Química Orgânica III - Universidade Federal do Piauí

Universidade Federal do Piauí Centro de Educação Aberta e a Distância QUÍMICA ORGÂNICA III Sidney Gonçalo de Lima Sidney Gonçalo de lima QUÍMICA ORGÂNICA III Ministério da Educação MEC Universidade Aberta do Brasil UAB Universidade Federal do Piauí UFPI Universidade Aberta do Piauí UAPI Centro de Educação Aberta e a Distância CEAD Ubirajara Santana Assunção Roberto Denes Quaresma Rêgo Samuel Falcão Silva Antonio F de Carvalho Filho Gesiel dos Santos Sobrinho Gesiel dos Santos Sobrinho PRESIDENTE DA REPÚBLICA MINISTRO DA EDUCAÇÃO GOVERNADOR DO ESTADO REITOR DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ SECRETÁRIO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA DO MEC PRESIDENTE DA CAPES COORDENADOR GERAL DA UNIVERSIDADE ABERTA DO BRASIL DIRETOR DO CENTRO DE EDUCAÇÃO ABERTA E A DISTÂNCIA DA UFPI Dilma Vana Rousseff Linhares José Henrique Paim Wilson Nunes Martins José Arimatéia Dantas Lopes Carlos Eduardo Bielshowsky Jorge Almeida Guimarães João Carlos Teatini de S Clímaco Gildásio Guedes Fernandes ADMINISTRAÇÃO ADMINISTRAÇÃO PÚBLICA CIÊNCIAS BIOLÓGICAS FILOSOFIA FÍSICA LETRAS PORTUGUÊS LETRAS INGLÊS MATEMÁTICA PEDAGOGIA QUÍMICA SISTEMAS DE INFORMAÇÃO Antonella Maria das Chagas Sousa Fabiana Rodrigues de Almeida Castro Maria da Conceição Prado de Oliveira Zoraida Maria Lopes Feitosa Miguel Arcanjo Costa José Vanderlei Carneiro Lívia Fernanda Nery da Silva João Benício de Melo Neto Vera Lúcia Costa Oliveira Davi da Silva Arlino Henrique Magalhães de Araújo TÉCNICA EM ASSUNTOS EDUCACIONAIS EDIÇÃO PROJETO GRÁFICO DIAGRAMAÇÃO REVISÃO ORTOGRÁFICA REVISÃO GRÁFICA Prof Dr Ricardo Alaggio Ribeiro Presidente Des Tomaz Gomes Campelo Prof Dr José Renato de Araújo Sousa Profª Drª Teresinha de Jesus Mesquita Queiroz Profª Francisca Maria Soares Mendes Profª Iracildes Maria de Moura Fé Lima Prof Dr João Renór Ferreira de Carvalho EQUIPE DE DESENVOLVIMENTO CONSELHO EDITORIAL DA EDUFPI 2014 Universidade Federal do Piauí UFPI Todos os direitos reservados A responsabilidade pelo texto e imagens desta obra é do autor O conteúdo desta obra foi licenciado temporária e gratuitamente para utilização no âmbito do Sistema Universidade Aberta do Brasil através da UFPI O leitor se compromete a utilizar o conteúdo desta obra para aprendizado pessoal sendo que a reprodução e distribuição ficarão limitadas ao âmbito interno dos cursos A citação desta obra em trabalhos acadêmicos eou profissionais poderá ser feita com indicação da fonte A cópia desta obra sem autorização expressa ou com intuito de lucro constitui crime contra a propriedade intelectual com sanções previstas no Código Penal É proibida a venda deste material L732q Lima Sidney Gonçalo de Química orgânica III Sidney Gonçalo de Lima Teresina EDUFPICEAD 2014 266 p ISBN 1 Compostos Orgânicos 2 Cromatografia 3 Espectrometria de Massas 4 Educação a Distância I Título CDD 547 Historicamente a química orgânica pode ser definida como a química dos compostos de carbono Sabese que milhares de compostos de carbono têm sido obtidos tanto de organismos vivos animais e vegetais como por processos sintéticos Entretanto esses compostos apresentamse em geral como mistura de vários componentes que precisam ser separados uns dos outros e purificados ao máximo possível para então serem identificados Como podemos purificar e identificar uma substância presente em uma mistura complexa O que fazer para determinar as estruturas das moléculas em detalhes Como podemos identificar novos produtos ou ter certeza de que isolamos um determinado produto Como determinar a presença quantificar determinados núcleos ou grupos em uma molécula Como descrever a natureza do ambiente eletrônico e dizer como estes núcleos se ligam aos outros Quando um químico orgânico se encontra diante de um composto ou mistura de compostos desconhecidos precisa purificar eou desvendar ou elucidar sua real estrutura Ele pode seguir dois caminhos dependendo da disponibilidade do material ou da técnica e da complexidade estrutural identificação sistemática ou métodos espectroscópicos A identificação sistemática envolve processos mecânicos e físicos de separação como destilação cristalização ponto de fusão etc Este trabalho é denominado análise orgânica imediata Em seguida procurase determinar quais são os elementos químicos e quanto há de cada elemento em um determinado composto orgânico que foi isolado Isso é denominada análise orgânica elementar qualitativa diz respeito aos elementos químicos presentes e análise orgânica elementar quantitativa diz respeito à quantidade ou dosagem de cada elemento presente Com os resultados numéricos da análise elementar podemos calcular a composição centesimal e a fórmula mínima do composto orgânico A sequência descrita acima pode ser considerada uma sequência clássica usada desde os primórdios da análise orgânica No século XX porém os processos de análise tiveram um grande avanço devido ao surgimento de aparelhos capazes de medir novas características físicoquímicas das substâncias Esses aparelhos estão sempre conectados a computadores que interpretam os resultados obtidos e traçam um gráfico correspondente Exemplos dessas novas tecnologias são Espectroscopia no Infravermelho a Espectrometria de Massas e Técnicas Acopladas e a Ressonância Magnética Nuclear Gostaríamos de enfatizar que este livro é um texto introdutório para a disciplina Química Orgânica III destinado aos estudantes que participam do Programa de Educação a Distância da Universidade Aberta do Piauí UAPI Deste modo buscar informações em outras fontes tornase essencial para um melhor aprendizado UNIDADE 1 IDENTIFICAÇÃO SISTEMÁTICA DE COMPOSTOS ORGÂNICOS Análise estrutural passado e presente Identificação sistemática de compostos orgânicos Critérios de pureza Análise orgânica qualitativa clássica Preparação de derivados Abordagem fitoquímica UNIDADE 2 NOÇõES GERAIS DE CROMATOGRAFIA Cromatografia explicações preliminares Aplicações Classificação dos sistemas cromatográficos Cromatografia planar Cromatografia em coluna cromatográfica líquida clássica Cromatografia gasosa de alta resolução UNIDADE 3 ESPECTROMETRIA DE MASSAS Os métodos clássicos e espectroscópicos O espectrômetro de massas EM Ionização por impacto de elétrons EI Detector Espectro de massa massa molecular a primeira informação Fórmula molecular pela abundância isotópica Espectros de massas de alguns grupos funcionais comuns Cromatografia gasosa acoplada à espectrometria de massas CGEM detector de massas MS Cromatografia líquida acoplada a espectrometria de massas 9 55 83 11 11 12 14 33 39 57 58 59 62 66 70 85 86 91 95 96 102 104 116 123 UNIDADE 4 ESPECTROSCOPIA NO INFRAVERMELHO A espectroscopia e o espectro eletromagnético Histórico Definição Fundamentos Espectro de absorção na região do infravermelho Aplicações Espectroscopia na região do infravermelho de moléculas orgânicas Princípios de absorção da luz no infravermelho Intensidade das bandas de absorção no infravermelho Interação energiamatéria As frequências características dos grupos Interpretando espectros na região do infravermelho UNIDADE 5 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE HIDROGÊNIO Explicações preliminares Aplicações e princípios gerais Propriedades magnéticas dos núcleos e instrumentação geral O espectro de ressonância magnética nuclear Fatores que afetam o deslocamento químico Equivalência química Tipos de hidrogênios Acoplamento com vizinhos não equivalentes quiralidade Os instrumentos de alta resolução UNIDADE 6 ESPECTROMETRIA DE RESSONâNCIA MAGNéTICA NUCLEAR DE CARBONO13 Introdução revendo princípios da RMN O espectro de RMN 13C O deslocamento químico do 13C Intensidade dos sinais Desacoplamento de spins 1H1H dupla ressonância nuclear Acoplamento de Spins 13C1H Cálculos teóricos de deslocamento químico do 13C Avanços técnicos na FTNMR DEPT 13C e 2DRMN RMN em duas dimensões RMN2D MINICURRÍCULO DO AUTOR 261 REFERÊNCIAS 262 169 219 137 137 138 139 141 142 142 147 148 148 150 171 173 174 181 183 187 199 200 221 224 225 228 228 230 231 233 236 135 Objetivos Relacionar propriedades físicas dos compostos orgânicos com suas estruturas moleculares Identificar a presença e a natureza de heteroátomos na estrutura molecular Estudar a reatividade relativa de diversos grupos funcionais Realizar algumas interconversões funcionais por meio de testes de grupos funcionais e preparação de derivados Usar a análise orgânica qualitativa e quantitativa clássica na identificação de amostras desconhecidas Determinar a fórmula molecular e obter informações estruturais UNIDADE 1 IDENtIFICAçãO SIStEMátICA DE COMPOStOS ORGÂNICOS IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 11 IDENtIFICAçãO SIStEMátICA DE COMPOStOS ORGÂNICOS Análise estrutural passado e presente A metodologia clássica usada na identificação de amostras orgânicas foi desenvolvida muito depois da sistemática analítica inorgânica O primeiro e bem sucedido programa de análise orgânica