Métodos espectroscópicos (programa e conteúdo)
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Q U Í M I C A O R G Â N I C A II Métodos espectroscópicos Alfredo J. M. Cravador Q U Í M I C A O R G Â N I C A II Métodos espectroscópicos Alfredo J. M. Cravador FARO 2001 NOTA PRELIMINAR Este texto não constitui uma abordagem completa e exaustiva dos métodos espectroscópicos. Deve antes ser considerado como um guia de orientação para o estudo dos quatro métodos mais correntemente utilizados em Química Orgânica para elucidar as estruturas das moléculas. Não pretende substituir-se de modo algum às excelentes obras existentes sobre esta matéria. O aluno é pois aconselhado a consultar a bibliografia apropriada, para poder alargar e aprofundar o conhecimento dos espectroscópicos aplicados à determinação estrutural das moléculas orgânicas. i métodos ÍNDICE Página O espectro das radiações electromagnéticas 1 Espectroscopia do infravermelho 2 Absorvências características em infravermelho 5 Espectroscopia do ultravioleta 15 Espectroscopia de RMN 20 Espectrometria de massa 33 ii MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS Existe actualmente uma série de instrumentos sofisticados que permitem identificar as moléculas orgânicas. Eles permitem "ver" os componentes de uma molécula, a partir dos quais se pode deduzir a sua estrutura completa. Ver, não tem neste caso o mesmo significado que uma observação microscópica clássica que envolve a luz visível. Os meios que permitem ao químico olhar para os átomos e as ligações recorrem em geral a radiações de outros comprimentos de onda: infravermelho, ultravioleta, micro-onda, radio, raios X, e também visível. Estes tipos de análise instrumental estão habitualmente compreendidos sob a designação geral de espectroscopia. No âmbito da cadeira de QO II consideraremos unicamente os métodos espectroscópicos mais frequentemente utilizados pelos químicos orgânicos: o infravermelho (IV, ou IR em inglês), a ressonância magnética nuclear (RMN, ou NMR abreviatura inglesa), o ultravioleta (UV) e a espectrometria de massa (SM, ou MS em inglês). Antes de submeter um composto a uma análise espectroscópica, é necessário separá-lo de outras substâncias que podem interferir com a análise, perturbando ou falseando a interpretação dos resultados. Muitas separações são difíceis e o seu sucesso depende frequentemente da destreza e do engenho do químico. Os métodos mais correntemente utilizados para purificar compostos orgânicos são a destilação para os líquidos e a cristalização para os sólidos. A cromatografia, que consiste geralmente na separação de substâncias baseada na sua adsorção diferencial numa superfície adsorvente líquida ou sólida é em geral a melhor técnica para as separações difíceis. Numa cromatografia, a mistura de compostos move-se na forma de fluído através duma coluna de adsorvente. Os componentes emergem da coluna a tempos diferentes e são recolhidos em fracções separadas. O equipamento moderno de cromatografia permite que cada etapa da separação seja seguida e controlada e até directamente acoplada à aparelhagem de espectroscopia. O espectro das radiações electromagnéticas Uma molécula que absorve energia fornecida por uma radiação electromagnética pode sofrer vários tipos de excitação. Esta excitação pode ser electrónica, rotacional, pode conduzir a uma mudança de orientação dos spins nucleares, a deformações de ligações etc. Se a energia cedida pela radiação electromagnética atingir a energia de ionização da molécula, pode ocorrer ionização e um electrão é ejectado. Visto cada um destes modos de excitação necessitar duma quantidade de energia bem definida, as absorções correspondentes aparecerão em regiões diferentes do espectro electromagnético (Fig. 1). O espectro electromagnético Fig. 1 1 Sempre que uma molécula é excitada e passa de um estado de energia inferior a um estado de energia superior, por absorção duma radiação electromagnética, a frequência desta radiação é fornecida pela relação: E = h na qual E é a energia absorvida e h a constante de Planck. Pode-se expressar esta relação em função do comprimento de onda , tendo em conta a igualdade: = c/ Obtém-se: E = h = hc/ Em que é o comprimento de onda e c a velocidade da luz. O número de onda n, é frequentemente preferido ao comprimento de onda, devido aos seus valores numéricos mais práticos. n = 1/ Se for expresso em cm n é-o em cm-1. Como aparece no quadro, os domínios do ultravioleta e do infravermelho estão subdivididos em sub-regiões. A relação E = hc/ mostra que a energia de excitação é inversamente proporcional ao comprimento de onda; assim, no quadro os comprimentos de onda aumentam da esquerda para a direita e por conseguinte as energias diminuem. Para energias superiores - comprimentos de onda inferiores - às do ultravioleta, a energia fornecida pode ser suficiente para provocar a ionização da molécula ou até modificações nucleares. É importante recordar que cada tipo de excitação exige uma quantidade discreta de energia, porque todos estes fenómenos são quantificados. Uma radiação de frequência particular e bem definida é absorvida para cada transição. A interpretação dum espectro de absorção consiste em atribuir cada absorção de energia à presença de características estruturais particulares na molécula. Os dados fornecidos pelos espectros de absorção, se bem que muito úteis, nem sempre são suficientes para permitir uma determinação correcta e completa da estrutura das moléculas estudadas. São, na realidade, utilizados quase sempre conjuntamente com resultados de origem puramente química. ESPECTROSCOPIA DO INFRAVERMELHO A radiação infravermelho refere-se à região do espectro electromagnético compreendida entre o visível e a micro-onda. Estudaremos a região dos comprimentos de onda que se estendem de 4000 a 621cm -1, que é a região mais frequentemente utilizada pelos químicos orgânicos para as determinações estruturais. A radiação infravermelho de frequência inferior a 100 cm-1 é absorvida e convertida por uma molécula orgânica em energia de rotação molecular. Esta absorção é quantificada; assim um espectro de rotação molecular é composto de linhas discretas. A radiação infravermelho na escala de cerca de 10.000-100 cm-1 é absorvida e convertida por uma molécula orgânica em energia de vibração molecular. Esta vibração é, também, quantificada, mas o espectro de vibração aparece na forma de bandas e não de linhas porque uma modificação simples de energia vibracional é acompanhada por uma série de modificações de energia rotacionais. E vib E rot A existência de subníveis rotacionais associados aos níveis vibracionais explica o fenómeno de alargamento das bandas de absorvência em IV. 2 São estas bandas de vibração-rotação, em particular as compreendidas entre 4000 e 621 cm-1, que nos interessam. A frequência do comprimento de onda da absorção depende das massas relativas dos átomos, das constantes de força das ligações e da geometria dos átomos. Existem dois tipos de vibrações moleculares: a elongação (stretching em inglês) e a flexão (bending). Uma vibração de elongação é um movimento rítmico ao longo do eixo da ligação, fazendo aumentar ou diminuir a distância. Uma vibração de flexão pode consistir numa alteração nos ângulos de ligação entre ligações com um átomo comum, ou no movimento dum grupo de átomos em relação ao resto da molécula, sem movimento dos átomos uns em relação aos outros dentro do grupo (Fig. 2). Fig. 2 Modos de vibração. A região entre 4.000 e 1.200 cm-1 é frequentemente designada por região dos grupos funcionais porque a maioria dos grupos funcionais de interesse para os químicos orgânicos possuem características e absorvências relativamente invariáveis àqueles comprimentos de onda. A presença de um pico de absorvência na região de grupo funcional dum espectro IV é quase sempre uma indicação de que um grupo funcional particular está presente no composto. De maneira análoga a ausência de uma banda num sítio específico da região dos grupos funcionais significa que aquele grupo particular que absorve naquela região não está presente. A fig. 3 (a, b e c) ilustra o espectro dum aldeído (a), duma cetona (b) e dum ácido carboxílico (c). As bandas absorvendo fortemente entre 1700 e 1750 cm -1 são características da frequência de stretching da ligação dupla carbono-oxigénio (C=O). 