22 Jul

Espectroscopia Vibracional: IR y Raman

El Oscilador Armónico Simple y Anarmónico

En el oscilador armónico simple, las transiciones ocurren entre niveles consecutivos, produciendo solo un pico IR. A mayor número cuántico vibracional, menor es la diferencia de energía. Esta no linealidad inherente al sistema permite la observación de transiciones adicionales. La no linealidad incrementa la probabilidad de transiciones adicionales. Aparecen sobretonos en posiciones que corresponden al triple de la frecuencia fundamental.

En un sistema real, las diferencias de energía entre los niveles vibracionales no son constantes. Las bandas combinadas se observan cuando dos modos vibracionales se excitan simultáneamente, resultando en la suma o diferencia de las frecuencias de las vibraciones individuales.

Fuentes de Radiación en Espectroscopia IR

Las fuentes de radiación generan la energía necesaria para excitar los modos vibracionales de las moléculas. Se basan en el comportamiento del cuerpo negro, que absorbe y emite radiación electromagnética de forma ideal, sin reflejar ni transmitir energía. Además, la emisión térmica se basa en la ley del cuerpo negro, donde la intensidad y distribución son función de la temperatura.

  • Ley de Wien: La longitud de onda máxima de emisión es inversamente proporcional a la temperatura del cuerpo. Las fuentes que alcanzan temperaturas más altas emiten a longitudes de onda más cortas.
  • Filamento de Nernst: Varilla de ZrO2, ThO2 y CeO2. Opera a temperaturas de 1200-2100 K. No requiere atmósfera inerte y se obtiene un espectro amplio.
  • Globar: Es la fuente más usada. Varilla de SiC, con temperaturas entre 1300 y 1500 K. Ofrece una emisión más uniforme y estable, cubriendo el infrarrojo medio.
  • Cable Incandescente: Alambre de aleación de níquel y cromo que se calienta a 1100 K. Su intensidad es menor.

Factores que Afectan a la Frecuencia Vibracional

Simetría Molecular

La simetría influye tanto en la espectroscopia IR como en la Raman. Depende de si los modos de vibración producen cambios dentro de la molécula.

  • En espectroscopia IR, una vibración será activa si produce un cambio en el momento dipolar de la molécula. Es decir, cuando una vibración provoca un cambio en la distribución de cargas dentro de la molécula, se genera un dipolo que interactúa con el campo eléctrico de la radiación infrarroja. Cuanto mayor sea el cambio en el momento dipolar durante la vibración, más intensa será la absorción en el espectro IR.
  • Por otro lado, para que una vibración sea activa en Raman, debe dar lugar a un cambio en la polarizabilidad de la molécula. La polarizabilidad es la facilidad con la que la distribución electrónica de la molécula se distorsiona en presencia de un campo eléctrico externo. Las vibraciones que modifican esta polarizabilidad son las que generan el fenómeno de dispersión inelástica que se detecta en espectroscopia Raman.

La simetría de la molécula también juega un papel fundamental en determinar si un modo vibracional es activo en IR o Raman. Según la regla de exclusión mutua, para las moléculas que tienen un centro de simetría (es decir, moléculas centrosimétricas), los modos vibracionales simétricos son inactivos en IR, pero activos en Raman. Esto se debe a que no generan un cambio en el momento dipolar, pero sí pueden inducir un cambio en la polarizabilidad. En cambio, los modos antisimétricos son activos en IR, ya que producen un cambio en el momento dipolar; sin embargo, a veces son inactivos en Raman si no inducen un cambio en la polarizabilidad.

Acoplamiento Mecánico

El acoplamiento mecánico ocurre cuando dos grupos vibracionales en una molécula interactúan entre sí. Esto puede resultar en desplazamientos de frecuencia y la aparición de nuevos modos vibracionales.

Factores Clave:
  • Distancia entre los grupos vibracionales: Cuanto más cerca estén los grupos funcionales en la molécula, mayor será el acoplamiento debido a la interacción de los campos eléctricos generados por las vibraciones.
  • Similitud de Frecuencias: El acoplamiento es más fuerte cuando las frecuencias ω1 y ω2 son similares, lo que facilita la interferencia constructiva o mezcla de los modos vibracionales.
  • Tipo de Enlace y Estructura Electrónica: Enlaces conjugados o sistemas con fuerte interacción electrónica (por ejemplo, enlaces C=O en anillos conjugados) tienden a mostrar un acoplamiento más significativo.
  • Orientación Relativa de los Dipolos Vibracionales: Si los momentos dipolares de los grupos vibracionales están alineados de manera favorable, el acoplamiento será más pronunciado.

