INTRODUCCION A TECNICAS ESPECTROSCÓPICAS

INTRODUCCION A TECNICAS

ESPECTROSCÓPICAS

TECNICAS ESPECTROSCOPICAS

1.FT-IR

2.UV-VIS

3.MASAS

4. RMN

E = h·ν = h·c/λ

RADIACION EFECTO

Rayos X y cósmicos

Ionizaciones de las moléculas

UV-Visible Transiciones electrónicas entre los orbítales atómicos y moleculares

Infrarrojo Deformación de los enlaces químicos Microondas Rotaciones de los enlaces químicos

Radiofrecuencias Transiciones de spín electrónico o nuclear en los átomos de la molécula.

Espectroscopía:

En general es el estudio de la interacción de la luz con la materia.

1. ESPECTROSCOPIA FT-IR

Espectroscopía Infrarroja:

Issac Newton (1642-1727).

Frederic William Herschell (1800).

Medición de la absorción de la luz infrarroja por una muestra.

Aplicaciones de la Espectroscopía Infrarroja 1. Análisis cualitativo.

Identificación de compuestos químicos Elucidación de estructuras moleculares intermoleculares y cristalinas

Investigación de interacciones moleculares 2. Análisis cuantitativo.

Mezclas de isómeros.

Superficies de materiales Polímeros

3. Química, física, materiales, biología,biotecnología, ciencias ambientales, bioquímica.

4. Muestras en estado sólido, líquido ó gaseoso.

MODOS DE VIBRACIÓN DE LOS ENLACES

Identificación de grupos funcionales

De 4000 a 2900 cm^-1 : Tensión de C-H, O-H y N-H

De 2500 a 2000 cm^-1 : Tensión de triples enlaces y dobles enlaces acumulados.

De 2000 a 1500 cm^-1 : Tensión de C=O, C=N y C=C.

De 1500 a 600 cm^-1 : Zona de la huella dactilar (Flexión de enlaces CH,CO,CN,CC, etc..)

ESPECTROSCOPIA UV-VIS

ESPECTROSCOPIA UV VIS

Wave- Lengt h

Spectral Region

Wave Number

100nm 200nm 380nm 780nm

50µm 30cm

Vacuum UV

Near or Quartz UV

VViissiiblble Ne I R

Infra Red

Far-IR to Microwave

2.5 µm

25 µm

4000 /cm

400 /cm

200 /cm

E = h·ν = h·c/λ

UV-Visible Transiciones electrónicas entre los orbítales atómicos y moleculares

CROMÓFOROS

PRODUCE UN COMPUESTO CON ABSORCIÓN SELECTIVA ENTRE 180 A 1100 nm

n-OCTANO NO ABSORBE

OCTIL NITRITO ABSORCIÓN A 230 nm

GRUPO COVALENTE INSATURADO RESPONSABLE DE LA ABSORCIÓN

AUXOCROMOS

• ORIGINAN DESVIACIONES BATOCRÓMICAS

• NO PRESENTAN ABSORCIÓN

• HIDRÓXILO, AMINO, HALÓGENO, ALQUILO, ETC

(ES UN GUPO SATURADO CON ELECTRONES NO ENLAZANTES QUE CUANDO ESTA ENLAZADO A UN CROMOFORO, ALTERA SU ENERGIA DE ABSORCION (max)) .

ABSORCIÓN SELECTIVA

VIOLETA _VERDE

ROJO

Para caracterizar dichas absorciones además de la longitud de onda máxima para cada absorción debemos recordar la ley de Lambert-Beer, según la cual:

Dependiendo del tipo de enlace que consideremos como

cromóforo la excitación electrónica que puede observarse es:

Donde:

ε = Coeficiente de extinción molar, es una constante relacionada con el área de incidencia del cromóforo y la probabilidad de que produzca la absorción.

l = recorrido en cm de la radiación a través de la muestra.

c = concentración de la muestra en moles/litro.

Absorbancia = ε·l·c

E S P E C T R O S C O P I A U V V I S

H

 . .

C = O

 ¨ H 

H

 . .

