Informe 6, análisis - Nota: 9 PDF

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IDENTIFICACIÓN DE COMPUESTOS QUÍMICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DEINFRARROJOPaula Andrea Arenas​ a​, Laura Angélica Martínez​b a​ Laboratorio de análisis químico instrumental, facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía a​ Laboratorio de análisis químico instrumental, facultad de Ingeniería, Un...

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IDENTIFICACIÓN DE COMPUESTOS QUÍMICOS MEDIANTE LA TÉCNICA DE INFRARROJO Paula Andrea Arenas a, Laura Angélica Martínezb a a

Laboratorio de análisis químico instrumental, facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía Laboratorio de análisis químico instrumental, facultad de Ingeniería, Universidad de la Sabana, Chía

INFO Fecha de entrega: Octubre 29, de 2019. Informe: Número 6 Palabras clave: Espectro Infrarrojo Muestra problema Número de onda Transmitancia Identificación

1. Resumen La espectroscopia infrarroja es el análisis de la luz infrarroja que interactúa con una molécula. Ésta mide las vibraciones de los átomos, de tal forma permite determinar grupos funcionales (Chemistry libre texts, 2019). Para ésta práctica experimental se estudiaron dos muestras problemas diferentes, una en estado líquido y la otra en estado sólido, con el objetivo de lograr determinar su identidad (dentro de una lista de compuestos proporcionada) por medio del análisis cualitativo de sus respectivos espectros IR. Posterior a dicho análisis fue posible determinar que la muestra líquida correspondía a ácido valérico y la muestra sólida a ácido sebácico. 2. Datos y resultados Imagen 1: Espectro infrarrojo para la muestra problema líquida (34)

OBJETIVOS

General: Identificar la estructura molecular dos muestras problema (una sólida y una líquida) por medio de su espectro infrarrojo. Específicos: ●

●

Identificar, en base al espectro infrarrojo, los grupos funcionales presentes en las muestras a analizar. Distinguir las señales procedentes de posibles contaminantes de aquellas que son características de las muestras.

Imagen 2: Espectro infrarrojo para la muestra problema sólida (5)

3. Análisis de resultados En principio, se procede a analizar el espectro infrarrojo correspondiente para la muestra problema en estado líquido (muestra 34), el cual se puede observar en la imagen 1. Para este espectro se obtuvo diversas señales importantes en diferentes números de onda las cuales reflejan flexiones y estiramientos C-H alifático, C=O y C-O de forma general. Iniciando el análisis de un número de onda mayor a uno menor, en la región del 3000-2900

se evidencian dos señales anchas y definidas de intensidad baja a media las cuales pueden representar los estiramientos C-H alifático para el metilo (CH3) y el metileno (CH2) respectivamente. La señal del metilo se observa en el número de onda entre 2959-2874 mientras que para el metileno es de 2933-2849 (UNAL, s.f). También, debido a que la región presenta señales amplias de intensidad baja a media, se postula la posibilidad de un estiramiento O-H representativo de alcoholes. La siguiente señal importante que se refleja se encuentra aproximadamente en 1700, la cual es aguda, bien definida, simétrica y de intensidad alta. Para este valor de número de onda corresponden los estiramientos C=O, los cuales se caracterizan por ser bandas de muy alta intensidad dentro de los que se encuentran los grupos funcionales de los ácidos carboxílicos, aldehídos, cetonas, amidas, ésteres, haluros de acilo, anhídridos, entre otros (UNAL, s.f). Debido al valor exacto donde se observa la banda se toman en consideración los grupos funcionales de los aldehídos (1739-1684), las cetonas (1724-1667), ácidos carboxílicos (1724-1681) y amidas (1740-1630), descartando la posibilidad de la presencia de haluros de acilo y anhídridos puesto que estos presentan señales a un número de onda mayor. De igual manera se descarta la posibilidad de que la muestra problema contenga una amida en su estructura molecular puesto que anteriormente no hubo indicios de estiramientos N-H. Continuando con la lectura del espectro, en la región de 1470-1460 se tiene una señal asimétrica de intensidad baja a media la cual puede corresponder a la flexión en el plano H-C-H para el metilo, o también denominada la flexión de la “silla” puesto que se encuentra en el intervalo en el que teóricamente ésta se muestra. Continuando con las flexiones, en el intervalo de 1430-1400 se percibe una señal asimétrica de intensidad media, ésta señal

