1. No category

ESPECTROSCOPÍA Y
ELUCIDACIÓN ESTRUCTURAL
Química Orgánica III
Primer Semestre 2016
Facultad de CC.QQ. Y Farmacia, USAC
QSAR
• Las siglas corresponden al inglés Quantitative
structure-activity relationship.
• Relaciona la estructura química con un proceso
bien definido, como la actividad biológica.
• El primer estudio de esta correlación estructurapropiedad, se refiere al comportamiento del
punto de ebullición de los alcanos.
• La hipótesis QSAR es “moléculas semejantes
tendrán comportamientos semejantes”
QSAR
• Las aplicaciones de interés para las ciencias
farmacéuticas se basan en la correlación
estructura- toxicidad, estructura-actividad
biológica.
• Con esto en mente, se pueden diseñar nuevos
fármacos in silico, es decir, asistidos por
computadora.
Espectroscopía y elucidación
estructural
• Como se verá mas adelante, la radiación
electromagnética puede interaccionar de
diversas formas con las moléculas.
• Existe una correlación entre estructura
molecular y el comportamiento de la molécula
frente a la radiación electromagnética.
• Esto puede aplicarse a la elucidación
estructural de un compuesto dado.
ESPECTROSCOPÍA ULTRAVIOLETA
¿Por qué aprender esto?
• Muchas moléculas orgánicas contienen grupos
que absorben luz ultravioleta (UV).
• Es la primera técnica de espectroscopía
molecular.
• La absorbancia en UV es mucho más fácil de
detectar que en RMN, por ejemplo.
• Su aplicación en Química Analítica Cuantitativa es
muy importante, pero debemos saber cuales
sustancias presentarán absorción en esta región
del espectro.
Espectroscopía electrónica
• Las moléculas pueden interaccionar con la luz UV –
Vis
• La absorción de fotones resulta en una transición
electrónica en la molécula y electrones pasan de un
estado basal a un estado excitado (de mayor energía)
Transiciones electrónicas
• Hay varios tipos de transiciones electrónicas
que pueden considerarse:
Transiciones que involucran electrones n, p y s
Transiciones que involucran electrones de
transferencia de carga.
Transiciones que involucran electrones d y f
Absorción UV-Vis en moléculas
orgánicas
• Se encuentra limitada a aquellas moléculas
que contienen ciertos grupos funcionales que
contienen electrones de valencia de baja
energía de excitación.
• Estos grupos funcionales que presentan
absorción UV-Vis, se denominan cromóforos.
Esquema general de un espectrofotómetro UV-Vis
El sistema de
arreglo de diodos
tiene menor
resolución.
Aspecto general de un espectro UV-Vis
1.0
A
B
S
O
R
B
A
N
C
I
0.0
A
200
λ
max
Cada máximo de
absorción presentará un
coeficiente de extinción
molar ε característico
Longitud de onda (λ) en nanómetros (nm)
400
Ultravioleta lejano o de
vacío λ < 190 nm
UV/VIS
Transiciones σ σ*
• Se dan involucrando electrones s.
• Requieren alta energía, por lo que se
presentan a longitudes de onda menores a
200 nm.
• No son de utilidad práctica para elucidación
estructural ni para cuantificación.
Transiciones n  σ*
• Pueden darse en aquellos compuestos
saturados, que posean heteroátomos como
oxígeno, nitrógeno o halógenos en su
estructura.
• Generalmente presentarán absorción en un
rango de 150 a 250 nm.
• Debe tomarse esto en consideración al
seleccionar disolventes para las muestras que
se analizarán por UV
Transiciones n π* y π π*
• Estas aparecen en una región adecuada del
espectro UV-Vis (200-700 nm)
• Se requiere que existan insaturaciones en la
molécula.
• Los grupos funcionales típicos que pueden dar
lugar a estas transiciones son alquenos,
aromáticos, carbonilos insaturados.
Transiciones electrónicas
• Pueden clasificarse como intensas o débiles, de acuerdo a la
magnitud de ε. (Aλ = εbc)
• Las prohibidas tienen valores de ε del
orden de las centenas.
• Transiciones permitidas : S→S, T→T
• Transiciones prohibidas : S→T, T→S
S = estado singulete, electrones con espín apareado (espines
opuestos)
T = estado triplete, electrones con espín no apareado (espines iguales)
Terminología
• Cromóforo: grupo funcional que da origen a
absorción en el UV-Vis
• Auxocromo: grupos sustituyentes con
electrones sin aparear (-OH, -NH2) que por sí
solos no absorben en el UV-Vis, pero que al
estar unidos a un cromóforo por lo general
desplazan λmax a valores mayores.
Terminología
• Desplazamiento batocrómico o
desplazamiento hacia el rojo: cambio en λmax
hacia valores mayores (hacia el visible)
• Desplazamiento hipsocrómico o
desplazamiento hacia el azul: cambio en λmax
hacia valores menores.
• Efecto hipercrómico: incremento de ε
• Efecto hipocrómico: disminución de ε
Ley de Lambert-Beer
• Para un medio que
absorbe luz, la
intensidad de la
absorción decae
exponencialmente :
• Cuando el trayecto
óptico aumenta.
• Cuando la
concentración de la
muestra aumenta
Io
It
l
cuvette
A = εbc
A = -log T
Ε = coeficiente de extinción molar, expresada en litros/mol cm
Disolventes usados en UV-Vis
Los números corresponden al valor de λ debajo del cual NO pueden ser utilizados.
• Agua
205
• THF
220
• CH3CN
210
• CH2Cl2
235
• C6H12
210
• CHCl3
245
• Eter
210
• CCl4
265
• EtOH
210
• benceno 280
• Hexano
210
• Acetona
• MeOH
210
• Dioxano
220
• Varios buffers para HPLC,
revisar antes de usar.
300
s*
Unoccupied levels
p*
Energy
Atomic orbital
n
Atomic orbital
Occupied levels
p
s
Molecular orbitals
s*
p*
Energy
n
p
s
s
s*
alkanes
s
p*
carbonyls
p
p*
unsaturated cmpds.
n
s*
O, N, S, halogens
n
p*
carbonyls
Transiciones electrónicas observables
• Aunque el espectro UV se extiende debajo de los 100
nm, el oxígeno atmosférico no es transparente
debajo de los 200 nm.
• El espectro UV se toma entre los 400 y 200 nm
• Esto limita las transiciones que pueden observarse:
s
s*
alkanes
150 nm
s
p*
carbonyls
170 nm
p
p*
unsaturated cmpds.
180 nm
n
s*
O, N, S, halogens
190 nm
n
p*
carbonyls
300 nm
√ - if conjugated!
√
Polienos y carbonilos α,β-insaturados
R.B. Woodward, L.F. Fieser y otros
Predice max para πp* en sistemas conjuugados extendidos con valores de + 2-3
nm del valor observado experimentalmente
Grupo sustituyente
Sistema
homoanular, base
253 nm
Sistema acíclico,
base 217 nm
Sistema
heteroanular, base
214 nm
incremento, nm
Conjugacion extendida
+30
Enlace exocíclico adnl.
+5
Grupo alquilo (R-)
+5
O-Acilo (OC=O)
0
S-alquilo (-S-R)
+30
O-alquilo (-OR)
+6
-NR2
+60
Cl, Br
+5
Generalmente, al extender la conjugación
se da un desplazamiento a λ mayor
max
253
239
256
248
La tensión anular tiene un efecto sobre el
máximo de absorción
Ejemplo: pueden diferenciarse
isómeros
Valor Base
4 x sust. alquilo
Exocíclico
total
Obs.
214nm
20nm
5nm
239 nm
238nm
HO2C
Valor Base
4 x sust. alquilo
total
Obs.
HO2C
253nm
20 nm
273nm
273nm
Carbonilos α,β-insaturados
b
b
O
O
O
202
215
Valores base, añadir estos incrementos…