3 Fig. 3. Espectros IV do propanal (a), da acetona 2-propanona, (b) e do ácido propanóico (c). A região do espectro infravermelho, a frequências abaixo de 1600 cm-1, apresenta geralmente um grande número de picos. Para além de algumas vibrações características do stretching de ligação simples, existe um grande número de picos associados a vibrações moleculares de bending, assim como de certas combinações e sobreposições de vibrações. Demasiadas bandas estão habitualmente presentes que dificultam uma interpretação completa. Esta zona espectral é contudo muito útil para a análise final da amostra. As bandas são bastante características dum 4 composto particular, de maneira que esta região do espectro é correntemente designada por região de fingerprint. Os espectros representados na fig. 3 mostram a complexidade da região do fingerprint. O espectro IV pode ser registado a partir de amostras sólidas, líquidas ou gasosas. Uma característica importante do método é que as amostras são mantidas em células habitualmente constituídas por cristais salinos. O vidro não é transparente à radiação infravermelha. O cloreto de sódio (NaCl) é o material mais correntemente utilizado nas células. Cristais grandes de NaCl são clivados a fim de fornecerem placas que se assemelham a um vidro transparente. É naturalmente muito importante que as amostras não contenham sequer vestígios de água. Absorvências características em infravermelho Os espectros infravermelhos dos compostos orgânicos são geralmente demasiado complexos para que seja possível realizar uma análise completa, a qual pode ser efectuada por complementação com a espectroscopia de RMN. Contudo, obtém-se informação muito útil examinando as frequências características de grupo - as bandas de absorção que são típicas de grupos funcionais específicos. Foram compiladas as correlações entre as frequências características de grupo e a natureza desse grupo, a partir dos espectros infravermelho dum grande número de compostos. Existem tabelas que estabelecem listas de bandas de absorvência de grande utilidade para a análise dos compostos orgânicos. Praticamente todos os compostos orgânicos têm algumas bandas de absorvência entre 2800 e 3300 cmporque esta é a região das frequências características do stretching C-H. Se bem que haja pequenas diferenças segundo que o átomo de hidrogénio está ligado a um carbono saturado ou a um insaturado, a região é geralmente de utilidade limitada em análise de rotina. 1, As frequências de stretching O-H dos álcoois originam grandes bandas de absorvência na região 3.200-3.600 cm-1. Um grupo hidroxílico livre origina um pico agudo a cerca de 3.600 cm-1, e o pico largo que se observa habitualmente é o resultado de interacções da ligação hidrogénio. Quando o grupo hidroxílico faz parte dum grupo ácido carboxílico, observa-se uma banda muito larga na região 2.500-3.600 cm-1. Em combinação com a frequência do stretching do carbonilo a cerca de 1.710 cm-1, obtém-se informação característica dos ácidos carboxílicos (fig. 3c). A região entre 1.900 e 2.500 cm-1 é geralmente destituída de picos de absorvência. As absorvências mais comuns que aparecem nesta região correspondem às frequências de stretching de ligação tripla dos alcinos e dos nitrilos a 2.100-2.200 cm-1. Assim, o 1-hexino (fig. 4) possui uma frequência de stretching a 2.120 cm-1, característica de ligação tripla. Também se observa a absorvência a 3.320 cm-1 do stretching de alcino (C-H), distintamente separada das bandas de alcano C-H entre 2.800 cm-1 e 3.000 cm-1. Na região do fingerprint o pico acerca de 1450 cm-1 é típica dum bending de metilo, e a banda situada a 650 cm-1 foi atribuída a um bending à volta do grupo alcino. As absorvências características associadas a ligações duplas são geralmente consideradas como tendo maior valor de identificação. Vimos que as frequências do stretching carbono-oxigénio de todos os grupos carbonilos se encontram na região 1.650-1.850 cm-1. As pequenas diferenças de posição podem ser utilizadas para diferenciar tipos de grupo carbonilo. Por exemplo, uma cetona simples tem uma frequência de stretching de carbonilo a 1.705-1.725 cm-1 (fig. 3b), e a absorvência de um carbonilo de aldeído situa-se a 1.730-1.740 cm-1 (fig. 3a). Quando as duas bandas fracas originadas pelo stretching C-H aldeídico aparecem na região 2.700-2.900 cm-1, a identificação é geralmente óbvia. Um átomo electronegativo ligado ao grupo carbonilo conduz habitualmente a um desvio da absorvência para frequências mais elevadas. Os ésteres absorvem na região 1.730-1.750 cm-1 e os cloretos de acilo originam um pico característico a 1.770-1.815 cm-1. Os anidridos ácidos originam sempre dois picos na região 1.740-1.850 cm-1 (fig. 5). O espectro do anidrido propanóico (fig. 5) também ilustra a absorvência de stretching C-O, típica acerca de 1.100 cm-1. 5 Fig. 4. Espectro IV do 1-hexino. Fig. 5. Espectro IV do anidrido propanóico. A tensão de anel nas cetonas cíclicas desloca a frequência de stretching do grupo carbonilo para valores mais elevados de energia. A análise IV permite fazer uma diferenciação bastante segura entre cetonas cíclicas de 4-, 5-. e 6 membros. As frequências de stretching de ligação dupla carbono-carbono dos alcenos situam-se entre 1.620 e 1.680 cm-1. A banda de absorvência é geralmente fraca, e em alguns casos pode não ser detectada. Os alcenos simetricamente substituídos não apresentam normalmente um pico de absorvência nesta região. Os picos de absorvência nos alcenos terminais e conjugados são em geral bem característicos. Os modos de bending C-H que aparecem na região de fingerprint do espectro dum alceno são geralmente muito úteis para a análise. Os isómeros Z e E originam posições muito diferentes para os picos. No espectro dos 4-4dimetil-2-penteno (fig. 6) o isómero Z tem uma absorvência característica a cerca de 710 cm-1 e o isómero correspondente E a 970 cm-1. 6 Fig. 6. Espectros IV do Z 4-4-dimetil-2-penteno (a) e do E 4-4-dimetil-2-penteno (b). Os compostos aromáticos originam tipicamente uma série de picos entre 1.400 e 1.600 cm-1. Os picos fornecem um fingerprint típico, mas em geral não podem ser utilizados para uma análise de identificação inicial. Existem no entanto alguns picos muito úteis que ocorrem na região cm-1: estas absorvências, resultantes do bending C-H do ciclo aromático, são geralmente utilizadas para estabelecer padrões de substituição nos ciclos aromáticos. Os espectros do tolueno (metilbenzeno), do o-xileno (1,2-dimetilbenzeno), do m-xileno (1,3-dimetilbenzeno) e do p-xileno (1,4-dimetilbenzeno) são ilustrativos (fig. 7a, 7b, 7c e 7d). (a) 7 (b) Fig. 7. Espectros IV do tolueno (a), do o-xileno (b), do m-xileno (c) e do p-xileno (d). A fig. 8 mostra as regiões correspondentes às frequências características de absorvência de diferentes grupos de átomos correntemente presentes nas moléculas orgânicas. 8 Figura 8. Frequências características de grupos. A posição das bandas de absorvência estão indicadas por uma letra que informa sobre a intensidade média. As regiões de absorvências intensas estão indicadas por um traço carregado. Por exemplo, um composto aromático mono-nuclear mono-substituído pode ter quatro bandas entre 1.400 e 1.650 cm-1, três de intensidade média e uma fraca. 