model analiza chimica a alimentelor prin rmn

Universitatea Valahia TărgovisteFacultatea Ingineria mediului si biotehnologiiSpecializarea Master Controlul si expertiza alimentelor

Analiza chimică a alimentelor prin RMN

Masterand

2009 ndash 2010 SemI

1 Definitie 32 Principiul metodei 53 Avantajele metodei 74 Dezavantajele metodei 75 Aparatura utilizată 86 Etapa preparativă de pregătire probelor 97 Descrierea metodei de lucru specifice 148 Rezultatele furnizate9 Interpretarea rezultatelor obtinute 10 Aplicatii icircn identificarea componentelor aleimentare 16 11 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2

1 Definitie RMN

Rezonanta magnetică nucleară RMN este o tehnică spectroscopică foarte des folosită icircn chimie chimie-fizică medicină biofizică si inginerie nucleară pentru determinarea structurii diversilor compusi chimici icircn biochimie pentru determinarea structurii proteinelor fiind singura tehnică destinată determinării structurii proteinelor icircn solutie Dintre toate metodele fizice rezonanţa magnetică nucleară (RMN) este aceea care oferă cea mai bogată şi completă informaţie structurală asupra compuşilor organici Spre deosebire de spectroscopia IR icircn RMN practic toate semnalele sunt interpretabile relativ uşor iar spre deosebire de spectroscopia electronică metoda RMN oferă mult mai multe informaţii Icircn timp ce spectroscopia IR sau cele de masă sunt prea bogate icircn informaţii deci greu interpretabile iar cele UV-VIZ prea sărace spectrele RMN atacirct cele 1H cacirct şi cele 13C conţin exact informaţia necesară care poate fi pusă icircn legătură directă cu formula structurară a substanţei Dezvoltată prin analogie cu rezonanţa electronică de spin rezonanţa magnetică nucleară de icircnaltă rezoluţie aplicată iniţial pentru studiul protonilor şi extinsă ulterior pentru o serie de alţi nuclizi 13C 19F 31P 17O etc a devenit icircn prezent cea mai importantă metodă de studiu a structurii configuraţiei compuşilor organici Rezonanţa este fenomenul de oscilaţie cu aceeaşi frecvenţă a doi oscilatori care transferă energie Icircn acest caz oscilatorii se numesc cuplaţiFenomenul rezonanţei magnetice nucleare se bazează pe proprietatea nucleelor de a prezenta moment magnetic Nu toate nucleele icircnsă posedă moment magnetic Se pretează la o rezonanţă magnetică acele nuclee care au moment magnetic Practic se poate obţine rezonanţa magnetică nucleară prin aplicarea unui cacircmp electromagnetic de frecvenţă variabilă şi observarea frecvenţei la care nucleele magnetice intră icircn rezonanţă cu cacircmpul indusNucleele magnetice posedă un moment unghiular de spin mω care are o valoare cuantificată după formulamω =)1I(+Imiddotπ2hunde I este numărul cuantic de spin (numit simplu spin) poate lua valorile I = 0 frac12 1 Valoarea numărului cuantic de spin I dă numărul de orientări (stări) ale momentului magnetic al nucleului faţă de o axă oarecare nInI = 2middotI + 1 Fiecare orientare a momentului magnetic se numeşte componentă a momentului unghiular

3

Valorile orientărilor momentului magnetic al nucleului sunt notate cu mI (numite stări de spin sau stări) şi sunt date de relaţiamI = I I-1 -I iar valorile componentelor momentului unghiular suntωI = mImiddotπ2h Dintre elementele chimice elemente cu număr cuantic de spin I = frac12 sunt 1H 13C 19F 31P 14N are I = 1 iar 12C şi 16O au numărul cuantic de spin I = 0Starea cu mI = frac12 se notează cu α sau uarr icircn timp ce starea cu mI = - frac12 se notează cu β sau darr Componenta momentului magnetic pe axa Oz notată μz este proporţională cu componenta momentului unghiular de spin nuclear pe această axăμz = γmiddotmImiddotπ2h unde γ este un coeficient de proporţionalitate numit raport giromagnetic al nucleului Acesta depinde strict de tipul nucleului considerat şi valorile sale pentru cacircteva nuclee De la bun icircnceput trebuie specificat faptul că icircn RMN experimentele se realizează pe nucleii atomilor şi nu pe electronii acestora deci informaţia furnizată se refera la poziţionarea spaţială a acestor nuclei icircn compusul chimic studiat Aceşti nuclei au o proprietate intrinsecă numită spin dar pentru a explica fenomenologia care se ascunde icircn spatele acestei tehnici trebuie să ţinem cont de următoarele considerente fizice