debido al intervalo y características se interpreta como la flexión H-C-H equivalente al metileno o también denominada la flexión de la “Tijera” debido al comportamiento que ésta presenta (UNAL, s.f). Por último, en la señal del 1300 se refleja un pequeño hombro en 1375 el cual, por el número de onda, puede corresponder a la flexión del metilo terminal no geminal, como se evidencia una sola banda se postula que no hay ramificaciones dentro de la molécula, sin embargo, no se descarta la posibilidad de las ramificaciones puesto que la segunda señal puede encontrarse solapada con otra. No se analiza ninguna flexión para el grupo formilo O=C-H las cuales aparecen entre 1405-1385 por lo cual se deja de lado la posibilidad de presentar un aldehído en la estructura de la muestra a analizar. Para la región de 1300-1200 se perciben dos señales, las cuales por el rango en el que se encuentran, se podría intuir que hacen referencia a los estiramientos C-O para ésteres, acetatos, entre otros (UNAL, s.f). Como anteriormente se postuló la posibilidad de la presencia de grupos -OH en la muestra, se procedió a estudiar las señales correspondientes a ácidos carboxílicos puesto que también se postuló la presencia de estiramientos C=O. Para los ácidos carboxílicos se tiene de forma general dos señales, la primera se refleja en 1450-1400 y la segunda aplica para el rango de los ésteres (UNAL, s.f). En base al espectro infrarrojo de la muestra, se logra identificar ambas señales, por lo cual se toma ésta posibilidad como primera opción. En el número de onda de 1130-1000 se capta una señal que podría representar el estiramiento C-O para un alcohol primario puesto que sólo se evidencia una banda, si se estudiara la

posibilidad de un alcohol secundario, se deberían observar dos señales intensas. Por último, en 970-950 hay una señal ancha y de intensidad media correspondiente a flexiones fuera del plano y estiramientos C-X, en este caso, por el intervalo, corresponde al estiramiento O=C-OH del ácido carboxílico. También, en 770 se percibe una señal que por el intervalo en el que se encuentra se postula la posibilidad de la señal de “rocking” que muestra el estiramiento C-C-R en alcanos, sin embargo ésta señal también puede ser característica de la molécula, es decir, puede ser huella digital (UNAL, s.f). En base al análisis previo realizado, se concluye que la muestra problema es un ácido carboxílico con metilos y metilenos terminales no geminales. Es por esta razón que se procedió a consultar los espectros infrarrojos de las posibles sustancias que coincidían con las características de la muestra problema, es decir, se evaluaron los ácidos que se encontraran en estado líquido a temperatura ambiente y es de esta manera que se encontró que la muestra problema tiene gran coincidencia tanto en el espectro como en las características al ácido valérico (SDBS, s.f). Imagen 3: Estructura molecular del ácido Valérico

Imagen 4: Espectro infrarrojo del ácido Valérico

Las señales posteriores al número de onda de 1700 son relativamente iguales, sin embargo, las señales próximas a 3000 presentan discrepancias en cuanto al valor de la transmitancia puesto que las bandas teóricas del ácido valérico presentan una intensidad mayor que las de la muestra problema. Esta variación puede hacer referencia a la presencia de interferencias en el equipo, rastros de muestras medidas anteriormente, o contaminantes en la muestra en sí o en el recipiente en el que estaba contenida, causando así una medida distorsionada. El ácido valérico comúnmente conocido como ácido pentanoico, o ácido valeriánico es un compuesto orgánico, un ácido carboxílico con la fórmula C5H1 0O2 . Es un ácido alquilcarboxílico de cadena lineal que se encuentra naturalmente en las plantas y flores de la valeriana (Valeriana officinalis), de la cual toma su nombre. Dentro de sus características se encuentra que es un líquido incoloro de aroma penetrante, miembro de los ácidos grasos rectos de cadena corta, punto de fusión -34,5 °C, punto de ebullición 186 °C, densidad de 930 kg/m³ y peso molecular de 102,13 g/mol. (López, 2014) Éste ácido se emplea principalmente como producto químico intermedio para fabricar aromatizantes, perfumes, lubricantes sintéticos, productos químicos agrícolas y productos farmacéuticos (López, 2014). Ahora bien, como segundo paso se procede con el análisis espectrofotométrico cualitativo para la muestra sólida (muestra 5), cuyo espectro IR puede observarse en la imagen 2. Iniciando con el respectivo análisis de señales en escala de mayor a menor en el espectro, se observó que la primera señal evidente es el ensanchamiento del espectro entre 3000-2200 nm aproximadamente, dentro del cual se encuentran pequeños picos, en su mayoría

asemejados a sobretonos, sin embargo fue posible analizar los dos primeros. Éstos dos picos se encuentran en un rango de 3000 a 2900 nm aprox, lo cual indica la posible presencia de estiramientos O-H fuertemente quelatados o N-H en sal de amina (UNAL, s.f). Continuado con la siguiente señal evidente en el espectro, nos encontramos con una banda intensa y un poco ancha justo en el valor de 1700, la cual, al encontrarse dentro del rango de 1852-1631 nm indica la presencia de estiramientos C=O, más específicamente la posible presencia de aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y/o amidas. Posteriormente, se observa la región comprendida entre 1621-1511 nm (flexiones R-N-H) en el espectro y al ver que no se encuentran señales en dicha zona, se descarta la posibilidad de presencia de amidas en la muestra. La siguiente señal a evaluar es el pico correspondiente al rango aproximado de 1450-1400, el cual se encuentra dentro del rango de 1471-1364 nm, correspondiente a flexiones H-C-H en el plano. Siendo más específicos, esta señal puede corresponder movimientos de flexión simétrica de metilenos, mejor conocidos como movimientos de “tijera” (UNAL, s.f). Al igual que para la muestra líquida, no aparece ninguna flexión para el grupo formilo O=C-H comprendidas entre 1405-1385, por lo cual se deja de lado la posibilidad de presentar un aldehído en la estructura de la muestra a analizar. En seguida, se estudia la región del espectro comprendida entre 1361-1000 nm en la cual se encuentran estiramientos de tipo C-N y C-O (UNAL, s.f). Al observar esta sección dentro del espectro se encuentran 3 señales, específicamente dentro del rango de 1300-1170

