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Organic Chemistry II

Espectroscopia infravermelha

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JoVE Science Education Organic Chemistry II

Infrared Spectroscopy

5.2: Nucleophilic Substitution

5.15: Polarimeter

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08:11 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Vy M. Dong e Zhiwei Chen, Departamento de Química da Universidade da Califórnia, Irvine, CA

Este experimento demonstrará o uso de espectroscopia infravermelha (IR) (também conhecida como espectroscopia vibracional) para elucidar a identidade de um composto desconhecido identificando o(s) grupo funcional presente. Os espectros de RI serão obtidos em um espectrômetro de RI utilizando a técnica de amostragem total atenuada (ATR) com uma amostra pura do desconhecido.

Principles

Uma ligação covalente entre dois átomos pode ser pensada como dois objetos com massas m₁ e m₂ que estão conectados com uma mola. Naturalmente, este vínculo se estende e comprime com uma certa frequência vibracional. Esta frequência é dada pela Equação 1,onde k é a constante de força da mola, c é a velocidade da luz, e μ é a massa reduzida(Equação 2). A frequência é tipicamente medida em números de ondas, que são expressas em centímetros inversos (cm^-1).

Da Equação 1,a frequência é proporcional à força da mola e inversamente proporcional às massas dos objetos. Assim, as ligações C-H, N-H e O-H têm frequências de alongamento mais altas do que as ligações C-C e C-O, já que o hidrogênio é um átomo de luz. Títulos duplos e triplos podem ser considerados como molas mais fortes, de modo que um vínculo duplo C-O tem uma frequência de alongamento maior do que um vínculo único C-O. A luz infravermelha é radiação eletromagnética com comprimentos de onda que variam de 700 nm a 1 mm, o que é consistente com as forças relativas da ligação. Quando uma molécula absorve a luz infravermelha com uma frequência que equivale à frequência vibracional natural de uma ligação covalente, a energia da radiação produz um aumento na amplitude da vibração da ligação. Se as eletronegatividades (a tendência de atrair elétrons) dos dois átomos em uma ligação covalente são muito diferentes, ocorre uma separação de carga que resulta em um momento dipolo. Por exemplo, em uma ligação dupla C-O (um grupo carbonyl), os elétrons passam mais tempo em torno do átomo de oxigênio do que o átomo de carbono porque o oxigênio é mais eletronegativo do que o carbono. Portanto, há um momento de dipolo líquido resultando em uma carga negativa parcial sobre o oxigênio e uma carga positiva parcial sobre o carbono. Por outro lado, uma alkyne simétrica não tem um momento de dipolo líquido porque os dois momentos individuais de dipolo de cada lado se cancelam. A intensidade da absorção infravermelha é proporcional à mudança no momento do dipolo quando a ligação se estende ou comprime. Assim, um trecho de grupo carbonyl mostrará uma faixa intensa no IR, e uma alkyne interna simétrica mostrará uma pequena, se não invisível, banda para alongamento da ligação tripla C-C(Figura 1). A Tabela 1 mostra algumas frequências de absorção características. A Figura 2 mostra o espectro ir de um éster Hantzsch. Observe o pico em 3.343 cm^-1 para a ligação única N-H e o pico em 1.695 cm^-1 para os grupos carbonyl. Neste experimento, é utilizada a técnica de amostragem ATR, onde a luz infravermelha reflete a amostra que está em contato com um cristal ATR várias vezes. Normalmente, são utilizados materiais com alto índice de refração, como germânio e selenida de zinco. Este método permite examinar diretamente analitos sólidos ou líquidos sem maiores preparações.

Figura 1. Diagrama mostrando C–O duplo eC–Ctriplo laços ea mudança resultante no momento do dipolo.

Mesa 1. Frequências de IR características de ligações covalentes presentes em moléculas orgânicas.

Figura 2. Espectro ir de um éster Hantzsch.

Procedure

Ligue o espectrômetro ir e deixe-o aquecer.
Obtenha uma amostra desconhecida do instrutor e regise a letra e aparência da amostra.
Colete um espectro de fundo.
Usando uma espátula metálica, coloque uma pequena quantidade de amostra sob a sonda.
Torça a sonda até que ela se esixe no lugar.
Regisso espectro ir da amostra desconhecida.
Repita se necessário para obter um espectro de boa qualidade.
Regissão de absorção indicativa dos grupos funcionais presentes.
Limpe a sonda com acetona.
Desligue o espectrômetro.
Analise o espectro obtido. A Figura 3 mostra os possíveis candidatos à amostra desconhecida. Adseou a provável identificação da amostra desconhecida.

