1 ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS

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2 1 ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS 1.1. EL ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Una de las actividades más apasionantes que realiza el químico, es cuando se encuentra con una sustancia desconocida; inmediatamente surge la interrogante qué es? tratando de conocer su identidad o estructura química. Si se trata de una sustancia conocida, trata de determinar su estado de pureza; y si se trata de una mezcla, cuáles son sus componentes y cuánto hay de cada uno de ellos. Las teorías y técnicas que forman parte de esta actividad es lo que se conoce como QUÍMICA ANALÍTICA, y cuando las muestras son sustancias orgánicas, le denominamos ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS. Entonces, el Análisis de Compuestos Orgánicos lo podemos definir como la aplicación sistemática de teorías y técnicas que permiten identificar y cuantificar a las sustancias orgánicas; determinando sus estructuras, grado de pureza o composición porcentual. De acuerdo al problema analítico a resolver, podemos considerar dos aspectos : El Análisis Orgánico Cualitativo, que permite establecer la identidad de la especie química; y el Análisis Orgánico cuantitativo, mediante el cual se determina la pureza de una sustancia conocida, la composición porcentual de una mezcla o el número de grupos funcionales presentes en la molécula de una sustancia desconocida. Los métodos analíticos podemos clasificarlos como químicos y espectroscópicos. Hasta la década de los 5O los métodos analíticos en química orgánica eran estrictamente químicos; con el posterior desarrollo de las técnicas espectroscópicas en la investigación química, se ha logrado un gran impulso en el avance del Análisis Orgánico Cualitativo, y en la actualidad la identificación de compuestos orgánicos se realiza por la elucidación espectroscópica de las estructuras. En el análisis cualitativo por métodos químicos, se empleaban reacciones específicas de los grupos funcionales que involucran formación de productos coloreados, precipitados, desprendimiento de gases y otras formas de ser percibidas sensorialmente. En el análisis cuantitativo, la espectroscopia aún no ha logrado el mismo impacto, a excepción de la espectroscopía Ultravioleta-visible; aunque se han desarrollado técnicas instrumentales como por ejemplo HPLC (Cromatografía líquida de alta presión), aún son frecuentes los métodos químicos, en los cuales se emplean reacciones de Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 1

3 estequiometría definida que involucran consumo o producción de ácidos, bases, etc. y que pueden ser medidos en una determinación visual por uso de indicadores o potenciométricamente. Los métodos espectroscópicos permiten elucidar estructuras orgánicas utilizando pequeñas cantidades de muestra, y con una rapidez mucho mayor que los métodos químicos, la desventaja es el elevado costo en la adquisición de equipos, en el manejo de las muestras y en su mantenimiento. Los principales métodos espectroscópicos, para el análisis orgánico, son: Espectroscopia Ultravioleta-Visible, Espectroscopia Infrarroja, Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear y Espectrometría de Masa 1.2. IMPORTANCIA DEL ANÁLISIS DE COMPUESTOS ORGÁNICOS Una de las fases más importantes de la investigación en química, lo constituye el análisis de compuestos orgánicos, que comprende la organización del conocimiento acumulado sobre las propiedades físicas y espectroscópicas, las estructuras y las reacciones de miles de sustancias orgánicas; dentro de un procedimiento sistemático de identificación lógica. Las investigaciones que realiza el Químico Farmacéutico, se orientan principalmente a la búsqueda de sustancias con nuevas o mejores acciones farmacológicas y que por lo general son compuestos orgánicos, además resulta evidente que existe una estrecha relación entre la estructura química y la acción biológica; de allí la necesidad de conocer la identidad o estructura de una sustancia. Estas nuevas sustancias que luego se convierten en medicamentos, se obtienen de la naturaleza o por síntesis química. En la actualidad tiene gran vigencia la separación e identificación de principios activos en plantas medicinales; la riqueza de nuestra flora de uso en la medicina tradicional nos obliga a una sistemática investigación de estos recursos naturales, cuya utilización con el aporte científico y tecnológico coadyuven a la solución de nuestra problemática sanitaria. En dicha investigación es de suma utilidad la identificación y cuantificación de los principios activos, que permita un uso adecuado de ellos. Esta información la proporciona el análisis orgánico. Es también de gran importancia la aplicación del análisis orgánico en la Bromatología, Análisis Clínicos y Bioquímicos, Toxicología y en el Control de Calidad de sustancias orgánicas. En suma el análisis de compuestos orgánicos, es base fundamental para introducirnos en el campo de la investigación química y de la especialización en el área analítica. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 2

