antecedentes y marco teorico

CAPITULO 2
ANTECEDENTES Y MARCO TEORICO
2.1
Antecedentes
La imagen por resonancia magnética (IRM) es un método tomográfico de
emisión cuyas principales ventajas sobre otros métodos de imagen son: a) su
capacidad multiplanar, con la posibilidad de obtener cortes o planos primarios en
cualquier dirección del espacio; b) su elevada resolución de contraste, que es
cientos de veces mayor que en cualquier otro método de imagen, c) la ausencia
de efectos nocivos conocidos al no utilizar radiaciones ionizantes, y d) la amplia
versatilidad para el manejo del contraste [2].
La imagen por resonancia magnética se basa en la excitación de los
núcleos de uno de los tres isótopos del hidrógeno, el 1H, previamente introducido
en un potente campo magnético estático, denominado B0. La intensidad del
campo magnético que se utiliza para la obtención de imágenes médicas en RM
oscila entre 0,012 y 2 Teslas. Los imanes para producir ese campo magnético
pueden ser permanentes, resistivos, superconductivos o mixtos. Los imanes que
producen campos magnéticos altos, a partir de 0,5 T, son superconductivos.
Los protones magnetizados en el campo magnético (CM), en estado de
relajación, adquieren dos orientaciones: de baja y alta energía, o paralelos y
antiparalelos respectivamente. Simultáneamente, los momentos magnéticos de
los protones realizan un movimiento de presesión alrededor del eje del campo
magnético. La frecuencia de presesión depende de la intensidad del campo. Para
4
un CM de 1 T la frecuencia de presesión es de 45 MHz. Esta aumenta o
disminuye de manera proporcional al CM, de tal manera que en un CM de 0,5 T la
frecuencia de presesión es de 22,5 MHz y en 2 T de 90 MHz.
En una pequeña proporción, predominan los protones de orientación
paralela o de baja energía, formándose en la muestra un vector de magnetización
neto, orientado en la dirección del campo magnético. En esta situación, los
protones están en estado de magnetización y relajación. Cuanto más intenso es el
CM, mayor es la proporción de protones paralelos sobre los antiparalelos, y el
vector neto es mayor. Como únicamente se puede medir magnetización en el
plano transversal, la muestra es expuesta a pulsos de radiofrecuencia, junto a
gradientes de campo magnético variables, que inclinan el vector de magnetización
de la porción o volumen seleccionado hacia el plano transversal. La
radiofrecuencia es devuelta en forma de señal eléctrica oscilante, generalmente
en forma de eco. Estas señales, codificadas en fase y frecuencia mediante
gradientes, se utilizan para formar la imagen. La amplitud del eco se reflejará en
el menor o mayor brillo de la imagen final, y depende preferentemente de la
densidad protónica, la relajación longitudinal y transversal (T1 y T2) y en menor
medida de otros factores como el flujo, la difusión y la transferencia de la
magnetización [2].
El cambio de señal entre los diferentes tejidos traduce la resolución de
contraste. Esta es superior a la de cualquier otro método de imagen diagnóstica.
En la IRM, la señal y el contraste entre tejidos pueden ser manejados por el
operador según las diferentes potenciaciones de las secuencias, incluso puede
suprimirse la señal de diferentes tejidos. Esta posibilidad de manejo de los
5
contrastes, junto a la capacidad multiplanar, hace de este método diagnóstico una
herramienta excepcional en el diagnóstico médico.
Uno de los inconvenientes de la IRM es el largo tiempo de exploración.
Desde la utilización práctica de la resonancia magnética como método de imagen
diagnóstica a comienzos de la década de los ochenta, la disminución en los
tiempos de exploración junto con mejoras en la resolución espacial, han sido
objetivos preferentes en la evolución tecnológica de este moderno método de
imagen médica.
Aunque el contraste entre los tejidos es muy alto en la IRM, en ocasiones
es insuficiente para diferenciar las estructuras normales y patológicas, o para
caracterizar estas últimas. Los medios de contraste utilizados en el sistema
músculo-esquelético modifican la señal de los tejidos aumentando la relajación T1.
El medio de contraste más utilizado son los compuestos de gadolinio (Gd). El ion
Gd+3 es una sustancia paramagnética que tiene 7 electrones no apareados. Un
electrón no apareado tiene un momento magnético grande; 657 veces mayor que
el del protón. Los medios de contraste de Gd no son específicos de ningún tejido.
Su mecanismo de acción es indirecto, influenciando la relajación de los tejidos
adyacentes [3].
El
complejo
Gd3+-dietilentriamino-N,N’,N’’,N’’’,N’’’-pentaacetato
[Gd-
(DTPA)(H2O)]2- fue el primer agente de contraste aprobado para uso en humanos
[1]. Posteriormente fueron aprobados otros complejos como gadoterida [Gd(HPDO3A)] y gadodiamina [Gd(DTPA-BMA)] [4]. La Figura 2.1 muestra las
estructuras de los complejos anteriores. En un diagnóstico de rutina con IRM los
6
complejos de gadolinio, Gd3+ son, por ahora, los más usados como agentes de
contraste, llamados comercialmente con el nombre de Magnevist [5].
