La región infrarroja (IR)

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1. La región infrarroja (IR):

La región infrarroja (del latín, infra, que significa “por debajo” del rojo) del espectro corresponde a las frecuencias que se encuentran justo por debajo de las frecuencias del visible, y por encima de las frecuencias más altas de microondas y de radar.

La región infrarroja del espectro electromagnético cubre el intervalo desde arriba del visible (7.8 x 10-7m) a aproximadamente 10-4m, pero únicamente la porción media desde 2.5 x 10-6m a 2.5 x 10-5m es utilizada por los químicos orgánicos.

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Figura 1.1: Relación inversamente proporcional entre la longitud de onda y su frecuencia en número de onda.

Por lo regular las longitudes de onda en la región IR se dan en micrómetros (1µm= 10-6), y las frecuencias se dan en número de onda en lugar de Hertz. El número de onda (ΰ) es el recíproco de la longitud de onda en centímetros, y por lo tanto se expresa en unidades de cm-1      Número de onda: [pic 4]

Por tanto, la región IR útil es de 4000 a 400 cm-1, que corresponde a las energías 48.0 kJ/mol a 4.80 kJ/mol (11.5-1.15 Kcal/mol)1.

El número de onda es proporcional a la frecuencia (ν) de la onda, por lo que también es proporcional a la energía de un fotón de frecuencia (E = hν)2.

Figura 1.2: Región útil para la química orgánica en el espectro IR[pic 5]

1. Vibraciones moleculares:

Antes explicar las absorciones infrarrojas características, es útil comprender parte de la teoría acerca de las energías de vibración de las moléculas. El siguiente dibujo muestra cómo un enlace covalente entre dos átomos se comporta como un resorte. Si se estira el enlace, una fuerza de restauración hace que los dos átomos tiendan a juntarse hasta su longitud de enlace de equilibrio. Si se comprime el enlace, la fuerza de restauración separa los dos átomos. Cuando el enlace se estira o comprime y después se libera, los átomos vibran.

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Figura 1.3: Fuerza de restauración para restaurar el equilibrio.

La frecuencia de vibración del estiramiento depende de las masas de los átomos y de la rigidez del enlace. Los átomos más pesados vibran de manera más lenta que los más ligeros: por ejemplo, la frecuencia característica de un enlace C-C es menor que la del enlace C-H. En un grupo de enlaces con energía de enlaces similares, la frecuencia disminuye con el incremento de la masa atómica.

Los más resistentes por lo general son más rígidos, requiriendo más fuerza para estirarlos o comprimirlos. Por tanto, los enlaces más fuertes por lo regular vibran más rápido que los enlaces más débiles (asumiendo que los átomos tienen masas similares). Por ejemplo, los enlaces O-H son más fuertes que los enlaces C-H, por lo que los enlaces O-H vibran a frecuencias más altas. Los enlaces triples son más fuertes que los enlaces dobles, por lo que los enlaces triples vibran a frecuencias más altas que los enlaces dobles. De manera similar, los enlaces dobles vibran a frecuencias más altas que los enlaces simples. En un grupo de enlaces que tienen átomos de masas similares, la frecuencia aumenta con la energía de enlace2.

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Figura 1.4: Tabla frecuencia de estiramiento y su relación inversa con la masa atómica y directa con la energía del enlace (Wade, 2012).

Es muy poco probable que los espectros IR de dos compuestos distintos (con excepción de los enantiómeros) muestren las mismas frecuencias para todas sus vibraciones complejas. Por esta razón, el espectro de infrarrojo provee una “huella digital” de una molécula. De hecho, a la región del espectro IR que contiene la mayor parte de estas vibraciones complejas (600 a 1400 cm-1) se le llama región de la huella digital del espectro.

¿Por qué una molécula orgánica absorbe algunas longitudes de onda de la radiación IR pero otras no? 

Todas las moléculas tienen una cierta cantidad de energía y están en movimiento constante. Sus enlaces se estiran y se contraen, los átomos se mueven hacia atrás y hacia adelante y ocurren otras vibraciones moleculares. [pic 8]

La cantidad de energía que contiene una molécula no es variable en forma continua pero es cuantizada, esto es, una molécula únicamente puede estirarse y doblarse a frecuencias específicas que corresponden a niveles de energías específicos; por ejemplo, considere el estiramiento del enlace. Aunque por lo regular hablamos de longitudes de enlaces como si fueran fijas, realmente los números dados son promedios; de hecho, un enlace típico C-H con una longitud de enlace promedio de 110 pm realmente está vibrando a una frecuencia específica, alternando estiramiento y contracción como si los dos átomos estuvieran conectados con un resorte.

Cuando se irradia una molécula con radiación electromagnética, la energía se absorbe si la frecuencia de la radiación coincide con la frecuencia de la vibración. El resultado de esta absorción de energía es una amplitud incrementada por la vibración; en otras palabras, el “resorte” que conecta los dos átomos se estira y se contrae un poco más. Dado que cada frecuencia absorbida por una molécula corresponde a un movimiento molecular específico, podemos encontrar qué tipos de movimientos tiene una molécula midiendo su espectro en el IR. Al interpretar estos movimientos, podemos encontrar qué tipos de enlaces (grupos funcionales) están presentes en la molécula.

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Espectro de IR → ¿Qué movimiento de moléculas? → ¿Qué grupos funcionales?1

1. Vibraciones activas e  inactivas:

La clave para esta interacción se encuentra en la polaridad del enlace, medida como su momento di polar. Un enlace con un momento dipolar puede visualizarse como una carga positiva y una caiga negativa separada por un resorte. Si este enlace se coloca en un campo eléctrico, se estira o se comprime, dependiendo de la dirección del campo.

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Figura 1.5.: Efecto de un campo eléctrico sobre un enlace polar. Un enlace con un momento dipolar (por ejemplo, como en el HF), es estirado o comprimido por un campo eléctrico, dependiendo de la dirección del campo. Observe que la fuerza sobre la carga positiva es en la dirección del campo eléctrico (E), y la fuerza sobre la carga negativa es en la dirección opuesta.  

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