Orice sarcină electrică icircn mişcare generează icircn jurul său un cacircmp magnetic Acelaşi lucru se icircntacircmplă şi icircn cazul nucleilor (sarcini electrice pozitive) cacircnd datorită rotaţiei icircn jurul propriilor axe se generează un cacircmp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic μ proporţional şi de sens opus cu spinul nucleului I Icircn RMN nucleii de interes sunt acei nuclei care au valoarea I=12 (1H 13C 15N 19F 31P)

Dacă aşezăm un nucleu atomic icircntr-un cacircmp magnetic extern Bo atunci vectorul moment magnetic va putea fi paralel (I=+12) sau antiparalel (I=-12) cu direcţia acestui cacircmp Trebuie specificat faptul că energia sistemului antiparalel este mai mare decacirct energia sistemului paralel iar această diferenţă este direct proporţională cu valoarea cacircmpului Bo (ΔE=μBI)

Dacă iradiem nucleul cu un cacircmp de radiofrecvenţe RF pe o direcţie transversală cacircmpului constant Bo acest cacircmp transportacircnd o energie egală cu ΔE atunci nucleul (spinul) se va excita trecacircnd din starea de energie +12 icircn starea de energie ndash12 caracterizată prin energie mai mare

Dar cum icircn condiţii naturale orice sistem fizic tinde spre o stare de energie cacirct mai mică acest nucleu se va relaxa revenind la starea +12 şi emiţacircnd un alt camp de radiofrecvenţe din a cărui parametri (frecvenţă) se

4

obţin informaţii despre natura nucleului (poziţia icircn moleculă respectiv tipul)

2 Principiul metodei

Instalatia experimentală RMN trebuie să realizeze acest acord icircntre cacircmp si frecventă permitacircnd icircn acelaşi timp declararea absorbtiei (extrem de mici) de energie care are loc icircn momentul ldquorezonanteirdquo

Realizarea experientelor de RMN se poate face fie icircn aparate de baleiaj icircn cacircmp lucracircnd la frecventă fixă cum se practică de obicei fie icircn aparate cu baleiaj de frecventă la cacircmp magnetic fix

Schita de principiu mult simplificată a unui spectrometru RMN cu baleiaj icircn cacircmp este prezentată icircn fig 1

Fig 1 Schita de principiu a unui spectrometru RMN11rsquo ndash polii electromagnetului 2 ndash generatorul de radiofrecventă 3 ndash tubul de proba 4 ndash bobina de radiofrecventă 5 ndash detector-amplificator 6 ndash icircnregistrator

de semnal 7 ndash bobină generatoare a cacircmpului de bază 8 ndash sursă de curent continuu stabilizat 9 ndash bobină de variatie a cacircmpului magnetic 10 ndash generator

de curent tip ldquodinte de ferăstrăurdquo

Proba se introduce icircn fiola 3 plasată icircn cacircmpul magnetic omogen dat de electromagnetul 11rsquo (sau de un magnet permanent) Icircn scopul uniformizării pozitiei tuturor protonilor icircn raport cu cacircmpul magnetic proba se roteste icircn jurul axei verticale cu circa 20-30 rotatiisecundă Generatorul 2 produce un cacircmp de radiofrecventă (cu frecvenţa constantă v) din care o parte trece prin bobina 4 iradiind proba iar cealaltă parte se transmite detectorului amplificator 5 Majoritatea aparatelor 1H-RMN lucrează cu frecvente de 60 80 90 sau 100 MHz desi icircn prezent există aparate de rezolutie mai mare lucracircnd la 220 MHz sau la 360 MHz (care icircnsă necesită folosirea supraconductorilor deci răcire cu

5

heliu lichid) Generatorul 10 produce un curent continuu de intensitate crescătoare liniar icircn timp (curent tip ldquodinte de fierăstrăurdquo) Trecacircnd prin bobina 9 acest curent face să crească intensitatea H a cacircmpului La atingerea valorii critice corespunzătoare rezonantei se produce o inversare a spinilor nucleari bobina 4 absorbind un surplus de energie Icircn acest moment la amplificator ajunge o energie micsorată luacircnd nastere un ldquosemnal ldquo care după o amplificare corespunzătoare este icircnregistrat de icircnregistratorul 6

Dacă icircn probă se află mai multe probe de nuclizi diferind prin valorile gn si I conditia de rezonantă va fi satisfăcută pe racircnd la diferite cacircmpuri magnetice apăracircnd cacircte un semnal la fiecare specie de nuclizi Acest tip de experiment RMN nu prezintă nici un interes pentru chimia organică unde icircn general se cunoaste de la icircnceput tipul de nuclid existent icircn probă

