espect rosco pia

7/17/2019 Espect Rosco Pia

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ESPECTROSCOPIA



Espectroscopía

Ultravioleta/visible (UV-vis)

Infrarrojo (IR)

Resonancia Magnética Nuclear (NMR)

Espectrometría de Masas



Espectroscopía

En espectroscopia, las transiciones entre

diferentes niveles de energía entre los

átomos y moléculas son registrados y

esta información se utiliza para obtener

información sobre una estructura química



El rango de energías que pueden usarse

en la espectroscopía es muy grande yabarca una proporción grande del

espectro electromagnético

VisibleX-Rays

Gamma

Rays

UV IR

Radio

Microwave

10- 11 10- 9 10- 7 10- 5 10- 3 10- 1 10 310

Wavelength (cm)



En un experimento típico, las moléculas o

átomos inician en un nivel de energía bajo y

pasan a un nivel de energía alto después de laabsorción de la radiación de longitud de onda

apropiada.

E n e r g y

Después

E Antes

E n

e r g í a



Después

Después

Antes

Absorción sólo puede ocurrir cuando la energía

de la radiación (calculado a partir de la

frecuencia o longitud de onda) coincide con ladiferencia de energía.

E n e r g í a Después

Si hay varios niveles superiores diferentes (y por

lo general son), entonces se observarán varias

transiciones.



Nos fijaremos solo en:

UV/visible ( más alta energía)

Infrarrojo (intermedia)

Radio frequencia (enegía más baja).

Pero en todos los casos:



Para registrar un espectro, se hace un barrido a

través de un intervalo apropiado de energías y sebusca la absorción a valores particulares.



La absorción da picos, cuando éstos se miden

esto da las diferencias de energía dentro de lamuestra. Estos pueden relacionarse con la

estructura.

Interpretación depende del rango deenergía investigado.



Espectroscópía UV/visible

Los compuestos químicos presentan color

porque absorben la luz visible.Por lo general, los compuestos orgánicos que

son incoloros absorben luz UV.



Absorción de la luz visible

¿A donde se va laenergía de los

fotones?



En la espectroscopia UV/visible la energía del fotón

que se absorbe se utiliza para conducir la molécula a

un estado electrónico excitado.

En la excitación, la energía de toda la molécula

aumenta.

E n e r g y

Después

E Antes

E n e r g

í a



Este cambio global se debe normalmente a lapromoción de un solo electrón de un orbital de

menor energía a uno de mayor energía. La

energía de la transición depende de la

distancia entre los dos orbitales.

En los compuestos orgánicos que tienen sólo

enlaces simples entre los átomos, la energía

de excitación muy alta - cae en el UV lejano.



H

H

H

H

e.g. ethene

Esta excitación da una disminución

dramática en orden de enlace

debido a la excitación de

Incluso si tienen una enlace p sencillo, la

excitación de un orbital molecular más alto

ocupado a un orbtial molecular más bajo cae en

el UV.

Un orbital de unión a uno de anti-unión



Si tenemos una molécula altamente

conjugada la separación de energíaentre los orbitales es más pequeño.

La excitación del electrón por lo tanto

tiene un efecto proporcionalmente

menor y requiere menos energía-la

diferencia de energía puede caer en la

región del visible.



Una vez más,

tenga en cuenta

que la transición

de menorenergía puede

estar en el

visible.

Pero también podemos excitar

a orbitales superiores con

fotones suficientementeenérgicos(UV)

H

H

H

H

H

H

Orbitales del Butadieno

Unión

Anti-unión

E n e r g í a



Con el aumento de la conjugación, la diferencia

de energía se refleja en la disminución de la

absorción a longitudes de onda más largas..



Las estructuras de muchos compuestos

coloridos muestran que estan ampliamente

conjugados.

HOOCCOOH

trans-Crocetin

16,17-DimethoxyViolanthrone

O

OMe OMe

O

N

NN

N

O

O H

H

NH2

Xanthopterin

beta-Carotene



Los sustituyentes adicionados a los compuesto pueden

alterar la energía de los orbitales

Auxocromos: sustituyentes que alteran la longitud de onda ola intensidad de la absorción debida al cromóforo

ORANGE

O

O

NH2

PURPLE

O

O

NH2

OH

BLUE

O

O

NHCH3

NHCH3



O

O

OH

O

O

O

HO O-

Los cambios en la composición química pueden dar

lugar a cambios de color pronunciados, ya que esto

puede alterar dramáticamente las energías de los

orbitales involucrados en las transiciones porejemplo, indicadores de pH.

