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Elucidación estructural: Resolución deproblemas

Objetivos:

Composición:átomos presentesy su proporciónen la molécula, loque se traduceen la obtenciónde una formulamolecular.

Constitución:Unionesexistentes entrelos átomos, loque se traduceen ladeterminación delos gruposfuncionales ysubestructuraspresentes en lamisma

Configuración:disposiciónespacial de losátomos en lamolécula.

Conformación:disposición espacial dela molécula que surgedebido a la posibilidadde rotación o giro delos enlaces simples enla misma.

Composiciónelemental es55.8% de C;6.98% de H y37.2% de O ellonos llevaría a unaformula empírica:C4H6O2.Determinando elpeso molecularresulta ser 172,por lo que lafórmulamolecularresultará ser:C8H12O4

Su análisisfuncional nosdice que se tratade un ácidociclohexano-1,2-dicarboxílico(constitución)

Disposiciónrelativa de dichosgruposcarboxílicos en elciclo,encontrándonosque resultan sertrans-(configuración)

Determinar suconformación, es decirdeterminar si lamolécula se encuentracon ambos grupos enposicionesecuatorial,ecuatorial oaxial, axial cuando elanillo de ciclohexanose encuentra enconformación silla

Procedimiento:

De una manera general podemos indicar como objetivos sucesivos los siguientes:

1. Obtención de una fórmula molecular.2. Identidad de los grupos funcionales.3. Conectividades de los carbonos.4. Posicionamiento de los substituyentes y/o los grupos funcionales sobre el

esqueleto carbonado (Obtención de subestructuras).5. Determinación de las propiedades estereoquímicas (incluyendo tanto los

aspectos estáticos como dinámicos).6. Asignación de una estructura a la molécula.7. Comprobación de que las propiedades espectroscópicas observadas se

corresponden con las que debería tener la estructura propuesta.

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1) DETERMINACIÓN DE LA FÓRMULA MOLECULAR

Conocemos sólo el peso molecular.

• En primer lugar debemos saber si la sustancia a estudiar posee algúnoligoelemento distinto de C, H, O, N. en cuyo caso procederíamos a restar adicho peso la masa correspondiente a dichos elementos.Vamos a considerar, sin embargo, que la sustancia no posea ninguno detales oligoelementos :F, Cl, Br, I, S, P, etc.. o sabemos exactamente el número de ellos.

• En dicho caso utilizaremos una regla simple conocida como “regla del 13”,consistirá en dividir el peso molecular por 13 y de la observación de dichaoperación deduciremos una primera fórmula empírica asignable alhidrocarburo:

CcocienteHcociente + resto

Ejemplo: PM = 128 128/13 = 9; Resto = 11 C11H20

• A continuación debemos observar el valor del peso molecular, si dicho valores par podemos pensar se trata de un producto orgánico que o bien noposee Nitrógeno en su estructura o bien posee un número par de átomos delmismo.

• Procederemos a continuación a introducir en la fórmula anterior átomos deOxígeno y/o Nitrógeno de acuerdo con la siguiente premisa: “La introducciónde un átomo de Oxígeno implica retirar de la misma CH4, de igual forma laintroducción de un átomo de Nitrógeno implica retirar de la misma CH2”, asípara el caso considerado anteriormente tendríamos: Sin Nitrógeno: C11H20 +O – CH4 = C10H16O y sucesivamente C9H12O2; C8H8O3; … Con Nitrógeno: Alser par el peso molecular debe poseer un número par de ellos, por lo que:C11H20 + 2 N – 2 CH2 = C9H16N2, a continuación introduciendo Oxígenoobtendríamos: C9H16N2 + O – CH4 = C8H12N2O y así sucesivamenteC7H8N2O2, …

La cuestión de cual de esas fórmulas empíricas es la fórmula molecular debemoshacerlo con ayuda de técnicas espectroscópicas como IR, UV, 1H-RMN ó 13C-RMN.

Conocemos la distribución isotópica del pico molecular por EM

Si el compuesto sólo posee C, H, N, O, F, P y I. La fórmula molecular puedeestimarse a partir de las intensidades relativas de los picos de masas M+1 y M+2respecto de M, cumpliéndose:

% (M+1)/M = 1.1 nº C + 0.36 nº N

% (M+2)/M = (1.1 nº C)2/200 + 0.20 nº O

Con ambas expresiones podemos calcular la fórmula molecular.

