Históricamente, ¿cómo se estableció la conexión entre los picos de RMN y los átomos de hidrógeno?

Question

Gran parte de la base de esta pregunta puede deberse a que el estudiante no prestó atención en la sección de historia del curso de RMN (y tampoco durante la parte de los detalles técnicos) pero, no obstante, la pregunta me parece intrigante.

Mi conocimiento básico de la historia de la espectroscopia de RMN es que en los días muy antiguos, casi prehistóricos, Bloch y Purcell realizaron algunos experimentos que aplicaban radiofrecuencia a una muestra y por casualidad obtenían alguna señal de radiofrecuencia devuelta. Luego tengo una gran caja negra y llego a los espectrómetros modernos que se sintonizan con espectros de hidrógeno, espectros de carbono y veo hermosos espectros transformados de Fourier en la pantalla de mi PC (a menos que se trate de carbono, en cuyo caso la línea de base es, por supuesto, borrosa).

Imagino que tuvo que haber mucha investigación hasta que se comprendió que cada señal del espectro transformado de Fourier corresponde a un átomo de hidrógeno, que se desplazan en función de lo ricos o pobres en electrones que sean, cómo funcionan los acoplamientos, etc. Me imagino que la mayor parte de esto fue fruto de la prueba y el error: una determinada combinación de campo magnético y radiofrecuencia da una señal, la transformación de Fourier parece ocurrir en cualquier lugar, y una vez que se ha racionalizado que las "señales" corresponden a los "hidrógenos" en un determinado tipo de espectro (probablemente el que dio más resonancia de todos modos) se tiene medio hecho y el resto es un paseo por el parque.

Pero hay un paso que parece muy poco intuitivo:
Comprender que las "señales" corresponden a los hidrógenos.

Hay otro paso importante, a saber, averiguar que los solutos pueden ser analizados si están libres de hidrógeno ( $\ce{CCl4}$ ) o al menos se utilizan disolventes libres de protio (deuterados). Ahora bien, o bien se descubrió primero que el hidrógeno es la causa de las señales, en cuyo caso la elección de los disolventes correctos no es un problema, pero la captación de las señales del soluto puede serlo. O bien se descubrió que el uso de determinados disolventes daba espectros más "limpios", en cuyo caso también sería interesante saber cómo se eligieron los disolventes.

Soy consciente de que puede haber una buena dosis de especulación, de retroalimentación, de uso inflacionario del término por casualidad, anecdótica, la narración de historias y los malos recuerdos involucrados, pero ¿se sabe cómo los descubridores de la espectroscopia de RMN se dieron cuenta de que una "señal" es un átomo de hidrógeno en la molécula observada?

Answer 1

TL;DR : Los científicos sabían que los electrones tenían un espín, y pensaron: " ¿No sería bueno que los núcleos atómicos también lo hicieran? ?" Cuando hicieron pasar hidrógeno molecular por un campo magnético homogéneo (en una versión modificada del Experimento de Stern-Gerlach ) y lo sometieron a ondas de radio, descubrieron que la energía era absorbida en frecuencias precisas. Esto sentó las bases para la utilidad de $^1\ce{H}$ RMN en un futuro lejano.

Tomado de Breve historia de la resonancia magnética nuclear :

A mediados de la década de 1920 se hizo evidente que muchas características de los espectros atómicos sólo podían explicarse si ciertos núcleos atómicos poseían igualmente un espín y un momento magnético. Los perfeccionamientos del experimento de Stern-Gerlach verificaron este concepto en 1933.

En 1939 Rabi et al. realizó una importante mejora en las técnicas de los haces al enviar un flujo de moléculas de hidrógeno no sólo a través del campo magnético no homogéneo necesario para la desviación, sino también a través de un campo magnético homogéneo, donde fueron sometidas a energía electromagnética de radiofrecuencia. Las moléculas absorbían energía a una frecuencia muy definida y la absorción provocaba una desviación pequeña pero medible del haz. Esta fue la primera observación de la RMN, y Rabi recibió el Premio Nobel en 1944. Sin embargo, estos estudios se limitaban a los núcleos de las moléculas pequeñas bajo un vacío muy alto en un haz molecular, cuya desviación servía para detectar la resonancia.