X=H 207
x

227
b
239
g
d,+
Extnd C=C
exociclico C=C
+30
+5
Dieno Homoanular
+39
alquil
+10
+12
Con correccion por
disolvente de…..
OH
+35
+30
Agua
+8
OAcil
+6
+6
+6
+6
EtOH
0
CHCl3
-1
O-alquil
+35
+30
+17
+31
Dioxano
-5
NR2
Et2O
-7
S-alquil
+15/+25
+12/+30
X=R 215
X=OH 193
X=OR 193
Hidrocarb. -11
Cl/Br
+18
+18
+50
Más ejemplos
O
Valor base
2 x sust alquilo
DE exociclico
total
Obs.
217
10
5
232
237
Valor base
3 x sust alquilo
DE exociclico
total
Obs.
214
30
5
234
235
Valor base
2 sust alquilo ß
total
Obs.
215
24
239
237
Polienos con más de 4 dobles enlaces
conjugados
• Para carotenoides se puede emplear la regla de
Fieser-Kuhn:
λmax = 114 + 5M + n(48.0 -1.7n)-16.5 Rendo -10 Rexo
M= número de grupos R- o residuos de anillo en el sistema
conjugado
n = número de dobles enlaces conjugados
Rendo = número de anillos con dobles enlaces endocíclicos
en el sistema conjugado
Rexo = número de anillos con dobles enlaces exocíclicos en el
sistema conjugado.
Ejemplo
• Para el β-caroteno
λmax = 114 + 5M + n(48.0 -1.7n)-16.5 Rendo -10 Rexo
λmax = 114 +5(10) + 11(48.0 -18.7)- 16.5(2) -10(0)
λmax = 114 + 50 + 322.3 - 33 – 0 = 453.3 nm
λmax observado = 452 nm
Aromáticos
bencenoides
Espectro UV del
Benceno en
heptano
Fuente Crewes, Rodriguez, Jaspars, Organic Structure Analysis
Grupo
Banda K
()
Banda B ()
Banda R
Alkyl
208(7800)
260(220)
--
-OH
211(6200)
270(1450)
-O-
236(9400)
287(2600)
-OCH3
217(6400)
269(1500)
NH2
230(8600)
280(1400)
-F
204(6200)
254(900)
-Cl
210(7500)
257(170)
-Br
210(7500)
257(170)
-I
207(7000)
258/285(610/180)
-NH3+
203(7500)
254(160)
-C=CH2
248(15000)
282(740)
-CCH
248(17000)
278(6500
-C6H6
250(14000)
-C(=O)H
242(14000)
280(1400)
328(55)
-C(=O)R
238(13000)
276(800)
320(40)
-CO2H
226(9800)
272(850)
-CO2-
224(8700)
268(800)
-CN
224(13000)
271(1000)
-NO2
252(10000)
280(1000)
330(140)
• Actualmente la técnica de espectroscopía UV-Vis
se emplea con fines cuantitativos casi
exclusivamente, ya que la información estructural
que puede proporcionar es limitada.
• Es una buena técnica cuantitativa ya que es
sensible y precisa.
Referencias
• Silverstein, R.F. (1998) Spectrometric
Identification of Organic Compounds. (6th.
edition) New York: Jhon Wiley &Sons.