ESPECTROMETRÍA ULTRAVIOLETA (UV)

FUNDAMENTO.

La base de la espectroscopia Visible y Ultravioleta consiste en medir la intensidad del color (o de la radiación absorbida en UV) a una longitud de onda específica comparándola con otras soluciones de concentración conocida (soluciones estándar) que contengan la misma especie absorbente. Para tener esta relación se emplea la Ley de Beer, que establece que para una misma especie absorbente en una celda de espesor constante, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración.

A = εdc

Donde

A = Absorbencia

ε = Coeficiente molar de extinción

d = Distancia en cm

c = Concentración molar

La coloración de la solución se debe a la especie absorbente y esta coloración puede ser natural o inducida. La coloración natural puede ser la base de la cuantificación de una especie.

La principal aplicación de la espectroscopia de UV-VIS, la cual depende de transiciones

entre niveles de energía electrónica, es para identificar sistemas de electrones π conjugados.

Energías mucho mayores separan los estados vibratorios, más que los estados de espin

nuclear, y las diferencias de energía entre los estados electrónicos son mayores aún. La energía

requerida para promover un electrón de un estado electrónico al siguiente encuentra en el

intervalo visible y ultravioleta del espectro electromagnético.

Por lo general se identifica la radiación en el intervalo UV-VIS por su longitud de onda en

manómetros (1nm= 10 m).Por tanto la región visible corresponde a 400 a 800. La luz roja es el

extremo de menor energía (longitud de onda larga) del espectro visible; la luz violeta, el extremo

de energía alta (longitud de onda corta). La luz ultravioleta se encuentra más allá del espectro

visible con longitudes de onda en el intervalo del 200 a 400 nm.

En la mayoría de los espectros de UV la absorción es bastante ancha y con frecuencia se

habla de ella como una” banda” en lugar de un “pico”. La longitud de onda en un máximo se

conoce como la de absorción λmax de la banda. Además de la λmax las bandas de UV-VIS se

caracterizan por su absorbancia (A) la cual sirve para medir la radiación que es absorbida cuando

pasa a través de la muestra. Para corregir los efectos de la concentración y la longitud de la

trayectoria, la absorbancia se convierte en absortividad molar (ε) dividiéndola entre la

concentración c en moles por litro y la longitud de la trayectoria ι en centímetros, en un arreglo de

la ecuación de Lambert- Beer.

La absortividad molar, cuando se mide a la λmax, se cita como εmax. Por lo normal se

expresa sin unidades. Tanto λmax como εmax son afectados por el disolvente, lo cual por

consiguiente se incluye cuando se reportan datos espectroscópicos de UV-VIS.

El espectro Ultravioleta y Visible de las moléculas está asociado a transiciones electrónicas

entre los diferentes niveles energéticos en ciertos grupos o átomos de la molécula y no

caracterizan a la molécula como entidad.

La absorción de la radiación UV-.excita un electrón del orbital molecular de mayor energía

ocupado (HOMO) con el LUMO el orbital molecular de menor energia desocupada (LUMO) en

alquenos y polienos, tanto el HOMO como el LUMO son orbítales tipo π (en lugar de σ), el HOMO

es el orbital π de mayor energía y el LUMO es el orbital π* de menor energía. La excitación de uno

de los electrones π a partir de un orbital π de enlace a un orbital π* de antienlace se conoce como

transición ππ*.

La absorción de energía radiante en el Ultravioleta o Visible por los electrones n, s ó p

resulta en la excitación de éstos, los cuales pasan a ocupar alguno de los orbitales antienlazantes.

La absorción de radiación Ultravioleta o Visible es capaz de efectuar dichas transiciones. Es

necesario hacer notar que asociado a estas transiciones electrónicas existen cambios rotacionales

y vibracionales en la molécula lo cual origina que el espectro obtenido se aun espectro de bandas

y no un espectro de una o más líneas aguda.

a bandas débiles usualmente en la región UV-cercana (baja energía de transición).

La diferencia de energía HOMO- LUMO y, en en concecuencia a λmax para la transición

ππ* varía con los constituyentes: aumento de sustituyentes metilo en el enlace doble y

extensión de la conjugación. Ambos causan el desplazamiento de λmax a longitudes de onda más

largas, pero el efecto de conjugación es más grande de los dos. Con base en datos recolectados

para muchos dienos, se ha encontrado que cada sustituyente metilo en los enlaces dobles causa

un desplazamiento a longitudes de onda más largas, de alrededor de 5nm, mientras que la

extensión de la conjugación causa un desplazamiento de alrededor de 36 nm por cada enlace

doble adicional.

Todo lo que se requiere para un compuesto sea colorido es que posea una absorción en el

intervalo visible. Con frecuencia sucede que un compuesto tendrá su λmás en la región UV, pero el

pico es ancho y se extiende hasta la visible. La absorción de los componentes azul a violeta de la

luz visible hace que el compuesto aparezca amarillo.

Los otros tipos de transiciones posibles se comentan a continuación, y sirven para

identificar el tipo de compuestos con el que se trata:

Transiciones σσ*. Se presentan en todos los compuestos orgánicos. Son en general de gran energía (UV de vacío) e intensidad.