• La limitación viene dada por el hecho de que debemos saber el número deoligoelementos presentes y que elementos como Cl, Br, S, Si, etc.. no sonmonoisotópicos y desvirtuarían las intensidades de ambos picos, por lo queimpiden aplicar las fórmulas anteriores.

• Es necesario observar así mismo la paridad del pico molecular para poderestimar la presencia o ausencia de nitrógeno.

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2) DETERMINACION DEL INDICE O NÚMERO DE INSATURACIONES.

Dicho parámetro nos va a dar una idea bastante aproximada del tipo de productoque estudiamos. Partimos para ello de la fórmula molecular.Para calcular dicho parámetro utilizaremos la expresión:

N.I. = {(2 .nº C – nº H + nº N)/2} + 1

• Como podemos observar en la expresión no interviene el número de átomosde oxígeno, ni otros oligoelementos.

• Si en la fórmula aparece S no se considera aunque el número deinstauraciones puede desvirtuarse: puede haber más instauraciones peroestas estarán sobre el átomo de azufre.

• Si hay halógenos se consideraran equivalentes a átomos de hidrogeno• Si hay P (fósforo) se considerará equivalente a Nitrógeno pero debemos

hacer la misma consideración que para el azufre.• Si hubiera Si, se considera equivalente al Carbono.• No se consideran otros oligoelementos

Ejemplos: Una fórmula molecular de C12H14O4 dará

N.I. = (12.2-14)/2 + 1 = 6

Una fórmula molecular de C7H5NO3 dará

N.I. = (7.2-5 + 1)/2 + 1 = 6

Una vez obtenido el número de instauraciones debemos tener en cuenta lassiguientes consideraciones:

• Un ciclo equivale a una instauración.• Un anillo bencénico o heterociclo aromático hexagonal equivale a 4

insaturaciones: (tres dobles enlaces más un ciclo).• Un heterociclo aromático pentagonal equivale a tres instauraciones: (dos

dobles enlaces más ciclo).• Un triple enlace equivale a dos instauraciones.• Un doble enlace equivale a una instauración.

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3) IDENTIFICACION DE LOS GRUPOS FUNCIONALES

Una vez determinado el número de instauraciones debemos buscar a continuaciónlos grupos funcionales presentes en nuestra molécula. Para ello las posibilidades aconsiderar son muy diversas pero en la mayoría de los casos es suficiente conobservar los espectros de UV e IR, principalmente este último.

• Los hidrocarburos aromáticos y sus derivados En el IR suelen presentaruna distribución característica del tipo de sustitución en la zona de 1600-2000 cm-1 que suele ser difícil de ver debido a su baja intensidad. En torno alos 700 cm-1 también suelen dar algunas absorciones características.

• Los grupos carbonilo de aldehidos y cetonas absorven en el IRaproximadamente a 1700 cm-1). Algunas veces podemos asegurarnos deltipo de carbonilo observando el espectro de C-13: mientras que aldehídos ycetonas resuenan en torno a 190-210 ppm, los ácidos y sus derivados lohacen en torno a 170 ppm.

• Los grupos hidroxilo (OH) suelen aparecer en el IR en torno a los 3300cm-1 como una banda ancha e intensa, en el caso de los ácidos carboxílicosdicha banda baja su frecuencia situándose en torno a los 3000 cm-1

englobando la zona de los CH, además la absorción del carbonilo suele sermás ancha de lo habitual.

• Los grupos amino (NH y NH2) en el caso de alifáticos suele aparecer deuna forma similar a los OH comentados con anterioridad en el caso deproductos aromáticos y en el de las amidas (R-CONH2), suelen aparecercomo dos picos distinguibles para el caso de los primarios (NH2) y como unabanda aguda para los secundarios (-NH-). Los aminoácidos suelen darespectros de IR poco resueltos y con bandas muy anchas.

4) IDENTIFICACION DE SUBESTRUCTURAS Y CONECTIVIDADES EN LAMOLECULA.

