Espectroscopia infrarroja

Organic Chemistry II

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Overview

Fuente: Vy M. Dong y Zhiwei Chen, Departamento de química, Universidad de California, Irvine, CA

Este experimento demostrará el uso de espectroscopia de infrarrojo (IR) (también conocido como Espectroscopía Vibracional) para aclarar la identidad de un compuesto desconocido mediante la identificación de la functional group(s) presente. Espectros IR se obtiene en un espectrómetro de IR usando la reflexión total atenuada técnica de muestreo (ATR) con una cuidada muestra de lo desconocido.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Química orgánica II. Espectroscopia infrarroja. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Un enlace covalente entre dos átomos puede considerarse como dos objetos con masas m1 y m2 que están conectados con un resorte. Naturalmente, este vínculo se extiende y comprime con cierta frecuencia vibracional. Esta frecuencia Image 1 está dada por la ecuación 1, donde k es la constante de fuerza del resorte, c es la velocidad de la luz, y μ es la masa reducida (ecuación 2). La frecuencia se mide típicamente en wavenumbers, que se expresan en centímetros inversos (cm-1).

Equation 1

Equation 2

De la ecuación 1, la frecuencia es proporcional a la fuerza de la primavera e inversamente proporcional a las masas de los objetos. Por lo tanto, C-H, N-H, O-H bonos y tiene estirando más frecuencias que C-C y C O bonos, como el hidrógeno es un átomo de luz. Doble y triple enlaces puede considerarse como resortes más fuertes, por lo que un enlace doble de C-O tiene una frecuencia más alta que de un solo enlace de C-O. Luz infrarroja es la radiación electromagnética con longitudes de onda de 700 nm a 1 mm, que es coherente con las fuerzas de enlace relativo. Cuando una molécula absorbe luz infrarroja con una frecuencia que es igual a la frecuencia natural de vibración de un enlace covalente, la energía de la radiación produce un aumento de la amplitud de la vibración del enlace. Si la electronegatividad (tendencia para atraer electrones) de los dos átomos en un enlace covalente son muy diferentes, una separación de carga produce que se traduce en un momento de dipolo. Por ejemplo, en un enlace doble de C-O (grupo carbonilo), los electrones pasan más tiempo alrededor del átomo de oxígeno que el átomo de carbono porque el oxígeno es más electronegativo que el carbono. Por lo tanto, es un momento de dipolo neto, dando por resultado una carga parcial negativa en el oxígeno y una carga parcial positiva sobre el carbono. Por otro lado, un alquino simétrico no tiene un momento dipolar neto debido a los dos momentos de dipolo individuales en cada lado cancelar mutuamente. La intensidad de la absorción infrarroja es proporcional al cambio en el momento de dipolo cuando el bono estira o comprime. Por lo tanto, un estiramiento del grupo carbonilo se mostrará una banda intensa en el IR, y un alquino interno simétrico va a mostrar un pequeño, si no invisible, banda de estiramiento del enlace C-C triple (figura 1). La tabla 1 muestra algunas frecuencias de absorción característico. La figura 2 muestra el espectro IR de un éster de Hantzsch. Observe el pico a 3.343 cm-1 para el N-H solo enlace y el pico a 1.695 cm-1 para los grupos carbonilo. En este experimento, se utiliza la técnica de muestreo de ATR, donde la luz infrarroja se refleja en la muestra que está en contacto con un cristal ATR varias veces. Por lo general, se utilizan materiales con un alto índice de refracción, como seleniuro de germanio y el zinc. Este método permite examinar directamente los analitos sólidos o líquidos sin más preparación.

Figure 1

Figura 1. Diagrama que muestra CO doble y C-tramos de enlace triple C y el cambio resultante en el momento de dipolo.

Table 1

Tabla 1. Frecuencias características de IR de enlaces covalentes en moléculas orgánicas.

Figure 2

Figura 2. Espectro de IR de un éster de Hantzsch.

