TÈCNIQUES ESPECTROSCÒPIQUES

L’espectroscòpia infraroja (Espectroscòpia IR) és la branca de l'espectroscòpia que tracta amb la part infraroja de l'espectre electromagnètic. Aquesta cobreix un conjunt de tècniques, sent la més comuna una forma de espectroscòpia d'absorció.

Així com altres tècniques espectroscòpiques, pot utilitzar - se per identificar un compost i investigar la composició d'una mostra.

Per poder seguir parlant d’aquesta tècnica d’anàlisis, cal saber que és l’espectre electromagnètic.

La llum visible, la infraroja, la ultraviolada, les ones de microones i les de ràdio són clars exemples de radiacions electromagnètiques.

Totes aquestes radiacions viatgen aproximadament a la velocitat de la llum (uns 3·1010 cm/s) però es diferencien per la seva freqüència (ν) i per la seva longitud d’ona (λ).

L’espectre electromagnètic és l’interval de totes les freqüències possibles, des de 0 a l’infinit

Els primers equips comercials van aparèixer a mitjans del segle XX, havent-se impulsat el seu desenvolupament durant la Segona Guerra Mundial, quan es va utilitzar per a la síntesi de cautxú sintètic (emprat en el control de la concentració i puresa del butadiè el qual era utilitzat en la síntesi de dit polímer.

La regió infraroja de l'espectre electromagnètic es pot dividir en tres regions diferents; l'infraroig proper, mitjà i llunyà, anomenats així per la seva relació amb l'espectre visible. L’ infraroig llunyà (que aproximadament va de 400 a 10 cm-1) es troba adjacent a la regió de les ones de microones,aquesta regió posseeix una baixa energia i pot ser utilitzada en altres tècniques com per exemple l’espectroscòpia rotacional. La segona regió és l’infraroig mitjà (aproximadament 4000-400 cm-1) pot ser utilitzat per estudiar les vibracions fonamentals i l'estructura rotacional vibracional, finalment, l’última de les tres regions, l'infraroig proper (14.000-4.000 cm-1) pot excitar sobretons o vibracions harmòniques.

La tècnica de l’espectroscòpia infraroja es basa en el fet que les molècules tenen freqüències a les quals roten i vibren, és a dir, els moviments de rotació i vibració moleculars tenen nivells d'energia discrets (modes normals vibracionals).

Les freqüències ressonants o freqüències vibracionals són determinades per la forma de les superfícies d'energia potencial de les molècules, les masses dels àtoms i, eventualment pel acoblament vibrònic associat. Cal esmentar que perquè una freqüència vibracional en una molècula sigui activa a l'espectre infraroig, ha d'estar associada amb canvis en el dipol permanents.

En particular, en les aproximacions de Born – Oppenheimer, això passa quan el Hamiltonià molecular corresponent a l'estat electrònic pot ser aproximat per un oscil·lador harmònic en el veïnatge de la geometria molecular quan aquesta es troba en un estat d’equilibri.

Les freqüències ressonants són determinades per les formes normals corresponents a la superfície d'energia potencial de l'estat electrònic de la molècula.

No obstant això, les freqüències ressonants poden estar en una primera aproximació relacionades amb la força de l'enllaç i la massa dels àtoms a cada costat del mateix. Així, la freqüència de les vibracions poden ser associades amb un tipus particular d'enllaç.

Les molècules diatòmiques simples tenen només un enllaç, el qual es pot estirar. Molècules més complexes poden tenir molts enllaços, i les vibracions poden ser conjugades, portant a absorcions en l'infraroig a freqüències característiques que poden relacionar-se a grups químics.

Els àtoms en un grup CH2, trobat comunament en compostos orgànics poden vibrar de sis formes totalment diferents, estiraments simètrics i asimètrics, flexions simètriques i asimètriques en el pla. Per mesurar una mostra, un raig de llum infraroja travessa la mostra. Quan la freqüència d'excitació d'un enllaç (o grup d'enllaços) coincideix amb alguna de les freqüències incloses en les ones components del llamp, es produeix absorció. El que es va a registrar és la quantitat d'energia absorbida en cada longitud d'ona. Això pot aconseguir escanejant l'espectre amb un raig monocromàtic, el qual canvia de longitud d'ona a través del temps, o usant una transformada de Fourier per mesurar totes les longituds d'ona alhora. A partir d'això, es pot traçar un espectre de

transmitància o absorbància, el qual mostra a quines longituds d'ona la mostra absorbeix l'IR, i permet una interpretació de quins enllaços són presents.

