Grupos funcionales orgánicos: bandas IR y desplazamientos RMN

Espectroscopia Infrarroja (IR): Identificación de Grupos Funcionales

La espectroscopia IR es una herramienta fundamental para la identificación de grupos funcionales en moléculas orgánicas, basándose en las vibraciones características de sus enlaces.

Alcanos

• C−C: Región de la huella dactilar (1500-400 cm⁻¹).
• C(sp³)−H: Banda ancha de tensión entre 3000-2850 cm⁻¹.
• CH₂: Flexión a 1460 cm⁻¹. Si aparece otra banda a 720 cm⁻¹, indica una molécula lineal con más de 4 átomos de carbono.
• CH₃: Flexión simétrica a 1380 cm⁻¹. Si esta banda está presente, la molécula es lineal; de lo contrario, puede ser cíclica.
• Es importante recordar que no todas las bandas pueden aparecer en el espectro.

Alquenos

• C(sp²)−H: Banda de tensión entre 3100-3000 cm⁻¹, por encima de la banda base C−H.
• C=C: Si aparece una banda a 1640 cm⁻¹ (tensión C=C), el alqueno es simétrico o tiene sustituyentes similares.
• Flexión fuera del plano (oop): Bandas entre 1000-700 cm⁻¹, cuya forma depende del pico. Si es un pico doble y el de la izquierda es más fuerte, sugiere un ciclo.

Alquinos

• C(sp)−H: Banda intensa de tensión entre 3400-3300 cm⁻¹ (puede ser casi inapreciable en algunos casos).
• C≡C: Banda poco intensa y aguda de tensión entre 2200-2100 cm⁻¹.
• Deformación: Banda intensa y ancha entre 700-600 cm⁻¹ (puede estar presente o no).
• Armónico: Conjunto de bandas entre 1370-1220 cm⁻¹.

Anillos Aromáticos

Similar a los alquenos, pero con características distintivas:

• C=C: Bandas de tensión de enlace doble a 1600, 1500 y 1400 cm⁻¹.
• Flexión fuera del plano (oop): Bandas entre 1000-700 cm⁻¹, cuya forma depende del pico y la sustitución:
  • Doble banda (o no) >735 cm⁻¹: Anillo monosustituido.
  • Banda 770-735 cm⁻¹: Benceno orto-sustituido.
  • Doble banda en el rango 811-750 cm⁻¹ y 725-680 cm⁻¹: Benceno meta-sustituido.
  • Banda 860-780 cm⁻¹: Benceno para-sustituido.
• Bandas de combinación: Entre 2000-1700 cm⁻¹, varían según la disposición de los sustituyentes y pueden no estar presentes.

Alcoholes

• O−H: Banda ancha de tensión entre 3600-3300 cm⁻¹.
  • <3600 cm⁻¹: O−H libre.
  • 3600-3450 cm⁻¹: O−H con enlace de hidrógeno débil.
  • 3450-3350 cm⁻¹: O−H con enlace de hidrógeno moderado.
  • >3350-3300 cm⁻¹: O−H con enlace de hidrógeno fuerte.
• Deformación: Bandas entre 1450-1200 cm⁻¹, no muy intensas, anchas y con varios picos.
• C−O: Banda (sola o doble) de tensión intensa entre 1250-1000 cm⁻¹, cuya posición depende de los sustituyentes:
  • Cercana a 1000 cm⁻¹: Sin sustituyentes.
  • Cercana a 1100 cm⁻¹: Con algún sustituyente.
  • Cercana a 1200 cm⁻¹: Con varios sustituyentes.
• Banda adicional (posible): Poco intensa y aguda entre 2200-2100 cm⁻¹, puede verse o no.

Éteres

• C−O: Banda de tensión entre 1200-1100 cm⁻¹ (éter dialquílico), con dos vibraciones acopladas debido a los dos sustituyentes (una simétrica y otra asimétrica).
• Para éteres vinílicos (ej. etil vinil éter), pueden observarse bandas a 1200 cm⁻¹ y 850 cm⁻¹. (Consultar sección de alquenos para bandas adicionales).

Aminas

• N−H: Banda de tensión entre 3500-3300 cm⁻¹, que aparece después de las bandas de alcanos o alquenos. Su intensidad es variable (fuerte en aminas aromáticas). Si aparecen dos picos, indica la presencia de un grupo NH₂ (amina primaria).
• La banda es más ancha que la de C=C. Las aminas primarias (NH₂) muestran dos bandas, y las aminas aromáticas son muy intensas.
• Flexión N−H: Entre 1650-1550 cm⁻¹.
• C−N: Bandas en la región de la huella dactilar.