Answer 2

El experimento de RMN es un ejemplo clásico de resultados experimentales que apoyan la predicción teórica. Los primeros informes de las señales de RMN de la materia a granel (agua o parafina) se comunicaron con seguridad como señales de la $\ce{^1H}$ núcleo porque eso era lo que se esperaba de la predicción teórica.

Cuando Bloch, Hansen y Packard llevaron a cabo su experimento de inducción nuclear publicado en 1946 ( Phys. Rev. 1946, 70, 474 ), sabían que la señal que observaban procedía del $\ce{^1H}$ núcleo debido a la ecuación básica para la observación del fenómeno de RMN (ecuación de Larmor):

$$\omega = \gamma B_0$$

Es decir, la condición de resonancia se cumplirá cuando se aplique a la materia un campo magnético oscilante superpuesto (lo que llamamos excitación Rf) en un campo magnético $B_0$ para un núcleo con relación giromagnética $\gamma$ .

$\gamma$ la relación entre el momento magnético nuclear y el momento angular, es característica de un tipo particular de núcleo, y las mediciones por Stern y Rabi había proporcionado valores bastante precisos para $\ce{^1H}$ en el momento en que Bloch realizó su experimento. Sin embargo, hay que señalar que la homogeneidad del campo era tan escasa en los experimentos iniciales que el error en la frecuencia observada (en realidad, el campo magnético) seguía creando dudas de que $\gamma$ era constante para un núcleo determinado. Las mejoras en la estabilidad y homogeneidad del campo demostraron finalmente que esto era cierto. La observación del desplazamiento químico algunos años más tarde condujo a la noción de $B_\mathrm{eff}$ un campo magnético efectivo atenuado por el apantallamiento local.

Hay que tener en cuenta que hubo otros intentos de observar la Resonancia Magnética Nuclear antes de Bloch y Purcell, y que se hicieron sobre otros núcleos. Gorter aunque sin éxito y poco conocido, hizo un intento de observar $\ce{^7Li}$ señales a temperaturas muy bajas. Rabi observó por primera vez la Resonancia Magnética Nuclear en $\ce{LiCl}$ .

Por supuesto, si profundizamos y recordamos que toda gran ciencia se apoya en los hombros de quienes la han precedido, esta comprensión de las frecuencias de resonancia y los campos magnéticos proviene de la famosa ecuación de Larmor, publicada en 1897, mucho antes de que naciera la noción de RMN e incluso cuando aún se estaba perfeccionando la estructura del átomo. La relación, sin embargo, es válida para cualquier partícula cargada con momento angular, y originalmente $\gamma$ se conocía como la constante de Larmor, una medida de la relación carga:masa de las partículas. Sabiendo esto, entonces, una vez que la $\gamma$ para $\ce{^1H}$ se había calculado, los científicos podían asumir con seguridad que en un campo magnético determinado, la señal observada cuando la materia era irradiada con el campo Rf correcto era realmente $\ce{^1H}$ .

Y, por supuesto, la RMN de FT, tal y como se utiliza hoy en día, también llegó tarde a la mesa; se introdujo comercialmente en la década de 1960. Antes de esto, los espectrómetros de onda continua funcionaban y la RMN era en gran medida una técnica de absorbancia en lugar de la técnica de detección de emisiones que es predominantemente ahora.

Answer 3

La RMN refleja la diferencia de niveles de energía al absorber una longitud de onda que precesa cerca de la frecuencia de Larmor (interacción Zeeman). Hay que recordar que la RMN también obedece a reglas de exclusión como cualquier otro método espectroscópico, es decir que sólo se observan ciertos cambios de energía del espín de los núcleos, en la RMN +1 y -1, que a veces llamamos coherencias cuánticas simples. Ahora bien, con respecto a por qué ciertos disolventes, por ejemplo los deuterados, son invisibles a la RMN, no es porque sea un ensayo y error, es porque el fundamento de la RMN se basa también en espines de 1/2 como el 1H que obedece a las reglas de exclusión de la RMN, otros núcleos como el 2H o el protón deuterado no tienen espín de 1/2. Esto nos llevó a aprovechar inmediatamente esta bonita propiedad y a realizar una gran variedad de experimentos para analizar una gran variedad de muestras. En la RMN, a diferencia de cualquier otra espectroscopia, el observador es el espín del núcleo y no el experimentalista, como suele ocurrir con la espectroscopia IR o UV.