spectroscopie rmn cu aplicatii la compusii farmaceutici

7/22/2019 Spectroscopie Rmn Cu Aplicatii La Compusii Farmaceutici

1/28

SPECTROSCOPIERMN CUAPLICATII LACOMPUSIIFARMACEUTICI

STUDENT: NITU SILVIA-ANDREEA

: ANUL II, GRUPA 9

UNIVERSITATEA OVIDIUS CONSTANTAFACULTATEA DE FARMACIESPECIALIZAREA FARMACIEAN UNIVERSITAR 2013 - 2014

COORDONATOR: PROF. UNIV. DR.RODICA SIRBU

INDRUMATOR: CH. DRD. MANUELAAPETROAEI


2/28

CUPRINS

ISTORIC

MAGNETISMULNUCLEAR.MOMENTEMAGNETICENUCLEARE

PRINCIPIULREZONANTEIMAGNETICENUCLEARE (RMN)

METODASPECTRALA DEREZONANTAMAGNETICANUCLEARA RMN

TEORIAREZONANTEIMAGNETICENUCLEARE

POSIBILITATI DEUTILIZAREPRACTICA AMETODEI RMN

*** PRINCIPIULIMAGINII

UTILIZAREAMETODEI RMN

APLICATIILE RMN

BIBLIOGRAFIE


3/28

ISTORIC

Tehnologia medical salvatoare de vieicunoscut sub denumirearezonanmagnetic nuclear (RMN) realizeaz imagini detaliate esutuluimoale din corpul uman, eliminnd aproape total nevoiachirurgiei de explorare. Spre deosebire de razele X, poate face dife

ntre materia cenuiede materia alb n creier (1), esutulcancerocel necanceros imuchiide organe (2). De asemenea, poate sdescopere hemoragii sau indicii despre loviri.

Tehnologia medical salvatoare de vieicunoscut sub denumirearezonanmagnetic nuclear (RMN) realizeaz imagini detaliate esutuluimoale din corpul uman, eliminnd aproape total nevoiachirurgiei de explorare. Spre deosebire de razele X, poate face dife

ntre materia cenuiede materia alb n creier (1), esutulcancerocel necanceros imuchiide organe (2). De asemenea, poate sdescopere hemoragii sau indicii despre loviri.


4/28

ISTORIC

n 1937, Isidor Isaac Rabi a observat c atomii de hidrogen rspund unui cmp magn

puternic (3), prin indicarea aceleiaidirecii, ca acele unei busole. Mai trziu, oamenii tiinau descoperit c acel cmp acionaasupra nucleelor atomilor, care sunt ncrcpozitiv. Cnd un al doilea cmp magnetic (4), oscilnd la frecvenapotrivit, loveteatunele nuclee de hidrogen primesc un impuls de energie ifac o rotaiede 90 de gradecel de-al doilea cmp magnetic este nlturat, nucleele se ntorc la poziiainiial. Acerealiniere are loc diferit de la material la material, oferind oamenilor de tiino cale ddeosebi unele de altele (n.tr. iastfel s deosebeasc muchiide organe).

n 1946, Edward Purcell iFelix Bloch au determinat faptul c intensitatea primului cmagnetic ifrecvenacelui de-al doilea sunt legate de un fenomen numit de ei rezonamagnetic nuclear sau RMN. Curnd RMN-ul avea s fie folosit pentru a analiza natuchimic a lichidelor isolidelor. Datorit faptului c 55-60% din corpul uman este apfiecare molecul de ap coninedoi atomi de hidrogen, tehnica ar fi ideal pentru studesutuluiviu.

n 1973, Paul Lauterbur a descoperit faptul c adugnd variaie(5) cmpului magnese putea identifica poziiaexact a unor atomi de hidrogen individuali, dintr-o mostr.Lauterbur a folosit aceast informaiesuplimentar pentru a realiza prima imagine derezonanmagnetic nuclear. Cuvntul nuclear a fost abandonat ulterior, pentru a sugera c tehnica ar fi periculoas datorit unor radiaiinucleare, iar tehnica a luat nuimagistic cu rezonanmagnetic.