Resonancia de Fermi

La resonancia de Fermi es un caso especial de acoplamiento mecánico que ocurre cuando un modo fundamental tiene una energía muy cercana a la de un sobretono o una banda de combinación. Este fenómeno puede causar desplazamientos de frecuencia y la aparición de bandas adicionales en el espectro.

Puentes de Hidrógeno

El enlace de hidrógeno tiene un impacto significativo en las frecuencias de grupo en espectroscopia IR y Raman. Generalmente, las frecuencias de tensión X-H disminuyen, mientras que las frecuencias de flexión aumentan. El efecto más notable es el ensanchamiento y desplazamiento a frecuencias más bajas de las bandas de tensión O-H y N-H. La absorción de estiramiento O-H del grupo hidroxilo es sensible al enlace de hidrógeno. En soluciones más concentradas o en estado líquido puro, los grupos hidroxilo se enlazan entre sí, lo que disminuye y ensancha las frecuencias de estiramiento de los enlaces O-H.

Tensión de Anillo

La tensión de anillo afecta a los grupos carbonilo y alquenos. En cetonas, la frecuencia C=O aumenta a medida que disminuye el tamaño del anillo o aumenta la tensión angular.

Efectos Electrónicos

Se pueden identificar tres efectos electrónicos en competencia que afectan a la frecuencia de tensión C=O:

  1. Donación del átomo adyacente al C=O al orbital π* del C=O: Esto debilita el enlace C=O y reduce la frecuencia vibracional en IR.
  2. Donación n del átomo adyacente al C=O al orbital σ* del C=O: Esto debilita el enlace C=O y reduce la frecuencia vibracional en IR.
  3. Donación n del oxígeno del C=O al orbital aceptor σ* del carbonilo C=O: En este caso, la interacción del par solitario del oxígeno con el orbital σ* del propio carbonilo fortalece el enlace y aumenta la frecuencia vibracional.

Estereoisomería

Los isómeros rotacionales y conformacionales también pueden mostrar diferencias espectrales, como en el caso de conformaciones de silla, donde se observan dos bandas de carbonilo para los dos confórmeros.

Espectrometría de Masas

El espectro de masas, que representa la señal del ion en función de su relación masa/carga (m/z), permite determinar la masa molecular, los fragmentos producidos y la firma isotópica característica de cada elemento. Esta información es clave para determinar la composición elemental y la estructura de las moléculas, aplicándose en el análisis de sustancias como pesticidas o péptidos.

Tipos de Masa en Espectrometría

  • La masa media de una molécula se obtiene sumando las masas atómicas medias de los elementos que la forman.
  • La masa exacta es la masa calculada de un ion considerando la masa de cada átomo según un único isótopo específico, sin promediar entre diferentes isótopos. Se expresa con alta precisión y permite diferenciar compuestos con masas similares en espectrometría de masas de alta resolución.
  • La masa monoisotópica es la masa de un ion o molécula cuando está compuesto únicamente por los isótopos más abundantes de cada elemento. La masa monoisotópica es un tipo de masa exacta, pero solo considera los isótopos más abundantes. En espectros de alta resolución, el pico monoisotópico es el primero en la distribución isotópica y es especialmente útil para identificar moléculas pequeñas y proteínas.

Resolución en Espectrometría de Masas

La resolución se refiere a la capacidad del espectrómetro para diferenciar entre dos picos de masas similares. Se expresa como R = mm, donde m es la masa del ion y Δm es la diferencia mínima de masa entre dos picos que el instrumento puede distinguir. Se considera baja resolución cuando R es menor a 10.000. Un espectrómetro con R=1.000 puede distinguir masas con una diferencia de 1 unidad de masa en m/z=1000; es decir, distinguiría entre 1000 y 1001, pero no entre 1000.00 y 1000.01. En instrumentos modernos, puede llegar a valores de 100.000 o más. Un espectrómetro con R=100.000 podría diferenciar masas con una diferencia de 0.01 Da o incluso menos en el rango de 1000 m/z.

