1 INTRODUCCIÓN I. La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es la herramienta más útil para la elucidación estructural de moléculas orgánicas. Nos permite dar la posición relativa de átomos dentro de una molécula. Se basa en la absorción de energía electromagnética (ondas de radio) por moléculas inmersas en un fuerte campo magnético. la elucidación de estructuras de compuestos orgánicos: La primera parte está dedicada a la espectrofotometría de infrarrojo, que es un método instrumental muy importante para determinar los grupos funcionales que existen en una estructura molecular, mediante la interpretación de las señales de un espectro que muestra la interacción de la radiación infrarroja con los modos vibracionales y rotacionales de los átomos en una molécula. Los espectros de resonancia magnética nuclear de protón y de carbono-13, los cuales son de gran utilidad para definir la estructura de especies químicas en estudio, las señales obtenidas en un espectro de resonancia se basan en la absorción característica de energía por núcleos que giran dentro de un potente campo magnético, finalmente estudiamos la espectrometría de masas que aporta más información acerca de la molécula en estudio, ayudando a definir su peso molecular y algunos detalles de su estructura a través de los patrones de fragmentación obtenidos en un espectro de masas. 2 II. CUERPO DE LA MONOGRAFÍA 2. Elucidación de estructuras orgánicas 2.1.El análisis de compuestos orgánicos Una de las actividades más apasionantes que realiza el químico, es cuando se encuentra con una sustancia desconocida; inmediatamente surge la interrogante ¿qué es? Tratando de conocer su identidad o estructura química. Si se trata de una sustancia conocida, trata de determinar su estado de pureza; y si se trata de una mezcla, cuáles son sus componentes y cuánto hay de cada uno de ellos. Entonces, el Análisis de Compuestos Orgánicos lo podemos definir como la aplicación sistemática de teorías y técnicas que permiten identificar y cuantificar a las sustancias orgánicas; determinando sus estructuras, grado de pureza o composición porcentual. Los métodos analíticos podemos clasificarlos como químicos y espectroscópicos. Hasta la década de los 5O los métodos analíticos en química orgánica eran estrictamente químicos; con el posterior desarrollo de las técnicas espectroscópicas en la investigación química, se ha logrado un gran impulso en el avance del Análisis Orgánico Cualitativo, y en la actualidad la identificación de compuestos orgánicos se realiza por la elucidación espectroscópica de las estructuras. En el análisis cualitativo por métodos químicos, se empleaban reacciones específicas de los grupos funcionales que involucran formación de productos coloreados, precipitados, desprendimiento de gases y otras formas de ser percibidas sensorialmente. Los métodos espectroscópicos permiten elucidar estructuras orgánicas utilizando pequeñas cantidades de muestra, y con una rapidez mucho mayor que los métodos químicos, la desventaja es el elevado costo en la adquisición de equipos, en el manejo de las muestras y en su mantenimiento. Los principales métodos espectroscópicos, para el análisis orgánico, son: Espectroscopia Ultravioleta-Visible, Espectroscopia Infrarroja, Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear y Espectrometría de Masa. 3 2.2.Importancia del análisis de compuestos orgánicos Una de las fases más importantes de la investigación en química, lo constituye el análisis de compuestos orgánicos, que comprende la organización del conocimiento acumulado sobre las propiedades físicas y espectroscópicas, las estructuras y las reacciones de miles de sustancias orgánicas; dentro de un procedimiento sistemático de identificación lógica. Las investigaciones que realiza el Químico Farmacéutico, se orientan principalmente a la búsqueda de sustancias con nuevas o mejores acciones farmacológicas y que por lo general son compuestos orgánicos, además resulta evidente que existe una estrecha relación entre la estructura química y la acción biológica; de allí la necesidad de conocer la identidad o estructura de una sustancia. Estas nuevas sustancias que luego se convierten en medicamentos, se obtienen de la naturaleza o por síntesis química. En la actualidad tiene gran vigencia la separación e identificación de principios activos en plantas medicinales. En dicha investigación es de suma utilidad la identificación y cuantificación de los principios activos, que permita un uso adecuado de ellos. Esta información la proporciona el análisis orgánico. 