Técnicas analíticas

Espectroscopia infravermelha 红外光谱 ajuda você a encontrar o grupo funcional 官能团 em uma molécula. Cada tipo de ligação absorve radiação infravermelha em sua própria faixa de frequências. Onde a ligação mostra forte absorção 吸收, o espectro tem uma queda.

*Um espectrômetro de infravermelho passa luz infravermelha através de uma amostra e registra quais números de onda suas ligações absorvem

A posição é medida em número de onda 波数 (em $\text{cm}^{-1}$). Você recebe uma tabela de dados, então não precisa memorizar os números. Basta combinar as quedas com as ligações:

• uma queda larga em torno de $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → uma ligação O–H em um álcool.
• uma queda em torno de $1700\ \text{cm}^{-1}$ → uma ligação C=O (aldeído, cetona, ácido ou éster).
• uma queda larga $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ junto com uma queda de C=O → um ácido carboxílico.

Isso é útil para verificar uma reação. Por exemplo, se o propeno foi convertido em propan-2-ol, a queda de C=C deve ter desaparecido e uma queda de O–H deve aparecer.

*Um espectro infravermelho: cada ligação dá uma queda em seu próprio número de onda. Uma queda larga de O–H junto com uma queda de C=O identifica um ácido carboxílico

Na espectrometria de massas 质谱, uma molécula é convertida em íons e ordenada por sua razão massa-carga 质荷比 ($m/e$). O espectro é um conjunto de picos em diferentes valores de $m/e$.

*Um espectrômetro de massas moderno: a amostra é carregada na frente, depois a máquina ioniza e ordena os íons por sua razão massa-carga para dar o espectro

Massa atômica relativa a partir de isótopos

Uma mistura de isótopos 同位素 de um elemento dá vários picos. A partir da abundância isotópica 同位素丰度 (o quão comum é cada isótopo), você pode encontrar a massa atômica relativa 相对原子质量 — uma média ponderada:

Por exemplo, o cloro é 75% $^{35}\text{Cl}$ e 25% $^{37}\text{Cl}$, resultando em $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

O íon molecular e fragmentação

O pico no maior $m/e$ (o pico do íon molecular 分子离子峰, ou pico do íon molecular 分子离子峰, $M^+$) dá a massa molecular relativa de toda a molécula.

A molécula também se quebra em pedaços menores — isso é fragmentação 碎裂. A diferença entre dois picos diz a massa da peça perdida, então você pode sugerir cada fragmento 碎片. Por exemplo, uma perda de 15 significa que um grupo $\text{CH}_3$ foi perdido, e uma perda de 29 significa $\text{CHO}$ ou $\text{C}_2\text{H}_5$.

*Um espectro de massas: o pico de maior $m/e$ é o íon molecular ($M^+$, o $M_r$); as lacunas entre os picos dão as massas dos fragmentos perdidos

Os picos [M + 1] e [M + 2]

• um pequeno pico [M + 1] vem do isótopo $^{13}\text{C}$. O número de átomos de carbono $n$ é:

• um pico [M + 2] indica cloro ou bromo. Um cloro dá um pico $[M + 2]$ cerca de um terço da altura de $M^+$ (de $^{37}\text{Cl}$); um bromo dá um pico $[M + 2]$ aproximadamente da mesma altura que $M^+$ (de $^{81}\text{Br}$).

*Um pico $[M+2]$ duas unidades de massa acima de $M^+$ mostra um halogênio: um cloro dá uma proporção de $3:1$, um bromo uma proporção de $1:1$

Exemplo resolvido. Um composto mostra um íon molecular em $m/e = 108$ e um pico de altura quase igual em $m/e = 110$. Seu espectro infravermelho mostra nenhuma absorção larga perto de $3300\ \text{cm}^{-1}$. Deduza sua identidade. Dois picos duas unidades de distância com alturas aproximadamente iguais são a assinatura de $1:1$ de um átomo de bromo (de $^{79}\text{Br}$ e $^{81}\text{Br}$); um cloro teria dado uma proporção de $3:1$ em vez disso. Remova o bromo do íon molecular: $108 - 79 = 29$, que se encaixa em um fragmento de $\text{C}_2\text{H}_5$. A ausência de um pico largo perto de $3300\ \text{cm}^{-1}$ descarta um $\text{O-H}$, então não há grupo álcool. O composto é bromoetano, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Leia a proporção $[M+2]$ em vez de apenas notar o pico: $1:1$ significa bromo, $3:1$ significa cloro.

• Em um espectro IR cite o número de onda e a ligação (O-H largo $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$); use o caderno de dados.
• O pico no maior $m/z$ é o íon molecular $\text{M}^+$ e dá a $M_r$.
• Explique a fragmentação: a lacuna entre os picos é o fragmento perdido (perda de 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ ou CHO).
• Aprenda os padrões comuns de isótopos (Cl dá M e M+2 em cerca de 3:1; M+1 de $^{13}\text{C}$).