C = O

 ¨ H 

T I P O S D E E L E C T R O N E S T I P O S D E E L E C T R O N E S

 

Cromóforos simples en Espectroscopía UV:

Electrones

implicados Enlace transición λ_max (nm) Electrones

σ C-C, C-H σ-σ* 150

-O- n-σ* 185

-N- n-σ* 195

Electrones

n -S- n-σ* 195

C=O n-π* 290

C=O n-σ* 190

Electrones

π C=C π-π* 190

Cromóforo Sustancia max (nm) 

Etileno 170 nm 15800

C=C t-2-Hexeno 184 10000

Ciclohexeno 182 7600

1,3-Butadieno 214 20000

C=C 1-Octino 185

222 2000

126

C=O Acetaldehído 277

290 8 (H₂O) 16 (Hexano)

Acetona 279 15

Ácido acético 204 60

C=NOH Acetoxima 190 5000

NO₂ Nitrometano 271 19

S=O

Ciclohexil metil

sulfóxido

210 1500

DESVIACIONES ESPECTRALES

BATOCRÓMICO  MAYOR (desp. Hacia el rojo)

(SUSTITUCION O EFECTO DEL SOLVENTE)

HIPSOCRÓMICO MENOR (desp. hacia el azul) (SUSTITUCION O EFECTO DEL

SOLVENTE)

EFECTO HIPERCRÓMICO MAYOR INTENSIDAD

EFECTO HIPOCRÓMICO MENOR INTENSIDAD

REGLAS GENERALES REGLAS GENERALES

2 CROMOFOROS SEPARADOS POR 1 CARBONO ADICIÓN

2 CROMOFÓROS CON CARBONOS ADYACENTES  LARGA

ALTA INTENSIDAD

2 CROMÓFOROS CON EL MISMO CARBONO INTERMEDIO

ENTRE 1 Y 2

SISTEMA CONJUGADO

CH2(CH = CH)n COOH n MAX E

ACETICO 0 197 60

CROTONICO 1 208 12, 500

SORBICO 2 261 25, 600

2, 4, 6, OCTATRIENOICO 3 303 36, 500

2, 4, 6,8, DECATETRAENOICO 4 332 50, 000

ABSORCION CARACTERISTICA DE COMPUESTOS ORGANICOS

1.Compuestos que contienen solamente electrones .

2.Compuestos saturados que contienen electrones n.

3.Compuestos que contienen cromóforos con electrones .

3.1 Cromóforo Etilénico 3.2 Cromóforo Alquino

3.3 Cromóforo Carbonílico.

a)Cetonas saturadas y aldehídos.

b)-Dicetonas y -ceto aldehídos.

c)-Dicetonas.

d) Cetonas y aldehídos --insaturados.

e) Acidos Carboxílicos.

f) Esteres y Lactonas.

g) Amidas y Lactamas.

4. Azometinos (Iminas) y Oximas 5. Nitrilos y Azo Compuestos.

6. Compuestos con Elaces N ú O.

(Nitro, notroso, nitrato y nitrito)

7. Grupos con enlaces múltiples con Azufre 8. Cromóforo Benceno.

a) sustitución para.

b) sustitución orto y meta.

9. Compuestos Heteroaromáticos.

Anillos de cinco miembros.

Anillos de seis miembros.

REGLAS DE FIESER

Reglas de Absorción de dienos

REGLAS DE FIESER- KUHU.

(Para polienos con mas de 4 dobles enlaces conjugados)

REGLAS DE ABSORCION DE ENONAS Y DIENONAS (COMPUESTOS CARBONÍLICOS

α-β INSATURADOS)

