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La espectroscopia infrarroja, o IR, es una técnica utilizada para caracterizar enlaces covalentes.
Las moléculas con ciertos tipos de enlaces covalentes pueden absorber la radiación IR, haciendo que los enlaces vibren. Un espectrofotómetro IR puede medir qué frecuencias se absorben. Esto se representa generalmente con un espectro de porcentaje de radiación IR transmitida a través de la muestra a una frecuencia dada en números de onda. En este tipo de espectro, los picos están invertidos, ya que representan una disminución de la luz transmitida a esa frecuencia.
Las frecuencias absorbidas dependen de la identidad y el entorno electrónico de los enlaces, lo que le da a cada molécula un espectro característico. Sin embargo, cada tipo de enlace absorberá la radiación infrarroja dentro de un rango de frecuencia específico y tendrá una forma de pico y una fuerza de absorción comunes. Por lo tanto, los picos se pueden asignar a enlaces específicos, lo que permite la identificación de un compuesto desconocido del espectro IR.
Este video ilustrará la caracterización de un compuesto orgánico desconocido con espectroscopia IR e introducirá algunas otras aplicaciones de la espectroscopia IR en química orgánica.
Un enlace covalente entre dos átomos se puede modelar como un resorte que conecta dos cuerpos con masas m1 y m2. Este "resorte" tiene una frecuencia de resonancia, que, en este caso, es la frecuencia de la luz correspondiente al cuanto de energía necesario para excitar una oscilación en el enlace a esa misma frecuencia, pero con una amplitud aún mayor.
La frecuencia de resonancia de un enlace depende de la fuerza y la longitud del enlace, la identidad de los átomos involucrados y el entorno. Por ejemplo, un enlace conjugado vibrará en un rango de frecuencia diferente al de un enlace no conjugado.
La frecuencia de resonancia también depende del modo vibratorio, que es el patrón de oscilación de los átomos dentro de una molécula. Los modos vibracionales más comunes observados por la espectroscopia IR son el estiramiento y la flexión. Las moléculas lineales tienen 3N menos 5 modos vibratorios, donde N es el número de átomos, y las moléculas no lineales tienen 3N menos 6 modos vibratorios.
La espectrofotometría IR se realiza principalmente haciendo brillar una fuente de luz de amplio espectro a través de un interferómetro, que bloquea todas las longitudes de onda de luz en un momento dado, excepto unas pocas, sobre la muestra. Un detector de infrarrojos mide las intensidades de luz para cada ajuste del interferómetro. Una vez que se han recopilado los datos en el rango de frecuencia deseado, se procesan en un espectro reconocible mediante la transformada de Fourier.
La muestra puede ser gaseosa, líquida o sólida, dependiendo de la construcción del instrumento. Para un detector estándar, los gases y líquidos se colocan en una celda con ventanas transparentes a infrarrojos, y los sólidos se suspenden en aceite o se prensan en una bolita transparente con bromuro de potasio. A continuación, la luz infrarroja se dirige a través de la muestra hasta el detector.
Un método alternativo para muestras sólidas y líquidas es la reflectancia total atenuada, o ATR. En este método, la muestra pura se coloca en contacto con una superficie cristalina. A continuación, la luz infrarroja se refleja desde la parte inferior del cristal en un detector, y las frecuencias absorbidas se reflejan más débilmente. No es necesario procesar primero la muestra, ya que la luz no la atraviesa.
Ahora que comprende los principios de la espectroscopia IR, repasemos un procedimiento para identificar un compuesto orgánico desconocido utilizando la técnica de muestreo ATR en un instrumento FTIR.
Para comenzar el procedimiento de caracterización, encienda el espectrómetro FTIR y deje que la lámpara se caliente a la temperatura de funcionamiento.
Asegúrese de que el cristal ATR esté limpio. A continuación, sin ninguna muestra en su lugar, utilice el software del espectrómetro para registrar un espectro de fondo.
A continuación, obtenga una muestra sólida de un compuesto orgánico desconocido y observe su apariencia. Con una espátula de metal limpia, coloque con cuidado la muestra sobre la superficie del cristal. Alternativamente, para muestras líquidas, se utiliza una pipeta para transferir muestras a la superficie del cristal.
Atornille con cuidado la sonda hasta que encaje en su lugar para fijar la muestra contra la superficie del cristal.
Luego, recoja al menos un espectro IR de la muestra desconocida. Una vez finalizada la recopilación de datos y restado el fondo, utilice las herramientas de análisis del software para identificar los números de onda de los picos.
Cuando termine con el espectrómetro, retire la muestra y limpie la sonda con acetona. Guarde los espectros, cierre el software y apague el espectrómetro.
En este experimento, la muestra desconocida puede ser uno de diez compuestos orgánicos, cada uno con cinco picos IR característicos. Con base en la fase y la apariencia visual de lo desconocido, se pueden eliminar 8 de las posibilidades.
El espectro del compuesto desconocido muestra un pico amplio cerca de la región de 3.300 números de onda, indicativo de una absorción de estiramiento -OH o -NH. Los picos de la derecha indican la presencia de dobles enlaces carbono-carbono y enlaces carbono-oxígeno. De los dos compuestos restantes, solo uno tiene un grupo -OH, por lo que el compuesto es fenol.
La espectrofotometría IR es una herramienta de caracterización ampliamente utilizada en biología y química. Veamos algunos ejemplos.
En este procedimiento, se utilizó la espectroscopia FTIR realizada con el método ATR para obtener imágenes de absorbancia IR del tejido mediante la introducción de un componente de microscopía en el instrumento. Cada píxel de la imagen tenía un espectro IR correspondiente, lo que permitía determinar la composición molecular del tejido con una excelente resolución espacial. La imagen del tejido también podría mostrarse a diferentes frecuencias para visualizar la distribución de los tipos de moléculas en todo el tejido.
Las vibraciones moleculares de los grupos peptídicos en una proteína se ven afectadas por los cambios conformacionales de la proteína. Mediante el seguimiento de una muestra de proteínas con FTIR de barrido escalonado, que tiene una resolución temporal del orden de decenas de nanosegundos, se puede monitorizar la dinámica de las proteínas a través de los cambios en sus espectros de absorbancia. Los datos se pueden presentar como espectros individuales o como gráficos 3D de intensidad, frecuencia y tiempo para la identificación de picos y su posterior análisis.
Acabas de ver la introducción de JoVE a la espectroscopia IR. Ahora debería estar familiarizado con los principios subyacentes de la espectroscopia IR, el procedimiento para la espectroscopia IR de compuestos orgánicos y algunos ejemplos de cómo se utiliza la espectroscopia IR en química orgánica. ¡Gracias por mirar!