Icircn functie de structura si de anturajul chimic unul si acelasi tip de nuclid (de exemplu H) poate prezenta foarte mici diferente icircn valorile (aparente) ale lui gn Datorită efectului de ecranare (v mai departe) diferit al electronilor de legătură si datorită orientării diferite a spinilor nucleelor vecine cacircmpul local H la nivelul nuclidului respectiv poate prezenta foarte mici diferente fată de valoarea cacircmpului exterior

Deci icircn realitate nu gn ci H prezintă mici abateri de la valoarea cacircmpului exterior

Icircmpingacircnd rezolutia spre o limită extremă prin realizarea unui cacircmp magnetic intens de o perfectă omogenitate icircn spatiu si constantă icircn timp precum si realizarea unei frecvente perfect stabile se pot sesiza mici diferente (aparente) de valori gn Astfel se pot obtine pentru acelasi nuclid (de ex 1H) o serie de semnale apropiate rezultacircnd un spectru RMN extrem de bogat icircn informatii asupra structurii compusului investigat

6

3 Avantajele metodei

RMN a fost deja folosit pentru un număr de aplicaţii icircn domeniul tehnologiilor de prelucrare a alimentelor inclusiv caracterizează starea energetica a celulelor de a monitoriza fermentarea iaurturilor (folosind fosfor 31 LR RMN) examen de culturi de celule la bere (folosind RMN de protoni ) precum şi la gătit diferite tipuri de orez (RMN proton) Cu toate că RMN este o tehnica relativ insensibil icircn aceste aplicaţii proces este examinarea proprietăţi icircn vrac şi acest lucru nu are importanţă Tehnică poate fi utilizată pentru a examina procese şi texturi fără a folosi orice compuşi marker sau icircntr-adevăr orice incursiune fizice la toate dincolo de un cacircmp magnetic RMN de date pot fi folosite pentru a creşte icircnţelegerea proceselor cum ar fi reacţii chimice enzimatice şi convenţionale icircn timpul unui proces de producţie şi de asemenea să completeze şi controlul calităţii icircn timpul procesului de producţie

4 Dezavantajele metodei

Dejavantajul RMN-ului sunt instrumentele scumpe si complexe Gama limită de solventi pentru studierea spectrelor de protoni cu exceptia cazului icircn care sunt deuterizate Absorbtia de radiatie icircn radio-frecventă RFregiune a spectrului electromagnetic se poate obseva pentru acele nuclee care sunt considerate spin axele lor Modificările de energie sunt asociate cu orientarea axei nucleare icircn spatiu icircn raport cu un cacircmp magnetic extern aplicat si sunt de ordinul 01 mol J-1 10-600MHz (50-30 m sau 3times10-4 la 2times 10-2cm-1)

Acest lucru este considerat mai mic decacirct schimbările de energie asociate cu tranzitiile vibrante si electronice Toate nuclee se atribuie unui număr de spin cuantic I care poate fi zero semiintegrală sau integrantă numai cele cu valoare non-zero poate da nastere unui spectru RMN Asa cum nucleul are o axă se roteste icircn jurul axei sale proprii si produce un monent megnetic sau micro dipol de-a lungul axei Acest lucru este analog cacircmpului magnetic asociat cu un curent care curge intr-o bulă de sacircrmă Nucleul de asemenea posedă momentul cinetic I precum si pentru fiecare izotop valorile relative micro si determină frecventa la care energia poate fi absorbită Icircn plus sensibilitatea tehnică pentru un nucleu special este determinată de valoarea micro Trebuie remarcat cu 1H are cea mai mare sensibilitate relativă si că 12C si 16O avacircnd numere cuantice de spin de la zero sunt inactive Din aceste motive rezonanta magnetică protonică a devenit una din tehnicile cele mai utilizate icircn identificarea si analizarea structurală a compusilor organi

7

5 Aparatură utilizată

Aparatul RMN cuprinde

Un elctromagnet puternic si omogen generator de semnal (radio-frecventă) integrator electronic si tuburi de sticlă pentru proba esantion

8

6 Etapa preparativa de pregătire a probelor

Chiar icircn conditiile icircn care se dispune de un spectrometru RMN multinuclear dotat cu toate accesoriile ce permit executarea experimentelor de rezonantă multiplă si acumularea spectrelor precum si oricare din artificiile instrumentale descrise mai sus obtinerea unui spectruRMN utilizabil si icircn general calitatea informatiei analitite furnizate de spectru depinde intr-o proportie apreciabilă adesea hotăracirctoare de modul de pregătire a probei Icircn cele ce urmează se vor trata problemele legate de acest subiect examinacircndu-se conditiile pe care trebuie să le icircndeplinească proba supusă analizei 51 Celula de măsură