2.-Transiciones σπ* y πσ*. Son posibles solo en compuestos insaturados. Son transiciones de baja intensidad (regiones de definición de los orbitales involucrados diferentes)en el UV lejano. Carecen de interés práctico.

3.-Transiciones nσ*. Se presentan en compuestos con heteroátomos (O, N, S, Hal), generalmente en la región cercana a los 200 nm. La intensidad es variable dependiendo de la naturaleza del orbital n.

4.- Transiciones ππ*. Presentes solo en compuestos insaturados. En ausencia de conjugación estas transiciones se presentan en UV de vacío. Dan lugar a bandas intensas que `pueden aparecer en UV cercano si está presente insaturación conjugada.

Transiciones nπ*. Presentes en compuestos insaturados con heteroátomos (grupos carbonilo, nitro, azo, tiocarbonilo). Dan lugar Resulta conveniente definir algunos términos usuales en espectroscopia UV-Vis que tienen

en parte origen en antiguas teorías sobre el origen del color de las sustancias.

Grupo cromóforo: grupo covalente insaturado que origina bandas de absorción

alectrónicas (ππ*

). Ejemplos típicos son los grupos vinilo, carbonilo, fenilo, nitro.

Grupo auxócromo: grupo saturado(generalmente conteniendo pares electrónicos libres) que unido a un cromóforo altera tanto la posición como la intensidad de la banda de absorción de éste. Auxócromos típicos son los grupos –OH, -NH

2, -Cl, -Br, -CH

3.

Efectos batocrómico e hipsocrómico: desplazamientos del máximo de absorción de una banda a mayores o menores longitudes de onda respectivamente, debido a la introducción de un sustituyente, cambio de solvente o pH o cualquier otra causa.

Efectos hipercrómico e hipocrómico: incremento o decremento de la intensidad de una banda de absorción debido a la introducción de un sustituyente, cambio de solvente o pH o cualquier otra causa.

INSTRUMENTACIÓN Y PRINCIPIO.

Fuente de luz

La misma ilumina la muestra. Debe cumplir con las condiciones de estabilidad,

direccionabilidad, distribución de energía espectral continua y larga vida. Las fuentes empleadas

son lámpara de tungsteno y lámpara de arco de xenón.

Monocromador

Para obtener luz monocromática, constituido por las rendijas de entrada y salida,

colimadores y el elemento de dispersión. El monocromador aísla las radiaciones de longitud de

onda deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto.

Fotodetectores

En los instrumentos modernos se encuentra una serie de 16 fotodetectores para percibir

la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda, cubriendo el espectro visible. Esto reduce

el tiempo de medida, y minimiza las partes móviles del equipo.

INTERPRETACIÓN DE DATOS.

Las transiciones electrónicas en moléculas se presentan en forma de bandas, como ya se vio anteriormente, con modificación simultanea de los niveles de energía vibracionales y rotacionales. En moléculas pequeñas en fase gaseosa es posible observar la estructura fina vibracional de las bandas electrónicas con subestructura rotacional no bien resuelta. En moléculas más complejas la multiplicidad de los niveles vibracionales hace que el gran número de transiciones de similar energía produzca bandas de absorción continuas sin estructura fina vibracional evidente. Esto es también lo usual cuando se registran los espectros de absorción UV en fases condensadas (soluciones, sólidos).

Las principales características de una banda de absorción son: posición del máximo, intensidad y anchura.

La posición de una banda, dada por la del máximo de absorción, depende de la energía de la transición (relación de Bohr) y se reporta usualmente como max λ /nm o número de onda max ν /cm-1.

La intensidad de una banda de absorción puede expresarse como absortividad molar en el máximo, o más correctamente como intensidad integrada. Esta intensidad depende del cuadrado del momento dipolo de la transición (cambio en la distribución de cargas eléctricas durante la transición). Se producen absorciones intensas cuando una transición es acompañada por un gran cambio en la distribución de cargas (ε max del orden de 104), por otra parte las transiciones con pequeño cambio en la distribución de cargas producen débiles bandas de absorción (ε max del orden de 102

o inferiores). Dados los valores típicos de las absortividades molares en el UV, es común trabajar con soluciones de concentraciones 10-3

a 10-5

molL-1. La anulación del momento dipolo de transición y por lo tanto la ausencia o baja intensidad de una banda de absorción está vinculada con la simetría de las funciones de onda y se expresa a través de las reglas de selección que estudiaremos posteriormente.

La anchura de una banda de absorción electrónica depende del número e intensidad de los componentes vibracionales de la transición correspondiente. La distribución de intensidades entre los componentes vibracionales de una transición electrónica depende de los cambios en la geometría de equilibrio de los estados base y excitados y es interpretada sobre la base del Principio de Franck Condon.

APLICACIONES.

La espectroscopia UV-visible se utiliza para identificar algunos grupos funcionales de

moléculas, y además, para determinar el contenido y fuerza de una sustancia.

Se utiliza de manera general en la determinación cuantitativa de los componentes de

soluciones de iones de metales de transición y compuestos orgánicos altamente conjugados.

Se utiliza extensivamente en laboratorios de química y bioquímica para determinar

pequeñas cantidades de cierta sustancia, como las trazas de metales en aleaciones o la

concentración de cierto medicamento que puede llegar a ciertas partes del cuerpo.

