Pag:1 Ya hemos visto cómo podemos averiguar la fórmula empírica y molecular de un compuesto. En este tema conoceremos varias técnicas analíticas que combinadas nos podrán ayudar a identificar la fórmula estructural de las sustancias. Antes de adentrarnos en el estudio de estas técnicas vamos a ver cómo se puede calcular de un modo sencillo el número de insaturaciones que tiene una molécula. Esto se denomina: CALCULO DEL INDICE DE DEFICIENCIA DE HIDRÓGENOS IDH. En química orgánica, el índice de deficiencia de hidrógeno (IDH) es utilizado para ayudar a dibujar estructuras químicas. La fórmula permite determinar cuántos anillos, enlaces dobles y enlaces triples están presentes en el compuesto a ser dibujado. No conseguimos saber el número de anillos, doble y triples enlaces por separado sino el conjunto de insaturaciones, después es necesario aplicar algunas técnicas espectroscópicas para poder saber la estructura de la molécula. La fórmula para el grado de insaturación es IDH= (0,5) (2C +2-H-X+N) donde C = número de átomos de carbono, H = número de átomos de hidrógeno, X = número de átomos de halógenos, y N = número de átomos de nitrógeno. El oxígeno y otros átomos divalentes no contribuyen al grado de insaturación. Cada ciclo cuenta como un grado de insaturación. Cada enlace doble cuenta como un grado de insaturación. Cada enlace triple cuenta como dos grados de insaturación. Cada benceno cuenta como cuatro grados de insaturación. Ejemplos: C17 H21 NO4 IDH 8 C27 H46 O IDH 5 C6 H7 N IDH 4 C15 H10 Cl N3 O3 IDH 12 TECNICAS ANALÍTICAS Son procedimientos destinados a la determinación estructural, análisis de la composición de sustancias, y determinación de purezas. Podemos establecer dos categorías de técnicas: Espectrometría de masas. Métodos ópticos espectroscópicos, así se denominan genéricamente a un amplísimo número de métodos instrumentales que utilizan técnicas instrumentales en las que se genera una señal de tipo óptico cuyo fundamento está basado en la interacción de la radiación electromagnética con la materia a analizar llamada el analito.
Pag:2 Cristalografía de Rayos X ESPECTROMETRÍA DE MASAS Un flujo de electrones hace que las moléculas gaseosas se ionicen y se fragmenten. La mezcla de iones es acelerada y pasa a través de un campo magnético, donde las trayectorias de los iones más ligeros se desvían más que las trayectorias de los iones más pesados. Variando el campo magnético, el espectrómetro permite registrar la abundancia de iones de cada masa. El radio de curvatura exacto de la trayectoria de un ión depende de la relación masacarga, simbolizada por m/z. En esta expresión, m es la masa del ión (en uma: unidades de masa atómica) y z es su carga. La mayoría de los iones tiene una carga de +1, por lo que su desviación tendrá un radio de curvatura que dependerá sólo de la masa. En el espectro, al pico más alto se le denomina pico base y se le asigna una abundancia del 100%. La abundancia de los demás picos se da como porcentaje con relación al pico base. El ión molecular (M+) corresponde a la masa de la primera molécula. Cuando se evapora una molécula se pueden formar iones M+, que darán el valor de su masa molecular, pero también se pueden fragmentar en iones más pequeños. Viendo la diferencia de masa de los picos de los diferentes fragmentos pueden ser identificados. Por ejemplo, en el caso de C2H5COOH podemos encontrar los siguientes fragmentos:
Pag:3 C2H5COOH+, a 74 es M+ C2H5CO+, a 57 es M-OH COOH+ a 45 es M- C2H5 C2H5+ a 29 es M COOH Hay que ser cuidadoso en el análisis porque no todos los fragmentos se forman. Algunos no duran suficientemente para ser analizados porque son muy inestables y otros no esperados se pueden formar. Espectro del 2,4-dimetilpentano. Efecto isotópico del cloro Los espectros de masas del 2-cloropropano. Los elementos más pesados no están formados por un solo isótopo, sino que contienen isótopos más pesados en cantidades variables. Los isótopos más pesados dan lugar a picos pequeños a números de masa superiores a los del pico del ión molecular M+.
