6.3: Espectro IR y bandas de absorción características

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6.3 Espectro IR y bandas de absorción características

Xin Liu

Con la comprensión básica de la teoría IR, analizaremos la salida real de los experimentos de espectroscopia IR y aprenderemos a obtener información estructural del espectro IR. A continuación se muestra el espectro IR para 2-hexanona.

Notas para interpretar espectros IR:

El eje vertical es '% de transmitancia', lo que indica con qué intensidad se absorbió la luz en cada frecuencia. La línea continua traza los valores de% de transmitancia por cada longitud de onda pasada a través de la muestra. En el extremo superior del eje, 100% de transmitancia significa que no se produjo absorción a esa frecuencia. Valores más bajos de% de transmitancia significan que parte de la energía es absorbida por el compuesto, y da los picos a la baja. Los picos se denominan bandas de absorción en un espectro IR. Una molécula tiene una variedad de enlaces covalentes, y cada enlace tiene diferentes modos de vibración, por lo que el espectro IR de un compuesto generalmente muestra múltiples bandas de absorción.
El eje horizontal indica la posición de una banda de absorción. Pero en lugar de usar la frecuencia para mostrar la radiación absorbida, los números de onda (, en unidad de cm ^-1) se utilizan de manera convencional en los espectros IR. El número de onda se define como el recíproco de longitud de onda (Fórmula 6.3), y los números de onda de radiación infrarroja están normalmente en el rango de 4000 cm ^-1 a 600 cm ^-1 (aproximadamente corresponde al rango de longitud de onda de 2.5 μm a 17 μm de radiación IR).

Tenga en cuenta que la dirección del eje horizontal (número de onda) en los espectros IR disminuye de izquierda a derecha. Los números de onda más grandes (longitudes de onda más cortas) están asociados con frecuencias más altas y mayor energía.

El poder de la espectroscopia infrarroja surge de la observación de que los enlaces covalentes que caracterizan diferentes grupos funcionales tienen diferentes frecuencias de absorción características (en número de onda, Cuadro 6.1). Por lo tanto, la técnica es muy útil como medio para identificar qué grupos funcionales están presentes en una molécula de interés.

Por ejemplo, la banda de absorción más características en el espectro de 2-hexanona (Figura 6.3a) es la de la vibración de estiramiento del doble enlace carbonilo C=O, a 1716 cm ^-1. Se trata de una banda muy fuerte comparando con las demás del espectro. Una fuerte banda de absorbancia en la región de 1650-1750 cm ^-1 indica que está presente un grupo carbonilo (C=O). Dentro de ese rango, los ácidos carboxílicos, ésteres, cetonas y aldehídos tienden a absorberse en el extremo más alto de wavenumber/frecuencia (1700-1750 cm ^-1), mientras que las cetonas y amidas insaturadas conjugadas tienden a absorber en el extremo inferior/frecuencia (1650-1700 cm ^-1).

Estiramiento de vibraciones

Generalmente, las vibraciones de estiramiento, las vibraciones de estiramiento requieren más energía y muestran bandas de absorción en la región de mayor número de aves/frecuencia. Las características que estiran las bandas de vibración asociadas con los enlaces en algunos grupos funcionales comunes se resumen en la Tabla 6.1.

Fórmula	Bond	Rango de frecuencia IR característico (cm ^-1)
alcohol	Estiramiento O-H	3200 — 3600 (amplio)

carbonilo

Estiramiento C=O

1650 — 1750 (fuerte) aldehído

Estiramiento C-H

~ 2800 y ~ 2700 (medio) ácido carboxílico

Estiramiento C=O

1700 — 1725 (fuerte)

Estiramiento O-H

2500 — 3300 alqueno (ancho)

Estiramiento C=C

1620 — 1680 (débil)

Estiramiento de vinil =C-H

3020 — 3080 benceno

Estiramiento C=C

~ 1600 y 1500 — 1430 (fuerte a débil) alquino

Estiramiento C≡ C

2100 — 2250 (débil)

el estiramiento de la terminal

3250 — 3350 alcano

Estiramiento C-H

2850-2950 amina

Estiramiento N-H

3300-3500 (mediano)

Tabla 6.1 Frecuencias IR características de vibraciones de estiramiento

La información del Cuadro 6.1 se puede resumir en el diagrama que es más fácil de identificar (Figura 6.3b), en el que el espectro IR se divide en varias regiones, con la banda característica de ciertos grupos etiquetada.

