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Asignatura: Química orgánica, Profesor: , Carrera: Grado en Bioquímica, Universidad: UMA
Tipo: Apuntes
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Fundamentos de QuÌmica Org·nica 175
TEMA 9: Determinación de estructuras mediante métodos físicos. I.
c
Otra forma de describir la frecuencia de la radiaciÛn electromagnÈtica es el n˙mero de onda, muy utilizado en la espectroscopia de infrarrojo. Esta unidad se refiere al n˙mero de ondas que hay en 1 cm:
-^1
Las ondas electromagnÈticas viajan como fotones que son paquetes de energÌa sin masa. La energÌa de un fotÛn es directamente proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda. Su energÌa viene dada por la siguiente expresiÛn:
Bajo ciertas condiciones cuando una molÈcula colisiona con un fotÛn puede absorber la energÌa de Èste, produciÈndose un aumento de la energÌa de la molÈcula en una cantidad igual a la energÌa del fotÛn. El espectro electromagnÈtico es el rango de todas las frecuencias posibles y va desde las frecuencias de radio m·s bajas, hasta las altÌsimas frecuencias de los rayos gamma. La siguiente figura muestra las
Fundamentos de QuÌmica Org·nica 177
2. Fundamentos de la espectroscopia infrarroja: regiones del IR y modos fundamentales de vibración. La regiÛn del infrarrojo del espectro corresponde a frecuencias que van desde 8 x 10 -5^ cm a 8 x 10 -2^ cm. Los aparatos de Infrarrojo trabajan a la mitad de esta regiÛn que corresponde a energÌas que van desde 1.1 hasta 11 kcal/mol. Los fotones que transporta la radiaciÛn infrarroja no tienen energÌa suficiente para provocar transiciones electrÛnicas pero si pueden conseguir vibraciones de los enlaces covalentes de las molÈculas org·nicas. La energÌa necesaria para provocar una transiciÛn vibracional depende del tipo de ·tomos y del tipo de enlace que los mantiene unidos. Los ·tomos no se encuentran est·ticos dentro de una molÈcula sino que est·n en movimiento constante unos respecto a otros, vibrando en torno a los enlaces que los unen a frecuencias constantes. A medida que los ·tomos se acercan unos a otros las fuerzas de repulsiÛn aumentan y conforme se separan las interacciones de atracciÛn disminuyen. Este movimiento de alargamiento y compresiÛn alternantes ( tensión ) se parece al de dos esferas sujetas por un muelle.
modo de vibración de tensión
Cuando dos ·tomos de masa atÛmica diferente est·n unidos por un enlace, el ·tomo ligero se aleja m·s que el de mayor masa. La absorciÛn de energÌa infrarroja da por resultado un aumento en la frecuencia de vibraciÛn. Si la molÈcula es biatÛmica, tal y como se muestra en la figura anterior (HCl), sÛlo existe un modo vibracional de tensiÛn pero si la molÈcula est· constituida por m·s de dos ·tomos puede haber dos modos vibracionales de tensiÛn, si se tiene en cuenta las posiciones relativas de dos ·tomos unidos a un tercero. Por ejemplo, en el grupo metileno (-CH 2 -) del propano (CH 3 CH 2 CH 3 ) los dos enlaces C-H del metileno pueden alargarse o contraerse de manera simÈtrica o no simÈtrica: Tensión simétrica. Este modo de vibraciÛn tiene lugar cuando los dos enlaces C-H del metileno central del propano se contraen o se alargan simult·neamente, (ver figura). Tensión asimétrica : Esta forma de vibraciÛn ocurre cuando uno de los dos enlaces C-H del metileno central del propano se contrae mientras que el otro se alarga, (ver figura).
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modo de vibración de tensión:
simétrico asimétrico
Adem·s del estiramiento y comprensiÛn del enlace hay otros modos vibracionales como el que provoca un cambio en el ·ngulo de enlace ( flexión ). Esta flexiÛn del enlace modifica las posiciones relativas de dos ·tomos unidos a un tercero. Por ejemplo, en el grupo metileno (-CH 2 -) del propano (CH 3 CH 2 CH 3 ) los dos ·tomos de hidrÛgeno se acercan y se alejan uno de otro, provocando una disminuciÛn o un aumento del ·ngulo de enlace H-C-H del grupo metileno. Seg˙n sea el movimiento de dos ·tomos respecto a un tercero siempre que haya cambio del ·ngulo de enlace pueden existir hasta cuatro modos vibracionales de flexiÛn:
Si la flexiÛn tiene lugar manteniendo los tres ·tomos implicados en un mismo plano: Flexión simétrica en el plano (“ scissors ”): En este modo de vibraciÛn el ·ngulo de enlace aumenta y disminuye porque los dos ·tomos de los extremos se acercan o se alejan entre ellos. Este acercamiento-alejamiento se da en el mismo plano formado por los tres ·tomos. Este tipo de movimiento se asemeja la de las tijeras cuando se abren y se cierran.
