Identificación de Muestra Desconocida

 

Identificación de muestra desconocida Nº6 Autor 1: 1: Valeria Alarcón Quintero Cod: 1088032591  Escuela de Química, Universidad Tecnológica de Pereira, Pereira, Colombia, 14/12/2016   [email protected]

R esumen esumen — Se Se es dado un conjunto de espectros desde IR llegando a principales grupos funcionables RMN protónico detectando átomos presentes en la muestra y el espectro de masas comprobando así la estructura obtenida, identificando así la muestra problema. La concentración molar de una mezcla de tres compuestos fue determinada a partir de un espectro RMN carbónico. P alabras alabras clave —  análisis,  análisi s, i de dentif ntifii cación, cación, i nfr arr arrojo, ojo, masa, masa, me mezc zcla, la, r esona sonancia ncia magnética magnética nuclear. nuclear.  Abstrac  Abst ract  t   —  It is a set of spectra from IR that reach the main functional groups Proton NMR detecting

atoms in the sample and the mass spectrum, thus verifying the structure obtained, thus identifying the example problem. The molar concentration of a mixture of three compounds was determined from a carbonic NMR spectrum. K ey Word —  Analysis, identifica identification, tion, infrared, mass, mixture, mixture, nuclear magnetic resonance resonance

I.INTRODUCCIÓN La derivación de información estructural a partir de datos espectroscópicos es una parte integral de la identificación de compuestos organicos, utilizando combinaciones de las principales técnicas (UV, IR, RMN y MS). la identificación de grupos funcionales específicos específicos en especial compuestos compuestos orgánicos permitiendo la caracterización de sustancias desconocidas es la principal utilidad de los métodos espectroscópicos espectroscópicos.. La espectroscopia infrarro infrarrojo jo permite la identidad de principales grupos funcionales orientando el estudio y se basa en la v9ibración de los enlaces al absorber energía. El espectro RMN tanto protónico como de 13C es de gran utilidad para estudiar el ambiente químico de las moléculas y tener posibles estructuras. Por ultimo el espectrometría de masas la cual es una técnica de análisis cualitativo, cualitativo, es de gran utilidad ya que permite la determinación de estructuras orgánicas en combinación con técnicas ya mencionadas. II. 

IDENTIFICACIÓN ANÁLISIS PARTE 1

la muestra de código M6-AOE-01 , una sustancia pura a la cual se le realiza el análisis espectroscópico de una serie de información dadas, para su posterior identificación, fueron dados los espectros de infrarrojo, resonancia resonancia magnética nuclear HRMN protónico y C13 ademas de estos, tambien el espectro de masas . A. 

ANÁLISIS ESPECTRO INFRARROJO

 

Figura 1. Espectr de infrarrojo de la muestra problema.

 

El espectro de infrarrojo de la muestra desconocida se observa en la figura 1. Las principales señales detectadas se observan en la tabla 1. Se realizó el análisis estudiando las diferentes partes del espectro. Así se inició con la región del IR lejano (en el cual se observan dos picos señales 1 y 2, (figura 2 ) la primera presenta presenta medio ancha y poco definida definida entre los 3080 y 2900 cm-1 con pico  pronunciado a los 2920 cm-1 , mientras la segunda ab absorción sorción se ppresenta resenta -1  bien definida a los 2810 cm , ambos a igual intensidad media-fuerte. en esta región se observa normalmente el estiramiento O-H, banda ancha y media fuerte, ya que en el espectro no aparece dicha señal; se descartaron los grupos funcionales como fenol y alcohol. Las absorciones vistas son atribuidas a los estiramientos C-H, en la  primera absorción se observan varios picos solapados entre sí, los cuales se deben al estiramiento del enlace =C-H, que aparece para los anillos aromáticos en el rango (3000-2840 cm -1); y el pico que sobresale se atribuye a el estiramiento prov provocado ocado por el grupo m metileno etileno CH2 de tipo sp2, la cual normalmente se presenta cerca a los 2926 cm-1, La señal 1 se da a los 2920 cm-1 indicando la presencia de un grupo CH2  que  presenta un estiramiento asimétrico. La señal 2 se observa a los 2810 cm-1 y se debe al grupo metil – CH CH3 ya que este se presenta habitualmente Figura 2. Región del -1 entre los 2962 y 2870 cm , pero un posible anillo aromático hace que se espectro del infrarrojo entre disminuya la frecuencia de las señales. Se determinaron estos dos grupos, los 2700 y 4000 cm-1  por las vibraciones que presentan en otras regiones del espectro. (2) según la figura 3 donde se exhibe los diferentes modos de flexión de ambos grupos, una vibración a los 1465 cm-1 del grupo metileno y una vibración del grupo metil a los 1375 cm-1 , en la figura 4. se puede ver dichas flexiones, sin embargo  por la región en que se presenta la señal del CH2  se superponen por ootros tros grupos fun funcionales, cionales, la señal 5 corresponde así al grupo metil.

