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Espectroscopia no Infravermelho- IV Profa. Alceni Augusta Werle Profa. Viviane Martins Rebello dos Santos BAIXOALTO número de onda (νννν) Energy RAIOS-X ULTRAVIOLETA MICRO- ONDAS RADIO Número de onda Ultravioleta Visível Infravermelho Vibracional Resonância Magnética Nuclear 200 nm 400 nm 800 nm 2.5 µµµµm 15 µµµµm 1 m 5 m pequeno grandemicron (λλλλ) high low 11-- O O espectroespectro eletromagneticoeletromagnetico AZUL VERMELHO INFRAVERMELHO RaiosRaiosRaiosRaios ----XXXX UV/UV/UV/UV/VisivelVisivelVisivelVisivel InfravermelhoInfravermelhoInfravermelhoInfravermelho MicroondasMicroondasMicroondasMicroondas Radio Radio Radio Radio FreqFreqFreqFreqüüüüênciaênciaênciaência Quebra de ligação Eletrônica Vibracional Rotacional Spin eletrônico e nuclear Região Energia de transição 22-- TiposTipos de de transitransiççõesões de de energiaenergia emem cadacada RegiãoRegião do do EspectroEspectro EletromagnEletromagnééticotico (RMN) Detection Electronics and Computer Infrared Source Determines Frequencies of Infrared Absorbed and plots them on a chart Sample 33-- EspectrofotometroEspectrofotometro de IV de IV simplificadosimplificado NaCl plates Absorption “peaks” Infrared Spectrum número de onda intensity of absorption (decreasing) focusing mirror 4444----MetilMetilMetilMetil----2222----pentanonapentanonapentanonapentanona CCCC----H < 3000, C=O @ 1715 cmH < 3000, C=O @ 1715 cmH < 3000, C=O @ 1715 cmH < 3000, C=O @ 1715 cm----1111 PROPANONA 100 80 60 40 20 0 CH3 CH CH2 C CH3 OCH3 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 100 80 60 40 20 0 Numero de onda (cm-1) % T R A N S M I T T A N C E Um espectro de IV ( ) ν = número de onda (cm-1) ν = 1λ(cm) λ = comprimento de onda (cm) 44-- UNIDADE USADA EM ESPECTROS DE IVUNIDADE USADA EM ESPECTROS DE IV ν = freqüência = νc c = velocidade da luz NNÚÚMERO DE ONDAMERO DE ONDA ( ( ν ν ν ν ν ν ν ν )) c = 3 x 1010 cm/sec Número de onda e diretamente proporcional a energia = ν = ou cλ 1 cm/sec cm = sec 1 λ c DOIS MODOS PRINCIPAIS : Estiramento Dobramento C C C C C 55-- VIBRACÕES MOLECULARESVIBRACÕES MOLECULARES Existem outros tipos ravg DISTANCIA DIMINUI e n e r g I a rmin rmax PONTO ZERO + ++ + + + ++ οο (average bond length) ENERGIA VIBRACIONAL X ENERGIA DE LIGAENERGIA VIBRACIONAL X ENERGIA DE LIGAÇÇÃOÃO MORSE CURVE Energia de dissociação ravg distance e n e r g y rmin rmax Ponto zero Energia vibracional (average bond length) ENERGIA VIBRACIONAL X ENERGIA DE LIGAENERGIA VIBRACIONAL X ENERGIA DE LIGAÇÇÃOÃO Ligações não tem comprimentos fixos. Vibrações são constantes até 0oK (absoluta). A energia das vibrações é quantizada. A menor distancia é considerada o ponto zero. 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) mícron (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Very few bands C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C 66-- REGIÕES TIPICAS DE ABSORREGIÕES TIPICAS DE ABSORÇÇÃO ÃO ((vibravibraçções de estiramentoões de estiramento)) N=O N=O* •nitro tem duas bandas …. assumindo que uma ligação é uma mola 7- DESCRIÇÃO MATEMÁTICA DE UM OSCILADOR HARMONICO – Lei de Hooke’s x0 x1 ∆x K -F = K(∆x) m1 m2 K força = estiramento compressãoForça constante Moleculas na Lei de Hooke’s Oscilador Harmonico Morse Curve (não-harmonico) CURVA DE UM OSCILLAOR HARMONICOCURVA DE UM OSCILLAOR HARMONICO LEI DE HOOKE’S MOLECULA Lei de Hooke’s e um Oscilador Harmônico Oscilador (com