DETERMINACIÓN CUANTITATIVA

USANDO ABSORTIVIDAD

C = A / a*b

A = ABSORBANCIA

C= CONCENTRACIÓN DEL PROBLEMA

a = absortibidad

b= ESPESOR DE LA CELDA

1 2 3 4 5 6

1.00 0.50 0.25 0.125 0.062 0.031 0.0155

%T

No. de Celdas

LEYES DE ABSORCIÓN DE LUZ

X

0.21

0.1 0.2 0.3 0.4 CONC. g/L 1.0

0.8

0.6

0.4

0.2 ABS.

CURVA DE CALIBRACIÓN

DE

BENCENO CURVA DE CALIBRACIÓN

DE

BENCENO

225.0 300 400 500 600 700 800 850.0 0.001

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.137

NM A

ANALISIS CUANTITATIVO CAFEÍNA

3. ESPECTROMETRIA DE MASAS

Espectrometría de Masas (MS) es una técnica analítica que permite elucidar la estructura química de una molécula orgánica observando su patrón de fragmentación

MS consiste en ionizar un compuesto químico para generar moléculas cargadas o fragmentos de ellas para medir la relación masa-carga

(m/z)

1. Producir iones a partir de las moléculas a investigar.

2. Separar estos iones de acuerdo con la relación masa- carga.

3. Medir las abundancias relativas de cada ión.

Procedimiento:

Procedimiento:

1.La muestra se introduce al equipo de MS en forma de vapor1.La muestra se introduce al equipo de MS en forma de vapor

2.2. Los componentes de la muestra se ionizan lo que resulta en la Los componentes de la muestra se ionizan lo que resulta en la formación de partículas cargadas positivamente.

formación de partículas cargadas positivamente.

3.Los iones positivos se conducen hacia un campo eléctrico3.Los iones positivos se conducen hacia un campo eléctrico 4.4.Se detectan los iones positivosSe detectan los iones positivos

Principio Principio

Convierte la muestra Convierte la muestra gaseosa en iones

gaseosa en iones Separa los iones en Separa los iones en función del tamaño de función del tamaño de sus masas

sus masas

Mide la cantidad de Mide la cantidad de iones y provee la iones y provee la información para información para

calcular su abundancia calcular su abundancia

Terminología

Ion

Molecular

El ion obtenido por la pérdida de un electrón de una molécula.

Pico Base El pico más intenso en el MS, asignado como 100%

intensidad.

M⁺ Símbolo del ión molecular.

Radical

catiónico Especies cargadas con un número impar de electrones.

Fragmento de iones

Cationes menores formados por la descomposicón del ión molecular.Estos corresponden a carbocationes más

estables.

Product Ion Scan Product Ion Scan

m₁⁺

m₂⁺

m2⁺

m₂⁺

Product ion spectrum of a prticular compound

m₁⁺ set

m₂⁺ scan

Un requisito importante en MS es que el equipo y el analista tengan la habilidad para precisar el peso molecular de un compuesto desconocido

Los picos deben estar bien definidos y separados

La altura del valle entre dos picos adyacentes no debe ser superior al 10% de la altura total del pico más grande.

h

H ( h/H ) 100 < 10%

INSTRUMENTACION

Manejo de la muestra

• La muestra entra en forma de vapor y la cámara de ionización debe encontrarse al vacío.

• Los líquidos se introducen con una jeringa hipodérmica a través de un puerto de inyección.

• DIP (Direct Inlet Probe) La inyección directa permite el análisis de las muestras que poseen baja volatilidad y deficiente estabilidad térmica.

Cámaras de ionización y aceleración

• El flujo de gas que contiene la muestra entra a la cámara de El flujo de gas que contiene la muestra entra a la cámara de ionización (a P = 10

ionización (a P = 10^-6-6 – 10 – 10^-5-5 Torr) y es bombardeado por un flujo de Torr) y es bombardeado por un flujo de electrones proveniente de un filamento caliente.

electrones proveniente de un filamento caliente.

Tubo analizador

• El tubo analizador se encuentra al vacío de 10^-7 – 10^-8 Torr y a través de el pasa el haz de iones desde la fuente de ionización hasta el colector.

Colector de iones

• Se compone de rejillas que orientan un solo tipo de iones y que luego son detectados y amplificados por un multiplicador de electrones.

El espectro de Masas

Por lo general un espectro de MS se obtiene aplicando una energía de 70 eV. Con este valor de energía el evento mas simple que puede ocurrir es la remoción de un solo electrón de la molécula en la fase vapor.