 

 

Figura 3. Flexiones típicas de grupos grupo s funcionales metileno y metil

La siguiente región estudiada, entre los 1000 y 1600 cm-1 se observa en la figura 5. en la cual se  presentan distintas absorciones, las señales 3 y 4 a los 1500 y 1450 cm-1 respectivamente son atribuidos a las dos bandas de estiramiento C=C particula particulares res de los anillos aromáticos que aparecen normalmente entre 1600 y 1450 cm -1,1  un Con esta información se corrobora en otras zonas del espectro  posteriormente estudiadas. estudiadas. Según la información dada, la formula química del compuesto  problema es C10H14O2, En esta región se da también la absorción fuerte del enlace C=O de los grupos carbonilos entre 1850 y 1650 cm-1 , como se observa en la figura 4 esta banda no lo presenta el compuesto problema, descartando así a seis grupos funcionales pertenecientes a los compuestos carbonilos. A los 1170 cm-1 se muestra una banda banda fuerte y a los -1 1060 cm se observa una una señal fuerte con do doss picos Figura 4. Región del espectro estrechamente separados, estas son las señales 6 y 7 del infrarrojo entre los 1000 respectivamente, y son atribuidas a los estiramientos  propios del enlace C-O conjugado con anillo y 1600 cm-1  aromático, que comúnmente se presentan cerca a los 1200 y 1040. y son particulares de los éteres, las moléculas que presentan en enlaces acetales menudo dan cuatro cincosebandas fuertes, respectivamente la región entrea 1200 y 1020 cm -1 ,o esto puede observar también en la figura 4. Dando así una idea del tipo de éter. Finalmente se procedió a analizar la zona del espectro de baja frecuencia entre 900 y 675 cm-1 (figura 5) ya que las bandas más prominentes e informativas en de los compuestos aromáticos ocurren en este rango. 2 También en la región de 1600 a 2000 (figura 6) solo se observan unos sobre tonos entre 1700 y 2000 cm-1 los cuales se pueden atribuir a el patrón de sustitución correspondiente a un posible el anillo aromático. Se comparan estas señales con las teóricas figura 7, las cuales indican que el compuesto es mono sustituido.

Figura 6. Región del espectro del infrarrojo entre los 1000 y 1600

cm-1 

 

 

Figura 7. Patrones de sustitución teoricos.

Figura 6. Región del1600 espectro del infrarrojo entre los y 2000

cm-1 

B.  ANALISIS RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR El espectro NRM de resonancia magnética nuclear es de gran importancia ya que muchos núcleos  pueden ser estudiados por técnicas de RMN pero el hidrogeno y el carbono esta mas disponibles mientras la espectroscopia infrarrojo revela tipos de grupos funcionales f uncionales presentes en una molécula, la RMN proporciona información sobre el numero de átomos magnéticamente distintos En el espectro RMN protónico figura 8. se observan cuatro señales, este espectro no solo distingue el número de tipos de protones tiene una molécula, sino que revela también la multiplicidad de las señales. En la tabla 2 se observan dichas señales y su respectiva atribución, además el número de divisiones que le corresponden. Con el área bajo la curva y la relación re lación de esta en los picos presentes se pueden cuantificar el número de protones. Se observa la altura de la línea integral de una de las señales en este este caso la señal 2. De longitud (1,2 division divisiones es del papel gráfico) y se tomo como referencia. En la tabla también se registró las longitudes correspondientes de la integral de cada señal, esos son valores relativos, y dividiendo cada longitud entre la de la señal de referencia determinando así el número de Hidrógenos por cada señal.

 

 

prob lema. Figura 8. Espectro RMN 1H. de la muestra problema. Tabla 2. Resultados obtenidos a partir del espectro RMN 1H. de la muestra problema.

SEÑAL 1. 

δ 

7.1 y 7.3

M

N° H

m

Long. 6

N° de H 6 . 1,2 .

2.

4.5

t

1.2

1,2 . 1,2 .

3. 4.

3.3 2.8

s d

7.2

7,1 .

2.5

1,2 . 2,5 . 1,2 .

