¡Descarga Espectroscòpia infraroja y más Apuntes en PDF de Biología solo en Docsity!
Espectroscòpia infraroja
Fonaments de l’espectroscòpia infraroja
L’espectroscòpia infraroja (Espectroscòpia IR) és la branca de l’espectroscòpia que treballa amb la part infraroja de l’espectre electromagnètic. S’utilitza com altres tècniques espectroscòpiques, o en combinació amb elles, per a identificar un compost o investigar la composició d’una mostra. Els fotons de la radiació infraroja no tenen energia suficient per a provocar transicions electròniques en els àtoms, però si poden aconseguir canvis en les vibracions dels enllaços covalents de les molècules orgàniques.
Totes les molècules vibren, fins i tot a les més baixes temperatures. L’energia associada a la vibració molecular està quantitzada, igual que les energies electròniques dels àtoms i les molècules. Per a vibrar amb una energia més gran, una molècula ha d’absorbir un fotó d’una longitud d’ona específica de la regió de l’IR.
La regió de l’infraroig de l’espectre correspon a longituds d’ona que van des de 8 x 10 -5^ cm a 8 x 10-2^ cm, o el que és el
mateix de 14.000 a 10 cm-1, si s’expressa en números d’ona. La porció infraroja de l’espectre electromagnètic es divideix en tres regions, el infraroig proper, el mitjà i el llunyà, així nomenats per la seva relació amb l’espectre visible. D’aquest tres, l’infraroig mitjà (aproximadament 4000-400 cm-1) és el que s’usa per estudiar les vibracions fonamentals i l’estructura rotacional/vibracional en l’espectroscòpia IR.
Modes fonamentals de vibració
Els àtoms no es troben estàtics dins d’una molècula sinó que estan en moviment constant uns respecte als altres, vibrant a freqüències constants entorn dels enllaços que els uneixen. L’espectroscòpia infraroja es basa en el fet que les molècules tenen freqüències concretes a les quals roten i vibren, és a dir, els moviments de rotació i vibració moleculars tenen nivells d’energia discrets (modes normals vibracionals).
Les freqüències ressonants o freqüències vibracionals són determinats bàsicament per la forma de les molècules, la força dels enllaços i les masses dels àtoms. Així, la freqüència de les vibracions pot ser associada amb un tipus particular d’enllaç.
En tot cas, perquè una forma vibracional en una molècula sigui activa a l’IR, ha d’estar associada amb canvis en el moment dipolar mentre vibra, de manera que molècules simètriques difícilment absorbiran radiació IR.
Si la molècula és homonuclear, com el N 2 i l’O 2 , no pot haver canvi en el seu moment dipolar (sempre serà zero) i no podran absorbir la radiació IR. Ara bé, si les molècules són diatòmiques però heteronuclears, com el CO o el NO, seran actives a l’IR, és a dir, absorbiran energia en aquesta regió ja que els seus moment dipolars canvien en canviar la longitud dels seus enllaços.
Les molècules diatòmiques simples tenen només un enllaç, que només es pot estirar i encongir. Les molècules més complexes poden tenir molts enllaços, i les diferents formes en les que vibren es poden combinar, portant a absorcions en l’infraroig a freqüències característiques que poden relacionar-se amb grups químics.
Per exemple, els àtoms en un grup CH2, que es troba en molts compostos orgànics poden vibrar de sis formes diferents, com són estiraments simètrics i asimètrics, flexions simètriques i asimètriques en el pla (scissoring i rocking, respectivament), i flexions simètriques i asimètriques fora del pla (wagging i Twisting, respectivament),
com es mostra en els dibuixos a continuació:
Absorcions característiques dels grups
funcionals
Com s’ha indicat, l’absorció de la radiació IR depèn sobretot de la naturalesa de l’enllaç i els àtoms involucrats, de manera que cada tipus d’enllaç absorbeix en una franja més o menys estreta de l’espectre, el que pot servir per caracteritzar els grups funcionals de la mostra. En tot cas, cada compost pur dona un espectre característic que el defineix. En la taula i el gràfic de sota es mostren les bandes associades a cada tipus d’enllaç:
Enllaç mínim nombre d’ona (cm-1)
nombre d’ona màxima (cm-1)
grup funcional
C – O 1000 1300 Alcohols i èsters N – H 1580 1650 Amina o amida C = C 1610 1680 Alquens C = O 1650 1760 Aldehids, cetones, àcids, èsters, amides O – H 2500 3300 Àcids carboxílics (banda molt ampla) C – H 2850 3000 Alcans C – H 3050 3150 Alquens O – H 3230 3550 H enllaçat en els alcohols N – H 3300 3500 Amina o amida O – H 3580 3670 OH lliure en alcohols (només en les mostres diluïdes amb solvent no polar)
Intervals d’absorció en l’IR de diferents tipus d’enllaç:
Un exemple d’un problema resolt
Com a subproducte en una síntesi s’ha obtingut una substància que, una vegada purificada i fet l’anàlisi elemental, dona una fórmula C4H8O i un espectre IR com el següent:
De quin compost es pot tractar, de la butanona, del propanal o del 3-buten-1-ol?