9 10 11 12 13 Fig. 9. Diagrama esquemático dum espectrofotómetro de infravermelho de feixe duplo clássico. O separador de feixe permite que a radiação passe alternativamente através da célula da amostra e da célula do solvente para atingir o termopar. Este procedimento permite medir a diferença entre soluto e solvente, na forma de uma corrente eléctrica alternativa, a partir do termopar. O espectro pode ser escrutinado a vários comprimentos de onda graças a um prisma em rotação, em sincronização com o registador. A radiação infravermelha é produzida por um filamento constituído por um ligante e óxidos de zircónio, de tório e de cério, aquecido electricamente a 1.000-1.800º C. ESPECTROSCOPIA DO ULTRAVIOLETA A absorvência molecular nas regiões do espectro do ultravioleta (UV) e do visível (Vis) depende da estrutura electrónica da molécula. A absorvência da energia desta radiação electromagnética é quantificada e provoca a transferência de electrões de orbitais de energia mais baixa, correspondente ao estado fundamental para orbitais de energia mais elevada correspondentes a um estado excitado. Os comprimentos de onda na região do UV expressamse em nanómetros (1 nm = 10-7 cm). A região do UV de interesse prático para a química orgânica situa-se entre 200 e 400 nm de comprimento de onda e a do visível estende-se dos 400 nm até aos 800 nm. Estas regiões correspondem a níveis de energia característicos da excitação de electrões e de electrões não emparelhados n e na prática limitam-se 14 a sistemas conjugados. Há contudo uma vantagem na selectividade da absorvência UV: alguns grupos característicos podem ser identificados em moléculas complexas. Uma parte importante duma molécula relativamente complexa pode ser transparente à radiação ultravioleta, o que torna possível obter um espectro semelhante ao de uma molécula muito mais simples. Assim o espectro da hormona masculina testosterona assemelha-se ao espectro do 4-metilpent-3en-2-ona (óxido de mesitilo). A absorvência provem da estrutura conjugada da enona dos dois compostos. OH CH 3 C CH 3 C H C O CH 3 O testosterona 4-metilpent-3-en-2-ona Energia de absorvência e excitação electrónica A energia total duma molécula é a soma das suas energias electrónica , de vibração, de rotação e de translação (Et = Eel + Ev + Er + Etr). O valor destas energias decresce segundo a ordem seguinte: Eel >Ev > Er > Etr. A energia absorvida na região UV provoca modificações na energia electrónica da molécula, que são o resultado de transições dos electrões de valência da molécula. Estas transições consistem na excitação de um electrão de uma orbital molecular preenchida (geralmente uma orbital p não ligante ou uma orbital ligante) para a orbital de energia imediatamente superior (uma orbital anti-ligante * ou uma orbital anti-ligante *). O conceito de orbital anti-ligante pode ser explicado simplesmente considerando a absorvência ultravioleta do etileno. A ligação dupla do etileno, no estado fundamental, consiste num par de electrões ligantes e num par de electrões ligantes. Ao absorver uma radiação UV perto de 165 nm, um dos electrões sobe para a orbital de energia superior mais próxima, uma orbital anti-ligante *. As orbitais ocupadas pelo electrão no estado fundamental e no estado excitado estão representadas na fig. 10. Os volumes sombreados indicam regiões de densidade electrónica máxima. Pode-se constatar que o electrão anti-ligante pouco contribui para a constante de força da ligação C-C. Com efeito, ele contrapõem-se ao poder ligante do electrão restante, não excitado. A ligação dupla tem um carácter de ligação simples considerável no estado excitado. H H H H transição H H H H (b) Orbital anti-ligante (a) Orbital ligante Ambos os electrões Um electrão na orbita ligante ocupam a orbital ligante e um na orbital anti-ligante Fig 10. Orbitais e *. Uma orbital ligante tem um plano nodal no plano da molécula. Uma orbital * anti-ligante tem um plano nodal adicional perpendicular ao eixo da ligação C-C. Quando duas ou mais ligações duplas existem numa molécula, separadas umas das outras por pelo menos um grupo metileno CH2 , a molécula absorve à mesma frequência que uma molécula contendo uma única ligação dupla. A intensidade da absorvência é proporcional ao número de ligações duplas isoladas. Os alenos, nos quais os grupos alcénicos estão adjacentes, apresentam uma banda forte de absorvência na região do UV longínquo perto de 170 nm, com uma saliência a comprimento de onda mais elevado. As ligações duplas dos alcenos simples consistem em dois níveis de energia (2 orbitais ), um ligante e outro anti-ligante. Nos dienos conjugados, tais como o 1,3-butadieno quando a coplanaridade o permite, existe uma sobreposição efectiva das orbitais , que dá origem a um sistema conjugado - (I). Esta sobreposição da interacção resulta na criação de dois novos níveis de energia no butadieno (II). 15 C C C 165 nm C 217 nm C C C (I) C C C (II) E = h * Os grupos carbonilo possuem características de absorvência associadas com os electrões não ligantes do átomo de oxigénio. Os electrões não ligantes não estão mantidos tão firmemente como os electrões e são transferidos para orbitais anti-ligantes por absorvência de uma radiação UV de energia mais baixa. Uma excitação do tipo n * é menos provável que um processo *, e origina um pico de absorvência de intensidade relativamente mais baixa. O espectro UV da acetona ilustra este facto (fig. 11). O pico de absorvência n * da acetona está centrado a 270 nm. Uma banda de absorvência forte localizada a 187 nm é devida à ligação dupla C=O não conjugada, e situada no limite da região habitual da espectroscopia UV. A porção do espectro abaixo de 200 nm é designada ultavioleta do vácuo, porque as moléculas que compõem o ar absorvem a radiação nesta região. UV do vácuo só é portanto acessível com instrumentação especial. Fig. 11. Espectro UV da acetona. A relação entre a energia absorvida numa transição electrónica e a frequência () ou comprimento de onda () da radiação que produz a transição é como vimos: E hv hc E é a energia absorvida numa transição electrónica duma molécula de um estado de baixa energia (por exemplo o estado fundamental) para um estado de energia mais elevada (estado excitado). A energia absorvida é dependente de diferença de energia entre o estado fundamental e o estado excitado; quanto menor for a diferença de energia, maior será o comprimento de onda da absorvência. O excesso de energia no estado excitado pode originar a dissociação ou a ionização da molécula, ou pode ser reemitido na forma de calor ou de luz. A libertação de energia na forma de luz provoca a fluorescência ou a fosforescência. Como a energia é quantificada, o espectro de absorvência proveniente de uma transição electrónica simples deveria consistir numa linha discreta simples. No entanto não se observa uma linha discreta, porque à absorvência electrónica se sobrepõem subníveis vibracionais e rotacionais. O espectro de moléculas simples no estado gasoso consiste em picos de absorvência finos, representando cada um uma transição de uma combinação particular de níveis rotacionais e vibracionais no estado electrónico fundamental para uma combinação correspondente do estado excitado. A fig. 12 ilustra esquematicamente estas transições. Os estados vibracionais estão designados por o , 1 , 16 2.. A temperaturas correntes, a maioria das moléculas no estado electrónico fundamental estão no nível vibracional zero (Go); por conseguinte, as transições electrónicas mais prováveis efectuam-se a partir deste nível. Ev3 Ev2 Estado Ev1 electrónico Ev0 excitado Gv1 Estado electrónico Gv0 fundamental Fig. 12. Diagrama dos níveis electrónicos de energia e dos subníveis de energia vibracional, duma molécula, com representação de algumas transições. Em moléculas mais