ESPECTROMETRÍA INFRA-ROJO (IR)

FUNDAMENTO.

Antes de la Espectroscopia de RMN, la espectroscopia de infrarrojo (IR) era él método

instrumental aplicado con más frecuencia para la determinación de las estructuras orgánicas

Aunque la espectroscopia de RMN, en general, proporciona más información sobre la estructura

de un compuesto desconocido, la de IR todavía conserva un lugar importante en el inventario de

métodos electroscopios del químico debido a su utilidad en la identificación de la presencia de

ciertos grupos funcionales dentro de una molécula.

La radiación infrarroja es la porción del espectro electromagnético entre la microondas y la

luz visible. La fracción de la región infrarroja de más uso para la determinación de estructuras se

encuentran entre 2.5 X 10-16 y 16 X 10-6 m en longitud de onda. Dos unidades empleadas por lo

común en la espectroscopia de IR son el micrómetro y el número de onda. Un micrómetro (μm) es

10-6 m, y los espectros de IR registran la región de 2.5 μm a 16 μm corresponde a 4000 a 625 cm-1,

una ventaja de usar números de onda es que son directamente proporcionales a la energía. Por

tanto, 4 000 cm-1 es el extremo de energía alta de la escala , y 625 cm.1 es el extremo de energía

baja .

La radiación electromagnética en la

región de 4 000 a 625 cm corresponde a la

separación entre estados de energía

vibratoria adyacentes en moléculas

orgánicas. La absorción de un fotón de

radiación infrarroja excita una molécula

desde su estado vibratorio más bajo, o

basal, a uno mayor. Estas vibraciones

incluyen los modos de alargamiento y de

torsión del tipo ilustrado para un grupo

metileno. Una sola molécula puede tener

un número grande de vibraciones distintas,

y los espectros de IR de moléculas

diferentes, como las huellas digitales, son

diferentes. La superposición de sus

espectros de IR se ofrece por lo común

como prueba de que dos compuestos son

iguales.

INSTRUMENTACIÓN Y PRINCIPIO.

Este instrumento está basado en el principio del interferómetro de Michelson, que funciona del siguiente modo: la radiación primero golpea a un divisor o separador que escinde el haz de la luz en dos partes iguales (espejo semirreflejante). Estos dos haces de luz interfieren en el divisor después en su viaje de vuelta cuando son reflejados sobre otros dos espejos. Uno dispuesto frente a la trayectoria del haz original (espejo móvil 1) y el otro perpendicular (espejo fijo 2). En esta trayectoria se dispone la muestra y a continuación el detector IR (ver figura)

La intensidad resultante de la superposición de los dos haces es medida como función del desfase (s) del espejo móvil en su desplazamiento respecto la posición intermedia. El gráfico resultante (Intensidad vs. Desfase) se denomina interferograma.

La transformación de Fourier se usa como método matemático para el desarrollo en serie la curva obtenida (interferograma). La transformada está constituida por el sumatorio de senos y cosenos de las distintas frecuencias ópticas que componen la radiación. Gracias a un programa de ordenador este tedioso cálculo matemático se simplifica y se obtienen resultados exactos y rápidos de la frecuencias elementales contenidas en el interferograma. La transformada de Fourier (o desarrollo en serie de Fourier) del interferograma es el espectro ordinario obtenido por aparatos convencionales IR.

En efecto, el interferograma contiene la absorción completa de la muestra descrita para cada longitud de onda por la correspondiente disminución de intensidad luminosa. El interferograma más sencillo corresponde a una radiación monocromática (una sola frecuencia), obteniéndose una curva función coseno de la frecuencia correspondiente. En cualquier interferograma cada punto contiene datos de todas las frecuencias que contiene el espectro completo y no de una sola frecuencia como en el espectro ordinario.

Así la información de una señal con forma de coseno en el detector (interferograma más simple) sería mostrada después de la trasformada como una sola línea de un número de onda particular (luz monocromática de una sola frecuencia). Pero cualquier interferograma común es el resutado de la combinación de múltiples frecuencias que con la TF es posible descubrir.

PREPARACIÓN DEL ANALITO.

Los espectros de IR pueden ser registrados en una muestra sin importar su estado físico,

sólido, liquido, gaseoso o disuelto en algún solvente.

Los sólidos pueden ser disueltos en un disolvente adecuado como tetracloruro de carbono

o cloroformo. En forma más común, sin embargo, una muestra sólida se mezcla con bromuro de

potasio y la mezcla se presiona hasta formar una tableta delgada, la cual se coloca en el camino

del rayo de IR.

Las muestras gaseosas requieren poca preparación más allá de su purificación, pero se usa una celda de muestra con una larga longitud de celda (usualmente 5-10 cm) pues los gases muestran absorbancias relativamente débiles.

Las muestras líquidas se pueden disponer entre dos placas de una sal de alta pureza (comúnmente cloruro de sodio, o sal común, aunque también se utilizan otras sales tales como bromuro de potasio o fluoruro de calcio. Las placas son transparentes a la luz infrarroja y no introducirán líneas en el espectro. Algunas placas de sal son altamente solubles en agua, y así la muestra, agentes de lavado y similares deben estar completamente anhidros (sin agua).