0
0
0
-
COO-
OOC
N
N
N
Gd3+
0
N
N
COO-
H3CHNOC
CONHCH3
0
Gd3+
N
N
0
(a) [Gd(HP-DO3A)]
(b) [Gd(DTPA-BMA)]
Figura 2.1. Estructuras de complejos de Gadolinio.
El gadolinio en su forma natural es un elemento de las tierras raras, es de
color blanco platinado, maleable y dúctil con brillo metálico. El gadolinio libre, no
puede ser inyectado en la sangre porque puede producir toxicidad ya que tiene
tendencia a formar hidrocomplejos y precipitar a pH fisiológico; también puede
enlazarse con los grupos dadores de las proteínas desplazando a otros iones
metálicos de las enzimas, por ejemplo el Ca2+ (ya que tiene un tamaño similar).
Por todo esto, para poder utilizar el Gd3+ como agente de contraste, se administra
como complejo con ligantes polidentados, de esta manera el complejo tiene alta
estabilidad termodinámica a pH fisiológico. Los agentes de contraste de imagen
de resonancia magnética se dan por inyección antes o durante la imagen de
resonancia magnética para ayudar a diagnosticar problemas o enfermedades. Los
7
complejos Gd3+ pueden permanecer en el cuerpo y se excretan antes de que se
disocien.
El mecanismo para la proyección de imagen de IRM utilizando agentes de
contraste como el DTPAGd3+ se lleva a cabo de la siguiente manera: El ion
quelato paramagnético de Gd3+, tiene un momento magnético grande (S = 7/2), e
influye en la velocidad de relajación de los protones vecinos (por ejemplo,
protones en tejidos finos) con base a su respuesta magnética cuando está
expuesto a un campo magnético externo los protones vecinos experimentan una
variación del campo, que depende del momento magnético y del tiempo de
relajación electrón-espín del quelato paramagnético y de las interacciones con los
protones de moléculas de agua coordinadas en las esferas internas y externas del
complejo. Como una consecuencia, se producen irregularidades en los campos
magnéticos locales, y el tiempo de relajación espín-matriz, T1 de los protones
generalmente disminuye, lo que resulta en un aumento de la intensidad de la
señal de IRM obtenida de tejidos finos. La capacidad de aumentar el contraste de
la señal de un agente de IRM está dada por la relaxividad r1, la cual está definida
por:
T11 = r1 [Gd] + T101
Donde T1 es el tiempo de relajación spin-matriz del protón de agua en
presencia de complejo de Gd3+ a la concentración [Gd], y T10 es el valor de T1 a
[Gd] = 0.
De acuerdo con el mecanismo para incrementar la señal de IRM, un
complejo ideal de Gd3+ debe contener por lo menos una molécula de H2O
8
coordinada directamente al ion metálico central, para producir el efecto en la
velocidad de relajación T1 de los protones de las moléculas de H2O en un
ambiente microquímico. Otros requerimientos son alta estabilidad termodinámica
y cinética suficiente para reducir al mínimo la disociación de ión libre de Gd3+, que
tiene alta toxicidad y solubilidad en agua y en fluidos biológicos. Por lo tanto, hay
un interés especial por el diseño molecular de complejos modelo de Gd3+ que
tengan los requerimientos anteriores.
En los últimos años, en el Departamento de Investigación en Polímeros y
Materiales se ha sintetizado una serie de ligantes macrocíclicos y ligantes de
cadena abierta que actúan como receptores de iones metálicos y moléculas
orgánicas en medio acuoso. La síntesis de estos compuestos se ha llevado a
cabo a partir de los dianhídridos de EDTA y DTPA y diversas aminas mono y
bifuncionales, tanto alifáticas como aromáticas.
En este trabajo se planea llevar acabo la síntesis de un ligante macrocíclico
a partir de ácido dietilentriaminopentaacético (DTPA) dianhídrido y 4,4’diaminobibenzilo. A partir del ligante se pretende formar un complejo de Gd3+
como posible agente de contraste para imagen de resonancia magnética.
2.2
Marco Teórico
2.2.1 Ligantes
Un ligante se define como un átomo, ion o molécula, que generalmente
dona uno o más de sus electrones a través de un enlace covalente coordinado y/o
comparte sus electrones a través de un enlace covalente con uno o más átomos o
iones centrales [6].
9
Comúnmente en la química inorgánica el átomo central es un metal o
metaloide, pero, también el ligante es usado en la química orgánica, para proteger
grupos funcionales o estabilizar compuestos reactivos. La molécula que resulta de
la coordinación entre un ligante (o un arreglo de ligantes) y un átomo central es
llamado compuesto de coordinación, antiguamente conocido como complejo [6,7].
2.2.1.1
Clasificación de Ligantes
Una de las formas de clasificar a los ligantes se basa en la forma de coordinar
con el ion metálico:
1) Ligantes monodentados: Son ligantes que donan solo un electrón a un ion
metálico. Dentro de este tipo podemos encontrar los ligantes ambidentados,
los cuales pueden tener dos o mas sitios donadores diferentes, por lo cual
presentan isomería de enlace.
