Análise de Amostra Desconhecida por Espectrometria

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Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Licenciatura em Química
USO DE ESPECTROMETRIA DE MASSA, ESPECTROMETRIA NO INFRAVERMELHO E ANÁLISES LABORATORIAIS NA DESCOBERTA DE UMA AMOSTRA DESCONHECIDA
Renata Zeni da Silva
renata.zeni@hotmail.com
1 INTRODUÇÃO 
A análise qualitativa dos elementos de uma amostra desconhecida é de grande importância para sua identificação, fornecendo resultados que irão contribuir com ensaios de caracterização posteriores. Em alguns casos pode fornecer os primeiros indícios para a classificação por solubilidade e dos possíveis grupos funcionais que existem no composto. A solubilidade de uma substância orgânica está diretamente relacionada com a estrutura molecular, especialmente com a polaridade das ligações e da espécie química como um todo que é o momento de dipolo (MARTINS; LOPES; ANDRADE, 2013). Os compostos que apresentam ligações covalentes, absorvem várias frequências de radiação eletromagnética na região do infravermelho do espectro eletromagnético. (PAIVA, 2013) a radiação infravermelha (IR) está situada entre as regiões do visível e das micro-ondas. Cada tipo de ligação absorve frenquências diferentes, o IR é como se fosse uma impressão digital cada molécula terá seu espectro. (PAIVA, 2013). Espectrometria no infravemelho se torna muito útil para análise e caracterização de compostos desconhecidos, através de sua análise. Espectrometria de massa consiste em ionizar um composto, onde seus íons são separados na base da razão massa/carga (m/z) e o número de íons que corresponde a cada unidade de m/z é registrada na forma de um espectro. Através de testes, pode-se comprovar a qual grupo funcional a amostra em estudo pertence, partindo de suspeitas pré-existentes, porém, não conferem especificidade de qual molécula se trata apenas a qual grupo pertence, fazendo-se necessário o uso de outras técnicas que auxiliem na identificação. A espectrometria de ressonância magnética nuclear (RMN) consiste basicamente em uma amostra absorver uma radiação eletromagnética na região de radiofrequência em uma frequência regida pelas características estruturais da amostra. O RMN é um registro das frequências dos picos de absorção contra suas intensidades tanto o de Carbono como o de Hidrogênio. (Silverstein, 2007).
2 OBJETIVOS 
 
2.1 OBJETIVO GERAL 
Identificar a estrutura do composto da amostra desconhecida, a partir dos resultados dos métodos clássicos e análise das técnicas instrumentais espectroscópicas.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 
· Interpretar os resultados obtidos através da investigação sistemática da amostra desconhecida;
· Identificar e se apropriar dos ensaios feitos no laboratório para realizar a análise de grupos funcionais existentes na amostra orgânica desconhecida;
· Utilizar algumas técnicas espectroscópicas de análise para coletar informações sobre a estrutura da amostra desconhecida.
3 MATERIAIS E MÉTODOS 
3.1 MATERIAIS 
Para o teste de solubilidade foi utilizado água, HCl 5%, NaHCO3 5%, NaOH 5% e H2SO4 concentrado.
3.2 MÉTODOS
3.2.1 Solubilidade de Compostos Orgânicos
Para o teste de solubilidade, a substância desconhecida foi dissolvida em cada um dos seguintes solventes: água, HCl 5%, NaHCO3 5%, NaOH 5% e H2SO4 concentrado. 
3.2.2 Análise Elementar
3.2.2.1 Detecção de Nitrogênio
Neste teste, foi adicionado FeSO4 juntamente com a amostra desconhecida e NaOH até ocorrer a precipitação de Fe(OH)2. Após ferver por alguns minutos e acidificar com H2SO4, a presença de nitrogênio no composto orgânico é indicada por um precipitado ou coloração que varia entre o azul carregado ou verde.
3.2.2.2 Detecção de Enxofre
Quando adicionado gotas de acetato de chumbo a 5%, se houver enxofre, nota-se a presença de um precipitado preto (PbS). É necessário garantir o excesso de sódio metálico na mineralização, posto que se também houver nitrogênio na amostra o enxofre pode reagir só até o estágio de formação do Tiocianato.
