Análise estrutural

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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:

1. uma área abaixo de 1500 cm ^-1 pode incluir vibrações estendidas de CO, CN e CC, bem como vibrações deformantes,
2. a faixa de 2.000 a 1.500 cm ^-1 inclui vibrações estendidas de ligações duplas C=O, C=N, C=C,
3. vibrações estendidas de ligações triplas são visíveis na faixa de 2500–2000 cm ^-1 ,
4. 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.