Figura 3. Diagrama mostrando as possíveis identidades do desconhecido.

Infravermelho, ou IR, espectroscopia é uma técnica usada para caracterizar ligações covalentes.

Moléculas com certos tipos de ligações covalentes podem absorver radiação IR, fazendo com que as ligações vibrem. Um espectrômetro ir pode medir quais frequências são absorvidas. Isso é geralmente representado com um espectro de porcentagem de radiação IR transmitida através da amostra em uma determinada frequência em números de ondas. Neste tipo de espectro, os picos são invertidos, pois representam uma diminuição da luz transmitida nessa frequência.

As frequências absorvidas dependem da identidade e do ambiente eletrônico das ligações, dando a cada molécula um espectro característico. No entanto, cada tipo de ligação absorverá a radiação IR dentro de uma faixa de frequência específica, e terá uma forma de pico comum e resistência à absorção. Os picos podem, portanto, ser atribuídos a ligações específicas, permitindo a identificação de um composto desconhecido do espectro IR.

Este vídeo ilustrará a caracterização de um composto orgânico desconhecido com espectroscopia ir e introduzirá algumas outras aplicações de espectroscopia de IR em química orgânica.

Uma ligação covalente entre dois átomos pode ser modelada como uma mola conectando dois corpos com massas m1 e m2. Esta “mola” tem uma frequência de ressonância, que, neste caso, é a frequência de luz correspondente ao quântico de energia necessária para excitar uma oscilação no vínculo nessa mesma frequência, mas com amplitude ainda maior.

A frequência de ressonância de um vínculo depende da força e comprimento da ligação, da identidade dos átomos envolvidos e do meio ambiente. Por exemplo, um vínculo conjugado vibrará em uma faixa de frequência diferente de um vínculo não conjugado.

A frequência de ressonância também depende do modo vibracional, que é o padrão de oscilação dos átomos dentro de uma molécula. Os modos vibracionais mais comuns observados pela espectroscopia de RI são alongamento e dobra. Moléculas lineares têm modos vibracionais 3N menos 5, onde N é o número de átomos, e moléculas não lineares têm modos vibracionais 3N menos 6.

A espectrofotometria IR é realizada principalmente brilhando uma fonte de luz de amplo espectro através de um interferômetro, que bloqueia todos, exceto alguns comprimentos de onda de luz a qualquer momento, na amostra. Um detector de RI mede as intensidades de luz para cada ajuste do interferômetro. Uma vez coletados dados sobre a faixa de frequência desejada, ele é processado em um espectro reconhecível pela transformação fourier.

A amostra pode ser gasosa, líquida ou sólida, dependendo da construção do instrumento. Para um detector padrão, gases e líquidos são colocados em uma célula com janelas transparentes de IR, e os sólidos são suspensos em óleo ou prensados em uma pelota transparente com brometo de potássio. A luz ir é então direcionada através da amostra para o detector.

Um método alternativo para amostras sólidas e líquidas é a reflexão total atenuada, ou ATR. Neste método, a amostra pura é colocada em contato com uma superfície cristalina. A luz ir é então refletida na parte inferior do cristal em um detector, com as frequências absorvidas refletindo mais fracamente. A amostra não precisa ser processada primeiro, pois a luz não viaja através dela.

Agora que você entende os princípios da espectroscopia de IR, vamos passar por um procedimento para identificar um composto orgânico desconhecido usando a técnica de amostragem ATR em um instrumento FTIR.

Para iniciar o procedimento de caracterização, ligue o espectrômetro FTIR e deixe a lâmpada aquecer até a temperatura de funcionamento.

Certifique-se de que o cristal ATR está limpo. Em seguida, sem nenhuma amostra no lugar, use o software espectrômetro para gravar um espectro de fundo.

Em seguida, obtenha uma amostra sólida de um composto orgânico desconhecido e note sua aparência. Usando uma espátula metálica limpa, coloque cuidadosamente a amostra na superfície do cristal. Alternativamente, para amostras líquidas, uma pipeta é usada para transferir amostras para a superfície cristalina.

Aparafusar cuidadosamente a sonda até que ela se esixe no lugar para fixar a amostra contra a superfície do cristal.

Em seguida, colete pelo menos um espectro de RI da amostra desconhecida. Após o término da coleta de dados e o plano de fundo subtraído, use as ferramentas de análise no software para identificar os números de ondas dos picos.

