Química escolar — Años 1 a 12 · Grades 1–12
38RMN del protón
En un hospital, un paciente está tumbado dentro del anillo de un aparato de resonancia magnética, y en la pantalla aparece una imagen de los tejidos blandos del cuerpo, construida a partir de las respuestas de los núcleos de hidrógeno de su agua y de sus grasas. En un laboratorio de química, un pequeño tubo de vidrio con unos miligramos de un compuesto desciende al interior de un imán potente, y aparece un espectro obtenido del mismo modo: un imán intenso, una señal de radio y núcleos de hidrógeno que le responden. En el espectrómetro del químico, cada núcleo de hidrógeno responde de forma un poco distinta según sus vecinos, y el espectro es un mapa de los átomos de hidrógeno de la molécula.
Lo que ya sabes
Un espectro infrarrojo muestra qué enlaces contiene una molécula (Capítulo 34). Grupos funcionales, familias e isómeros (Capítulo 33, Capítulo 32).
38.1 Protones en un campo magnético
El núcleo de un átomo de hidrógeno es un único protón. Colocado en un campo magnético intenso, absorbe ondas de radio de una frecuencia precisa; el cómo y el porqué pertenecen a la física y no hacen falta aquí. Lo que importa al químico es que los electrones que rodean a un protón lo apantallan ligeramente del campo, y que este apantallamiento depende de los átomos cercanos: un protón vecino de un átomo de oxígeno electronegativo, que atrae los electrones, absorbe a una frecuencia ligeramente distinta de la de un protón de una cadena hidrocarbonada. Las diferencias son minúsculas, unas millonésimas de la frecuencia, y se expresan en partes por millón.
Definición 38.1 (Espectro de RMN, desplazamiento químico)
Un espectro de RMN del protón (resonancia magnética nuclear) muestra las señales absorbidas por los núcleos de hidrógeno de un compuesto. La posición de una señal es su desplazamiento químico , en partes por millón (), medido a partir de la señal de un compuesto de referencia, el tetrametilsilano (TMS), fijada en . El eje de se dibuja creciente de derecha a izquierda.
Proposición 38.2 (El desplazamiento depende de los vecinos)
El desplazamiento químico de un protón depende de los átomos cercanos: cuanto más cerca está de un átomo electronegativo o de un doble enlace, mayor es su desplazamiento. Intervalos típicos, en :
Demostración. Medido en muchos compuestos (registro de datos). Un vecino electronegativo atrae los electrones lejos del protón, que queda menos apantallado y absorbe a un desplazamiento mayor. ∎
En el laboratorio — Preparar un tubo de RMN
Unos miligramos del compuesto se disuelven en unos de un disolvente cuyos átomos de hidrógeno se han sustituido por deuterio (, cloroformo deuterado), que no da señal; se añade una traza de TMS como referencia. La disolución se filtra a un tubo de vidrio fino, que se tapa, se etiqueta y se introduce en el imán.
38.2 Protones equivalentes
Definición 38.3 (Protones equivalentes)
Unos protones son protones equivalentes si tienen el mismo entorno en la molécula, de modo que absorben al mismo desplazamiento. Cada grupo de protones equivalentes da una señal. Los tres protones de un grupo son siempre equivalentes.
Ejemplo 38.4 (Contar los grupos)
La propanona, , tiene seis protones pero un solo grupo: los dos son iguales, uno a cada lado del . El etanol, , tiene tres grupos (, , ), y el etanoato de etilo, , también tres: el vecino del , el vecino del y el del extremo.
38.3 Integración
Definición 38.5 (Curva de integración)
La curva de integración de un espectro de RMN es una curva, dibujada sobre las señales, que sube un escalón en cada señal: la altura de cada escalón es proporcional al número de protones que dan esa señal.
Ejemplo 38.6 (Leer los escalones)
En el espectro del etanol, los escalones sobre las tres señales miden 2, 1 y 3 unidades, de izquierda a derecha: , y . Solo cuentan las proporciones: escalones de 12, 6 y 18 mm dicen lo mismo.
