¿Cómo podemos identificar anillos heteroaromáticos mediante espectroscopia de RMN?

¡Hola! Como proveedor de anillos heteroaromáticos, a menudo me preguntan cómo podemos identificar estas pequeñas moléculas extravagantes mediante espectroscopía de RMN. Entonces, pensé en sentarme y escribir una publicación de blog para compartir algunas ideas sobre este tema.

En primer lugar, repasemos rápidamente qué son los anillos heteroaromáticos. Son compuestos aromáticos que contienen al menos un heteroátomo (como nitrógeno, oxígeno o azufre) en la estructura del anillo. Son muy importantes en la química orgánica, especialmente en el desarrollo de productos farmacéuticos, agroquímicos y ciencia de materiales. Puedes encontrar un montón de anillos heteroaromáticos diferentes en nuestro catálogo, como4-isopropilpiridina,7-Bromo-2,4-dicloro-6,8-difluoroquinazolina, yN-(6-bromoimidazo[1,2-a]piridin-2-il)-2,2,2-trifluoroacetamida.

Ahora, pasemos a la espectroscopia de RMN. La RMN, o Resonancia Magnética Nuclear, es una potente técnica analítica que nos permite determinar la estructura y dinámica de las moléculas. Funciona aplicando un campo magnético a una muestra y luego midiendo la absorción y emisión de radiación de radiofrecuencia por los núcleos atómicos en las moléculas.

Cuando se trata de identificar anillos heteroaromáticos mediante RMN, hay algunas cosas clave que buscamos.

Cambios químicos

El cambio químico es una de las piezas de información más importantes que obtenemos de un espectro de RMN. Nos informa sobre el entorno electrónico alrededor de los núcleos de la molécula. En los anillos heteroaromáticos, los desplazamientos químicos de los protones (u otros núcleos) pueden ser bastante diferentes de los de los compuestos no heteroaromáticos.

Por ejemplo, los protones del anillo aromático de un compuesto heteroaromático suelen estar desprotegidos debido a la presencia del heteroátomo. Esto significa que aparecen con desplazamientos químicos más altos (campo descendente) en el espectro de RMN ¹H en comparación con los protones en un anillo aromático ordinario. Los anillos heteroaromáticos que contienen nitrógeno, como la piridina, suelen tener protones con desplazamientos químicos en el rango de 7 a 9 ppm. Los valores exactos dependen de la posición del protón con respecto al átomo de nitrógeno y los demás sustituyentes del anillo.

Si tiene un sustituyente en el anillo heteroaromático, también puede afectar los cambios químicos. Los sustituyentes que extraen electrones desprotegerán aún más a los protones, moviendo sus señales a cambios químicos aún mayores. Por otro lado, los sustituyentes donadores de electrones protegerán a los protones, haciendo que sus señales se muevan hacia desplazamientos químicos más bajos (campo ascendente).

Constantes de acoplamiento

Las constantes de acoplamiento (valores J) son otro aspecto importante de los espectros de RMN. Nos hablan de la interacción entre núcleos vecinos. En los anillos heteroaromáticos, las constantes de acoplamiento pueden proporcionar información valiosa sobre la estructura y conectividad de los átomos del anillo.

Por ejemplo, en un anillo de piridina, el acoplamiento entre protones adyacentes (acoplamiento orto) suele ser de alrededor de 6 a 9 Hz, mientras que el acoplamiento entre protones meta es de alrededor de 1 a 3 Hz. Estos valores pueden ayudarnos a confirmar la posición de los sustituyentes en el anillo. Si vemos una constante de acoplamiento que no coincide con los valores esperados para una estructura particular, podría indicar que está sucediendo algo inusual, como una forma tautomérica diferente o un cambio conformacional.

Integración

La integración en un espectro de RMN nos da una idea del número relativo de núcleos que dan lugar a cada señal. En anillos heteroaromáticos, esto puede resultar útil para determinar el patrón de sustitución.

Digamos que tenemos un anillo heteroaromático disustituido. Al observar los valores de integración de las señales de los protones, podemos calcular cuántos protones hay en cada parte del anillo. Si conocemos el número total de protones en el anillo y los valores de integración de las señales, podemos calcular el número de protones en diferentes entornos y así inferir el patrón de sustitución.