5/28

ISTORICIsidor Isaac Rabi

(1898 1988)


6/28

MAGNETISMUL NUCLEAR. MOMENTE MAGNNUCLEARE.

Magnetismul nuclear este generat de miscarea de rotatie anucleelor atomice in jurul unei axe. Avand sarcini electrice cese gasesc in miscare, nucleele prezinta un moment magneticde spin nuclear, caracterizat printr-un numar cuantic de spinnuclear notat cu I.Pentru diferite nuclee, Iare valoarea 1 / 2sau multiplu de 1 / 2, adica 1; 3 / 2; 2 etc.

In realitate, spinul nuclear este determinat de existentaprotonilor si neutronilor din nucleu. Daca nucleele suntalcatuite dintr-un numar pereche de protoni si de neutroni,spinul lor nuclear este nul I= 0 si nu au momente magnetice,cum este cazul elementelor 12C, 16O, 32S.

Nucleele alcatuite dintr-un numar nepereche de protoni sauneutoni, au momente magnetice nucleare diferite de zero I 0.

Proprietatile magnetice ale acestor nuclee de a se orientaintr-un camp magnetic parallel sau antiparalel cu campul,stau la baza metodei spectrale de analiza a subtantelor ,cunoscuta sub numele de REZONANTA MAGNETICANUCLEARA (RMN). Nucleele compuse dintr-un numar imparde protoni sau de neutron poseda momente magneticenucleare, , diferite de zero.

Cu ajutorul acestei metode se studiaza structura moleculelor,mai ales a celor organice.


7/28

PRINCIPIUL REZONANTEI MAGNETICE (RMN

Spectroscopia RMN se bazeaza pe proprietatea unor

nuclee de a poseda moment magnetic de spin.Nucleele cu spin diferit de zero se comporta ca unminuscul magnet permanent sau un dipol magnetic.Plasat intr-un camp magnetic, un dipol magnetic deacest tip poate adopta numai anumite orientari inraport cu campul. In cazul protonului ( I= 1 / 2)momentul magnetic nuclear poate adopta doar douaorientari, una paralela cu campul si alta antiparalela,caracterizate prin numere cuantice de spin -1/2respectiv +1/2. Acestea corespund unor stari sauniveluri de energie diferite, nivelul -1/2 fiind deenergie joasa deci mai stabil. Se poate demonsta cadiferenta de energie E, intre cele doua niveluri deenergie este proportional cu intensitatea campuluimagnetic H, aplicat nucleului ca in relatiileurmatoare:

E =

2 v =

2

In care: heste constanta lui Planck, iar gn, asanumitul factor g nuclear, constanta care depinde denatura nucleului (pentru proton gn = 5,58490).


8/28


Pentru ca sa produca o tranzitie nucleara de la nivelul deenergie joasa la nivelul de enrgie inalta, trebuie sa absoarba ocuanta de energie E. Spre deosebire de alte forme despectroscopie, inspectroscopia de rezonanta magneticanucleara diferenta de energie intre cele doua niveluri sienergia tranzitiei depinde de intensitatea, H,a campuluimagnetic exterior. Se va absorbi deci, de catre un anumitnucleu, numai o cuanta de energie corespunzand acesteivalori. In practica se mentine v constant si se variazaintensitatea campului magnetic, H, pana cand diferenta deenergie intre cele doua niveluri, E conform relatiiloranterioare devine cea corespunzatoare frecventei fixe v lacare se adauga spectrul. In acest moment se obtine o bandade rezonanta(absorbtie). Marind in continuare intensitatea H,nu mai sunt realizate conditiile de rezonanta si absorbtiascade la zero; se obtine un spectru cu maxime. Intr-un campmagnetic cu H= 10 000 gauss pentru nucleul

hidrogenului, corespunde frecventa v = cca. 42 MHz. Oasemenea frecventa este situate in domeniul undelor deradio. Energiile radiatiilor absorbite sunt deci extreme de mici,cca. 103ori mai mici decat cele ce intra in joc in rezonantaelectronica de spin. Prima punere in exidenta a unui semnalde rezonanta magnetica nucleara a fost realizata,independent, de F. Bloch si E. M. Purcell (1945).