Aquesta tècnica funciona exclusivament amb enllaços covalents, i com a tal és de gran utilitat en química orgànica. Espectres nítids s'obtenen de mostres amb pocs enllaços actius a l'IR i alts nivells de puresa. Estructures moleculars més complexes porten a més bandes d'absorció i a un espectre més complex. No obstant això aquesta tècnica s'ha pogut utilitzar per a la caracterització de barreges molt complexes.

L’espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN) és una tècnica d’anàlisi la qual va ser desenvolupada cap a finals dels anys quaranta amb l’objectiu d’estudiar els nuclis atòmics.

L’any 1951, es va descobrir que aquesta tècnica podia ser utilitzada per a determinar estructures de compostos orgànics (molt útil en la identificació d’explosius o drogues) estudiant, com ja s’ha mencionat anteriorment en aquest mateix apartat, el comportament de certs nuclis atòmics .

Aquesta tècnica espectroscòpica es pot utilitzar solament amb nuclis atòmics que tinguin el nombre de protons o neutrons (o els dos) imparells.

Aquesta situació es dona en els àtoms de 1H, 13C, 19F i 31P. Només es pot aplicar en aquests àtoms perquè són magnèticament actius, és a dir, que presenten espín, a l’igual que els electrons.

En absència d’un camp magnètic, els espins nuclears s’orienten a l’atzar però en el moment en que una mostra es col·loca en un camp magnètic, els nuclis d’espín positiu s’orienten en la mateixa direcció que el camp en un estat de mínima energia el qual s’anomena estat d’espín mentre que els nuclis que presenten un espín negatiu s’orienten cap a la direcció contrària a la que presenta el camp magnètic en un estat de major energia el qual rep estat d’espín β.

La diferència d’energia entre els dos estats d’espín mencionats anteriorment depèn de la força del camp magnètic aplicat (H0), és a dir, com més fort sigui el camp magnètic, més gran serà la diferència entre els dos estats d’espín.

Quan una mostra que conté un compost orgànic és irradiada per un intens pols de radiació de manera molt breu, els nuclis que es troben en l’estat d’espín són promoguts cap a l’estat d’espín β.

Aquest tipus de radiació es troba a la regió de les radiofreqüències (rf) de l’espectre electromagnètic, per això se les denomina radiacions rf.

Quan els nuclis atòmics retornen al seu estat inicial emeten senyals la freqüència de les quals depèn de la diferència d'energia (ΔE) entre els dos estats d'espín (α i β).

L’espectròmetre de RMN detecta aquestes senyals i les registra en una gràfica de

freqüències/intensitat, que és l'anomenat espectre de RMN. El terme de ressonància magnètica nuclear es refereix a que els nuclis estan en ressonància amb la radiofreqüència i passen d’un estat a l’altre en resposta a la radiació a la que han estat sotmesos.

RESSONÀNCIA MAGNÈTICA NUCLEAR DEL 1H

Els electrons es mouen generant un camp magnètic induït molt petit que s’oposa al camp magnètic extern.

Aquest fet produeix que el camp magnètic que arriba al nucli és més feble que el camp magnètic. Al passar això, diem que el nucli està apantallat. Aquest fenomen d’apantallament és de vital importància ja que el camp magnètic efectiu (Hef) que un protó sent és menor al camp extern y per aquest motiu, si es vol que el nucli entra en estat de ressonància, el camp extern ha de ser major.

Si tots els protons (1H) d'una molècula orgànica estiguessin apantallats d’igual manera tots entrarien en ressonància amb la mateixa combinació de freqüència i camp magnètic. No obstant això, els protons es troben dins d'entorns electrònics diferents i, per tant, es troben diferentment protegits o apantallats.