Ión molecular = M⁺

Isótopos – Se presentan en compuestos analizados por MS en la misma abundancia a la que se encuentran en la naturaleza.

Un ejemplo de la contribución isotópica puede ser el análisis del bromuro de metilo.

PICO CORRESPONDIENTE AL IÓN MOLECULAR

El pico correspondiente al ión molecular puede mostrarse como una señal muy débil o incluso no aparecer

Puede ser útil:

• “La regla del Nitrógeno”:

Masa molecular par = número par o ausencia de átomos de Nitrógeno, con fragmentos impares en su mayoría.

Masa molecular impar indica número impar de átomos de Nitrógeno con fragmentos de masa par en su mayoría.

• Esta regla puede ser útil para moléculas que contienen: C, H, O, N, S, X, e incluso: B, P, Si, As y metales alcalinos.

La intensidad del ión molecular depende de la estabilidad de dicho ión Fragmentos que pueden mostrar intensidad alta:

Compuestos aromáticos > alquenos conjugados > compuestos cíclicos > sulfuros orgánicos > alcanos > mercaptanos

Grupos funcionales que pueden reconocerse fácilmente:

Cetonas > aminas > ésteres > ácidos carboxílicos = aldehídos = amidas = haluros.

El ión molecular con frecuencia no puede detectarse para:

Alcoholes alifáticos, nitritos, nitratos, nitro compuestos, nitrilos y en compuestos altamente ramificados

Fragmentos característicos:

M – 15 = Pérdida de un grupo CH₃ M – 18 = Pérdida de H₂O

M – 31 = Pérdida de OCH₃ en metil ésteres

M – 1 y M – 2 = Pérdida de H₂ (frecuente en algunas moléculas termolábiles

La posibilidad de romper un enlace covalente en particular está relacionada a la fuerza del enlace

Reglas para predecir la intensidad y tipo de fragmentos:

1.La altura relativa del ión molecular es mayor para moléculas lineales y va disminuyendo a medida que incrementa la cantidad de ramificaciones.

2.En una serie homóloga de compuestos, la altura del ión molecular por lo general disminuye a medida que se incrementa el PM. Ejemplo:

ésteres de ácidos grasos (observar espectro de MS)

3.Mientras más sustituido se encuentre un átomo de Carbono, más fácil será romperlo en fragmentos.

CH₃⁺ < R’CH₂⁺ < R₂’CH⁺ < R₃’C⁺

4.Dobles enlaces, ciclos y anillos aromáticos, generan fragmentos muy estables.

5. Los dobles enlaces favorecen el rompimiento alílico y generan carbocationes alílicos estabilizados por resonancia.

6. Anillos saturados tienden a romperse en la porción alquílica.

Anillos insaturados pueden experimentar retro Diels-Alder

7. Un compuesto aromático alquil sustituído generalmente se rompe en el enlace  al anillo dando como resultado el ión tropilio.

8. Los compuestos con enlaces sencillos C – C unidos a un heteroátomo por lo general se rompen en el enlace con el heteroátomo.

9. El rompimiento de una molécula generalmente se asocia con la

eliminación de moléculas más pequeñas pero estables, tales como:

CO, H₂O, NH₃, H₂S, HCN, etc.

Reacomodos

Estos fragmentos no se originan por el rompimiento simple de las moléculas sino como resultado de reacomodos intramoleculares durante la fragmentación.

Ejemplo:

REACOMODO DE Mc LAFFERTY que involucra la migración de átomos de Hidrógeno en moléculas que contienen heteroátomos unidos a un sistema

 (un doble enlace C=C o un carbonilo C=O)

ESPECTROSCOPÍA DE RMN

“ Bajo condiciones adecuadas y en presencia de un campo magnético, una muestra puede absorber radiación electromagnética en una región y a una radiofrecuencia denominadas por las características propias de la muestra”

Nº MÁSICO Nº

ATÓMICO SEÑAL RMN EJEMPLOS

PAR PAR NO ¹²C₆ , ¹⁶O₈

PAR IMPAR SI ²H₁, ¹⁰B₅, ¹⁴N₇

IMPAR PAR SI ¹³C₆, ¹⁷O₈

IMPAR IMPAR SI ¹H₁, ¹¹B₅, ¹⁵N₇

El espectrómetro de resonancia magnética nuclear

1. Un imán estable, con un controlador que produce un campo magnético preciso.

2. Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias precisas.