4 1.3. ANÁLISIS ORGÁNICO CUALITATIVO En la actualidad la identificación de compuestos orgánicos se realiza muy rápidamente, utilizando métodos espectroscópicos tales como la espectroscopía Infrarroja que nos permite determinar el grupo funcional en el caso de la identificación de una nueva sustancia, o como huella digital para verificar la identidad de una sustancia conocida. La espectroscopía Ultravioleta-visible nos da información de la estructura de compuestos que presentan grupos cromóforos, si bien se trata de una técnica que no es aplicable a todos los compuestos orgánicos, lo cierto es que una gran cantidad de medicamentos y sustancias naturales con potencial de bioactividad, incluyen cromóforos en su estructura química, por lo tanto son susceptibles de ser analizadas con esta técnica espectroscópica; mención aparte, en los trabajos* realizados en el Laboratorio de Productos Naturales de la Facultad de Farmacia y Bioquímica de la Universidad San Luis Gonzaga, propusimos, por primera vez, el uso de los espectros UV-vis como patrones de referencia o huella digital ; años después, con gran satisfacción, encontramos que en las últimas farmacopeas (de Japón, Inglaterra, Europa, USA, entre otras) se incorporan, además de los espectros I.R., los espectros UV-vis como patrones de referencia o huellas digitales para la identificación de las sustancias descritas en las monografías correspondientes; por lo que nos consideramos precursores de tal aplicación. En la década de los 70, la espectrometría de masas se convirtió en la técnica más importante para la elucidación de las estructuras de las nuevas sustancias orgánicas; en esa misma época se desarrollan los equipos de Resonancia Magnética Nuclear y en la cual, los avances tecnológicos de los últimos años han sido espectaculares, de tal manera que una gran cantidad de nuevas sustancias, obtenidas de la naturaleza (principalmente del reino vegetal) o por síntesis química son identificadas, es decir se elucida su estructura, utilizando únicamente la RMN. En el presente curso, trataremos de la introducción a la espectroscopia molecular, revisando los conceptos básicos para la aplicación de la espectroscopia IR, UV-vis y RMN-H1, en la elucidación de las estructuras de compuestos orgánicos que contienen Carbono, hidrogeno y 0xígeno, incluyendo a los hidrocarburos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, esteres, anhídridos y éteres. Se incluyen medicamentos con estos grupos funcionales. * Evaluación de extractos de cinco plantas medicinales por espectroscopia Uv-vis. XIX Congreso Peruano de Química. VII Congreso Peruano de Farmacia.(1995). Evaluación de cinco plantas medicinales de Ica, por espectroscopía Uv-vis. FITOICA. Año 1 - Nº 2. Mayo 2006 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 3

5 1.4. ANÁLISIS ORGÁNICO CUANTITATIVO Los problemas analíticos cuantitativos que se presentan con mayor frecuencia son: 1. Determinar la cantidad o porcentaje de pureza de una sustancia conocida. 2. Determinar la composición porcentual de una mezcla. 3. Determinar el peso equivalente o el número de grupos funcionales de una muestra desconocida. En este caso, el análisis cuantitativo es un auxiliar en la identificación de dicha muestra. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 4

6 2 ANÁLISIS CUALITATIVO DE COMPUESTOS ORGÁNICOS 2.1. EL ANÁLISIS CUALITATIVO El análisis cualitativo nos permite determinar la identidad de una sustancia orgánica. Si la muestra que analizamos es una sustancia cuya estructura ya fue elucidada previamente, la identificación puede realizarse mediante pruebas de verificación: - En casos simples, como por ejemplo.- En el almacén de reactivos tenemos un frasco sin etiqueta y no sabemos si se trata de etanol o metanol, el problema cualitativo es decir el problema de identificación, es sencillo ya que se trata de determinar si la muestra es etanol o metanol, sabemos que el etanol reacciona muy rápidamente con Yodo en medio alcalino para formar yodoformo, compuesto insoluble de color amarillo y olor característico, el metanol no da esta reacción. Entonces, aplicando esta prueba, en pocos minutos resolvemos el problema, si la muestra forma yodoformo es etanol, si no lo forma, es metanol. De manera similar, en estos casos también se pueden utilizar las constantes físicas (punto de fusión para sólidos, punto de ebullición para líquidos) o espectros IR o UV-vis, como patrones de referencia o huella digital, en este último caso, le tomo el espectro correspondiente (IR o UV-vis) y lo comparo con el espectro de la base de datos, debemos mencionar que este procedimiento es frecuente para identificar narcóticos en casos que se presume que la muestra corresponda a algún tipo de estas sustancias. - En el otro extremo, no se dispone de información alguna de la muestra; en estos casos se procede con el esquema del análisis cualitativo (ver pág. 4) que comprende: Ensayos preliminares (obtenemos información de la naturaleza de la muestra y de su pureza) Análisis elemental (conocemos los elementos químicos y su cantidad) Elucidación de estructuras (conocemos la estructura química de la muestra) En el presente curso, revisaremos los conceptos básicos para la aplicación de la espectroscopia IR, UV-vis y RMN-H 1, en la elucidación de las estructuras de compuestos orgánicos correspondientes a los grupos funcionales: Hidrocarburos, Hidroxílicos (alcoholes y fenoles) Carbonílicos (aldehídos y cetonas), Carboxílicos (ácidos carboxílicos, esteres y anhídridos) y éteres. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 5

7 2.2. INTRODUCCIÓN A LA ESPECTROSCOPÍA MOLECULAR Definiciones Generales a.- Espectroscopía molecular.- Estudia los cambios de la energía interna de las moléculas (fenómenos espectroscópicos) que se producen cuando los compuestos orgánicos interaccionan con la energía radiante. b.- Espectroscopios.- Instrumentos para producir la interacción de la energía radiante y la materia. Los primeros espectroscopios, se basaban en un proceso que separaba la luz blanca visible en sus diferentes colores. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 6