qualitativa foi apresentado pelo professor Oliver Kamm em seu livro texto de 1922 Antigamente a identificação de uma substância dependia da determinação de sua fórmula molecular por intermédio da análise elementar da determinação das propriedades físicas da substância tais como ponto de fusão ponto de ebulição entre outros e de testes químicos simples que indicam a presença ou ausência de certos grupos funcionais Embora a química orgânica prática tenha sofrido uma grande revolução nas últimas décadas com o desenvolvimento de métodos instrumentais de separação e análise particularmente a cromatografia e as técnicas espectroscópicas o interesse na análise qualitativa clássica permanece pois constitui método eficaz para o ensino e pode auxiliar na proposição estrutural juntamente com métodos modernos Identificação sistemática de compostos orgânicos Mas o que fazer quando estamos diante de um material desconhecido Quando um químico orgânico se encontra diante de um material desconhecido que acaba de sintetizar ou extrair de um organismo vivo animal ou vegetal precisa desvendar sua estrutura e ainda buscar novas aplicações Sem conhecer sua estrutura os químicos não podem esquematizar caminhos para sintetizála muito menos desenvolver estudos que promovam descobertas sobre o seu comportamento biológico Com esse propósito podese adotar UNIDADE 1 12 vários métodos físicoquímicos Fenômeno físico é aquele que não altera as moléculas eou íons das substâncias participantes Fenômeno químico é aquele que altera as moléculas eou íons de pelo menos uma das substâncias participantes O material pode se apresentar em uma única fase ou em mais de uma fase Critérios de pureza Critérios de pureza são testes de laboratório usados para verificar se uma substância é pura Os mais usados são determinação de ponto de fusão pf ponto de ebulição pe densidade e solubilidade OU Assim na identificação de substâncias orgânicas desconhecidas o químico raramente encontra amostras puras Contaminantes tais como subprodutos de reação de matériasprimas ou produtos de decomposição e oxidação geralmente acompanham a amostra É imprescindível que a amostra a ser submetida à identificação esteja pura Frequentemente será necessária a adoção de procedimentos para purificação destilação recristalização extração e cromatografia Origem desconhecida Produto natural isolado Produto de síntese Material desconhecido Material tem uma única fase Material tem mais de uma fase Mistura heterogênea Substância pura ou mistura homogênea IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 13 Algumas técnicas podem ser adotadas para verificação de pureza do material tais como a cromatografia em camada delgada CCD ponto de fusão pf ponto de ebulição pe ou sua identidade pode ser comprovada pela comparação com padrões previamente caracterizados isolados ou viáveis comercialmente Diante de uma mistura o químico também pode ultilizar algumas técnicas clássicas de separação como as mencionadas a seguir Em geral uma lista de identidades possíveis para uma substância desconhecida pode ser estabelecida mediante consideração dos exames preliminares da determinação das constantes físicas da análise qualitativa elementar fusão com sódio do exame da solubilidade em solventes selecionados e dos testes para grupos funcionais Porém a determinação segura e precisa da identidade de uma amostra requer na maioria das vezes conversão do composto desconhecido em derivado adequado Na proposta de Cooley e Williams Analysis in the Begining Organic Chemistry Laboratory J Chem Educ 1999 76 1117 recomendase a combinação de testes de solubilidade com testes de classificação grupos funcionais O pesquisador pode selecionar algumas poucas possibilidades para a amostra desconhecida as quais serão então avaliadas com base em constantes físicas tabeladas Adicionalmente ao final do processo de análise Ponto de fusão CCD Índice de refração Rotação específica Ponto de ebulição Critério de pureza Métodos cromatográficos Recristalização Destilação Mistura Métodos de separação UNIDADE 1 14 por meio dos testes úmidos recomendase o uso de espectroscopia de RMN 1H e IV para confirmação de identidade Essa abordagem permite o estudo sistemático da reatividade de vários grupos funcionais e não apenas o estudo de grupos funcionais isolados como geralmente é apresentado nos livros de química orgânica Às vezes podemos estabelecer a identidade de uma substância orgânica desconhecida com base apenas em dados espectrais IV EM e RMN técnicas modernas de determinação estrutural descritas nas próximas unidades Entretanto com frequência tornase necessário complementar os dados espectrais com outras informações como constantes físicas análise elementar rotação ótica específica solubilidade etc Adicionalmente em determinadas circunstâncias a realização de testes para caracterização de grupos funcionais e preparação de derivados cristalinos com ponto de fusão bem definido tornase necessária Análise orgânica qualitativa clássica Na análise orgânica qualitativa clássica recomendase a execução sequencial dos seguintes procedimentos experimentais Exame preliminar O exame preliminar pode fornecer muitas informações se levado a cabo inteligentemente Por exemplo Análise elementar método químico Critério de pureza substância pura Informações sobre Composição fórmula Indentificação por métodos químicos Indentificação por métodos espectroscópicos métodos físicos Informações sobre grupos funcionais Informações sobre conectividade de átomos de C e H estrutura IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 15 Cor A cor da amostra é muito informativa Substâncias orgânicas com grupos funcionais conjugados são coloridas e a intensidade da cor depende da extensão da conjugação Nitro e nitrosocompostos aromáticos e αdicetonas são amarelos quinonas e azocompostos são de cor amarela laranja ou vermelha cetonas e alcenos extensamente conjugados possuem cores que vão do amarelo ao púrpura substâncias saturadas ou com baixo grau de insaturação são brancas ou pouco coloridas A cor marrom é geralmente causada por pequenas impurezas Aminas e fenóis incolores tornamse rapidamente marrons ou púrpura pela formação de produtos de oxidação Odor O cheiro de muitas substâncias orgânicas é extremamente característico particularmente os de baixo peso molecular Com alguma experiência poderemos reconhecer os odores característicos de muitas classes funcionais Chama O teste de ignição é também bastante informativo Uma pequena quantidade da amostra cerca de 50 mg se sólido ou uma gota de líquido em espátula ou cadinho deve ser brandamente aquecida numa chama Se sólido observe a temperatura aproximada de fusão e se há decomposição a temperatura em que a substância se funde é dependente de sua polaridade Observe a inflamabilidade e a natureza da chama a presença de halogênio dificulta ou impede a inflamabilidade O inconfundível cheiro de dióxido de enxofre indica a presença de enxofre no composto Uma chama amarela fuliginosa indica alta insaturação ou elevado número de carbonos na molécula mas uma chama amarela não fuliginosa é característica de hidrocarbonetos alifáticos Se uma grande quantidade permanece inalterada após a ignição a amostra desconhecida é provavelmente um sal metálico O teste pode ser feito também como visto em Química Geral para detectar a presença de certos cátions Pureza Um ponto de ebulição constante ou um faixa de fusão estreita são indicadores de pureza da amostra Mais informação sobre a pureza pode ser obtida por cromatografia em camada delgada Purifique a amostra se Cheirar substãncias desconhecidas não é recomendável pois muitos compostos orgânicos podem causar intoxicação grave UNIDADE 1 16 necessário destilação recristalização ou cromatografia em coluna Veja o Experimento 11 sobre processos de hidrodestilação A água no balão de destilação é aquecida até a ebulição O vapor produzido é direcionado para dentro do recipiente que contém a planta misturada com água Ali as moléculas do vapor se misturam com a água aumentando sua temperatura mas não a ponto de fazêla ebulir Os gases escapam então pela cabeça de Claisen arrastando o óleo da planta responsável pelo odor sem que ocorra danificação molecular Ao passar pelo condensador o gás retorna ao estado líquido e vai para o frasco coletor do destilado No final do processo a essência aromatizante está contida na água Algumas são vendidas no mercado dessa forma caso das essências de baunilha laranja limão etc ou já separadas do líquido por um processo chamado de filtração por decantação Neste a mistura é colocada em um funil de decantação e após algum tempo óleo e água se separam devido à diferença de densidade Ao abrir a torneira do funil a água sai e o óleo é recolhido em outro recipiente Experimento 11 Destilação por arraste Processo de extração de óleos essenciais Adaptado de httpvejaabrilcombr Determinação de constantes físicas Na caracterização de uma substância orgânica a determinação das