La región infrarroja (IR)

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Uno de los componentes de una onda electromagnética es un campo eléctrico que se invierte con rapidez (E). Este campo estira y comprime de manera alternada un enlace polar. Cuando el campo eléctrico es en la misma dirección que el momento dipolar, el enlace se comprime y su momento dipolar disminuye. Cuando el campo es opuesto al momento dipolar, el enlace se estira y su momento dipolar aumenta. Si este estiramiento y comprensión alternados del enlace ocurre a la frecuencia de la velocidad de vibración natural de la molécula, puede absorberse energía. Las vibraciones de los enlaces con momentos dipolares por lo general resultan en absorciones IR y se dice que son activas en el IR.

Si un enlace es simétrico y tiene momento dipolar de cero, el campo eléctrico no interactúa con el enlace. Por ejemplo, el enlace triple del acetileno (H—C ≡ C—H) tiene momento dipolar de cero y el momento dipolar permanece de cero si se estira o comprime el enlace. Debido a que la vibración no produce algún cambio en el momento dipolar, no hay absorción de energía. Se dice que esta vibración es inactiva en el IR y que no produce absorción en el espectro IR. La clave para una vibración activa en el IR es que la vibración debe cambiar el momento dipolar de la molécula.

En general, si un enlace tiene un momento dipolar, su frecuencia del estiramiento ocasiona una absorción en el espectro IR. Si un enlace esta sustituido de manera simétrica y tiene momento dipolar de cero, su vibración del estiramiento es débil o ausente en el espectro2.

- Interpretación de espectros de infrarrojo:

La interpretación completa del espectro de IR es difícil porque la mayor parte de las moléculas orgánicas tienen docenas de diferentes estiramientos de enlace y movimientos de doblamiento y, por tanto, docenas de absorciones. Por un lado, esta complejidad representa un problema, debido a que por lo general esto limita el uso de la espectroscopia de IR en el laboratorio a muestras puras de moléculas medianamente pequeñas; poco puede aprenderse de la espectroscopia de IR de biomoléculas grandes y complejas. Por otro lado, la complejidad es útil debido a que un espectro de IR sirve como una huella digital única de un compuesto. De hecho, la región compleja del espectro IR de 1500 cm-1 a alrededor de 400 cm-1 se llama región de huella digital; y si dos muestras tienen espectros de IR idénticos, es casi seguro que sean compuestos idénticos.

Afortunadamente, no necesitamos interpretar por completo un espectro de IR para obtener información estructural útil. La mayor parte de los grupos funcionales tiene bandas de absorción en el IR características que no cambian de un compuesto a otro. La absorción del C=O de una cetona casi siempre está en el intervalo de 1680 a 1750 cm-1; la absorción del O-H de un alcohol casi siempre está en el intervalo de 3400 a 3650 cm-1; la absorción del C=C de un alqueno casi siempre está en el intervalo de 1640 a 1680 cm-1; y así sucesivamente. Al aprender dónde ocurren las absorciones características de los grupos funcionales, es posible obtener información estructural de los espectros de IR. La siguiente tabla lista las bandas de IR características de algunos grupos funcionales comunes1.[pic 11]

Figura 1.6.: Tabla con algunos grupos funcionales más comunes

Obsérvese los espectros de IR del hexano, 1-hexeno y 1-hexino para ver un ejemplo de cómo puede utilizarse la espectroscopia de IR. Aunque los tres espectros de IR contienen varios picos, existen absorciones características del C=C y de los grupos funcionales en C≡C que permiten que se distingan los tres compuestos; por tanto, el 1-hexeno muestra una absorción característica C=C en 1660 cm_1 y una absorción vinílica =C-H en 3100 cm_1, mientras que el 1-hexino tiene una absorción C≡C en 2100 cm_1 y una absorción de alquino terminal ≡C-H en 3300 cm_1.

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Figura 1.7.: Espectros de IR del (a) hexano, (b) 1-hexeno y (c) 1-hexino. Los espectros como éstos fácilmente se obtienen de cantidades en miligramos del material en pocos minutos utilizando instrumentos disponibles comercialmente1.

Como se muestra, es de ayuda recordar la posición de las absorciones de IR específicas para dividir la región IR de 4000 a 400 cm_1 en cuatro partes.

- La región de 4000 a 2500 cm_1 corresponde a absorciones ocasionadas por los movimientos de estiramiento de los enlaces sencillos N-H, C-H y O-H. Los enlaces N-H y O-H se absorben en el intervalo de 3300 a 3600 cm_1; el estiramiento del enlace C-H ocurre cercano a 3000 cm_1.

- La región de 2500 a 2000 cm_1 es donde ocurre el estiramiento de los enlaces triples, y los enlaces C≡N y C≡C absorben aquí.

- La región de 2000 a 1500 cm_1 es donde absorben los enlaces dobles (C=O, C=N, y C=C). Por lo general los grupos carbonílicos absorben en el intervalo de 1680 a 1750 cm_1, y comúnmente, el estiramiento de alquenos ocurre en el intervalo angosto de 1640 a 1680 cm_1.

- La región por debajo de los 1500 cm_1 es la porción de huella digital del espectro de IR. Una gran cantidad de absorciones debido a que aquí ocurre una variedad de vibraciones de enlaces sencillos C-C, C-O, C-N y C-X.

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Figura 1.7.: Las cuatro regiones del espectro infrarrojo: enlaces sencillos a hidrógeno, enlaces triples, enlaces dobles y huella digital.

¿Por qué los diferentes grupos funcionales absorben donde lo hacen?

Una buena analogía es la de dos masas (átomos) conectadas por un resorte (un enlace). Los enlaces cortos y fuertes vibran a una energía más alta y a una frecuencia mayor de lo que lo hacen los enlaces largos y débiles, al igual de como los resortes cortos y fuertes vibran más rápido que un resorte largo y débil; por tanto, los enlaces triples absorben a una mayor frecuencia que los enlaces dobles, los cuales a su vez absorben a una mayor frecuencia que los enlaces sencillos. Además, los resortes que conectan masas pequeñas vibran más rápido que los resortes que conectan masas grandes: por tanto, los enlaces C-H, O-H y N-H vibran a una mayor frecuencia que los enlaces entre los átomos más pesados C, O y N1.

ANEXO:

Además se tiene usos diversos en el campo de los alimentos, industria, etc. Estudios previos muestran cómo podemos detectar los cálculos renales con ayuda del espectro