Quando terminar com o espectrômetro, remova a amostra e limpe a sonda com acetona. Salve o espectro, feche o software e desligue o espectrômetro.

Neste experimento, a amostra desconhecida pode ser um dos dez compostos orgânicos, cada um com cinco picos de IR característicos. Com base na fase e aparência visual do desconhecido, 8 das possibilidades podem ser eliminadas.

O espectro do composto desconhecido mostra um grande pico perto da região de 3.300 ondas, indicativo de absorção de alongamento de um -OH ou -NH. Os picos para a direita indicam a presença de ligações duplas carbono-carbono e ligações de oxigênio de carbono. Dos dois compostos restantes, apenas um tem um grupo -OH, então o composto é fenol.

A espectrofotometria ir é uma ferramenta de caracterização amplamente utilizada em biologia e química. Vamos ver alguns exemplos.

Neste procedimento, utilizou-se a espectroscopia FTIR realizada com o método ATR para obtenção de imagens de absorção de IR do tecido, introduzindo um componente de microscopia no instrumento. Cada pixel na imagem tinha um espectro ir correspondente, permitindo a determinação da composição molecular do tecido com excelente resolução espacial. A imagem tecidual também poderia ser exibida em diferentes frequências para visualizar a distribuição de tipos de moléculas em todo o tecido.

As vibrações moleculares dos grupos de peptídeos em uma proteína são afetadas por alterações conformais de proteínas. Ao monitorar uma amostra de proteína com ftir de varredura de passo, que tem uma resolução temporal sobre a ordem de dezenas de nanossegundos, a dinâmica proteica pode ser monitorada através das mudanças em seus espectros de absorção. Os dados podem ser apresentados como espectros individuais ou como parcelas 3D de intensidade, frequência e tempo para identificação de pico e análises posteriores.

Você acabou de assistir a introdução de JoVE à espectroscopia de IR. Agora você deve estar familiarizado com os princípios subjacentes da espectroscopia de IR, o procedimento para espectroscopia de IR de compostos orgânicos, e alguns exemplos de como a espectroscopia de IR é usada em química orgânica. Obrigado por assistir!

Results

Tabela 2: Aparência e frequências de RI observadas dos compostos listados na Figura 3.

Número composto	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Aparência	líquido claro	branco sólido	líquido claro	líquido claro	líquido claro	líquido claro	líquido amarelo	branco sólido	branco sólido	líquido claro
Frequências observadas (cm^-1)	1691, 1601, 1450, 1368, 1266	2773, 2730, 1713, 1591, 1576	2940, 2867, 1717, 1422, 1347	3026, 2948, 2920, 1605, 1496	2928, 2853, 1450, 904, 852	3926, 3315, 2959, 2120, 1461	3623, 3429, 3354, 2904, 1601	3408, 3384, 3087, 1596, 1496	3226, 2966, 1598, 1474, 1238	3340, 2959, 2861, 1468, 1460

Applications and Summary

Neste experimento, demonstramos como identificar uma amostra desconhecida com base em seu espectro de RI característico. Diferentes grupos funcionais dão diferentes frequências de alongamento, que permitem a identificação dos grupos funcionais presentes.

Como mostrado neste experimento, a espectroscopia ir é uma ferramenta útil para o químico orgânico identificar e caracterizar uma molécula. Além da química orgânica, a espectroscopia de IR tem aplicações úteis em outras áreas. Na indústria farmacêutica, essa técnica é utilizada para análise quantitativa e qualitativa de medicamentos. Na ciência dos alimentos, a espectroscopia ir é usada para estudar gorduras e óleos. Por fim, a espectroscopia de RI é utilizada para medir a composição de gases de efeito estufa, ou seja,CO_2,CO, CH₄e N₂O em esforços para compreender as mudanças climáticas globais.

Transcript

Infrared, or IR, spectroscopy is a technique used to characterize covalent bonds.

Molecules with certain types of covalent bonds can absorb IR radiation, causing the bonds to vibrate. An IR spectrophotometer can measure which frequencies are absorbed. This is generally represented with a spectrum of percent IR radiation transmitted through the sample at a given frequency in wavenumbers. In this type of spectrum, the peaks are inverted, as they represent a decrease in transmitted light at that frequency.

The absorbed frequencies depend on the identity and electronic environment of the bonds, giving each molecule a characteristic spectrum. However, each type of bond will absorb IR radiation within a specific frequency range, and will have a common peak shape and absorption strength. Peaks can therefore be assigned to specific bonds, allowing identification of an unknown compound from the IR spectrum.