In concluzie, posibilitatea de a obtine un spectru RMN estedeterminata de extistenta unui mecanism prin care nucleeleaduse in stare de energie inalta sa poata reveni la orientareainitiala de joasa energie.


9/28


Tubul cu solutia substantei de analizat este

plasat intr-un camp magnetic perfect omogen,generat de un electromagnet cu ajutorul unuicurent intens ce trece prin bobinele L1. La oanumita valoare a campului magnetic, H, oparte din energia generata de oscillator esteabsorbita de substanta prin reorientarea contracampului a unor nuclee. Aceasta obsorbtieduce la aparitia unui semnal, care detectat siamplificat de amplificatorul A este apoiinregistrat de inregistratorul R. un spectru derezonanta magnetica nucleara reda semnalelece apar la diferite intensitati Hale campului

magnetic, determinate de variatia curentului inbobina L2, frecventa oscilatorului ramanandconstanta.

Tehnica RMN este folosita in analize cantitativesi calitative, in determinari de structura.


10/28


11/28

METODA SPECTRALA DE REZONANTA MAGNNUCLEARA

Spectroscopia RMN este o metoda instrumentala deanaliza avand la baza masurarea absorbtiei de catreproba, asezata intr-un camp magnetic exterior, aradiatiei electromagnetice (de rezonanta) in regiuneafrecventelor radio.

In comparatie cu spectrometria UV, VIS si IR undeerau implicate in absorbita radiatiei electromagneticeelectronii, in RMN sunt implicate nucleele atomilor.

Bazele teoretice ale spectroscopiei RMN au fost pusede W. Pauli in 1924, care a prevazut in mod certprezenta spinului magnetic. Verificareaexperimentala s-a facut in 1946 independent de

catre F. Bloch, Stanford si E. Purcell. In 1952 Bloch siPurcell au primit premiul Nobel pentru acesterealizari.

In a953 apare primul spectrometru RMN de inaltarezolutie ce e fost folosit si pentru studii privindstructura chimica a substantelor. In presentspectroscopia RMN a capatat o extindere deosebitain chimia organica, anorganica, biochimie, medicinaetc.


12/28


13/28

TEORIA REZONANTEI MAGNETICE NUCLEAR

Unele nuclee, asemanator electronilor, prezinta unmoment magnetic de spin, ce se poate orienta intr-uncamp magnetic exterior, efectuand o miscare deprecesie cu o anumita frecventa si care poate intra inrezonanta cu o radiatie electromagnetica externa (dindomeniul radio).

Deoarece energia nucleelor este mult mai mare ca aelectronilor, va necesita pentru orientarea spinului uncamp magnetic mai intens.

Nucleele unor atomi ( H1, C13, N15, F19, P31etc.) avandnumarul cuantic de spin I = 1 / 2, executa ca sielectronii o miscare de rotatie in jurul propriei axe

miscare de spin. Momentul mechanic de spin alnucleului este cuantificat conform relatiei:

PI=

2 ( + 1); I numar cuantic de spin

Ca si in cazul electronului, nucleul in rotatie, fiindincarcat, va reprezenta un curent electric, care vacrea un camp magnetic (magnet elementar) a caruiaxa coincide cu cea a spinului.


14/28


Comparand protonul cu electronul vom constata caviteza de rotatie a protonului este mult mai micadecat a electronului deoarece protonul are momentulde inertie mult mai mare. Acesta echivaleaza cu uncurent elementar mult mai slab si deci un momentmagnetic mult mai mic. Unitatea de momentmagnetic este magnetonul nuclear- ndatade relatia:

n = 4

0

= 5 10-24gauss cm3

in care: e0= sarcina; mp = masa protonului; h =constanta lui Planck

Valoarea magnetonului nuclear este de aproximativ2000 de ori mai mica decat magnetonul electronuluicare are masa aproximativ de 2000 de ori mai mica.