8 c.- Espectrómetros (Espectrofotómetros).- Instrumentos para producir y medir la interacción de la energía radiante y la materia. Espectrofotómetros UV-vis (Ultravioleta-visible) Espectrofotómetro IR (Infrarrojo) Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 7

9 Espectrofotómetros RMN-H 1 (Resonancia Magnética Nuclear) d.- Espectros.- Representación gráfica de la interacción de la energía radiante y la materia. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 8

10 Espectro RMN-H 1 e.- Energía radiante.- Espectro electromagnético f.- Energía molecular.- E(total) = E traslacional + E interna E interna = E rotacional + E vibracional + E electrónica Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 9

11 g.- Interacción de energía radiante y materia.- Las moléculas absorben la energía radiante incrementando su energía interna; luego emiten dicha energía absorbida. Cuando la energía radiante corresponde a la región de las microondas, las moléculas absorben dicha radiación e incrementan su energía rotacional, en el caso de la región del infrarrojo el incremento es en la energía vibracional y la región ultravioleta-visible incrementa la energía electrónica de las moléculas. h.- Espectroscopía de Absorción*. Infrarrojo (I.R.) Ultravioleta - visible ((UV-vis) Resonancia magnética nuclear (RMN) * Es frecuente que los diferentes autores definan a los métodos espectroscópicos como de absorción o de emisión, lo real es que en el fenómeno espectroscópico ocurren ambas: absorción y emisión. Son los espectrómetros los que se pueden clasificar en dichas categorías, de acuerdo a si miden la energía que se absorbe o la que se emite. La medida de la absorción involucra rangos de energía muchos más grandes que en la emisión; por lo que los instrumentos miden cantidades mayores de energía, por lo tanto, la precisión es menos exigente. Esto se refleja en las enormes diferencias de los costos, los espectrómetros de absorción son mucho menos costosos que los de emisión. Podemos comparar con las diferencias entre una balanza normal y una balanza analítica. En conclusión, el término de espectroscopía de absorción es incorrecto. i.- Modos de interacción. I.R. Las transiciones ocurren en la E vibracional UV-vis.- se originan transiciones de E electrónica RMN.- La energía corresponde al spin nuclear Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 10

12 j.- Aplicaciones en Química En el análisis cualitativo (elucidación estructural) y cuantitativo de compuestos orgánicos. k.- Ventajas (frente a métodos químicos) Precisión, rapidez y pequeñas cantidades de muestra; para el análisis cualitativo. Resolución de mezclas complejas, en el análisis cuantitativo. l.- Desventajas (frente a métodos químicos) Alto costo de: equipos, operación y mantenimiento En análisis cuantitativo: menor precisión. Requiere personal especializado Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 11

13 Espectroscopía Infrarroja La espectroscopía infrarroja (IR) corresponde a la región de las vibraciones moleculares, abarca las frecuencias que van desde los valores inferiores al visible hasta valores que colindan con las frecuencias más altas, como las microondas, es decir, longitudes de onda que van desde los 0.8 a 200 μm. Los espectrómetros infrarrojos de uso corriente suelen trabajar a longitudes de onda entre 2,5 a 15,15 μm (desde a 660 cm -1 si se expresa en números de onda). Zonas espectrales infrarrojas Infrarrojo cercano.- ( cm -1 ) ( m) Infrarrojo (medio).- ( cm -1 ) ( m) Infrarrojo lejano.- ( cm -1 ) ( m) Las moléculas no son estructuras rígidas de átomos asociados, sino que se encuentran en permanente movimiento rotacional, vibracional y electrónico; lo que determina los niveles de energía interna en la molécula. La energía de la radiación electromagnética infrarroja es similar a las pequeñas diferencias energéticas entre los distintos estados vibracionales y rotacionales existentes en las moléculas. Energía Rotacional Las moléculas rotan sobre su propio eje a diferentes velocidades (Niveles de energía rotacional, que se representan como J); y son capaces de absorber Transiciones rotacionales energía para incrementar su nivel rotacional. J 0 representa el nivel energético rotacional normal de la molécula (estado basal), cuando absorbe energía e incrementa su nivel rotacional a J 1 se denomina estado excitado. Las moléculas que se encuentran rotando en nivel J 1 pueden absorber energía e incrementar su rotación a J 2, y así sucesivamente. Terminada la interacción con la energía, las molécula emiten la energía absorbida y recuperan el estado energético inicial. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 12

14 Energía Vibracional En las moléculas, los átomos unidos por un enlace, están en continuo movimiento vibratorio, lo que determina los niveles de energía vibracional en la molécula, las moléculas absorben energía para incrementar los niveles vibracionales que se representan por V En moléculas sencillas es posible definir el tipo de vibraciones que tienen lugar entre los distintos átomos enlazados e identificar la radiación electromagnética que es absorbida para modificar su estado vibracional. En moléculas complejas esta posibilidad es más difícil tanto por el elevado número de vibraciones como por las interacciones entre los distintos centros vibracionales que se producen. Hay dos clases de vibraciones básicas o fundamentales, de estiramiento, tensión o alargamiento (cuando se modifican las distancias de los enlaces entre los átomos) y de deformación o flexión (cuando se modifican los ángulos de los enlaces interatómicos) En las moléculas de más de tres átomos, además de las vibraciones descritas, puede producirse interacciones o acoplamientos que dan lugar a cambios en las características de las vibraciones. Ejemplos de vibraciones: Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 13

