Espectroscopía infrarrojo

La espectroscopía infrarrojo (IR) utiliza la radiación del espectro electromagnético cuya longitud de onda (λ) está comprendida entre los 800 y los 400000 nm (0.8 y 400 μ; 1 μ = 10-4 cm).

Por tanto, su efecto sobre la materia orgánica, es producir deformaciones de los enlaces de la sustancia. Debido a su gran amplitud se suele dividir en tres zonas:

fig-1

Siendo el IR medio el normalmente utilizado experimentalmente en determinación estructural (2.5 – 16 μ). Así, debido a consideraciones de tipo histórico, la unidad más usada en IR no es la longitud de onda (λ) sino el número de onda (υ,υ = 1/ λ cm-1). Por consiguiente, al IR medio le corresponde la zona comprendida entre 4000 y 625 cm-1.

Por otro lado, el aspecto típico de un espectro IR es el que se muestra en la figura:

fig-2

Cada absorción observable en el espectro corresponde a una vibración determinada de algún enlace dentro de la molécula.

Modos de vibración de los enlaces

Hay diferentes modos normales de vibración en las moléculas. Y estos llevan asociado un movimiento característico de los átomos. Los principales son: las deformaciones de enlace, ángulos de valencia, ángulos diedros, deformaciones fuera del plano, etc.

fig-3

Por ejemplo, los modos normales de vibración del formaldehído. Cada uno de estos tipos de vibración tiene asociada una frecuencia característica, que puede ser calculada mediante la ecuación de Hooke para el movimiento vibratorio:

υ = (1/2π)·√k/mA    (ec. 1)

υ = (1/2π)·√k/u    (ec. 2)

donde k es la constante de fuerza del enlace y u es la masa reducida del sistema. Según sea la relación entre las masas de los átomos que intervienen en el enlace. Así, usaremos la ecuación (1) cuando mA << mB o la (2) cuando ambas masas sean equiparables.

En una molécula con n átomos deben aparecer 3n-6 bandas de tensión y flexión (3n-5 cuando la molécula es lineal).

Así, de todas ellas solo darán una banda observable en el IR aquellas vibraciones que produzcan un cambio en el momento dipolar (las vibraciones simétricas no aparecen en el IR, pero se podrían observar en la espectroscopía Raman).

Por ejemplo, los modos de vibración del grupo metileno serán:

fig-4

Zonas del espectro de IR

A la hora de identificar los grupos funcionales con la espectroscopia IR vamos a considerar el espectro de IR dividido en varias zonas tal y como se muestra en las siguientes figuras:

fig-5

  • De 4000 a 2900 cm-1: Tensión de C-H, O-H y N-H.
  • De 2500 a 2000 cm-1: Tensión de triples enlaces y dobles enlaces acumulados.
  • De 2000 a 1500 cm-1: Tensión de C=O, C=N y C=C.
  • De 1500 a 600 cm-1: Zona de la huella dactilar (flexión de enlaces CH,CO,CN,CC, etc..)

Identificación de grupos funcionales en el IR

De acuerdo con dicha división se podrán identificar diversos grupos funcionales, tal y como se indica en la Tabla 1.

Tabla 1: Nº de onda de grupos funcionales en IR.
Grupo

funcional

Nº de onda

(cm-1)

OH (sin enlace de hidrógeno) 3600
NH 3500-3300
OH (enlace de hidrógeno) 3100-3200
-C ≡ C- 2300-2100
-N=C=O ~ 2270
-C ≡ N ~ 2250
-N=C=S ~ 2150
C=C=C ~ 1950
Anhidridos 1850-1740(2)
-COCl 1815-1785
Ciclobutanonas 1780-1760
γ-lactonas 1780-1760
Ciclopentanonas 1750-1740
Esteres 1750-1735
Esteres α,β-insaturados 1750-1715
δ-Lactonas 1750-1735
Aldehídos 1740-1720
Cetonas 1725-1700
Ácidos carboxílicos 1725-1700
Aldehídos y cetonas α,β-insaturados 1715-1660
Amidas 1690-1630
C=N- 1690-1480
NO2 1650-1500
1400-1250
C-F 1400-1000
Sulfonamidas y sulfonatos 1370-1300

1180-1140

sulfonas 1350-1300
1150-1100
S=O 1070-1010
C-Br 800-560
C-Cl 780-580
C-I 600-500

Como podemos observar, la mayor parte de los grupos funcionales más frecuentes en Química Orgánica presentan una absorción característica en el espectro IR. Valgan como ejemplos los que se muestran a continuación:

fig-6