constantes físicas tais como ponto de fusão e ponto de ebulição é primordial pois não só fornece informações úteis para a identificação da amostra como IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 17 pode ser fundamental na dedução de sua pureza Um ponto de fusão nítido geralmente evidencia pureza da amostra mas o mesmo não se aplica ao ponto de ebulição Outras constantes físicas usadas para líquidos suficientemente características particularmente no caso de hidrocarbonetos éteres e outras classes funcionais pouco reativas são o índice de refração e a densidade A densidade pode servir como critério de pureza de uma amostra porém exceto para substâncias muito inertes raramente é utilizada nas etapas iniciais de identificação estrutural O índice de refração facilmente medido em amostras líquidas constitui bom critério de pureza servindo às vezes de suporte na identificação A rotação óptica e o fator de retenção Rf quando aplicáveis devem ser também considerados Análise elementar qualitativa e quantitativa fusão com sódio Foi somente depois dos clássicos trabalhos de Lavoisier desenvolvidos no período 17721777 que a natureza dos compostos orgânicos pode ser esclarecida já que todos produziam gás carbônico e vapor de água em sua combustão Em alguns casos observouse também a presença de nitrogênio elementar CAMPOS 1980 Em que pese essas observações foi só em meados do século XIX que foi dada ênfase ao fato de todos compostos orgânicos conterem carbono A presença de CO2 e H2O na combustão das substâncias orgânicas se constitui portanto em uma prova qualitativa da presença de carbono C e hidrogênio H Carbono hidrogênio nitrogênio oxigênio e enxofre são os elementos básicos da vida Hoje existem equipamentos modernos de análise elementar desses constituintes Entretanto sua determinação quantitativa dentro das combinações mais versáteis e substâncias requer reagentes especiais testados para este propósito As substâncias de teste catalisadores e substâncias de contato podem ser encontradas na linha de produto especialmente projetada para análise dos elementos UNIDADE 1 18 A microanálise análise elementar ou análise centesimal é um procedimento químico para se descobrir quais são os elementos constituintes de uma determinada molécula e sua proporção Através desse procedimento determinase a fórmula bruta de compostos orgânicos Através da pirólise de um determinado composto que contenha O C S N e H principalmente e da análise dos gases resultantes de sua decomposição óxidos de N SO2 CO2 e H2O podemos saber a sua composição percentual em massa destes elementos Esta á uma técnica destrutiva as amostras são destruídas durante as análises Equipamento moderno de análise elementar Experimento 12 A microanálise análise elementar ou análise centesimal Adaptado de httpptwikipediaorg A determinação da presença de outros elementos além de C e H em uma amostra orgânica desconhecida é de enorme significado no processo de identificação Experimento 13 Heteroátomos como nitrogênio enxofre eou halogênios podem ser detectados pelo teste de Lassaigne O teste consiste na fusão da amostra desconhecida com excesso de sódio metálico quando átomos de nitrogênio enxofre ou halogênios são mineralizados convertendose respectivamente em cianeto sulfeto ou halogeneto de sódio os quais são detectados mediante ensaios específicos IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 19 Carbono e hidrogênio podem ser detectados aquecendose um composto orgânico com CuO Nesta reação o carbono é oxidado a CO2 e hidrogênio a H2O O CO2 é detectado pelo teste com água de cal enquanto que a água é detectada pelo teste com CuSO4 anidro Veja reações a seguir C 2CuO CO 2Cu no composto 2H CuO H2O Cu no composto CO2 CaOH3 CaCO3 H2O 5H2O CuSO4 CuSO45 H2O Sistema para detecção de C e H em um composto orgânico Experimento 13 A microanálise análise elementar ou análise centesimal Adaptado de httpwwwtutorvistacomcontentchemistrychemistryiiiorganic compoundsqualitativeanalysisphp O íon cianeto pode ser comprovado através da formação do ferrocianeto férrico azuldaprússia ao se tratar a solução aquosa do fundido com sulfato ferroso e férrico 18NaCN 3FeSO4 2Fe2SO43 Fe4FeCN63 9Na2SO2 UNIDADE 1 20 Em se tratando da verificação de halogênios a solução é aquecida com HNO3 diluído afim de eliminar o cianeto e o sulfeto e depois tratada com solução de AgNO3 A presença de um precipitado cuja coloração varia do branco ao amarelo dependendo da natureza do halogênio indica a presença de halogênio na substância analisada Os íons sulfeto podem ser constatados pelo aparecimento de um precipitado preto de sulfeto de chumbo ao se tratar a solução acidulada com HNO3 com acetato de chumbo Na2S PbCH3CO22 PbS 2NaCH3CO2 Em condições análogas substâncias orgânicas contendo fósforo dão origem ao fosfato de sódio cuja presença se verifica pelos processos analíticos usuais É importante salientar que a combustão de compostos orgânicos já havia sido utilizada por Lavoisier para a análise quantitativa de C e H A substância era pesada e colocada em um balão fechado a mercúrio e contendo oxigênio Após a combustão os volumes liberados de CO2 e H2O eram medidos Em face da pequena exatidão do método esses resultados pouco contribuíram para o esclarecimento da estrutura dos compostos orgânicos Hoje há analisadores elementares comercialmente viáveis capazes de determinar simultaneamente a percentagem de C H e N em um composto Nestes instrumentos a amostra é queimada em uma chama de oxigênio IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 21 Os produtos gasosos são convertidos em CO2 H2O e N que podem ser detectados via cromatografia gasosa usando detectores de condutividade térmica A quantidade precisa de cada gás produzida na combustão é determinada pela integração dos picos correspondente em cromatografia a gás Observação a execução do teste é potencialmente perigosa Substâncias polinitradas e polihalogenadas tendem a reagir explosivamente com sódio metálico Certifiquese de tomar as devidas precauções com segurança óculos de segurança solventes inflamáveis longe do local etc Colocar dois pedacinhos cerca de 3 mm de diâmetro de sódio metálico cuidado em um tubo de ensaio de 10 75 mm Cobrir o metal com cerca de 005 g da amostra fixar o tubo com uma pinça e aquecer suavemente no início pode ocorrer reação vigorosa e logo fortemente para completar a mineralização da amostra Mergulhar o tubo ainda quente em 10 mL de água cuidado pode haver ainda sódio que não reagiu esmagar os fragmentos com um bastão e aquecer brevemente Resfriar a mistura e filtrar Dividir o filtrado em 3 porções Adicionar à 1ª porção cerca de 02 g de FeSO47H2O formase precipitado esverdeado de FeOH2 senão adicionar algumas gotas de NaOH a 10 e aquecer até à ebulição por alguns minutos para converter eventual NaCN presente ao íon ferrocianeto Resfriar e adicionar 1 gota de FeCl3 a 5 seguido de acidificação com H2SO4 2 molL Formação de cor ou precipitado azul indica presença de nitrogênio na amostra Adicionar à 2ª porção algumas gotas de HNO3 concentrado para acidificar a solução e evaporar até à metade em cápsula de porcelana Testar a solução evaporada com 2 ou 3 gotas de AgNO3 a 5 Precipitado de AgX indica presença de halogênio Adicionar à 3ª porção 2 ou 3 gotas de PbOAc2 a 5 Formação de um precipitado preto de PbS indica presença de enxofre na amostra É necessário garantir excesso de sódio metálico na mineralização posto que se nitrogênio também estiver presente na amostra o enxofre pode reagir só até o estágio de formação de tiocianato Na S C N NaSCN 2Na NaSCN Na2S NaCN Experimento 14 Teste de Lassaigne Problema 11 983 mg de uma amostra desconhecida foi submetida a combustão produzindo 2326 mg de CO2 e 952 mg de H2O Calcule a fórmula percentual fórmula empírica UNIDADE 1 22 Solução A composição percentual resultante pode ser usada para calcular a fórmula empírica da substância que está sendo estudada Note que a fórmula empírica expressa uma razão simples entre os elementos presentes na substância A fórmula empírica ou mínima pode não ser a fórmula verdadeira ou fórmula molecular FM da substância que está sendo examinada A FM pode ser algum múltiplo da fórmula mínima Métodos matemáticos usados para determinar a fórmula empírica já lhe são familiares de Química Geral Como ilustração portanto o cálculo para esse problema é mostrado resumidamente a seguir a mmoles de CO2 2326 mg de CO2 4401 mg mmol1 05285 mmoles de CO2 b mmoles de C na amostra original mmoles de CO2 05285 mmoles c mg de C na amostra original 05285 mmoles 1201 mg mmol1 635 mg d mmoles de H2O 952 mg de H2O 1802 mg mmol1 0528 mmoles de H2O e mmoles de H na amostra original 2 mmoles de H2O 2 x 0528 1056 mmoles f mg de H na amostra original 1056 mmoles 1008 mg mmol1 106 mg C 635 mg de C 983 mg de amostra 100 646 H 106 mg de H 983 mg de amostra 100 108 O 100 646 108 100 754 246 Cálculo da fórmula mínima Em 100g de amostra 646 de C 646 g de C 108 de H 108 g de H 246 de O 