complexas, contendo mais átomos, a multiplicidade dos subníveis vibracionais e a sua proximidade causam a coalescência das bandas discretas; obtém-se assim bandas de absorvência largas. As principais características duma banda de absorvência são a sua posição e intensidade. A posição da absorvência corresponde ao comprimento de onda da radiação cuja energia é igual à requerida pela transição electrónica. A intensidade da absorvência depende sobretudo de dois factores: a probabilidade da interacção entre a energia de radiação e o sistema electrónico para provocar a passagem do nível fundamental para o estado excitado e a polaridade do estado excitado. As características de absorvência das moléculas orgânicas na região UV dependem das transições electrónicas que podem ocorrer e do efeito do meio atómico nas transições. A tabela I apresenta um resumo das estruturas electrónicas e das transições implicadas na absorvência UV. A facilidade relativa com a qual as várias transições podem ocorrer está resumida na fig. 13. .As transições não estão representadas na escala real, mas pode-se constatar que uma transição n n*, por exemplo, requer menos energia que uma transição * ou que uma transição *. Tabela 1. Resumo das estruturas electrónicas e das transições 17 Antiligante Antiligante E Não ligante n ( Ligante Ligante Fig13. Resumo dos níveis electrónicos de energia A conjugação aumenta o comprimento de onda da absorvência, diminuindo a diferença de energia entre os estados fundamental e excitado. Às transições n * e * estão associados comprimentos de onda mais elevados (energias inferiores) no caso do 3-buten-2-ona (metilvinilcetona) do que no caso da 2-butanona (metiletilcetona). Constata-se que, em geral, o estado excitado é relativamente mais estabilizado pela conjugação que o estado fundamental, de maneira que o valor da energia de transição diminui. O O CH 3CCH 2CH 3 CH 3CCH CH 2 n * max 277 nm max 324 nm * max 185 nm max 219 nm O anel benzénico tem uma série de bandas de absorvência características, mas bastante fracas, centradas a 254 nm. A absorvência desloca-se para comprimentos de onda mais elevados com intensidade aumentada quando existem substituintes capazes de apresentarem conjugação. O fenol por exemplo apresenta absorvência a 270 nm e a anilina a 280 nm. Os espectros ultravioleta são geralmente registados com amostras dissolvidas num solvente que não absorve, tal como o etanol ou o hexano, e por vezes utiliza-se um gás. As células são em geral fabricadas em quartz, já que o vidro não transmite bem a radiação UV. A intensidade da absorvência da luz UV é directamente proporcional à quantidade da amostra através da qual passa a radiação. Esta relação quantitativa é expressa pela equação de Beer-Lambert: A cl 18 em que A = absorvência = absorvência molecular, constante característica dum composto particular a um comprimento de onda c = concentração da amostra em mol/l l = comprimento do trajecto ao longo da amostra em cm Os espectros são geralmente registados com os comprimentos de onda aumentando (energia diminuindo) da esquerda para a direita. O comprimento de onda da absorvência máxima é assinalado na forma de max e a absorvência molar calculada e o solvente são em geral indicados. O espectro UV da acetona será descrito da seguinte forma: max 187 nm ( = 900, hexano); max 270 nm ( =15, hexano). 19 ESPECTROSCOPIA DE RMN A espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear é a mais usualmente utilizada e a mais fecunda para elucidar a estrutura das moléculas orgânicas. A técnica fornece informação baseada nas propriedades magnéticas de átomos específicos dentro das moléculas. A instrumentação capaz de efectuar espectroscopia de RMN do protão ( 1H-RMN), em rotina e ao alcance da maioria dos químicos, existe desde os anos da década de 1960. Desenvolvimentos tecnológicos na década de 1970, permitiram aos químicos aceder a instrumentos capazes de analisar o núcleo do 13C. Hoje em dia muitos outros núcleos atómicos podem ser examinados por RMN, se bem que a combinação do 1H e do 13C forneça a informação em geral mais valiosa. 1. Os princípios da espectroscopia de RMN Em condições adequadas uma substância pode absorver uma radiação electromagnética na região das radiofrequências, a frequências determinadas pelas características da molécula. A absorvência é uma função de certos núcleos da molécula. Um gráfico das frequências dos picos de absorvência em função das intensidades dos picos constitui um espectro de RMN. Todos os núcleos possuem uma carga e uma massa. Os que possuem um número de massa ímpar ou um número atómico ímpar, possuem igualmente um spin, quer dizer apresentam um momento angular. Por exemplo 11H, 2 13 14 17 12 16 1H, 6C, 7N e 8O possuem um spin, ao passo que 6C e 8O não possuem. Os núcleos que possuem um spin podem ser estudados por RMN. Uma carga em rotação, como por exemplo o núcleo 11H, produz um momento magnético (), associado a um campo magnético. Este núcleo pode pois ser considerado como análogo dum íman. Quando se lhe aplica um campo magnético exterior (H0 ), este íman tem tendência a alinhar o seu momento magnético na direcção do campo, da mesma maneira que a agulha duma bússola se orienta no campo magnético terrestre. O número quântico de spin do núcleo é designado I; existem 2I+1 orientações possíveis do momento magnético nuclear em relação ao campo exterior, às quais correspondem 2I+1 níveis energéticos do núcleo. O protão 11H possui um número quântico de spin de 1/2 e é portanto susceptível de adoptar 2 x 1/2 + 1 = 2 orientações possíveis : uma paralela () outra anti-paralela () ao campo magnético externo (fig. 14). Fig. 14. Orientações do estado de spin do núcleo de hidrogénio num campo magnético H0. Na ausência de campo magnético, cada protão tem a mesma energia nuclear de spin e os momentos magnéticos de spin estão orientados ao acaso. Num campo magnético, os spins dos protões orientam-se paralelamente ou anti-paralelamente ao campo e a diferença de energia entre estas duas orientações é proporcional à intensidade do campo magnético externo. E kH 0 Com k = h/2 e em que E é a diferença de energia entre as orientações, o ratio magnetogírico, que é uma constante nuclear fundamental, i. é., a constante de proporcionalidade entre o momento magnético e o número de spin I, 2 hI Ho a intensidade do campo magnético externo e h a constante de Planck. 20 A fig. 15 mostra no caso do núcleo 11 o espaçamento entre os níveis energéticos () em função do valor do campo aplicado (Ho). O nível energético inferior corresponde a um alinhamento paralelo () e o nível energético superior a um alinhamento anti-paralelo () ao campo aplicado. E O O H0 Fig. 15. Níveis de energia dum protão. Para um valor dado do campo magnético, o protão poderá passar dum nível energético a um outro por absorção ou emissão dum quantum de energia E h em que é a frequência da radiação absorvida ou emitida. Combinando as duas equações obtém-se: H0 2 Esta relação mostra que, quando protões são colocados num campo magnético de valor fixo, existe uma frequência definida separando os dois níveis energéticos. Praticamente, um campo com cerca de 14.100 gauss necessita, para a transição entre as orientações, duma frequência de 60 MHz (na região das radiofrequências do espectro electromagnético). Num campo de 23.500 gauss, a frequência necessária é de 100 MHz, e será de 200 MHz num campo de 47.000 gauss. É importante observar que 60 MHz correspondem a uma energia muito baixa (5.7.10-6 cal/mole), o que implica que o número de núcleos no estado de mais baixa energia será só ligeiramente superior ao do estado excitado. Na prática, a amostra a analisar é colocada num tubo de vidro localizado entre os pólos de um íman potente (fig. 16). A amostra é rodeada por uma bobine de um emissor de radiofrequência