2) Ligantes polidentados: Son ligantes que tienen dos o más átomos
donadores que forman parte de la molécula. Se pueden llamar bidentados,
tridentazos, tetradentados, pentadentados o hexadentados, dependiendo
de la cantidad de átomos donados. En la Figura 2.2 se muestran algunas
estructuras de ejemplos de ligantes.
2.2.1.2
Ligantes Macrocíclicos
Los ligantes macrocíclicos (Polidentados) son compuestos orgánicos
cíclicos de nueve o más átomos en el ciclo y con tres o más donadores [8,9]. La
preferencia por los macrociclos sobre ligantes monodentados o bidentados, se
debe a la gran estabilidad e inercia en sus complejos, además de las propiedades
10
Ligantes monodentados
F,Cl-, I-, Br-, CN
Ligantes bidentados
Etilendiamina (“en”)
NH2
H 2N
O
O-
C
CH2
NH
Ligantes tridentados
CH2
Iminodiacetato
O-
C
O
O
O-
C
Ligantes tetradentados
O
CH2
N
CH2
C
O-
CH2
Aminoriacetato
O-
C
O
Ligantes hexadentados
O
C
O-
O
CH2
O
Ácido etilendiaminotetraacético
(EDTA)
C
N
C
H 2C
CH2
O-
H 2C
CH 2
H 2C
N
CH 2
-
O
-
O
C
O
Figura 2.2. Ejemplos de ligantes.
11
físicas extremas que son resultado de un campo ligante fuerte, especialmente en
el caso de los aza macrociclos [10].
2.2.1.3
Clasificación de los Ligantes Macrocíclicos
De acuerdo con el tipo de átomo donador, los ligantes macrocíclicos se
pueden clasificar como: 1).Poliaza; Compuestos orgánicos cíclicos cuyos átomos
donadores son átomos de nitrógeno conocidos como macrociclos poliaza. Estos
compuestos presentan gran afinidad por los iones metálicos de transición y
algunos iones metálicos pesados, pero la tendencia a formar complejos con iones
alcalinos y alcalinotérreos es muy baja. Los macrociclos poliaza son ligantes muy
versátiles que forman complejos bien definidos con una amplia gama de iones
metálicos. La selectividad y estabilidad de la formación de complejos metálicos
está en función del número de sitios de enlace de átomos de nitrógeno, de su
disposición relativa y de la conformación de ligante macrocíclico. Estos
compuestos son muy importantes ya que tienen funciones biomédicas y alta
selectividad hacia iones metálicos específicos [11]. Esto se debe a que tienen
átomos de nitrógeno de varios tipos como; grupo aminos secundarios y terciarios,
pirrol, piridina, amido y otros grupos [12]. Todos estos tipos de átomos de
nitrógeno se pueden encontrar en el mismo compuesto [13]. 2) Los macrociclos
que contienen P, S y/o As como átomos donares, presentan la misma
característica de formar complejos con iones metálicos de transición y algunos
iones metálicos pesados, como los poliaza. En la Figura 2.3 se muestran algunas
estructuras de ligantes macrocíclicos.
12
Polieter corona
O
O
O
O
O
O
O
O
O
12-corona-4
15-corona-5
Poliaza
HOOCH 2 C
NH
HN
NH
HN
CH2 COOH
N
N
N
N
CH2 COOH
HOOCH 2C
Ciclem
Ácido cliclamtetraacético
Macrociclos conteniendo sulfuro
S
S
S
S
[12] anoS4
S
S
S
S
[14] anoS4
Figura 2.3. Estructuras de ligantes macrocíclicos.
13
2.2.1.4
Ligantes Macrocíclicos Tipo Ciclofano
A lo largo del desarrollo de la química supramolecular, se han logrado
sintetizar varios tipos de ligandos macrocíclicos como lo son los calixarenos, las
ciclodextrinas y los macrociclos tipo ciclofano, éstos últimos, sólo corresponden a
una pequeña parte de la clasificación de ligandos que pertenecen a esta
relativamente nueva e importante rama de la química.
Un compuesto macrocíclico tipo ciclofano se define de manera concreta
como una molécula cíclica capaz de reconocer a un sustrato y que en ella
contenga al menos una unidad aromática unida al menos por un puente alifático.
En la Figura 2.4 se muestran algunas estructuras de ligantes macrocíclicos
ciclofano. Se considera que son el centro de los receptores artificiales, pues
[2.2]Paraciclofano
[2.2]Metaciclofano
Figura 2.4. Ligantes macrocíclicos tipos ciclofano.
14
tienen una gran capacidad de complejación hacia sustratos de diferente
naturaleza; como lo son los compuestos orgánicos e inorgánicos, cationes,
aniones e inclusive moléculas neutras. [14].
