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,CO2,CO, CH4e N2O em esforços para compreender as mudanças climáticas globais.