Solució:
Amb la mateixa fórmula molecular C4H8O tenim dos dels tres compostos isòmers pels que demana el problema:
CH3-CO-CH2-CH
CH2=CH-CH2-CH2-OH
Ja que el propanal té per fórmula C3H6O i no por ser.
L’espectre IR té un marcat pic a 1050 cm-1, un altre a 1650 cm-1 i una banda a 3200-3500 cm-1, que podríem correspondre als enllaços C-O dels alcohols, a C=C dels alquens i al O-H dels alcohols, respectivament, i no s’aprecia un pic significatiu entre 1650-1760 cm-1 corresponent a l’enllaç C=O de les cetones.
Podem concloure que estem davant el 3-buten-1-ol.
2-propanol (M+ = 60; CH3 – CHOH+ = 45)
Aquest altre espectre és el del 2-propanol (isòmer del 1-propanol) i és bastant diferent. Per una banda, no es veu el pic corresponent M+, ja que el ió molecular és molt inestable i es descomposa totalment abans de poder ser registrat.
Per altra banda, ara el fragment més estable correspon a CH3-CHOH+, ja que la fractura més probable en els alcohols és entre el carboni del OH i el contigu.
L’espetrometria de masses també serveix per identificar isòtops dels elements. Si s’analitza un element determinat l’espectre ens indicarà la massa dels isòtops de la mostra i la seva abundància relativa. Per exemple:
Espectre de masses del Cl2 (el pics corresponen a Cl+, 35 (75%) i 37 (25%), i a Cl2+, en les seves diverses
combinacions: 35 + 35 = 70, 35 + 37 = 72 i 37 + 37 = 74)
Aquest espectre s’ha obtingut de la pàgina del NIST, ja que a la base de dades de l’AIST no hi és, però hi ha altres eines específiques per obtenir espectres de masses del elements com per exemple les de l’empresa americana Scientific Instrument Service , que proporcionen instantàniament l’espectre només ficant el símbol de l’element.
Formació del ió molecular i la seva fragmentació
La ionització d’una molècula orgànica normalment requereix d’aproximadament de 10-15 eV, amb la qual cosa és factible obtenir el ió molecular. No obstant, en l’espectrometria de masses, les molècules se sotmeten a un bombardeig electrònic de 70 eV. D’aquesta manera un electró és remogut de la molècula formant un catió d’alta energia i a continuació eventualment el catió es fragmenta per a dissipar el seu excés d’energia.
Alguns compostos estabilitzen la càrrega per mitjà de la seva deslocalització aconseguint així que el ió molecular duri prou per a ser detectat. Altres ions moleculars tenen una durada relativament curta, de tal forma que algunes vegades no poden ser observats i en aquestes circumstàncies es detecta únicament els senyals de les espècies provinents de la fragmentació de l’ió molecular. Com a regla general l’electró es perdrà del lloc a la molècula que pugui ionitzar-se més fàcilment.
Així, els electrons d’àtoms com O, N, S, halògens, o d’una insaturació (dobles o triples enllaços) són més fàcils d’arrancar de la molècula i, per altra banda, els enllaços C – C es poden ionitzar amb major facilitat que els enllaços C
Si no es te prou coneixements de química orgànica és difícil preveure com es trencaran els ions moleculars, però es poden donar algunes normes que poden ajudar a resoldre problemes senzills:
- Els alcans de cadena lineal es trenquen amb més facilitat per l’enllaç C – C més proper a la meitat de la molècula, i després es tenen pèrdues successives d’unitats amb massa 14 (CH2).