La presencia de anillos aromáticos en un ligante de este tipo, le confiere a
la molécula la capacidad de ser multifuncional, le proporcionan una estructura
bien definida, con una profundidad suficiente y una rigidez determinante para la
organización de los sitios de enlace. Para lograr que un ciclofano adquiera
solubilidad en agua se introducen cierto número de grupos cargados (como lo son
los carboxilatos) ya sea en el borde de la cavidad o mas cercanos a los sitios de
enlace.
Otra utilidad de los ciclofanos es que pueden manejarse en disolventes
orgánicos como ligantes de compuestos orgánicos o iones metálicos [14,15].
El hecho de que los ciclofanos sean tan eficientes y utilizados para llevar a
cabo el reconocimiento molecular, se debe a que cumplen con muchas de las
características que deben satisfacer los receptores artificiales para realizar este
fenómeno, como:
1) Se sintetizan por métodos sencillos.
2) Manifiestan selectividad en el reconocimiento de moléculas huésped con
base a su constitución y configuración.
3) Son químicamente estables.
4) Cuentan con sitios para la introducción de grupos catalíticos o sitios de
reconocimientos adicionales.
5) Tienen la posibilidad de unirse a compuestos poliméricos.
15
2.2.2 Compuestos de Coordinación o Complejos
Los complejos son compuestos que contienen un átomo o ion central que
generalmente es un metal, rodeado por un grupo de iones o moléculas
denominados ligantes. El átomo del ligante que se une al ion metálico es el átomo
donador. El número de átomos donadores unidos al ion metálico es el número de
coordinación del ion metálico. El interés de los complejos reside generalmente en
las propiedades químicas y físicas del ión complejo, que además de tener
propiedades químicas muy importantes, presenta propiedades físicas de gran
interés, como un intenso color característico de cada complejo, una estructura
cristalina bien definida e importantes propiedades magnéticas [16, 17,18].
La primera teoría que permitió explicar parcialmente la existencia de estos
compuestos fue la: “teoría de coordinación de Werner”. Sus postulados más
importantes son:
1) La mayor parte de los elementos poseen dos tipos de valencia (a) valencia
primaria y (b) valencia secundaria. En términos modernos (a) corresponde
al estado de oxidación y (b) al número de índice de coordinación.
2) Todos los elementos tienden a satisfacer tanto sus valencias primarias
como sus valencias secundarias.
3) Las valencias secundarias están dirigidas hacia posiciones fijas en el
espacio.
Esta teoría explica la existencia de los complejos, sus propiedades
generales y su estereoquímica. Sin embargo, esta teoría precede en más de 20
años al actual concepto electrónico del átomo. Por ello continúa siendo la base de
la química de compuestos de coordinación. Para explicar la naturaleza de enlace
16
de dichos compuestos en términos actuales existen tres teorías, muchos de cuyos
aspectos se complementan:
Teoría de enlace de valencia. La teoría de enlace de valencia (TEV), explica
razonablemente bien la estructura y propiedades magnéticas de los complejos
metálicos En la formación de los iones complejos, los orbitales llenos de los
ligantes solapan con los orbitales d vacíos del ion metálico. El ligante (base de
Lewis) dona un par de electrones, y el ion metálico (ácido de Lewis) lo acepta
para formar uno de los enlaces covalentes del ion complejo (aducto de Lewis) Tal
enlace, en el cual un átomo del enlace contribuye con ambos electrones, se llama
enlace covalente coordinado, aunque, una vez formado, es idéntico a cualquier
enlace covalente sencillo. El concepto de la TEV propone la mezcla de orbitales s,
p y d para dar un conjunto de orbitales híbridos, los cuales tienen geometrías
específicas. De manera parecida, para los compuestos de coordinación, el
modelo propone que el número y tipo de orbitales híbridos del ion metálico
ocupados por los pares de electrones cedidos de los ligantes determina la
geometría del ion complejo [15].
Teoría electrostática del campo cristalino. Esta teoría proporciona poca
información sobre el enlace metal-ligante, pero explica claramente los colores y el
magnetismo. Para hacerlo, resalta los efectos sobre las energías de los orbitales
d del ion metálico a medida que los ligandos se aproximan. El modelo del campo
del cristal, formulado por Bette y van Vleck en 1929, explica que las propiedades
de los complejos resultan de la separación de las energías de los orbitales d
debido a interacciones de tipo electrostáticas entre iones metálicos y los ligantes.
El modelo asume que un ion complejo se forma como resultado de atracciones
17
electrostáticas entre el catión metálico y la carga negativa de los ligantes. Esta
carga negativa es parcial en un ligante polar neutro como el amoniaco o completa
como en un ligante aniónico como el Cl-. Los ligantes se aproximan al ion
metálico a lo largo de los ejes x, y y z, lo cual minimiza la energía total del sistema
[16].