246 g de O g moles de C 646 de C 1201 g mol1 538 moles de C h moles de H 108 de H 1008 g mol1 1078 moles de H i moles de O 246 de O 160 g mol1 154 moles de O Dando como resultado C538H1078O154 que convertendo para uma razão simplificada dá C349H695O100 que corresponde a aproximadamente C350H700O100 que convertendo em números inteiros dá a fórmula mínima C7H14O2 IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 23 Teste de solubilidade Muitas informações sobre a natureza da amostra podem ser obtidas mediante simples teste de solubilidade A solubilidade dos compostos orgânicos pode ser dividida em duas categorias principais a solubilidade decorrente de simples miscibilidade e a solubilidade resultante de uma reação química por exemplo uma reação ácidobase Na prática determinase a solubilidade de uma amostra desconhecida nos solventes que podem fornecer informações úteis tais como água ácido clorídrico diluído hidróxido de sódio diluído solução de bicarbonato de sódio e ácido sulfúrico concentrado e frio como apresentado na Figura 11 Recomendase também ensaios de solubilidade em solventes orgânicos em geral Embora úteis na identificação eventual de uma amostra devese ter em mente que os testes de solubilidade não são infalíveis posto que muitos casos limítrofes de solubilidade são conhecidos Ver Experimento 15 01 g do composto sólido ou 02 mL do composto líquido adicionamse 3 mL de solvente agitase o tubo vigorosamente durante 2 minutos acompanhando o comportamento da mistura Se houver dissolução total da amostra o composto será considerado solúvel Obs Durante o teste a solução deve ser mantida à temperatura ambiente Experimento 15 Procedimento para se determinar a solubilidade de uma substância Teste de grupos funcionais Após a amostra desconhecida ter sido classificada em um dos grupos de solubilidade podese escolher e aplicar os testes de funcionalidade adequados Por meio desses testes funções muito parecidas podem ser facilmente diferenciadas como por exemplo aldeídos de cetonas acetilenos de olefinas álcoois de éteres etc Em geral esses testes são muito simples e rápidos mas em certos casos usam quantidades de reagentes consideradas excessivas A Figura 11 mostra um esquema simples de identificação de grupos funcionais reação ou extração com solventes reativos Para melhores UNIDADE 1 24 detalhes sobre esse experimento acesse o site httpwwwqmcufscbr organica Figura 11 Esquema para classificação de grupo de solubilidade A análise qualitativa e a solubilidade situam o composto em um dos sete grupos de solubilidades As reações de classes definem a qual das classes o composto pertence grupo funcional Os métodos espectrométricos modernos são muito mais rápidos e econômicos mesmo assim os testes de caracterização de grupos funcionais muitas vezes ainda são usados para elucidar questões duvidosas sob o ponto de vista das técnicas espectrométricas Cada grupo funcional apresenta certas reações características daí as mesmas serem utilizadas como reações de identificação Estas reações são testes qualitativos que permitem caracterizar uma determinada funcionalidade observandose uma transformação química através de mudanças físicas provocadas por uma reação Algumas dessas mudanças não são fáceis de serem observadas mas úteis num determinado instante particular Com restrições adicionais os testes de análise funcional devem ser realizados à pressão atmosférica e num intervalo de tempo relativamente pequeno A partir da evidência experimental acumulada deduzse o grupo IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 25 funcional ou os grupos funcionais que provavelmente estão presentes na amostra desconhecida e realizamse os ensaios por meio de reagentes apropriados à classificação De maneira geral os testes químicos podem ser agrupados em Testes Bioquímicos Teste de Clinistrips mede os níveis de açúcar na urina Teste de Solução de Iodo para amido Teste de Zimmermann para cetoesteróides Teste de Seliwanoff para diferenciação entre aldoses e cetoses Teste de Benedict ou Fehling para açúcares redutores ou aldeídos Teste de Molisch para carboidratos Testes Orgânicos Teste Griess para nitritos Teste de Iodofórmio para metilcetonas ou compostos que podem ser oxidados a metilcetonas Teste de Schiff para detectar aldeídos Reagentes de Tollens para aldeídos Teste de Zeisel para detectar presença de ésteres ou éteres Teste de Lucas que faz a distinção entre álcoois primários secundários e terciários Testes Inorgânicos Testes de Cloreto de Bário para sulfatos Teste Químico para cianeto Teste da Chama para metais Teste de Nessler para amônia Listados a seguir estão os mais importantes testes de análise funcional organizados por classes funcionais inclusive com as instruções para o respectivo emprego O estudante é fortemente aconselhado a não efetuar ensaios desnecessários pois não somente constituem uma perda de tempo e reagente bem como aumentam a possibilidade de erro Sugere se a leitura de obras especificadas na bibliografia em que são discutidas em profundidade as limitações e detalhes experimentais destes e de outros testes UNIDADE 1 26 Teste de Bayer O teste de Bayer consiste no descoramento da solução de permanganato de potássio pela ligação múltipla de um alqueno ou alquino com formação de um precipitado marrom MnO2 Teste com solução de bromo em tetracloreto de carbono Ligações múltiplas de alquenos e alquinos descoram a solução de bromo em tetracloreto de carbono devido à formação de dibrometo ou tetrabrometo incolores Ligações múltiplas conjugadas com grupos carbonílicos CC CO nas condições da realização do teste de adição de bromo geralmente manifestam resultado negativo Halogenetos de alquila Os testes químicos de identificação de halogenetos de alquila tanto servem para evidenciar a presença de halogênio cloro bromo ou iodo como para decidir se a amostra em questão é um halogeneto primário secundário ou terciário Os dois testes mais empregados são a reação com solução alcoólica de nitrato de prata e a reação com solução de iodeto de sódio em acetona IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 27 Solução alcoólica de nitrato de prata Os halogenetos de alquila reagem com nitrato de prata com precipitação do halogeneto de prata A reação ocorre através de mecanismo SN1 e a reatividade dos halogenetos de alquila cresce na seguinte ordem primários secundários terciários A velocidade da reação também é influenciada pelo tipo de halogênio envolvido na reação Os brometos e iodetos de alquila são mais reativos do que os cloretos que podem às vezes exigir aquecimento Os halogenetos de arila vinila eou alquinila não reagem Os halogenetos de alila CCCX e de benzila apresentam reatividade semelhante à dos halogenetos terciários Esse teste pode ser também usado na determinação do halogênio já que o halogeneto de prata formado tem coloração diferente dependendo do íon halogeneto cloreto de prata é branco brometo de prata amarelopálido e iodeto de prata amarelo Testes para fenóis Os fenóis têm características ácidas Os valores de pKa variam muito com a natureza dos substituintes Os principais testes de identificação de fenóis produzem cor São os testes com hidróxido de sódio e com cloreto férrico Teste com hidróxido de sódio Os fenóis reagem com hidróxido de sódio produzindo fenolatos que podem ser coloridos ou tornarse marrons por oxidação Alguns fenolatos precipitam em solução aquosa de hidróxido de sódio a 10 mas se dissolvem em água UNIDADE 1 28 Teste com cloreto férrico Os fenóis formam complexos coloridos com íon Fe3 A coloração varia do azul ao vermelho O teste do cloreto férrico pode ser efetuado em água metanol ou em diclorometano Testes para álcoois A identificação dos álcoois primários e secundários é feita com o teste de Jones e com o teste de Lucas Teste de Jones O teste de Jones baseiase na oxidação de álcoois primários e secundários a ácidos carboxílicos e cetonas respectivamente pelo ácido crômico A oxidação é acompanhada pela formação de um precipitado verde de sulfato crômico O teste de Jones também dá resultado positivo para aldeídos eou fenóis Teste de Lucas O chamado teste de Lucas é a reação de álcoois com solução de ácido clorídrico e cloreto de zinco com a formação de cloreto de alquila A reação ocorre com a formação de um carbocátion intermediário Forma se mais rapidamente o carbocátion mais estável e a reatividade de álcoois aumenta na seguinte ordem primário secundário terciário alílico benzílico O teste de Lucas é indicado somente para álcoois solúveis em água IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 29 Testes para aldeídos e cetonas Teste com 24dinitrofenilidrazina Os aldeídos e cetonas reagem com a 24dinitrofenilidrazina em meio ácido para dar 24dinitrofenilidrazonas usualmente como um precipitado de coloração amareloavermelhada O produto tem na maior parte dos casos um ponto de fusão definido o que permite caracterizar o aldeído ou cetona original Ensaio de Tollens Este ensaio