Procedure

  1. Encienda el espectrómetro IR y deje que se caliente para arriba.
  2. Obtener una muestra desconocida de la instructora y grabar la letra y el aspecto de la muestra.
  3. Recoge un espectro de fondo.
  4. Usando una espátula de metal, coloque una pequeña cantidad de muestra debajo de la sonda.
  5. Gire la sonda hasta que encaje en su lugar.
  6. Registrar el espectro de IR de la muestra desconocida.
  7. Repetir si es necesario para obtener un buen espectro.
  8. Registrar las frecuencias de absorción de los grupos funcionales presentes.
  9. Limpiar la sonda con acetona.
  10. Apague el espectrómetro.
  11. Analizar el espectro obtenido. La figura 3 muestra a los posibles candidatos para la muestra desconocida. Indicar la probable identificación de la muestra desconocida.

Figure 3
Figura 3. Diagrama que muestra las posibles identidades de lo desconocido.

Espectroscopia infrarroja, o IR, es una técnica utilizada para caracterizar enlaces covalentes.

Las moléculas con determinados tipos de enlaces covalentes pueden absorber radiación del IR, haciendo que los bonos a vibrar. Un espectrofotómetro de IR puede medir que frecuencias son absorbidas. Esto generalmente se representa con un espectro de % IR radiación transmitida a través de la muestra a una determinada frecuencia de wavenumbers. En este tipo de espectro, los picos se invierten, ya que representan una disminución de luz transmitida en esa frecuencia.

Las frecuencias de absorción dependen de la identidad y entorno electrónico de los bonos, dando a cada molécula de un espectro característico. Sin embargo, cada tipo de bono absorberá radiación IR dentro de un determinado rango de frecuencias y tendrá una fuerza común de forma y de la absorción de pico. Picos por lo tanto pueden asignarse a enlaces específicos, que permita la identificación de un compuesto desconocido del espectro IR.

Este video muestran 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 pueden modelar como un resorte conectar dos cuerpos con masas m1 y m2. Esta "primavera" tiene una frecuencia de resonancia, que en este caso, es la frecuencia de la luz correspondiente a la cuantía de la energía necesaria para excitar una oscilación en el enlace a esa misma frecuencia, pero con mayor amplitud.

La frecuencia de resonancia de un bono depende de la fuerza de adherencia y longitud, la identidad de los átomos implicados y el medio ambiente. Por ejemplo, un enlace conjugado vibrará en un rango de frecuencias diferentes que un enlace no conjugado.

La frecuencia de resonancia depende también el modo de vibración, que es el patrón de oscilación de los átomos en una molécula. Los modos vibracionales más común observados por espectroscopia IR son de estiramiento y flexión. Las moléculas lineales tienen 3N menos 5 modos vibracionales, donde N es el número de átomos y moléculas no lineales tienen 3N menos 6 modos de vibración.

Espectrofotometría de IR principalmente realiza brillando una fuente de luz de amplio espectro a través de un interferómetro, que bloquea casi todos longitudes de onda de la luz en un momento dado, sobre la muestra. Un detector IR mide las intensidades de luz para cada ajuste del interferómetro. Una vez que se ha recogido datos sobre la gama de frecuencia deseada, se transforma en un espectro reconocible por transformada de Fourier.

La muestra puede ser gaseoso, líquido o sólido, dependiendo de la construcción del instrumento. Para un detector estándar, gases y líquidos se colocan en una celda con ventanas transparentes de IR, y sólidos suspendidos en el aceite o presionados en un pellet transparente con bromuro de potasio. La luz IR se dirige entonces a través de la muestra al detector.

Un método alternativo para las muestras sólidas y líquidas se atenúa reflectancia total o ATR. En este método, la muestra pura se coloca en contacto con una superficie de cristal. Luz infrarroja se refleja entonces fuera de la parte inferior del cristal en un detector, con las frecuencias absorbidas reflejando más débil. La muestra no necesita ser procesado en primer lugar, como la luz no viaja a través de él.