38.4 Multiplicidad y regla de los
Definición 38.7 (Multiplete, regla de los )
Una señal suele estar desdoblada en varias líneas próximas: un multiplete (singlete, doblete, triplete, cuadruplete, … para 1, 2, 3, 4 líneas). Según la regla de los , un grupo de protones equivalentes cuyos átomos de carbono vecinos llevan en total protones, no equivalentes a él, da una señal de líneas, con intensidades en las proporciones del triángulo de Pascal.
Proposición 38.8 (Desdoblamiento por los vecinos)
En una molécula (X sin hidrógeno), la señal del es un triplete (2 protones vecinos) y la del un cuadruplete (3 protones vecinos). Los protones unidos a un átomo de oxígeno o de nitrógeno suelen dar un singlete y no desdoblan a sus vecinos.
Demostración. Se admite: cada protón vecino desplaza ligeramente la señal hacia arriba o hacia abajo según su propio estado, y las combinaciones dan líneas; la física se explica en el volumen del primer año. Los protones unidos a O o a N se intercambian rápidamente entre moléculas, lo que promedia su efecto. ∎
Ejemplo 38.9 (Leer los espectros)
El etanoato de etilo (B) da un cuadruplete de 2 protones a (, vecino del oxígeno y de un ), un singlete de 3 protones a (, sin protón vecino) y un triplete de 3 protones a (, vecino de un ). La propanona (C) da un único singlete de 6 protones a . El ácido propanoico (E) presenta un cuadruplete a , un triplete a y un singlete muy a la izquierda, a : su protón ácido.
38.5 Usar juntos el infrarrojo y la RMN
Método 38.10 (Identificar una molécula a partir de sus espectros IR y de RMN)
- A partir de la fórmula molecular, enumera los isómeros posibles y sus grupos funcionales.
- Infrarrojo: busca una banda cerca de y bandas o ; descarta los isómeros que no encajen.
- RMN: cuenta las señales (grupos de protones equivalentes), lee la integración (protones por grupo), las multiplicidades (vecinos) y los desplazamientos (entornos).
- Reúne las piezas en una sola estructura y contrástala con cada observación.
Ejemplo 38.11 (Dos isómeros )
El ácido propanoico y el etanoato de metilo son isómeros. En infrarrojo, solo el ácido presenta la banda , muy ancha. En RMN (espectros E y D), el ácido da un triplete, un cuadruplete y un singlete cerca de ; el éster da dos singletes de 3 protones cada uno, a 3.66 () y (), ya que ningún carbono del éster que lleve protones es vecino de otro carbono con protones.
38.6 Ejercicios
Ejercicio 38.1 ★
¿Cuántos grupos de protones equivalentes, y por tanto cuántas señales, dan estas moléculas: metano; etano ; propano; metanol ; metoximetano ?
Solución
Solución de Ejercicio 38.1.
Metano: 1. Etano: 1 (los dos son iguales). Propano: 2 (dos iguales y un ). Metanol: 2 ( y ). Metoximetano: 1.
Ejercicio 38.2 ★
Un grupo de protones tiene 2 protones vecinos en el carbono contiguo. ¿Cuántas líneas tiene su señal, y en qué proporciones? Misma pregunta para 3 y para 0 vecinos.
Solución
Solución de Ejercicio 38.2.
2 vecinos: un triplete, 1:2:1. 3 vecinos: un cuadruplete, 1:3:3:1. 0 vecinos: un singlete.
Ejercicio 38.3 ★
Un espectro presenta tres señales con escalones de integración de 15, 10 y 15 mm. La molécula tiene 8 protones. ¿Cuántos protones representa cada señal?
Ejercicio 38.4 ★
Con la tabla de desplazamientos, ¿dónde esperarías la señal de un protón de un grupo aldehído? ¿Y la de un grupo de una cadena?
Ejercicio 38.5 ★
¿Por qué se elige como referencia el TMS, cuyos protones son todos equivalentes? ¿Por qué el disolvente está deuterado?