permite a distinção entre aldeídos e cetonas A oxidação do aldeído pelo reagente de Tollens fornece um precipitado de prata elementar que aparece como um espelho nas paredes do tubo de ensaio As cetonas não reagem Teste do Iodofórmio Este ensaio é positivo com amostras que contêm os grupos CH3CO ou CH2ICO ou CHI2CO ligados a um átomo de hidrogênio ou um átomo de carbono que não tem hidrogênios muito ativos ou grupos que contribuem com um grau excessivo de impedimento estéreo O ensaio permite a distinção entre cetonas RCOR e metilcetonas RCOCH3 As substâncias que contêm um dos grupos mencionados não darão iodofórmio se o grupo for destruído pela ação hidrolítica do reagente antes da iodação se completar UNIDADE 1 30 O ensaio do iodofórmio será positivo como é claro com compostos que reagem com o reagente teste e formam um derivado que contém um dos grupos mencionados acima A seguir aparecem os tipos principais de compostos que dão resultado positivo no ensaio Teste de Fehling ou Benedict Os reagentes de Fehling e de Benedict são usados para promover a oxidação seletiva dos aldeídos especialmente em carboidratos Estes reagentes contêm o íon cúprico Cu2 em solução básica complexado com o ânion do ácido tartárico Fehling ou do ácido cítrico Benedict Ao oxidarse o aldeído para formar um ácido carboxílico o complexo azul de Cu2 é reduzido a íon cuproso Cu que na solução básica forma um precipitado marrom avermelhado de Cu2O RCHO 2Cu 4OH RCO2H 2H2O ptt marrom avermelhado A Dglicose e outros carboidratos que são oxidados por oxidantes fracos como reagente de Tollens Ag Fehling ou Benedict Cu2 são chamados redutores porque reduzem estes reagentes O reagente de Fehling é usado como um teste qualitativo para a presença de glicose na urina uma indicação de diabetes ou disfunção renal IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 31 Ácidos carboxílicos Os ácidos carboxílicos são geralmente caracterizados pela sua capacidade de ionizar e reagir com bases Os ácidos carboxílicos são solúveis em solução aquosa de bicarbonato de sódio a 5 com evolução de dióxido de carbono e em solução aquosa de hidróxido de sódio a 5 Os ácidos carboxílicos solúveis em água ionizamse dando pH menor que 7 Testes para ésteres Teste para ésteres com cloreto de hidrolixamônio Os ésteres de ácidos carboxílicos são normalmente caracterizados pela reação com hidroxilamina e cloreto férrico O éster reage com cloreto de hidroxilamônio cloridrato de hidroxilamina em meio básico para dar o sal do ácido hidroxâmico Este se converte em meio ácido em ácido hidroxâmico que por sua vez reage com cloreto férrico produzindo um complexo de coloração violácea A cor varia em intensidade dependendo do éster Os cloretos de ácido os anidridos as aminas o ácido fórmico e algumas amidas também formam complexos coloridos com os reagentes citados acima Compostos nitrados alifáticos interagem com cloreto férrico em meio básico Este teste não é recomendado para compostos que contenham grupos capazes de formar complexos coloridos com cloreto férrico Dentre estes grupos destacamse a hidroxila de fenóis e a forma enólica de certos aldeídos e cetonas Por este motivo costumase fazer um ensaio preliminar utilizando apenas cloreto férrico UNIDADE 1 32 Teste para nitrocompostos com sulfato ferroso amoniacal para substâncias mononitradas As substâncias orgânicas que possuem grupos oxidantes são capazes de oxidar hidróxido ferroso azul a hidróxido férrico marrom A reação ocorre principalmente com compostos alifáticos ou aromáticos mononitrados que são reduzidos a aminas Compostos nitrosos hidroxilaminas nitratos de alquila alquilnitrilas e quinonas também costumam oxidar o hidróxido ferroso RNO2 6FeOH2 4H2O RNH2 6FeOH3 azul marron Teste para aminas Aminas são substâncias com caráter básico isto é interagem com água para produzir íons hidróxido O pH da solução resultante normalmente é maior do que 7 Teste para aminas com pNNdimetilaminobenzaldeído Este teste aplicase exclusivamente a aminas primárias aromáticas e baseia se na reação destas aminas com o pNNdimetilaminobenzaldeído em meio ácido com produção de iminas Estas iminas são conhecidas como bases de Schiff e possuem coloração laranja avermelhada intensa Teste para aminoácidos com ninidrina Todos os aminoácidos que contêm o grupo αamino livre reagem com ninidrina produzindo uma substância de coloração azulviolácea Enquanto que a prolina e a hidroxiprolina que possuem o grupo αamino substituído fornece derivados com a cor amarela característica IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 33 Preparação de derivados A partir dos exames anteriores de identificação o estudante chega a uma lista de possibilidades estruturais a etapa seguinte é a confirmação da identidade de uma das possibilidades Na abordagem clássica usase frequentemente converter a amostra desconhecida em um derivado que seja sólido O ponto de fusão de dois diferentes derivados mais o ponto de fusão ou o ponto de ebulição da substância desconhecida muitas vezes são suficientes para identificar completamente a amostra Outros dados podem facilitar a identificação como por exemplo a cor o odor e o aspecto físico dos derivados O estudante poderá encontrar tabelas de ponto de fusão para derivados de substâncias conhecidas em livros textos de Química Orgânica Experimental Estas tabelas poderão ser usadas para identificar a amostra desconhecida Características desejáveis de um derivado satisfatório O derivado deve ser fácil e rapidamente preparado com bom rendimento através de uma reação que não seja ambígua e deve ser facilmente purificado Na prática significa que o derivado deve ser um sólido em virtude da maior facilidade de manipulação de pequenas quantidades de sólidos e do fato de que os pontos de fusão são mais exatos e mais facilmente determinados do que os pontos de ebulição O ponto de fusão deve estar de preferência acima de 50 ºC mas abaixo de 250 ºC UNIDADE 1 34 O derivado deve ser preparado de preferência através de uma reação geral que sob as mesmas condições experimentais produza um derivado definido com outras possibilidades individuais Devese evitar transposições e reações secundárias As propriedades físicas e químicas dos derivados devem ser acentuadamente diferentes das da amostra original O derivado selecionado em qualquer exemplo particular deve ser um que identifique claramente um composto entre todas as possibilidades e assim possibilite a escolha inequívoca a ser feita Os pontos de fusão dos derivados a serem comparados devem diferir no mínimo de 5 a 10 As considerações feitas acima ajudarão o aluno na seleção de um derivado Devese ter em mente que quando um composto tem vários grupamentos funcionais devese escolher para a preparação de um derivado aquele grupamento funcional que dê a mínima reação ambígua Adicionalmente é necessário que o derivado apresente elevado grau de pureza Como normalmente tratase de uma amostra sólida a técnica de recristalização é bastante útil nesta etapa da determinação sistemática clássica de substâncias orgânicas desconhecidas Os métodos de preparação de alguns dos mais importantes derivados de um grande número de classes de compostos orgânicos serão descritos a seguir Para maiores detalhes consulte a bibliografia sugerida Derivados de haletos de arila Nitração Adicione 2 ml de ácido sulfúrico concentrado a 05 g do haleto de arila ou composto aromático e agite Adicione 2 ml de ácido nítrico concentrado à mistura reacional gotaagota com agitação e resfriamento Então aqueça e agite a mistura reacional em um banho de água cerca de 50 ºC por 15 min transfiraa para um béquer contendo cerca de 10 ml de água fria ou gelo e colete os cristais por filtração Recristalize em metanol até obter um produto de ponto de fusão constante Para amostras aromáticas não reativas use ácido nítrico fumegante no lugar de ácido nítrico concentrado Oxidação da cadeia lateral Dissolva 1 g de dicromato de sódio em 3 ml de água e adicione 2 ml de ácido sulfúrico concentrado Adicione 025 g do composto desconhecido e aqueça a ebulição por 30 min Resfrie adicione 2 ou 3 ml de água e então remova o ácido carboxílico por filtração Lave os IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 35 cristais com água e recristalize de metanolágua Derivados de hidrocarbonetos aromáticos Nitração Siga o procedimento descrito para haletos de arila Picratos Adicione uma solução de 015 g de composto desconhecido em 5 ml de etanol ou 5 ml de uma solução saturada do desconhecido a 5 ml de uma solução saturada de ácido pícrico 246trinitrofenol um ácido forte em etanol e aqueça a solução até à ebulição Resfrie lentamente remova o picrato por filtração e lave com uma pequena quantidade de etanol A recristalização não é usualmente necessária Derivados de álcoois 35Dinitrobenzoatos Aqueça ao refluxo brando 03 g de cloreto de 35dinitrobenzoila e 05 ml do álcool por 5 min Resfrie a mistura pulverize qualquer sólido que tenha se formado e adicione 5 ml de uma