Ahora que usted comprende los principios de la espectroscopia IR, vamos a ir a través de un procedimiento para la identificación de un desconocido orgánico compuesto mediante la técnica de muestreo de ATR en un instrumento FTIR.

Para comenzar el procedimiento de caracterización, encienda el espectrómetro FTIR y deje que la lámpara se caliente a temperatura de funcionamiento.

Asegúrese de limpiar el cristal ATR. Entonces, con ninguna muestra en su lugar, utilice el software del espectrómetro para registrar un espectro de fondo.

A continuación, obtener una sólida muestra de un compuesto orgánico desconocido y tener en cuenta su aparición. Cuidadosamente con una espátula de metal limpia, coloque la muestra en la superficie de cristal. Alternativamente, para muestras líquidas, se utiliza una pipeta para transferir las muestras a la superficie de cristal.

Atornille con cuidado la sonda hasta que encaje en su lugar para fijar la muestra contra la superficie de cristal.

Luego, recoger al menos un espectro de IR de la muestra desconocida. Después de que colección de datos ha terminado y el fondo ha restado, utilice las herramientas de análisis en el software para identificar los wavenumbers de los picos.

Cuando haya terminado con el espectrómetro, retire la muestra y limpiar la sonda con acetona. Guardar los espectros, cerrar el software y apagar el espectrómetro.

En este experimento, la muestra desconocida puede ser uno de los diez compuestos orgánicos, cada uno con cinco picos característicos de la IR. Partiendo de la fase y el aspecto visual de lo desconocido, 8 de las posibilidades puede ser eliminado.

El espectro del compuesto desconocido muestra un pico ancho cerca de la región de 3.300 wavenumber, indicativa de un -OH o -NH estiramiento absorción. Los picos a la derecha indican la presencia de enlaces dobles de carbono-carbono y carbono oxígeno bonos. De los dos componentes restantes, sólo uno tiene un grupo -OH por lo que el compuesto es fenol.

Espectrofotometría de IR es una herramienta de caracterización ampliamente utilizado en biología y química. Echemos un vistazo a algunos ejemplos.

En este procedimiento, espectroscopía FTIR, realizado con el método ATR fue utilizado para obtener imágenes de absorción IR del tejido mediante la introducción de un componente de la microscopia en el instrumento. Cada píxel de la imagen tenía un espectro de IR correspondiente, permitiendo la determinación de la composición molecular del tejido con excelente resolución espacial.

La imagen de tejido podría también mostrarse en diferentes frecuencias para visualizar la distribución de tipos de molécula en el tejido.

Las vibraciones moleculares de los grupos de péptidos en una proteína son afectadas por cambios conformacionales de la proteína. Mediante el control de una muestra de proteína con paso análisis FTIR, que tiene una resolución temporal del orden de decenas de nanosegundos, dinámica de la proteína puede controlarse mediante cambios en sus espectros de absorción. Los datos se pueden presentar como espectros individuales o como diagramas 3D de intensidad, frecuencia y tiempo de pico identificación y posterior análisis.

Sólo ha visto introducción de Zeus para espectroscopia IR. Ahora debe estar familiarizado con los principios de la espectroscopia IR, el procedimiento para espectroscopia IR de compuestos orgánicos y algunos ejemplos de cómo la espectroscopia IR se usa en química orgánica. ¡Gracias por ver!

Results

Tabla 2: apariencia y frecuencias observadas del IR de los compuestos enumerados en Figura 3.

Número compuesto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Aspecto líquido claro sólido blanco líquido claro líquido claro líquido claro líquido claro líquido amarillo sólido blanco sólido blanco líquido claro
Frecuencias 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

En este experimento, hemos demostrado cómo identificar una muestra desconocida basada en su espectro IR característico. Diferentes grupos funcionales dan diferentes frecuencias de estiramientos, que permiten la identificación de los grupos funcionales presentes.