La totalitatea aparatelor RMN de uz curent proba supusă analizei este continută intr-un tub cilindric confectionat dintr-o sticlă de bună calitate cu rezistentă mecanică Sticla trebuie să prezinte de asemenea calităti termice satisfăcătoare si mai ales să fie lipsită de impurităti paramagnetice Această cerintă a icircndepărtării impuritătilor paramagnetice din icircntraga zonă de măsură o vom regăsi amintită icircn repetate racircnduri si importanta ei deosebită poate fi icircnteleasă dacă se tine seama de faptul că paramagnetismul vreunei componente a sistemului din zona activă a spectrometrului afectează practic toate laturile fenomenului de pezonantă Tubul ce contine proba de analizat are de obicei dimensiunile standard mentionate cu alte prilejuri si anume un diametru de 5 mm pentru RMP si de 10 mm pentru RMC Aceste dimensiuni reflectă ăn primul racircnd bine cunoscuta diferentă de sensibilitate intrinsecă icircntre experimentele RMP si RMC dar pe de altă parte se iau icircn considerare si pretentiile cu mult mai mari icircn privinta omogenitătii cacircmpului magnetic ce actionează asupra probei icircn RMP fată de RMC la aceasta din urmă domeniul spectral de aproape 40-50 ori mai larg si faptul că semnalele apar ca singleti deci prezintă mult mai putine pericole de suprapunere prin lărgire creează posibilitatea tolerării unui grad ceva mai ridicat de neomogenitate a cacircmpului magnetic ce actionează icircn diferite puncte ale probei si deci mărirea dimensiunii acesteia Necesitatea limitării zonei active icircn RMP constituie si ratiunea indicatiei continute icircn instructiunile de lucru ale tuturor spectrometrlor cu privire la situarea nivelului solutiei din tubul de probă icircntre anumite repere prestabilite cantităti pre mici de solutie icircnseamnă evident micsorarea numărului de nuclee ce participă efectiv la experiment iar o cantitate prea mare pe lacircngă icircncărcarea mecanică inutilă a probei mai creează si

9

posibilitatea ca semnalele provenite de la nucleele aflate icircn afara zonei de omogenitate optumă să apară icircn spectru icircnrăutătind rezolutia acestuia Tubul de analiză este de regulă calibrat prin slefuire icircn interior si exterior astfel ca otirea să decurgă icircn conditiile unei stabilităti mecanice cacirct mai ridicate iar icircnregistrarea propriu-zisă precum si introducerea si scoaterea să se facă fără riscul spargerii fiolei din aparat 52 Substanta de analizat

Icircn principiu substanta supusă analizei trebuie adusă icircn conditii de puritate care să ofere certitudinea că proprietătile observate se datorează numai unei specii moleculare si pot fi corelate univoc cu structura acesteia Această cerintă isi păstrează fireste valabilitatea si trebuie icircndeplinită cu deosebită scrupulozitate dacă se urmăreste chiar determinarea parametrilor spectrali RMN ca atare cu scopuri de analiză structurală mai amănuntită Trebuie icircnsă subliniat că RMN prezintă ca metodă de analiză unele particularităti foarte avantajoase care antenuează severitatea conditiilor de puritate impuse probei icircn unele cazuri Astfel sensibilitatea relativ redusă a spectrometriei RMN face ca spactrul obtinut de la o probă să reflecte aproape exclusiv icircn unele cazuri substanta care reprezintă 80-90 din speciile moleculare prezente Este mult mai rational să se utilizeze intensiv spectrometrele RMN din doatarea laboratoarelor si să se supună analizei si probe din amestecuri brute de reactie sau din diferitele etape intermediare ale proceselor izolate a componentilor utili din produsi naturali Mai ales atunci cacircnd substantele sunt solubile icircn solventi curent accesibili si nu necesită medii deuterate un spectru făcut la timp poate scuti zile icircntregi de prelucrare a unor produse de reactie care se soldează uneori cu concluzia că substanta căutată nici nu era prezentă icircn materialul brut Spectrometrul RMN este prin excelentă un aparat de analiză structurală si acest gen de probleme unde dă rezultate aproape neicircntrecute trebuie desigur să aibă priorotate dar pe lacircngă acestea se pot executa cu eficientă economică globală deosebită si analize de detectare a unor grupe functionale elemente structurale sau compusi chimici pe parcursul lucrărilor curente avacircnd icircn vedere rapiditatea selectivitatea si caracterul reductiv 53 Etaloanele