-2H+

Phenolphthalein

pinkcolourless

O

O

OH

O

O

O

HO O-



N

N N

SO3

-

CH3

CH3

N

N N+

SO3

-

CH3

CH3

H

N

N N

SO3

-

CH3

CH3

N

N N+

SO3

-

CH3

CH3

H

Anaranjado de metilo

H+

red

orange-yellow



Resumen

La absorción de la radiación UV-vis produce la

excitación de electrones desde los orbitales llenos a

los vacantes, es decir estas son transiciones

electrónicas.

Las moléculas tienen espectros de absorción

característico.

La absorción puede conducir a materiales coloridos.

Indicadores pH utilizan el cambio de color entre las

formas ácidas y alcalinas de las moléculas.



Espectroscopía IR

Origen de la absorción

Espectrómetro

Espectro

Compuestos Orgánicos

Ejemplo



Origen de la absorción en IR

Los átomos en una molécula

vibran en una variedad de

formas (modos).

Los átomos pueden ser

considerados como pesos

conectados por resortes.

Cada modo de vibración tiene

su propia frecuencia de

resonancia.

symmetric

stretch

asymmetric

stretch

bending

CO2



Si el modo de vibracióninvolucra un cambio en

momento dipolarmolecular , la vibraciónpuede ser inducida porla absorción de un

fotón –

este es‘IR

- activo’

La energía adecuadapara esto esta en elinfrarrojo

symmetric

stretch

asymmetric

stretch

bending

no dipole

no dipole

change in dipole - IR active

change in dipole - IR active



Espectrometro IR



Espectro IR CO2

Cuanto mayor esel cambio endipolo, másintensa es la

absorción

El stretch simétrico no esta en el

IR activo

(no hay cambio en el dipole)

Número de onda /cm-1

Stretching mayor energía que bending

2800 2400 2000 1600 1200 800 4000

100

T r a n s m i t a n c i a / %



Mas complejo:

Espectro IR de compuesto orgánico

20004000 3000 1500 1000

Wavenumber/cm-1

500etanoato de etilo

(CH3COOCH2CH3)

C-O stretch

C=O bond



Grupos funcionales t ienen

frecuencies caracter ist icas

1000

Wavenumber / cm- 1

6501500200030004000

N H

C H

C O

C Cl

O H(all types)

C O

C C

C N

C C



Cuatro regiones en el espectro:

4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000

O-HN-HC-H

stretching

C CC NX Y Z

stretching

C CC OC N

stretchingN-Hbending

N O

other stretching,bending andcombinationbands:fingerprintregion

Longitud de onda / cm-1



Ejemplo problema Identifique dos grupos functional principales presentesen el compuesto que da el siguiente espectro

Este compuesto tiene la composición: C, 67.9%; H, 5.7%; N, 26.4%, and M r of 53. Sugiera

una estructura para el compuesto

4000 3600 3200 2800 2400 2000 1900 1800 1700 1600

Wavenumber / cm-1

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

T r a n s m

i t t a n c e / %

C-H CC

CN?

C=C

C=O?

C=N?



Combinando esta información con lossiguientes datos para deducir su estructura

C 67.9%

H 5.7%

N 26.4%M r 53

Fórmula = C3H3N

Estructura probable

Cianoeteno

H

H

H

C N



Resumen

Absorción de IR puede ocurrir si un modo de vibración

esta asociado con un cambio en el dipolo.

Groups Funcionales tienen una frequencia de absorcióncaracterístico

En combinación con otros datos analíticos, la estructura

de un compuesto orgánico puede frecuentementededucirse.



Espectroscopía de NMR

Bases de Espectroscopía NMR

Espectrómetro

Desplazamientos Químicos

Intensidad de la señal eintegración

Constantes de Acoplamiento

Ejemplo



Los núcleos atómicos se comportan

como pequeñas barras deimanes como resultado de su carga

y spin.