Una vez determinado el número de instauraciones y los grupos funcionalespresentes en nuestra molécula el camino a recorrer se asemeja a la resolución deun rompecabezas, cada persona suele tener o adquirir su propia técnica. Pero nopor ello podemos dejar de dar una serie de sugerencias:

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RMN de C-13 RMN de protones Espectro de MasasSe observa en primerlugar el espectro de RMNde C-13 y en élprincipalmente tresfactores:

• El número total deCarbonos diferentesexistentes.

• Su desplazamientoquímico ( ).

• La existencia desubespectros (DEPT,“off resonance”, APT,etc..)

A continuación en elespectro de RMN deprotones tres son losparámetros a destacar:

• El desplazamientoquímico de las señales

).• Las integrales

relativas.• La multiplicidad de las

señales.

Del espectro de masas nosinteresan en particular:

• Intensidades de lospicos y relación m/e delos picos mas intensos

• Diferencias de masasentre dichos picos.

• La posible existenciade picos metaestables.

De ellos podemos deduciralgunas característicasreseñables como:

• Del recuento delnúmero total decarbonos podemosdeducir la simetría dela molécula o en sucaso las relaciones deequivalencia entrealgunos grupos.

• Dividiéndolo en zonaspodemos obtenersubestructuras:De 160-210 ppm:Grupos carbonilo (CO)De 100-160 ppm:Carbonos sp2

(etilénicos yaromáticos)De 0-100 ppm:Carbonos sp3

(alifáticos)• A su vez dependiendo

del desplazamientoquímico podemosdeducir donde seencuentran ancladoslos grupos funcionales.

• Del “off resonance” olas intensidadesrelativas podemosdeducir posibles tiposde sustitución enanillos,subestructuras,

De ellos podemos deduciralgunas característicasreseñables como:

• Del desplazamientoquímico se deduceprincipalmente elentorno y tipo de losdiferentes tipos dehidrógenos.

• De las integrales laequivalencia químicade los diferentesgrupos así comoimportantesconsecuencias sobre lasimetría de lamolécula.

• De la multiplicidad delas señales se van aobtenerprincipalmenteinformación sobre laconectividad,relaciones espaciales,subestructuras,estereoquímica, etc..

De ellos podemosdeducir algunascaracterísticasreseñables como:

• Las intensidades nosvan a indicar laexistenciadeterminadasagrupaciones osubestructuras muycaracterísticas, porejemplo los picos demasa 91 (bencilo), 43(acetilo), 31(metoxilo), etc...

• Las diferencias demasas deben de serlógicas desde el puntode vista químico y dealguna manera nosindican las secuenciasy/o conectividadesexistentes en lamolécula

• La existencia de picosmetaestables estáasociada a lasecuencia defragmentación de lamolécula y nos indicanigualmenteconectividades en ella.

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5) IDENTIFICACION DE LA ESTRUCTURA.

Una vez determinado todo lo anterior lo que nos resta es proponer una o variasposibles estructuras isómeras de la molécula y decidir cual de ellas se ajusta más atodos los datos espectroscópicos que poseemos.Para ello volveremos a repasar con cada una de ellas todos y cada uno de los datosespectroscópicos, normalmente en sentido inverso al utilizado para la elección,eligiendo aquella que más se ajuste a ellos. Suele ser de mucha utilidad para ello lautilización de Tablas para la elucidación estructural como las que se recogen en lamayoría de los manuales de problemas de elucidación estructural.2

6) JUSTIFICACIÓN TEORICA DE LOS DATOS ESPECTROSCÓPICOS DE LAMOLÉCULA.

Una vez asignada podríamos pasar a justificar todos los datos espectroscópicos deacuerdo con los manuales existentes para cada una de las técnicas. Y si es posibleasignar configuraciones o conformaciones a la molécula.

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Ejemplo 1.:

1) Empezaremos por encontrar la formula molecular, pues no la tenemos. Delespectro de masas obtenemos un pico molecular de relación m/e 72. Aplicaremos laregla del 13, obteniendo:

8

72/13 = 5 Resto = 7 => C5H12 -> + O – CH4 = C4H8O -> + O – CH4= C3H4O2 -> …

2) Número de instauraciones.

