Es una división de la química analítica que se ocupa de determinar la estructura del compuesto químico analizado, incluidos los átomos que contiene y la forma en que se interrelacionan. Abarca todo un conjunto de técnicas que posibilitan la adquisición de dicha información. A menudo llevamos a cabo una gama completa de análisis estructurales si sintetizamos un nuevo compuesto, para confirmar la posible estructura, pero también para confirmar los productos asumidos durante la reacción química. Las técnicas más confiables son los análisis espectrales, que son análisis que dan un resultado en forma de espectros de relaciones particulares. Este tipo de representaciones gráficas permite leer los tipos de elementos existentes en la muestra, las energías de enlace y el sistema de moléculas y sus átomos. Una gran ventaja de los análisis espectrales es el hecho de que incluso una pequeña cantidad de la sustancia es suficiente para realizar un experimento. Las técnicas más precisas utilizadas en el análisis estructural son las siguientes: espectroscopia de resonancia magnética nuclear, espectroscopia infrarroja, espectroscopia UV-Vis, cristalografía de rayos X, espectrometría de masas, espectroscopia Raman y microanálisis.
Espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN)
Durante la medición, utilizamos radiación electromagnética en el rango de 60 a 900 MHz, que transporta una pequeña porción de energía. Esto permite la excitación de transiciones entre diferentes niveles que tienen una barrera de baja energía. Esto es característico de los estados cuánticos, que están íntimamente ligados a las propiedades magnéticas de los núcleos de los átomos que forman las moléculas químicas. Un aspecto importante de esas propiedades es el espín, que se refleja macroscópicamente en la física en forma de momento angular. Si tomamos, por ejemplo, un protón con carga positiva, que también tiene espín, el movimiento de la carga está totalmente ordenado, lo que a su vez refleja un flujo macroscópico de corriente. Esto siempre va acompañado de la formación de un campo magnético, y el propio protón se convierte en una especie de imán. Donde no hay campo magnético externo, la orientación espacial de tal dipolo no tiene interrelaciones; es gratis. Sin embargo, si aplicamos un campo magnético externo, los dipolos se posicionarán a lo largo del campo para formar un sistema ordenado. Suministrando una cantidad adecuada de energía, es posible girar el giro a posiciones específicas en relación con las líneas del campo magnético externo. Esto solo es posible si el número cuántico magnético de esa molécula es igual a -½ o ½. Para tales estados cuánticos, es posible excitar transiciones de energía con el uso de radiación electromagnética con la energía adecuada. Para núcleos que tienen más nucleones, también podemos observar relaciones entre la estructura de un núcleo atómico y su número cuántico.
- Los núcleos atómicos que contienen un número par de protones y neutrones se caracterizan por tener un número de espín cuántico (I) igual a 0, así también el valor de espín solo puede ser igual a 0. En consecuencia, es imposible excitar transiciones de energía. Tal situación existe en varios isótopos que son importantes para los análisis de química orgánica: 12 C y 16 No podemos obtener espectros de RMN para tales isótopos.
- Los núcleos formados por un número par de nucleones de un tipo y un número impar de nucleones de otro tipo tienen un número de espín cuántico de ½ o su múltiplo. Dichos núcleos incluyen 13 C, 15 N, 19 F y 31 P, y se comportan de manera similar a los protones. Estos isótopos, para los que podemos obtener el espectro de RMN, son extremadamente valiosos para la química analítica.
- Si un núcleo contiene un número impar de protones y neutrones, el número de espín cuántico es igual a la cantidad total. El ejemplo más importante es el núcleo de deuterio 2. Este permite su uso en solventes y, en consecuencia, su señal de resonancia es una señal de estabilización de campo y calibración de escala para espectrómetros de RMN.
La interpretación espectral nos permite, dependiendo del tipo de RMN, determinar información valiosa, por ejemplo la 1 H RMN muestra la cantidad y tipo de los grupos de protones presentes y sugiere los fragmentos estructurales. El espectro de 13 C NMR presentará señales correspondientes a átomos de carbono en puntos característicos de diferentes grupos.
Espectroscopia infrarroja (IR)
Esta técnica permite observar los espectros de oscilación de moléculas en el rango de 4000 a 400 cm -1 . Una excitación que permite formar un espectro está relacionada con la vibración de enlaces y el cambio de ángulos entre enlaces, tanto dentro como fuera del plano. El espectro muestra la dependencia de la transmitancia del número de onda, y cuanto menor sea la transmitancia, más intensa será la absorción. Las bandas de absorción visibles en el espectro son específicas de la vibración de los enlaces, dependiendo del rango espectral:
- un área por debajo de 1500 cm -1 puede incluir vibraciones extensivas de CO, CN y CC, así como vibraciones deformantes,
- el rango de 2000–1500 cm -1 incluye vibraciones extendidas de enlaces dobles C=O, C=N, C=C,
- Las vibraciones extendidas de los enlaces triples son visibles dentro del rango de 2500–2000 cm -1 ,
- el rango de 4000–2500cm -1 muestra vibraciones extendidas de enlaces OH, NH y CH.
La interpretación espectral permite identificar los grupos funcionales presentes en la estructura y determinar la estructura general del compuesto, incluyendo su aromaticidad y posible saturación.
espectroscopia UV-Vis
Este método utiliza un espectro de radiación electromagnética en el rango de 200 a 780 nm. Su base teórica es la absorción de energía en la zona ultravioleta, que equivale a las transiciones electrónicas del estado básico al excitado. Está cuantificado, lo que significa que corresponde exactamente a la diferencia entre los niveles de energía. Cuanto menor sea la diferencia, mayor será la longitud de onda de la radiación absorbida. El espectro se compone de bandas de absorción y se presenta como la relación de la absorbancia (A) con la longitud de onda (λ). La espectroscopia UV-Vis se suele utilizar para confirmar o excluir la presencia de cromóforos, es decir, grupos de átomos capaces de absorber electrones. A veces también ayuda a determinar la posición relativa de esos grupos.
Espectrometría de masas (MS)
Este método nos permite examinar sustancias con el uso del espectro de las masas de átomos y moléculas contenidas en la sustancia. Se ionizan en la fase gaseosa y luego se separan en función de la relación de carga de masa a ion. Teniendo el espectro derivado en el análisis MS, podemos determinar el valor de las masas y el contenido relativo de los ingredientes de la sustancia probada. El método también permite identificar varios fragmentos de la estructura. La fragmentación de moléculas se realiza mediante descomposiciones consecutivas de enlaces con la energía más baja. La intensidad de los haces de iones resultantes depende directamente de la durabilidad de los cationes que se forman y de la velocidad de las etapas de fragmentación posteriores. El uso de esa técnica tiene como objetivo determinar la masa molecular, la composición química y el diseño estructural de las partículas, la pureza de las sustancias y la identificación de contaminantes. Sus ventajas incluyen precisión, una amplia gama de aplicaciones y una resolución al nivel de varias unidades de masa atómica.
