Cristalografía por resonancia magnética nuclear

La cristalografía por resonancia magnética nuclear ( cristalografía de RMN ) es un método que utiliza principalmente espectroscopia de RMN para determinar la estructura de materiales sólidos a escala atómica. Por lo tanto, la espectroscopia de RMN de estado sólido se usaría principalmente, posiblemente complementada con cálculos de química cuántica (por ejemplo , teoría funcional de la densidad ), ^[1] difracción de polvo ^[2], etc. Si se pueden cultivar cristales adecuados, generalmente se preferirá cualquier método cristalográfico. determinar la estructura cristalina que comprende, en el caso de compuestos orgánicos, las estructuras molecularesy empaquetamiento molecular. El principal interés en la cristalografía de RMN está en los materiales microcristalinos que son susceptibles de este método, pero no en la difracción de rayos X , neutrones y electrones . Esto se debe en gran parte a que se miden interacciones de rango relativamente corto en cristalografía de RMN.

Introducción

Cuando se aplica a moléculas orgánicas , la cristalografía de RMN tiene como objetivo incluir información estructural no solo de una sola molécula, sino también del empaquetamiento molecular (es decir, la estructura cristalina). ^{[3] [4] A} diferencia de los rayos X, los monocristales no son necesarios con la RMN de estado sólido y se puede obtener información estructural a partir de espectros de alta resolución de sólidos desordenados. ^[5] Por ejemplo, el polimorfismo es un área de interés para la cristalografía de RMN, ya que esto se encuentra ocasionalmente (y a menudo puede no haberse descubierto previamente) en compuestos orgánicos. En este caso, un cambio en la estructura molecular y / o en el empaquetamiento molecular puede conducir a polimorfismo, y esto puede investigarse mediante cristalografía de RMN. ^{[6] [7]}

Enfoque basado en acoplamientos dipolares

La interacción de espín que se emplea habitualmente para análisis estructurales mediante espectroscopia de RMN de estado sólido es la interacción dipolar magnética . ^[8] El conocimiento adicional sobre otras interacciones dentro del sistema estudiado, como el desplazamiento químico o la interacción del cuadrupolo eléctrico, también puede ser útil, y en algunos casos se ha empleado únicamente el desplazamiento químico, como por ejemplo para las zeolitas . ^[9] El enfoque basado en el "acoplamiento dipolar" es paralelo a la espectroscopia de RMN de proteínas hasta cierto punto en que, por ejemplo, múltiples acoplamientos dipolares residuales se miden para proteínas en solución, y estos acoplamientos se utilizan como restricciones en el cálculo de la estructura de la proteína.

En la cristalografía de RMN, los espines observados en el caso de moléculas orgánicas serían a menudo núcleos de espín 1/2 de frecuencia moderada (¹³
C
, ¹⁵
norte
, ³¹
PAG
, etc.). Es decir¹
H
se excluye debido a su gran relación magnetogírico y alta concentración de espín que conduce a una red de fuertes acoplamientos dipolares homonucleares. Hay dos soluciones con respecto a ¹ H:¹
H
experimentos de difusión por centrifugación (ver más abajo) y etiquetado específico con²
H
giros ( giro = 1). Este último también es popular, por ejemplo, en investigaciones espectroscópicas de RMN de enlaces de hidrógeno en solución y en estado sólido. ^[10] Tanto los elementos estructurales intra como intermoleculares pueden investigarse, por ejemplo, mediante deuterio REDOR (una secuencia de pulsos de RMN de estado sólido establecida para medir acoplamientos dipolares entre deuterones y otros espines). ^[11] Esto puede proporcionar una restricción adicional para una investigación estructural cristalográfica de RMN, ya que se puede utilizar para encontrar y caracterizar, por ejemplo, enlaces de hidrógeno intermoleculares.

Interacción dipolar

La interacción dipolar mencionada anteriormente se puede medir directamente, por ejemplo, entre pares de espines heteronucleares como ¹³ C / ¹⁵ N en muchos compuestos orgánicos. ^[4] Además, la fuerza de la interacción dipolar modula parámetros como el tiempo de relajación longitudinal o la velocidad de difusión del espín que, por tanto, pueden examinarse para obtener información estructural. Por ejemplo, se ha medido la difusión de espín de ¹ H proporcionando una rica información estructural. ^[12]

Interacción de cambio químico

La interacción de cambio químico se puede utilizar junto con la interacción dipolar para determinar la orientación del marco de interacción dipolar (sistema de ejes principales) con respecto al marco molecular (espectroscopia de cambio químico dipolar). Para algunos casos, existen reglas para la orientación del tensor de interacción de desplazamiento químico como para el espín de ¹³ C en cetonas debido a argumentos de simetría ( hibridación sp ² ). Si la orientación de una interacción dipolar (entre el espín de interés y, por ejemplo, otro heteronúcleo) se mide con respecto al sistema de coordenadas de interacción de desplazamiento químico, estas dos piezas de información (tensor de desplazamiento químico / orientación molecular y tensor dipolar / tensor de desplazamiento químico orientación) combinados dan la orientación del tensor dipolar en el marco molecular. ^[13] Sin embargo, este método solo es adecuado para moléculas pequeñas (o polímeros con una pequeña unidad de repetición como la poliglicina) y proporciona solo información estructural selectiva (y generalmente intramolecular).

