3.3: Algunos Puntos Sutiles de Espectroscopia IR
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Los alcanos muestran dos conjuntos de picos en el espectro IR. Los alcanos contienen dos tipos de enlaces: enlaces C-C y enlaces C-H. Sin embargo, estos dos hechos no están relacionados. Las razones se explican a través de la polaridad del enlace y las vibraciones moleculares.
La polaridad de enlace puede desempeñar un papel en la espectroscopia IR.
- reglas de la naturaleza que solo los enlaces que contienen dipolos pueden absorber la luz infrarroja.
- Los enlaces C-C suelen ser no polares y generalmente no aparecen como picos en el espectro IR.
- Los enlaces C-H no son muy polares y no dan lugar a picos fuertes en el espectro IR.
- una gran cantidad de pequeños picos C-H pueden sumarse para parecerse a un pico grande. Esto sucedería si una molécula contenía muchos enlaces C-H (una situación común).
Las vibraciones moleculares juegan un papel importante en la espectroscopia IR.
- La luz IR interactúa con uniones vibratorias. Cuando se absorbe la luz, el enlace tiene un poco más de energía y vibra a una frecuencia más alta.
- una unión no tiene una longitud exacta y fija; puede estirarse y comprimirse. Esto se llama vibración de estiramiento de unión.
- El estiramiento de los enlaces C-H en alcanos absorbe la luz alrededor de 2900 cm -1.
- Los ángulos de unión también pueden doblarse; por ejemplo, el ángulo de unión H-C-H puede comprimirse y estirarse. Esto se llama vibración de flexión.
- Los ángulos H-C-H de flexión en alcanos absorben la luz alrededor de 1500 cm -1.
Los factores que gobiernan qué enlaces (y qué vibraciones) aparecen a qué frecuencias son manejadas fácilmente por software de química computacional. De hecho, la predicción de frecuencias de absorción en espectros IR se puede hacer utilizando la mecánica clásica del siglo XVII, específicamente la Ley de Hooke (ideada para explicar las frecuencias vibracionales de los resortes). La computación no es el foco de este capítulo pero puede ayudarte a realizar un seguimiento de qué tipo de vibraciones absorben a qué frecuencias.
La Ley de Hooke establece:
- la frecuencia vibratoria es proporcional a la fuerza del resorte; cuanto más fuerte es el resorte, mayor es la frecuencia.
- la frecuencia vibracional es inversamente proporcional a las masas en los extremos del resorte; cuanto más ligeros son los pesos, mayor es la frecuencia.
La luz IR se absorbe si está en resonancia con un enlace vibratorio; eso significa que la frecuencia de la luz es la misma que la frecuencia de la vibración del enlace, o bien un múltiplo exacto de la misma (2x, 3x, 4x...). Es un poco como empujar a un niño en un columpio: a menos que estés empujando a la misma frecuencia que el columpio está balanceando, no podrás transferir tu energía al columpio.
La Ley de Hooke en espectroscopia IR significa:
- los enlaces más fuertes absorben a frecuencias más altas.
- los enlaces más débiles absorben a frecuencias más bajas.
- los enlaces entre átomos más ligeros absorben a frecuencias más altas.
- los enlaces entre los átomos más pesados absorben a frecuencias más bajas.
Recuerda, aquí hay dos factores, así que no podrás hacer predicciones sabiendo solo un factor. Algunos enlaces fuertes pueden no absorber a alta frecuencia porque se encuentran entre átomos pesados. La información se presenta principalmente para ayudarte a organizar qué enlaces absorben a qué frecuencias generales después de haber aprendido sobre ellos.
Las razones que explican por qué las vibraciones de flexión C-H están a menor frecuencia que las vibraciones de estiramiento C-H también están relacionadas con la Ley de Hooke. Una vibración de flexión H-C-H involucra tres átomos, no solo dos, por lo que la masa involucrada es mayor que en un estiramiento C-H. Eso significa menor frecuencia. Además, resulta que la “rigidez” de un ángulo de unión (análogo a la fuerza de un resorte) es menor que la “rigidez” de una longitud de unión; el ángulo tiene un poco más de latitud para cambiar que la longitud. Ambos factores conducen a una menor frecuencia de flexión.
Para cada uno de los siguientes pares, identifique qué enlace se mostraría en un número de onda más alto en el espectro IR:
a) C-H o C-O b) C-O o C=O c) C=N o C = N
d) N-H o N-O e) un enlace O-H covalente o un enlace de hidrógeno en agua
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a) C-H aparece en mayor número de onda, porque H es más ligero que O
b) C=O aparece en un número de onda más alto, porque un doble enlace es más fuerte que un simple
c) C=N aparece en mayor número de onda, porque un triple enlace es más fuerte que un doble
d) N-H aparece en mayor número de onda, porque H es más ligero que O
e) O-H covalente se presenta en mayor número de onda, porque un enlace covalente es más fuerte que un enlace de hidrógeno