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INTRODUCCION A TECNICAS
ESPECTROSCÓPICAS
TECNICAS ESPECTROSCOPICAS
1.FT-IR
2.UV-VIS
3.MASAS
4. RMN
Espectroscopía:
En general es el estudio de la interacción de la luz
con la materia.
E = h·ν = h·c/λ
RADIACION
Rayos
X
cósmicos
EFECTO
y Ionizaciones de las moléculas
UV-Visible
Transiciones electrónicas entre
orbítales atómicos y moleculares
Infrarrojo
Deformación de los enlaces químicos
Microondas
Rotaciones de los enlaces químicos
Radiofrecuencias
Transiciones de spín electrónico
nuclear en los átomos de la molécula.
los
o
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..)
GRUPO FUNCIONAL
OH
NUMERO
DE ONDA
(cm-1)
GRUPO
FUNCIONAL
3100-3200 -C ≡ C-
NUMERO
DE ONDA
(cm-1)
2300-2100
(enlace de hidrógeno)
OH
3600
-C ≡ N
~ 2250
(sin enlace de hidrógeno)
Cetonas
1725-1700 -N=C=O
~ 2270
Aldehídos
1740-1720 -N=C=S
~ 2150
Aldehídos y cetonas α,β- 1715-1660 C=C=C
insaturados
~ 1950
Ciclopentanonas
1750-1740 NH
3500-3300
Ciclobutanonas
1780-1760 C=N-
1690-1480
Ácidos carboxílicos
1725-1700 NO2
1650-1500
1400-1250
Esteres
1750-1735 S=O
1070-1010
Esteres α,β-insaturados
1750-1715 sulfonas
1350-1300
1150-1100
δ-Lactonas
1750-1735 Sulfonamidas y
sulfonatos
1370-1300
1180-1140
γ-lactonas
1780-1760 C-F
1400-1000
Amidas
1690-1630 C-Cl
780-580
-COCl
1815-1785 C-Br
800-560
Anhidridos
18501740(2)
600-500
C-I
ESPECTROSCOPIA UV-VIS
ESPECTROSCOPIA UV VIS
100nm 200nm
380nm
780nm
WaveLengt
h
Near Visible
or
Spectral Vacuum
Quartz
UV
Region
UV
Wave
Number
50µm
2.5
µm
N
I
R
30cm
25
µm
Infra
Red
4000
/cm
400
/cm
Far-IR to
Microwave
200
/cm
E = h·ν = h·c/λ
UV-Visible
Transiciones electrónicas entre
orbítales atómicos y moleculares
los
CROMÓFOROS
GRUPO COVALENTE INSATURADO RESPONSABLE
DE LA ABSORCIÓN
PRODUCE UN COMPUESTO CON ABSORCIÓN SELECTIVA
ENTRE 180 A 1100 nm
n-OCTANO
OCTIL NITRITO
NO ABSORBE
ABSORCIÓN A 230 nm
AUXOCROMOS
(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.
ESPECTROSCOPIA UV VIS
H
TIPOS DE ELECTRONES
 ..
C =O
 ¨
H


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-
n-σ*
195
-S-
n-σ*
195
C=O
n-π*
290
C=O
n-σ*
190
C=C
π-π*
190
Electrones
n
Electrones
π
Cromóforo
Sustancia
Etileno
max (nm)
e
170 nm
15800
t-2-Hexeno
184
10000
Ciclohexeno
182
7600
1,3-Butadieno
214
20000
1-Octino
185
222
2000
126
Acetaldehído
277
290
8 (H2O)
16 (Hexano)
Acetona
279
15
Ácido acético
204
60
C=NOH
Acetoxima
190
5000
NO2
Nitrometano
271
19
210
1500
S=O
Ciclohexil
metil
sulfóxido
C=C
C=C
C=O
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
2 CROMOFOROS SEPARADOS POR 1 CARBONO
2 CROMOFÓROS CON CARBONOS ADYACENTES
2 CROMÓFOROS CON EL MISMO CARBONO
ADICIÓN
 LARGA
ALTA INTENSIDAD
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
LEYES DE ABSORCIÓN DE LUZ
1.00
0.50
0.25
0.125
4
5
0.062
%T
1
2
3
No. de Celdas
6
0.031
0.0155
1.0
CURVA DE
CALIBRACIÓN
DE
BENCENO
0.8
0.6
ABS.
X
0.4
0.21
0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
CONC. g/L
0.137
ANALISIS CUANTITATIVO
0.12
CAFEÍNA
0.10
0.08
A
0.06
0.04
0.02
0.001
225.0
300
400
500
600
NM
700
800 850.0
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 masacarga.
3. Medir las abundancias relativas de cada ión.
Procedimiento:
1.La muestra se introduce al equipo de MS en forma de vapor
2. Los componentes de la muestra se ionizan lo que resulta en la
formación de partículas cargadas positivamente.
3.Los iones positivos se conducen hacia un campo eléctrico
4.Se detectan los iones positivos
Mide la cantidad de
iones y provee la
información para
calcular su abundancia
Principio
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.
Product Ion Scan
m1+ set
Product ion spectrum of a prticular compound
m1+
+
m2
m2+
m2+
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
( h/H ) 100 < 10%
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:
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
PAR
PAR
NO
PAR
IMPAR
SI
IMPAR
PAR
SI
IMPAR
IMPAR
SI
EJEMPLOS
12C
2H
1,
6
10B , 14N
5
7
13C
1H
1,
, 16O8
6,
17O
8
11B , 15N
5
7
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
n Hertz
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
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)
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
♦Los efectos inductivos son acumulativos. Mas grupos
electronegativos mas desprotección y por lo tanto mayor
desplazamiento.
Compound
CH4
CH3Cl
CH2Cl2
CHCl3
 / ppm
0.23
3.05
5.30
7.27
♦Estos efectos inductivos tienen una influencia através de
la cadena.
H signal -CH2-CH2-CH2Br
 / ppm
1.25 1.69 3.30
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. 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.
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.
CH3
300 MHz ¹H NMR
In C DC l 3
1.2
H3C
Br
1.1
1.0
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
-0.1
15.0
12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
© Si g m a -Al dri c h C o.
AL L R IGHT S R E SE R VE D
0.0
-2.5
-5.0
H3C
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