Pag:4 La altura de los picos M+, M + 1 y M + 2 dependerá de la composición isotópica del elemento en cuestión. El cloro es una mezcla del 35Cl con un 75,5 por ciento y del 37Cl con un 24,5 por ciento. El pico del ión molecular M+ tiene 35Cl siendo tres veces más elevado que el pico M + 2, el cual tiene 37Cl. Efecto isotópico del bromo. Observe que los picos M+ y M + 2 tienen aproximadamente la mima altura. El bromo es una mezcla del 79Br con un 50,5 por ciento y del 81Br con un 49,5 por ciento. El pico del ión molecular M+ tiene 79Br siendo tan alto como el pico M + 2, el cual tiene 81Br. Espectro de masas del 2-metilpentano El pico base corresponde a la pérdida de un radical propilo para dar lugar a un catión isopropilo. La fragmentación de un alcano ramificado se produce frecuentemente en la rama del átomo de carbono que da lugar al catión y al radical más sustituidos
Pag:5 PRINCIPIOS DE ESPECTROSCOPÍA Al interaccionar la radiación electromagnética con la muestra que contiene el analito, se pueden originar distintos fenómenos, de entre los cuales la absorción y emisión de radiación, son los más relevantes y dan lugar a los métodos espectrofotométricos de absorción y (o) emisión. El espectrómetro analiza la energía transmitida relativa a la incidente. Como los niveles de energía están cuantizados solo la radiación con una frecuencia correspondiente a la diferencia en los niveles de energía será absorbida. La relación entre energía y frecuencia es dada por: E = h f Siendo h la constante de Planck, 6,626 x 10-34 Js Cuanto mayor sea la diferencia de energía de los niveles mayor será la frecuencia, y menor la longitud de onda de la luz absorbida, puesto que la longitud de onda y la frecuencia se relacionan por la fórmula c= h.f siendo c la velocidad de la luz. La inversa de la longitud de onda se llama número de onda y se mide en cm -1. Algunas de las técnicas espectroscópicas son: Espectroscopía de infrarrojo: Espectroscopía de resonancia magnética nuclear de hidrógeno: Determinación estructural de moléculas orgánicas, escaneo del cuerpo humano. ESPECTROSCOPÍA DE INFRARROJO Los enlaces covalentes vibran a una frecuencia determinada que depende de la naturaleza del enlace y del tipo de vibración La energía de estas vibraciones corresponden a la región infrarroja del espectro electromagnético. Como primera aproximación, un espectro IR se obtiene al pasar radiación a través de una muestra y determinar que fracción de esta radiación incidente ha sido absorbida. La energía particular a la que aparece cada pico en un espectro guarda relación con la frecuencia de vibración de una parte (enlace) de la molécula.
Pag:6 Cuando la frecuencia de la radiación es igual que la de la vibración la molécula lo absorbe. Las vibraciones moleculares dependen de las masas de los átomos. Los átomos pesados vibran lentamente, por lo que tendrán una frecuencia más baja que los átomos más ligeros. La frecuencia de una vibración disminuye al aumentar la masa atómica. La frecuencia también aumenta con la energía de enlace, por lo que un doble enlace C=C tendrá una frecuencia más elevada que un enlace sencillo C-C Para que una molécula covalente absorba radiación infrarroja, tiene que haber un cambio en el momento dipolar de la molécula a la vez que se produce la vibración. De este modo las moléculas gaseosas diatómica formadas por átomos del mismo elemento como H 2, O 2, Cl 2 son no polares y no absorben radiación infrarroja. Para moléculas más complejas solo aquellas vibraciones que provocan un cambio en el momento dipolar serán activas ante la radiación infrarroja. Una molécula no lineal con n átomos tiene 3n - 6 modos de vibración fundamental. El agua tiene 3(3) - 6 = 3 modos. Dos modos son de tensión y uno de flexión. La tensión puede ser simétrica cuando los dos enlaces O-H se alargan al mismo tiempo. En una tensión asimétrica un enlace O-H se alarga, mientras que el otro enlace O-H se comprime. La flexión, también conocida como movimiento en tijereta, se produce cuando el ángulo H-O-H disminuye y aumenta pareciendo unas tijeras. Por ejemplo la tensión simétrica del CO 2 será inactivo mientras que la tensión asimétrica y la flexión son ambas activas porque producen cambio en el dipolo.