Pentà
- En els hidrocarburs ramificats, la fragmentació tendeix a presentar-se al lloc de la ramificació.
2-metil butà
- En els hidrocarburs insaturats és més fàcil que la ruptura es produeixi en l’enllaç C – C que no sigui contigu al doble o triple enllaç.
dades de massa/càrrega respecte a l’abundància relativa de tots els fragments procedents de les molècules del compost estudiat, obtenim el seu Espectre de Masses.
Espectròmetre de masses associat a un cromatògraf de gasos
Els espectròmetres de masses són instruments que en general consten de:
- Un sistema d’introducció de mostra, que pot ser entre altres un cromatògraf de líquids o un cromatògraf de gasos.
- Una font de ionització, que és on es produeix la fragmentació molecular característica de cada compost, per aplicació d’una determinada energia.
- (^) Un analitzador que separa els fragments iònics generats en funció de la seva relació massa/càrrega. Aquesta separació es produeix per aplicació de diferents camps elèctrics i magnètics.
- Un detector que recull i caracteritza els fragments iònics que surten de l’analitzador.
A més tot el sistema es troba sotmès a alt buit (l0 -2^ a l0-3^ Pa.) per a evitar col·lisions entre els fragments iònics generats.
Diagrama d’un espectròmetre de masses
Funcionament d’un espectròmetre de masses:
Les mostres es volatilitzen escalfant al buit i després el vapor es deixa passar a la cambra de ionització. Moltes vegades acoblat a l’espectròmetre, com a la foto de dalt, i com a pas previ, hi ha un cromatògraf que separa els components de la mostra a analitzar.
A la cambra de ionització, la mostra se sotmet al bombardeig d’electrons amb una energia d’uns 70 eV. L’energia absorbida per les molècules produeix la ionització per pèrdua d’electrons dels orbitals moleculars. Els ions formats per l’extracció d’un electró de la molècula original es denominen ions moleculars o ions pares. Alguns dels ions moleculars es fragmenten en ions més petits i en fragments neutres. Es formaran tant ions positius com negatius, però només les espècies carregades positivament són les que interessen. Es fa ús d’un petit potencial positiu per a repel·lir els ions positius fora de la cambra de ionització.
A continuació, s’aplica un potencial positiu de 2000 V a una sèrie de plaques enfront de la cambra de ionització amb la finalitat d’accelerar els ions positius a través d’una sèrie d’escletxes cap a una zona en la que son sotmesos a un camp magnètic. La velocitat a la que surten els ions sol ser d’uns 100 Km/s.
En passar els ions entre les plaques de l’electroimant es desvien per efecte del camp magnètic, depenent de la seva relació massa/càrrega. Per exemple, el ió C 3 H 8 +^ es desvia en menor grau que el ió C 2 H 6 +^ , pel fet que té la massa més gran. Així el feix de ions inicial es divideix en feixos de ions cadascú amb una relació de massa/càrrega diferent.
Com a curiositat, normalment el radi de gir (R) és d’uns 35-50 cm i el tub analitzador és un sector esfèric d’aproximadament un metre de longitud.
Una mica de la física del moviment de les partícules carregades
Al dibuix de sota tenim un esquema simple d’un espectròmetre de masses que pretén explicar com es separen els ions positius. Mitjançant el cap elèctric Esón accelerats a la velocitat desitjada, ja que el camp elèctric actua amb una força que ve donada per l’expressió: Fe = q·E, que subministra una energia cinètica als ions W = q·U = m·v 2 /2, on U és el voltatge aplicat entre les plaques i v és la velocitat de sortida per l’escletxa dels ions amb massa m.
Moltes vegades en aquest tram es combina el cap elèctric amb un camp magnètic. Com veurem a continuació, el camp magnètic desvia els ions en funció de la seva massa i velocitat, de manera que combinat els dos camps és possible aconseguir que per l’escletxa passin només les partícules que tinguin una determinada velocitat, aquella que ve donada per la relació v = E/B.