Ca si electronul, nucleul cand este supus actiunii unuicamp magnetic exterior, se va comporta ca ungiroscop, axa sa de rotatie efectuand o miscarecirculara de precesie precesia Larmourin jurul axeicampului magnetic exterior.


15/28


Pentru orice nucleu in camp magnetic exterior sunt posibilenumai orientarilepentru care proiectiile momentului magnetic

pe axa acestui camp sunt date de produsul:

gn nI n

unde gnfactorul giromagnetic nuclear (pentru proton g =5,585)

nInumarul cuantic magnetic nuclear (poate lua 21 +1valori, de la -1 la +1)

nmagnetonul nuclear

Pentru proton care are I = 1 / 2 exista doar doua orientari ( 2 2+ 1) a caror inclinare este mai stabila decat cea in contra

campului.

Diferenta de energie intre cele doua orientari estedependenta de campul magnetic exterior (H).

Pentru ca protonul sa interacioneze cu o cuanta de radiatieelectronmagnetica este necesar ca aceasta sa aiba exactenergia E. Numai in acest caz cuanta de energieelectromagnetica va putea fi absorbita de proton si prinurmare isi va inversa rapid spinul si va trece din starea deenergie joasa in starea de energie inalta.


16/28


Tinand cont ca precesia Larmour se face cu ofrecventa egala cu a cuantelor de radiatieelectromagnetica absorbita, va reprezenta inacelasi timp viteza unghiulara a precesiei. Diferentade energie intre cele doua orientari este foarte mica.In cazul protonului. In general introducerea uneiprobe in campul magnetic exterior, tendinta tutrornucleeloreste de a se aranja in acelasi sens cucampul. In momentul rezonantei, protonii cuorientare paralelea, trec, ca urmare a absorbtiei deenergie, in orientare antiparalela.

Cedarea energiei absorbite pentru restabilireaechilibrului initial are loc prin fenomene de relaxare:

relaxare spin-retea energia este cedata retelei subforma de caldura

relaxare spin-spin energia este cedata prinmodificarea spinului

Spectrul RMN, reprezinta curba absorbtiei de energieelectromagnetica de catre compusul studiat infunctie de campul magnetic aplicat.


17/28


Spectroscopia RMN prezinta importanta

majora pentru chimia organica, ajutand laelucidarea structurii moleculelor,deoarece factorul giromagnetic depinde inmare masura de vecinatatea atomica anucleului respectiv.

Rezonanta magnetica a protonului cuspinul 1 / 2 prezinta importanta deosebitapentru studiul compusilor organici,deoarece majoritatea acestora prezinta inmolecula si atomi de hidrogen. Faptul caizotopul C12, O16, O18nu au momentmagnetic de spin si deci nu dau fenomenede rezonanta magnetica nucleara,prezinta un avantaj, usurand interpretareaspctrelor RMN-protonice.

In prezent se executa spectroscopie RMNpentru F19, C13, P13, N15(toate cu I = 1 /2).


18/28

POSIBILITATI DE UTILIZARE PRACTICA ASPECTRULUI RMN

Rezonana magnetic nuclear are la baza doua fenomene: rezonanta (transferul

de energie intre doua sisteme care oscileaz cu aceeai frecventa) i magnetismul

nuclear.

Cele doua sisteme, ntre care are loc transferul de energie, sunt n acest caz

cmpul electromagnetic i specia nuclear, aflata ntr-un cmp magnetic extern. n

legtur cu specia nuclear, prezint interes pentru imagistica nuclear atomul de

hidrogen. De aceea, adesea aceasta rezonanta se mai numete i rezonanta

protonului.


19/28

POSIBILITATI DE UTILIZARE PRACTICA ASPECTRULUI RMN

Corpul uman conine aproximativ 70% ap. Fiecare molecul are asociai 2 atomi

de hidrogen covalent legai de un atom de oxigen. Exist n organismul adultului,

aproximativ 5 1027 nuclee de hidrogen, care n absena cmpului magnetic extern,

au o orientare haotica, a momentele magnetice individuale.

n prezena unui cmp magnetic extern de inducie B, aceste momente tind s

devin orientate n direcia cmpului sau n sens contrar acestuia, adic paralel

respectiv antiparalel.