Figura 6.3b Rango aproximado de absorción IR

Las bandas de absorción en los espectros IR tienen diferente intensidad, que generalmente pueden denominarse fuertes (s), medias (m), débiles (w), anchas y agudas. La intensidad de una banda de absorción depende de la polaridad del enlace, el enlace con mayor polaridad mostrará una banda de absorción más intensa. La intensidad también depende del número de enlaces responsables de la absorción, la banda de absorción con más enlaces involucrados tiene mayor intensidad.

Las frecuencias IR características de las vibraciones de estiramiento en la Tabla 6.1 y la Figura 6.3b proporcionan información muy útil para identificar la presencia de cierto grupo funcional, que puede resumirse generalmente como:

El enlace polar O-H (en alcohol y ácido carboxílico) generalmente muestra bandas de absorción fuertes y amplias que son fáciles de identificar. La forma amplia de la banda de absorción es el resultado de los enlaces de hidrógeno de los grupos OH entre las moléculas. El enlace OH del grupo alcohol suele tener absorción en el rango de 3200-3600 cm ^-1, mientras que el enlace OH del grupo ácido carboxílico ocurre a aproximadamente 2500-3300 cm ^-1 (Figura 6.4a y Figura 6.4c).

La polaridad del enlace N-H (en amina y amida) es más débil que el enlace OH, por lo que la banda de absorción de N-H no es tan intensa, ni tan amplia como O-H, y la posición está en la región 3300-3500 cm ^-1.

El estiramiento del enlace C-H de todos los hidrocarburos ocurre en el rango de 2800-3300 cm ^-1, y la ubicación exacta se puede utilizar para distinguir entre alcano, alqueno y alquino. Específicamente:

El enlace ≡ C-H (sp C-H) del alquino terminal proporciona absorción a aproximadamente 3300 cm ^-1
El enlace =C-H (sp ² C-H) del alqueno da absorción a aproximadamente 3000-3100 cm ^-1
El enlace -C-H (sp ³ C-H) del alcano da absorción a aproximadamente ~2900 cm ^-1 (véase el ejemplo del espectro IR de 2-hexanona en la Figura 6.3a, la banda de absorción C-H a aproximadamente 2900 cm ^-1)

Se debe tomar nota especial para el estiramiento del enlace C-H de un grupo aldehído que muestre dos bandas de absorción, una a ~2800 cm ^-1 y la otra a ~ 2700 cm ^-1. Por lo tanto, es relativamente fácil identificar el grupo aldehído (junto con el estiramiento C=O a aproximadamente 1700 cm ^-1) ya que esencialmente no se producen otras absorciones en estos números de onda (ver el ejemplo del espectro IR del butanal en la Figura 6.4d).

La vibración de estiramiento de los enlaces triples C≡ C y C≡ N tienen bandas de absorción de aproximadamente 2100 ~ 2200 cm ^-1. La intensidad de la banda se encuentra en nivel medio a débil. Los alquinos pueden identificarse generalmente con las bandas de absorbancia IR débiles pero afiladas características en el rango de 2100-2250 cm ^-1 debido al estiramiento del triple enlace C=C, y los alquinos terminales pueden identificarse por su absorbancia a aproximadamente 3300 cm ^-1, debido al estiramiento de sp C-H.

Como se mencionó anteriormente, el estiramiento C=O tiene una fuerte banda de absorción en la región de 1650-1750 cm ^-1. Otros dobles enlaces como C=C y C=N tienen absorciones en regiones de frecuencia más baja de bits de aproximadamente 1550-1650 cm-1. El estiramiento C=C de un alqueno solo muestra una banda a ~1600 cm ^-1 (Figura 6.4b), mientras que un anillo de benceno está indicado por dos bandas de absorción afiladas, una a ~1600 cm ^-1 y otra a 1500-1430 cm ^-1 (ver el ejemplo del espectro IR de etilbenceno en la Figura 6.4e).

Notará en la Figura 6.3a y 6.3b que una región con la frecuencia más baja 400-1400 cm ^-1 en el espectro IR se llama región de huella dactilar. Como una huella digital humana, el patrón de bandas de absorbancia en la región de la huella dactilar es característico del compuesto como un todo. Incluso si dos moléculas diferentes tienen los mismos grupos funcionales, sus espectros IR no serán idénticos y dicha diferencia se reflejará en las bandas en la región de la huella dactilar. Por lo tanto, el IR de una muestra desconocida puede compararse con una base de datos de espectros IR de estándares conocidos para confirmar la identificación de la muestra desconocida.