Pag:7 Puesto que los átomos involucrados en la tensión y flexión determinarán la frecuencia, IR se utiliza en su mayor parte para identificar la presencia de grupos funcionales en una molécula.
Pag:8 Un alcano mostrará frecuencias de tensión y flexión solamente para C-H y C-C. La tensión C-H es una banda ancha entre 2800 y 3000 cm-1, una banda presente en prácticamente todos los compuestos orgánicos. En este ejemplo, la importancia recae en lo que no se ve, es decir, la ausencia de bandas indica la presencia de ningún otro grupo funcional. Comparación del espectro de IR de n-hexano y 1-hexeno y cis-2octeno. Las absorciones más importantes del espectro del 1-hexeno son la tensión C=C a 1642 cm-1 y la tensión =C-H a 3080 cm-1. El doble enlace, casi simétricamente sustituido del cis- 2-octeno, da lugar a una absorción C=C débil a 1660 cm-1; sin embargo, la tensión de enlace =C-H a 3023 cm-1 es clara.
Pag:9 El espectro de IR del 1-octino muestra absorciones características a 3313 cm-1 y 2119 cm-1 El espectro de IR del 1-butanol muestra una absorción de tensión O-H ancha e intensa centrada alrededor de 3300 cm-1. La forma ancha se debe a la naturaleza diversa de las interacciones de los enlaces de hidrógeno de las moléculas de alcohol. El alcohol O-H absorbe alrededor de 3300 cm-1 y normalmente tiene una banda ancha y fuerte. Esta banda se debe a los distintos reordenamientos del enlace de hidrógeno que tienen lugar. Existe una banda de tensión C-O centrada próxima a 1050 cm-1. Aunque una banda de tensión alrededor de esta región se puede deber a las mismas tensiones C- O, la ausencia de esta banda alrededor de 1000-1200 cm-1 sugiere encarecidamente la ausencia de un enlace C-O. El espectro de IR de la dipropilamina muestra una banda ancha, correspondiente a una absorción de tensión N-H, centrada alrededor de 3300 cm-1. Observe el pico agudo de esta banda ancha de absorción.
Pag:10 Los enlaces de hidrógeno que se forman entre el nitrógeno y el hidrógeno son más débiles que aquellos que se forman con el oxígeno y el hidrógeno. Las aminas, como los alcoholes, tendrán una banda ancha centrada alrededor de 3300 cm-1, pero no tan fuerte. Podrían existir picos agudos superpuestos en la zona de absorción de tensión dependiendo del número de hidrógenos que el nitrógeno tenga; una amina secundaria tendrá un pico agudo, mientras que una amina primaria tendrá dos picos agudos. Las aminas terciarias no mostrarán picos agudos porque no hay un enlace N-H. Las vibraciones de tensión C=O de las cetonas, aldehídos y ácidos carboxílicos sencillos se producen a frecuencias de aproximadamente 1710 cm-1. Estas frecuencias son más altas que las de los dobles enlaces C=C, debido a que el doble enlace C=O es más fuerte y más rígido. La tensión C=O es fuerte e inconfundible. Dependiendo de qué más esté unido al carbonilo, existen otras bandas que se pueden buscar para diferenciar entre aldehídos, cetonas y ácidos. (a) 2-heptanona y (b) butanal. Las dos presentan absorciones, debidas al grupo carbonilo, intensas en torno a 1710 cm-1
Pag:11 El espectro de la 2-heptanona muestra una absorción fuerte a 1718 cm-1. El aldehído tiene la tensión C=O a 1720 cm-1, pero también tiene dos bandas de tensión distintas para el enlace C-H del aldehído a 2720 y 2820 cm- Los ácidos carboxílicos presentan una absorción O-H ancha entre 2500 y 3500 cm-1. Esta absorción ancha ocupa por completo la región de tensión C-H, con más amplitud. La tensión del doble enlace C=O será aguda e intensa a 1711 cm-1. Los dos picos tienen que estar presentes para identificar al compuesto como un ácido carboxílico Un espectrofotómetro infrarrojo mide la frecuencia de la luz infrarroja que son absorbidas por un compuesto