Quan els ions entren entre les plaques de l’electroimant el camp magnètic aplicat, B, els desvia com a conseqüència de la força que exerceix sobre les partícules carregades, F (^) m = q·v·B , seguint trajectòries semicirculars.
Ara, aplicant l’equació de la dinàmica del moviment circular uniforme, F = m·v2/r, es troba el radi,r, de la trajectòria circular.
Si, F = m·v2/r = q·v·B = Fm i aïllem r
R = m·v/q·B
És a dir, per una velocitat dels ions i un camp magnètic determinat, i tenint en compte que els ions tenen una càrrega unitat positiva, el radi de curvatura depèn únicament de la massa.
Per últim, cada feix de ions es fa passar a través d’una escletxa a la zona del col·lector, i incideix sobre la placa del col·lector. Cada ió adquireix un electró de la placa amb el qual es neutralitza la càrrega positiva i produeix un corrent al circuit del col·lector, el qual s’amplifica i es registra en funció de la relació massa/càrrega. La grandària de cada pic correspon a la mesura del número relatiu de ions en cada feix.
Contribucions isotòpiques
Ja s’ha indicat que l’espectrometria de masses pot servir per identificar els diferents isòtops dels que està composat un element de manera natural (o artificial). De la mateixa manera que els elements tenen una mescla d’isòtops determinada, els seus compostos també la mantenen i, per tant, els compostos orgànics també es troben en forma de mescles isotòpiques.
La presència d’isòtops, en especial els de C, Cl, Br i S poden originar més d’un ió molecular, amb altures proporcionals a les seves abundàncies naturals.
C12 – 98.89%
C13 – 1.11%
Cl35 – 75.53%
Cl37 – 24.47%
Br79 – 50.52%
Br81 – 50.52%
S32 – 95.02%
S34 – 4.22%
Abundàncies naturals dels isòtops del C, Cl, Br i S(no es contemplen
els isòtops amb abundàncies per sota de l’1 %
L’abundància isotòpica, no només afecta el ió molecular, sinó a tots el fragments generats que continguin l’isòtop en qüestió. Per exemple, si un compost conté brom; el ió molecular tindrà els isòtops Br79 i Br81 casi en la mateixa proporció (abundància 50.52% i 49.48%, respectivament). Les contribucions isotòpiques es manifestaran en la presència de dos senyals per al ió molecular (i fragments que continguin brom) d’intensitat relativa d’1:1, aproximadament. D’aquesta mateixa manera, en el cas de tenir clor en compte de brom el mateix compost tindria també dos senyals a causa del Cl35 (75,53%) i del Cl37 (24.47%) separades per dos unitats, però les intensitats en aquest cas seran de 3: 1.
Pel que es pot concloure que la substància problema és l’1-propanol.
Espectroscòpia de ressonància
magnètica nuclear
Fonaments de l’espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear
de protó
La ressonància magnètica nuclear (RMN, o en anglès NMR, de Nuclear Magnetic Resonance) és un fenomen físic descrit originalment el 1946 per Felix Bloch i Edward Mills Purcell , que van guanyar el Premi Nobel de Física per aquest descobriment el 1952. La RMN es basa en la interacció entre nuclis atòmics sota la influència d’un camp magnètic extern i un camp electromagnètic d’una freqüència determinada (ones de ràdio).
Avui en dia la RMN s’utilitza rutinàriament en tècniques avançades d’obtenció d’imatges mèdiques, com en la Imatge per Ressonància Magnètica , i també com a eina espectroscòpica per obtenir dades físiques i químiques de compostos químics.
Així com els espectres d’infraroig subministren informació sobre la presència o absència de grups funcionals en les substàncies que s’analitzen, els espectres de ressonància magnètica nuclear de protó (també hi és la ressonància magnètica nuclear d’altres elements, especialment la de carboni, que nosaltres no estudiarem) ens informaran del número, la naturalesa i l’ambient que rodeja als hidrògens d’una molècula.
Orientació dels nuclis dels elements en els camps magnètics
Tots els nuclis dels elements tenen càrrega i massa (protons i neutrons) i els que posseeixen un número atòmic imparell o/i un número màssic imparell també tenen espín, de forma similar a l’espín dels electrons.
Nuclis amb spin: 11 H, 136 C, 147 N i 178 O. …
Nuclis sense spin: 126 C, 168 O. ….