Un alt component esential al probei de analizat icircn RMN este etalonul substanta standard al cărei rol este acela de a oferi o verificare rapidă si directă a punctului zero al scării deplasărilor chimice din fiecare icircnregistrare fcacircnd posibilă o comparare cu deplin sens fizic ăntre diferitele spectre icircnregistrate la avelasi aparat După cum s-a mai arătat modularea cacircmpului magnetic cu o audiofrecventă (2-5000 kHz) permite utilizarea icircn conditiile unei bune reproductibilitătii a hacircrtiei calibrate pentru icircnregistrarile de apectre si oferă certitudinea că intervalele icircntre semnale se raportează corect la diviziunile de pe hacircrtie Icircn schimb originea axei

10

abciselor poate fi deplasată de la o icircnregistrare la alta desigur icircn limite foarte mici dar care au semnificatie atunci cacircnd se icircncearcă identificări ale semnalelor după pozitia exactă si mai ales icircn studii fizico-chimice icircn care variatia deplasării chimice icircn spectrul de rezonantă magnetică nucleară constituie functia de structură urmărită Unele spectrometre de exemplu modelul Tesla 478 de 80 MHz folosesc semnalul etalonului si pentru ancorajul homonulear Este usor de icircnteles că icircn acest caz toate numărătorile efectuate icircn aceleasi conditii de solvent temperatură concentratie sunt practic identice icircntre ele si icircn orice icircnregistrare este valabilă aceeasi calibrare a spectrului si acelasi punct zero Din motive tehnice icircnsă semnalul etalonului nu apare pe astfel de spectre si icircnregistrarea este limitată la zone ce se extind pacircnă la 30-50 Hz ale semnalului etalonului din pricina interferentei dintre unda ci care se mentine rezonanta necesară ancorajului si cea cu care se baleiază spectrul Aceste două functii potentiale ale etalonului determină icircn bună parte caracteristicile structurale pe care trebuie să le icircndeplinească o asemenea substantă restul icircnsusirilor cerute sunt icircn mod evident analoage celor discutate pe larg icircn cazul solventilor si de aceea nu vom insista asupra lor etalonul trebuie să fie compus inert din punct de vedere chimic izotrop din punct de vedere magnetic lipsit de polaritate si dacă este posibilsă fie la racircndul lui un bun solvent pentru a nu afecta sensibil solubilitatea compusului supus anlizei deci stabilitatea de fază a probei Totusi asa cum in cazul solventului toate insusirile se subordonau icircn cele din urmă capacitătii de a realiza concentratii acceptabile din compusul studiat icircn alegerea etalonului pe primul plan se găseste capacitatea substantei respective da a da un semnal RMN singlet intens icircngust si simeric Spectrometria RMN datorează lui GVD Tiers introducerea ca etalon icircn 1958 a tetrametilsilanului pentru care s-a generalizat desemnarea prin prescurtarea TMS Această substantă s-a impus repede ca etalon aproape universal pentru RMP si a icircnlocuit relativ curacircnd sulfura de carbon si benzen icircn RMC devenind astfel substanta de referintă preferată icircn ambele laturi majore ale RMN 54 Solventii Alegerea solventului reprezintă una din problemele cheie ale spectrmetriei RMN S-a subliniat icircn repetate rănduri icircn cele de pacircnă acum că pentru chimia organică cu rare exceptii asupra cărora nu ne oprim decacirct icircn tracat sunt interesante numai spectrele RMN de icircnaltă rezolutie ce se obtin cu conditia ca moleculele să execute nestingherite miscările de translatie si de rotatie ale agitatiei termice adoptacircnd cele mai variate orientări reciproce si permitacircnd medierea la zero a interactiunilor magnetice dintre ele Plecacircnd de la ideea minimalizării interferentei solventilor cu manifestarea propietătilor substantei de analizat si tinacircnd seama de natura fizică a experimentului de rezonantă magnetică nucleară se pot enumera principalele calităti pe care trebuie să le posede un solvent pentru a se dovedi adecvat acestui tip de analiză