15 Transiciones vibracionales Transición de vibraciones fundamentales ν 0 ν 1 Las moléculas que se encuentran en un nivel vibracional que denominaremos ν 0 (nivel basal o fundamental), absorben energía e incrementan su nivel vibracional a ν 1 (nivel excitado). De las miles (o quizá millones) de moléculas que se encuentran vibrando en el nivel ν 0, unas estarán rotando en el nivel J 0, otras en J 1, J 2, etc., en la transición vibracional también ocurren cambios en los niveles rotacionales, de acuerdo a la regla de selección J ± 1. Transiciones prohibidas La regla de selección en las transiciones vibracionales ν ± 1, indica que la transición ocurre al nivel inmediato superior (absorción) o inferior (emisión), sin embargo, algunas moléculas no cumplen con dicha regla, originado las transiciones prohibidas : Transición de vibraciones fundamentales ν0 ν2 denominada primer sobretono o armónico. Aproximadamente el 1% de moléculas dan esta transición. Transición de vibraciones fundamentales ν0 ν3. Denominada segundo sobretono o armónico. Aproximadamente el 0.1% de moléculas dan esta transición. ν 0 ν 2 ν 0 ν 3 Primer armónico Segundo armónico Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 14

16 Regiones del Espectro Infrarrojo Región del Grupo Funcional Llamada también Región de Alta Energía o Región de Onda Corta. Está comprendida entre los 4000 a 1400 cm -1. En esta región se presentan las vibraciones más importantes de los grupos funcionales, sobretonos y tonos de combinación y las vibraciones esqueléticas. Región de la Huella Digital Entre 1400 a 1000 cm -1. Es única para cada especie molecular. Se presenta el estiramiento C-O como bandas muy intensas. Región de Onda Larga Entre 1000 y 500* cm -1. Llamada también Región de Baja energía. Se presentan bandas intensas de las flexiones C=H y C-H fuera de plano de aromáticos, heteroaromáticos y alquenos. * depende del límite mínimo del espectrofotómetro IR Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 15

17 Espectroscopía IR de grupos funcionales Hidrocarburos Alcanos (metilos, metilenos y metinos) Presentan: estiramiento (st.) C-H y flexión ( ) C-H El st. C-H se presenta como una banda intensa entre 3000 a 2840 cm -1, y se observa en casi todos los compuestos, salvo en aquellos que no presentan grupos alifáticos. La flexión C-H no tiene valor diagnóstico. Alquenos Presentan: estiramiento (st.) =C-H, st. C=C y flexión ( ) =C-H st. =C-H se presenta como una banda débil, por encima de 3000 cm -1 (igual a los aromáticos) st. C=C los dobles enlaces simples presentan una banda variable entre 1680 a 1600 cm -1, los alenos (C=C=C) presentan la banda entre 2000 a 1900 cm -1 =C H bandas intensas entre 1000 a 650 cm -1 Alquinos Presentan: estiramiento (st.) ΞC H, st. CΞC st. ΞC-H se presenta como una banda aguda e intensa entre 3333 a 3262 cm -1 st. CΞC bandas débiles, alquinos terminales: cm st. CΞC y los intermedios: cm -1 Aromáticos Presentan: estiramiento (st.) =C-H, st. C=C (vibraciones esqueléticas) y flexión ( ) =C-H st. =C-H se presenta como una banda débil, por encima de 3000 cm -1 (igual a los alquenos) st. C=C (vibraciones esqueléticas), varias bandas medias entre 1600 a 1500 cm -1 flexión ( ) =C-H bandas muy intensas entre 900 a 700 cm -1. En algunos casos se observan los armónicos de esta vibraciones, como bandas débiles entre 2000 a 1650 cm -1 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 16

18 Ejemplos de espectros IR de Hidrocarburos Ejemplo 1 Alcano CH 3 CH CH CH 3 CH 3 CH 3 Ejemplo 2 Alqueno H 2 C C CH 2 CH 3 CH 3 Leyenda de las marcas en los espectros IR Señal característica del grupo funcional Señal característica de otro grupo funcional Señal de relativa importancia del grupo funcional Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 17

19 Ejemplo 3 Alquino terminal Ejemplo 4 Alquino intermedio Ejemplo 5 Aromático Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 18

20 Alcoholes y Fenoles Presentan el estiramiento O-H como banda característica para identificar el grupo OH; la flexión del OH y el estiramiento C-O no tienen valor diagnóstico. Cuando la muestra es líquida y se toma pura para obtener el espectro IR o se encuentra diluida con solventes polares, se observa una banda amplia e intensa entre 3500 a 3200 cm -1. Esto se debe a que los compuestos hidroxílicos forman enlaces de H intermoleculares (OH asociado ) generando pseudo polímeros. R O - H R O - H O - H R En fase vapor o muy diluidos con solventes apolares, se rompen los enlaces de H, el OH se encuentra libre y genera una banda aguda e intensa, aproximadamente a 3600 cm -1. En determinadas casos, soluciones de compuestos hidroxilicos en solventes apolares, pueden presentar las dos formas del OH, asociado formando enlaces de H y libre sin enlaces de H; donde se observan ambas bandas. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 19