3. Un detector para medir la absorción de energía de radiofrecuencia de la muestra.

4. Una computadora y un registrador para realizar las gráficas que constituyen el espectro de RMN.

Un espectro FT-RMN puede registrarse en 2 segundos utilizando menos de 5 mg de muestra.

1953 Se fabricó el primer RMN de manera comercial de:

60 MHz = 1.41 T 80 MHz = 1.87 T 90 MHz = 2.20 T 100 MHz = 2.35 T

Actualmente, los instrumentos más utilizados tienen capacidad de 200 a 500 MHz

Aunque existen con capacidad de 800 a 1000 MHz

La muestra se introduce en solución de disolventes deuterados (sin protones, inerte, no polar, ejemplo: CCl₄, CDCl₃, CD₃OD, CD₃COCD₃, C₆D₆, etc.)

La muestra se coloca en tubos de 5 mm de diámetro que entra al probe

Se requieren de 5 a 20 mg de muestra en aproximadamente 0.5 mL de disolvente

Un espectro de RMN es una gráfica de la intensidad de señal en función de la frecuencia de la energía electromagnética que liberan los diversos núcleos de una muestra.

I. DESPLAZAMIENTO QUIMICO

Un método más exacto para expresar desplazamientos químicos es determinar el valor respecto a un compuesto de referencia que se añade a la muestra. La diferencia en la intensidad del campo magnético necesario para la resonancia de los protones de la muestra y de los protones de referencia se puede medir, ahora sí, con mucha exactitud.

Referencia más utilizada: TMS = Tetrametilsilano

Químicamente inerte, simétrico, volátil, soluble en la mayoría de los solventes orgánicos y genera una sola y delgada señal que absorbe a un campo más alto al resto de los compuestos orgánicos.

660 600 540 480 420 360 300 240 180 120 60 0

11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

 Hertz ppm

Posiciones relativas en RMN:

Campo bajo ó desprotegido. Campo alto ó protegido.

Las diferentes posiciones de estas señales en el espectro, son denominadas: desplazamiento químico.

Desplazamiento químico típico para protones influenciados por un solo grupo

Desplazamiento de ¹H

FACTORES QUE AFECTAN AL DESPLAZAMIENTO QUIMICO (δ) EN RMN PROTÓNICA

1. El efecto inductivo por grupos electronegativos.

2. Apantallamiento ó protección magnética por los electrones.

3. La existencia de enlaces de hidrógeno.

♦ El desplazamiento químico cambiará dependiendo de la densidad electrónica alrededor del protón.

♦A mayor electronegatividad mayor desplazamiento (menor protección)

Compound,

CH3X CH₃F CH3OH CH3Cl CH3Br CH3I CH₄ (CH3)₄Si

X F O Cl Br I H Si

Electronegativity

of X 4.0 3.5 3.1 2.8 2.5 2.1 1.8 Chemical shift, 

/ ppm 4.26 3.4 3.05 2.68 2.16 0.23 0

1. EFECTO INDUCTIVO POR GRUPOS ELECTRONEGATIVOS

Compound CH4 CH3Cl CH2Cl2 CHCl3

 / ppm 0.23 3.05 5.30 7.27

♦Los efectos inductivos son acumulativos. Mas grupos electronegativos mas desprotección y por lo tanto mayor desplazamiento.

H signal -CH2-CH₂-CH₂Br

 / ppm 1.25 1.69 3.30

♦Estos efectos inductivos tienen una influencia através de la cadena.

Los electrones alrededor del protón crean un campo magnético que se opone al campo aplicado. Esto reduce el campo experimentado por los núcleos. Se dice que el núcleo está protegido o apantallado.

2. Apantallamiento o protección magnética por los electrones.

Los protones se hallan dentro de entornos electrónicos diferentes y, por tanto, se encuentran diferentemente protegidos o apantallados.