Para ello deberíamos elegir una de las fórmulas moleculares, se puede hacer de unamanera general con la primera de ellas C5H12

NI = 2.5-12/ 2 + 1 = 0, siendo para las siguientes C4H8O NI = 1, C3H4O2 NI = 2, …

O bien determinar la verdadera fórmula molecular que podemos elegir viendo queen el espectro UV hay una absorción y por lo tanto debe existir un cromóforo (o loque es lo mismo un doble enlace = 1 insaturación al menos);

en el espectro IR en el que se observa un grupo carbonilo (C=O) (al menos unainstauración y un átomo de Oxígeno) o en el espectro de RMN de C-13 en el que seobserva la existencia de al menos 4 átomos de Carbono diferentes

por lo que la formula sería:

C4H8O NI = 1

3) Grupos funcionales presentes.

En el espectro de IR se observa la existencia de un grupo carbonilo (C=O). Para verde que tipo es debemos tener en cuenta que al presentar una absorción a max =

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280 nm (A = 0.7; = 1 cm; c = 33.3/72.0.01 moles /litro) => = 15) debetratarse de un aldehído o una cetona. Observando el espectro de RMN de C-13vemos una señal a 210 ppm que sale como singulete en el “off resonance”indicando que se trata de una cetona.

4) Subestructuras y conectividades.

En el espectro de 13C-RMN aparecen 4 señales diferentes a aproximadamente:

210 (CO), 36 (CH2), 29 (CH3) y 8 ppm (CH3)

(la multiplicidad indicada se obtiene del “off resonante”)

NOTA: En este caso al ser una molécula tan simple se podría asignar ya unaestructura definitiva e inequívoca:

BUTANONA: CH3CH2COCH3

Pero esto no es lo normal, por lo que seguiremos el protocolo normal.

En el espectro de 1H-RMN observamos

tres grupos de señales a :

2.5 (cuadruplete, 2H)2.1 (singulete, 3H)1.1 (triplete, 3H)

(el número de Hidrógenos se obtiene asignando a la altura total de la integral elvalor de 8 Hidrógenos) De ello podemos deducir:

El grupo CH2 a 2.5 ppm al salir como cuadruplete implica que se encuentra vecino aun CH3, dicho metilo debe, a su vez, salir como un triplete. La señal del metilo a2.1ppm debe encontrarse vecina a un carbono cuaternario (sin Hidrógeno), en estecaso el C=O.En el espectro de masas observamos 4 picos a m/e:

72 (M+),57 (M-15),

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43 (M-29)29 (M-43)

que en vista de la estructura CH3CH2COCH3 podemos asignar respectivamente alos iones:

57 (CH3CH2CO)+ ,43 (CH3CO)+ ,29 (CH3CH2)+

que corresponderían a las roturas de los enlaces del carbono carbonílico de acuerdocon la tercera regla de la fragmentación simple.

4) En vista de todas las pruebas anteriores se asigna al producto la estructura:

BUTANONA: CH3CH2COCH3

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Ejemplo 2.:

1) Empezaremos por encontrar la formula molecular en el espectro de masas:

tenemos un pico molecular de relación m/e 122 (35.3, 100%) y nos dan lasintensidades de los picos M+1 (3.12, 8.84%) y M+2 (0.23, 0.65%), de dichasintensidades podemos deducir la fórmula molecular suponiendo que por ser M parla molécula no contiene átomos de Nitrógeno:

8.84 = 1.1 . nº C => nº C = 8

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0.65 = 8.842/200 + 0.20 nºO => nº O = (0.65-0.39)/0.20 = 1.3

luego la fórmula molecular será:

C8HxO, donde X = 122-(12·8)-16 = 10; => C8H10O

Si lo hubiésemos hecho por la regla del 13 hubieramos obtenido:

C9H14 => C8H10O => C7H6O2 …

2) Número de instauraciones.

NI = (8.2-10)/2 + 1 = 4 insaturaciones

3) Grupos funcionales presentes.

Considerando dicho NI y la fórmula molecular podríamos pensar que se trata de unproducto aromático, al no tener el espectro de UV no lo podemos saber a cienciacierta. Observando el espectro de IR

vemos que sí es aromático pues presenta una serie de pequeñas absorciones entre1600-2000 cm-1, además de una fuerte absorción a 1601.9 cm-1 de los doblesenlaces. Podría tratarse de un producto aromático monosustituido debido a lapresencia de las bandas a 753.2 y 691.8 cm-1.