Bases de Epectroscopía de NMR

En presencia de un campo magnético

aplicado los estados de espín tienendiferente energía y el momento

magnético puede alinear con o en contra

del campo aplicado.

La diferencia de energía entre los dos estados de espín



La diferencia de energía entre los dos estados de espín

depende de la intensidad de campo magnético externo.

La irradiación de una muestra con energía de

radiofrecuencia correspondiente a la separación de estadode espín (DE) excitará los núcleos del estado de energía

+½ al estado de energía más alto -½.



Experimetno 1H NMR

Ejemplo , considere una muestra de agua en un campo

magnético externo de 2.3487 T irradiado por una radiaciónde 100.

Si el campo magnético se incrementa a 2.3488 T los

protones del agua en algún punto absorberan la energíade la rf (DE) y una señal de resonancia aparecerá



No todos los protones dan señales de resonancia en lamisma frecuencia de campo. Los electrones se mueven en

respuesta al campo aplicado y generan un campo magnético

secundario que se opone al campo aplicado. El campo

secundario protege el núcleo del campo aplicado y los

núcleos en diferentes entornos presentaran resonancia a

frecuencias diferentes.

Desplazamiento Químico

La diferencia en la frecuencia de resonancia se mide

como un desplazamiento químico, unidades

R d d l i t í i



Rango de desplazamiento químico

de protones



El área relativa de las señales de absorción puede

proporcionar información estructural valiosa.El área bajo un pico es proporcional al número de

un tipo dado de núcleos en la molécula.

Intensidad de la Señal

O

CH3

H3C

H H

MEK



La relación de equilibrio ceto-enol de la 2,4-pentanodiona

puede determinarse mediante espectroscopía de 1H NMR



Acoplamiento Spin-Spin

El campo magnético aplicado experimentado por un protón Ha serámodificado por el campo local, producido por su vecino Hb

Ha modifica el campo de Hb ya sea alineándose con o en contra

del campo aplicado y da 2 frecuencias de resonancia para Hb (doblete)

Del mismo modo Hb modifica el campo en Ha de 3 formas diferentes

(triplete)



Patrón de acoplamiento puede proporcionar valiosa

información estructural.

Protones químicamente equivalentes actúan como un grupo y

un pico debido a n protones adyacentes se divide en n + 1

líneas, con una constante de acoplamiento J

Espectro 1H NMR del



Espectro 1H NMR del

Acetato de Etilo

Espectro de 1H NMR del



Espectro de H NMR del

1,3-Dicloropropaneo



Problema

Dada la fórmula, deduzca la estructura

Integración correspondiente a 2H : 2H : 3H

Un triplete debe corresponder a 2 protones vecinos.Un sexteto debe corresponder a 5 protones vecinos

Por lo tanto, los grupos CH2, CH2 and CH3 estan presentes



Solución

Se puede deducir la conectividad a:

NO2

H

H

HH

H H

H



Espectroscopía de NMR involucra irradiación de una

muestra con radiación de radio frequencia

Protones en diferente ambiente químico tienen diferente

desplazamiento químico d

Protones en diferentes ambientes pueden acoplarse unos

a otros con una constante de acoplamiento J

La combinación de desplazamientos químicos yconstantes de acoplamiento proporciona valiosa

información estructural

Resumen



Espectrometría de Masas



¿Qué es un espectrómetro de

masas? Un espectrómetro de masas es un

instrumento que produce partículas cargadas

(iones) de sustancias químicas bajo análisis.

A continuación, utiliza campos magnéticos y /

o eléctricos para separar los iones y para

medir su masa.



Espectrómetro de Masas Esquema

Fuente

De

Iones

Analizador

de

Masa Detector

de Iones

Entrada Sistema

de Datos

Bomba

De Vacío

Introducción dela muestra

Salida deDatos



Generación de Iones

~70 Volts

+

_

+

_

e- e- e-

++ ++++

_

Colector de Electrones (Trampa)

Repeller

ExtractionPlate

Filamento

Al Analizador

Entrada

Electrones

MoléculasNeutras

Iones Positivos



El campo magnético ejerce una fuerza sobre

estos iones se mueven rápidamente y hace

que se muevan en una trayectoria circular,

cuyo radio depende de su relación masa a

carga (m/z) y velocidad.