Como se muestra en este experimento, espectroscopía IR es una herramienta útil para el químico orgánico identificar y caracterizar una molécula. Además de química orgánica, espectroscopia IR tiene aplicaciones útiles en otras áreas. En la industria farmacéutica, esta técnica se utiliza para análisis cuantitativo y cualitativo de las drogas. En ciencia de los alimentos, la espectroscopia IR se utiliza para estudiar las grasas y aceites. Por último, la espectroscopia IR se utiliza para medir la composición de gases de efecto invernadero, es decir, CO2, CO, CH4y N2O en los esfuerzos para entender los cambios climáticos globales.

  1. Encienda el espectrómetro IR y deje que se caliente para arriba.
  2. Obtener una muestra desconocida de la instructora y grabar la letra y el aspecto de la muestra.
  3. Recoge un espectro de fondo.
  4. Usando una espátula de metal, coloque una pequeña cantidad de muestra debajo de la sonda.
  5. Gire la sonda hasta que encaje en su lugar.
  6. Registrar el espectro de IR de la muestra desconocida.
  7. Repetir si es necesario para obtener un buen espectro.
  8. Registrar las frecuencias de absorción de los grupos funcionales presentes.
  9. Limpiar la sonda con acetona.
  10. Apague el espectrómetro.
  11. Analizar el espectro obtenido. La figura 3 muestra a los posibles candidatos para la muestra desconocida. Indicar la probable identificación de la muestra desconocida.

Figure 3
Figura 3. Diagrama que muestra las posibles identidades de lo desconocido.

Espectroscopia infrarroja, o IR, es una técnica utilizada para caracterizar enlaces covalentes.

Las moléculas con determinados tipos de enlaces covalentes pueden absorber radiación del IR, haciendo que los bonos a vibrar. Un espectrofotómetro de IR puede medir que frecuencias son absorbidas. Esto generalmente se representa con un espectro de % IR radiación transmitida a través de la muestra a una determinada frecuencia de wavenumbers. En este tipo de espectro, los picos se invierten, ya que representan una disminución de luz transmitida en esa frecuencia.

Las frecuencias de absorción dependen de la identidad y entorno electrónico de los bonos, dando a cada molécula de un espectro característico. Sin embargo, cada tipo de bono absorberá radiación IR dentro de un determinado rango de frecuencias y tendrá una fuerza común de forma y de la absorción de pico. Picos por lo tanto pueden asignarse a enlaces específicos, que permita la identificación de un compuesto desconocido del espectro IR.

Este video muestran 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 pueden modelar como un resorte conectar dos cuerpos con masas m1 y m2. Esta "primavera" tiene una frecuencia de resonancia, que en este caso, es la frecuencia de la luz correspondiente a la cuantía de la energía necesaria para excitar una oscilación en el enlace a esa misma frecuencia, pero con mayor amplitud.

La frecuencia de resonancia de un bono depende de la fuerza de adherencia y longitud, la identidad de los átomos implicados y el medio ambiente. Por ejemplo, un enlace conjugado vibrará en un rango de frecuencias diferentes que un enlace no conjugado.

La frecuencia de resonancia depende también el modo de vibración, que es el patrón de oscilación de los átomos en una molécula. Los modos vibracionales más común observados por espectroscopia IR son de estiramiento y flexión. Las moléculas lineales tienen 3N menos 5 modos vibracionales, donde N es el número de átomos y moléculas no lineales tienen 3N menos 6 modos de vibración.

Espectrofotometría de IR principalmente realiza brillando una fuente de luz de amplio espectro a través de un interferómetro, que bloquea casi todos longitudes de onda de la luz en un momento dado, sobre la muestra. Un detector IR mide las intensidades de luz para cada ajuste del interferómetro. Una vez que se ha recogido datos sobre la gama de frecuencia deseada, se transforma en un espectro reconocible por transformada de Fourier.