Las muestras sólidas se pueden preparar principalmente de dos maneras. La primera es moler la muestra con un agente aglomerante para formar una suspensión (usualmente nujol) en un mortero de mármol o ágata. Una fina película de suspensión se aplica sobre una placa de sal y se realiza la medición.

El segundo método es triturar una cantidad de la mezcla con una sal especialmente purificada (usualmente bromuro de potasio) finamente (para remover efectos dispersores de los cristales grandes). Esta mezcla en polvo se comprime en una prensa de troquel mecánica para formar una pastilla translúcida a través de la cual puede pasar el rayo de luz del espectrómetro.

Es importante destacar que los espectros obtenidos a partir de preparaciones distintas de la muestra se verán ligeramente distintos entre sí debido a los diferentes estados físicos en los que se encuentra la muestra y a que en algunos casos los agentes aglomerantes también absorben en IR mostrando bandas características.

INTERPRETACIÓN DE DATOS.

Un espectro de IR típico aparece como una serie de picos de absorción de forma e

intensidad variables. Casi todos los compuestos orgánicos exhiben un pico o grupo de picos cerca

de 3 000 cm-1 debido al alargamiento carbono–hidrógeno. Los picos de 1460 a1 380 y 725 cm-1 se

deben a diversas vibraciones de torsión.

Al usar espectroscopia de IR para la determinación de estructuras, por lo general se

destacan los picos de intervalo de 4 000 a 1 600 cm-1 porque ésta es la región en la cual se

encuentran las vibraciones características de los grupos funcionales particulares. La región 1300 a

625 cm-1 se conoce como la región de huellas digitales, es aquí donde el patrón de picos varía más

de un compuesto a otro.

Los alquenos muestran un pico a 1640 cm-1 correspondiente a su vibración de

alargamiendo C=C. los picos cercanos a 1000 y 900 cm-1 son vibraciones de torsión que implican a

los hidrógenos de los carbonos de enlace doble.

Las vibraciones de alargamiento carbono-hidrógeno con frecuencia por arriba de 3 000 cm

también se encuentran en arenos. En este tipo de compuestos también aparecen bandas

características que muestran el grado de sustitución, ya sean monosustituídos, disustituídos, etc,

ya que cada patrón de sustitución forma combinaciones diferentes de picos.

Además de los modos de alargamiento sp C-H, hay otras vibraciones de alargamiento que

aparecen en frecuencias por arriba de 3 000 cm-1, la más importante de estas es el alargamiento

O-H de los alcoholes. En solución diluida , donde los puentes de hidrogeno son menores y las

moléculas de alcohol individuales están presentes al igual que los agregados de puentes de

hidrogeno, aparece un pico adicional aproximadamente a 3 600 cm-1.

Los grupos carbonilo se clasifican entre las unidades estructurales que se revelan con más

facilidad por espectroscopia de IR, El modo de alargamiento del enlace doble carbono–oxigeno da

origen a un pico muy fuerte en la región de 1 650 a 1800 cm-1.

La posición del pico carbonilo varia con la naturaleza de los sustituyentes en el gorupo

carbonilo. Por tanto, frecuencias características se asocian con aldehídos y cetonas, amidas,

esteres, como se resume en la tabla.

APLICACIONES.

La espectroscopia infrarroja es ampliamente usada en investigación y en la industria como una simple y confiable práctica para realizar mediciones, control de calidad y mediciones dinámicas. Los instrumentos son en la actualidad pequeños y pueden transportarse fácilmente, incluso en su uso para ensayos en terreno. Con una tecnología de filtración y manipulación de resultados en agua, las muestras en solución pueden ser medidas con precisión (el agua produce una absorbancia amplia a lo largo del rango de interés, volviendo al espectro ilegible sin este tratamiento computacional). Algunas máquinas indican automáticamente cuál es la sustancia que está siendo medida a partir de miles de espectros de referencia almacenados.

Al medir a una frecuencia específica a lo largo del tiempo, se pueden medir cambios en el carácter o la cantidad de un enlace particular. Esto es especialmente útil para medir el grado de polimerización en la manufactura de polímeros. Las máquinas modernas de investigación pueden tomar mediciones infrarrojas a lo largo de todo el rango de interés con una frecuencia de hasta 32 veces por segundo. Esto puede realizarse mientras se realizan mediciones simultáneas usando otras técnicas. Esto hace que la observación de reacciones químicas y procesos sea más rápida y precisa.

ESPECTROMETRÍA DE MASAS

FUNDAMENTO.

La espectrometría de masas difiere de los otros métodos instrumentales expuestos en este

capítulo en una forma fundamental. No depende de la absorción de radiación electromagnética,

sino más bien examina lo que sucede cuando una molécula es bombardeada con electrones de

energía alta. Si un electrón que tiene una energía de alrededor de 10 electrovoltios (10eV= 230.5

kcal/mol) choca con una molécula orgánica, la energía transferida como resultado de esa colisión

es suficiente para desplazar uno de los electrones de la molécula.

Se dice que la molécula AB ha sido ionizada por impacto electrónico. La especie que

resulta, llamada ion molecular, tiene carga positiva y tiene un número non de electrones, es un

catión radical. El ion molecular tiene la misma masa (menos la masa insignificante de un solo

electrón) que la molécula de la que se formó.

