È una divisione della chimica analitica che si occupa di determinare la struttura del composto chimico analizzato, compresi gli atomi che contiene e il modo in cui sono interconnessi. Copre un'intera serie di tecniche che consentono l'acquisizione di tali informazioni. Spesso eseguiamo una serie completa di analisi strutturali se sintetizziamo un nuovo composto, per confermare la possibile struttura, ma anche per confermare i prodotti assunti durante la reazione chimica. Le tecniche più affidabili sono le analisi spettrali, che sono tali analisi che danno un risultato sotto forma di spettri di relazioni particolari. Questo tipo di rappresentazioni grafiche consente di leggere i tipi di elementi esistenti nel campione, le energie di collegamento e il sistema di molecole e dei loro atomi. Un grande vantaggio delle analisi spettrali è il fatto che anche una minima quantità della sostanza è sufficiente per condurre un esperimento. Le tecniche più precise utilizzate nell'analisi strutturale sono le seguenti: spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, spettroscopia infrarossa, spettroscopia UV-Vis, cristallografia a raggi X, spettrometria di massa, spettroscopia Raman e microanalisi.
Spettroscopia di risonanza magnetica nucleare (NMR).
Durante la misurazione, utilizziamo la radiazione elettromagnetica nell’intervallo da 60 a 900 MHz, che trasporta una piccola porzione di energia. Ciò consente l’eccitazione delle transizioni tra diversi livelli che hanno una barriera a bassa energia. Questo è caratteristico degli stati quantistici, che sono strettamente legati alle proprietà magnetiche dei nuclei degli atomi che costruiscono le molecole chimiche. Un aspetto importante di queste proprietà è lo spin, che si riflette macroscopicamente in fisica sotto forma di momento angolare. Se prendiamo, ad esempio, un protone con carica positiva, che ha anche uno spin, il moto della carica è totalmente ordinato, il che a sua volta riflette un flusso macroscopico di corrente. Questo è sempre accompagnato dalla formazione di un campo magnetico, e il protone stesso diventa una sorta di calamita. Dove non c’è campo magnetico esterno, l’orientamento spaziale di un tale dipolo non ha interrelazioni; è gratis. Tuttavia, se applichiamo un campo magnetico esterno, i dipoli si posizioneranno lungo il campo per formare un sistema ordinato. Fornendo un’adeguata quantità di energia, è possibile far ruotare lo spin in posizioni specificate rispetto alle linee del campo magnetico esterno. Questo è possibile solo se il numero quantico magnetico di quella molecola è uguale a -½ o ½ . Per tali stati quantistici, è possibile eccitare le transizioni energetiche con l’uso della radiazione elettromagnetica con l’energia appropriata. Per i nuclei che hanno più nucleoni, possiamo anche osservare le relazioni tra la struttura di un nucleo atomico e il suo numero quantico.
- I nuclei atomici che contengono un numero pari di protoni e neutroni sono caratterizzati dal numero di spin quantico (I) pari a 0, quindi anche il valore di spin può essere solo uguale a 0. Di conseguenza, è impossibile eccitare transizioni energetiche. Tale situazione esiste in diversi isotopi importanti per le analisi di chimica organica: 12 C e 16 Non possiamo ottenere spettri NMR per tali isotopi.
- I nuclei formati da un numero pari di nucleoni di un tipo e un numero dispari di nucleoni di un altro tipo hanno un numero di spin quantico di ½ o suo multiplo. Tali nuclei includono 13 C, 15 N, 19 F e 31 P, e si comportano in modo simile ai protoni. Questi isotopi, per i quali possiamo ottenere lo spettro NMR, sono estremamente preziosi per la chimica analitica.
- Se un nucleo contiene un numero dispari di protoni e neutroni, il numero di spin quantico è uguale alla quantità totale. L’esempio più importante è il nucleo di deuterio 2. Questo ne rende possibile l’utilizzo nei solventi, e di conseguenza il suo segnale di risonanza è un segnale di stabilizzazione del campo e di calibrazione della scala per gli spettrometri NMR.
L’interpretazione spettrale ci permette, a seconda del tipo di NMR, di determinare informazioni preziose, ad esempio l’ 1 H NMR mostra la quantità e il tipo dei gruppi di protoni presenti e suggerisce i frammenti strutturali. Lo spettro del 13 C NMR presenterà segnali corrispondenti ad atomi di carbonio in punti caratteristici di diversi gruppi.
Spettroscopia infrarossa (IR).
Questa tecnica permette di osservare gli spettri di oscillazione delle molecole nell’intervallo da 4000 a 400 cm -1 . Un’eccitazione che consente di formare uno spettro è correlata alla vibrazione dei legami e al cambiamento degli angoli tra i legami, sia all’interno che all’esterno del piano. Lo spettro mostra la dipendenza della trasmittanza dal numero d’onda, e minore è la trasmittanza, più intenso è l’assorbimento. Le bande di assorbimento visibili nello spettro sono specifiche per la vibrazione dei legami, a seconda della gamma spettrale:
- un’area inferiore a 1500 cm -1 può includere vibrazioni estese di CO, CN e CC nonché vibrazioni deformanti,
- l’intervallo di 2000–1500 cm -1 include vibrazioni estese di doppi legami C=O, C=N, C=C,
- le vibrazioni estese dei tripli legami sono visibili nell’intervallo di 2500–2000 cm -1 ,
- l’intervallo di 4000–2500 cm -1 mostra vibrazioni estese dei legami OH, NH e CH.
L’interpretazione spettrale permette di identificare i gruppi funzionali presenti nella struttura e di determinare la struttura generale del composto, compresa la sua aromaticità e l’eventuale saturazione.
Spettroscopia UV-Vis
Questo metodo utilizza uno spettro di irradiazione elettromagnetica nell’intervallo da 200 a 780 nm. La sua base teorica è l’assorbimento di energia nell’area ultravioletta, che equivale alle transizioni di elettroni dallo stato basico a quello eccitato. È quantizzato, il che significa che corrisponde esattamente alla differenza tra i livelli di energia. Minore è la differenza, maggiore è la lunghezza d’onda della radiazione assorbita. Lo spettro è composto da bande di assorbimento e presentato come rapporto tra assorbanza (A) e lunghezza d’onda (λ). La spettroscopia UV-Vis viene solitamente utilizzata per confermare o escludere la presenza di cromofori, cioè gruppi di atomi in grado di assorbire elettroni. A volte aiuta anche a determinare la posizione relativa di quei gruppi.
Spettrometria di massa (MS)
Questo metodo ci permette di esaminare le sostanze con l’uso dello spettro delle masse di atomi e molecole contenute nella sostanza. Subiscono la ionizzazione nella fase gassosa e quindi vengono separati in base al rapporto di carica massa-ione. Avendo lo spettro derivato nell’analisi MS, possiamo determinare il valore delle masse e il contenuto relativo degli ingredienti della sostanza testata. Il metodo consente inoltre di identificare vari frammenti della struttura. La frammentazione molecolare viene eseguita mediante decomposizioni consecutive di legami con l’energia più bassa. L’intensità dei fasci ionici risultanti dipende direttamente dalla durabilità dei cationi in formazione e dalla velocità dei successivi stadi di frammentazione. L’uso di tale tecnica è volto a determinare la massa molecolare, la composizione chimica e il design strutturale delle particelle, la purezza della sostanza e l’identificazione dei contaminanti. I suoi vantaggi includono precisione, un’ampia gamma di applicazioni e una risoluzione a livello di diverse unità di massa atomica.
