Ressonância magnética nuclear (RMN)

A espectroscopia por ressonância magnética nuclear (RMN) é uma técnica analítica usada para determinar a estrutura molecular e a composição química de uma amostra. Ela atua analisando a interação dos núcleos em rotação em um forte campo magnético. Na espectroscopia por RMN, uma campo magnético externo estacionário faz com que determinados núcleos em uma molécula absorvam radiofrequências seletivas. A energia absorvida induz uma transição nas rotações (spins) nucleares, o que é observado em um espectro de RMN.

Aplicações da espectroscopia por RMN

A espectroscopia por RMN é uma técnica não destrutiva e não invasiva usada para determinar a estrutura e a dinâmica molecular. As aplicações da RMN são variadas e incluem as seguintes áreas de pesquisa e setores:

• Em biologia, a RMN se aplica ao estudo de macromoléculas, como proteínas, lipídios e ácidos nucleicos. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na e ¹⁹F são os núcleos ativos de RMN biologicamente mais relevantes, usados para entender as vias bioquímicas envolvidas no metabolismo de aminoácidos, lipídios e carboidratos.
• Em química, ela é amplamente usada para análise qualitativa e quantitativa para monitorar reações, identificar estruturas e avaliar a pureza.
• Na ciência de polímeros, para analisar a proporção de monômeros, peso molecular, taticidade, sequenciamento, comprimento e ramificação da cadeia e para determinar grupos terminais.
• No setor farmacêutico, para determinar a pureza e a quantidade de princípios ativos, excipientes e impurezas nos produtos farmacêuticos.
• No setor petrolífero, para avaliar hidrocarbonetos de petróleo bruto e seus produtos.
• Em medicina, o exame de imagem por ressonância magnética (RM) é uma aplicação da RMN usada para análise de tecidos moles para identificar tecidos lesionados ou doentes.

Princípios da espectroscopia por RMN

A rotação (spin) nuclear está relacionada à composição do núcleo de um elemento. Núcleos que contêm números pares de prótons e nêutrons têm spin nuclear 0 e não podem ser submetidos a RMN (p. ex., ⁴He,¹²C,¹⁶O). Núcleos com números ímpares de prótons e/ou nêutrons exibem spin nuclear e podem ser submetidos a NMR (p. ex., ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Esses núcleos se comportam como pequeninos ímãs rotativos e podem interagir com um campo magnético externo. Núcleos rotativos também criam seu próprio campo magnético que pode interagir com outros núcleos com spin.

Um instrumento de RMN mede a interação dos estados de rotação (spin) nuclear sob a influência de um campo magnético poderoso. O campo magnético faz com que os núcleos rotacionem (girem) como um pião. Um núcleo giratório absorve seletivamente a energia das ondas de radiofrequência quando a frequência dos núcleos giratórios corresponde à baixa frequência externa das ondas de radiofrequência que interagem com ele. Quando ocorre essa absorção, dizemos que o núcleo giratório e as ondas de radiofrequência estão em “ressonância”, por isso o termo ressonância magnética nuclear. A ressonância pode ser produzida ajustando-se a frequência dos núcleos à frequência fixa de ondas de rádio ou ajustando-se a frequência das ondas de rádio à dos núcleos.

Durante a RMN, um campo magnético aplicado excita os núcleos que têm diferentes momentos magnéticos em vários níveis de energia. Após absorver uma radiofrequência característica, os núcleos em estado de excitação retornam aos estados menos energéticos transferindo a energia ao ambiente circundante. Quando a energia é transferida a outros átomos ou ao solvente, o processo de relaxamento é denominado ”relaxamento de magnetização longitudinal (spin-lattice)”. Se a energia é transferida a núcleos adjacentes no mesmo nível de energia, o processo é denominado ”relaxamento spin-spin”. Esses dois processos de relaxamento são caracterizados por constantes de tempo: tempo de relaxamento de magnetização longitudinal (T₁) e tempo de relaxamento spin-spin (T₂), que são responsáveis pelo espectro de RMN resultante.

Características de um espectro de RMN

Um espectro de RMN é um gráfico da radiofrequência aplicada em relação à absorção. A posição no gráfico em que os núcleos absorvem é chamada de deslocamento químico. O deslocamento químico é afetado pela densidade dos elétrons ao redor do núcleo. Se a densidade de elétrons ao redor do núcleo é alta, o núcleo fica protegido contra o campo magnético externo, o que desloca os sinais para o campo superior no espectro da RMN. Se um núcleo estiver envolto em um átomo eletronegativo, ele remove a densidade de elétrons ao redor do núcleo e causa um efeito de “desblindagem”. Isso desloca o sinal para o “campo inferior” em um espectro de RMN. A rotação (spin) dos núcleos circundantes também afeta os sinais observados em um espectro de RMN e pode causar a divisão do sinal de RMN, conhecida como “acoplamento spin-spin”.