3.2.2.3 Detecção de Halogênios
Acidificando a amostra desconhecida com ácido nítrico diluído e, posteriormente, fervendo suavemente durante alguns minutos (para expelir qualquer traço de cianeto de hidrogênio ou de sulfeto de hidrogênio que esteja presente) e adicionando então gotas de uma solução de nitrato de prata, a formação de um precipitado pesado indica a presença de cloro, ou de bromo ou de iodo. O cloreto de prata é branco, o brometo de prata é amarelo pálido e o iodeto de prata, amarelo. Contudo, a presença de halogênios é determinada pela formação de halogenetos de prata.
3.2.3 Espectrometria no infravermelho
A espectroscopia estuda a interação da radiação eletromagnética com a matéria, sendo um dos seus principais objetivos o estudo dos níveis de energia de átomos ou moléculas. Os espectros de infravermelho são obtidos a partir de absorções ópticas correspondentes às transições entre estados de energia vibracional quantizados. Os feixes de íons Infravermelho IR podem variar do movimento simples de dois átomos acoplados de uma molécula diatômica ao movimento muito mais complexo de cada átomo em uma molécula poliatômica (COSTA, 2016). A condição para que ocorra absorção da radiação infravermelha é que haja variação do momento de dipolo elétrico da molécula como consequência de seu movimento vibracional ou rotacional. Somente nessas circunstâncias, o campo elétrico alternante da radiação incidente interage com a molécula, originando os espectros. O espectro no infravermelho da amostra desconhecida foi fornecido pela professora responsável e a partir das aulas teóricas realizadas na disciplina de análise orgânica, e com base em referenciais teóricos, foi possível analisar o espectro do composto.
3.2.4 Espectrometria de massas 
Espectrometria de massas (MS) é uma técnica analítica extremamente valiosa em que moléculas em uma amostra são convertidas em íons em fase gasosa, que são subsequentemente separados no espectrômetro de massas de acordo com sua razão massa (m) sobre a carga (z), m/z. O espectro de massa é um gráfico que mostra a abundância (intensidade) relativa de cada íon que aparece como picos com m/z definidos. O espectro de massas do composto foi fornecido à autora, e a partir das aulas assistidas na disciplina de análise orgânica, e com base em referenciais teóricos, foi identificado o composto desconhecido.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
4.1 Solubilidade de Compostos Orgânicos
A amostra desconhecida (R_2020_1) se mostrou insolúvel em água, solúvel em NaOH 5% e solúvel em NaHCO3 5%. Utilizando o fluxograma de solubilidade, representado pela figura 1 e com base nas observações laboratoriais, o composto nos direciona a pensar que a amostra está inserida no grupo funcional dos ácidos orgânicos fortes; podendo ser os ácidos carboxílicos com mais de seis átomos de carbono, fenóis com grupos eletrofílicos em posição orto, para, e β-dicetonas.
Figura 1 – Esquema para classificação de compostos orgânicos com base em seus grupos funcionais
4.2 Análise Elementar
Após a realização dos testes para detecção de nitrogênio, enxofre e halogênios, podemos observar que a amostra desconhecida deu negativo para todos, ou seja, em nenhum dos testes realizados houve mudança na coloração da amostra, por tanto, passamos a saber que a amostra possui carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio, pois no teste de solubilidade o resultado foi para os grupos funcionais ácido carboxílico e fenol.
