso. Essas bandas resultam as inomogeneidade do campo magnético e do tubo de amostra.

         A maior desvantagem dos instrumentos CW é que são necessários vários minutos para a obtenção do espectro completo. Esse instrumento é usado tipicamente no caso de amostras puras ou muito concentradas. O método CW é utilizado em instrumentos de baixa resolução, mas nos instrumentos ais modernos a técnica preferida é o método pulsado com transformações de Fourier(FT).

        No método FT a sensibilidade maior é alcançada excitando-se simultaneamente todos os núcleos e coletando-se os sinais de hidrogênio. Pode-se descrever um pulso como uma varredura instantânea.

        O resultado é chamado de decaimento livre da indução (FID), esses FID sofrem uma transformação de Fourier em um computador que gera um espectro convencional de RMN.

Relaxação

        Existem dois processos de relaxação. O processo de relaxação longitudinal, caracterizado pela constante de tempo T1, envolve a transferência de energia do núcleo que esta no estado d maior energia para as moléculas mais próximas que estão vibrando as frequências apropriadas.

        A relaxação transversa é caracterizada pela constante de tempo T2 e envolve transferência de energia de um núcleo para o outro, tendo como resultado o emparelhamento que causa a perda de sinal e alargamento do sinal de absorção.

         No caso de núcleos de hidrogênio nas soluções não viscosas normalmente utilizamos os tempos em relaxação a T2  são suficientemente longos para obtenção de sinais bem estreitos e os tempos de relaxação T1 são suficientemente curtos para que as intensidades de picos sejam proporcionais ao número de hidrogênios envolvidos. T1 esta diretamente ligado a intensidade dos picos. Já T2 afeta a largura dos picos.

Instrumentação e manipulação da amostra

         O primeiro instrumento comercial de RMN surgiu em 1953, na época ele funcionava a partir de imãs permanentes ou eletroímãs, Todos os instrumentos acima de 100 MHz baseiam-se em magnetos supercondutores resfriados com hélio e operam no modo pulsado com transformações de Furier. Outros requisitos básicos são estabilidade, homogeneidade dos campos de radiofrequência e uma interface computadorizada.

         A amostra é colocada no compartimento de amostra onde estão as bobinas transmissoras e receptoras e um orifício de onde sai um ar comprimido, causando rotação em torno do eixo vertical e compensando a inomogeneidade do campo magnético.

        Quando o espectrômetro opera no modo CW  é formado por uma unidade de controle um imã  e duas bobinas que servem de antena para radiação rf. Um dos fios liga-se a um transmissor rf e o outro a um amplificador rf e à eletrônica detecção. O espectro de hidrogênio obtido por uma varredura continua é registrado como uma serie de picos cujas as áreas são proporcionais ao número de hidrogênio que eles representam.

         A contagem de hidrogênio a partir da integração é útil para determinar ou confirmar formulas moleculares, determinar picos sobrepostos, determinar a pureza de amostras e efetuar analises quantitativas.