Aunque se requieren energías de alrededor de 10 eV, se usan energías de unos 70 eV. Los

electrones así de energéticos no sólo causan ionización de una molécula sino que imparten una

gran cantidad de energía al ion molecular, energía suficiente para romper enlaces químicos. El ion

molecular libera este exceso de energía al disociarse en fragmentos con carga positiva.

La ionización y fragmentación produce una mezcla de partículas, algunas neutras y algunas

con carga positiva.

INSTRUMENTACIÓN Y PRINCIPIO.

Para entender lo que sigue es necesario examinar el diseño de un espectrómetro de masas

de impacto electrónico, mostrando en un diagrama esquemático .La muestra es bombardeada con

electrones de 70 eV, y los iones con carga positiva resultantes (el ion molecular al igual que

fragmentos iónicos) son dirigidos a un tubo analizador rodeado por un imán. Este imán desvía los

iones de su trayectoria original, causando que adopten una trayectoria circular cuyo radio

depende de su razón masa-carga (m/z). Los iones de m/z pequeña son desviados más que los m/z

más grande. Al variar ya sea la fuerza del campo magnético o el grado en que los iones son

acelerados al entrar al analizador, los iones de una m/z particular pueden ser enfocados en forma

selectiva a través de una apertura estrecha hacia un detector, donde son contados. El escaneo de

todos los valores m/z de la distribución de iones de m/z de la distribución de iones positivos,

llamados espectro de masas, características de un compuesto particular.

Los espectros de masas modernos tienen conexiones con sistemas de manejo de datos

computarizados capaces de mostrar el espectro de masas de acuerdo con formatos diferentes.

Gráficas de barras en las que se traza la intensidad relativa frente a m/z son las más comunes.

Diagrama de un espectrómetro de masas. Sólo se detecta iones positivos. El catión

X+ tiene la razón masa-carga más baja y su trayectoria es desviada por el imán. El

catión Z+ tiene la razón masa-carga más alta y su trayectoria es desviada menos.

PREPARACIÓN DEL ANALITO.

En el sistema de entrada de muestras, un micromol o menos de muestra se convierte al estado gaseoso por calentamiento a unos 400ºC y se introduce lentamente en la cámara de ionización. La finalidad del sistema de entrada es permitir la introducción de una muestra representativa en la fuente de iones con la mínima perdida de vacío. En los espectrómetros de masas más modernos encontramos diferentes tipos de sistemas de entrada:

Sistemas indirectos de entrada: es el sistema más clásico y el más simple, en el cual la muestra se volatiliza externamente y se introduce en la región de ionización que esta a baja presión. El sistema de entrada es normalmente de vidrio para evitar posibles pérdidas por adsorción.

Entrada por sonda indirecta: los líquidos y los sólidos no volátiles se pueden introducir en la región de ionización mediante un soporte para muestra o sonda, el cual se inserta a

través de un cierre de vacío. El sistema de cierre se utiliza para controlar la cantidad de aire que entra después de la inserción de la sonda en la región de ionización. Las sondas también se usan cuando la cantidad de muestra es limitada ya que se pierde mucha menos cantidad.

Sistemas de entrada cromatrográficos y de electroforesis capilar: es un tipo de sistema de entrada especial, esta indicado su uso cuando al espectrómetro de masa va acoplado un sistema de cromatrografía de gases o de líquidos de alta eficacia o a columnas de electroforesis capilar que permiten la separación y determinación de los componentes de mezclas complejas (Métodos, 2006)

INTERPRETACIÓN DE DATOS.

El espectro de masa de benceno es relativamente simple e ilustra algo de la información

que proporciona la espectrometría de masas. El pico más intenso en el espectro de masas se llama

pico base y se le asigna una intensidad relativa de 100. Las abundancias de los iones son

proporcionales a las intensidades de los picos y se reportan como intensidades relativas al pico

base. El pico base en el espectro de masas del benceno corresponde al ion molecular (M+)a

m/z=78.

El benceno no experimenta una fragmentación extensa, ninguno de los fragmentos ionicos

en su espectro de masas es tan abundante como el ion molecular.

Hay un pico pequeño una unidad de masa más alto que M—en el espectro de masas del

benceno, ¿Cuál es el origen de este pico? La mayoría de de las moléculas de benceno sólo

contienen 12C y 1H y tienen una masa molecular de 78. Proporciones más pequeñas de molécula de

benceno contienen 13C en lugar de uno de los átomos 12C, o 2H en ligar de uno de los protones.

Ambas de estas especies tienen una masa molecular de 79.

No solo el pico del ión molecular sino todos los picos en el espectro de masas del benceno

están acompañados por un pico más pequeño una unidad de masa más grande. En efecto, debido

a que todos los compuestos orgánicos contienen carbono y la mayoría contiene hidrógeno,

aparecerás agrupamientos isotópicos similares en los espectros de masas de todos los

compuestos orgánicos.

Los agrupamientos isotópicos son evidentes en especial cuando átomos como el bromo y

el cloro están presentes en un compuesto orgánico.

