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  2. Química orgánica  2.1. Mecanismo de reacción  2.1.1. Reacciones de sustitución nucleofílica  2.1.2. Reacciones de adición y sustitución electrofílica  2.1.3. Reacciones de eliminación  2.1.4. Reacciones de reordenamiento  2.1.5. Reacciones radicales  2.1.6. Reacciones Pericíclicas  2.1.7. Reacciones fotoquímicas  2.2. Estereoscópico  2.2.1. Quiralidad y actividad óptica  2.2.2. Análisis estructural  2.2.3. Efectos estereolectrónicos  2.2.4. Síntesis asimétrica  2.2.5. Estereoquímica dinámica  2.3. Química Organometálica en la Síntesis Orgánica  2.3.1. Reactivos de organolitio y organomagnesio  2.3.2. Reacciones de acoplamiento catalizadas por metales de transición  2.3.3. Reacciones catalizadas por paladio  2.3.4. Metátesis de olefinas  2.3.5. Catalización de oro y plata  2.4. Química de productos naturales  2.4.1. Alcaloides y terpenoides  2.4.2. Esteroides y Flavonoides  2.4.3. Síntesis total de productos naturales  2.4.4. Biosíntesis de productos naturales  2.5. Química Supramolecular  2.5.1. Química huésped-invitado  2.5.2. Autoensamblaje y reconocimiento molecular  2.5.3. Catalisis Supramolecular  2.5.4. Máquinas moleculares
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Espectroscopía y estructura molecular


Introducción

La espectroscopía es una técnica científica que utiliza la interacción de la luz con la materia para estudiar las propiedades de diversas sustancias. Es un aspecto importante de la química física y ayuda a comprender la estructura molecular y la dinámica de las moléculas. La idea básica detrás de la espectroscopía se basa en la absorción, emisión o dispersión de radiación electromagnética por átomos o moléculas.

Fundamentos de la espectroscopía

La espectroscopía se basa en el principio de que los átomos y moléculas pueden absorber o emitir radiación electromagnética de longitudes de onda específicas. Estas interacciones dependen de los niveles de energía de los electrones dentro de los átomos. Cuando los átomos o moléculas absorben luz, los electrones se excitan de un nivel de energía inferior a un nivel de energía superior. Por el contrario, cuando emiten luz, se mueven de un nivel de energía superior a un nivel de energía inferior.

Radiación electromagnética

Para comprender el concepto de espectroscopía, es importante entender la radiación electromagnética. La radiación electromagnética consiste en ondas, que se caracterizan por su longitud de onda, frecuencia y energía. La relación entre estas propiedades puede describirse mediante las siguientes ecuaciones:

c = λν

donde c es la velocidad de la luz, λ es la longitud de onda y ν es la frecuencia.

La energía de la radiación se da por:

E = hν

donde h es la constante de Planck.

Niveles de energía en átomos y moléculas

En ambos, átomos y moléculas, los niveles de energía están cuantizados, lo que significa que están limitados a ciertos valores discretos. Estos niveles de energía se obtienen de soluciones de la ecuación de Schrödinger y determinan cómo interactúan los átomos y moléculas con la radiación electromagnética.

Tipos de espectroscopía

Espectroscopía infrarroja (IR)

La espectroscopía infrarroja se ocupa de la región infrarroja del espectro electromagnético (longitudes de onda más largas que la luz visible pero más cortas que las microondas). Proporciona información sobre las vibraciones de los átomos en una molécula y, por lo tanto, puede utilizarse para identificar grupos funcionales dentro de una molécula.

Considere una molécula diatómica simple (AB). Esta molécula tiene modos de vibración que pueden describirse como sigue:

AB <==> AB (enlace vibrante)

En el espectro IR, los modos de vibración se observan basándose en la absorción de luz infrarroja.

Espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis)

La espectroscopía UV-Vis involucra la absorción de luz ultravioleta o visible por electrones en una molécula, lo que causa transiciones electrónicas entre diferentes niveles de energía. Este tipo de espectroscopía es particularmente útil para estudiar sistemas conjugados y transiciones electrónicas en metales y complejos.