Teoría de los orbitales moleculares. La teoría de los orbitales moleculares (TOM)
usa una combinación lineal de orbitales atómicos para formar orbitales
moleculares, que abarcan la molécula entera. Estos orbitales son divididos
frecuentemente en orbitales enlazantes, orbitales antienlazantes, y orbitales de no
enlace. Un orbital molecular es simplemente un orbital de Schrödinger que incluye
varios, pero frecuentemente sólo dos, núcleos. Si este orbital es del tipo en que
los electrones tienen una mayor probabilidad de estar entre los núcleos que en
cualquier otro lugar, el orbital será un orbital enlazante, y tenderá a mantener los
núcleos cerca. Si los electrones tienden a estar presentes en un orbital molecular
en que pasan la mayor parte del tiempo en cualquier lugar excepto entre los
núcleos, el orbital funcionará como un orbital antienlazante, y realmente debilitará
el enlace. Los electrones en orbitales no enlazantes tienden a estar en orbitales
profundos (cerca a los orbitales atómicos) asociados casi enteramente o con un
núcleo o con otro y entonces pasarán igual tiempo entre los núcleos y no en ese
espacio. Estos electrones no contribuyen ni detractan la fuerza del enlace [16].
18
2.2.2.1
Complejos Macrocíclicos (Anfitrión-huésped)
En la química supramolecular, la química de anfitrión-huésped describe
complejos que están sostenidos juntos por dos o más moléculas o iones en una
estructuras única relacionados por los enlace de hidrogeno o por diferencia de
cargas, o por las fuerzas de Van der Waals.
El componente anfitrión se define como una molécula orgánica o ion cuyos
sitios de enlace convergen con el del complejo y el componente huésped se
define como cualquier molécula o ion cuyos sitios de enlace divergen en el
complejo [19].
La formación de complejos anfitrión-huésped se refiere a la habilidad de las
moléculas anfitrión de interactuar con las moléculas o ion huésped [15]. Para
formar un complejo, el anfitrión y el huésped deben tener sitios obligatorios y
barreras estéricas localizadas para complementar una nueva estructura. Por tanto
la diferenciación en la formación de complejos moleculares depende del
reconocimiento estructural mutuo entre el potencial del anfitrión y el huésped [20].
Los compuestos macrocíclicos representan el comienzo en la investigación para
el entendimiento de las bases fisicoquímicas de la formación de complejos,
reconocimiento y catálisis por compuestos anfitriones [20].
2.2.3 Técnicas Espectroscópicas
Las técnicas espectroscópicas son aquellas en que las el analito (es el
elemento, compuesto o ion de interés analítico de una muestra) sufre procesos de
absorción, emisión o luminiscencia. Estas técnicas se diferencian según la forma
en la que se encuentra el analito en el momento en el que sufre el proceso
19
espectroscópico, dando lugar a la espectroscopia atómica y a la espectroscopia
molecular [21].
Según el rango de energía que presente la radiación electromagnética
existen
diferentes
técnicas,
por
ejemplo,
espectroscopia
de
infrarrojo,
espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectroscopia ultravioletavisible, espectrometría de masas, etc. En la Figura 2.5 se muestra el espectro
electromagnético en donde se observan las longitudes de onda de las distintas
radiaciones electromagnéticas.
Figura 2.5. Espectro electromagnético.
20
2.2.3.1
Espectroscopia Infrarroja
Espectroscopia infrarroja es la rama de la espectroscopia que trata con la
parte infrarroja (IR) del espectro electromagnético. Esta cubre un conjunto de
técnicas, siendo la más común una forma de espectroscopia de absorción. Así
como otras técnicas espectroscópicas. Muchas de ellas no pueden ser asignadas
con exactitud, pero pueden, proporcionan una vasta información estructural sobre
las moléculas.
Esta espectroscopia se fundamenta en la absorción de la radiación IR por
las moléculas en vibración. Una molécula absorberá la energía de un haz de luz
infrarroja cuando dicha energía incidente sea igual a la necesaria para que se de
una transición vibracional de la molécula. Es decir, la molécula comienza a vibrar
de una manera determinada gracias a la energía que se le suministra mediante
luz infrarroja.
Pueden distinguirse dos categorías básicas de vibraciones: de tensión y de
flexión. Las vibraciones de tensión son cambios en la distancia interatómica a lo
largo del eje del enlace entre dos átomos. Las vibraciones de flexión están
originadas por cambios en el ángulo que forman dos enlaces. En la Figura 2.6 se
representan los diferentes tipos de vibraciones moleculares.
En principio, cada molécula presenta un espectro IR característico (huella
dactilar), debido a que todas las moléculas (excepto las especies diatómicas
homonucleares como O2 y Br2) tienen algunas vibraciones que, al activarse,
provocan la absorción de una determinada longitud de onda en la zona del
espectro electromagnético correspondiente al infrarrojo.
21
Figura 2.6. Modos de vibración de las moléculas.
Para medir una determinada absorción infrarroja se utilizan tanto la longitud
de onda (λ), en micrones (µ), como el número de onda (cm-1). La porción infrarroja
del espectro electromagnético se divide en tres regiones aproximado, medio y
lejano con intervalos de 12500-4000 cm-1, 4000-660 cm-1, y 660-50 cm-1,
respectivamente. Figura 2.7 Se muestra un de espectro de infrarrojo del NaCl.
Figura 2.7. Espectro de infrarrojo del NaCl.