21 Ejemplos de espectros IR de Alcoholes y Fenoles Ejemplo 1 Alcohol primario Ejemplo 2 Alcohol secundario Ejemplo 3 Alcohol terciario Diluido con CCl4 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 20

22 Ejemplo 4 Fenol monosustituido Muy diluido con CCl4 Ejemplo 5 Fenol disustituido Ejemplo 6 Alcohol primario con alquino intermedio Diluido con CCl4 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 21

23 Aldehídos y Cetonas Presentan el grupo carbonilo C=O. El estiramiento C=O origina la banda característica para identificar el grupo carbonilo de aldehídos y cetonas; que se presenta como una banda intensa y ligeramente amplia, en la región entre 1760 a 1620 cm -1. Banda originada por el estiramiento C=O en un compuesto Carbonílico. Los aldehídos presentan el estiramiento H C=O, que origina 2 bandas medias y casi de la misma intensidad, entre 2830 a 2695 cm -1. Estas bandas nos permiten diferenciar aldehídos de cetonas. Bandas originadas el estiramiento H C=O de los aldehídos Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 22

24 Ejemplos de espectros IR de Aldehídos y Cetonas Ejemplo 1 Aldehído alifático Ejemplo 2 Cetona alifática Espectro IR Ejemplo 3 Aldehído aromático Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 23

25 Ejemplo 4 Cetona aromática Ejemplo 5 Aldehído multifuncional Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 24

26 Ácidos Carboxílico, Anhídridos y Ésteres Los compuestos carboxílicos presentan el grupo carboxilo O C = O; el estiramiento del grupo C = O origina una banda similar a la de los carbonílicos, entre 1865 a 1680 cm -1. Los anhídridos presenta el grupo (O = C O C = O) que origina 2 bandas por los estiramientos simétrico y asimétrico de los C=O. Estiramiento O-H.- Se presenta en los ácidos carboxílicos; los cuales forman dímeros cuando están puros, diluidos en solventes polares o en soluciones concentradas de solventes apolares. En estas condiciones, origina una banda amplia e intensa entre 3300 a 2500 cm -1 Banda originada por el estiramiento OH de los ácidos carboxílicos Banda correspondiente al estiramiento C=O Éteres El grupo éter R O R no presenta señales características (el estiramiento C-O que origina bandas intensas, se presenta en la región de la huella digital). Lo que encontramos son las señales de los sustituyentes unidos al O. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 25

27 Ejemplos de espectros IR de Ácidos carboxílicos, Anhídridos y Ésteres Ejemplo 1 Ácido carboxílico Ejemplo 2 Anhídrido Ejemplo 3 Éster Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 26

28 TABLA DE ESPECTROSCOPIA INFRARR0JA Absorción en cm -1 Intensidad Vibración Grupo Funcional ~ 3600 aguda St-OH libre Alcoholes y fenoles amplia St-OH asociado Alcoholes y fenoles Intensa y aguda St C-H Alquinos terminales Intensa y amplia St-OH dímero Ácidos carboxílicos Débil o media St =C-H Alquenos o Aromáticos Media o intensa St C-H (CH 3, CH 2, CH) bandas medias St-O= C-H Aldehídos Débil St C C Alquinos intermedios Alquinos terminales Intensa St C=O Carbonílicos y Carboxílicos Los anhídridos presentan dos bandas. En los casos de otros compuestos con 2 grupos C=O diferentes, también se observan 2 bandas Variable La intensidad de la banda depende de la asimetría con respecto al doble enlace. St C=C Alquenos y Aromáticos Los alquenos presentan la banda entre 1680 a 1620 Los dienos conjugados presentan 2 bandas en aproximadamente 1650 y Los aromáticos presentan varias bandas de intensidad variable, entre 1600 a Intensa =C-H Alquenos y Aromáticos Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 27

29 Determinación del Grupo Funcional en espectros IR Ejercicio Nº 1 F.G. = C 10 H 14 Espectro IR Solución - Analizando la formula global En la formula global vemos que el compuesto sólo tiene C e H, por lo tanto es un hidrocarburo. También calculamos el IDH = 4; por lo tanto es un hidrocarburo insaturado; dado que los aromáticos tiene un mínimo de 4 insaturaciones, existe la posibilidad que el compuesto se trate de un hidrocarburo aromático. - Analizando las señales del espectro IR Teniendo en cuenta que el compuesto puede ser aromático, entonces, utilizando la tabla de IR, iniciaremos con la búsqueda de las señales características de los aromáticos: - st. =C-H; - st. C=C (vibraciones esqueléticas); - flexión (δ) =C-H y armónicos. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 28

