Procesos de relajación

Procesos de relajación Si fuera posible introducir una muestra en un espectrómetro de RMN y aplicar un pulso de radiofrecuencia (por ejemplo a la ν de

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Procesos de relajación Si fuera posible introducir una muestra en un espectrómetro de RMN y aplicar un pulso de radiofrecuencia (por ejemplo a la ν de los 1H) de modo que todo el proceso ocurriera en milisegundos ¿qué eque observaríamos?

La magnetización sería practicamente nula en ese sistema (despreciando el efecto del campo magnético terrestre que es muy débil)

Los procesos que involucran redistribución de las poblaciones de los niveles de spin pueden ser lentos (depende del núcleo y el entorno)

Relajación spin red Cuando exponemos un sistema de spins a un campo magnético en forma súbita, queda en una configuración de alta energía. Esa energía debe ser disipada para que el sistema llegue a la distribución de equilibrio (Boltzmann): Mo

z

x

Bo

t

y

?

β Bo > 0

x

Bo

y

z

β

Mo

Mz

Bo > 0

0

Bo = 0

α Nα = Nβ exceso de energía

0

2

4

t

6

8

α

10

Nβ / Nα = e - h

γBo / kT

1

¾La probabilidad de emisión espontánea de un fotón es proporcional a ν3 y resulta ínfima a las frecuencias involucradas en RMN ¾La desactivación de estados excitados por colisiones es despreciable porque los spins nucleares interaccionan muy debilmente con su entorno y se mantienen alineados con Bo aunque la molécula rote Todo proceso que involucre alterar la distribución de poblaciones de un sistema de spins requiere un estímulo externo Los núcleos solo pueden transferir energía a su entorno (la red) por interacción con campos magnéticos que oscilen a su frecuencia de resonancia b

Bo

μ

El μ de un núcleo genera un campo magnético ( b ) que puede afectar el campo efectivo de otros núcleos cercanos

El movimiento molecular en un líquido promedia ese efecto y no produce cambios en la frecuencia de resonancia del núcleo b Bo

Los spins nucleares están completamente aislados del movimiento molecular y μ se mantiene alineado con Bo

La interacción dipolo-dipolo modulada por el movimiento molecular hace que los spins nucleares experimenten campos magnéticos locales variables ( b ) Si esos campos tienen componentes a la frecuencia de resonancia de los núcleos, pueden inducir transiciones

2

densidad espectral

Las frecuencias del movimiento molecular en un líquido cubren un rango amplio y solo las rotaciones ocurren a frecuencias comparables a las de resonancia de los núcleos.

la distribución de frecuencias disponibles disponibles en el sistema se representa mediante la función de densidad espectral: probabilidad de encontrar una componente de movimiento a una dada frecuencia

lento τc largo

intermedio

rápido τc corto

τc = tiempo de correlación rotacional:

log ( ω)

tiempo en que las moléculas tienen una rotación cuadrática media de 1 radián

Al cabo de τc el sistema pierde “memoria” de la orientación anterior de las moléculas Para un sistema determinado el área bajo las curvas es constante

densidad espectral

lento

1/τc

> ωo

rápido 1/ c

log ( ω)

τc largo: el sistema se mueve lentamente, las frecuencias disponibles están distribuidas en un rango pequeño y hay poca disponibilidad de frecuencias altas

τc intermedio: el sistema se mueve más rápido, hay más disponibilidad de frecuencias mayores a costa de las menores

τc corto: el sistema se mueve rápido y las frecuencias están distribuida en un rango amplio pero la densidad para una frecuencia dada es pequeña

relajación spin-red pobre relajación spin-red eficiente relajación spin-red pobre

3

T1 Matemáticamente la relajación es un proceso exponencial de 1er orden La constante de tiempo del proceso T1 se denomina tiempo de relajación spin-red Mo 0,63 Mo

Mz = Mo (1 – e – t

0

t = T1

/ T1

La curva es asintótica. Al cabo de 5xT1 el sistema ha recuperado más del 99% de su magnetización de equilibrio (Mo)

)

t

moléculas pequeñas baja viscosidad

moléculas grandes alta viscosidad

sólidos

T1

Cuando ωoτc ≈ 1 la relajación es más eficiente y T1 es mínimo

ωoτc ≈ 1

10-9

10-12

10-6

10-3

τc

Relajación spin-spin La presencia de magnetización en el plano xy genera una condición de no equilibrio. Esa magnetización decae a cero por desfasaje de las componentes x e y de los momentos dipolares de los núcleos que vuelven a una distribución al azar En ese desfasaje no hay involucrados cambios en la distribución de poblaciones y z el sistema no debe entregar energía z desfasaje en xy

x

Bo

y

redistribución de poblaciones

x

T

y

1

Mo

T2

z

ωo procesos simultáneos

T2 ≤ T1

T1 = T

2

x y

4

A la relajación spin-spin contribuyen: 1. las mismas componentes de movimiento que a la relajación spin-red 2. campos magnéticos estacionarios en el eje z, estos tienen ν = 0

lento densidad espectral

1/τc

> ωo

rápido 1/ c

log ( ω)

estas frecuencias contribuyen a T2 En los sistemas donde predominan movimientos lentos T2 < T1