Solución
Solución de Ejercicio 38.5.
Sus doce protones equivalentes dan una sola línea, fina e intensa, fácil de situar en el cero. El disolvente deuterado no da ninguna señal de protón propia, que de lo contrario taparía las de los pocos miligramos de muestra.
Ejercicio 38.6 ★★
Predice el espectro del cloroetano : número de señales, integración, multiplicidades y desplazamientos aproximados.
Ejercicio 38.7 ★★
Predice el espectro del propan-2-ol, : en particular, la multiplicidad de la señal del y de la del (supón que el da un singlete y no desdobla).
Solución
Solución de Ejercicio 38.7.
Tres señales: los dos , 6 protones equivalentes, un doblete (1 vecino, el ); el , 1 protón, desdoblado por 6 vecinos en 7 líneas, en el intervalo (3.3–); el , 1 protón, un singlete.
Ejercicio 38.8 ★★
Tres espectros: (a) un solo singlete; (b) un cuadruplete, un singlete y un triplete, integraciones 2:3:3; (c) un cuadruplete, un triplete y un singlete muy a la izquierda, integraciones 2:3:1. Asócialos con el etanoato de etilo, la propanona y el ácido propanoico.
Solución
Solución de Ejercicio 38.8.
(a) propanona; (b) etanoato de etilo; (c) ácido propanoico.
Ejercicio 38.9 ★★
Con el diagrama de desplazamientos, explica por qué el del etanoato de etilo () está mucho más a la izquierda que el del mismo grupo etilo ().
Ejercicio 38.10 ★★
Un compuesto presenta una banda infrarroja intensa a y un único singlete en RMN. Identifícalo. ¿Por qué se descarta el propanal?
Solución
Solución de Ejercicio 38.10.
La propanona: un (cetona, ) y seis protones equivalentes, un solo singlete. El propanal daría tres señales, una de ellas, la del protón aldehídico de , cerca de 9.7–.
Ejercicio 38.11 ★★
En el espectro del etanol, ¿por qué la señal del es un singlete, y por qué el aparece como un cuadruplete y no como una señal más compleja?
Ejercicio 38.12 ★★★
Da las estructuras de cuatro isómeros que sean ésteres o ácidos (ácido butanoico, etanoato de etilo, propanoato de metilo, metanoato de propilo, …) y predice, para cada uno, el número de señales de RMN y sus multiplicidades.
Solución
Solución de Ejercicio 38.12.
Ácido butanoico : 4 señales, un triplete (), una señal de 6 líneas ( central, 5 vecinos), un triplete () y un singlete cerca de 11–. Etanoato de etilo: un singlete, un cuadruplete y un triplete. Propanoato de metilo : un triplete, un cuadruplete (, 2.0–) y un singlete (). Metanoato de propilo : 4 señales, un singlete muy a la izquierda (el H del carbono del ), un triplete (), una señal de 6 líneas y un triplete ().
Ejercicio 38.13 ★★★
Se agita una gota de agua pesada con una disolución de etanol y se vuelve a registrar el espectro: una señal desaparece. ¿Cuál, y por qué? ¿Cómo ayuda esto a reconocer los protones ?
Ejercicio 38.14 ★★★
Una muestra de etanoato de etilo contiene algo de etanol. ¿Qué señales adicionales aparecen en el espectro? Si la integración del singlete a es de 30 mm y la de un pequeño triplete adicional a es de 3 mm, estima la razón entre las cantidades de etanol y de éster.
Solución
Solución de Ejercicio 38.14.
El etanol añade un cuadruplete cerca de , un triplete cerca de y un singlete del . El singlete del éster: para 3 protones, por protón de éster. El triplete del etanol: para 3 protones, por protón de etanol. Como cada molécula aporta un a estas señales, las cantidades están en la razón : alrededor de una molécula de etanol por cada diez de éster.
Ejercicio 38.15 ★★★
El 2-metilpropan-1-ol es . Predice su espectro: las señales, sus integraciones y la multiplicidad de las señales del y del . ¿Qué señal tiene más líneas?