En general, els efectes de protecció, o apantallament, dels núvols electrònics que envolten a cada protó són diferents, el que provoca diferents freqüències d'emissió. El resultat és un espectre de diverses freqüències on cada conjunt de nuclis específics dóna origen a un senyal únic de RMN. Així doncs, un espectre de RMN és una gràfica de la intensitat del senyal en funció de la freqüència de l'energia electromagnètica que alliberen els diversos nuclis d'una mostra. Les variacions en les freqüències d'absorció de ressonància magnètica nuclear, que tenen lloc a causa del diferent apantallament dels nuclis, reben el nom de desplaçaments químics (unitats δ o ppm).

A la pràctica és difícil mesurar el camp magnètic al qual un protó absorbeix amb suficient exactitud per distingir protons individuals ja que les absorcions només varien en unes poques mil·lèsimes. Un mètode més exacte per expressar desplaçaments químics és determinar el valor respecte a un compost de referència que s'afegeix a la mostra. La diferència en la intensitat del camp magnètic necessari per a la ressonància dels protons de la mostra i dels protons de referència es pot mesurar, ara sí, amb molta exactitud.

El compost de referència més comuna en ressonància magnètica nuclear és el tetrametilsilà (TMS) [CH3)4Si]. Com el silici és menys electronegatiu que el carboni, els grups metil del TMS són relativament rics en electrons, és a dir, seus protons estan fortament apantallats. Com a conseqüència d'aquest apantallament, aquests protons absorbeixen a una intensitat de camp més gran que la resta de protons enllaçats al carboni o als altres elements, de manera que gairebé tots els senyals de ressonància magnètica nuclear apareixen a camps més baixos. A més tots els protons del TMS absorbeixen amb el mateix desplaçament químic donant una única absorció intensa.

L’escala més comuna de desplaçament químic és l'escala δ (delta) a la que l'absorció del tetrametilsilà (TMS) es defineix com 0.00 δ. La major part dels protons absorbeixen a camps menors que el TMS, de manera que l'escala δ augmenta cap als camps menors. La majoria dels senyals de protons (1H) varien entre 0 i 12 δ, mentre que els senyals del 13C varien del 0 a 250 δ.

RESSONÀNCIA MAGNÈTICA NUCLEAR DEL 13C

És l’espectroscòpia de ressonància magnètica nuclear (RMN) aplicada al nucli del 13C. Aquesta tècnica és complementària a la RMN del 1H, la qual s’encarrega, com ja s’ha mencionat abans de deduir l’esquelet carbonat d’una mostra a partir de l’observació dels entorns magnètics dels àtoms d’hidrogen mentre que l’espectroscòpia del 13C determina l’entorn magnètic dels àtoms de carboni.

De manera aproximada, el 99% dels àtoms de carboni que es troben en una mostra d’origen natural pertanyen a l’isòtop 12C. El problema que presenta aquest isòtop és que posseeix un nombre parell de protons i de neutrons i no té espín magnètic, per tant, no pot donar lloc a senyals de RMN. En canvi, l’isòtop del 13C és menys abundant però té un nombre imparell de neutrons, fet que li confereix un espín magnètic de 1/2.

L’espectroscòpia d’RMN de 13C és menys sensible que la de 1H ja que només l’1% dels àtoms de carboni posseeixen espín i, a més, la freqüència de RMN del 13C, per a un camp magnètic donat, és una quarta part de la del 1H.

Els desplaçaments químics del carboni són de 15 a 20 vegades més grans que els de l’àtom d’hidrogen. Per exemple, el protó d’un grup aldehid absorbeix a 9.4 ppm a

l’espectre de 1H mentre que els carboni d’un grup carboxílic absorbeix a 180 ppm en l’espectre de 13C.

A més, els senyals en l'espectre de 13C són línies verticals, és a dir, no hi ha
desdoblaments de espín - espín. Això es deu al fet que només l'1% dels àtoms de
carboni entren en ressonància, i per tant, hi ha una probabilitat molt petita de
que un nucli de 13C estigui adjacent a un altre nucli de 13C.