aproximação) permitem descrever movimentos moleculares segundo as equações: = 1 2picν K µ µ = m1m2 m1 + m2 ν = freqüência in cm-1 c = velocidade da luz K = força constante em dina/cm m=massa atômica EQUAÇÃO DE UM OSCILADOR HARMÔNICO SIMPLES C CC CC C > > Ligações múltiplas tem forças K’s semelhantes µµµµ =massa reduzida ( 3 x 1010 cm/sec ) Esta equação descreve os movimentos vibracionais ONDE K menor e n°de ondas menor = 1 2picν K µ K grande, Alta freqüência Massa atômica alta, Baixa freqüência constante 2150 1650 1200 C=C > C=C > C-C= C-H > C-C > C-O > C-Cl > C-Br 3000 1200 1100 750 650 K aumenta µ µ µ µ aumenta 8 8 8 8 ---- MOMENTO DIPOLARMOMENTO DIPOLARMOMENTO DIPOLARMOMENTO DIPOLAR Somente ligações com razoáveis momentos dipolares absorvem no IV. Ligações que não absorvem: • Alquenos e alquinos simétricos C C RR R R R R • Alguns tipos de ligações C-C • Moléculas diatômicas simétricas H-H Cl-Cl C O O grupo carbonila tem uma das mais fortes absorções, bem como O-H e C-O O H C O δδδδ+ δδδδ- 9- ABSORÇÕES FORTES + + - - C O C O δδδδ+ δδδδ- Oscilação dipolar e transferência de energia 10- CARACTERÍSTICAS DE ESPECTROS Absorções Típicas Número de onda (cm-1) Micron (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* VALORES BASICOSVALORES BASICOSVALORES BASICOSVALORES BASICOS (+/- 10 cm-1) MEMORIZARO-H 3600 N-H 3400 C-H 3000 C N 2250 C C 2150 C=O 1715 C=C 1650 C O ~1100 11- Ligação C-H 11.1 -Vibrações de estiramento C-H C-H2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* Região em análise Valor base = 3000 cm-1 •C-H aldeidos, dois picos (fracos) ~ 2850 e 2750 cm-1 3000 divides INSATURADOS SATURADOS •C-H sp estir. ~ 3300 cm-1 •C-H sp2 estir. > 3000 cm-1 •C-H sp3 estir. < 3000 cm-1 Ligações fortes tem força constante grande e absorvem em alta freqüência 3000 -C-H=C-H 31003300 =C-H= 2900 2850 2750 -CH=O (weak) Decresce comprimemnto de lig. CH sp3-1ssp2-1ssp-1s aldeido Aumento carater “s” na ligação Aumenta força constante K Decresce frequencia (cm-1) 11.1.1- Vibrações de estiramento de grupo metilena Estiramento simétrico Estiramento assimétrico ~2853 cm-1 ~2926 cm-1 Em fase Fora de fase C H H C H H 11.1.2- Vibrações de estiramento do grupo metila C H H H C H H H Estiramento simétrico Estiramento assimétrico ~2872 cm-1 ~2962 cm-1 Em fase Fora de fase Exemplo : Hexano CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 VibraVibraVibraVibraçççção ão ão ão de estiramentode estiramentode estiramentode estiramento CHCHCHCH Inclui: CH3 sim e assim CH2 sim e assim Vibrações de dobramento CH – próxima discussão 11.2- Região de vibrações de dobramento C-H � Dobramento CH2 ~ 1465 cm-1 � Dobramento assimétrica CH3 mais distantes que o CH2 ~ 1460 cm-1 � Dobramento simetricaCH3 ~ 1375 cm-1 C H H C H H C HH C HH Tesoura Wagging(abanar) Balanço Twisting ~1465 cm-1 ~720 cm-1 ~1250 cm-1 ~1250 cm-1 No plano Fora do plano Vibrações de Dobramento 11.2.1- Vibrações de dobramento de metila e metilena CH3CH2 1465 1460 1375 assim sim Dois picos, normalmente sobrepostos e não resolvidos Dobramento C-H, na faixa 1465 e 1375 cm-1 C H H H Informações adicionais sobre Dobramento simétrica do metila CH3CH2 1465 1460 1375 Assim. Sim. 13701380 13701390 C CH3 CH3 C CH3 CH3 CH3 C CH3 Dimetil geminal t-butil(isopropil) Dois picos Dois picos O pico sim . de metil é observado quando tem mais de um grupo CH3 ligado ao carbono Um pico Alcano - Hexano CH estiramento CH2 dobramento CH3 dobramento CH2 Cadeia longa >4C Alqueno 1-Hexeno =CH CH est. C=C est. cis CH2 CH3 Dob. Aromático - tolueno C=C est. do anel CH3 Ar-H, monossubst. For a do plano Ar-H Alquino - 1-Hexino C=C= =C-H= C-H CH2, CH3 11.3- Região de vibrações de O-H O-H 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 11.3.1 - Região de estiramento O-H � O-H 3600 cm-1 (álcool livre) � O-H 3300 cm-1 (álcool & ácido, em lig. de H) 3600 3300 H-BONDEDFREE banda larga deslocamento Efeito da Lig. de Hidrogênio no estiramento de lig. O-H FreeFreeFreeFree OHOHOHOH FreeFreeFreeFree OHOHOHOH C-H C-H C-H H-bonded OH H-bonded OH Liq. puro Sol. diluida Solução muito diluida(a) (b) (c) 4000 3600 3200 2800 4000 3600 3200 2800 4000 3600 3200 2800 “neat” 1-Butanol Hidroxilas em Lig. de Hidrogênio O H R O H R R O H R OH H R O R H O Ligações de H tem diferentes comprimentos e conteúdos energéticos, o que resulta em bandas largas de absorção Ligações com maior comprimento são mais fracas e deslocam a banda para menores freqüênciasLig. de H – soluções concentradas “Neat” solution. Hidroxilas livres: vibrações ocorrem sem interferência de outras moléculas R O H CCl4 CCl4 CCl4 CCl4 CCl4 Ligações tem comprimento e energia definida Solvatação sem interação por lig. de HOcorre em soluções diluídas de Álcool em solvente inerte Álcoois - cicloexanol OHO-H H-bond C-H C-O CH2 puro Ácidos carboxilicos – ác. butanóico CH3 CH2 CH2 C OH O O-H Lig. de H C-H C=O CH2 C-O neat solution Efeito da dimerização de ácidos carboxílicos C O OH RC O O H R A dimerização leva a bandas largas em menores freqüências 12 – Região de vibrações de N-H N-H 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 12.1 – Região de estiramento de N-H N-H 3300 - 3400 cm-1 � De aminas primárias resultam dois picos � De aminas secundárias resulta um pico � De aminas terciárias não há absorção nesta região N H H N H H simétrico assimétrico Amina primária alifática – 1-butanamina NH2 NH2 tesoura CH2 CH3 Amina primária aromática – 3-metilbenzamina NH2 CH3 NH2 Ar-H -CH3 benzeno Ar-H oops Amina terciária – N,N-dimetilanilina N CH3 CH3 Não tem N-H benzene CH3 Ar-H oops Ar-H -CH3 13- Nitrilas e alquinos C=N C=C = =2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Very few bands C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 13.1 – Vibrações de estiramento � C N 2250 cm-1 � C C 2150 cm-1 O grupo ciano geralmente produz bandas finas e fortes – grande momento dipolar = == = O sistema triplo carbono-carbono produz bandas finas, normalmente fracas. Efeito ainda mais acentuado quando este sistema constitui um centro de simetria R C C R Exemplo - Propanonitrila CH3 CH2 C N C=N= BASE = 2250 Exemplo: 1-Hexino C=C= =C-H= BASE = 2150 14- Carbonilas C=O 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 14.1- Região de estiramento � Os estiramentos ocorrem entre 1800 to 1650 cm-1; � Valor básico 1715 cm-1 (propanona); � Bandas fortes – grande moneto dipolar; � Normalmente o pico do C=O é o mais forte do espectro Exemplo: 2-butanona CH3 C CH2 CH3 O C=O C-H overtone 2x C=O CH dob. 1715 C=O BASE = 1715 14.2 – Influência do ambiente estrutural CR O H CR O O C R O CR O Cl CR O OR' CR O R CR O NH2 CR O OH 169017101715172517351800 1810 and 1760 VALOR BASE Cloreto de ácido Éster Aldeido ácido carboxilico AmidaCetona Anidrido ( dois picos ) 14.2.1- Comprimento de ligação em carbonilas 1.225 A 1.231 A 1.235 A 1.248 A Cloreto de ácido ester cetona amida Diminui Aumenta 1780 cm-1 1735 cm-1 1715 cm-1 1680 cm-1 14.2.2- Fatores que influenciam na absorção C O R Grupos doadores de elétron R = Me, Et, etc. A Diminuem freqüência de absorção “enfraquecem” a lig. C=O C O X Grupos retiradores de eletrons X = F, Cl, Br, O B Aumentam a freqüência de absorção “fortalecem” a lig. C=O 14.2.3- Efeito indutivo e de ressonância C O Y C O Y + - Ressonância Y = N, O, ou C=C (Comprimento da lig.C=O ! ) C Diminui freqüência de absorção Aumenta o caráter de lig.