Pag:12 Aplicaciones de la espectroscopia de infrarrojo. Es muy útil en el análisis de compuestos orgánicos porque los diferentes enlaces en los grupos funcionales absorben a diferentes frecuencias. También el pico de absorción preciso depende de los átomos vecinos. Es útil en la determinación de estructura de moléculas orgánicas, información de la fortaleza de enlace, información sobre la estructura secundaria de proteínas, medida del grado de instauración de aceites y grasas y determinación del nivel de alcohol en la respiración. ESPECTROSCOPIA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE HIDRÓGENO. La Resonancia Magnética Nuclear es una espectroscopia cuyo fundamento es la absorción de energía (radiofrecuencias) por un núcleo magnéticamente activo, que está orientado en el seno de un campo magnético, y que por efecto de esa energía cambia su orientación. Las partes fundamentales de un espectrómetro de RMN son un imán, actualmente una bobina superconductora, que suministra el campo magnético principal, un oscilador de radiofrecuencias que suministra la energía necesaria para cambiar la orientación de los núcleos, una bobina detectora que recibe las señales y un sistema informatizado que gobierna todo el aparato y que incluye un sistema de amplificación y registro. Entre los núcleos más frecuentes en los compuestos orgánicos son magnéticamente activos el protón ( 1 H), carbono ( 13 C), nitrógeno ( 15 N), fósforo ( 31 P) y flúor ( 19 F). Los espectros más comunes son representaciones de la intensidad de absorción frente a la frecuencia de resonancia (generalmente a través del parámetro δ) y presentan señales cuya posición, forma y tamaño están íntimamente relacionadas con la estructura molecular. Los protones en distintos entornos químicos están apantallados en distintas cantidades. El protón hidroxilo no está tan apantallado como los protones metilo, por lo que el protón hidroxilo absorbe a un campo más bajo que los protones metilo. Decimos que el protón está algo desapantallado por la presencia de átomos de oxígeno electronegativos. Cuando los protones se encuentran en distintos entornos de la molécula y la molécula está expuesta a una frecuencia constante, los protones absorberán la radiación a distintas intensidades del campo magnético. La RMN variará el campo magnético y representará un gráfico de la absorción de energía como función de la intensidad del campo magnético. Los protones de metilo más apantallados aparecen hacia la derecha del espectro (campo más alto); el protón hidroxilo menos apantallado aparece hacia la izquierda (campo más bajo).
Pag:13 En un espectro RMN el campo magnético aumenta desde la izquierda hacia la derecha. Las señales del lado de la derecha están en la parte más alta del espectro y las de la izquierda están en la parte más baja. Los protones apantallados aparecen en la parte alta. Utilización de la escala δ,el desplazamiento del TMS se define como 0. Como muestra de referencia se usa el tetrametilsilano porque sus 12 protones tienen el mismo entorno así que dan un solo pico muy marcado, no es tóxico y es poco reactivo. Absorbe a una longitud de de onda separada y muy característica, además es volátil y puede ser separado de la muestra fácilmente. La escala aumenta de derecha a izquierda (hacia el campo más bajo). Cada unidad δ se diferencia 1 ppm del TMS El desplazamiento químico de los protones se mide en partes por millón (ppm), independientemente del campo y la frecuencia del instrumento utilizado. Cuanto más altas son las frecuencias des espectrómetro, más detallado es el espectro Los protones metilo absorben a δ = 3.4 ppm y los protones hidroxilo absorben a δ = 4.8 ppm. Los tres protones metilo son equivalentes, por lo que producirán sólo una señal. Valores de algunos desplazamientos químicos.