4.3 Espectrometria no infravermelho
O espectro de infravermelho fornecido da amostra desconhecida está apresentado pela figura 2. Ao analisar o espectro de infravermelho da amostra, podemos fazer as leituras dos picos referentes às frequências com auxílio da tabela de correlação simplificada que se encontra na página 29 do livro Introdução à espectrometria. Pode-se observar duas bandas de carbonila (C=O) presentes uma em 1700 cm-1 e outra com frequência próxima de 1750 cm-1a tabela indica quatro possibilidades sendo elas aldeído (1740 cm-1 – 1720 cm-1), cetona (1725 cm-1 – 1705 cm-1), ácido carboxílico (1725 cm-1 -1700 cm-1) ouéster (1750 cm-1 – 1730 cm-1). Há também uma banda que caracteriza presença de insaturação entre carbonos (C=C) em 1600 cm-1, os dados da tabela nos apontam duas possibilidades sendo alceno (1680 cm-1 – 1600 cm-1) ou aromático (1600 cm-1 – 1475 cm-1), uma banda larga de 2500 cm-1 até 3000 cm-1 indicando presença de hidroxila (O-H) que por meio da tabela concluímos ser uma hidroxila pertencente a um ácido carboxílico com frequência de 3400 cm-1 a 2400 cm-1. As duas bandas de C=O presume-se que sejam de ácido carboxílico e a outra seja de éster, a banda C=C supõe-se que sejam de insaturação de aromáticos. 
Figura 2 – Espectro infravermelho da amostra desconhecida (R_2020_1)
4.4 Espectrometria de massa
O espectro abaixo, representado pela figura 3, é referente a espectrometria de massa da amostra desconhecida. Observa-se que o pico de maior razão massa carga é de 180, que representa a massa molecular da amostra estudada e também pode-se verificar que o pico base no valor de massa/carga 120 apresenta a estrutura mostrada na figura 4. Outro pico que chama atenção ao observar o espectro da amostra é um pico de razão massa/carga no valor de 139, que subtraindo esse valor do pico de maior razão (180 – 139= 41), obtém-se um valor de 41 m/z e a tabela mostra que essa diferença de massa possa ser C3H5.
Figura 3 – Espectro de massa da amostra desconhecida (R_2020_1)
Figura 4 - Estrutura molecular de valor 120 m/z
4.5 Cálculos para definição das insaturações
Para verificar a quantidade de insaturações que possam existir na molécula fez-se uso da regra dos treze conforme a equação 1. Seguindo a regra CnHn+R obtém-se C13H24, como temos 2 O2 devemos subtrair o equivalente a 2 C2H8, tornando-se C9H8O4, em seguida realizou-se o cálculo do alcano correspondente (equação 2) e na sequência o cálculo de índice de deficiência de hidrogênio (IDH), conforme a equação 3, como segue abaixo:
 180 = 169 + R R = 11 (1)
CnH2n+2	 C9H2*9+2	 C9H20			(2)
IDH= 	6 insaturações		(3)
5 CONCLUSÃO
A partir dos resultados obtidos ao longo deste trabalho conclui-se que a amostra desconhecida é um ácido carboxílico com anel aromático que tem um éster como substituinte, ligado a uma cetona, na posição orto. Mediante as análises dos espectros chegou-se em uma formula molecular e assim em uma possível estrutura do composto. Portanto, conhecendo-se a fórmula do composto e analisado os espectros de infravermelho, de massa e com todos os resultados dos testes anteriores, pode-se, concluir que a amostra desconhecida possui a seguinte estrutura, apresentada na figura 5, e é conhecida como Ácido Acetilsalicílico.
Figura 5 - Estrutura Molecular de Ácido Acetilsalicílico.
Referências
COSTA, C. A. P. Radiólise de valina por íons de MeV analisada por espectroscopia no infravermelho. Dissertação de Mestrado, PUC, Rio de Janeiro, 2016.
MARTINS, Cláudia Rocha; LOPES, Wilson Araújo; ANDRADE, Jailson Bittencourt de. Solubilidade das substâncias orgânicas, 2013.
PAVIA, D. L.; LAMPIMAN, G. M.; KRIZ, G. S.; ENGEL, R. G.Química Orgânica Experimental: técnicas de escala pequena. 2. ed. Porto Alegre: Bookman, 2009.
PAVIA, D. L.; LAMPIMAN, G. M.; KRIZ, G. S.; VYVYAN, J. R. Introdução à Espectroscopias. 4. ed. São Paulo: Cengage Learning, 2013.
SILVERSTEIN, R. M; WEBSTER, F. X; KIEMLE, D. J. Identificação Espectrométrica de Compostos Orgânicos. Rio de Janeiro: LTC, 2007.
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