30 Las señales observadas son: - St. =C-H Se presenta en los aromáticos (también en alquenos). - St. C=C Las vibraciones esqueléticas del anillo aromático - =C-H La flexión de los H del anillo aromático. Originan armónicos. - Armónicos Se observan los armónicos (en muchos casos no se ven) - St. C-H Señal de los metilos, metilenos y metinos. Sustituyentes alifáticos No se presentan otras señales características de grupos funcionales CONCLUSION El compuesto es un Hidrocarburo aromático con sustituyentes alifáticos. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 29

31 Espectroscopía Ultravioleta Visible La espectroscopía Ultravioleta Visible (UV-vis) corresponde a las región de las transiciones de los electrones de los orbitales de enlace. Abarca la región comprendida entre los 10 a los 800 nm. En el análisis de compuestos orgánicos se utilizan equipos que trabajan entre los 200 a 800 nm. Región UV-vis del Espectro Electromagnético Las transiciones de los electrones de los orbitales de enlace molecular se refieren a los cambios energéticos que ocurren cuando una molécula absorbe energía de la región UV-vis. En los compuestos orgánicos, se presentan los siguientes orbitales moleculares. Orbitales moleculares Por lo tanto, son posible las siguientes transiciones electrónicas: Transiciones de los electrones de los orbitales moleculares Dado que los equipos trabajan entre 200 a 800 nm, las únicas transiciones que se registrarían serían las correspondientes a las bandas R. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 30

32 En muchos compuestos orgánicos se encuentran orbitales adyacentes que se acoplan (conjugación) y originan un sistema de orbitales de enlace: Sistemas conjugados En los cuales, la transición de 2 * 3 se encuentra en la región del UV-vis, por lo tanto absorbe, generando las llamadas bandas K De manera similar, la conjugación de los orbitales de los compuestos aromáticos, genera el siguiente sistema: Sistemas aromáticos En los cuales, la transición de A 1 G B 2 U se encuentra en la región del UV-vis, por lo tanto absorbe, generando las llamadas bandas B En resumen, en los espectros UV-vis se presentan las siguientes bandas de absorción Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 31

33 Desplazamientos de la posición e intensidad de la banda Las bandas de absorción pueden variar en su posición (cambios en la longitud de onda ) y/o en su intensidad (cambios en el coeficiente de extinción molar max ), por efectos de: - Solventes.- Si tomamos un espectro de una sustancia soluble en agua, la banda tendrá una posición expresada en y una intensidad expresada en max. Si luego tomamos un espectro de la misma sustancia, en este caso disuelta en etanol, la banda de absorción puede haber modificado su posición o su intensidad o ambas. Si la banda se desplaza a mayor, se denomina efecto batocrómico; si la banda se desplaza a menor entonces se le denomina efecto hipsocrómico. Si la banda presenta un max mayor, entonces es efecto hipercrómico y si el max es menor, es efecto hipocrómico. Si se incrementa y max, estamos ante un efecto bato e hipercrómico; si se incrementa y disminuye max, el efecto es bato e hipocrómico; y así podemos encontrar otras posibilidades. - Sustituyentes.- los sustituyentes en los polienos o poliinos conjugados, o en los compuestos aromáticos también originan desplazamientos de la posición e intensidad de las bandas, si comparamos con el compuesto inicial de referencia. Si el sustituyente es un grupo auxocromo, el efecto es mayor. Gráfico de los desplazamientos de la posición e intensidad de la banda Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 32

34 Espectroscopía UV-vis de grupos funcionales Los Hidrocarburos presentan los siguiente cromóforos: - Cromóforo de sistemas conjugados: que también se da en los casos de conjugación entre heteroátomos (Ej - C=C-C=O, C=O-C=O, C=C-N=O, C=C-S=O, etc.) - Cromóforo de sistemas aromáticos - Cromóforo de sistemas acetilénico Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 33

35 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 34

36 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 35

37 Ejemplos de espectros UV-vis Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 36

38 Espectroscopía Resonancia Magnética Nuclear RMN-H 1 La Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es básicamente una técnica espectroscópica. A diferencia del UV-vis e IR, no ocurre de manera natural, sino inducida. Los núcleos atómicos tienen spin (giro). La orientación de dicho giro es al azar. Cuando dichos núcleos se encuentran sometidos a la acción de un campo magnético inducido, la orientación del spin es paralela a dicho campo. Los núcleos atómicos tienen carga, por lo que se comportan como pequeños imanes, generando energía magnética. Si aplicamos energía de radiofrecuencia, desde un campo perpendicular, en el momento que la energía de radiofrecuencia es similar a la energía magnética generada por el spin del núcleo, se produce la resonancia. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 37

39 En el momento de la resonancia, el núcleo absorbe la energía de radiofrecuencia y la orientación del spin varía de paralela a antiparalela al campo magnético inducido (Ho) De esa manera ocurre el fenómeno denominado Resonancia Magnética Nuclear (RMN). Sólo los núcleos que tienen número cuántico de spin I = ½ producen RMN homogénea, tales como H 1, C 13, N 15, Cl 37, etc. H 1 y C 13 son de importancia para el análisis orgánico. En el curso, revisaremos RMN del H 1. De acuerdo a lo que hemos visto todos los núcleos de H 1 espectro presenta una línea discreta? absorben a la misma energía de Radiofrecuencia y el Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 38