11

a) Mediul ales trebuie să aibă calităti de bun solvent Cu toate perfectionările tehnice discutate icircn sectiunile precedente RMN rămacircne totusi o metodă de analiză destul de putin sensibilă Astfel la 60 MHz frecventă de lucru din cele mai răspacircndite la aparatele RMP comerciale o substantă continacircnd un singur tip de protoni poate fi analizată in concentratii minime de ordine 5 10-3M conditii icircn care raportul SN este de cca 15-20 Aceasta ar corespunde pentru exemplul dat unei concentratii de cca 004 In practica curentă icircnsacirc greutătile moleculare sensibil mai mari precum si numărul mare si mai ales diversitatea tipurilor de protoni din molecula amalizată fac să fie necesare concentratii minime de 5-10 pentru spectrometrele CW si 1-3 pentru spectrometrele PET Cacircnd se analizează substante solide nu este icircntotdeauna usor să se atingă aceste limite de concentratii astfel că pretentiile impuse eficientei solventului sunt realmente ridicate Nu rareori experimentatorul este pus icircn situatia de a sacrifica indeplinirea altor exigente pentru a reusi totusi să obtină solutii de concentratii analizabile Este important să se retină icircn legătură cu acest aspect faptul că sensibilitatea spectrometrelor este cu atacirct mai mare cu cacirct se lucrează la frecvente mai icircnalte b) Solventul trebuie să fie lipsit de absorbtii RMN sau cel putin să aibă numai un număr foarte limitat de semnale proprii pentru a evita acoperirea semnalelor probei de către semnalele solventului prewent icircn mare exces Pentru RMP se cer icircn primul racircnd solventi fără protoni icircn moleculă deoarece această conditie este foarte greu de adus icircn compatibilitate cu celelalte cerinte icircndeosebi cu cea discutată icircn aliniatul precedent se apelează la utilizarea solventilor deuterati Icircntre acestia cloroformul deuterat (CDCl3) ocupă primul loc atacirct din pricina calitătilor sale de solvent cacirct si datorită pretului relativ redus icircn raport cu alti soventi din aceeasi categorie Icircn RMC se pune icircn mod analog problema limitării numărului si mai ales a tipurilor atomilor de carbon din molecula solventului De regulă solventii uti pentru RMP sunt adecvati si pentru RMC deoarece exigente analoge duc la rezolvări structurale analoage dată fiind stracircnsă corelatie dintre bdquostructura protonicărdquo si bdquostructura de carbonrdquo a substantelor organice Dacă substanta este exceptional de solubilă se pot folosi si solventi obisnuiti (de exemplu spectrul RMC al benzofrenonei poate fi obtinut cu un singur puls la 1508 MHz dacă se face o solutie saturată icircn CDCl3 fără ca semnalul solventului să deranjeze icircnregistrarea spectrului) Nu trebuie scapat din vedere faptul la spectrometrele RMC care lucrează practic exclusiv icircn tehnica PFT nu există posibilitatea de a exclude din spectru semnalul solventului c) Solventul trebuie să fie inert din punct de vedere chimic pentru a interactiona cacirct mai putin cu substanta Sub acest aspect solventi ca tetraclorura de carbon si ciclohexanul sunt de preferat din aceleasi motive ca si la icircnregistrările spectrelor electronice sau vibrationale Este icircnsă evident că există o anumită incompatibilitate icircntre cerinta că o substantă să functioneze ca bun solvent realizacircnd deci cu moleculele sale solvatarea moleculelor variatelor substante de analizat si totusi in acelasi timp să interactioneze cacirct mai putin cu acesta Această conditie va fi deci de regulă limitată la inertia chimică propriu-zisă nu

12

fără a mentiona faptul că uneori se caută icircn mod voit efectul invers de exemplu la protonarea substantelor bazice prin dizolvarea icircn acid trifloracetic la generarea icircn situ a carbonilorMultă atentie trebuie acordată cazurilor icircn care recurge la solventi avacircnd protoni mobili Pe licircngă transferul de protoni formarea de legături de hidrogen icircn spectre RMP ale protonilor mobili apar semnale dependente de concentratie iar integralele acestor semnale nu sunt decacirct rareori icircn raporturi sistematice cu formula moleculară d) O altă cerintă relativ importantă si care se găseste se asemenea icircn partială contradictie cu cea formulată la primul aliniat este conditia referitoare la polaritatea cacirct mai redusă a solventului Acest aspect este de asemenea bine satisfăcut la solventi de tipul tetracloruri de carbon si icircsi găseste ratiunea pe de o parte icircn alterarea distributiilor normale ale sarcinilor electrice din molecula sub influenta dipolilor solventilor iar pe de altă parte icircn perturbarea propagării radioundelor prin probă datorită faptului că icircn general constanta dielectrică creste paralel cu polaritatea moleculelor solventului Icircn solventi foarte polari ca H2SO4 si chiar D2O au loc uneori pierderi icircn dielectric relativ icircnsemnate avantajele apei grele icircn special icircn RMC compensează de obicei cu prisosinta acest mic dezavantaj e) Solventul trebuie să aibă o văcozitate redusă viteza miscărilor de agitatie termică ale moleculelor substantei analizate trebuie să fie cacirct mai mare pentru a avea o bună omogenizare a cacircmpului magnetic si o eficace mediere la zero a influentelor dipolilor vecini fapte deja mentionate si care se impun cerinta fluiditătii solventului Acestei icircmprejurări i se datorează preferinta pentru lucrul icircn solutie chiar icircn cazul multor substante lichide deoarece vacircscozitatea relativ ridicată a multor compusi organici lichizi limitează calitatea icircnregistrărilor de spectre RMN pe lichidul ca atare Din punct de vedere practic problema apare mai ales icircn cazul dimetisulfoxidului De cacircte ori este posibil se vor adăuga cel putin cacircteva picături de CDCl3 la o solutie de dimetilsulfoxid-d6 procedeu care ameliorează sensibil mobilitatea solutiei se poate proceda si invers accentuacircnd proprietătile de bun solvent ale CDCl3 cu un mic adaos de dimetilsulfoxid deuterat conditii icircn care fluiditatea ansamblului este dictată icircn continuare de cloroform

