INTRODUCCION A TECNICAS ESPECTROSCÓPICAS

TECNICAS ESPECTROSCOPICAS 1.FT-IR 2.UV-VIS 3.MASAS 4. RMN

E = h·ν = h·c/λ Espectroscopía: En general es el estudio de la interacción de la luz con la materia. 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.

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 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

ESPECTROSCOPIA UV-VIS

ESPECTROSCOPIA UV VIS Wave- Length Near or Quartz UV Visible N I R 100nm 200nm 380nm 780nm 50µm Wave- Length 30cm 2.5 µm 25 µm Near or Quartz UV Visible N I R Infra Red Far-IR to Microwave Vacuum UV Spectral Region Wave Number 4000 /cm 400 /cm 200 /cm

E = h·ν = h·c/λ UV-Visible Transiciones electrónicas entre los orbítales atómicos y moleculares

PRODUCE UN COMPUESTO CON ABSORCIÓN SELECTIVA CROMÓFOROS GRUPO COVALENTE INSATURADO RESPONSABLE DE LA ABSORCIÓN PRODUCE UN COMPUESTO CON ABSORCIÓN SELECTIVA ENTRE 180 A 1100 nm n-OCTANO NO ABSORBE OCTIL NITRITO ABSORCIÓN A 230 nm

AUXOCROMOS ORIGINAN DESVIACIONES BATOCRÓMICAS NO PRESENTAN ABSORCIÓN (ES UN GUPO SATURADO CON ELECTRONES NO ENLAZANTES QUE CUANDO ESTA ENLAZADO A UN CROMOFORO, ALTERA SU ENERGIA DE ABSORCION (max)) . ORIGINAN DESVIACIONES BATOCRÓMICAS NO PRESENTAN ABSORCIÓN HIDRÓXILO, AMINO, HALÓGENO, ALQUILO, ETC

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: Absorbancia = ε·l·c 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.

Electrones implicados Cromóforos simples en Espectroscopía UV: Electrones implicados Enlace transición λmax (nm) Electrones σ C-C, C-H σ-σ* 150 -O- n-σ* 185 -N- 195 Electrones n -S- C=O n-π* 290 190 Electrones π C=C π-π*

Cromóforo Sustancia lmax (nm) e   Etileno 170 nm 15800 C=C t-2-Hexeno 184 10000 Ciclohexeno 182 7600 1,3-Butadieno 214 20000 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 MAYOR (desp. Hacia el rojo) (SUSTITUCION O EFECTO DEL SOLVENTE) BATOCRÓMICO MENOR (desp. hacia el azul) (SUSTITUCION O EFECTO DEL SOLVENTE) HIPSOCRÓMICO EFECTO HIPERCRÓMICO MAYOR INTENSIDAD EFECTO HIPOCRÓMICO MENOR INTENSIDAD

REGLAS GENERALES 2 CROMOFOROS SEPARADOS POR 1 CARBONO ADICIÓN l LARGA ALTA INTENSIDAD 2 CROMOFÓROS CON CARBONOS ADYACENTES INTERMEDIO ENTRE 1 Y 2 2 CROMÓFOROS CON EL MISMO CARBONO

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

(Para polienos con mas de 4 dobles enlaces conjugados) REGLAS DE FIESER- KUHU. (Para polienos con mas de 4 dobles enlaces conjugados)

(COMPUESTOS CARBONÍLICOS REGLAS DE ABSORCION DE ENONAS Y DIENONAS (COMPUESTOS CARBONÍLICOS α-β INSATURADOS)

DETERMINACIÓN CUANTITATIVA C= CONCENTRACIÓN DEL PROBLEMA USANDO ABSORTIVIDAD C = A / a*b A = ABSORBANCIA a = absortibidad C= CONCENTRACIÓN DEL PROBLEMA b= ESPESOR DE LA CELDA

LEYES DE ABSORCIÓN DE LUZ 1.00 0.50 0.25 0.125 0.062 0.031 0.0155 %T 1 2 3 4 5 6 No. de Celdas

CURVA DE CALIBRACIÓN DE BENCENO 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 CURVA DE CALIBRACIÓN DE BENCENO X ABS. 0.21 0.1 0.2 0.3 0.4 CONC. g/L

3. ESPECTROMETRIA DE MASAS

ESPECTROMETRIA DE MASAS

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

La muestra se introduce al equipo de MS en forma de vapor Procedimiento: La muestra se introduce al equipo de MS en forma de vapor Los componentes de la muestra se ionizan lo que resulta en la formación de partículas cargadas positivamente. Los iones positivos se conducen hacia un campo eléctrico Se detectan los iones positivos Principio Mide la cantidad de iones y provee la información para calcular su abundancia Convierte la muestra gaseosa en iones Separa los iones en función del tamaño de sus masas

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.

m2+ Product Ion Scan m1+ set m2+ scan Product ion spectrum of a prticular compound m1+ set m2+ scan

INSTRUMENTACION 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 ) 100 < 10% H h

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 ionización (a P = 10-6 – 10-5 Torr) y es bombardeado por un flujo de 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: La altura relativa del ión molecular es mayor para moléculas lineales y va disminuyendo a medida que incrementa la cantidad de ramificaciones. 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) Mientras más sustituido se encuentre un átomo de Carbono, más fácil será romperlo en fragmentos. CH3+ < R’CH2+ < R2’CH+ < R3’C+ Dobles enlaces, ciclos y anillos aromáticos, generan fragmentos muy estables.

Los dobles enlaces favorecen el rompimiento alílico y generan carbocationes alílicos estabilizados por resonancia. Anillos saturados tienden a romperse en la porción alquílica. Anillos insaturados pueden experimentar retro Diels-Alder

Un compuesto aromático alquil sustituído generalmente se rompe en el enlace b al anillo dando como resultado el ión tropilio. Los compuestos con enlaces sencillos C – C unidos a un heteroátomo por lo general se rompen en el enlace con el heteroátomo. 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 p (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 NO 12C6 , 16O8 IMPAR SI 2H1, 10B5, 14N7 13C6, 17O8 1H1, 11B5, 15N7

INSTRUMENTACIÓN

  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.

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

ESPECTROS DE RMN

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 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 n 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.

1. EFECTO INDUCTIVO POR GRUPOS ELECTRONEGATIVOS ♦ El desplazamiento químico cambiará dependiendo de la densidad electrónica alrededor del protón. ♦A mayor electronegatividad mayor desplazamiento (menor protección)

♦Los efectos inductivos son acumulativos ♦Los efectos inductivos son acumulativos. Mas grupos electronegativos mas desprotección y por lo tanto mayor desplazamiento. ♦Estos efectos inductivos tienen una influencia através de la cadena.

2. Apantallamiento o protección magnética por los electrones. 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. 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 ♦ 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 electrones en movimiento y en consecuencia del tipo de grupos unidos al átomo de carbono que contiene H.

Se observan en un rango amplio de desplazamiento químico. 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

II. INTEGRACIÓN 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.

N = Número de protones vecinos III. MULTIPLICIDAD 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

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 Shift 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