This video will illustrate the characterization of an unknown organic compound with IR spectroscopy and will introduce a few other applications of IR spectroscopy in organic chemistry.

A covalent bond between two atoms can be modeled as a spring connecting two bodies with masses m1 and m2. This “spring” has a resonance frequency, which, in this case, is the frequency of light corresponding to the quantum of energy needed to excite an oscillation in the bond at that same frequency, but with even greater amplitude.

The resonance frequency of a bond depends on the bond strength and length, the identity of the involved atoms, and the environment. For instance, a conjugated bond will vibrate in a different frequency range than a non-conjugated bond.

The resonance frequency also depends on the vibrational mode, which is the oscillation pattern of the atoms within a molecule. The most common vibrational modes observed by IR spectroscopy are stretching and bending. Linear molecules have 3N minus 5 vibrational modes, where N is the number of atoms, and non-linear molecules have 3N minus 6 vibrational modes.

IR spectrophotometry is primarily performed by shining a broad-spectrum light source through an interferometer, which blocks all but a few wavelengths of light at any given time, onto the sample. An IR detector measures the light intensities for each interferometer setting. Once data has been collected over the desired frequency range, it is processed into a recognizable spectrum by Fourier transform.

The sample can be gaseous, liquid, or solid, depending on the construction of the instrument. For a standard detector, gases and liquids are placed in a cell with IR-transparent windows, and solids are suspended in oil or pressed into a transparent pellet with potassium bromide. The IR light is then directed through the sample to the detector.

An alternate method for solid and liquid samples is attenuated total reflectance, or ATR. In this method, the pure sample is placed in contact with a crystal surface. IR light is then reflected off the underside of the crystal into a detector, with the absorbed frequencies reflecting more weakly. The sample doesn’t need to be processed first, as the light does not travel through it.

Now that you understand the principles of IR spectroscopy, let’s go through a procedure for identifying an unknown organic compound using the ATR sampling technique on an FTIR instrument.

To begin the characterization procedure, turn on the FTIR spectrometer and allow the lamp to warm up to operating temperature.

Ensure that the ATR crystal is clean. Then, with no sample in place, use the spectrometer software to record a background spectrum.

Next, obtain a solid sample of an unknown organic compound and note its appearance. Using a clean metal spatula, carefully place the sample on the crystal surface. Alternatively, for liquid samples, a pipette is used to transfer samples to crystal surface.

Carefully screw down the probe until it locks into place to fix the sample against the crystal surface.

Then, collect at least one IR spectrum of the unknown sample. After data collection has finished and the background has been subtracted, use the analysis tools in the software to identify the wavenumbers of the peaks.

When finished with the spectrometer, remove the sample and clean the probe with acetone. Save the spectra, close the software, and turn off the spectrometer.

In this experiment, the unknown sample may be one of ten organic compounds, each with five characteristic IR peaks. Based on the phase and visual appearance of the unknown, 8 of the possibilities may be eliminated.

The spectrum from the unknown compound shows a wide peak near the 3,300 wavenumber region, indicative of either an -OH or -NH stretching absorption. The peaks to right indicate the presence of carbon-carbon double bonds and carbon oxygen bonds. Of the two remaining compounds, only one has an -OH group so the compound is phenol.

IR spectrophotometry is a widely used characterization tool in biology and chemistry. Let’s look at a few examples.

In this procedure, FTIR spectroscopy performed with the ATR method was used to obtain IR absorbance images of tissue by introducing a microscopy component into the instrument. Each pixel in the image had a corresponding IR spectrum, allowing determination of the molecular composition of the tissue with excellent spatial resolution. The tissue image could also be displayed at different frequencies to visualize the distribution of molecule types throughout the tissue.

The molecular vibrations of peptide groups in a protein are affected by protein conformational changes. By monitoring a protein sample with step-scan FTIR, which has a temporal resolution on the order of tens of nanoseconds, protein dynamics can be monitored via the changes in their absorbance spectra. The data can be presented as individual spectra or as 3D plots of intensity, frequency, and time for peak identification and further analysis.

You’ve just watched JoVE’s introduction to IR spectroscopy. You should now be familiar with the underlying principles of IR spectroscopy, the procedure for IR spectroscopy of organic compounds, and a few examples of how IR spectroscopy is used in organic chemistry. Thanks for watching!

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