ESPECTROSCOPIA INFRARROJA

INTRODUCCIÓN

Una de las tareas más importantes de la química orgánica es la determinación de las estructuras orgánicas. Cuando se obtiene un compuesto de interés de una fuente natural, debe determinarse por completo su estructura antes de que pueda comenzar una síntesis. Cuando se lleva a cabo una reacción, se debe determinar si el producto tiene la estructura deseada. Debe conocerse la estructura de un producto no deseado para que las condiciones de reacción puedan modificarse y favorezcan al producto deseado.

En muchos casos, un compuesto puede identificarse a través de medios químicos; sin embargo, estos procedimientos no son suficientes para los compuestos complejos que nunca han sido sintetizados y caracterizados, tampoco es práctico para los compuestos que son difíciles de obtener. Por lo cual se necesita técnicas analíticas que funcionen con muestras pequeñas y que no las destruyan.

Las técnicas espectroscópicas con frecuencia cumplen dichos requerimientos, dado que no son destructivas; es decir, no destruyen la muestra.

Existen cuatro principales técnicas espectroscópicas o relacionadas que sirven como herramientas para la determinación de la estructura en la química orgánica:

• La espectroscopia infrarroja (IR)
• La espectroscopia de resonancia magnética nuclear
• La espectroscopia de masas (EM)
• La espectroscopia ultravioleta (UV)

Estas técnicas son complementarias y brindan mejores resultados cuando se usan en conjunto.

En este trabajo se enfoca en las técnicas de espectroscopia infrarroja y por resonancia magnética nuclear, las cuales proporcionan evidencia de los grupos funcionales presentes.

ESPECTROSCOPIA INFRARROJA

La espectroscopia infrarroja es una técnica de análisis, la cual se debe a las vibraciones de los enlaces y proporciona evidencia de los grupos funcionales presentes.

La región infrarroja del espectro corresponde a las frecuencias que se encuentran justo por debajo de las frecuencias del visible, y por encima de las frecuencias más altas de microondas y de radar: longitudes de onda de aproximadamente 8x10-5 cm a 1x10-2 cm. Los espectrofotómetros infrarrojo comunes operan en medio de esta región, a longitudes de onda entre 2.5x10-4 cm y 25x10-4cm, que corresponde a energías de 4.6 a 46 KJ/mol. Los fotones infrarrojos no tienen la energía suficiente para ocasionar transiciones electrónicas, pero pueden ocasionar que los grupos de átomos vibren con respectos a los enlaces que los conectan. Al igual que las transiciones electrónicas, estas transiciones vibraciones corresponden a distintas energías, y las moléculas absorben la radiación infrarroja sólo a ciertas longitudes de onda y frecuencia.

Un espectro de infrarrojo es una gráfica de la energía absorbida por una molécula como una función de la frecuencia o de la longitud de onda de la luz. En la región infrarroja, las absorciones resultan por lo general a partir de los modos vibraciones de los enlaces en la molécula. Incluso con los compuestos sencillos, los espectros de infrarrojo contienen varias absorciones distintas, no sólo una absorción para cada enlace. También se observan las absorciones que resultan de las vibraciones de las flexiones, incluyendo las vibraciones de tijera y de torsión. En una vibración de la flexión, las longitudes de enlace permanecen constantes, pero los ángulos de enlace vibran alrededor de sus valores de equilibrio.

Es muy poco probable que los espectros IR de dos compuestos distintos (con excepción de los enantiómeros) muestren las mismas frecuencias para todas sus vibraciones complejas. Por esta razón, el espectro de infrarrojo provee una “huella digital” de una molécula. De hecho, a la región del espectro IR que contiene la mayor parte de estas vibraciones complejas se le llama región de la huella digital del espectro.

No todas las vibraciones moleculares absorben radiación infrarroja. Para comprender cuáles lo hacen y cuáles no, se debe considerar cómo interactúa el campo electromagnético con un enlace molecular. La clave para esta interacción se encuentra en la polaridad del enlace, medida como su momento dipolar. Un enlace con un momento dipolar puede visualizarse como una carga positiva y una carga negativa separada por un resorte. Si este enlace se coloca en un campo eléctrico, se estira o se comprime, dependiendo de la dirección del campo.