En el espectro del clorobenceno hay dos picos de ion molecular prominentes, uno en m/z

112 para C6H535Cl y el otro en m/z 114 para C6H5

37Cl. El pico en m/z 112 es tres veces más intenso

que el de m/z 114.

A diferencia del caso del benceno, en el cual la ionización implica pérdida de un electrón π

del anillo, la ionización inducida por impacto electrónico del clorobenceno implica pérdida de un

electrón de un par no compartido de cloro. Entonces se fragmenta la ruptura del enlace carbono-

cloro.

El pico de m/z 77 en el espectro de masas del cloro benceno, se atribuye a una

fragmentación. Debido a que no hay pico de intensidad significativa dos unidades de masa

atómica más altas, se sabe que el catión responsable del pico m/z 77 no puede contener cloro.

Algunas clases de compuestos son tan propensas a la fragmentación que el pico del ion

molecular es muy débil. El pico base de la mayoría de los alcanos no ramificados, por ejemplo, es

m/z de 57, 71, 85, etc. Estos picos corresponden a la ruptura de cada enlace carbono-carbono

posible en la molécula. Este patrón es evidente en el espectro de masas del decano, presentando

puntos de ruptura de acuerdo al siguiente diagrama:

Muchas fragmentaciones en la espectrometría de masas proceden de tal manera que

forman un carbocatión estable, y se aplican los principios que se han desarrollado respecto a la

estabilidad de los cationes. Los alquilbencenos del tipo C6H5CH2R experimentan la ruptura del

enlace con el carbono bencílico para formar m/z 91 como el pico base.

Entender como de fragmentan las moléculas con el impacto electrónica permite analizar

un espectro de masas con suficiente detalle para deducir la estructura de un compuesto

desconocido. Se han analizado miles de compuestos de estructura conocida por espectrometría de

masas, y los patrones de fragmentación que caracterizan a diferentes clases están bien

documentados.

APLICACIONES.

Aplicaciones cualitativas

Determinación del peso molecular de todas las sustancias que pueden volatilizarse por la posición del pico correspondiente a la masa patrón.

Determinación de la formula molecular. Si el instrumento es de gran resolución bastará la determinación precisa de su masa molecular para poder atribuirle una fórmula empírica. Otras veces puede determinarse por la relación entre las alturas del pico correspondiente a la masa patrón y la de los picos de los isótopos. Existe una tercera forma que sería con la regla del nitrógeno, según la cual todas las sustancias orgánicas con peso molecular par deben de contener un número par o ningún átomo de N y los de número impar deben de contener un número impar. Por el contrario los fragmentos moleculares por rotura de enlace, tienen una masa impar si contienen cero o número par de átomos de N y masa par si el número de átomos de N es impar.

Identificación de compuestos por su fragmentación patrón: la fragmentación de la mayor parte de las moléculas produce un gran número de picos que permiten la identificación de

numerosos compuestos y el reconocimiento de ciertos grupos funcionales de ellos. Se han descrito una serie de reglas generales que rigen los procesos de fragmentación, los cuales son de gran utilidad para la determinación de los espectros.

Identificación de productos de reacción o de productos metabólicos: se usa en cinética química y en farmacología pudiéndose llegar a identificar impurezas y metabolitos a concentraciones de pocas partes por millón.

Caracterización y análisis de polímeros: el polímero se piroliza en condiciones controladas y los productos volátiles se hacen pasar a un espectrómetro para su análisis.

Análisis de sangre: gracias ala rapidez del método, se puede emplear incluso como control durante un proceso quirúrgico. Así se puede determinar a gran velocidad las concentraciones hemáticas de monóxido y dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, gases anestésicos (como el NO).

Estudiar la abundancia de isótopos: Esta fue la finalidad con la que fue creada la técnica y en la actualidad se usa para análisis por dilución de isótopos, estudios con trazadores isotrópicos, estudiar la edad de las muestra por su proporción de isótopos con la ventaja frente a los radiactivos que se pueden medir los isótopos no radiactivos.

Aplicaciones cuantitativas

Para la determinación cuantitativa de los componentes de una mezcla es conveniente que cada uno de ellos presente por lo menos un pico que difiera claramente de los demás. La calibración se realiza por comparación de los picos con patrones adecuados. Las alturas de los picos son directamente proporcionales a las presiones parciales de los componentes volatilizados en la muestra.

Las aplicaciones cuantitativas de la espectrometría de masas para analisis cuantitativo son de dos tipos:

Determinación cuantitativa de especies moleculares o tipos de especies moleculares en muestras orgánicas, biológicas y ocasionalmente inorgánicas: normalmente tales analisis se llevan a cabo haciendo pasar la muestra a través de una columna cromatrográfica o de electroforesis capilar y posteriormente por el espectrómetro.

Determinación de la concentración de elementos en muestras inorgánicas y, en menor medida, de muestras orgánicas y biológicas: las concentraciones de analito en este caso se obtienen directamente a partir de las alturas de los picos de los espectros de masas. Se crean curvas de calibrado que nos permiten el analisis cuantitativo gracias a la existencia de picos únicos para cada componente y cada valor de m/z.

ESPECTROMETRÍA RMN

FUNDAMENTO

Es una técnica empleada principalmente en la elucidación de estructuras moleculares,

aunque también se puede emplear con fines cuantitativos.