σ OH C O R D Ligação de Hidrogênio Diminui freqüência de absorção Aumenta o comprimento de lig. C=O, enfraquece a lig. (efeito retirador de elétron) 14.2.4- Efeito na vibração de estiramento da ligação C=O - Resumo 169017101715172517351800 1810 e 1760 VALOR BASE Cloreto de ácido Ester Aldeído Acido carboxílico AmidaCetona Anidrido ( dois picos ) B A C D A B D CE-doador E-retirador Ressonância Lig. de H CR O H CR O O C R O CR O Cl CR O OR' CR O R CR O NH2 CR O OH R C O O R' 14.2.5- Principais bandas para algumas funções carboniladas R C O H C=O em 1725 cm-1 Bandas em 2850 e 2750 cm-1 (C-H) C=O em 1710 cm-1 Banda de OH (H em ponte) e C-O ~1200 cm-1 R C O N H H C=O em 1690 cm-1 Além de duas bandas em 3400 cm-1 NH C=O em1735 cm-1 Duas banda da lig. C-O em 1200 e 1000 cm-1 Cetonas: C=O em 1715 cm-1 Anidrido: duas bandas proxima 1800 cm-1 R C O O H Exemplo – 2-Butanona C=O C-H Harmônica de C=O - 1719 x 2 = 3438 CH dobr 3438 BASE = 1715 Exemplo – Nonanal CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 C H O C=O CHO CH dob. >4C 3460 BASE = 1725 Exemplo – Cloreto de dodecanoila BASE = 1800 C Cl O CH3 (CH2)10C=OC-H CH dob. 3608 Exemplo – Butanoato de etila C O O CH2 CH2 CH3CH2CH3 C=O C-O C-H 3482 BASE = 1735 Exemplo – Ác. 2-metilpropanóico BASE = 1710 C OH O CHCH3 CH3 C=O O-H C-H C-O Menor freqüência do C=O e O-H C O OH RC O O H R Exemplo – propanamida BASE = 1690 C NH2 O CH2CH3 C=O NH2 C-H CH dobr. Dois picos sim / assim 14.3– Carbonilas conjugadas � Conjugação de carbonila com C=C diminui a freqüência da banda, pois desloca elétrons pi – diminui suas constantes de força. – Para aldeídos, cetonas e ésteres, ocorre subtração em de 25-45 cm-1 � Cetonas conjugadas = 1690 to 1680 cm-1 � Ésteres conjugados = 1710 to 1700 cm-1 � C=C é intensificada!! C O CHR CH2 C O CHR CH2 + - Maior caráter σ C O CHR CH2R C R O 1715 1690 cm-1 C=C também é enfraquecida e polarizadais Freqüência diminui 16501625 cm-1 Exemplo – 4-metil-2-penten-2-ona Cetona conjugada Apenas uma fraca C C CH3 CH3 C CH3 O H C=O C=C dubleto = Dimetil geminal C=O : 1715 - 30 = 1685 C=C : 1650 - 25 = 1625 Exemplo – Acetofenona C CH3 O Monossubst. fora do plano aromático est.C-H C=O C=C arom. 1400 - 1600 C=O : 1715 - 30 = 1685 14.4- Efeito da ciclização em carbonilas 1715174517801815 1690 TENSÃO DO ANEL CONJUGAÇÃO 1705 Cetonas alifáticas CR O R CR O CH CH2 CR O OOOO O Exemplo - ciclopentanona O C=O CH dobr. est. C-H alifático referencia = 1740 15- Estiramento de sistema C=C C=C 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 15.1- Aspectos gerais � A freqüência de estiramento de C=C aparece em torno de 1640 cm-1, bandas fracas; � Adição de grupos alquila aumentam a freqüência; � Dissubstituição cis (1658 cm-1) e trans (1670 cm-1) se diferenciam em absorção; Exemplo: 1-hexeno – (compare com o tolueno) C=C=C-H C-H alifático C-H dobr. Tolueno CH3 benzeno benzeno C-H C=C 16- Estiramento C-O (alcoóis e éteres) Região típica C-O 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 Número