Refinamientos de la estructura cristalina

La interacción dipolar proporciona la información más directa con respecto a la estructura, ya que permite medir las distancias entre los espines. Sin embargo, falta la sensibilidad de esta interacción y, aunque la cristalografía de RMN basada en dipolar hace posible la elucidación de estructuras, son necesarios otros métodos para obtener estructuras de alta resolución. Por estas razones, se trabajó mucho para incluir el uso de otros observables de RMN, como la anisotropía de desplazamiento químico, el acoplamiento en J y la interacción cuadrupolar. Estas interacciones anisotrópicas son muy sensibles al entorno local 3D, lo que hace posible refinar las estructuras de las muestras en polvo a estructuras que rivalizan con la calidad de la difracción de rayos X de cristal único.Sin embargo, estos se basan en métodos adecuados para predecir estas interacciones, ya que no dependen de manera directa de la estructura.^{[14] [15]}

Comparación con métodos de difracción

Un inconveniente de la cristalografía de RMN es que el método suele llevar más tiempo y es más caro (debido a los costos del espectrómetro y el marcado de isótopos) que la cristalografía de rayos X, a menudo aclara solo una parte de la estructura, y el marcado de isótopos y los experimentos pueden tener que ser adaptado para obtener información estructural clave. Además, no siempre es una estructura molecular adecuada para un enfoque cristalográfico de RMN basado en RMN puro, pero aún puede desempeñar un papel importante en un estudio de multimodalidad (RMN + difracción). ^[dieciséis]

A diferencia del caso de los métodos de difracción, parece que la cristalografía de RMN debe funcionar caso por caso. Este es el caso, ya que los sistemas de diferencias tendrán diferentes físicas de espín y diferentes observables que se pueden probar. Por lo tanto, es posible que el método no encuentre un uso generalizado, ya que los diferentes sistemas requerirán personas calificadas para diseñar experimentos para estudiarlos.

Referencias

1. Robinson, Philip (26 de febrero de 2009). "Método cristalino para identificar polvos" . Aspectos destacados de la tecnología química . Consultado el 22 de octubre de 2015 .
2. Harris KDM, Xu M (2009). Análisis combinado de datos de difracción de polvo y RMN . Wiley-Blackwell . ISBN 978-0-470-69961-4.
3. Taulelle F (2004). "Cristalografía de RMN: fórmula cristaloquímica y selección de grupos espaciales". Ciencias del Estado Sólido . 6 (10): 1053–1057. Código bibliográfico : 2004SSSci ... 6.1053T . doi : 10.1016 / j.solidstatesciences.2004.07.033 .
4. Macholl S; Börner F; Buntkowsky G (2004). "Revelación de la configuración y empaquetado de cristales de compuestos orgánicos por espectroscopia de RMN de estado sólido: metoxicarbonilurea, un caso de estudio". Química . 10 (19): 4808–4816. doi : 10.1002 / quím.200400191 . PMID 15372663 . 
5. Sakellariou, Dimitris; Brown, Steven P .; Lesage, Anne; Hediger, Sabine; Bardet, Michel; Meriles, Carlos A .; Pines, Alexander; Emsley, Lyndon (2003). "Espectros de correlación de RMN de alta resolución de sólidos desordenados". Mermelada. Chem. Soc . 125 (14): 4376–4380. doi : 10.1021 / ja0292389 . PMID 12670262 . 
6. Harris RK (2006). "Estudios de RMN de polimorfos orgánicos y solvatos". Analista . 131 (3): 351–373. Código Bibliográfico : 2006Ana ... 131..351H . doi : 10.1039 / b516057j . PMID 16496044 . 
7. Reutzel-Edens SM (2008). Cristalografía de RMN y elucidación de las relaciones estructura-propiedad en sólidos cristalinos . Ingeniería de propiedades de materiales cristalinos, Ciencia para la paz y la seguridad de la OTAN Serie B: Física y biofísica . Serie B de Ciencia para la Paz y la Seguridad de la OTAN: Física y Biofísica. págs. 351–374. doi : 10.1007 / 978-1-4020-6823-2_17 . ISBN 978-1-4020-6822-5.
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