solução de carbonato de sódio a 2 Continue a triturar o sólido com a solução de carbonato para remover o ácido 35dinitrobenzóico por cerca de 5 min filtre e lave os cristais com água Dissolva o produto em cerca de 10 ml de etanol quente adicione água ao ponto de turvação para forçar a cristalização Lave o 35dinitrobenzoato com águaálcool e seque Feniluretanas Misture 05 ml de álcool anidro ou fenol e 05 ml de isocianato de fenila ou isocianato de αnaftila e aqueça em um banho de água por 5 min Se o composto desconhecido é um fenol adicione 2 ou 3 gotas de piridina à mistura Resfrie adicione cerca de 6 ml de ligroína éter de petróleo de baixo peso molecular aqueça o produto filtrea a quente para remover uma pequena quantidade de difenilureia que usualmente se forma e resfrie o filtrado em um banho de gelo atritando o recipiente para induzir a cristalização UNIDADE 1 36 Derivados de fenóis αNaftiluretanas Siga o procedimento descrito para a preparação de feniluretanas de álcoois Bromo Derivados Em um Erlenmeyer de 10 ml dissolva 08 g de brometo de potássio em 5 ml de água Cuidadosamente adicione 05 g de bromo capela Em um frasco separado dissolva 01 g do fenol em 1 ml de metanol e adicione 1 ml de água Adicione a este cerca de 15 ml da solução de bromo com agitação continue a adição de bromo até que a cor amarela do bromo em excesso persista Adicione 3 a 4 ml de água à mistura reacional e agite vigorosamente Remova o produto por filtração e laveo bem com água Recristalize de metanolágua Derivados de aldeídos e cetonas Semicarbazonas Coloque 05 ml de uma solução 2 moll de hidrocloreto de semicarbazida em um pequeno tubo de ensaio Adicione cerca de 1 mmol do composto desconhecido ao tubo de ensaio Se o composto desconhecido não se dissolve na solução ou se a solução ficar turva adicione metanol em quantidade suficiente para dissolver o sólido e tornar a solução límpida Usando uma pipeta capilar adicione 10 gotas de piridina e aqueça cuidadosamente a mistura em um banho de vapor por 5 min durante esse tempo o produto começa a cristalizar Colete o produto por filtração a vácuo O produto deverá ser recristalizado em etanol se necessário IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 37 24Dinitrofenilidrazonas Coloque 10 ml de uma solução de 01 moll de 24dinitrofenilidrazina em um tubo de ensaio e adicione aproximadamente 1 mmol do composto desconhecido Se o composto desconhecido é um sólido ele poderá se dissolver em uma quantidade mínima de etanol a 95 ou de 12dimetoxietano Se a cristalização não é imediata aqueça a solução em um banho de vapor por um minuto e então deixe em repouso para cristalizar Colete o produto por filtração a vácuo Derivados de aminas primárias e secundárias Benzamidas A uma suspensão de 05 ml da amina desconhecida em 1 ml de uma solução aquosa de hidróxido de sódio a 10 adicione cerca de 05 g de cloreto de benzoíla em pequenas porções com vigorosa agitação e resfriamento Após cerca de 10 min de agitação torne o pH da mistura igual a 8 papel de pH pela adição de ácido clorídrico diluído Remova o produto por filtração laveo exaustivamente com água e recristalize em etanolágua Acetamidas Refluxe cerca de 05 ml da amostra desconhecida com 04 ml de anidrido acético por 5 min resfrie e dilua a mistura reacional com 5 ml de água Inicie a cristalização por atrito se necessário Remova os cristais por filtração e lave exaustivamente com ácido clorídrico diluído para remover a amina que não reagiu Recristalize o derivado de etanolágua Aminas de baixa basicidade como a pnitroanilina deve ser refluxada por 30 min a 60 min com 2 ml de piridina como solvente A piridina é removida por agitação da mistura reacional com 10 ml de solução de ácido sulfúrico a 2 o produto é isolado por filtração e recristalizado Derivados de nitrocompostos Redução a aminas Coloque 05 g do composto desconhecido em um balão de 25 ml adicione 1 g de estanho e então adicione 10 ml de ácido clorídrico diluído em pequenas porções Refluxe por 30 min resfrie e adicione 5 ml de água seguido por adição lenta e cuidadosa de uma solução de hidróxido de sódio suficiente para dissolver o hidróxido de estanho Extraia a mistura reacional com três porções de 5 ml de éter seque o extrato etéreo sobre sulfato de sódio anidro e evapore o éter para ter amina Determine o ponto de ebulição ou ponto de fusão da amina e então a converta em benzamida ou acetamida como descrito acima para aminas primárias e secundárias UNIDADE 1 38 Derivados de ácidos carboxílicos pToluidinas e anilidas Em um balão acoplado a um condensador refluxe uma mistura do ácido 05 g e cloreto de tionila 2 ml Resfrie a mistura reacional e adicione 1 g de anilina ou ptoluidina em 30 ml de benzeno Cuidado Use a capela o benzeno é um agente cancerígeno e o cloreto de tionila é irritante Aqueça a mistura em um banho de vapor por 2 min transfira a solução para um funil de separação e lave sucessivamente com porções de 5 ml de água ácido clorídrico a 5 hidróxido de sódio a 5 e água O benzeno é filtrado por um funil contendo sulfato de sódio anidro e evaporado o derivado é recristalizado de água ou etanolágua Amidas Refluxe uma mistura do ácido 05 g e cloreto de tionila 2 ml durante 30 min Use a capela cloreto de tionila é irritante Após esse tempo deixe a mistura reacional resfriar e a introduza em 7 ml de amônia concentrada gelada Agite até que a reação se complete colete o produto por filtração a vácuo e recristalize de água ou etanolágua Derivados de anidridos e cloretos ácidos Ácidos Refluxe 02 ml do cloreto de ácido ou anidrido com 5 ml de uma solução de carbonato de sódio a 5 por 20 min ou menos Extraia o material de partida que não reagiu com 5 ml de éter se necessário e acidifique a mistura reacional com ácido sulfúrico diluído para liberar o ácido carboxílico Amidas Misture 05 g do composto desconhecido com 7 ml amônia concentrada previamente resfriada em um banho de gelo com agitação Quando a reação estiver terminada colete o produto por filtração e recristalize de água ou etanolágua Anilidas Refluxe 02 g do cloreto de ácido ou anidrido com 05 g de anilina em 10 ml de benzeno cuidado por 10 min Transfira a solução para um funil de separação e lave sucessivamente com porções de 5 ml de água ácido clorídrico a 5 hidróxido de sódio a 5 e água A fase orgânica é filtrada através de um funil com sulfato de sódio anidro e evaporada a anilida é recristalizada de água ou etanolágua IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 39 Dada a sua grande utilização em Química Forense o luminol 3aminoftalhidrazina ou 5amino23dihidroftolazina14diona C8H7O2N3 merece especial destaque Esse composto reage com diversas substâncias químicas no sangue além da hemoglobina formando um composto que ao ser irradiado com luz negra luminesce azul deixando visíveis os locais onde haja algum vestígio de sangue Ainda que o local tenha sido cuidadosamente lavado caso um mínimo resíduo de sangue ainda esteja presente o luminol irá reagir e revelar a existência dos resíduos daí sua grande utilidade pois com frequência o local do crime ou objetos nele presente incluindose roupas usadas pelo criminoso etc são lavados a fim de eliminar vestígios incriminadores Em solução o luminol reage com peróxido de hidrogênio H2O2 e com íon hidroxila OH emitindo luz Uma das reações possíveis é ilustrada a seguir Experimento 16 Teste qualitativo aplicado à química forense Na reação do luminol com íon hidroxila com posterior emissão de fótons conforme ilustrado a emissão dáse em função de decaimento de um estado tripleto para um estado singleto Abordagem fitoquímica Fitoquímica é a ciência destinada ao estudo dos componentes químicos das plantas Normalmente é uma área de atuação dos químicos e farmacêuticos mas ocasionalmente é coordenada por botânicos UNIDADE 1 40 Os trabalhos em fitoquímica consistem no levantamento e estudo de componentes químicos como princípios ativos odores pigmentos moléculas da parede celular As aplicações destes estudos podem se ramificar para a área médica e farmacêutica através da pesquisa de novas substâncias a serem usadas em medicamentos assim como para a taxonomia através do uso pelos botânicos dos caracteres químicos para diferenciar as espécies como também para a química através dos estudos das vias metabólicas que originam as diferentes substâncias presentes nos vegetais entre outras aplicações Análise fitoquímica A pesquisa fitoquímica tem por objetivos conhecer os constituintes químicos de espécies vegetais ou determinar a sua presença quando não se dispõe de estudos químicos sobre a espécie de interesse A análise fitoquímica preliminar pode indicar os grupos de metabólitos secundários relevantes na mesma Classicamente a caracterização dos principais grupos de substâncias vegetais de interesse tem sido conseguida pela realização de reações químicas que resultem no desenvolvimento de coloração eou precipitado característico Testes químicos prospecção Para testes químicos de constituintes