Pag:14 Aunque en ocasiones el desplazamiento al cuál aparece un pico puede pertenecer a diferentes tipos de hidrógenos, sin embargo el área debajo de cada pico corresponde al número de átomos de hidrógeno de un determinado tipo (con un determinado entorno), y esto puede ser extremadamente útil en la determinación de la estructura de una molécula. El área de cada pico suele venir dada por la altura en la traza de la integral (integration trace).
Pag:15 Espectro del dimetiletileter Cuando recorre un pico, el trazo del integrador (azul) se eleva una altura que es proporcional al área del pico. En el dimetilietiléter hay tres hidrógenos de metilo y nueve hidrógenos del grupo terbutil. La integración habrá hecho un trazo para los hidrógenos ter-butil que es tres veces mayor que el trazo de los hidrógenos de metilo. El área relativa para los metilos y el terbutil es 1:3. Espectro de RMN de protón para un compuesto de fórmula C6H12O2. El alto valor de H-RMN como herramienta analítica se basa en los espectros de alta resolución en los cuales se pueden ver desdoblamientos. Estos desdoblamientos se deben al acoplamiento de los espines. Si hay un protón en un carbono adyacente al grupo metilo, ese protón podrá alinearse a favor del campo magnético o en contra. El efecto será que los protones del grupo metilo estarán sometidos a un campo magnético ligeramente superior o ligeramente inferior de resultando un desdoblamiento del pico, esto se conoce como doblete.
Pag:16 Si hay un grupo CH2 adyacente al grupo metilo, entonces hay tres posibles estados energéticos: Los dos protones paralelos al campo magnético Uno a favor y otro en contra Los dos en contra Esto da lugar a un triplete cuyos picos están en la proporción 1:2:1 Es posible predecir el desdoblamiento conociendo el número de protones adyacentes. El número de líneas es siempre uno más que el número de protones adyacentes. Uno de los desdoblamientos típicos es un cuarteto seguido de un triplete por la presencia del grupo etilo. -CH2- tiene tres protones adyacentes y se desdoblan en un cuarteto No tiene protones adyacentes así que no hay desdoblamiento
Pag:17 CH3, al lado del CH2 se desdobla en un triplete El espectro RMN del 1,1-dicloroetano presenta dos señales: δ = 5,9 ppm ; integración = 1 corresponde a -CHCl2 δ = 2,1 ppm ; integración = 3 corresponde a -CH3 El desdoblamiento de las señales se produce por el efecto del campo magnético vecino sobre el aplicado externamente, provocando que la frecuencia de resonancia cambie Efecto de grupo -CH- sobre el grupo -CH3 El espín del grupo metino -CH puede adoptar dos orientaciones con respecto al campo externo aplicado. Como resultado de ello la señal del grupo -CH3 vecino se desdobla en dos líneas de igual intensidad, un doblete. Efecto del grupo -CH3 sobre el grupo -CH
Pag:18 Los espines de los tres protones del grupo metilo pueden adoptar 8 combinaciones, que se pueden agrupar en cuatro opciones diferentes (en dos casos hay tres combinaciones equivalentes). Como resultado de ello la señal del grupo vecino -CH se desdobla en cuatro líneas con intensidades respectivas 1:3:3:1, un cuartete Podemos afirmar que la proximidad de n protones equivalentes en un carbono vecino provoca el desdoblamiento de la señal en n+1 líneas, el número de éstas se conoce como multiplicidad de la señal. Los protones equivalentes no se acoplan entre sí. Nº de protones Nº de picos Relaciones de área adyacentes (multiplicidad) 0 1 (singulete) 1 1 2 (doblete) 1 1 2 3 (triplete) 1 2 1 3 4 (cuadruplete) 1 3 3 1 4 5 (quintuplete) 1 4 6 4 1 5 6 (sextuplete) 1 5 10 10 5 1 6 7 (septuplete) 1 6 15 20 15 6 1 EJEMPLO 1: Número de picos: Entornos diferentes que rodean a los átomos de hidrógeno 3 Área bajo los picos Relación de áreas igual a la relación entre hidrógenos en cada entorno 3:2:3 Desplazamiento químico
Pag:19 EJEMPLO 2: Ejercicio: A cuál de las tres sustancias corresponde el RMN? Ácido propanoico EJEMPLO 3: Ejercicio: Qué información puede obtener del siguiente espectro sabiendo que la fórmula molecular del compuesto es C4H8O2?