22
La espectroscopia infrarroja tiene su aplicación más inmediata en el
análisis cualitativo: detección de las moléculas presentes en el material.
La medición de los sistemas de espectros de absorción infrarroja se
obtienen, normalmente, colocando la muestra en un espectrofotómetro infrarrojo
de doble haz y midiendo la intensidad relativa de la energía luminosa transmitida
(o absorbida) contra la longitud de onda o número de onda. Una fuente de luz
normal para radiaciones infrarrojas es la lámpara incandescente de Nemst, una
varilla que contiene una mezcla de óxido de circonio, óxido de itrio y óxido de
erbio, calentada por medio eléctrico alrededor de 1500 K. Para obtener luz
aproximadamente monocromática se utilizan tanto prismas ópticos como rejillas;
espectrofotómetros de rejilla proporcionan resoluciones mejores. Vidrio y cuarzo
absorben fuertemente en gran parte de la región infrarroja de modo que no
pueden ser utilizados como prismas ni celdas; se emplean para esto halogenuros
de metales (por ejemplo, cloruro de sodio). Existen espectrofotómetros con
inscriptor que entregan un espectro completo (2,5-25, µ, 4000-400 cm-1) en pocos
minutos [22].
El estudio de un espectro infrarrojo puede auxiliar la investigación química
de varias maneras. A fin de establecer un grupo funcional, debe examinarse el
espectro con detalle para el diagnóstico de otras bandas de absorción y emplearse
junto con las clásicas reacciones químicas (a las que no siempre puede sustituir) y
determinaciones de la solubilidad. Por el contrario, debe destacarse el poder de la
evidencia negativa, es decir, si el espectro no contiene la absorción típica de cierto
grupo funcional, la molécula no contiene dicho grupo. Deberá examinarse todo el
23
espectro para determinar si es completamente consistente con la fórmula
estructural esperada [23].
2.2.3.2
Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear
La técnica espectroscópica de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)
representa una de las técnicas más importantes en la determinación estructural
de compuestos orgánicos.
La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es una técnica
empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares, aunque
también se puede emplear con fines cuantitativos [24].
Esta técnica se basa en que muchos tipos de núcleos se comportan como
si giran en un eje. Dado que estos núcleos están cargados positivamente, al girar
actúan como pequeños imanes, por tanto pueden interactuar como un campo
magnético aplicado exteriormente (la intensidad HO). No todos los núcleos actúan
de esta manera pero por suerte, tanto el protón como (1H) como el núcleo del
13
C
presentan ese giro o espín.
En ausencia de un campo magnético externo intenso, los ejes de rotación
de los núcleos magnéticos están orientados al azar. Sin embargo, cuando estos
núcleos se colocan entre los polos de un imán potente, adoptan orientaciones
especificas, en forma parecida en cómo se orienta la aguja de una brújula en el
campo magnético de la tierra. Los núcleos de 1H y del
13
C pueden orientar su eje
de giro De modo que su pequeño campo magnético se alinee a favor (paralelo) o
en contra (antiparalelo) del campo magnético externo. Estas dos orientaciones
difieren en energía y por tanto no intervienen en cantidades iguales. La orientación
24
paralela es un poco más baja de energía, de modo que este estado rotacional es
ligeramente favorecido sobre la orientación antiparalela, [23] como se muestra en
la Figura 2.8.
Figura 2.8. Espines orientados al azar, (a) espines orientados en paralelo y
antiparalelo (b).
Si ahora los núcleos orientados reciben radiación electromagnética de una
frecuencia apropiada, ocurre una absorción energética, y el estado rotacional de
menor energía salta al estado de mayor energía. Cuando ocurre este salto se dice
que el núcleo esta en resonancia a con la radiación aplicada [24].
La cantidad exacta de energía de radiofrecuencia necesaria para
resonancia depende tanto de la intensidad del campo magnético externo como la
identidad del núcleo que irradia. Si se aplica un campo magnético muy intenso, la
diferencia de energía entre los dos estados rotacionales es grande, y se requiere
una frecuencia de radiación mayor (mayor energía) para que ocurra el salto. Si se
aplica un campo magnético más débil, se requiere menos energía para efectuar la
transición entre los estados de rotación nuclear [24].
25
Los núcleos de 1H y del
13
C no son los únicos capaces de experimentar el
fenómeno de resonancia magnética nuclear. Todos los núcleos con número de
masa impar, como los de 1H ,13C, 19F y 31P, presentan propiedades magnéticas.
Se prefieren los núcleos de número cuántico de espín nuclear igual a 1/2,
pues si no dan señales muy anchas. También es mejor que el isótopo sea
abundante en la naturaleza, pues si no dan señales débiles. Por eso, uno de los
más útiles en la elucidación de estructuras es el ¹H, dando lugar a la
espectroscopia de resonancia magnética nuclear de protón. También es
importante en química orgánica el
13
C, pero se trata de un isótopo poco
abundante y presenta dificultades [24].