Para determinar el tipo de función oxigenada existente en la molécula deberíamosobservar el espectro de RMN de C-13, pero no lo tenemos por lo que debemoshacerlo con el espectro de RMN protónica, aunque la única posibilidad es que setrate de un éter, pues no hay más insaturaciones que las debidas al anilloaromático y no se trata de un alcohol.

4) Subestructuras y conectividades.En el espectro de 1H-RMN observamos

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dos señales en la zona de los protones aromáticos que integran por 5 H: una a 7.4ppm (triplete, 2H) y otra a 7.0 (multiplete, 3H), una señal a 4.1 ppm (cuadruplete,2H) y otra a 1.5 ppm (triplete, 3H). El grupo CH2 a 4.1 ppm al tener dichodesplazamiento nos indica que está oxigenado y al salir como cuadruplete implicaque se encuentra vecino a un CH3, dicho metilo debe, a su vez, salir como untriplete (señal a 1.5 ppm). Las señales de los Hidrógenos aromáticos algoapantalladas respecto a la referencia del benceno ( = 7.3 ppm) nos indica laexistencia como sustituyente en dicho anillo de un grupo electrón-donante (caso deléter), por lo que la estructura debe ser:

ETIL-FENIL ETER: C6H5-OCH2CH3

En el espectro de masas observamos sólo 2 picos a m/e:

122 (M+),94 (M-28),

el pico a 94 al ser un pico de masa par procedente de la fragmentación de unmolécula de masa par debe corresponder a la perdida de una molécula neutra demasa 28, que debería ser etileno, por lo que dicho ión se formaría a través de unaTransposición de McLafferty:

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Ejemplo 3.:

1) Empezaremos por encontrar la formula molecular en el espectro de masas:

Al darnos la masa exacta es como si nos diesen la formula molecular pues laespectrometría de masas de alta resolución permite distinguir entre las distintasfórmulas isomericas.Así en este caso dicha masa corresponde a una fórmulamolecular de C5H8O.

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También si no tenemos una tabla de masas isotópicas1 podemos hacerlo mediantela regla del 13, como en casos anteriores obteniendo como posibles fórmulas:

C6H12 —› C5H8O —› C4H4O2 …

2) Número de instauraciones.

NI = (5.2-8)/2 + 1 = 2 insaturaciones

3) Grupos funcionales presentes.Considerando dicho NI y la fórmula molecular y al tener el espectro de UV unaabsorción a 209 nm indicaría que existe conjugación en la molécula; pero comoademas aparece una absorción a 328 nm debe tratarse de una cetona o aldehidoinsaturado. Dicha suposición se confirma en el IR

en el que podemos observar un pico intenso de grupo carbonilo a 1700 cm-1 y otromás débil a 1610 cm-1. Al observar el espectro de RMN de C-13 advertimos unaseñal a 191 ppm (CH alsalir como duplete) que corresponde a un aldehido

Luego se trata de un aldehido -insaturado.

4) Subestructuras y conectividades.En el espectro de C-13 se observan además del pico correspondiente al aldehído a191 ppm otras cuatro señales a:

160 (CH), 130 (CH), 25 (CH2) y 10 ppm (CH3)

por lo que la molécula no posee ninguna simetría (El número de carbonos coincidecon el de la fórmula molecular). Los carbonos etilénicos son dos CH, lo que indicaque tendremos:

-CH=CH-CHO

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Como no hay más instauraciones que esas dos de la estructura la estructura tieneque ser:

CH3CH2-CH=CH-CH=O

2-PENTENAL

5) Justificación de la estructura.

En el espectro de 1H-RMN observamos la confirmación de dicha estructura:

el protón aldehídico a 9.25 (d, 1H), nos indica que se encuentra vecino a un CH,siendo la 3JH1-H2 7 Hz; las siguientes señales a 6.70(doble triplete, 1H) y 5.82(doble doble multiplete, 1 H) corresponden a los protones vinílicos H-3 y H-2respectivamente, siendo la 3JH3-H2 14.7 Hz y la 3JH3-H4 7 Hz, se observa ademásque existe acoplamiento entre 3JH2-H4 1.5 Hz; la señal a 2.1 ppm (multiplete, 2H)corresponde al grupo metileno y debería presentar una multiplicidad de doblecuadruplete o quintuplete por estar entre un CH3 y un CH, pero además debe existirel acoplamiento arílico con H-2 por lo que aparecerá como ddc o dq; finalmente laseñal a 0.80 (triplete, 3H) corresponde al metilo terminal y saldrá como triplete porestar vecino a un grupo metileno.