químicos de extratos vegetais normalmente utilizase um extrato hidrofílico álcool e água para prospecção de constituintes mais polares e outro lipofílico éter etílico clorofórmio ou benzeno para prospecção de compostos menos polares ou apolares Em ambos os casos a análise é complementada pela aplicação de fracionamento dos extratos em seus constituintes alcalinos ácidos e neutros diretamente numa primeira etapa e numa segunda etapa nos constituintes lipossolúveis separados dos produtos de hidrólise ácida do extrato hidrofílico e de hidrólise alcalina do extrato lipofílico O roteiro compreende ainda determinações de extrativos verificação das propriedades organolépticas e exame visual de possíveis resíduos cristalíferos com auxílio de lupa Estas determinações permitem obter informações úteis para escolha do solvente mais adequado para extração e fornecem indicações sobre a ocorrência de constituintes frequentemente de sabor ou odor característicos bem como IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 41 sobre a presença de materiais facilmente cristalizáveis Embora o sabor amargo não possa ser vinculado a um determinado grupo químico pode indicar a presença de alcalóides heterosíduos e diterpenos muitos dos quais têm esse sabor O teor elevado de hexitóis e açúcares simples conferem ao extrato hidrofílico um sabor adocicado MATOS 2009 Quando esse sabor é muito intenso podese suspeitar da possível presença de agentes adoçantes naturais como nos casos das folhas de Stevia rebaudiana e da raiz de Periandra mediterranea O odor pode também indicar a presença de muitos compostos Assim se reconhece mesmo na própria planta o anetol odor de anis ou erva doce Pimpinela anisum o eugenol odor de cravodaíndia Eugenia cariophyllata o cineol odor de eucalipto medicinal Eucalyptus gobolus a cumarina odor de cumaru Dipteryx adorata e Amburana cearensis MATOS 2009 Os principais grupos de constituintes químicos micromoleculares de origem vegetal que podem ser detectados com a aplicação dessa marcha analítica prospectiva estão discriminados no quadro a seguir Quadro 1 Os principais grupos de constituintes químicos micromoleculares de origem vegetal MATOS 2009 Veja no link httpwwwfurbbrtempsbqsulappFILERESUMO CD988pdf uma proposta de elaboração e realização de aula de Fitoquímica Experimental para detecção de catequinas e flavonas fenóis e taninos esteróides e triterpenóides A proposta prevê o estudo da planta comigoninguémpode como base para o desenvolvimento de uma marcha fitoquímica acompanhada de aprendizagens dos aspectos teóricos envolvidos como classes de metabólitos secundários propriedades e aplicações desses compostos principalmente para a área farmacológica Valiosas informações podem ainda ser obtidas complementando se o exame das diversas frações preparadas para os testes químicos UNIDADE 1 42 com aplicação da cromatografia em camada delgada e obtenção de seus espectros por técnicas modernas como infravermelho IV e ressonância magnética nuclear de hidrogênio RMN 1H cujos picos característicos de vários grupamentos funcionais podem ser úteis como indicadores de várias substâncias naturais tais como neolignanas compostos furânicos ácidos orgânicos etc A seguir têmse passos gerais para marcha sistemática de análise em fitoquímica ou prospecção dos constituintes de plantas Aqui há apenas uma abordagem geral para maiores detalhes sobre o procedimento consulte a referência Matos 2009 ou outro livro de Química Orgânica Experimental presente na biblioteca de seu campus Preparação do extrato Solvente hidrofílico etanol ou metanol Solvente hidrofóbico éter etílico ou clorofórmio Material vegetal folhas caules lenho do caule e da raiz ramos e ou cascas 100300 g Extração por maceração em liquidificador Filtração Teste para fenóis e taninos Reagente solução aquosa de FeCl3 Fenóis coloração variável entre azul e vermelho Taninos pirogálicos precipitado escuro tonalidade azul Taninos condensados ou catéquicos verde IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 43 Teste para flavonóides Teste da cianidina ou Shinoda HCl concentrado e magnésio em pó É característico para um grande número de substância da classe flavonóis flavanonas flavanonóis e xantonas Caracteriza o núcleo αbenzopirona pelo desenvolvimento de cor laranja a vermelha Teste para esteróides e triterpenos Teste de LiebermanBuchard anidrido acétido e H2SO4 Esteróides coloração azul mutável com o tempo para verde permanente Triterpenos parda até vermelha Teste para saponinas Formação de espuma persistente estável na presença de ácidos minerais Teste para cumarinas Observação do extrato sob luz ultravioleta 360 nm Evidência fluorescência azul brilhante ou verde Teste para quinonas Solução de NH4OH Cor vermelha na camada aquosa alcalina é indicativo de quinonas especialmente antraquinonas hidroxiladas Teste para alcalóides As reações gerais de identificação são baseadas na formação de complexos insolúveis UNIDADE 1 44 Resultados falsopositivos são bastante comuns Recomendase fazer uma extração ácidobase previamente e a utilização de mais de um reagente Veja outros testes fitoquímicos para a detecção de ácidos graxos alcaloides antraquinonas cumarinas flavonoides e terpenoides via cromatografia em camada delgada demonstrado por Rodrigues et al 2009 Exercícios Propostos 1 No esquema seguinte mostrase um diagrama de testes químicos que permitem classificar e identificar açúcares a Como se designa habitualmente esta sequência de testes b Pretendese rotular 3 frascos A B e C contendo açúcares que se sabe serem a sacarose a glicose e a lactose Para isso fizeramse os seguintes testes Teste Frasco Teste de Bene dict Teste de fehling Teste de Bar foed A B C IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 45 c Com base nos resultados obtidos como se deveriam rotular os frascos Justifique 2 A presença do íon PO4 3 em adubos pode ser indicada por formação de um precipitado com solução aquosa de AgNO3 a O que é um precipitado b Escreva a equação química correspondente à formação do referido precipitado c O tubo de ensaio contém uma solução de um adubo ao qual se adicionou reagentes pela ordem indicada na figura 3 Descreva dois ou mais procedimentos que poderiam ser usados para identificar duas substâncias desconhecidas que suspeitamos tratarse de ácido salicílico e fitalimida 4 A solubilidade em água de alguns compostos orgânicos entre 0 C e 80 C são mostradas nos diagramas que seguem Qual composto A B C ou D pode ser recuperado com mais alto rendimento dissolvendose a amostra em água a 80 C e resfriando a 0 C Justifique sua resposta UNIDADE 1 46 5 Use a tabela O Cheiro dos Grupos Funcionais a seguir para falar sobre os grupos funcionais com características de odores diferentes e que têm larga aplicação industrial 6 Explique o fato de os compostos orgânicos que contêm oxigênio serem quase sem exceção solúveis em ácido sulfúrico concentrado e se dissolverem nele com formação de soluções das quais podem depois ser recuperados por meio de diluição com água 7 Quais dos seguintes compostos orgânicos se pode prever que sejam líquidos associados Desenhe estruturas que representem a formação de ligações de hidrogênio 1 a Me2NH b CH3CH2OH c Me3N d CH3CH2SH 8 Três frascos nãorotulados contém água benzina e acetona todos líquidos incolores Recebendo a recomendação de não cheirar os líquidos um estudante a fim de descobrir o conteúdo de cada frasco chamouos de líquidos A B e C Verificou que A e B são combustíveis A e C são miscíveis B e C não são miscíveis Quais são os líquidos A B e C IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 47 9 Um tecido apresenta uma mancha de gordura Para removêla é mais eficiente usar antes da lavagem benzina ou álcool 10 Distribua o quadro Destilação por Arraste exposto a seguir e mostre como funciona esse sistema Explique porque a mistura da planta com água não recebe calor diretamente Assim é possível extrair o eugenol do cravo o eucaliptol das folhas de eucalipto ou o óleo da casca de laranja sem alteração da fragrância original 11 Por que a anilina é insolúvel em água e solúvel em solução de HCl a 5 12 Provão 2002 A primeira etapa de uma operação de recristalização consiste na escolha de um solvente apropriado O gráfico seguinte mostra o comportamento da solubilidade de um sólido nos solventes I a V em função da temperatura UNIDADE 1 48 A partir da análise desse gráfico o solvente adequado à recristalização é a I b II c III d IV e V 13 Qual fase superior ou inferior será a orgânica se uma solução aquosa for tratada com a éter etílico b clorofórmio c acetona d nhexano e benzeno 14 Mesitileno hidrocarboneto encontrado em pequenas quantidades no petróleo tem uma fórmula mínima C3H4 A massa molar determinada experimentalmente é 121 gmol u Qual a fórmula molecular do mesitileno 15 ácido capróico responsável pelo cheiro podre de meias sujas é compostos de átomos C H e O A combustão de uma amostra de 0225 g produz 0512 g de CO2 e 0209 g de