2.3.Análisis orgánico cualitativo En la actualidad la identificación de compuestos orgánicos se realiza muy rápidamente, utilizando métodos espectroscópicos tales como la espectroscopía Infrarroja que nos permite determinar el grupo funcional en el caso de la identificación de una nueva sustancia, o como “huella digital” para verificar la identidad de una sustancia conocida. La espectroscopía Ultravioleta-visible nos da información de la estructura de compuestos que presentan grupos cromóforos, si bien se trata de una técnica que no es aplicable a todos los compuestos orgánicos, lo cierto es que una gran cantidad de medicamentos y sustancias naturales con potencial de bioactividad, incluyen cromóforos en su estructura química. En la década de los 70, la espectrometría de masas se convirtió en la técnica más importante para la elucidación de las estructuras de las nuevas sustancias orgánicas; en esa misma época se 4 desarrollan los equipos de Resonancia Magnética Nuclear y en la cual, los avances tecnológicos de los últimos años han sido espectaculares, de tal manera que una gran cantidad de nuevas sustancias, obtenidas de la naturaleza (principalmente del reino vegetal) o por síntesis química son identificadas, es decir se elucida su estructura, utilizando únicamente la RMN. En el presente curso, trataremos de la introducción a la espectroscopia molecular, revisando los conceptos básicos para la aplicación de la espectroscopia IR, UV-vis y RMN-H1, en la elucidación de las estructuras de compuestos orgánicos que contienen Carbono, hidrogeno y 0xígeno, incluyendo a los hidrocarburos, alcoholes, fenoles, aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos, esteres, anhídridos y éteres. Se incluyen medicamentos con estos grupos funcionales. 2.4.Análisis orgánico cuantitativo Los problemas analíticos cuantitativos que se presentan con mayor frecuencia son: a) Determinar la cantidad o porcentaje de pureza de una sustancia conocida. b) Determinar la composición porcentual de una mezcla. c) Determinar el peso equivalente o el número de grupos funcionales de una muestra desconocida. En este caso, el análisis cuantitativo es un auxiliar en la identificación de dicha muestra. 2.5.Análisis cualitativo de compuestos orgánicos 2.5.1. El análisis cualitativo El análisis cualitativo nos permite determinar la identidad de una sustancia orgánica. Si la muestra que analizamos es una sustancia cuya estructura ya fue elucidada previamente, la identificación puede realizarse mediante pruebas de verificación: En casos simples como, por ejemplo: En el almacén de reactivos tenemos un frasco sin etiqueta y no sabemos si se trata de etanol o metanol, el problema cualitativo es decir el problema de identificación, es sencillo ya que se trata de determinar si la muestra es etanol o metanol, sabemos que el etanol reacciona muy rápidamente con Yodo en medio alcalino para formar yodoformo, compuesto insoluble de color amarillo y olor característico, el metanol no da esta 5 reacción. Entonces, aplicando esta prueba, en pocos minutos resolvemos el problema, si la muestra forma yodoformo es etanol, si no lo forma, es metanol. De manera similar, en estos casos también se pueden utilizar las constantes físicas punto de fusión para sólidos, punto de ebullición para líquidos o espectros IR o UV-vis, como patrones de referencia o huella digital, en este último caso, le tomo el espectro correspondiente (IR o UVvis) y lo comparo con el espectro de la base de datos, debemos mencionar que este procedimiento es frecuente para identificar narcóticos en casos que se presume que la muestra corresponda a algún tipo de estas sustancias. En el otro extremo, no se dispone de información alguna de la muestra; en estos casos se procede con el esquema del análisis cualitativo (ver pág. 4) que comprende: - Ensayos preliminares obtenemos información de la naturaleza de la muestra y de su pureza. - Análisis elemental, conocemos los elementos químicos y su cantidad. - Elucidación de estructuras, conocemos la estructura química de la muestra. En la elucidación de las estructuras de compuestos orgánicos correspondientes a los grupos funcionales: Hidrocarburos, hidroxilos (alcoholes y fenoles) Carbonílicos (aldehídos y cetonas), Carboxílicos (ácidos carboxílicos, esteres y anhídridos) y éteres. 2.6.La espectroscopía molecular 2.6.1. Definiciones Generales a) Espectroscopía molecular: Estudia los cambios de la energía interna de las moléculas fenómenos espectroscópicos que se producen cuando los compuestos orgánicos interaccionan con la energía radiante. b) Espectroscopios: Instrumentos para producir la interacción de la energía radiante y la materia. 