Por otro lado, en espectroscopia de 1H-RMN el área de una señal de
resonancia es proporcional al número de núcleos que producen esa señal, lo que
permite su integración. Un punto importante es que no todas las líneas
espectrales son simples (singletes), sino que como resultado de acoplamientos
entre espines nucleares de núcleos vecinos se producen desdoblamientos de
señales,
separados por
una
frecuencia característica
o
constantes de
acoplamiento (J).
Es necesario colocar el analito en un intenso campo magnético, con el fin
de que aparezcan los estados de energía de los núcleos que hagan posible la
absorción.
El equipo de resonancia magnética nuclear (RMN) utiliza una combinación
de imanes grandes, radiofrecuencias y una computadora, como se muestra en la
Figura 2.9.
26
La máquina de RMN es una máquina grande y cilíndrica (con forma de
tubo), que crea un fuerte campo magnético de la muestra. Este campo magnético,
junto con una radiofrecuencia, altera el alineamiento natural de los átomos de
hidrógeno
Figura 2.9. Diagrama de equipo de resonancia magnética nuclear.
En los instrumentos de impulsos, la muestra se irradia con impulsos
periódicos de energía de radio frecuencias que atraviesan la muestra
perpendicularmente al campo magnético. Esta excitación con impulsos provoca
una señal en el dominio del tiempo que decae en el intervalo entre impulsos. Esta
señal se convierte entonces en una señal en el dominio de la frecuencia mediante
una transformación de Fourier y se obtiene de este modo un espectro.
La relajación en el ámbito de la resonancia magnética nuclear (RMN) describe
la evolución de las magnetizaciones en dos direcciones distintas:
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1) Relajación longitudinal: La componente del vector de magnetización M que
es paralela al campo magnético principal B0 es llamada magnetización
longitudinal (Mz). El proceso mediante el cual se recupera a la
magnetización en equilibrio térmico M0 es llamado relajación longitudinal, y
posee una constante de tiempo T1.

M z t   M z 0  1  e t / T1

2. Relajación transversal: La componente del vector de magnetización M que
es perpendicular al campo magnético principal B0 es llamada magnetización
transversal (Mxy, MT, o M┴). El proceso mediante el cual decae hasta
prácticamente cero es llamado relajación transversal, y posee una
constante de tiempo T2.
M xy t   M xy 0  e t / T2
T1 es por definición, la componente de la relajación que ocurre en la
dirección del campo magnético ambiente. Esto por lo general sucede por
interacciones entre los núcleos de interés y los núcleos no excitados en el medio,
como también con campos eléctricos en el medio (denominado en forma genérica
como la 'red o matriz'). Por lo tanto, T1 es llamado la relajación de la "red de
espín" o "matriz-espín".
Por definición T2, es la componente 'verdadera' de relajación hacia las
condiciones de equilibrio, perpendicular al campo magnético ambiente. Por ello, la
relajación está dominada por interacciones entre los núcleos spinning que ya se
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encuentran excitados. Por dicha razón, la relajación T2 es llamada relajación
"transversal" o "espín-espín".
Los experimentos de RMN sirven para asignar señales del esqueleto de
una molécula orgánica relacionando los picos observados según el tipo de
experimento que diseño. En la Figura 2.10 se muestra un espectro de 1H de
1-propanol.
Figura 2.10. Espectro RMN de 1H de 1 propanol.
Toda la información obtenida a través de estos experimentos, combinado
con el uso de otras técnicas espectroscópicas, hace posible actualmente la
determinación de complejas estructuras moleculares de productos naturales,
compuestos sintéticos o semisintéticos y biomoléculas de gran peso molecular
como pueden ser proteínas, oligosacáridos o ácidos nucleídos.
Además, el campo de aplicación de la Resonancia Magnética Nuclear no
sólo se limita a esta labor de determinación estructural sino que también se
29
extiende a aspectos de determinación conformacional, cinética de reacciones y
dinámica molecular. A todo ello, hay que unir la posibilidad de realizar espectros
de resonancia en estado sólido, aunque con importantes requerimientos
instrumentales en este caso, pero que hace abrir aún más las aplicaciones de
esta técnica con el estudio de materiales poliméricos tanto de naturaleza orgánica
como inorgánica.
2.2.3.3
Espectrometría de Masas
La espectrometría de masas (EM) es básicamente una técnica que permite
determinar la masa de una molécula. Además de proporcionar valiosa información
acerca de compuestos desconocidos si se mide la masa de los fragmentos que se
producen cuando se rompen moléculas de alta energía. Existen varios tipos
disponibles de espectrómetros de masa, pero uno de los más comunes es el
instrumento de impacto electrónico y sector magnético que se muestra en la
Figura 2.11.
Figura 2.11. Espectrómetro de masas.
30
Se introduce una pequeña cantidad de muestra al espectrómetro de masa,
donde es bombardeada por una corriente de electrones de alta energía. La
cantidad exacta de energía de la corriente de electrones varía, pero suele ser
alrededor de 70 electrón Volt (eV), o 1600 kCal/mol (6700 kJ/mol). Cuando un
electrón de alta energía golpea una molécula extrae de ella un electrón de
valencia, formando un catión radical.