Uno de los componentes de una onda electromagnética es un campo eléctrico que se invierte con rapidez (E). Este campo estira y comprime de manera alternada un enlace polar. Cuando el campo eléctrico es en la misma dirección que el momento dipolar, el enlace se comprime y su momento dipolar disminuye. Cuando el campo es opuesto al momento dipolar, en enlace se estira y su momento dipolar aumenta. Si este estiramiento y compresión alternados del enlace ocurre a la frecuencia de la velocidad de vibración natural de la molécula, puede absorberse la energía. Las vibraciones de los enlaces con momentos dipolares por lo general resultan en absorciones IR y se dice que son activas al IR. Si un enlace es simétrico y tiene momento dipolar de cero, el campo eléctrico no interactúa con el enlace. Debido a que la vibración no produce algún cambio en el momento dipolar, no hay absorción de energía. Se dice que esta vibración es inactiva en el IR y que no produce absorción en el espectro IR. La clave para una vibración activa en el IR es que la vibración debe cambiar el momento dipolar de la molécula.

MEDICIÓN DEL ESPECTRO IR

Los espectros de infrarrojo pueden medirse usando muestras líquidas, sólidas o gaseosas que se colocan en el haz de luz infrarroja. Puede colocarse una gota de líquido como una película delgada entre dos placas de sal hechas de NaCl o KBr, las cuales son transparentes a las frecuencias más importantes de la luz infrarroja.

Un espectrofotómetro infrarrojo mide las frecuencias de la luz infrarroja absorbida por un compuesto. En un espectrofotómetro infrarrojo sencillo, se usan dos haces de luz. El haz de la muestra pasa a través de la celda de la muestra, mientras el haz de referencia pasa a través de una celda de referencia que sólo contiene el disolvente. Un espejo rotatorio permite de manera alternada que la luz de cada uno de los haces entre al monocromador.

El monocromador usa prismas o rejillas de difracción para permitir que sólo entre al detector una frecuencia de luz a la vez. Escanea el intervalo de frecuencias infrarrojas a medida que una pluma se mueve a lo largo de las frecuencias correspondientes en el eje x del papa cuadriculado, las frecuencias más altas aparecen a la izquierda del papel cuadriculado.

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Ilustración 1 Espectro IR del octano

ESPECTROSCOPIA INFRARROJA DE HIDROCARBUROS

Los enlaces más fuertes por lo general absorben a frecuencias más altas debido a su mayor rigidez. Las absorciones de los enlaces dobles C=C son útiles para la determinación de la estructura. La mayoría de los enlaces dobles sustituidos de manera no simétrica producen absorciones observables de los estiramientos en la región de 1600 a 1680 cm-1. Cuando dos enlaces dobles están separados por un enlace sencillo se dice que están conjugados, los enlaces dobles conjugados son ligeramente más estables que los enlaces dobles aislados debido a que hay una cantidad pequeña de enlazamiento pi entre ellos. Este traslape entre los enlaces pi deja una densidad electrónica un poco menor en los enlaces dobles.

Los enlaces triples carbono-carbono en los alquinos son más fuertes y rígidos que los enlaces sencillos o dobles carbono-carbono y absorben la luz infrarroja a frecuencias más altas. Los alquinos terminales por lo regular dan señales de estiramiento del triple enlace pronunciadas de intensidad moderada, Sin embargo, la absorción de estiramiento triple enlace de un alquino interno puede ser débil o estar ausente debido a la simetría del enlace triple disustituido con un momento dipolar muy pequeño o de cero.

ABSORCIONES CARACTERISTICAS DE ALCOHOLES Y AMINAS

Los enlaces O-H de los alcoholes y los enlaces N-H de las aminas son fuertes y rígidos. Las frecuencias de vibración de los enlaces O-H y N-H ocurren por tanto a frecuencias más altas que las de la mayoría de los enceles C-H. Los enlaces O-H de los alcoholes absorben en una gran variedad de frecuencia. Las moléculas de los alcoholes están involucradas en enlaces por puente de hidrógeno, con diferentes reordenamientos a cada instante. Las frecuencias del estiramiento O-H reflejan esta diversidad de reordenamientos por los enlaces por puente de hidrógeno, lo que resuelta en absorciones muy anchas.

Como los alcoholes, las aminas participan en el enlace por puente de hidrógeno que puede ampliar las absorciones del N-H. Sin embargo, con las aminas la absorción es un poco más débil y puede hacer una o más bandas sobrepuestas en la absorción del estiramiento N-H.

ABSORCIONES CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPUESTOS CARBONÍLICOS

 Debido a que tiene un miento dipolar grande, el enlace doble C=O produce absorciones infrarrojas intensas de estiramiento. Los grupos carbonilo absorben frecuencias dependiendo del grupo funcional específico y del resto de la molécula. Por esta razón, la espectroscopia infrarroja con frecuencia es el mejor método para detectar e identificar el tipo de grupo carbonilo en un compuesto infrarrojo.

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