6 - Los primeros espectroscopios, se basaban en un proceso que separaba la luz blanca visible en sus diferentes colores. Espectrómetros (Espectrofotómetros): Instrumentos para producir y medir la interacción de la energía radiante y la materia. Espectrofotómetros UV-vis (Ultravioleta-visible) 7 Espectrofotómetro IR (Infrarrojo) Espectros: Representación gráfica de la interacción de la energía radiante y la materia. Energía radiante. Espectro electromagnético 8 Energía molecular: E(total) = E traslacional + E interna E interna = E rotacional + E vibracional + E electrónica Interacción de energía radiante y materia: Las moléculas absorben la energía radiante incrementando su energía interna; luego emiten dicha energía absorbida. Cuando la energía radiante corresponde a la región de las microondas, las moléculas absorben dicha radiación e incrementan su energía rotacional, en el caso de la región del infrarrojo el incremento es en la energía vibracional y la región ultravioleta-visible incrementa la energía electrónica de las moléculas. Espectroscopía de Absorción: Infrarrojo (I.R.) Ultravioleta - visible ((UV-vis) Resonancia magnética nuclear (RMN) Es frecuente que los diferentes autores definan a los métodos espectroscópicos como de absorción o de emisión, lo real es que en el fenómeno espectroscópico ocurren ambas: absorción y emisión. Son los espectrómetros los que se pueden clasificar en dichas categorías, de acuerdo a si miden la energía que se absorbe o la que se emite. La medida de la absorción involucra rangos de energía muchos más grandes que en la emisión; por lo que los instrumentos miden cantidades mayores de energía, por lo tanto, la precisión es menos exigente. Esto se refleja en las enormes diferencias de los costos, los espectrómetros de absorción son mucho menos costosos que los de emisión. Podemos comparar con las diferencias entre una balanza normal y una balanza analítica. En conclusión, el término de espectroscopía de absorción es incorrecto. 9 Modos de interacción. Las transiciones ocurren en la E vibracional UV-vis, se originan transiciones de Aplicaciones en Química En el análisis cualitativo (elucidación estructural) y cuantitativo de compuestos orgánicos. Ventajas (frente a métodos químicos) Precisión, rapidez y pequeñas cantidades de muestra; para el análisis cualitativo. Resolución de mezclas complejas, en el análisis cuantitativo. Desventajas (frente a métodos químicos) Alto costo de: equipos, operación y mantenimiento En análisis cuantitativo: menor precisión. Requiere personal especializado. 2.6.2. Espectroscopía Infrarroja La espectroscopía infrarroja (IR) corresponde a la región de las vibraciones moleculares, abarca las frecuencias que van desde los valores inferiores al visible hasta valores que colindan con las frecuencias más altas, como las microondas, es decir, longitudes de onda que van desde los 0.8 a 200 μm. Los espectrómetros infrarrojos de uso corriente suelen trabajar a longitudes de onda entre 2,5 a 15,15 μm desde 4.000 a 660 cm-1 si se expresa en números de onda. 2.6.3. Energía Vibracional En las moléculas, los átomos unidos por un enlace, están en continuo movimiento vibratorio, lo que determina los niveles de energía vibracional en la molécula, las moléculas absorben energía para incrementar los niveles vibracionales que se representan por V. En moléculas sencillas es posible definir el tipo de vibraciones que tienen lugar entre los distintos átomos enlazados e identificar la radiación electromagnética que es absorbida para modificar su estado vibracional. En moléculas complejas esta posibilidad es más difícil tanto por el elevado número de vibraciones como por las interacciones entre los distintos centros vibracionales que se producen. 10 Hay dos clases de vibraciones básicas o fundamentales, de estiramiento, tensión o alargamiento cuando se modifican las distancias de los enlaces entre los átomos y de deformación o flexión cuando se modifican los ángulos de los enlaces interatómicos. En las moléculas de más de tres átomos, además de las vibraciones descritas, puede producirse interacciones o acoplamientos que dan lugar a cambios en las características de las vibraciones. Ejemplos de vibraciones: Transiciones vibracionales Transición de vibraciones fundamentales ν0 ν1 Las moléculas que se encuentran en un nivel vibracional que denominaremos ν0 nivel basal o fundamental, absorben energía e incrementan su nivel vibracional a ν1 nivel excitado. De los miles o quizá millones de moléculas que se encuentran vibrando en el nivel ν0, unas estarán rotando en el nivel J0, otras en J1, J2, etc, en la transición vibracional también ocurren cambios en los niveles rotacionales, de acuerdo a la regla de selección J ± 1. 