e por uma bobine de um receptor Rf. As amostras são em geral dissolvidas em cerca de 0,5 ml de solvente deuterado, que não contenha protões, tais como deuteroclorofórmio (CDCl3) ou CCl4, quando se pretende analisar unicamente protões. O tubo é em geral submetido a uma rotação rápida. Gases e sólidos podem também ser analisados por RMN. Fig. 16. Diagrama dum espectrómetro de ressonância magnética nuclear. Os núcleos são energeticamente perturbados durante a análise de RMN, por uma combinação de campo magnético aplicado e a radiação de radiofrequência. Quando o campo ou frequência são modificados de maneira 21 contínua a fim de alterar a energia do núcleo, diz-se que o instrumento opera no modo de onda contínua (CW). A maioria dos espectrómetros de RMN opera no modo CW, a uma frequência rádio fixa e realizam pequenas variações do campo magnético à medida que o espectro é escrutinado. Quando a energia exercida sobre o núcleo iguala a diferença de energia entre os estados de spin, é atingida uma condição dita de ressonância. A absorção e a emissão subsequente de energia associada com esta inversão de spin é detectada pelo receptor de radiofrequência e é em seguida registada na forma de “pico” no espectro de RMN. A diferença de energia E entre estados de spin é característica dum tipo particular de núcleo e da força do campo magnético exercida sobre o núcleo. As equações que expressam estas relações foram introduzidas acima. Estas expressões matemáticas mostram que a frequência a que ocorre a ressonância é proporcional à força do campo magnético exercido sobre o núcleo. Quanto maior for o campo magnético de um espectrómetro, maior será a separação entre os picos de ressonância no espectro de RMN (fig. 17), i. é., a resolução aumentará. Fig. 17. Escala de RMN a 60 MHz e a 100 MHz. Existem hoje instrumentos disponíveis com ímanes supercondutores arrefecidos a hélio líquido, que criam campos magnéticos fortíssimos que, combinados com radiofrequências de 500 MHz, atingem resoluções espectrais notáveis. A RMN do protão em onda contínua tem sido extremamente útil aos químicos orgânicos, permitindo fazer em 5-10 minutos, espectros de rotina, com amostras de 50-100 mg ou até menos. No entanto, a RMN do C pode ser consideravelmente mais valiosa que a do protão. Existe, todavia um problema relacionado com o facto do isótopo 12C não possuir momento magnético e o isótopo 13C ser 60 vezes menos sensível que o 1H no sinal de RMN. Além disso, a abundância natural do isótopo 13C é só de 1,1 %. Assim, o espectro RMN do 13C duma amostra particular é cerca de 6 000 vezes menos intenso que o do 1 H. Actualmente, em vez de escrutinar o campo pelo método do CW, de maneira que cada tipo de núcleo seja sequencialmente posto em ressonância, exerce-se uma pulsação electrónica com a duração dum micro-segundo, que excita simultaneamente todos os núcleos. Um computador, associado ao espectrómetro, realiza a análise pela transformada de Fourrier (FT) da emissão electrónica obtida durante a relaxação dos núcleos. Este método permite obter um espectro em poucos segundos, podendo-se acumular muitos espectros de maneira repetitiva e rápida e compensar a falta de sensibilidade e de abundância do núcleo do 13C. É actualmente o método preferido em toda a espectroscopia de RMN. 2. O deslocamento químico A energia para inverter o spin é característica do tipo de núcleo. Contudo, a espectroscopia de RMN seria inútil enquanto instrumento analítico, se só um pico fosse registado para todos os átomos de H, ou todos os átomos de 22 C, de uma molécula orgânica. O valor do método de RMN resulta do facto do campo magnético H, realmente exercido num núcleo, não ser unicamente o campo aplicado H0. Quando uma molécula é colocada num campo magnético, os electrões de cada átomo produzem pequenos campos magnéticos induzidos h0, opostos e proporcionais ao campo aplicado H0. Um núcleo particular, por conseguinte “vê” um campo efectivo H, que é o resultado global do campo grande do íman do espectrómetro e dos numerosos pequenos campos induzidos dos átomos adjacentes da molécula. Em terminologia de RMN os campos induzidos exercem uma blindagem dum núcleo particular contra o campo do íman: H H0 (h0 h0'h0' '.....) O resultado do fenómeno de blindagem é que o campo magnético H0 fornecido pelo espectrómetro RMN é ligeiramente diferente de H se os núcleos de meios magnéticos diferentes são expostos à energia necessária para atingirem a ressonância. Um espectrómetro de RMN, operando a uma frequência rádio fixa, faz variar o campo magnético exercido sobre a amostra. Quando a energia que atinge um núcleo particular iguala a requerida para a ressonância, a energia é absorvida e a emissão subsequente é detectada pela bobine do receptor de radiofrequência. O espectro de RMN regista pois a ressonância em função dum campo magnético variável. O deslocamento químico é a posição ao longo do espectro de RMN à qual ocorre ressonância de um núcleo particular situado num meio molecular específico. O deslocamento químico é sempre registado em relação a um pico de ressonância padrão. Para o 1 H e o 13 C a referência é o pico único de ressonância do tetrametilsilano (CH3)4Si (TMS), que é tomado como zero. Utiliza-se a frequência em hertz (Hz) para registar os deslocamentos químicos, enquanto que o espectrómetro é operado a frequência fixa com campo variável ou a campo fixo com frequência variável. Como a energia requerida para a ressonância de um núcleo particular depende da frequência do instrumento e da força do campo, os deslocamentos químicos registados em hertz variam com o espectrómetro. Convencionalmente, regista-se o espectro na direcção de campos magnéticos crescentes. H0 Campo baixo Campo alto Para simplificar a comparação dos espectros, de um instrumento para outro, utiliza-se uma escala independente da frequência, para os valores de deslocamento químico: a escala delta (). Os deslocamentos na escala delta expressam-se em partes por milhão (ppm). A 106 ppm em que: A = deslocamento químico do núcleo A, em ppm. = diferença na frequência de ressonância em Hz entre o padrão, TMS, e o pico correspondente ao núcleo A = frequência do espectrómetro em Hz 3. Deslocamento químico e estrutura molecular A maioria dos protões encontra-se a um campo mais baixo que o TMS, numa escala que varia de 0-10 ppm. O 13C tem também um deslocamento químico a campo mais baixo que o TMS, mas a escala é muito maior, de 0-250 ppm. 23 1. Num meio equivalente em qualquer outra parte, quanto mais átomos de H comportar um átomo de C maior será a blindagem magnética. Será necessário aplicar um campo maior para que ocorra ressonância. Por consequência, o deslocamento químico é maior para a direita (campo elevado) e é de valor mais baixo. CH 2 > C H > CH 3 2. A atracção electrónica por átomos ou grupo de átomos adjacentes electronegativos tem um efeito de desblindagem do núcleo. O deslocamento químico “desloca-se” para os campos baixos (esquerda) e o valor de é maior. F C H > O H > C N C H 3. A insaturação tem um efeito de desblindagem no deslocamento químico e os valores de aumentam. H : H > C C > C C H Os deslocamentos químicos em vários meios moleculares estão compilados nas tabelas seguintes para 1H e para o C. 13 Deslocamentos químicos característicos de RMN de 1H. Metilo Grupo Metileno , ppm Grupo , ppm Metino Grupo Deslocamentos químicos característicos de 13C. Grupo ppm Grupo ppm 24 Outros , ppm Grupo , ppm Considerando o tetrametilsilano, podemos prever que a densidade electrónica à volta dos protões do TMS deve ser elevada (o silício –Si – é electropositivo em relação ao C). Estes protões deverão ser muito blindados e o pico correspondente encontrar-se-á a campo elevado. Utilizando os conceitos de electronegatividade e acidez dos protões é possível prever bastantes deslocamentos químicos. Consideremos os espectros de RMN de alguns compostos orgânicos, representativos, para examinar como o deslocamento químico pode ser correlacionado com a estrutura molecular. No etano, CH 3 - CH3, com dois grupos metilo, todos os protões são quimicamente e magneticamente equivalentes. Observa-se um pico de ressonância único a 0,85 ppm (fig.18a). Fig. 18a. Espectro de RMN do 1H do etano. O espectro do 13C do etano apresenta um pico único a 5,7 ppm (fig. 18b). Os dois átomos de C dos grupos metilo são equivalentes. 