Cele dou orientri sunt rezultatul existentei a dou stri energetice, asociate

interaciei dintre momentul magnetic i cmpul magnetic. Alinierea paralel

corespunde unei stri energetice mai sczute, n timp ce alinierea antiparalel

corespunde unei stri energetice mai ridicate.


20/28


21/28

PRINCIPIUL IMAGINII

Imaginea obinut prin RMN se obine din analiza semnalelor electrice produse

de cmpurile electromagnetice, emise de protonii esuturilor analizate.

Amplitudinea acestor semnale este direct proporional cu magnetizarea

ransversal ce caracterizeaz punctele de emisie, iar frecventa lor este egala cu

recventa de precesie Larmor. Pentru a putea obine imaginea, ar trebui sa obinem

oziia acestor puncte i contrastul lor.

Dac cmpul magnetic extern ar fi pstrat uniform, frecventa acestor semnale ar

i egale (frecventa Larmor corespunztoare micrii de spin fiind aceeai). n aceste

condiii este practic imposibil obinerea de informaii privind poziia punctelor

surs.

Aflarea poziiei devine insa posibila prin suprapunerea peste cmpul magnetic

niform, a unor gradieni de cmp, orientai dup anumite direcii. n aceste condiii,

recventele de precesie Larmor ale zonelor analizate, difer de-a lungul direciei

gradientului. Aplicnd transformata Fourier asupra semnalului electric obinut n

aceste caz, esteposibil extragerea frecventelor Larmor iar cunoscnd gradientul se

oate astfel determina poziia punctelor. n felul acesta, s-ar obine imaginea

unctelor aflate de-a lungul direciei gradientului de cmp.


22/28

PRINCIPIUL IMAGINII

Imaginile obinute prin RMN sunt de doua feluri: bidimensionale (sau 2D) i

tridimensionale sau 3D.

Unitatea de baz ce caracterizeaz o imagine 2D este pixelul, dimensiunea unei

imagini fiind reprezentata de numrul de pixeli Nx i Ny, existeni dup cele doua

direcii transversale OX respectiv OY.

Astfel, o imagine de 256x256, nseamn c este format dintr-un numr de 64537

pixeli. Cu cat numrul punctelor ce intra n componenta unei imagini este mai mare,

cu att spunem ca rezoluia spaiala este mai bun.

Atunci cnd aceti pixeli au i o a treia dimensiune se obine unitatea de baza a

unei imagini 3D, numita voxel.


23/28

UTILIZAREA METODEI RMN

Aceasta metoda este utilizata in ultimul

timp in aanliza farmaceutica si in studii destabilitatea medicamentelor. Se pot folosiprograme pentru analiza si interpretareaspectrelor RMN. Programul HyperChemeste un program uzual care se foloseste inanaliza RMN. Se pot importa si moleculeoptimizate geometric in programul gNMR.

Medoda RMN permite o masurare rapidacantitativa si stabilirea raportului in carese gasesc componentele in amestec

precum si posibilitatea de a evidentiaproportia de transformare astereoizomerilor, a izomerilor optici, atautomerilor etc. Largimea naturala a uneilinii spectrale E este legata de viatamedie a starii excitate t, prin relatia deincertitudine a lui Heisenberg:

Et h


24/28

APLICATIILE RMN

Una dintre aplicatiile RMN a fost si este identificareagrupelor funtionale cum ar fi OH- in alcooli si fenoli,

acizi carboxilici, protonii din olefine, hidrogenulacetilenic din amine, amide. Deci, prin spectroscopiaRMN a protonilor se poate realiza identificarea sielucidarea structurii unor molecule organice, metal-organice si biochimice.

Un spectru RMN este suficient pentru identificareaunui compus organic. Pentru o identificare sigura sipentru a stabili o structura este necesar a secorobora spectrele RMN cu alte determinari: spectreIR, UV, analiza elementala, C, H, N, spectre de masa,etc.