Algunos núcleos atómicos sometidos a un campo magnético externo absorben radiación

electromagnética en la región de las frecuencias de radio o radiofrecuencias. Como la frecuencia

exacta de esta absorción depende del entorno de estos núcleos, se puede emplear para

determinar la estructura de la molécula en donde se encuentran éstos.

Para que se pueda emplear la técnica los núcleos deben tener un momento magnético

distinto de cero. Esta condición no la cumplen los núcleos con número másico y número atómico

par (como el 12C, 16O, 32S). Los núcleos más importantes en química orgánica son: 1H, 13C, 31P,

19F y 15N. Otros núcleos importantes: 7Li, 11B, 27Al, 29Si, 77Se, 117Sn, 195Pt, 199Hg, 203Tl,

205Tl, 207Pb

Se prefieren los núcleos de número cuántico de espín nuclear igual a 1/2, ya que carecen

de un momento cuadrupolar eléctrico que produce un ensanchamiento de las señales de RMN.

También es mejor que el isótopo sea abundante en la naturaleza, ya que la intensidad de la señal

dependerá de la concentración de esos núcleos activos. Por eso, uno de los más útiles en la

elucidación de estructuras es el 1H, dando lugar a la espectroscopia de resonancia magnética

nuclear de protón. También es importante en química orgánica el 13C, aunque se trata de un

núcleo poco abundante y poco sensible.

La técnica se ha empleado en química orgánica, química inorgánica y bioquímica. La misma

tecnología también ha terminado por extenderse a otros campos, por ejemplo en medicina, en

donde se obtienen imágenes por resonancia magnética.

INSTRUMENTACIÓN Y PRINCIPIO

Un espectrómetro de RMN consta de las siguientes partes fundamentales:

Un imán que genere un campo magnético estable, el cual puede ser de una intensidad

variable, definiendo la frecuencia de resonancia de cada núcleo. Generalmente se

identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón, así en un imán

de 7.046 Tesla, los núcleos de 1H resuenan a 300 MHz, y por tanto sería un espectrómetro

de 300 MHz. Por el momento el imán de mayor campo magnético del mundo lo ha

instalado Bruker en la Unviersiad de ciencia y tecnología Rey Abdullah en Arabia Saudita,

de 950 MHz (22.3 Tesla).1

Una sonda, que se sitúa dentro del imán, en la que se introduce la muestra y que consta

de las bobinas responsables de emitir y recibir las radiofrecuencias (RF). El número de

bobinas y su disposición determinan el tipo y las aplicaciones de cada sonda.

Una consola en la que se generan los pulsos de RF y se controla el resto de la parte

electrónica del espectrómetro

Un ordenador que sirve de interfaz con el espectrómetro y con el que se analiza toda la

información obtenida.

INTERPETACIÓN DE DATOS

A).- Interpretación de espectros de resonancia magnética nuclear de protón.

El estudio de un espectro de resonancia magnética nuclear permite la obtención de

apreciable información sobre la estructura de un compuesto orgánico a la que es conveniente

acceder de una forma sistematizada para conseguir un más alto rendimiento. Cuatro son los

aspectos primarios en cuanto a información que deben investigarse:

1º. Número de señales (o grupos) presentes que se corresponden con el número de tipos de

hidrógeno distintos existentes en la molécula, entendiendo por “tipos de hidrógeno” no

diferencias en cuanto a la naturaleza del elemento que, lógicamente, en todos es igual sino los

distintos alrededores moleculares, electrónicos y estéricos, que puede percibir un hidrógeno por

su situación concreta en una molécula. Compruebe que existen seis tipos distintos de hidrógenos

en la molécula siguiente :

cuyo espectro se incluye a continuación con la correspondiente asignación de las seis señales

existentes correspondientes a los distintos tipos de hidrógeno :

cada tipo de hidrógeno aparece como una señal simple, después veremos que también podrán ser

múltiples (grupo de señales).

2º. Posición de las señales, en referencia al valor de abscisa con que cada señal aparece en el

espectro y que es función del campo magnético necesario para hacer resonar cada tipo de

hidrógeno influenciado por alrededores electrónicos moleculares distintos. En el siguiente

espectro en el que se indican las asignaciones, se incluye además una tabla que muestra el tipo de

hidrógeno (group, numerado en la fórmula) al que se refiere cada fila, el número de hidrógenos

equivalentes que pertenecen a ese tipo (nH), su posición en la escala δ (abscisa proporcional a la

intensidad de campo magnético, denominada habitualmente desplazamiento químico, shift) y

finalmente el error de cálculo al tratarse de un espectro obtenido teóricamente:

3º. Multiplicidad de las señales. Como puede apreciarse, en los espectros estudiados hasta ahora

en esta ficha, las señales que representan a los distintos tipos de hidrógeno son señales simples,

singletes, es decir señales compuestas de un único pico, sin embargo, es muy frecuente encontrar

en los espectros señales múltiples conteniendo varios picos, con una proporción definida,

representando el conjunto a un sólo tipo de hidrógeno. La causa de esta multiplicidad es el efecto

magnético que ejercen los núcleos de hidrógeno contiguos sobre el hidrógeno en resonancia, lo

que se conoce como acoplamiento spin-spin. Esto puede observarse en el sencillo espectro que se

muestra a continuación:

En este espectro se ven acoplados los hidrógenos de los carbonos 1 y 2 que son vecinos y

también hay acoplamiento entre los hidrógenos de los carbonos 3 y 4. Normalmente el efecto de

acoplamiento spin-spin sólo se aprecia entre hidrógenos de carbonos vecinos. La multiplicidad que

se observa es la siguiente : los hidrógenos 1 aparecen como doblete porque tienen un único

hidrógeno vecino, el del carbono 2, apareciendo este hidrógeno como septuplete (señal

compuesta por siete picos) al ser seis los vecinos que tiene su carbono contiguo, el 1. Al otro lado

del grupo éster también se muestran acoplados los hidrógenos 3 y 4, siempre con una

multiplicidad que responde a un número de picos igual a n+1 donde n es el número de hidrógenos

de los carbonos inmediatamente contiguos, así 3 es un cuadruplete (3 H vecinos) y 4 un triplete (2

H vecinos). A veces, como ocurre con las señales 1 y 4, los grupos múltiples están muy próximos o

incluso pueden solaparse, pero su diferenciación puede hacerse ya que las alturas de los picos que

componen una misma señal responden a valores definidos lo que permite su identificación. La

separación entre dos picos cualesquiera de cada una de dos señales múltiples acopladas es

siempre un valor constante que se denomina constante de acoplamiento. Se simboliza esta

constante por J y se expresa en unidades de frecuencia (hertzios).

4º. Área bajo las señales. La absorción de energía que se produce al entrar en resonancia un tipo

de hidrógeno es directamente proporcional al número de hidrógenos que integran ese tipo,

porque a más hidrógenos se requiere absorber más energía y se aprecia una mayor intensidad en

la señal generada. La mejor forma de medir esta magnitud proporcional a la absorción es medir el

área bajo las señales. Este área no se expresa en unidades absolutas de superficie sino con una

línea de saltos los cuales son en su altura proporcionales a la superficie contenida bajo las curvas

por lo que la medida tiene carácter relativo, no absoluto, a no ser que sea conocido el número

total de hidrógenos que posee la molécula en estudio lo que permitirá deducir el salto que

corresponde a cada hidrógeno dividiendo el salto total entre el número total de hidrógenos. Los

saltos quedan reflejados en la línea de integración que aparece en los espectros por encima de las

señales. En las señales múltiples, el salto atribuible a un grupo es la suma de todos los saltos que

producen los distintos picos que lo componen.

INTERPRETACIÓN DE ESPECTROS DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE 13C

El núcleo 13C también muestra resonancia magnética nuclear ya que, al igual que los

protones, tiene espín ½. Su abundancia es de sólo el 1,1 % y por ello no es normal ver el

acoplamiento entre núcleos de carbono. El núcleo de 13C es unas 400 veces menos sensible que

los protones en la RMN. Los desplazamientos químicos, también medidos con respecto al

tetrametilsilano (TMS), se encuentran en el rango de 0-220 ppm y son afectados por los mismos

factores que en el caso de los protones.

Los factores que influyen en el desplazamiento químico del las señales en el RMN 13C son:

electronegatividad de los grupos unidos al carbono

hibridación del carbono

APLICACIONES.

La aplicación fundamental de la espectroscopia de RMN es la determinación estructural,

ya sea de moléculas orgánicas, organometálicas o biológicas. Para ello es necesario la realización

de diferentes tipos de experimentos de los cuales se obtiene una determinada información.

La técnica se ha empleado en química orgánica, química inorgánica y bioquímica. La misma

tecnología también ha terminado por extenderse a otros campos, por ejemplo en medicina, en

donde se obtienen imágenes por resonancia magnética.

Para la elucidación estructural de moléculas orgánicas y organometálicas los experimentos

más utilizados son los siguientes:

Espectro monodimensional de 1H: Da información del número y tipo de hidrógenos

diferentes que hay en la molécula. La posición en el espectro (desplazamiento químico)

determina el entorno químico del núcleo, y por tanto da información de grupos

funcionales a los que pertenecen o que están cerca. La forma de la señal da información

de los protones cercanos acoplados escalarmente.

Ejemplo de un espectro APT, un tipo de experimento de 13C.

Espectro monodimensional de 13C: Al igual que en 1H el desplazamiento químico da

información de los grupos funcionales. Dependiendo del tipo de experimento realizado se

puede obtener información del número de hidrógenos unidos a cada carbono.

REFERENCIAS.

Carey, F. A.: Química Orgánica. Ed. McGraw-Hill, 1999

Fessenden, R.J. y Fessenden, S.J., 1993. Química Orgánica. Grupo Editorial Iberoamérica, México.

Graham Solomons, T. W.: Química Orgánica. Ed. Limusa. México, 1999

McMurry, J., 2001. Química Orgánica. 5a. edición. Internacional Thomson Editores,

México.

Meislich, H.; Nechamkim, H. y Sharefkin, J.: Química Orgánica. McGraw-Hill, 2000.

Morrison R.T. y Boyd, R.N., 1990. Química Orgánica. 5a. Edición Addison-Wesley

Interamericana, México.