Por ejemplo, en el metanol.

♦ Los electrones en sistemas p (ej. Aromáticos, alquenos, carbonilos etc.) interactúan con el campo aplicado los cuales inducen un campo magnético no uniforme

Los protones experimentarán tres campos:

El campo aplicado, el campo originado por los electrones de valencia y el campo debido al sistema.

El grado de apantallamiento depende la densidad de los El grado de apantallamiento depende la densidad de los electrones en movimiento y en consecuencia del tipo de grupos electrones en movimiento y en consecuencia del tipo de grupos unidos al átomo de carbono que contiene H.

unidos al átomo de carbono que contiene H.

3. Enlaces de Hidrógeno

Protones de -OH o –NH

Se observan en un rango amplio de desplazamiento químico.

Entre mas puentes de hidrógeno existan, mas protones hay desprotegidos y el desplazamiento químico será mayor.

Sin embargo, la cantidad de enlaces de hidrógeno es suceptible a factores como: solvatación, acidez, concentración y temperatura, esto puede ser difícil de predecir.

Experimentalmente los protones de -OH and –NH pueden identificarse empleando D2O como intercambio de H.

R-OH + D2O <=> R-OD + HOD

La intensidad relativa de una señal en la espectroscopia de RMN protón es proporcional al número de protones que contribuyen a la señal. La curva superpuesta a las señales del espectro, que se puede observar en la figura, es llamada curva de integración.

-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2

15.0 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0.0 -2.5 -5.0

300 MHz ¹H NMR

In CDCl3

ALL RIGHTS RESERVED© Sigma-Aldrich Co.

C H₃

Br C

H₃ CH₃

II. INTEGRACIÓN

La MULTIPLICIDAD de las señales se determina por el número de protones vecinos de acuerdo a la fórmula:

N + 1

N = Número de protones vecinos

La INTENSIDAD de las señales dependen también de N:

• En dobletes la relación de intensidad es 1:1

• En tripletes la relación de intensidad es 1:2:1

• En cuadrupletes la relación de intensidad es 1:3:3:1

III. MULTIPLICIDAD

Las áreas relativas del multiplete N+1 vienen dadas por el llamado triángulo de Pascal:

CONSTANTES DE ACOPLAMIENTO.

Las distancias entre picos de los multipletes proporciona información estructural. A la distancia entre los picos de un multiplete (medida en Herzios) se le llama constante de acoplamiento entre los protones magnéticamente acoplados. Se simboliza como Jab donde Ha y Hb son los protones que acoplan entre sí.

La siguiente tabla muestra algunos valores típicos de constantes de acoplamiento:

Como se observa en la tabla anterior, las constantes de acoplamiento ayudan a distinguir entre los posibles isómeros de un compuesto.

Como se obseva, el isómero E presenta mayor constante de acoplamiento entre Ha y Hb que el isómero Z.

Existen muchos experimentos de conectividad, los más comunes son:

COSY – Correlated Spectroscopy, Homonuclear Correlated Spectroscopy Espectro en 2-D de conectividad ¹H – ¹H

APT – Attached Proton Test

DEPT – Distortionless Enhancement by Polarization Transfer

Conectividad ¹H – ¹³C

Permite identificar y diferenciar entre CH₃, CH₂ y CH.

Carbonos cuaternarios no aparecen en DEPT

CH₃ y CH aparecen como líneas delgadas “hacia arriba” y CH₂ como una línea “hacia abajo”.

El experimento depende de una modulación de la amplitud de la señal en dos periodos de tiempo de evaluación iguales.

HETCOR – Heteronuclear Chemical Shif

Correlaciona las señales de un espectro de ¹H con las de uno de ¹³C

El espectro de ¹H se coloca en el eje vertical y el de ¹³C de forma desacoplada en el horizontal.

INADEQUATE – Incredible Natural Abundance Double Quantum Transfer Experiment

Conectividad ¹³C – ¹³C

Este experimento detecta conectividades entre dos átomos ¹³C – ¹³C adyacentes. Cada conectividad se muestra como un par de dobletes en el eje horizontal