25 Fig.18 b. Espectro de RMN do 13C do etano. Na acetona os dois grupos metilo equivalentes estão ligados por um grupo carbonilo atractor. Os seus átomos de H estão desblindados em relação aos grupo CH3 do etano e possuem um = 2,1 ppm (fig. 19a). Fig. 19 a. Espectro de RMN do 1H da acetona. No espectro de 13C há dois picos de ressonância: um corresponde aos dois átomos de metilo equivalentes, ligeiramente desblindados em relação ao etano, a = 31 ppm e um segundo pico, correspondente ao C do carbonilo C=O, muito desblindado, a = 206 ppm, típico do deslocamento do 13C muito oxidado (fig. 19b). 26 Fig. 19 b. Espectro de RMN do 13C da acetona. O metanol CH3OH possui 2 tipos de protões: os metílicos e o H hidroxílico. Estão ambos desblindados, devido à presença do oxigénio electronegativo. O CH3 do metanol, que está ligado directamente ao oxigénio, está mais desblindado ( = 3,5 ppm) que o metilo da acetona ( = 2,1 ppm) (fig.20a). Fig. 20 a. Espectro de RMN do 1H do metanol. O espectro do 13C apresenta um pico único do CH3, desblindado de 49 ppm pelo átomo de oxigénio (fig. 20b). Fig. 20 b. Espectro de RMN do13C do metanol. 4. Superfícies dos picos dos espectros A área dos picos fornece uma informação importante. No espectro do metanol, por exemplo, a área de ressonância dos H do CH3 é maior que a atribuída à ressonância do H hidroxílico. A medição das áreas respectivas dá-nos uma relação de 3 : 1, que corresponde ao ratio entre o número de protões dos dois tipos. 27 Os instrumentos possuem integradores electrónicos: as áreas relativas são indicadas pelas distâncias verticais de uma segunda linha traçada em sobreposição dos picos espectrais. Os espectrómetros que utilizam um sistema de dados computorizado, imprimem directamente as áreas integrais numéricas, associadas com cada pico de ressonância. Examinemos o espectro do 1,2-dimetoxietano CH3-O-CH2CH2-O-CH3 (fig. 21). Observa-se dois picos de ressonância a 3,2 ppm e a 3,4 ppm, correspondentes aos protões desblindados pelo átomo de oxigénio. Se bem que possamos prever que os protões do grupo metileno devem apresentar um deslocamento maior, podem surgir dúvidas quando os picos estão muito perto um do outro. A integração da área dos picos dá esta informação. A posição de ressonância do metileno CH2 está a um campo mais baixo que a do metilo CH3, se bem que os picos estejam muito próximos. O espectro do 1,2-dimetoxietano ilustra uma restrição importante na utilização das áreas dos picos em análise: só se pode deduzir o número relativo de protões, neste exemplo o ratio = 3/2. Não é possível determinar o número real de H, para isso são necessários outros métodos, como a espectrometria de massa (MS). No exemplo do 1,2-dimetoximetano sabemos que há 10 átomos de H e que a relação é na realidade 6:4. Fig. 21. Espectro de RMN do 1H do 1,2-dimetoxietano, mostrando a integração das áreas dos picos. A transformada de Fourrier do 13C implica um processo de relaxação nuclear que pode alterar as áreas dos picos, de maneira que elas não correspondem ao número de núcleos. Há várias técnicas experimentais utilizadas para minimizar este problema, mas ainda não se tornou uma rotina integrar os espectros de 13C. 5. Acoplamento simples spin-spin. Examinámos uma série de picos de absorvência representando protões em vizinhanças químicas espaciais diferentes. Cada área de absorvência é proporcional ao número de protões que ela representa. Assim se obtém uma informação considerável sobre a estrutura. Vamos em seguida considerar um outro refinamento que é o acoplamento spin-spin. Este fenómeno pode ser descrito como um acoplamento indirecto dos spins dos protões, através dos electrões, que intervêm na ligação. Isto ocorre porque existe a tendência para um electrão de ligação emparelhar o seu spin com o spin do protão mais próximo. O spin de um electrão de ligação, ao ser influenciado afectará o spin de outro electrão de ligação e assim de seguida com o próximo protão. O acoplamento não é em geral importante para além de três ligações, a não ser que haja uma tensão de anel como nos pequenos ciclos, ou em sistemas pontados, ou quando há deslocalização das ligações, como num sistema aromático, ou em sistemas insaturados. Suponhamos que os dois protões da figura 22 estão em espaços químicos circundantes diferentes um do outro, como no composto seguinte: RO OR C(CH 3)3 CH CH 28 C(CH 3)3 Fig. 22. Acoplamento spin-spin entre dois protões com deslocamentos químicos muito diferentes. Cada protão dá origem a uma absorvência e as duas absorvências estão muito separadas. Além disso, o spin de cada protão é afectado ligeiramente pelas duas orientações do outro protão, através dos electrões intervenientes, de maneira que cada absorvência aparece como um dubleto. A distância entre os picos componentes dum dubleto é proporcional à eficácia do acoplamento e é designada por constante de acoplamento J, que é independente do campo magnético aplicado H0. Ao passo que os deslocamentos químicos se estendem por 1700 Hertz a 100 MHz, as constantes de acoplamento entre protões raramente excede os 20 Hertz. Enquanto a diferença na deslocação química em Hertz for muito maior que a constante de acoplamento (/J > 6 ou 7), aparece um padrão com dois dubletos. À medida que a relação /J decresce, os dubletos aproximam-se um do outro, os dois picos internos aumentam de intensidade e os picos externos decrescem (fig. 23). Fig. 23. Acoplamento spin-spin entre protões com uma diferença menor de deslocamento químico e um valor maior de J. A posição do deslocamento de cada protão deixa de ser a média entre os seus dois picos, como no exemplo de fig. 22, mas passa a ser no “centro de gravidade”. Este pode ser determinado por estimativa, ou determinado com precisão pela seguinte fórmula, na qual as posições dos picos (1, 2, 3 e 4, da esquerda para a direita) são dadas em Hertz.: (1 3) (2 4) ( )2 J 2 29 A posição do deslocamento de cada protão é /2, a partir do ponto médio do padrão. Quando J 3 , os dois dubletos assemelham-se a um quarteto, que seria o resultado do desdobramento por 3 protões equivalentes vicinais, i. é., as distâncias entre os picos são iguais. (1 3) (2 4) J 2 x 3 J 2 (3 1) J 2 2 J Quando a diferença de deslocamento é zero, os picos interiores coalescem num pico único e os picos exteriores desaparecem, i. é., os protões são equivalentes. Protões equivalentes podem acoplar os seus spins um com o outro, mas não é observado desdobramento. A dependência do deslocamento químico do campo magnético aplicado e a não dependência da constante de acoplamento, fornecem um meio para poderem ser distinguidos entre eles. O espectro é escrutinado a dois campos magnéticos aplicados diferentes. Os deslocamentos químicos são também dependentes do solvente, mas os valores de J são só muito ligeiramente afectados pela mudança de solvente. Examinemos o nível seguinte de complexidade no acoplamento spin-spin. Consideremos o sistema HC-CH2- no composto OR RO CH CH 2 C(CH3)3 no qual o protão do grupo metino está num espaço químico muito diferente do dos dois protões metilénicos. Como anteriormente observa-se duas séries de absorvências muito separadas e as áreas e absorvência estão na relação de 1:2. O protão metínico acopla-se com os protões metilénicos e desdobra a absorvência dos protões metilénicos num dubleto simétrico, como explicado acima. Por seu lado os dois protões metilénicos desdobram a absorvência do protão metínico num tripleto, porque existem três combinações de spin de protão nos dois protões metilénicos a e b (fig. 24). Fig. 24. Acoplamento spin-spin entre CH e CH2 com deslocamentos químicos muito diferentes. Três estados de spin num grupo metilénico (protões a e b): a b H0 a b a b a b 30 Quando os protões metínicos e metilénicos do sistema CH-CH2 estão em meio químico idêntico, ou semelhante (i. é., /J é pequeno), o padrão simples dubleto-tripleto degenera num padrão complexo de 7 a 9 picos como resultado dum desdobramento de segunda ordem. A análise torna-se impossível por simples observação. Importa agora definir duas espécies de equivalência : química e magnética. Os núcleos são quimicamente equivalentes se tiverem o mesmo deslocamento químico. Núcleos magneticamente equivalentes não só possuem o mesmo deslocamento químico, como também têm que acoplar da mesma maneira com qualquer outro núcleo da molécula, i.