Pag:20 3 entornos diferentes para los átomos de hidrógeno Los átomos de hidrógeno en estos tres ambientes están en una relación 2:3:3 Como son 8 hidrógenos, hay un grupo CH2 y dos grupos CH3 El grupo CH2 de 4.1 ppm tiene junto a él un grupo CH3 El grupo CH3 de 1.3 ppm tiene junto a él un grupo CH2 El grupo CH3 de 2.0 ppm tiene junto a él un carbono sin hidrógeno EJEMPLO 4: Ejercicio: Interpretación del espectro RMN-H: Están presentes 5 tipos de H en la proporción 5 : 2 : 2 : 2 : 3. Hay un singlete de 5 H, dos tripletes de 2 H cada uno, un cuartete de 2 H y un triplete de 3 H. Cada triplete indica que hay 2H en la posición adyacente, y un cuartete 3H en la misma posición. Por ello los picos a 4,4 y 2,8 ppm deben estar conectados como unidad CH2CH2. Los picos a 2,1 y 0,9 ppm deben formar CH2CH3. Usando la tabla de desplazamiento químico los H pueden ser asignados de la siguiente manera: 7.2ppm (5H) = ArH 4.4ppm (2H) = CH2O 2.8ppm (2H) = Ar-CH2
Pag:21 2.1ppm (2H) = O=CCH2CH3 0.9ppm (3H) = CH2CH3 Una de las aplicaciones más importantes es la obtención de imágenes por resonancia magnética. En 2003 dos científicos Paul C Lauterbur ( 1929-2007) USA y Meter Mansfield (1993-) United Kingdom ganaron el premio Nobel de Medicina por su trabajo en desarrollo del uso del RMN en diagnóstico médico. Los protones en agua, lípidos, carbohidratos etc. Dan diferentes señales dependiendo de su entorno. Se puede obtener una imagen del cuerpo completo construida situando al paciente dentro de una máquina de RMN. Estas imágenes sirven para diagnosticar cáncer, esclerosis múltiple, osteomielitis y hidrocefalia. Como esta técnica utiliza solo ondas de baja energía, ondas radio, es no invasiva y no causa ningún daño al paciente. Además de la resonancia magnética de los núcleos de hidrógeno hay otras resonancias de otros núcleos que también poseen espín como por ejemplo el C-13 o el P-31 y pueden ser utilizados para obtener imágenes por resonancia magnética RMI CRISTALOGRAFÍA DE RAYOS X La cristalografía de rayos X se usa para identificar las longitudes de enlace y los ángulos de enlace de compuestos cristalinos. La cristalografía de rayos X es una técnica consistente en hacer pasar un haz de rayos X a través de un cristal de la sustancia sujeta a estudio. El haz se escinde en varias direcciones debido a la simetría de la agrupación de átomos y, por difracción, da lugar a un patrón de intensidades que puede interpretarse según la ubicación de los átomos en el cristal, aplicando la ley de Bragg. Es una de las técnicas que goza de mayor prestigio entre la comunidad científica para dilucidar estructuras cristalinas, debido a su precisión y a la experiencia acumulada durante décadas, elementos que la hacen muy fiable. Sus mayores limitaciones se deben a la necesidad de trabajar con sistemas cristalinos, por lo que no es aplicable a disoluciones, a sistemas biológicos in vivo, a sistemas amorfos o a gases. Es posible trabajar con monocristales o con polvo microcristalino, consiguiéndose diferentes datos en ambos casos. Para la resolución de los parámetros de la celda unidad puede ser suficiente la difracción de rayos X en polvo, mientras que para una dilucidación precisa de las posiciones atómicas es conveniente la difracción de rayos X en monocristal. La cristalografía de rayos X desempeñó un papel esencial en la descripción de la doble hélice de la molécula de ADN.