Separación de la Masa

iones no detectadosm/z demasiado

grandes

iones no detectadosm/z demasiado

pequeños

Relación correcta m/zion detectado

Fuente

DeIones

Detector

S

N

Electromagneto



Aplicaciones

- Análisis químico (Investigación Química)

- Análisis ambiental - Análisis de productosderivados del petróleo

- Metales traza

- Materiales biológicos

Espectrómetros de masas se utilizan para todo tipoanálisis químicos:

¿Cómo se usa la información del



¿

espectro de masas?

Si un haz de electrones se dirige a través de

vapor de agua en la fuente de un espectrómetro

de masas, algunos de los electrones golpearánlas moléculas de agua y se desprendera un

electrón, produciendo iones cargados del agua :

H2O + 1 electrón (rápido) [H2O]+ + 2 electrones

Usemos el agua (H2O) como ejemplo.

I t l t ó i b



Impacto electrónico sobre una

molécula de agua

Algunas de las colisiones entre las moléculas de

agua y los electrones será tan fuerte que las

moléculas de agua se romperán en fragmentos. Para

el agua, estos fragmentos serán [OH]+

, O+

, and H+

con las siguientes masas:

1 = H+

16 = O+

17 = [OH]+

18 = [H2O]+



Espectro de Masas del Agua

AbundanciaRelativa

Masa

(relación masa-a-carga)

1

17

16

18 [H2O]+

[OH]+

O+

H+

Ej l



Ejemplos

Alcoholes

Pentan-3-ol

CH3CH

2

OH

H

CH2CH

3



CH3CH

2

OH

H

CH2CH

3

59

m/z(ion padre) = 88

El ión molecular de un alcohol es pequeño o

inexistente. La escisión del enlace C-C vecino al

oxígeno ocurre generalmente

La pérdida de H2O como en el espectro de abajo.



Alcanos

Hexano

CH3 CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

Pico del ion molecular esta presente, posiblemente con baja



m/z(ion padre) = 86

CH3

CH

2

CH

2

CH

2

CH

2

CH3

15 43 71

5729

intensidad. El patrón de fragmentación contiene grupos de

picos de 14 unidades de masa separadas (que representan

la pérdida de (CH2)n CH3).



Aromáticos

Naftaleno



Picos del ion molecular son fuertes debido a la estructura

estable.

100

80

60

40

20

0

mass / charge (m/z) r e l a t i v e

a b u n d a n c e

128

100806040200 120 140

m/z(ion padre) = 128



Esteres

Etanoato de etilo

CH3

O

O CH2CH

3

Los fragmentos aparecen debido a la ruptura del enlace



Los fragmentos aparecen debido a la ruptura del enlace

vecino al C = O (pérdida de grupo alcoxi, -OR) y

reordenamientos de hidrógeno.

10080

60

40

20

0100806040200

masa / carga (m/z) a b u n d

a n c e i a r e l a t i v

a-OCH2CH3

-C2H3

43

45

88 61

CH3

O

O CH2CH

3

61

43 45

HH

m/z(ion padre) = 88



Halogenuros orgánicos

Cloroeteno

H

H

H

Cl

Isótopos se muestran por espectrometría de masas



La abundancia natural de cada isótopo da una

fragmentación característica

e.g. 35Cl:37Cl esta en una relación 3:1 por lo tanto los picos

que contienen Cl estan en una relación 3:1 y separados por

2 unidades de masa

27

m/z(ion padre) = 62/64

H

H

H

Cl 64

62

3537

100

80

60

4020

030 40 50 60

H2C = CH-Cl27

26

Resumen



La espectrometría de masas implica la ionización de

moléculas y átomos.

El espectrómetro de masas mide la relación masa a carga.

En la ionización de la molécula puede romperse dandofragmentos de diferentes relaciones de m/z.

Cada molécula tiene un patrón de fragmentación

característico que se puede utilizar para identificar la

molécula.

Resumen

espect rosco pia

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