13

7 Descrierea metodei de lucru specifice

Icircn spectroscopie RMN influenta diferitilor factori experimentali asupra aspectului spectrului este mai importantă decacirct icircn cazul spectroscopiei IR sau UV-VIZ Dintre acesti factori se amintesc cei mai importanti Rotirea probei icircn cacircmpul magnetic supune toti nucleii situati icircntr-un anumit moment pe un cerc orizontal de sectiune a tubului de probă aceluiasi cacircmp magnetic mediu Dacă rotirea probei se face prea lent uniformizarea amintită nu este perfectă si semnalul apare aplatizat Rotatia probei se manifestă icircn spectru prin apariţia unor ldquosateliti de rotatierdquo (benzi foarte slabe situate simetric deoparte si de alta a semnalului la diferente de frecventă egale cu frecventa de rotatie a probei) La viteze prea mici de rotatie intensitatea satelitilor de rotatie creste mult putacircnd icircngreuna interpretarea spectrului (fig 2) Vitezele prea mari de rotatie nu sunt de asemenea recomandate icircntrucacirct scad rezolutia datorită formării unor vacircrtejuri icircn probă

Fig 2 (a) Aspectul unei benzi RMN icircnsotită de sateliti de rotatie (frecventa de rotatie 15 rots) (b) aspectul unui semnal RMN la viteză mică de variatie a cacircmpului (frecventei) 01 Hzs (c) aspectul aceluiasi semnal la viteza de variatie a cacircmpului (frecventei) de 1 Hzs Viteza de variatie a cacircmpului magnetic (icircn cazul baleiajului de cacircmp) determină forma benzilor de absorbtie La viteze mari de variaţie (1 Hzs) sfacircrsitul semnalului de rezonantă este icircn sfacircrsit de ldquolegănărirdquo caracteristice a căror intensitate descreste rapid (Fig 2) Această formă a semnalului RMN al unui compus etalon este un indiciu al omogenitătii cacircmpului si ea este testată de regulă icircnainte de icircnceperea icircnregistrării spectrului La viteze mici de variatie a cacircmpului magnetic ldquolegănărilerdquo amintite dispar (Fig 2) Realizarea unei sensibilităti ridicate icircn icircnregistrările RMN este conditionată de o valoare ridicată a raportului semnalzgomot de font Pentru obtinerea unor sensibilităti mari se lucrează cu probe relativ concentrate (la zgomot de fond

14

egal intensitatea semnalelor creste prin cresterea numărului de molecule absorbante) se icircncepe icircnregistrarea după un anumit timp de la introducerea probei icircn aparat (omogenizarea temperaturii icircn probă diminuarea zgomotelor de fond mari initiale) sau se utilizează dispozitive de ldquoacumulare a spectrelorrdquo prin parcurgerea lor repetată Probele spectrale RMN se pregătesc de regulă sub formă lichidă sau de solutie Icircn aceste cazuri se obtin spectre de icircnaltă rezolutie căci moleculele se miscă liber schimbacircndu-si orientarea cu frecvente mai ridicate decacirct frecventa radiatiei radio absorbite Pentru o probă obisnuită sunt necesare 50 ndash 100 mg substanţă care se dizolvă icircn solventi adecvati (v anexa 1) realizacircndu-se solutii de concentratie de la 10 ndash 15 Icircn cazul unor probe foarte mici se poate lucra icircn microcuve (volum de solutie cca 15μl) sau se pot utiliza anexele de acumulare ale spectrelor La substante lichide de mică vacircscozitate se poate lucra si fără solvent (adică la concentratii de 100) Tehnica de lucru H-RMN (protonică) Icircn cazul spectrometriei RMN protonice se utilizează drept solventi compusi ce nu contin protoni cum ar fi CCl4 CS2 CDCl3 (D3C)2CO C6D6 (D3C)2SO D2O (v anexa 1) Icircn anumite cazuri se poate folosi H2SO4 sau alti acizi (F3C ndash COOH) la care semnalul protonilor acizi este pozitionat de obicei departe de semnalele utile ale compusilor organici Icircn cazuri speciale se pot utiliza si solventi protici cu conditia de a se interpreta doar regiunile din spectru icircn care solventul nu dă absorbtii directe sau benzi satelit Cu majoritatea aparatelor RMN se poate lucra pe un domeniu larg de temperatură (de la -185ordm pacircnă la +250ordm ) fapt important pentru studiul unor fenomene dinamice (v mai departe) dar si din punct de vedere al solubilitătii probelor