de onda (cm-1) micron (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 16.1 – Caracterisitcas gerais � As bandas de C-O aparecem em 1300 a 1000 cm-1; � Podem ocorrer uma ou mais bandas intenss nesta região; � Ligação C-O ocorre em éteres, alcoóis, ésteres e ácidos carboxílicos. Exemplo – Dibutil éter C-O CH2 CH3 dobr.C-H BASE = 1100 Exemplo - anisol O CH3 aromático Monossubst. fora do plano C-O C-H aromático BASE = 1100 Exemplo - cicloexanol OH C-O CH2 dobr. C-H BASE = 3600 BASE = 1100 Exemplo – ácido 2-metilpropanóico C OH O CHCH3 CH3 OH CH C=O C-O Exemplo – Butanoato de etila C O O CH2 CH2 CH3CH2CH3 CH C=O C-O 17 – Estiramento N=O N-O 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Very few bands C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* 11.1 – Características gerais � Estiramento de ligação N=O entre 1550 and 1350 cm-1 (simétrico e assimétrico) � Algumas vezes a banda em 1550 cm-1 é mais intensa do que a em 1350 cm-1. Exemplo – 2-nitropropano CH3 CH CH3 NO2 N=O N=O C-H gem-dimetil 18 – Haletos orgânicos 2.5 4 5 5.5 6.1 6.5 15.4 4000 2500 2000 1800 1650 1550 650 Número de onda (cm-1) microns (µµµµm) O-H C-H N-H C=O C=N Região de poucas bandas C=C C-Cl C-O C-N C-CX=C=Y (C,O,N,S) C N C C N=O N=O* C-Cl 18.1 – Aspectos gerais � Dificuldade de identificar haletos a partir de IV; � A absorção C-X ocorre em freqüências muito baixas, região de várias outras bandas - região de impressão digital; � C-F, banda forte em 1400-1000 cm-1; � C-Cl (alifáticos), banda forte em 785-540 cm-1; – Primários – extremo superior da faixa – Terciários – extremos inferior da faixa – Substituição múltipla – banda intensa - extremo superior da faixa - CH2 Cl2 (739 cm-1); CHCl3 (759 cm-1); CCl4 (785 cm-1) � Haletos aromáticos absorvem entre 1100 e 1035 cm-1; Exemplo – Tetracloreto de carbono – muito usado como solvente CCl Cl Cl Cl C-Cl Exemplo - clorobenzeno Cl C-Cl oops benzeno C=C Bandas de combinação do benzeno 19- Bandas de deformação fora do plano H H H acima abaixo PLANO H ALQUENOS BENZENOIDES repete com Monosubstituidos cis-1,2- trans-1,2- 1,1- Trissubstitidos Tetrassubstitidos C C H R H H C C H R R H C C R H R H C C R R R R C C R R R H C C R R H H Dissubstituidos 10 11 12 13 14 15 1000 900 800 700 cm-1 s s m s s s µ DOBRAMENTO FORA DO PLANO =C=C=C=C=C=C=C=C--------HHHHHHHH Alquenos 10 11 12 13 14 15 1000 900 800 700 cm-1 Monossubstituidos Dissubstituidos ortho meta para Trissubstituidos 1,2,4 1,2,3 1,3,5 BENZENOIDES µ s s s s s s s s s m m m m OOPS RING H’s Bandas de combinação 20 – Espectro de fundo –“BACKGROUND” � O feixe de energia da fonte do IV não passa somente pela amostra, mas também percorre um caminho no ar (CO2 e H2O); � Absorções destas moléculas estão em todos os espectros – pode ser subtraído. Espectro da água e CO2 O=C=O H-O-H H-O-H 21 – Conclusões sistemáticas sobre IV 2 bandas C=O ? OH presente ? NH presente ? C-O presente ? CHO presente ? Ácido Amida Éster Aldeido Cetona SIM SIM NÃO Anidrido C=O presente ? OH presente ? NH presente ? C-O presente ? C=N presente ? C=C presente ? C=C presente ? ÁÁlcoollcool Amina ÉÉterter NitrilaNitrila AlquinoAlquino AlquenoAlqueno Aromático NO2 presente? Nitro compNitro comp C-X presente ? HaletosHaletos (C=C benzenóide ?) NÃO SIM 2 bandas C=O ? OH presente ? NH presente ? C-O presente ? CHO presente ? Ácido Amida Éster Aldeído Cetona SIM SIM Anidrido C=O presente ? NÃO
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