Ejemplo: El espectro UV-Vis del benceno muestra bandas de absorción debido a transiciones π → π* de su sistema conjugado de electrones pi.

Espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN)

La espectroscopía RMN es una herramienta poderosa para elucidar la estructura de compuestos orgánicos. Se basa en la interacción de los núcleos atómicos con campos magnéticos externos y radiación de radiofrecuencia. Los núcleos más comunes estudiados en RMN son 1H y 13C.

Ejemplo: El espectro de RMN de protons 1H proporciona información sobre el número y el entorno de los átomos de hidrógeno, tales como corrimientos químicos, patrones de desdoblamiento y constantes de acoplamiento.

Espectrometría de masas

Aunque no es una forma de espectroscopía en el sentido tradicional, la espectrometría de masas se utiliza a menudo junto con técnicas espectroscópicas. Esto implica ionizar compuestos químicos para producir moléculas cargadas y medir su relación masa-carga. Esta información ayuda a determinar el peso molecular y la estructura de un compuesto.

Determinación de la estructura molecular

La espectroscopía es integral en la determinación de estructuras moleculares. Cada tipo de espectroscopía proporciona diferentes piezas del rompecabezas, ayudando a los científicos a inferir la estructura completa de una molécula. Veamos cómo estas técnicas ayudan a identificar y confirmar estructuras moleculares.

Espectroscopía IR y grupos funcionales

La espectroscopía IR es particularmente efectiva para identificar grupos funcionales dentro de una molécula. Cada grupo funcional tiene un rango de absorción específico:

  • Alcoholes (estiramiento OH): 3200-3600 cm -1
  • Carbonilo (estiramiento C=O): 1700-1750 cm -1
  • Alquenos (estiramiento C=C): 1600-1680 cm -1

Espectroscopía RMN y elucidación estructural

La espectroscopía RMN proporciona información extensa sobre el entorno local de un núcleo (por ejemplo, H +, 13C). Los desplazamientos químicos indican el entorno electrónico, mientras que la multiplicidad proporciona información sobre el número de átomos vecinos. Los patrones de apareamiento definen la alineación espacial de los átomos dentro de una molécula.

Espectroscopía UV-Vis y sistemas conjugados

La espectroscopía UV-Vis es óptima para investigar sistemas conjugados como aromáticos. Al examinar la longitud de onda e intensidad de las bandas de absorción, se puede estimar el grado de conjugación y transiciones electrónicas en el compuesto.

Técnicas complementarias: espectrometría de masas

La espectrometría de masas proporciona información sobre la masa molecular, lo que complementa los datos espectrales obtenidos de otras técnicas. Los patrones de fragmentación dentro del espectro de masas ayudan a elucidar la estructura al revelar cómo una molécula se descompone en sus componentes.

Visualización de espectros

Bandas de absorción

La vista anterior muestra una banda de absorción hipotética en el espectro IR. Esta banda corresponde a un modo de vibración particular de un grupo funcional en la molécula de muestra.

Aplicaciones en la investigación y la industria

La espectroscopía no se limita a la investigación académica, sino que también se extiende a diversas aplicaciones industriales, como la farmacéutica para la caracterización de medicamentos, el monitoreo ambiental para la detección de contaminantes y la ciencia de materiales para el análisis estructural.

Avances y direcciones futuras

Recientes avances en espectroscopía han permitido aumentar la sensibilidad y precisión. Técnicas como la espectroscopía de tiempo-resuelto o ultrarrápida permiten a los científicos estudiar la dinámica molecular y las reacciones en tiempo real. Además, la integración del aprendizaje automático y la inteligencia artificial en el análisis espectral promete revolucionar la forma en que se interpreta la información espectroscópica.

Conclusión

La espectroscopía es una herramienta importante en el campo de la química y más allá. Su capacidad para revelar la estructura molecular y la dinámica ha allanado el camino para muchos avances científicos. A medida que la técnica se desarrolla, la espectroscopía continuará ampliando su alcance, proporcionando conocimientos más profundos sobre el mundo molecular.


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