Compuestos Carbonílicos (C=O)

Los compuestos con grupo carbonilo presentan una banda característica de tensión C=O, cuya posición varía según el entorno químico.

• C=O: Bandas agudas de tensión entre 1830-1650 cm⁻¹. Por ejemplo, la acetona presenta una banda a 1714 cm⁻¹.
  • Halógeno unido al carbono (grupo atractor): Aumento de la frecuencia (ej. >> 1830 cm⁻¹).
  • Oxígeno unido al carbono: Banda entre 1750-1735 cm⁻¹ (efecto inductivo).
  • Anillo unido al carbono: Disminución de la frecuencia.
  • Nitrógeno unido al carbono: Banda entre 1690-1650 cm⁻¹ (amidas).
  • Ciclopentanona: Mayor frecuencia.
• Sobretono de tensión C=O: Banda leve entre 3700-3300 cm⁻¹.
• Flexión C−CO−C: Banda posible en torno a 1220 cm⁻¹.

Aldehídos

• C=O: Banda aguda de tensión entre 1740-1720 cm⁻¹.
• Sobretono de tensión C=O: Banda leve entre 3700-3300 cm⁻¹.
• C−H (aldehídico): Dos bandas características acopladas a las de alcanos o alquenos, entre 2850-2750 cm⁻¹ (tensión C−H del carbonilo). (Consultar secciones de anillos aromáticos, alquenos o alcanos para bandas adicionales).

Ácidos Carboxílicos

• O−H:
  • Forma libre: Banda ancha ("montaña") en torno a 3500 cm⁻¹ (tensión O−H).
  • Forma dímera: Banda ancha en torno a 3300-2500 cm⁻¹ (tensión O−H).
• C=O:
  • Forma libre: Banda a 1760 cm⁻¹ (tensión C=O).
  • Forma dímera: Banda a 1710 cm⁻¹ (tensión C=O).
• C−O: Banda de tensión entre 1300-1100 cm⁻¹.
• Flexión C−O−H: Banda posible ("montaña") en torno a 935 cm⁻¹.

Ésteres

• C=O: Banda aguda de tensión entre 1750-1735 cm⁻¹.
• C−O: Dos o más bandas de tensión, generalmente por encima de 1200 cm⁻¹.

Anhídridos

• C=O: Dos bandas de tensión: una simétrica entre 1770-1870 cm⁻¹ y una asimétrica entre 1720-1800 cm⁻¹.
• C−O: Bandas intensas y numerosas entre 1300-900 cm⁻¹.

Haluros de Ácido

• C=O: Altas frecuencias, en torno a 1800 cm⁻¹ (tensión C=O).
• C−X: Bandas en la región de la huella dactilar, en torno a 600 cm⁻¹. (Presentan propiedades similares a los alcanos en otras regiones del espectro).

Resonancia Magnética Nuclear (RMN): Desplazamientos Químicos y Patrones

La RMN de protón (¹H-RMN) proporciona información crucial sobre el entorno químico de los hidrógenos en una molécula, a través de sus desplazamientos químicos y patrones de acoplamiento.

Desplazamientos Químicos Típicos (ppm)

• Ácidos Carboxílicos: 10-12 ppm.
• Aminas Primarias: 1-3 ppm.
• Protones en C-O (alifáticos): ~2 ppm.
• Aromáticos: 6-8 ppm.
• Aldehídos: 9-10 ppm.
• Alcanos: 2-4 ppm (rango general).
• Alquenos: 5-6 ppm.

Efecto Inductivo en Desplazamientos Químicos

• Protones adyacentes a oxígeno: Aumento de +2.5 ppm.
• Protones adyacentes a oxígeno de éster: Aumento de +3 ppm.
• Protones adyacentes a C=O: Aumento de +1 ppm.

Desplazamientos Típicos de Protones Alifáticos

• CH: 1.7 ppm.
• CH₂: 1.2 ppm.
• CH₃: 0.9 ppm.

Reconocimiento de Patrones por Integración

• Grupo Etilo: Señales con integración de 2H y 3H.
• Grupo Isopropilo: Señales con integración de 1H y 6H.
• Grupo Terc-butilo: Señal con integración de 9H.

Metodología para la Interpretación de Espectros RMN

1. Calcular el número de insaturaciones: Si hay muchas, es probable la presencia de un anillo aromático.
2. Observar el número de señales y su integración.
3. Analizar cada señal individualmente y representar los grupos funcionales compatibles.
4. Ensamblar los fragmentos para proponer una estructura molecular.