T2 Matemáticamente la relajación spin-spin es un proceso exponencial de 1er orden La constante de tiempo del proceso T2 se denomina tiempo de relajación spin-spin Mo

La curva es asintótica a cero. Al cabo de 5xT2 el sistema ha perdido más del 99% de su magnetización transversal (xy)

Mxy /T Mxy = Mo (e – t 2 )

0,37 Mo 0

t = T2

t

moléculas pequeñas baja viscosidad

moléculas grandes alta viscosidad

sólidos

T1

T1, T2

ωoτc ≈ 1

T2 10-12

10-9

10-6

10-3

En sistemas con movimientos rápidos la relajación spin-spin y spin-red dependen de los mismos procesos: T2 = T1 En sistemas con movimientos muy lentos la relajación spinspin es muy eficiente: T2 ½ y se relaja eficientemente por relajación cuadrupolar JHX 2. sufre intercambio químico (por ej OH) y su spin cambia al intercambiarse con otros núcleos iguales

Desacoplamiento spin-spin En un sistema AX con J ≠ 0 si irradiamos a X con una segunda radiofrecuencia contínua (ν2 con campo magnético oscilante B2), X podrá cambiar “libremente” entre sus estados α y β Este cambio rápido de estados de spin hace que el efecto de J sobre A se promedie a cero y el acoplamiento desaparece del espectro B2 JAX

JAX

νA

νX

irradiación con B2 ν2 = ν X

νA

νX

En RMN 13C irradiamos los 1H para obtener un espectro “desacoplado” donde todos los 13C son singuletes. Se usan técnicas especiales que permiten irradiar simultaneamente todo el rango de frecuencias que abarca el espectro de 1H

7

Efecto Overhauser nuclear Un efecto secundario de la irradiación es una alteración de las poblaciones de núcleos que tienen interacción dipolo-dipolo con los núcleos irradiados. Este efecto se denomina Efecto Overhauser nuclear y se suele representar con la sigla en inglés: “NOE”

ββ () W1X

(∗∗) βα

W1A

W2AX

αβ (∗∗)

W0AX W1A

W1X

sistema AX homonuclear por ejemplo dos 1H

αα (∗∗∗∗)

las W1 son las probabilidades que corresponden a las transiciones donde Δm = ±1 W0 y W2 son las probabilidades que corresponden a las transiciones donde Δm es 0 y 2 respectivamente los ** representan los excesos de población en cada nivel

En los procesos de interacción spin-spin no hay absorción o emisión de energía y no están sujetos a la regla de selección Δm = ±1

si irradiamos al núcleo A hasta igualar sus poblaciones 4

W1X

(∗∗∗) βα

ββ (∗) W2AX W1A

W0AX

3

2

αβ (∗)

W1X

W1A 1

la diferencia de poblaciones entre los estados 1-4 y 2-3 cambia y las probabilidades W0 y W2 aumentan para las transiciones 4 →1 y 3 → 2

αα (∗∗∗)

Si en el sistema hay “disponibilidad” de frecuencias altas se inducirán las transiciones de 4 a 1 Al aumentar la población del nivel 1 aumentan las transiciones 1 → 2 de X Al disminuir la población del nivel 4 aumentan las transiciones 3 → 4 de X La intensidad de la señal de X aumenta

8

si irradiamos al núcleo A hasta igualar sus poblaciones

ββ (∗)

4

W1X

(∗∗∗) βα

W2AX W1A W0AX

3

2

αβ (∗)

W1X

W1A 1

la diferencia de poblaciones entre los estados 1-4 y 2-3 cambia y las probabilidades W0 y W2 aumentan para las transiciones 4 →1 y 3 → 2

αα (∗∗∗)

Si en el sistema hay “disponibilidad” de frecuencias bajas se inducirán las transiciones de 3 a 2 Al aumentar la población del nivel 2 disminuyen las transiciones 1 → 2 de X Al disminuir la población del nivel 3 disminuyen las transiciones 3 → 4 de X La intensidad de la señal de X disminuye

En un sistema homonuclear donde las diferencias de energía entre los niveles 2 y 3 son pequeñas el cambio de intensidad de la señal depende de los tiempos de correlación del sistema. Para 1H puede variar desde +0,5 hasta -1 En un sistema heteronuclear las separaciones entre los niveles 2-3 y 1-4 son grandes y ambas corresponden a movimientos rápidos. En el caso de 13C y 1H el aumento de intensidad de la señal de 13C varía entre 0 y +2 En general:

i – io η= io

ηmax ≈

1 2

γA γX

donde A es el núcleo irradiado y X el observado

El incremento por NOE (η) será máximo si el mecanismo de relajación entre esos núcleos es 100% dipolo-dipolo La interacción dipolo-dipolo depende de la distancia entre los núcleos. La magnitud de η brinda información sobre la distancia espacial entre los núcleos En el caso de 13C-1H solo es importante para 13C directamente unidos a 1H

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