= 5 

= 1 

= 5, 5,91 916 6  = 2, 2,08 083 3 

5

1

6

2

Con esta información se procedió a analizar el espectro de C13 C.  ANALISIS RESONANCIA MAGNETICA NUCLEAR CARBONICA Con el propósito de asignar las señales a un espectro RMN carbónico C 13, son dados o se obtuvieron dos espectros, el primero es un espectro completo de H1 protónico desacoplado, maximizando así la intensidad de la señal y proporcionando singletes agudos y minimizando la superposición de las señales. Este es el espectro mas apropiado para cuantificar el número de resonancias y determinar con precisión sus tipos de desplazamientos químicos, (figura 9. A ) el segundo, un espectro sensible a el ambiente quimico de cada numero de proones adjuntos a cada carbono permitiendo asi una clasificación parcial de las señales del espectro C13 de acuerdo al tipo de grupo ya sea si son metil metil,, metileno o metino o atomos de carbono cuaternarios. ( figura 9. B)

 

Figura 8. Espectro RMN 13C. de la muestra problema.

se examinan los espectros de derecha a izquierda en el espectro espectro 9.A se abserva la señal N°1 un pico a 40 ppm (desplazamiento químico) el cual se atribuye a un metileno -CH2 con hidrógeno (H) o cadena carbonada (-R) en el Cα y Cβ ya que se encentra dentro del intervalo (20- 45) ppm particular del grupo, se corroboró corroboró esta señal con la obs observada ervada en el espectro B (DEPT) una señal que ssee encuentra hacia abajo. Confirmó que hace referencia a un grupo metileno. Subseguido a este, en espectro A se observa un pico alrededor de 52 ppm (señal N° 2) este se encuentra en el intervalo referente al desplazamiento químico del grupo C-H metino, o también se  pudo atribuir a un grupo metil unido a un oxígeno el cual se presenta normalmente entre 50 y 60  ppm. Pero con respecto a los anteriores estudios espectroscópicos donde se determinó como grupo funcional principal un estar. Por tal se deduce que esta señal se atribuye a tribuye al grupo -O-CH3 el numero de resonancias indican inmediatamente el numero de ambientes de C13 en la molécula. cuando es un compuesto simetrico presentan iguales señales, mientras que uno asimétrico dependerá de los diferentes ambientes, esto se utiliza comúnmente para determinar el patrón de sustitución de compuestos aromáticos, según el espectro infrarrojo, es de tipo mososustituido. lo cual indicarían cuatro señales entre 110 y 175 ppm pertenecientes a los diferentes ambientes afectados por el grupo sustituyente, como ejemplo se observa en la figura 10. en el espectro del compuesto problema problema se observa un con conjunto junto se señales entre 105 y 140 tres más sobresaliente sobresalientess (señal N°1) y una un poco alejada (señal N°2) atribuida al grupo C=C del anillo. Estas cuatro señales comprobaron así la monosustitucion del compuesto. En la tabla 3 se pueden observar las distintas señales detectadas y sus respectivas atribuciones dando asi una idea de posible estructura. Tabla 3. Resultados obtenidos a partir del espectro RMN 13C. de la muestra problema.

SEÑAL 1.  2.

δ (ppm) 

40 52

M

baja Media

Atribución -CH2 O-CH3

 

 

3. 4.

105 125-130

Media Altas

C=C

D.  ANALISIS ESPECTROSCOPIA DE MASAS A partir de los diferentes análisis espectroscópicos inmediatamente anteriores, se obtuvo información estructural con la cual se da idea de estructura posible, se determino que se tiene un anillo aromático mono sustituido, que se tienen dos oxígenos y el grupo funcional principal es u éster con enlaces acetales, por tal se deduce que se trata de un di éter, con los espectros de RMN  protónico, se dictaminó que la molécula posee 6 protones de tipo RO-C-H este se pudo traducir como el protón de dos grupos metilo, se confirmo con el espectro RMN 13C el enlace  – O-CH O-CH3 y también la presencia de un grupo metileno. En la figura 10 se puede ver gráficamente el anterior análisis.

Figura 10. Grupos funcionales determinados a partir de espectros

Con estos tres grupos, se pueden verificar una posible estructura, ya que la formula molecular dada C10H14O2 es decir de peso molecular igual a 166 g/mol coincide con la suma de cada uno de los  pesos y numero de átomos de los los tres grupos mostrado mostradoss añadiendo un Carbono (mostrado de de color azul en la figura 11. para completar los enlaces, que quedarían de la siguiente forma:

Figura 11. Posible estructura de la muestra problema

En el espectro de masas (figura 12) se pueden observar distintas señales ordenadas en la tabla 4. En la cual se puede ver la señal Nº 1 como el ion molecular, también se presentan allí las posibles fragmentaciones sus respectiv respectivas as formulas m moleculares. oleculares.