11 Regiones del Espectro Infrarrojo Región del Grupo Funcional Llamada también Región de Alta Energía o Región de Onda Corta. Está comprendida entre los 4000 a 1400 cm-1. En esta región se presentan las vibraciones más importantes de los grupos funcionales, sobre-tonos y tonos de combinación y las vibraciones esqueléticas. Región de la Huella Digital Entre 1400 a 1000 cm-1. Es única para cada especie molecular. Se presenta el estiramiento C-O como bandas muy intensas. Región de Onda Larga Entre 1000 y 500 cm-1. Llamada también Región de Baja energía. Se presentan bandas intensas de las flexiones C=H y C-H fuera de plano de aromáticos, heteroaromáticos y alquenos. depende del límite mínimo del espectrofotómetro IR Espectroscopía Ultravioleta - Visible: La espectroscopía Ultravioleta – Visible (UV-vis) corresponde a la región de las transiciones de los electrones de los orbitales de enlace. Abarca la región comprendida entre los 10 a los 800 nm. En el análisis de compuestos orgánicos se utilizan equipos que trabajan entre los 200 a 800 nm. Región UV-vis del Espectro Electromagnético 12 Espectroscopía Resonancia Magnética Nuclear RMN-H1 La Espectroscopia de Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es básicamente una técnica espectroscópica. A diferencia del UV-vis e IR, no ocurre de manera natural, sino inducida. Si aplicamos energía de radiofrecuencia, desde un campo perpendicular, en el momento que la energía de radiofrecuencia es similar a la energía magnética generada por el “spin” del núcleo, se produce la resonancia. 2.7.Resonancia magnética nuclear El giro de las cargas eléctricas del núcleo hace que se comporte como un pequeño imán - momento magnético (μ) En presencia de un campo magnético externo B0 el núcleo es capaz de orientarse a favor o en contra. 13 Los dos estados tienen diferente energía. Esa diferencia aumenta con la intensidad del campo magnético. Se denomina resonancia magnética nuclear al fenómeno por el que un núcleo salta de un estado de espín a otro cuando es irradiado con luz de la energía (frecuencia de larmor). La energía necesaria para producir un tránsito entre estados (resonancia) es del orden de las radiofrecuencias. 1. ¿Cómo se obtiene un espectro de RMN? 14 2. ¿Todos los núcleos manifiestan resonancia magnética nuclear? Sólo tienen una frecuencia de resonancia característica cuando se someten a un campo magnético aquellos núcleos cuyo número másico o número atómico sea impar o ambos. Nº másico Par Nº atómico Par Señal rmn No Par Impar Si Impar Par Si Impar Impar Si Ejemplos 12 2 16 c6 , o8 10 14 h1, b5, n7 13 1 17 c6, o8 11 3. ¿Todos los núcleos de una muestra muestran resonancia a una misma frecuencia? - Apantallamiento atómico (electrones en torno al núcleo) Apantallamiento molecular (entorno atómico) 15 h1, b5, n7 15 ÍNDICE pagina INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 1 I. CUERPO DE LA MONOGRAFÍA ............................................................................................... 2 II. Elucidación de estructuras orgánicas ............................................................................................ 2 2. 2.1. El análisis de compuestos orgánicos .......................................................................................... 2 2.2. Importancia del análisis de compuestos orgánicos .................................................................. 3 2.3. Análisis orgánico cualitativo ...................................................................................................... 3 2.4. Análisis orgánico cuantitativo .................................................................................................... 4 2.5. Análisis cualitativo de compuestos orgánicos ........................................................................... 4 2.5.1. 2.6. El análisis cualitativo .......................................................................................................... 4 La espectroscopía molecular ...................................................................................................... 5 2.6.1. Definiciones Generales ........................................................................................................ 5 2.6.2. Espectroscopía Infrarroja .................................................................................................. 9 2.6.3. Energía Vibracional ............................................................................................................ 9 2.7. Resonancia magnética nuclear ................................................................................................. 12