nm, las cuales indican estiramientos C-O para ésteres en general. Después de lo anterior se encuentra la zona comprendida entre 1000-629 nm, en la cual se encuentran flexiones fuera del plano y estiramientos C-X (UNAL, s.f). Para la muestra específicamente, se ubica una banda medianamente ancha en un rango aproximado de 940-880 nm, el cual corresponde justo con la flexión O=C-OH característica de los ácidos carboxílicos dímeros, por tanto, y teniendo en cuenta que otra característica de estos ácidos es que las señales de ésteres también les aplican, se entiende que la muestra se trata de un ácido carboxílico dímero. Con la característica anterior ya definida y teniendo en cuenta que la muestra se encontraba sólida a condiciones ambientales, se procedió a realizar la búsqueda en la lista de compuestos proporcionada para lograr identificar el compuesto al que correspondía dicha muestra. De esta búsqueda se llegó primero al ácido fumárico, el cual fue descartado debido a que presenta un alqueno tipo trans, y durante el análisis de la muestra no hubo señales de éste grupo funcional. Luego, restaron únicamente el ácido malónico y el ácido sebácico, de los cuales el ácido malónico fue descartado ya que en su espectro IR se presentan señales por arriba de 3000 que la muestra en ningún momento generó, por tanto, finalmente se llegó a la conclusión de que la muestra correspondía a ácido sebácico. Imagen 5: Estructura molecular del ácido Sebácico

Imagen 6: Espectro infrarrojo del ácido Sebácico

Al hacer la comparación entre el espectro teórico y el de la muestra, es evidente que existen variaciones, la más evidente se encuentra en la primera sección, ya que en el IR de la muestra problema más ancha y menos intensa. Esta variación pudo darse por presencia de humedad en la muestra a la hora de tomar el infrarrojo, ya que las interferencias por agua suelen mostrarse en esa sección. El ácido sebácico, también conocido como ácido decanedioico, es un alfa, omega-dicarboxílico de cadena carbonada lineal y natural con 10 átomos de carbono que es el derivado 1,8-dicarboxílico del octano, cuya fórmula química es C10H18O4; Dentro de sus HOOC(CH2)8COOH. características se encuentra que es e s un polvo

4. Conclusiones ●

A partir de las bandas presentadas en el espectro infrarrojo para la muestra problema en estado líquido (34) se puede concluir que ésta equivale al ácido valérico.

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Teniendo en cuenta las bandas presentadas en el espectro infrarrojo para la muestra problema en estado sólido (5) es posible concluir que ésta muestra corresponde al ácido sebácico.

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Es de gran importancia considerar la presencia de posibles interferencias o contaminantes en la muestra problema puesto que éstas distorsionan la lectura del espectro infrarrojo. Es por esto que es indispensable diferenciar entre las bandas correspondientes a interferencias de aquellas características de la muestra.

5. Bibliografía

granular blanco, con un punto de fusión 67°C y ligeramente soluble en agua (PubChem, s.f.).. 

Akerma (s.f.). Bio-Based Sebacic acid. Recuperado el 28 de octubre de 2019, del sitio web Akerma.com: https://www.arkema.com/en/products/product-f inder/product-viewer/Oleris-Bio-BasedbrSebac ic-acid/

Este compuesto tiene varias aplicaciones. Por ejemplo, es utilizado para la producción de polímeros; se usa en la industria para producir plastificantes, lubricantes y retardadores de corrosión; y es práctico en la industria cosmetiquera ya que funciona como ingrediente amortiguador o como producto químico intermedio para producir una amplia gama de ésteres (Akerma, s.f.).

Chemistry libre texts (2019). Infrared Spectroscopy. Recuperado el 27 de octubre de 2019, del sitio web Chem.libretexts.org: https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physic al_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Map s/Supplemental_Modules_(Physical_and_Theo retical_Chemistry)/Spectroscopy/Vibrational_S pectroscopy/Infrared_Spectroscopy López, M. (2014). “Ácido Valérico”. Salud Omega 3. Recuperado de: https://saludomega3.com/acidos-grasos/acido-v alerico/.

PubChem (s.f.). Sebacic acid. Recuperado el 28 de octubre de 2019, del sitio web PubChem.ncbi.nlm.nih.gov: https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/S ebacic-acid S.Matsuyama, S.Kinugasa, T.Tamura. (s.f). “Spectral Organic Compounds, SDBS”.

K.Tanabe y Database for

Universidad Nacional de Colombia. (s.f). “Tabla de correlaciones de espectroscopía en el infrarrojo”. Facultad De Ciencias. Departamento de Química. Material complementario.

6. Firmas

____________________________ Laura Angélica Martínez. ID:0000160042.

______________________________ Paula Andrea Arenas. ID:0000162013....