 

  Figura 12. Espectro de masas de la muestra problema. Tabla 4. Resultados obtenidos a partir del espectro de masas de la muestra problema

Señal

m/z

Intensidad

Formula molecular C10H14O2

1.  M+ 

166

2.

75

90

C3H7O2

3.

91

20

C7H7 

4.

51

23

C4H3 

Estructura

 

La señal Nº 2 m/z=75 coincide con la señal más intensa es decir el ion más abundante formado o el también llamado el pico base. El rompimiento de la molécula neutra (señal Nº1) por el grupo metileno, forma los dos iones iones más abundantes, señal 2 y 3 respectivamente. Finalm Finalmente ente el ultimo ion es formado por la pérdida del grupo metoxilo. Confirmando así la estructura de la figura 11 Como estructura química del compuesto problema.

III. 

CUANTIFICACIÓN ANÁLISIS DE MEZCLA PARTE 2

La segunda parte consta del anális análisis is se una mezcla, ddee la cual se es dado el espectro 100MHz 13C. (Figura 13) la mezcla consta de benceno, dietileter y diclorometano en solución de CDCl 3  (en la tabla 5 se registraron las moléculas dadas en la solución y sus respetivas señales.) el espectro se registró con un largo retraso de relajación (300 segundos) entre las adquisiciones y con el NOE suprimido. a partir del área de las deñales observadas se pudo determinar la realciòn molar del conjunto de compuestos presentes en la solución estudidada. se aprovecha que cadadepico a una sing molecula diferente. procedióalongitudes. medirdes. su area,ya que elde espeectro C13pertenece solo presenta singletes, letes, en lugar deprimero areas, seseutilzaron longitu en centimetros. En la tabla 5 se registran estas longitudes . subseguido a esto, en cada señal, señal, se determinaron el número de núcleos (carbonos (carbonos ) que contribuyen para cada señal asi por ejemplo para la señal del benceno corresponden 6 atomos de Carbono pertenencientes al enlace C-H.

Figura 13. Espectro RMN de la mezcla

 

 

cuantificar la mezcla mezcla Tabla 4.  Datos obtenidos para cuantificar

COMPUESTO

Nº Atribución señal

Diclorometano (C)

Intensidad Nº I (cm) nucleos por cada ambiente químico.

1.

C-H

128,7

3,8

6

CH3- CH2-O-CH2CH2 

2.

-CH2 

67,4

2,1

2

4

-CH3

17,1

2,1

2

Cl-CH2-Cl

3

-CH2Cl2

53,7

3,1

1

Benceno (A)

Dietil éter (B)

δ (ppm) 

se realizó una proporcion entre el area y el numero de protones por ambiente quimico, para cada una de las señales. Siendo asi, , 

,

= 0, 0,63 63 



,

= 1,05 1,05 



= 1,05 1,05 

, 

= 3,1   

Como vemos la señal 3 y 4 pertenecen pertenecen a la misma molecula, el dietil dietil éter y la proporción ob obtenida tenida anteriormente es la misma. Por lo cual solo se considera una de estas para el calculo. El fracción molar X, indica moles de A entre un total. Siendo así se utiliza la siguiente expresión  para determinar las fracciones molares molares de cada compuesto. Para benceno: % ( ) = %( () ) =

 º     + + º  º  º 

 

 

=

 

               

%( ) =

,  , , , + +   

100 1 00% % = 13 13,2 ,2

Donde  es la intensdad ( area) de la señal y º es el numero de nucleos por señal. Asi mismo se realizò con los otros compuestos, los resultados se obtienen en la tabla 6.

 

COMPUESTO Benceno Dietil éter Diclorometano

IV. 

% MOLAR 13,2 22 64,85

CONCLUSIONES

Con lo anterior se concluye entonces , que la muestra problema es un compuesto identificado como (2,2 dimetoxi- etil ) Benceno. También se puede concluir concluir que a partir de un espectro RMN de C13 se puede cuantificar cuantificar la fracción molar de una mezcla de compuestos orgánicos. V. 

BIBLIOGRAFÍA 1.  D.L. Pavia, G.M. Lampman, and G.S. Kriz,  Introducti  Introduction on to Spectroscopy: Spectroscopy: A Guide  for Students of Organic Chemistry (Harcourt College Publishers, 2001). 2.  R.M. Silverstein, F.X. Webster, and D. Kiemle, Spectrometric Identification of Organic Compounds, 7th Edition (Wiley, 2005). 3.  L.D. Field, S. Sternhell, and J.R. Kalman, Organic Structures from Spectra (Wiley, 2012).   2012).