40 En realidad, un espectro RMN-H 1 se ve de la siguiente manera: Debido a las diferencias de las densidades electrónicas (electrones que giran alrededor del núcleo), existen diferencia de los H 1 y por lo tanto, en las señales del espectro RMN Los espectros de RMN H 1 nos dan 3 tipos de información, con respecto a la estructura del compuesto orgánico: - Desplazamiento Químico - Acoplamiento - Integración Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 39

41 Desplazamiento Químico La energía del spin, por lo tanto la energía del Campo precesional, son dependientes de la energía de Ho (campo magnético inducido). Por ello, la energía de RF necesaria para producir el fenómeno de la resonancia será diferente en cada equipo. Para evitar tan caótica situación, se estableció una medida adimensional: ppm (partes por millón de la energía del electroimán que genera el campo magnético inducido), de tal manera es posible extrapolar los valores, independiente del equipo en que fue obtenido el espectro. Para generar las medidas adimensionales se utiliza un estándar interno, el tetrametilsilano (considerado como la sustancia orgánica de mayor densidad electrónica). En la escala δ la absorción de los H del TMS se considera con el valor de 0 ppm y se ubica en el extremo derecho, los H 1 de menor densidad electrónica se van desplazando de derecha a izquierda. Las unidades (ppm = partes por millón) como su nombre lo indica, representa 1 parte por millón de la potencia del campo magnético inducido, asi, si el RMN es de 80 MHz (potencia del campo magnético inducido), cada ppm = 80 Hz, en un equipo RMN de 600 MHz, cada ppm = 600 Hz. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 40

42 Acoplamiento En el estado excitado, los H acoplan con los H vecinos desdoblando su señal, originando picos múltiples. La distancia entre los picos múltiples, se conoce como constante de acoplamiento. En el caso de acoplamiento entre H alifáticos, J = 7 Hz. El acoplamiento de los H aromáticos en posición orto tienen J = 8 Hz, en meta J = 1 a 3 Hz, en posición para J es = 0-1 Hz. En el caso de los H olefínicos, el acoplamiento de los H en posición orto tienen J = Hz, los H en posición cis tienen J = 8 12 Hz y los H en gem tienen J = 0-2 Hz. En los espectros utilizados, no se presentan los acoplamientos de J = 3 ó menor. Estos acoplamientos son de primer orden (simétricos) cuando la relación entre Δ ppm/j es igual o mayor de 10. Cuando la relación es menor, se producen acoplamientos de segundo orden (no simétricos). Δ ppm es la diferencia del desplazamiento de las señales de los H que acoplan, expresados en herzios (hz), J es la constante de acoplamiento. Si 2 H alifáticos que acoplan entre si, presenta su desplazamiento en un RMN de 300 MHz a 1.23 ppm y 1.35 ppm, respectivamente, el acoplamiento es de primer o segundo orden? Veamos: Δ ppm = ( ) x 300 = 36 J (constante de acoplamiento de H alifáticos) = 7 Δ ppm/j = 5.14 Menor de 10 por lo tanto es un acoplamiento de segundo orden (asimétrico) Qué ocurre si se utiliza un RMN de 600 MHz? En un equipo de 600 MHz: Δ ppm = ( ) x 600 = 72 J (constante de acoplamiento de H alifáticos) = 7 Δ ppm/j = Mayor de 10 por lo tanto es un acoplamiento de primer orden (simétrico) Los acoplamientos entre los H alifáticos se producen cuando están separados hasta por 3 átomos de distancia. En los acoplamientos de primer orden entre H que tienen la misma J, la multiplicidad de los picos se regula por el triangulo de pascal (Nº de H vecinos + 1) Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 41

43 En los siguientes gráficos observamos las diferencias del modelo de acoplamiento de los H de R CH 2 CH 2 CH 2 CH 3, en RMN de 80, 200, 300, 400, 600 y 900 MHZ, respectivamente. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 42

44 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 43

45 Observamos que la simetría de las señales se incrementa con la potencia del Resonador. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 44

46 Integración Los equipos de RMN (Resonadores) están provisto de un accesorio Integrador, que representa una línea cuya altura es proporcional al número de H que origina la señal correspondiente. En algunos equipos, los espectros son graficados con una escala en el extremo izquierdo, que permite calcular fácilmente el número de H que originan cada señal, en caso de no existir dicha escala, se debe proceder utilizando una regla. En otros casos, como en los espectros que revisaremos en el curso, la información que acompaña al espectro incluye los datos del desplazamiento e integración tabulados (también se puede obtener la tabulación de los acoplamientos). En el espectro del 1-pentino, podemos verificar la información. Espectro RMN-H CH 3 CH 2 CH 2 C CH Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 45

47 La señal que presenta su desplazamiento 0.97 ppm e integración para 3 H, y en cuanto a su multiplicidad, es un triplete lo que nos indica que tiene 2 H vecinales (Nº de H vecinales + 1); corresponde al grupo metilo CH 3 La señal que presenta su desplazamiento 1.5 ppm e integración para 2 H, y la multiplicidad es un hexaplete lo que nos indica que tiene 5 H vecinales (Nº de H vecinales + 1); corresponde al grupo metileno CH 2 unido al CH 3 y al otro CH 2 La señal que presenta su desplazamiento 2.2 ppm e integración para 2 H, con multiplicidad de triplete que nos indica 2 H vecinales (Nº de H vecinales + 1); corresponde al grupo metileno CH 2 unido al alquino terminal y al otro CH 2 La señal que presenta su desplazamiento 2.4 ppm e integración para 1 H, que no presenta multiplicidad siendo un pico único, por lo que se denomina singulete, corresponde al H del alquino terminal. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 46