La muestra puede ser gaseoso, líquido o sólido, dependiendo de la construcción del instrumento. Para un detector estándar, gases y líquidos se colocan en una celda con ventanas transparentes de IR, y sólidos suspendidos en el aceite o presionados en un pellet transparente con bromuro de potasio. La luz IR se dirige entonces a través de la muestra al detector.

Un método alternativo para las muestras sólidas y líquidas se atenúa reflectancia total o ATR. En este método, la muestra pura se coloca en contacto con una superficie de cristal. Luz infrarroja se refleja entonces fuera de la parte inferior del cristal en un detector, con las frecuencias absorbidas reflejando más débil. La muestra no necesita ser procesado en primer lugar, como la luz no viaja a través de él.

Ahora que usted comprende los principios de la espectroscopia IR, vamos a ir a través de un procedimiento para la identificación de un desconocido orgánico compuesto mediante la técnica de muestreo de ATR en un instrumento FTIR.

Para comenzar el procedimiento de caracterización, encienda el espectrómetro FTIR y deje que la lámpara se caliente a temperatura de funcionamiento.

Asegúrese de limpiar el cristal ATR. Entonces, con ninguna muestra en su lugar, utilice el software del espectrómetro para registrar un espectro de fondo.

A continuación, obtener una sólida muestra de un compuesto orgánico desconocido y tener en cuenta su aparición. Cuidadosamente con una espátula de metal limpia, coloque la muestra en la superficie de cristal. Alternativamente, para muestras líquidas, se utiliza una pipeta para transferir las muestras a la superficie de cristal.

Atornille con cuidado la sonda hasta que encaje en su lugar para fijar la muestra contra la superficie de cristal.

Luego, recoger al menos un espectro de IR de la muestra desconocida. Después de que colección de datos ha terminado y el fondo ha restado, utilice las herramientas de análisis en el software para identificar los wavenumbers de los picos.

Cuando haya terminado con el espectrómetro, retire la muestra y limpiar la sonda con acetona. Guardar los espectros, cerrar el software y apagar el espectrómetro.

En este experimento, la muestra desconocida puede ser uno de los diez compuestos orgánicos, cada uno con cinco picos característicos de la IR. Partiendo de la fase y el aspecto visual de lo desconocido, 8 de las posibilidades puede ser eliminado.

El espectro del compuesto desconocido muestra un pico ancho cerca de la región de 3.300 wavenumber, indicativa de un -OH o -NH estiramiento absorción. Los picos a la derecha indican la presencia de enlaces dobles de carbono-carbono y carbono oxígeno bonos. De los dos componentes restantes, sólo uno tiene un grupo -OH por lo que el compuesto es fenol.

Espectrofotometría de IR es una herramienta de caracterización ampliamente utilizado en biología y química. Echemos un vistazo a algunos ejemplos.

En este procedimiento, espectroscopía FTIR, realizado con el método ATR fue utilizado para obtener imágenes de absorción IR del tejido mediante la introducción de un componente de la microscopia en el instrumento. Cada píxel de la imagen tenía un espectro de IR correspondiente, permitiendo la determinación de la composición molecular del tejido con excelente resolución espacial.

La imagen de tejido podría también mostrarse en diferentes frecuencias para visualizar la distribución de tipos de molécula en el tejido.

Las vibraciones moleculares de los grupos de péptidos en una proteína son afectadas por cambios conformacionales de la proteína. Mediante el control de una muestra de proteína con paso análisis FTIR, que tiene una resolución temporal del orden de decenas de nanosegundos, dinámica de la proteína puede controlarse mediante cambios en sus espectros de absorción. Los datos se pueden presentar como espectros individuales o como diagramas 3D de intensidad, frecuencia y tiempo de pico identificación y posterior análisis.

Sólo ha visto introducción de Zeus para espectroscopia IR. Ahora debe estar familiarizado con los principios de la espectroscopia IR, el procedimiento para espectroscopia IR de compuestos orgánicos y algunos ejemplos de cómo la espectroscopia IR se usa en química orgánica. ¡Gracias por ver!

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