In analiza cantitativa spectroscopia RMN poate fifolosita pentru faptul ca exista o proportionalitateintre aria picurilor si numarul de nuclee responsabilepentru pic.

Daca, spre exemplum se cunoaste ariasemnalului peproton, aria unui pic poate fi folosita pentru a stabiliconcentratia speciei respective.


25/28

APLICATIILE RMN

Dezavantajul analizei cantitative RMNeste costulridicat al aparaturii si dificultatea analizei probelor

complexe care se rezolva mai usor prin alte tehnici.

Spectroscopia RMN de relaxare poate fi folositapentru a evalua proportia dintre faza solida si cealichida din produse alimentare ce contin multe lipidecum ar fi margarinele.

Aplicatiile RMN in medicina devin tot mai comune, dela simple studii dinamice la diagnosticareaanormalitatii tesuturilor. Studiul prin RMN 13-P alsangelui si al fluidelor celulare permite monitorizareain timp real a pH-ului sanguin, tehnica necesara incazul diabeticilor. Absenta insulinei poate duce lanivele toxice ale aciditatii intracelulare, caz in care operfuzie cu hidrogenocarbonat de sodiu poate ajutala stabilirea pH-ului intracelular normal.Monitorizarea are loc prin masurarea deplasariichimice intre semnalele fosforului organic si celuianorganic. Acest lucru este posibil deoarece semnalulRMN al fosforuluianorganic depinde mult de pH si sepoate deplasa cu pana la 1 ppmpentru o unitate depH.


26/28

APLICATIILE RMN

Folosirea RMN-1H pentru scanarea corpului umana devenitun fapt obisnuit. Intensitatea semnalelor RMN-1H depinde

atat de intensitatea protonica cat si de timpul de relaxare alacestora. In consecinta, protonii din apa, proteine, lipide,carbohidrati si alte substante ar trebui sa prezinte semnalediferite. Totusi, principalele specii care au densitati de protonisuficiente pentru a da un semnal apreciabil sunt apa silipidele. Vecinatatile nucleelor care intra in rezonanta dauacestora timpi de relaxare diferiti, deci semnale diferite. Inconsecinta se pot diferentia diferitele organe ale corpului.

Imaginile obtinute sunt numite imagini de rezonantamagneticasi arata asemanator cu imaginile obtinute prinrazele X. Scanarea dureaza aproximativ 20 de minute, deaceea subiectul trebuie sa pastreze nemiscata zona ce va fiscanata in interiorul unui magnet cu diametru mare.

Nu se cunosc efecte secundare asociate cu aceasta tehnica!

Se cunosc exemple de compusi farmaceutici analizati cumetoda RMN. Dintre acestea un exemplu tipic de studiu estecel al stabilitatii unui derivat 1,4 benzodiazepinicMIDAZOLAM, care in diferiti solventi protici este instabil.


27/28

APLICATIILFISA DE OBSERVATIE C

CHIMIE FIZICA AUTOR DR RODICA SIRBU EDITURA OVIDIUS


28/28

BIBLIOGRA

CHIMIE FIZICA - AUTOR: DR. RODICA SIRBUEDITURA: OVIDIUS

UNIVERSITY PRESS

PAGINILE: 4653

METODE SI TEHNICI DE ANALIZA FIZICO-CHIMICA A COMPUSILOR

FARMACEUTICI- AUTORI: RODICA SIRBU, TICUTA NEGREANU-PARJOL,BOGDAN NEGREANU-PARJOL, IULIANA STOICESCU, CARMEN ELENA LUPU

EDITURA: OVIDIUS UNIVERSITY PRESS

PAGINILE: 213224

APLICATII ALE RADIATIILOR ELECTROMAGNETICE IN DOMENIUL MEDICAL

AUTORI: JOHNY NEAMTU, PAUL-GABRIEL ANOAICAEDITURA: EDITURA

MEDICALA UNIVERSITARA CRAIOVA, 2006

PAGINILE: 147169

REVISTA MEDICAL UPDATE

spectroscopie rmn cu aplicatii la compusii farmaceutici

Documents