Tehnica de lucru 13C-RMN Pentru spectroscopia 13C-RMN se folosesc solventi anorganici ca H2O D2O H2SO4 sau solventi organici ce contin doar 1 ndash 2 tipuri de atomi de carbon diferiti de obicei tot solventii deuterati ca CDCl3 CD2Cl2 C6D6 (D3C)2CO (D3C)2SO F3C ndash COOH Icircntrucacirct toate aparatele moderne folosesc pentru ldquoancorarerdquo1 frecvenţa nucleelor de deuteriu dacă solventul ales nu este deuterat miscibil Semnalul de referintă este de obicei cel al tetrametilsilanului standard ldquointernrdquo (v mai jos) utilizat si icircn spectroscopia 1H-RMN

1

15

10 Aplicatii icircn identificarea componentelor aleimentare

Aplicatii In sinteza organica

bull Elucidarea structurii compusilor organici ca si determinarea stereochimiei si conformatiei acestora

In chimia substantelor naturalebull Determinarea structurii si stereochimiei diferitilor componenti

obtinuti dupa izolarea si purificarea fractiunilor In analiza amestecurilor

bull Analiza calitativa si cantitativa a amestecurilor de substante organice

In studiul polimerilorbull Analiza unitatilor de monomer si determinarea structurii

Determinarea grăsimi si umidităti din lapte praf Acesta este un alt test util icircn industria alimentară Alte tipuri de analiză de multe ori au nevoie de timp pentru analiză considerabil mai mare si consumă alte materiale chimice decacirct solventi Icircn contrast de utilizare a pistei spin RMN este icircn măsură să determine continutul de grăsime din laptele praf icircn mai multe minute Determinarea rapidă a grăsimilor din ciocolata si cacao-Produse Timpul de depozitare a produselor alimentare depinde puternic de continutul de umiditate Excesul de umiditate duce la activitatea microbiologice si pot face alimentare periculoase pentru consum Producătorii trebuie să divulge datele exacte de grăsime continute pe eticheta produsului RMN este metoda cea mai rapidă si precisă pentru a determina aceşti parametri esenţiali cu spectrometru RMN este adecvat icircn special pentru analiza periodică a calităţii produselor alimentare Analiza RMN este aplicată pentru praf de cacao nuci pralină glazură fondants şi ciocolată pură Timpul de măsurare este mai mic de 2 minute Determinarea substantelor nutritive din bereBerea contine un amestec foarte complex de substante nutritive care icircn această lucrare sunt identificate icircntr-o oarecare măsură de cacircmpul de icircnaltă rezolutie rezonanta magnetică nucleară (RMN) prin una sau două metode dimensionale 1 H RMN spectrul de frecvente radio din bere arată o predominare a vacircrfurilor puternic suprapus care decurg din mai multe glucide Componente minore sunt icircn mod clar observate atacirct icircn alifatice cacirct si icircn regiunile aromatice ale spectrului

16

de frecventă Cu ajutorul celor două metode de dimensionare repartizarea spectrală a fost efectuată si permite identificarea a 30 de compusi si identificarea aproximativ aceluiasi număr de sisteme de spini

1 wwwregielivero2 wwwacademicdirectro3 Principles and Practice of Analytical Chemistry FW Fifield

Kingston University and D Kealey 4 Ioan Silberg bdquoSpectrometria RMN a compusilor organicirdquo Editura

Dacia Cluj-Napoca 1978

17

1 Definitie 32 Principiul metodei 53 Avantajele metodei 74 Dezavantajele metodei 75 Aparatura utilizată 86 Etapa preparativă de pregătire probelor 97 Descrierea metodei de lucru specifice 148 Rezultatele furnizate9 Interpretarea rezultatelor obtinute 10 Aplicatii icircn identificarea componentelor aleimentare 16 11 Bibliografiehelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphelliphellip17

2

1 Definitie RMN


3






4










5






6






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17

1 Definitie RMN


3






4










5






6






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17






4










5






6






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17










5






6






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17






6






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17






7




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17




8




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17




9




10


11


12


13




14



1

15









16





17




10


11


12


13




14



1

15









16





17


11


12


13




14



1

15









16





17


12


13




14



1

15









16





17


13




14



1

15









16





17




14



1

15









16





17



1

15









16





17









16





17





17

model analiza chimica a alimentelor prin rmn

Documents