48 Espectroscopía RMN-H 1 de grupos funcionales Hidrocarburos Alifáticos.- Los grupos metilos (CH3), metilenos (CH2) y metinos (CH), en los alcanos presentan desplazamiento a 0.9 ppm los metilos, 1.25 ppm los metilenos y 1.50 ppm los metinos. La presencia en posición alfa ( ) y/o beta ( ), de grupos que modifican su densidad electrónica, origina modificaciones de los desplazamientos. Alquenos.- Los H del estileno CH 2 = CH 2, se desplazan a 5.28 ppm. La presencia en posición gem, cis o trans, de sustituyentes que modifican su densidad electrónica, origina modificaciones de los desplazamientos. Alquinos.- El H de los alquinos terminales R-CΞCH se desplaza a 2.4 ppm si R es alifático, 2.55 ppm si es conjugado y 2.9 ppm si es aromático. Aromáticos.- Los H del Benceno se desplazan a 7.26 ppm. La presencia en posición orto, meta o para, de sustituyentes que modifican su densidad electrónica, origina modificaciones de los desplazamientos. Ejemplo de espectro RMN-H 1 de Hidrocarburos Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 47

49 Hidroxílicos En los alcoholes y fenoles el H del grupo OH presenta la señal en un rango bastante amplio, entre 0.5 a 12.5 ppm. Cuando los alcoholes primarios y secundarios se encuentran puros o diluidos en solventes polares, su señal origina un singulete amplio, que es una distorsión del acoplamiento con los H vecinales, debido a los enlaces de H; en el caso que la muestra se encuentre en fase vapor o muy diluidos con solventes apolares, se rompen los enlaces de H y la señal se presenta normalmente. Los alcoholes terciarios y fenoles, en todos los casos, presentan un singulete normal, ya que no tienen H vecinales. Dado el amplio rango en la que aparece la señal del OH hidroxílico, pueden presentarse dificultades para identificar su señal: En el caso de muestras puras de alcoholes primarios o secundarios, el característico singulete amplio del OH se identifica fácilmente en el espectro. Para determinar si el compuesto es alcohol primario o secundario, se toma un segundo espectro con la muestra en fase vapor o muy diluida con solvente apolar, en este segundo espectro el singulete amplio aparece como un triplete en el caso de los alcoholes primarios (-CH 2 -OH) y un doblete en el caso de los alcoholes secundarios (-CH-OH). En el caso de alcoholes terciarios y fenoles, que siempre originan un singulete normal, puede resultar complicado la identificación de la señal; en estos casos se toma un nuevo espectro con la muestra a la que se le ha agregado agua deuterada (D 2 O), el H del OH de la muestra intercambia por deuterio formando el OD, el deuterio (H 2 ) no origina señal en el RMN, por lo tanto la señal que desaparece en este segundo espectro, es la que corresponde al OH del compuesto hidroxílico: alcohol terciario o fenol. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 48

50 Ejemplo: Espectro 1 (muestra pura) y Espectro 2 (muestra en fase vapor o diluida con solvente apolar) de un alcohol primario. Observar los cambios. Explicar. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 49

51 Ejemplo: Espectro 1 (muestra de un compuesto hidroxilico) y Espectro 2 (muestra del compuesto hidroxilico + agua deuterada). Luego del experimento, el espectro se presenta de la siguiente manera: Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 50

52 Carbonílicos El C=O de aldehídos y cetonas no presenta H. Su presencia afecta el desplazamiento de los H: - H alifáticos en posición α y β - H aromáticos en orto, meta y para - H olefínicos en gem, cis y trans. El desplazamiento originado por el C=O se puede revisar en la Tabla de RMN-H 1 Los aldehídos presenta H-C=O, el H origina una señal particular, con desplazamiento a δ 9.7 ppm en los aldehídos alifáticos, 9.8 ppm en los aldehídos conjugados y 10 ppm en los aldehídos aromáticos. Ejemplos de Espectros RMN-H1 de Carbonílicos Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 51

53 De acuerdo a los datos de los siguientes espectros, A qué tipo de compuesto carbonílico corresponden? Explicar. Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 52

54 Carboxílicos En los compuestos carboxílicos sólo encontramos el H del grupo R-COOH que presenta su señal entre 10 a ppm. La presencia del grupo carboxílico (ácidos, ésteres y anhídridos) afecta el desplazamiento de los H: - H alifáticos en posición α y β - H aromáticos en orto, meta y para - H olefínicos en gem, cis y trans. El desplazamiento originado por los carboxílicos, se puede revisar en la Tabla de RMN-H1 Ejemplos de Espectros RMN-H 1 de Carboxílicos Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 53

55 Artemio Chang C. y Silvia Klinar B. 54