38.7 Problema: el disolvente desconocido
Problema 38.1
Problema de fin de semana — un frasco de disolvente con la única etiqueta : ¿qué es, y qué altura tiene cada escalón de su curva de integración?
Un frasco de disolvente de un almacén solo lleva la etiqueta “”. Su espectro infrarrojo presenta una banda intensa a y ninguna banda por encima de . Su espectro de RMN presenta tres señales: un cuadruplete a , un singlete a y un triplete a . La curva de integración sube en total .
Parte I — Los candidatos.
- Comprueba que corresponde a un éster o a un ácido carboxílico con solo enlaces simples en su cadena.
- Da las fórmulas semidesarrolladas y los nombres del ácido butanoico y de los tres ésteres etanoato de etilo, propanoato de metilo y metanoato de propilo.
- ¿Qué grupo funcional comparten por parejas?
Parte II — Infrarrojo.
- ¿Qué revela la banda a ?
- ¿Qué mostraría el ácido butanoico que aquí falta? Descártalo.
- ¿Puede el infrarrojo, por sí solo, elegir entre los tres ésteres?
Parte III — RMN.
- ¿Cuántos grupos de protones equivalentes tiene el compuesto desconocido?
- ¿Qué sugieren juntos el cuadruplete y el triplete?
- ¿Qué dice el singlete sobre los vecinos de sus protones?
- ¿Por qué el cuadruplete está a un desplazamiento grande?
- Predice el espectro del propanoato de metilo (señales, multiplicidades, desplazamientos aproximados). ¿Es el compuesto desconocido?
- Predice el espectro del metanoato de propilo. ¿Es el compuesto desconocido?
Parte IV — Identificación e integración.
- Identifica el compuesto desconocido y dibuja su estructura, indicando a qué corresponde cada señal.
- ¿Cuántos protones representa cada señal?
- La integración total es de para 8 protones. ¿Cuántos milímetros corresponden a cada protón?
- Calcula la altura del escalón del singlete y del triplete.
- Comprueba que los tres escalones suman .
- El etanoato de etilo huele a caramelo de pera: ¿es coherente con la familia encontrada?
- Da la respuesta final: ¿qué altura tiene el escalón de integración del cuadruplete?
Solución
Solución de Problema 38.1.
1. Un alcano de cuatro carbonos es ; un quita dos hidrógenos y los dos oxígenos no añaden ninguno: , la fórmula de los ácidos y ésteres de cuatro carbonos.
2. Ácido butanoico: ; etanoato de etilo: ; propanoato de metilo: ; metanoato de propilo: .
3. Los tres ésteres comparten el grupo éster; los cuatro tienen un .
4. Un , en el intervalo de los ésteres (cerca de ).
5. La banda muy ancha, de 2500 a : falta, así que no es el ácido butanoico.
6. No: los tres ésteres tienen los mismos grupos.
7. Tres.
8. Un grupo etilo : el desdoblado por 3 protones (cuadruplete) y el por 2 (triplete).
9. Sus protones no tienen protones en los átomos vecinos: un unido al carbono del o al oxígeno del grupo éster.
10. El está unido a un oxígeno (intervalo ).
11. Un triplete (), un cuadruplete cerca de 2.0– ( vecino del ) y un singlete en el intervalo (). El cuadruplete quedaría muy por debajo de y el singlete muy por encima de : no es el compuesto desconocido.
12. Cuatro señales (un singlete muy a la izquierda, un triplete, una señal de 6 líneas y un triplete): no es el compuesto desconocido, que tiene tres.
13. Etanoato de etilo, : singlete a = ; cuadruplete a = ; triplete a = el del extremo.
14. Singlete 3, cuadruplete 2, triplete 3.
15. por protón.
16. Singlete ; triplete .
17. .
18. Sí: los ésteres pequeños son conocidos por sus olores afrutados.
19. El escalón del cuadruplete mide de los .