é., núcleos magneticamente equivalentes têm a mesma série de constantes de acoplamento. Podemos agora formular uma série de regras gerais com base no que acabámos de observar. Até agora assumimos que todos os protões no mesmo átomo de C são magneticamente equivalentes. Isto só é verdade se não houver uma barreira apreciável à rotação à volta das ligações C-C e se não houver nas proximidades um centro de assimetria. Além disso, /J tem que ser grande. Podem então aplicar-se as seguintes regras: 1. O desdobramento da absorvência dum protão é realizado por protões vizinhos e a multiplicidade do desdobramento é determinada pelo número destes protões. Assim, um protão dá origem a um dubleto e dois protões equivalentes dão origem a um tripleto. A multiplicidade é pois n+1, em que n é o número de protões vizinhos equivalentes. A fórmula geral que se aplica a todos os núcleos equivalentes é 2nI+1, em que I é o número de spin. 2. As intensidades relativas dos picos dum multipleto também dependem de n. Já vimos que os picos dubletos (n=1) estão na relação 1:1 e os tripletos na relação 1:2:1. Os quartetos estão na razão 1:3:3:1. A fórmula geral é (a + b) n . No desenvolvimento os coeficientes fornecem as intensidades relativas. Quando os protões de cada grupo (série) a) são tanto magneticamente como quimicamente equivalentes uns dos outros b) e que cada protão em cada grupo está acoplado de maneira idêntica a cada protão de outra série (grupo), i.é., só intervém uma constante de acoplamento simples c) e que /J é grande (pelo menos = 6) as duas regras aplicam-se e obtém-se um padrão dito de 1ª ordem. Nestas circunstâncias podemos examinar as três principais características dum espectro de RMN: 1. Deslocamentos químicos; 2. Intensidade dos picos; 3 Acoplamentos spin-spin que são de 1ª ordem. O exemplo do espectro do 1,3-dicloropropano Cl-CH2-CH2-CH2-Cl é ilustrativo (Fig 25). 31 Fig. 25. Espectro de RMN do 1H do 1,3-dicloropropano no CDCl3 a 60 MHz. Referência : TMS O pico a = 7,25 ppm pertence ao CHCl3, impureza que contamina o CDCl3. Os grupos metilénicos terminais são equivalentes e, visto estes 4 protões estarem desblindados pelos átomos de cloro, a sua posição de deslocamento está a campo baixo, em relação aos 2 protões equivalentes do grupo metilénico central. O sistema consiste, como era de esperar, num tripleto e num quintupleto. Os desdobramentos e as intensidades relativas podem ser representadas segundo o diagrama seguinte: 1 1 1 2 1 1 1 1 3 1 4 1 2 3 6 1 4 1 As intensidades das linhas são simplesmente a soma das intensidades das linhas coincidentes. Analisemos um outro exemplo, o espectro do 1-nitropropano CH3-CH2-CH2-NO2 (fig. 26). Os protões de cada grupo são magneticamente equivalentes. O tripleto a campo mais baixo representa os protões ligados ao carbono adjacente ao grupo nitro, desdobrados pelo grupo metileno adjacente. O tripleto a campo mais alto representa o grupo CH 3, desdobrado pelo grupo metileno adjacente. O sexteto centrado a = 2,07 ppm resulta do desdobramento por cinco protões adjacentes, que têm fortuitamente aproximadamente a mesma constante de acoplamento. Fig. 26. Espectro de RMN do 1H do 1-nitropropano no CDCl3, a 60 MHz. Referência TMS. ESPECTROMETRIA DE MASSA (MS) Um espectrómetro de massa bombardeia uma substância a analisar com um feixe de electrões e regista quantitativamente o resultado na forma de fragmentos iónicos positivos. Este registo é um espectro de massa. A separação dos fragmentos iónicos positivos faz-se com base na massa (mais precisamente massa/carga, mas a maioria dos iões têm uma carga unitária). Uma experiência de análise espectral de massa envolve dois processos distintos: 1. o primeiro é a ionização da amostra; 2. o segundo é a separação e a detecção dos iões. 32 Ionização Existem métodos espectrais de massa que originam tanto iões positivos, como negativos, se bem que a espectrometria de massa de iões positivos seja mais generalizada. O bombardeamento de moléculas de uma amostra na fase gasosa, sob vácuo elevado, por um feixe de electrões pode originar a ejecção de um (ou mais) electrões (em geral um), de algumas das moléculas da amostra. Forma-se um catião molecular M+ e outros fragmentos iónicos. Um outro método de ionização que tem despertado cada vez maior interesse é o FAB (Fast Atomic Bombardment). Nesta técnica a amostra é bombardeada com um feixe de iões, ou de átomos de elevada energia. O árgon e o xénon são átomos os mais geralmente utilizados no bombardeamento. Os iões são essencialmente expulsos da amostra a ser analisada. Em contraste com o impacto electrónico, as amostras são geralmente analisadas no seu estado sólido. Este método permite pois a análise de substâncias de elevada massa molecular, que não podem ser facilmente vaporizadas. O FAB está a ser cada vez mais utilizado na análise de compostos biológicos interessantes de elevada massa molecular, tais como peptídeos ou oligonucleotídeos. Instrumentação A Figura 27 mostra um diagrama esquemático de um espectrómetro de massa. Este é constituído por cinco componentes: 1. O sistema de manipulação da amostra, que consiste num acessório para introduzir a amostra para dentro da câmara de ionização. A amostra, se não for gasosa, tem que ser volatilizada a partir do estado líquido ou do estado sólido. O composto a analisar tem que ser estável à temperatura à qual a sua pressão de vapor é da ordem de 10-7 - 10-6 mm de Hg. 2. A câmara de ionização e a câmara de aceleração. A corrente de gás entra pela fenda molecular na câmara de ionização, a 10-6-10-5 mm de Hg, na qual é bombardeada a ângulos rectos do seu trajecto, por um feixe de electrões emitidos por um filamento aquecido. Os iões positivos, produzidos por interacção com o feixe de electrões, são impelidos através da primeira fenda de aceleração, por um campo electrostático. Um segundo campo electrostático forte, situado entre a primeira e a segunda fenda de aceleração, acelera os iões às suas velocidades finais. Uma focagem adicional do feixe iónico existe entre as fendas de aceleração. A fim de obter um espectro, tanto o campo magnético aplicado no tubo analisador, como a voltagem de aceleração entre a primeira e a segunda fenda podem ser modificados. Assim, os iões são sucessivamente focados na fenda do colector em função da massa (massa/carga, m/z). 3. Tubo de análise e íman. O tubo de análise é um tubo de metal, curvo, mantido sob vácuo, através do qual o feixe iónico se desloca da fonte de iões até ao colector. As forças do pólo magnético (são geralmente utilizados electroímanes) são montadas perpendicularmente ao plano do diagrama. Actualmente tem vindo a ser utilizado um novo sistema em que o componente separador consiste em quatro barras que geram um campo eléctrico oscilante (o analisador de massa tetrapolar- fig. 27 b). Os iões formados na câmara de ionização são conduzidos no espaço sob vácuo entre as barras. À medida que os iões vão passando, só os que possuem um valor de m/z particular vão apresentar ressonância com a frequência do tetrapólo. Todos os outros estarão fora de ressonância, terão trajectórias instáveis e não serão focalizados no detector. 