En el espectro de masas observamos como más significativos los picos a m/e:

84 (M+), 83 (M-1), 55 (M-29)

el pico a 83 debe corresponder al ion acilo procedente de la perdida del protónaldehídico, y el pico a 55 puede proceder bien de la perdida de CO del pico anterior,bien de la perdida del radical etilo en el ión molecular.

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Tabla de Absorción de IR

Grupo Funcional AbsorciónCaracterística(cm-1) Notas

Alquil C-H Stretch 2950 - 2850 (m or s)El enlace C-H de los alcanos esmuy frecuente y se usa poco paradeterminar la estructura.

Alquenil C-HStretch

Alquenil C=CStretch

3100 - 3010 (m)1680 - 1620 (v)

Un pico de absorción cerca de3000 cm-1 es frecuentementeproducido por una insaturación

Alquinil C-HStretch

Alquinil C=CStretch

~3300 (s)2260 - 2100 (v)

Aromático C-HStretch

Aromático C-HBending

Aromático C=CBending

~3030 (v)860 - 680 (s)

1700 - 1500 (m,m)

Alcohol/Fenol O-HStretch

3550 - 3200 (broad,s)

Ácido carboxílicoO-H Stretch

3000 - 2500 (broad,v)

Amina N-H Stretch 3500 - 3300 (m)

Las aminas primarias producendos picos de absorción, lassecundarias uno y las terciarasninguno.

Nitrilo C=N Stretch 2260 - 2220 (m)

Aldehido C=OStretch

Cetona C=O StretchEster C=O StretchÁcido Carboxílico

C=O StretchAmida C=O Stretch

1740 - 1690 (s)1750 - 1680 (s)1750 - 1735 (s)1780 - 1710 (s)1690 - 1630 (s)

El pico de absorción de loscarnonilos es de los más fuerteabsorción en el infrarrojo, y esmuy usado en la determinaciónestructural. Puede emplearse paraconocer el número de gruposcarbonilo y estimar su tipo.

Amida N-H Stretch 3700 - 3500 (m)

Como las aminas, una amidaproduce de cero a dos picos deabsorción N-H dependiendo deltipo.

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1H-RMN. Desplazamientos químicos característicos deprotones para distintos grupos funcionales

Función Tipo de protóndesplazamientoquímico (ppm)

Alcanosciclopropano 0.2

0.9

acíclico 1.3cíclico 1.5

1.5-2.0

Alquenos 4.6-5.91.8

Alquinos 2-3

Aromáticos Ar-H 6-8.5Ar-CH3 2.3

Haluros de alquilo -CH2-X (X= I,Cl, Br) 3.2-3.5Alcoholes C-O-H 1-5

H-C-OH 3.4-4Fenoles Ar-OH 4-4.7

Éteres-CH2-O- 3.3-4

Aldehídos-CHO 9-10

H-C-CO 2-2.7

Ácidos carboxílicos-COOH 10.5-13

Aminas alifáticasR-NH2 1-3

Aminas aromáticasAr-NH2 3-5

AmidasRCONHR 5-9

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13C RMN. Desplazamientos químicos característicos de carbonoDesplazamientos químicosrelativos al TMS (ppm)

220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 -20

H3C-C- primario

H3C-S-

H3C-N

H3C-O-

-H2C-C secundario

Ciclopropanos

-H2C-S-

-H2C-N

-H2C-O-

-H2C-HalF Cl Br I

>CH-C- terciario

>CH-S-

>CH-N

>CH-HalF Cl Br I

C-C cuaternario

C-S-

C-N

C-O-

C-HalBr I

Alquinos

C=C=C Alenos

C=C Alquenos

Aromáticos

Heterociclos aromáticos

-S-CN

-N=C=S Isotiocianatos

-O-CN

-N=C=O

-CN

-NC

>C=N- Azometinos

(-CO)2O Anhidridos

-COOR

-CONHR

-(CO)2NR Imidas

-COOH

-COCl

-CHO

>C=O