Qualsevol nucli que tingui espín es pot estudiar per RMN, però, com hem dit, aquí ens limitem només al nucli d’^1 H (protó). La RMN de carboni també és molt interessant per trobar informació de l’estructura dels compostos de carboni que, com el seu nom indica, tenen sobre tot carboni i hidrogen, però a diferència de l’ 11 H que és l’isòtop més abundant de l’hidrogen, l’isòtop 13 C és molt poc abundant a la natura, el que implica que la RMN de 13 C te problemes de sensibilitat.
Un protó ( 1 H) té un número quàntic d’espín d’1/2 i pot considerar-se com un imant petitet. En absència d’un camp magnètic, tots els hidrògens estan orientats a l’atzar en totes les direccions. En presència d’un camp magnètic l’espín del protó adopta dues possibles orientacions, una en la direcció i sentit del camp extern, de menor energia, i una altra en sentit contrari al camp, de major energia. La diferència d’energia d’aquestes dues orientacions és proporcional a la intensitat del camp magnètic extern (B 0 )
Els electrons dels enllaços sotmesos a un camp magnètic extern giren constantment al voltant del protó en un pla perpendicular al del camp. Qualsevol càrrega elèctrica en moviment circular (accelerat) genera un camp magnètic que generalment s’oposa al camp extern. Si el camp que generen els electrons que rodegen al protó s’oposa a l’extern, l’apantallen, és a dir, els electrons protegeixen al nucli dels efectes del camp extern. Quan el camp que generen els electrons se suma al camp extern, es diu que els electrons desapantallen el nucli.
Els nuclis d’hidrogen estaran segons els seus voltants diferentment apantallats o desapantallats i, com resultat d’això, el protó estarà sotmès a un camp magnètic efectiu:
Befectiu = Bextern ± Belectró
La magnitud de l’apantallament depèn de la densitat electrònica al voltant del nucli d’hidrogen. Aquesta combinació entre el camp magnètic extern i el camp produït pels electrons fa que l’aparell no vegi tots els hidrògens iguals, ja que els diferents protons canvien d’orientació a diferent intensitat de camp depenent de com estiguin d’apantallats. Per exemple els protons del bromometil estaran mes apantallats que els del metanol perquè l’electronegativitat de l’oxigen és major que la del brom.
L’espectre de RMN d’un compost permet, per tant, conèixer la proporció relativa de les diferents classes de protons presents i els voltants de cada hidrogen, ja que les senyals apareixen en l’espectre en diferents posicions.
Les posicions de ressonància dels hidrògens es mesuren per comparació amb la posició del protons d’una substància de referència, normalment els 12 hidrògens equivalents del tetrametilsilà (TMS, (CH3)4Si). Els seus 12 protons ressonen donant un senyal únic i nítid a camps més alts que qualsevol altre compost orgànic, ja que el silici és més electropositiu que els àtoms dels compostos orgànics. El senyal de TMS no interfereix i apareix a l’extrem de l’espectre de major camp.
El desplaçament químic, δ, d’un nucli d’hidrogen determinat és la diferència de posició en l’espectre respecte als hidrògens patrons deguda a l’apantallament que pateix, i es calcula mesurant la diferència entre la freqüència a la què absorbeix l’hidrogen del que parlem i a la que absorbeixen els protons del patró TMS, dividint-la per la freqüència de referència del patró. Desprès tot es multiplica per 10^6 :
δ (ppm) = 10^6 ·(νmostra – νreferència)/νreferència
El resultat és adimensional i es dona en parts per milió (ppm). Al pic del TMS se li assigna un valor de δ = 0,000 ppm, i es defineix una escala fins a δ = 12 ppm.
D’aquesta manera el desplaçament químic d’un protó determinat és sempre el mateix en les mateixes condicions (dissolvent, temperatura, etc.), i no depèn de la freqüència de l’aparell utilitzat en la mesura.
A la taula anterior es presenten alguns marges aproximats de desplaçaments químics de protons situats en distints ambients químics.
Per exemple, els desplaçaments químics dels protons hidroxílics dels alcohols es troben generalment a l’ampla regió δ = 5,0 – 0,5, ja que la posició depèn dels ponts d’hidrogen segons la concentració de la mostra.
