É uma divisão da química analítica que trata da determinação da estrutura do composto químico analisado, incluindo os átomos que ele contém e a forma como estão interligados. Abrange todo um conjunto de técnicas que possibilitam a aquisição dessas informações. Muitas vezes, realizamos uma gama completa de análises estruturais se sintetizamos um novo composto, a fim de confirmar a possível estrutura, mas também para confirmar os produtos assumidos durante a reação química. As técnicas mais confiáveis são as análises espectrais, que são análises que fornecem um resultado na forma de espectros de relações particulares. Este tipo de representação gráfica permite ler os tipos de elementos existentes na amostra, as energias de ligação e o sistema de moléculas e seus átomos. Uma grande vantagem das análises espectrais é o fato de que mesmo uma quantidade residual da substância é suficiente para conduzir um experimento. As técnicas mais precisas usadas na análise estrutural são as seguintes: espectroscopia de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho, espectroscopia UV-Vis, cristalografia de raios X, espectrometria de massa, espectroscopia Raman e microanálise.
Espectroscopia de ressonância magnética nuclear (NMR)
Durante a medição, utilizamos radiação eletromagnética na faixa de 60 a 900 MHz, que carrega uma pequena parcela de energia. Isso permite a excitação de transições entre diferentes níveis que possuem uma barreira de baixa energia. Isso é característico dos estados quânticos, que estão intimamente ligados às propriedades magnéticas dos núcleos dos átomos que constroem as moléculas químicas. Um aspecto importante dessas propriedades é o spin, que é refletido macroscopicamente na física na forma de momento angular. Se tomarmos, por exemplo, um próton com carga positiva, que também possui um spin, o movimento da carga é totalmente ordenado, o que por sua vez reflete um fluxo macroscópico de corrente. Isso sempre é acompanhado pela formação de um campo magnético, e o próprio próton se torna uma espécie de ímã. Onde não há campo magnético externo, a orientação espacial de tal dipolo não tem inter-relações; é de graça. No entanto, se aplicarmos um campo magnético externo, os dipolos se posicionarão ao longo do campo para formar um sistema ordenado. Ao fornecer uma quantidade apropriada de energia, é possível girar o spin para posições especificadas em relação às linhas do campo magnético externo. Isso só é possível se o número quântico magnético dessa molécula for igual a -½ ou ½ . Para tais estados quânticos, é possível excitar transições de energia com o uso de radiação eletromagnética com a energia apropriada. Para núcleos que possuem mais núcleos, também podemos observar relações entre a estrutura de um núcleo atômico e seu número quântico.
- Os núcleos atômicos que contêm um número par de prótons e nêutrons são caracterizados pelo número de spin quântico (I) igual a 0, portanto também o valor do spin pode ser igual a 0. Em consequência, é impossível excitar transições de energia. Tal situação existe em vários isótopos sendo importantes para as análises de química orgânica: 12 C e 16 Não podemos obter espectros de RMN para tais isótopos.
- Os núcleos construídos de um número par de nucleons de um tipo e um número ímpar de nucleons de outro tipo têm um número de spin quântico de ½ ou seu múltiplo. Esses núcleos incluem 13 C, 15 N, 19 F e 31 P, e se comportam de maneira semelhante aos prótons. Esses isótopos, para os quais podemos obter o espectro de RMN, são extremamente valiosos para a química analítica.
- Se um núcleo contém um número ímpar de prótons e nêutrons, o número de spin quântico é igual à quantidade total. O exemplo mais importante é o núcleo de deutério 2. Isso possibilita sua utilização em solventes e, consequentemente, seu sinal de ressonância é um sinal de estabilização de campo e calibração de escala para espectrômetros de RMN.
A interpretação espectral nos permite, dependendo do tipo de RMN, determinar informações valiosas, por exemplo, o 1H RMN mostra a quantidade e o tipo dos grupos de prótons presentes e sugere os fragmentos estruturais. O espectro de 13 C NMR apresentará sinais correspondentes a átomos de carbono em pontos característicos de diferentes grupos.
Espectroscopia de infravermelho (IR)
Esta técnica permite observar os espectros de oscilação de moléculas na faixa de 4000 a 400 cm -1 . Uma excitação que permite a formação de um espectro está relacionada com a vibração das ligações e a mudança dos ângulos entre as ligações, tanto dentro quanto fora do plano. O espectro mostra a dependência da transmitância do número de onda, e quanto menor a transmitância, mais intensa a absorção. As bandas de absorção visíveis no espectro são específicas para a vibração das ligações, dependendo da faixa espectral:
- uma área abaixo de 1500 cm -1 pode incluir vibrações estendidas de CO, CN e CC, bem como vibrações deformantes,
- a faixa de 2.000 a 1.500 cm -1 inclui vibrações estendidas de ligações duplas C=O, C=N, C=C,
- vibrações estendidas de ligações triplas são visíveis na faixa de 2500–2000 cm -1 ,
- a faixa de 4.000 a 2.500 cm -1 mostra vibrações estendidas das ligações OH, NH e CH.
A interpretação espectral permite identificar os grupos funcionais presentes na estrutura e determinar a estrutura geral do composto, incluindo a aromaticidade e possível saturação.
Espectroscopia UV-Vis
Este método usa um espectro de irradiação eletromagnética na faixa de 200 a 780 nm. Sua base teórica é a absorção de energia na região do ultravioleta, que equivale às transições de elétrons do estado básico para o estado excitado. É quantizado, o que significa que corresponde exatamente à diferença entre os níveis de energia. Quanto menor a diferença, maior o comprimento de onda da radiação absorvida. O espectro é composto por bandas de absorção e apresentado como a relação da absorbância (A) com o comprimento de onda (λ). A espectroscopia UV-Vis é normalmente utilizada para confirmar ou excluir a presença de cromóforos, ou seja, grupos de átomos capazes de absorver elétrons. Às vezes, também ajuda a determinar a posição relativa desses grupos.
Espectrometria de massa (MS)
Este método nos permite examinar substâncias com o uso do espectro das massas de átomos e moléculas contidas na substância. Eles sofrem ionização na fase gasosa e, em seguida, são separados com base na razão de carga massa-íon. Tendo o espectro obtido na análise MS, podemos determinar o valor das massas e o conteúdo relativo dos ingredientes da substância testada. O método também permite identificar vários fragmentos da estrutura. A fragmentação da molécula é realizada por decomposições consecutivas de ligações com a menor energia. A intensidade dos feixes de íons resultantes depende diretamente da durabilidade dos cátions que estão sendo formados e da velocidade dos estágios subsequentes de fragmentação. A utilização dessa técnica visa a determinação da massa molecular, composição química e desenho estrutural das partículas, pureza da substância e identificação de contaminantes. Suas vantagens incluem precisão, ampla gama de aplicações e resolução no nível de várias unidades de massa atômica.