Flexión asimétrica en el plano (“ rock ”): En esta vibraciÛn el ·ngulo de enlace aumenta y disminuye porque el ·tomo central se acerca a uno de los dos extremos y por tanto se aleja del otro, manteniÈndose siempre los tres ·tomos en el mismo plano, Su denominaciÛn rock viene de la similitud entre este movimiento vibracional y el movimiento de una pareja bailando rock-and-roll.
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no es del todo exacta. En un muelle las dos masas pueden vibrar a cualquier frecuencia y amplitud mientras que las vibraciones de las molÈculas est·n cuantizadas, es decir, los ·tomos pueden vibrar sÛlo a frecuencias especÌficas conocidas como estados de vibraciÛn. Una molÈcula absorbe luz infrarroja sÛlo cuando la energÌa de los fotones es muy cercana a la diferencia de energÌa entre un estado vibracional y el que le sigue en sentido ascendente. La inmensa mayorÌa de las molÈculas existen en el estado de m·s baja energÌa y la absorciÛn de luz, que origina un espectro en el infrarrojo, es consecuencia de la elevaciÛn de las molÈculas al estado m·s alto siguiente. La absorciÛn de luz infrarroja por parte de una molÈcula requiere que el enlace que va a vibrar tenga un momento dipolar para que vibre a una frecuencia m·s alta. La intensidad de la absorciÛn de radiaciÛn infrarroja tiene relaciÛn directa con la magnitud del momento dipolar de manera que cuanto mayor es el momento dipolar m·s intensa es la absorciÛn. Por ejemplo, la absorciÛn infrarroja de los enlaces O-H es m·s intensa que la de los enlaces C-H porque los enlaces O-H son m·s polares. Las bandas de absorciÛn caracterÌsticas de casi todos los grupos funcionales se encuentran entre 4.000 y 800 cm -1. Los espectros de infrarrojo se representan como gr·ficas de absorbancia frente a n˙mero de onda.
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3. El espectrofotómetro de infrarrojo. La siguiente figura muestra esquem·ticamente los principales componentes de un espectrofotÛmetro infrarrojo.
El espectrofotÛmetro infrarrojo va equipado con una fuente de emisión de radiaciÛn infrarroja, que normalmente en una barra de un material cer·mico. La radiaciÛn emitida por esta fuente se divide en dos haces al atravesar una serie de espejos. De los dos haces uno de ellos pasa por una celda que contiene una disoluciÛn del compuesto org·nico ( haz de la muestra ) que se desea estudiar, mientras que el otro haz atraviesa una celda que sÛlo contiene el disolvente empleado ( haz de referencia ). Los dos haces se dirigen luego hacia un dispositivo que permite el pase alternativamente de un haz y luego del otro ( interruptor rotatorio ). El haz se dirige a la rejilla de difracción donde se separa en las longitudes de onda que lo componen (espectro de IR). Estas radiaciones, separadas por su valor de longitud de onda, pasan a travÈs de una ranura y llegan al detector. El detector es una bobina de alambre cuya resistencia aumenta debido al calentamiento que produce la radiaciÛn incidente. AsÌ pues, la resistencia del detector depende de la intensidad de la radiaciÛn. La acciÛn del interruptor rotatorio permite alternar la llegada al detector del haz de la muestra con la llegada del haz de referencia, pudiÈndose comparar estas seÒales mediante una serie de circuitos eléctricos. Como la absorciÛn por el disolvente es la misma en ambas celdas el efecto de Èste se puede restar y el registrador recibe sÛlo las seÒales debidas a la absorciÛn de la muestra.
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En el espectro del pentanal se observa una banda intensa a 1725 cm - provocada por el estiramiento del grupo carbonilo. La banda a 2790 cm -1^ se debe al alargamiento del enlace C-H del hidrÛgeno aldehÌdico.
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La banda m·s intensa del espectro de la pentan-2-ona es la que aparece a 1700 cm -1, que es debida al estiramiento del grupo carbonilo. En el espectro del ·cido pentanoico, adem·s de la banda de carbonilo, aparece tambiÈn una banda entre 3500-3300 cm -1^ debida al alargamiento del enlace O-H del grupo carboxÌlico.
Las absorciones de los enlaces hidrÛgeno-X (X=O, N, C) dominan la regiÛn de n˙mero de ondas elevado en el espectro de infrarrojo, seg˙n el orden O-H, N-H, C-H (del m·s alto al m·s bajo). Como todos los compuestos org·nicos contienen muchos enlaces C-H las absorciones del infrarrojo debidas a su presencia no son muy ˙tiles para dilucidar la estructura de un compuesto desconocido. En cambio, las absorciones de O-H y N-H constituyen un buen diagnÛstico de la presencia de alcoholes y aminas, e incluso como se acaba de ver de ·cidos carboxÌlicos. A continuaciÛn, se da el espectro de IR de un alcohol (hexan-1-ol) y de una amina (neopentilamina).