El bombardeo con electrones transfiere tal cantidad de energía a las
moléculas de la muestra que los cationes radicales se fragmentan después de la
ionización: se separan en una gran cantidad de porciones más pequeñas, algunas
de las cuales retienen una carga positiva mientras que otras son neutras. Los
fragmentos pasan después por un campo magnético intenso, el cual las desvía
por un tubo curvo conforme a su relación de masa sobre carga (m/z). Los
fragmentos neutros no son desviados por el campo magnético y se pierde en las
paredes del tubo, pero los fragmentos con carga positiva son separados por el
espectrómetro, que los envía a un detector en el cual se registran como picos en
las relaciones m/z apropiadas. Puesto que el número de cargas z, suele ser 1, los
pico de relación m/z son simplemente m, la masa del ion de que se trate.
El espectro de masas de un compuesto suele presentarse como una
gráficas de barras que en el eje x tiene unidades de masa (valores m/z), y en eje y
tiene la intensidad. Al pico más alto, llamado pico arbitrariamente una intensidad
del 100%. En la Figura 2.12 se presenta un espectro de masas del n-decano.
Ionización por electrospray Situados generalmente a la salida de un equipo
de electroforesis capilar o de cromatografía liquida con microcolumna, comienzan
31
por transformar la fase liquida móvil en una fina niebla acuosa que contiene la
especie a analizar.
La fase móvil puede aportar H+, según el pH de la disolución y contener
cationes tales como NH4+, Na+, K+ (caso de un electrolito).
Figura 2.12. Espectro de masas del n-decano.
La ionización por electrospray (ESI) es una técnica utilizada en
espectrometría de masas para producir iones (ESI-MS). Es especialmente útil en
la producción de iones a partir de macromoléculas, pues supera la propensión de
estas a fragmentarse cuando se ionizan. Las microgotas se forman en el extremo
de un fino capilar de sílice metalizado superficialmente y llevado a un elevado
potencial positivo (si se ha escogido estudiar iones positivos). El intenso campo
eléctrico le confiere una importante densidad de carga (m/z). Por efecto de un gas
seco, las gotitas se evaporan progresivamente perdiendo las moléculas del
disolvente por complejos mecanismos de desolvatación y de evaporación. Su
32
densidad de carga llega a ser muy grande (límite de Reileigh) explotando y.
liberando iones fragmentados y protonados o formas catiónicas del analito,
portadores de un número variable de cargas [25]. En la Figura 2.13 se muestra el
diagrama de equipo de espectroscopia de masas por ionización de electrospray.
Figura 2.13. Diagrama de equipo de espectroscopia de masas por
ionización de electrospray.
2.2.3.4
Espectroscopia Ultravioleta- Visible
El principio de la espectroscopia ultravioleta-visible involucra la absorción
de radiación ultravioleta-visible por una molécula, causando la promoción de un
electrón de un estado basal aun estado excitado. Las longitudes de ondas de los
picos de absorción pueden correlacionarse con los tipos de enlaces existentes en
la muestra. Por lo tanto esta técnica espectroscópica identifica los grupos
funcionales de una molécula [25].
La espectroscopia UV-visible es la más limitada para la información de
compuestos. Los compuestos que tengan un cromóforo o instauración son
33
visibles en esta región (λ<185 nm). Un cromóforo es cualquier tipo de átomos que
absorben luz independientemente de que presente color o no, aunque también
puede presentar un grupo auxocromo que es el que amplifica la conjugación de
un cromóforo mediante el comportamiento de los electrones no-enlazante [23,24].
Existen dos tipos de excitaciones electrónicas que ocurren en esta gama,
que son de gran interés para la química orgánica, son aquellos que involucran un
ascenso hacia un orbital molecular no enlazante (n-electrón), o un orbital
molecular enlazante (σ-electro o – π electrón).
Sin embargo, la energía requerida para promocionar electrones tipo-sigma
a un orbital molecular anti-enlazante es normalmente alta y se observan la región
de λ<200 nm, por lo que este tipo de excitación molecular no aparece en el
espectro UV-Visible. Por tanto la espectroscopia UV-visible está limitada a
excitaciones de n-y pi-electrones. Transiciones de tipo n→σ no requieren tanta
energía como las anteriores (σ → σ). Transiciones de tipo n→π y π → π, son los
tipos de transiciones que se basan en la mayoría de las aplicaciones de la
espectroscopia de absorción, ya que la energía requerida para estos procesos
conduce a picos en una región conveniente experimentalmente (200-700 nm)
[19,23]. En la Figura 2.14 se muestran los niveles de energía moleculares
electrónicos. La cantidad de luz absorbida por una solución en particular se define
cuantitativamente por la Ley de Lambert-Beer:
A  log
Io
 lc
I
34
Donde:
A= absorbancia
Io= intensidad de la incidencia de luz a cierta longitud de onda
I= intensidad de la luz transmitida a través de la muestra a la misma longitud de
onda
ε= coeficiente de excitación molar
I= longitud de la celda en cm
C= concentración de la muestra e moles/litros
Figura 2.14. Los niveles de energía moleculares electrónicos.
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