Defecto de Masa

El defecto de masa se calcula como: Masa exacta - Masa nominal.

Técnicas de Ionización en Espectrometría de Masas

  • Ionización Electrónica (EI)

    En la ionización electrónica, el analito en fase gaseosa se bombardea con electrones de alta energía, lo que provoca la expulsión de un electrón de la molécula y genera un catión radical (M•⁺). Este tipo de ionización produce una fragmentación significativa, ya que la energía restante tras la ionización rompe enlaces internos. Es una técnica muy utilizada para compuestos pequeños, volátiles y estables térmicamente, y permite obtener espectros ricos en fragmentos que ayudan a identificar estructuras moleculares.

  • Ionización Química (CI)

    La ionización química es una técnica más suave que la EI. Se emplea un gas reactivo que se ioniza primero, generando especies que luego transfieren protones u otros iones al analito. Así, se forman iones como (M+H)⁺, con una fragmentación mucho más reducida que en EI. También se pueden formar cationes radicales del analito. Es útil para determinar el peso molecular exacto sin la complejidad de picos por fragmentación.

  • Captura Electrónica (EC)

    La captura electrónica se emplea para generar aniones. Se utiliza un gas como el NF₃ que produce aniones fluoruro. Estos pueden desprotonar al analito o capturar electrones, generando especies negativas. La captura electrónica es especialmente útil en análisis en modo negativo, y se aplica a compuestos con alta afinidad electrónica.

  • Ionización por Descarga de Corona (CDI)

    Esta técnica utiliza una aguja metálica cargada con alto voltaje, que provoca una descarga en el gas portador y genera especies ionizadas. Esas especies a su vez ionizan el analito en fase gaseosa. Es una forma de ionización suave, útil para compuestos polares o con sitios básicos, especialmente cuando no se desea fragmentación significativa. También se puede aplicar a muestras con múltiples sitios ionizables sin romper la molécula.

  • MALDI (Ionización/Desorción Láser Asistida por Matriz)

    Se mezcla el analito con una matriz sólida cristalina que absorbe energía de un láser pulsado. La matriz absorbe la energía y transfiere carga al analito por múltiples mecanismos. La proporción matriz:analito suele ser muy alta. Esta técnica produce iones con poca o ninguna fragmentación y es ideal para biomoléculas grandes como proteínas y péptidos. Puede generar tanto iones positivos (+) como negativos (-) dependiendo del analito y la matriz.

  • FAB (Bombardeo con Átomos Rápidos)

    Implica mezclar el analito con una matriz líquida no volátil y bombardearla con átomos neutros de alta energía. El impacto genera una pluma de material ionizado que contiene los iones de interés. Es una técnica suave y se utiliza para moléculas polares, no volátiles o sensibles al calor. Sin embargo, puede haber interferencias por fragmentos de la matriz, especialmente en masas bajas.

  • SIMS (Espectrometría de Masas de Iones Secundarios)

    Utiliza un haz de iones primarios que impacta directamente sobre la superficie sólida del analito. Esto provoca la eyección de iones secundarios, tanto del analito como de la matriz. Es muy útil para analizar superficies y obtener información de la composición química con alta resolución espacial, aunque produce fragmentación más significativa que FAB. Es una técnica común en el análisis de materiales, capas finas y microanálisis.

Principios de Fragmentación en Espectrometría de Masas

Cuando una molécula se ioniza, absorbe una gran cantidad de energía, lo que provoca su fragmentación. Predominan aquellas rutas que generan los iones más estables y que son termodinámicamente más favorables. Aunque pueden existir múltiples rutas competitivas, basta con identificar cuál produce el catión más estable para predecir los fragmentos. Las reglas termodinámicas ayudan, aunque también influyen factores como la cinética y la geometría de la molécula.

Regla de Stevenson

Durante la fragmentación, se pierde preferentemente el radical más grande, ya que este puede absorber mejor la energía gracias a sus muchos grados de libertad vibracionales. El fragmento cargado que queda es generalmente el más pequeño y más estable, y suele corresponder al pico base.

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