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Los compuestos arom·ticos tienen absorciones caracterÌsticas debido a la presencia del sistema π cÌclico. Las absorciones debidas al alargamiento de los enlaces Carom·tico-H aparecen inmediatamente por encima de 3000 cm -1. Por otra parte entre 1000-800 cm-1^ aparecen una serie de bandas que dependen del grado de sustituciÛn del anillo arom·tico y de la posiciÛn relativa de los sustituyentes de dicho anillo.
Casi todas las bandas distintivas de los grupos funcionales aparecen a frecuencias superiores a 1200 cm -1. Las frecuencias de las bandas de IR de grupos funcionales son caracterÌsticas y rara vez varÌan de un compuesto a otro pero la intensidad y la anchura de la banda sÌ varÌa. Adem·s la interacciÛn entre grupos funcionales dentro de una molÈcula puede dar origen a cambios en la frecuencia e intensidad de las bandas La regiÛn entre 1200-700 cm -1^ se conoce como regiÛn de las huellas digitales denominada asÌ porque en ella cada compuesto presenta un conjunto de bandas caracterÌstico que lo diferencia del resto de los compuestos.
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5. Fundamentos de la espectroscopia ultravioleta-visible. La absorciÛn de energÌa en las regiones visibles y ultravioleta del espectro da como resultado una excitaciÛn electrÛnica. La regiÛn del visible se extiende desde 350 a 800 nm. La regiÛn ultravioleta abarca desde 100 a 200 nm y se divide en dos regiones diferentes: la regiÛn de ultravioleta lejano, que se extiende desde 100 a 200 nm y la llamada regiÛn del ultravioleta cercano que va desde 200 nm a 350 nm. Los datos espectrales de absorciÛn en el ultravioleta-visible se suelen presentar como gr·ficas de absorbancia o logaritmo del coeficiente de extinciÛn frente a longitud de onda. La absorbancia viene dada por la siguiente ecuaciÛn:
A = c l εεεε
A = absorbancia = log
I 0 = intensidad de la radiaciÛn que llega a la muestra I = intensidad de la radiaciÛn que sales de la muestra c = concentraciÛn de la muestra en mol/l l = longitud de la celda que contiene la muestra ε = coeficiente de extinciÛn molar
donde:
Las longitudes de onda ultravioleta que absorbe una molÈcula est·n determinadas por las diferencias de energÌa entre los orbitales de la molÈcula. Los enlaces sigma (σ) son muy estables y los electrones situados en estos enlaces no se ven afectados por longitudes de onda mayores de 200 nm. Sin embargo, los electrones situados en enlaces de tipo π est·n menos sujetos a la acciÛn tractiva del n˙cleo atÛmico y por ello pueden ser excitados m·s f·cilmente que los electrones situados en orbitales σ, promocion·ndose a orbitales de mayor energÌa. Las transiciones electrÛnicas de los electrones de tipo π producen absorciones caracterÌsticas en la regiÛn ultravioleta, como ocurre en el caso de la molÈcula de etileno. Este compuesto contiene dos orbitales π: el π enlazante y el π^ antienlazante. En el estado fundamental el etileno coloca a los dos electrones en el orbital molecular de menor energÌa π y ninguno en el orbital molecular antienlazante π. Si la molÈcula de etileno es irradiada con luz ultravioleta de 171 nm de longitud de onda se produce una absorciÛn de energÌa que provoca la transiciÛn π → π. Los sistemas con enlaces dobles conjugados necesitan menor energÌa que el etileno para provocar este tipo de transiciones electrÛnicas. Usualmente, la longitud de onda necesaria para provocar la transiciÛn π → π en un dieno conjugado tiene que ser mayor de 200 nm (hay que tener en cuenta que a mayor longitud de onda
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129 kcal/mol 108 kcal/mol
π∗
π
171 kcal/mol
π∗ π∗
π
π
H 2 C CH 2
Un espectrofotÛmetro de ultravioleta contiene una fuente emisora de radiaciÛn ultravioleta que pasa a travÈs de un monocromador que selecciona una longitud de onda determinada que. a continuaciÛn, es dividida en dos haces. Una pasa a travÈs de una disoluciÛn que contiene el compuesto org·nico ( haz de la muestra ) y la otra pasa a travÈs de la celda de referencia que contiene ˙nicamente el disolvente ( haz de referencia ). El detector mide de forma continua la relaciÛn de intensidad entre el haz de luz que atraviesa la celda de referencia y (I (^) R ) y el haz de luz que atraviesa la celda que contiene el compuesto org·nico (I (^) M). Un registrador traza una gr·fica (espectro) de la absorbancia de la muestra frente a la longitud de onda y, por tanto, de un espectro UV se extrae directamente el valor de la longitud de onda m·xima (λmax) y de la absorbancia.
Tema 4 190
A continuaciÛn se da una tabla donde aparecen las absorciones m·ximas de compuestos tÌpicos que absorben en la regiÛn ultravioleta:
Compuesto (^) λλλλ máx (nm) Compuesto (^) λλλλ máx (nm)