4. O colector de iões e o amplificador. O feixe iónico incide perpendicularmente no colector (cilindro de Faraday e fenda de colimador) e o sinal é amplificado por um electrómetro com tubo de vácuo, ou por um multiplicador de electrões. 5. Registador. Em geral consiste em galvanómetros que registam simultaneamente em papel de fotografia, ou papel UV que não requer revelação húmida. (a) 33 (b)……………………….. Fig. 27. (a) Diagrama esquemático dum espectrómetro de massa. (b) Diagrama dum analisador de massa tetrapolar. Masssas moleculares e fórmulas A elucidação estrutural dum composto requer a determinação duma fórmula molecular precisa e duma massa molecular associada a essa fórmula. Um dos métodos mais antigos para determinar a fórmula empírica de um composto é a análise elementar, i. é., a análise por combustão de miligramas de amostra pura. Um hidrocarboneto, por exemplo, depois de combustão completa com o oxigénio, produz H2O e CO2. Os produtos podem ser pesados e relacionados com a massa da amostra original, fornecendo a percentagem da composição em C e em H do composto. A precisão é em geral de 0,2 %. A análise elementar de outros átomos é efectuada por outros métodos. A análise por combustão fornece uma fórmula empírica, mas não necessariamente a fórmula molecular. A espectrometria de massa é o método mais simples para determinar a massa molecular. A Figura 28a representa o espectro de massa do metano. Os iões moleculares que não reagem dão origem a um pico, no espectro de massa, com um valor de m/z, correspondente à massa molecular da amostra. O pico M + é frequentemente o mais intenso do grupo de picos na posição m/z mais alta do espectro. Um pico mais pequeno é encontrado geralmente, no espectro de massa dum composto orgânico, a uma unidade de massa mais alta que o ião molecular. O pico, designado M + 1, é devido à abundância natural (1,1 %) do isótopo 13C. A probabilidade de encontrar dois átomos de 13C numa molécula é tão reduzida, que o pico M + 2, relativo ao isótopo 13C não é importante. Os compostos que contêm átomos de bromo ou de cloro apresentam picos de isótopos grandes no seu espectro de massa. O cloro existe na forma de mistura de 75% de 35Cl e de 25% de 37Cl. O bromo é constituído, aproximadamente, por uma mistura de 50% de 79Br e de 50% de 81Br. Os espectros de massa dos compostos compreendendo estes halogéneos possuirão portanto picos M + 2 significativos (Fig. 28 b). Os picos dos isótopos são frequentemente utilizados para determinar fórmulas moleculares e fórmulas constitucionais de compostos desconhecidos. A Figura 29 mostra o espectro do tolueno, a sensibilidades crescentes de baixo para cima. A altura dos picos é proporcional ao número de iões possuindo uma dada massa. 34 Fig. 28. Representação das massas espectrais dos picos do ião molecular e dos isótopos associados do (a) metano e do (b) bromoetano. A massa molecular é uma informação importante derivada dum espectro de massa. Contudo, em alguns casos, o pico do ião molecular não é óbvio. Certas moléculas não apresentam tal pico numa análise espectral de massa de rotina, porque o ião molecular se fragmenta completamente antes de poder ser detectado. Isto acontece em geral, quando o ião molecular é originado por um impacto electrónico. O pico pode ser detectado, em alguns casos, se a voltagem dos electrões de ionização for diminuída. É fornecida menos energia ao ião molecular, de maneira que a fragmentação decresce e o pico do ião molecular torna-se mais intenso. 35 Fig. 29. Espectro de massa do tolueno escrutinado a 3 sensibilidades diferentes. Fragmentação O padrão de fragmentação em MS de compostos orgânicos apresenta um paralelismo com o processo de ruptura de ligação das suas reacções químicas. Em muitos casos as fragmentações podem ser encaradas como reacções químicas, originadas por catiões de elevada energia. A interpretação destes padrões de fragmentação é importante para a elucidação estrutural. A tendência do ião molecular para se fragmentar é o resultado da energia fornecida à molécula original durante o processo de ionização. Os compostos orgânicos possuem potenciais de ionização de cerca de 10 eV. Quando uma molécula é bombardeada com electrões de 70 eV aproximadamente, em espectrometria de massa, o ião molecular produzido possui um grande excesso de energia. Como o espectro de massa é operado a pressão muito baixa, ocorrem muito poucas colisões moleculares que dispersem a energia. Uma maneira de dissipar a energia é através da clivagem das ligações. A fragmentação do ião molecular pode ser muito extensiva. Consideremos os espectros de massa de dois isómeros em C9, o nonano e o 3,3-dimetilheptano (Fig. 30a e 30b). 36 Fig. 30. Espectro de massa do (a) nonano e do (b) 3,3-dimetilheptano. Observamos que: 1. não há pico do ião molecular no espectro do hidrocarboneto ramificado; 2. os picos mais abundantes estão correlacionados com os fragmentos de C3 a C5; 3. os picos apresentam-se em grupos que diferem de 14 m/z unidades. Os catiões radicalares inicialmente formados, dos hidrocarbonetos saturados, têm tendência a sofrer uma fragmentação ao acaso. R R' e- R+ R' + 2e- R+ R' R+ + R' É assim produzida uma série de fragmentos e picos de massa associados, que diferem por um grupo CH 2, i. é., m/z =14. Os mais estáveis destes iões são: C2H5 , m/z = 29 C3H7 , m/z = 43 C4H9, m/z = 57 C5H11, m/z = 71 Os fragmentos homólogos de massa molecular mais elevada têm tendência para se clivarem nestas espécies mais pequenas. O tempo de vida do ião molecular do 3,3-dimetilheptano é demasiado curto (menos de 1 segundo), para poder ser acelerado e detectado pelo espectrómetro. O ião cliva-se rapidamente para produzir catiões terciários e secundários de massas moleculares mais pequenas. Com efeito, a estabilidade do carbocatião está directamente relacionada com os padrões de fragmentação de muitas moléculas orgânicas. As equações seguintes ilustram a origem proposta de alguns dos picos m/z maiores, no espectro do 3,3dimetilheptano. 37 CH 3 CH 3CH 2 C CH2CH 2CH 2CH 3 m/z = 128 CH 3 CH 3 CH 3 + CH3CH 2 C CH 3CH 2 CH2CH 2CH 2CH 3 CH 3 + C CH2CH 2CH 2CH 3 CH 3 m/z = 113 m/z = 99 CH 3 CH3CH 2 C CH 3 + CH2CH 2CH 2CH 3 m/z = 71 Os picos de menor massa, mais abundantes, devem formar-se a partir da rápida fragmentação - eliminação dos catiões formados inicialmente. CH 3 C CH2CH 2CH 2CH 3 CH 3 CH 3 CH CH2 + CH 2CH 2CH 2CH 3 m/z = 57 m/z = 99 CH 3 CH 3CH 2 m/z = 71 C CH 2 CH2 + CH3 CH CH3 CH 3 m/z = 43 38 CH 3CH 2 C CH2CH 2CH 2CH 3 CH 3CH 2 + CH 3CH CHCH 2CH 2CH 3 CH 3 m/z = 113 CH 3 CH m/z = 43 m/z = 29 CH3 C3H5 + H2 m/z = 41 CH 3CH 2 C2H3 m/z = 29 m/z = 27 + H2 A clivagem do hidrocarboneto linear nonano origina um carbocatião primário que não pode ser rapidamente clivado para formar catiões secundários e terciários, mais estáveis. Possui um tempo de vida relativamente superior ao ião molecular duma molécula ramificada e origina um pequeno pico M + no espectro. Os catiões radicalares dos hidrocarbonetos aromáticos têm tendência para possuir um tempo de vida superior ao dos outros hidrocarbonetos, de maneira que é quase sempre observado um ião molecular (Fig. 31). 39 Fig. 31 Representação gráfica do espectro da Figura 29. Os catiões estabilizados por ressonância são favorecidos: 40 81 Br 41 42 GC-MS: Uma mistura de substâncias é separada por cromatografia gasosa analisada, em seguida por espectrometria de massa. 43