RMN heteronuclear

Además de la RMN ¹H, también podemos utilizar técnicas de RMN heteronuclear, como la RMN ¹³C y la RMN ¹⁵N, para identificar anillos heteroaromáticos.

La RMN ¹³C es particularmente útil porque nos brinda información sobre los átomos de carbono en el anillo. Los desplazamientos químicos de los átomos de carbono en los anillos heteroaromáticos también se ven afectados por la presencia del heteroátomo y los sustituyentes. Por ejemplo, los átomos de carbono adyacentes a un átomo de nitrógeno en un anillo de piridina suelen tener desplazamientos químicos en el rango de 120 a 150 ppm.

La RMN ¹⁵N puede proporcionar información directa sobre los átomos de nitrógeno en el anillo heteroaromático. Sin embargo, el ¹⁵N tiene una abundancia natural muy baja y una baja sensibilidad, por lo que a menudo requiere técnicas especiales y tiempos de adquisición más prolongados. Pero cuando podamos obtener buenos datos de RMN ¹⁵N, puede ser extremadamente útil para confirmar la estructura de los anillos heteroaromáticos que contienen nitrógeno.

Estudios de caso

Echemos un vistazo a un par de ejemplos para ver cómo funcionan estas técnicas de RMN en la práctica.

Ejemplo 1: 4 - Isopropilpiridina

4 - IsopropilpiridinaTiene un anillo de piridina con un grupo isopropilo en la posición 4. En el espectro de RMN ¹H, esperaríamos ver señales para los protones en el anillo de piridina en el rango de 7 a 9 ppm. Los protones del grupo isopropilo aparecerían en desplazamientos químicos más bajos. Los protones metilo del grupo isopropilo aparecerían como un doblete (debido al acoplamiento con el protón metino), y el protón metino aparecería como un septeto.

En el espectro de RMN ¹³C, veríamos señales para los átomos de carbono en el anillo de piridina y el grupo isopropilo. Los átomos de carbono en el anillo de piridina tendrían desplazamientos químicos característicos, y los átomos de carbono en el grupo isopropilo también tendrían sus propios desplazamientos distintos.

Ejemplo 2: 7 - Bromo - 2,4 - dicloro - 6,8 - difluoroquinazolina

7 - Bromo - 2,4 - dicloro - 6,8 - difluoroquinazolinaEs un compuesto heteroaromático más complejo. La presencia de múltiples sustituyentes halógenos y el sistema de anillos de quinazolina complica el espectro de RMN.

En el espectro de RMN ¹H, esperaríamos ver muy pocas señales de protones porque la mayoría de las posiciones en el anillo están sustituidas. Los desplazamientos químicos de los protones restantes se verían afectados por los efectos atractores de electrones de los átomos de halógeno. En el espectro de RMN ¹³C, los átomos de carbono mostrarían una amplia gama de desplazamientos químicos debido a los diferentes sustituyentes y heteroátomos en el anillo.

Ejemplo 3: N-(6 - Bromoimidazo[1,2 - a]piridina - 2 - il)-2,2,2 - trifluoroacetamida

El espectro ¹H NMR de N-(6 - Bromoimidazo[1,2 - a]piridina - 2 - il)-2,2,2 - trifluoroacetamidamostraría señales para los protones en el anillo imidazo[1,2 - a]piridina y el grupo amida. El sustituyente bromo desprotegería a los protones adyacentes, provocando que sus señales aparecieran en desplazamientos químicos más elevados.

El espectro de RMN ¹³C proporcionaría información sobre los átomos de carbono en el anillo y el grupo amida. La presencia del grupo trifluoroacetilo también tendría un efecto sobre los desplazamientos químicos de los átomos de carbono cercanos.

Conclusión

En conclusión, la espectroscopia de RMN es una herramienta increíblemente poderosa para identificar anillos heteroaromáticos. Al observar los cambios químicos, las constantes de acoplamiento, la integración y el uso de técnicas de RMN heteronuclear, podemos determinar la estructura, la conectividad y el patrón de sustitución de estas importantes moléculas.

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Referencias

• Silverstein, RM, Webster, FX y Kiemle, DJ (2014). Identificación espectrométrica de compuestos orgánicos. Wiley.
• Breitmaier, E. (2002). Espectroscopia de RMN: principios básicos, conceptos y aplicaciones en química. Wiley-VCH.