H2O Qual a fórmula mínima do ácido capróico O ácido capróico tem uma massa molar de 116 gmol Qual é a sua fórmula molecular 16 A análise por combustão do tolueno fornece 586 mg de CO2 e 137 mg de H2O a Se o composto contém apenas C e H qual é sua fórmula mínima b O mentol substância responsável pela fragrância em pastilhas mentoladas para tosse é composto de C H e O Uma amostra de 01005 g de mentol sofre combustão produzindo 02829 g de CO2 e 01159 g H2O Qual é a fórmula mínima do mentol Se o composto tem massa molar de 156 gmol qual sua fórmula molecular 17 Provão 2002 O principal alcalóide presente nas folhas de tabaco é a nicotina Ela pode ser extraída por solvente orgânico em meio fortemente alcalino A identificação da nicotina é feita através da formação do derivado dipicrato conforme reação abaixo seguida de purificação por recristalização e posterior determinação do ponto de fusão IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 49 O solvente adequado para a recristalização é a hexano b benzeno c acetona d etanolágua e tetracloreto de carbono 18 Provão 2002 Considere o esquema abaixo que apresenta duas propostas de rotas para a reação de aldeídos com a semicarbazida A partir da análise da reatividade dos sítios I e II da semicarbazida é correto afirmar que o produto obtido corresponde à estrutura a X pois o sítio I é menos básico e mais nucleofílico b X pois o sítio I é mais básico e mais nucleofílico c X pois o sítio I é mais básico e menos nucleofílico d Y pois o sítio II é mais básico e mais nucleofílico e Y pois o sítio II é menos básico e menos nucleofílico 19 A alumina ou óxido de alumínio tem ação básica e interage fortemente com espécies ácidas por sua vez a sílica gel interage com espécies básicas devido a natureza ácida do óxido de silício Baseado nessas informações explique o comportamento distinto dos dois corantes empregados quando se usa alumina ou sílica como fase fixa A estrutura dos dois produtos está apresentada abaixo UNIDADE 1 50 20 Esboce um fluxograma em diagrama de blocos que delineie um procedimento para a separação da seguinte mistura por extração ácido acético 2heptanona e pcresol 4metilfenol Seja específico e utilize fórmulas químicas 21 Um fármaco cujos efeitos fisiológicos são semelhantes aos da Aspirina pode ser preparado pelo aquecimento de cloreto de pmetóxibenzoíla com uma quantidade equimolar de fenol em presença de excesso de uma base orgânica adequada que atua como aceptor de prótons e como solvente como mostrado no Esquema 1 a seguir Admitindo que a reação não se complete a 100 proponha um procedimento experimental claro e sucinto para o isolamento e purificação desse fármaco Dados o produto é um sólido branco de pf132 C insolúvel em água solúvel em éter álcool e benzeno a quente ESQUEMA 1 22Coloque os compostos abaixo em ordem crescente de reatividade frente a um ataque nucleofílico Justifique a sua resposta IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 51 23 Provão 2001 O grupo aldeído da glicose forma um hemiacetal através da reação intramolecular entre a hidroxila ligada ao quinto carbono da cadeia linear e a carbonila Desta forma este carbono se torna um novo centro de assimetria carbono anomérico Açúcares com átomos de carbono anomérico livre são conhecidos como açúcares redutores pois são capazes de reduzir alguns íons metálicos tais como Ag e Cu Considere as representações estruturais da sacarose da maltose e da celobiose Sobre o caráter redutor desses dissacarídeos é correto afirmar que a apenas a sacarose é redutora b apenas a maltose é redutora c apenas a celobiose é redutora d a maltose e a celobiose são redutoras e a sacarose e a celobiose são redutoras 24 VunespSP Três frascos identificados com os números I II e III possuem conteúdos diferentes Cada um deles pode conter uma das seguintes substâncias ácido acético acetaldeído ou etanol Sabese que em condições adequadas 1 a substância do frasco I reage com a substância do frasco II para formar um éster 2 a substância do frasco II fornece uma solução ácida quando dissolvida em água 3 a substância do frasco I forma a substância do frasco III por oxidação branda em meio ácido UNIDADE 1 52 a Identifique as substâncias contidas nos frascos I II e III Justifique sua resposta b Escreva a equação química balanceada e o nome do éster formado quando as substâncias dos frascos l e II reagem 25 UFUMG Soluções de sais de dicromato Cr2O72 são alaranjadas Íons Cr2O72 ao reagirem em meio ácido com um álcool são convertidos em Cr3 de cor verde Tal variação de cor pode ser utilizada em alguns aparelhos por exemplo bafômetros para se testar o teor de etanol no hálito de motoristas suspeitos de embriaguez Considerando que nessa reação o etanol é convertido totalmente em ácido acético perguntase a Qual o tipo de reação envolvida Justifique b Escreva a equação da reação balanceada que ocorre nos bafômetros 26 Os compostos Eanetol e anisaldeído são constituintes de óleos essenciais presentes em algumas plantas Considerando as propriedades químicas desses compostos que teste serviria para diferenciálos IdentIfIcação SIStemátIca de compoStoS orgânIcoS 53 Resumindo Antigamente a identificação de uma substância dependia da determinação de sua fórmula molecular por intermédio da análise elementar da determinação das propriedades físicas da substância tais como ponto de fusão ponto de ebulição entre outros e de testes químicos simples que indicam a presença ou ausência de certos grupos funcionais Na identificação de substâncias orgânicas desconhecidas o químico raramente se depara com amostras puras Contaminantes tais como subprodutos de reação matériasprimas ou produtos de decomposição e oxidação geralmente acompanham a amostra É imprescindível que a amostra a ser submetida à identificação esteja pura Frequentemente será necessária a adoção de procedimentos para purificação destilação recristalização extração e cromatografia Algumas técnicas podem ser adotadas para se ter uma idéia da pureza do material tais como cromatografia em camada delgada CCD ponto de fusão ponto de ebulição ou sua identidade pode ser comprovada pela comparação com padrões previamente caracterizados isolados ou viáveis comercialmente Um teste químico é um procedimento qualitativo ou quantitativo que visa a provar a existência ou quantificar um composto químico ou grupo funcional com a ajuda de um reagente específico Por exemplo quando um aldeído é adicionado em um tubo de ensaio que contém uma solução de Ag2O em NH3 um espelho de prata precipitado é formado dentro do tubo Um outro exemplo de um teste simples é o teste de Lucas que faz a distinção entre alcoóis primários secundários e terciários por meio da velocidade com que a solução teste tornase turva após adição do reagente de Lucas De maneira geral os testes químicos podem ser agrupados em Testes Bioquímicos Testes Orgânicos e Testes Inorgânicos NOçõES GERAIS DE CROMAtOGRAFIA Objetivos Fazer uma descrição geral sobre os métodos cromatográficos clássicos e modernos usadas na separação e identificação de substâncias orgânicas Demonstrar os princípios fundamentais envolvidos no processo de separação e identificação de substâncias orgânicas Entender o comportamento de substâncias orgânicas em termos de estrutura química versus fenômeno adsorçãopartição cromatográfica Empregar a técnica cromatográfica na análise de uma amostra e utilizar o fator de retenção índice de retenção eou índice de retenção Kovats na identificação de compostos orgânicos UNIDADE 2 Noções Gerais de CromatoGrafia 57 NOçõES GERAIS DE CROMAtOGRAFIA Cromatografia explicações preliminares Vimos que compostos puros relativamente simples e estudados anteriormente podem ser reconhecidos por uma sistemática de identificação de compostos orgânicos que consiste na determinação de algumas de suas propriedades físicas como ponto de fusão pf ou ponto de ebulição pe análise elementar solubilidade testes funcionais e preparação de um ou mais derivados A comparação destes dados com informações da literatura permitem uma melhor identificação da substância Quando padrões são disponíveis as diversas técnicas cromatográficas podem substituir a preparação de derivados na fase final dessa identificação sistemática O método cromatográfico destacase entre os diversos métodos de análise como um dos mais frutíferos em resultados satisfatórios e mais rico em número de variadas técnicas Como processo de análise imediata tem permitido o fracionamento de misturas em seus componentes com maior precisão e com menor consumo de tempo e trabalho à medida que vêm sendo desenvolvidos novos materiais e novas técnicas MATOS 2009 Em sua expressão mais simples podese definir a cromatografia como um método físicoquímico de separação Ela está fundamentada na migração diferencial dos componentes de uma mistura que ocorre devido a diferentes interações entre duas fases imiscíveis a fase móvel e a fase estacionária A grande variedade de combinações entre fases móveis e estacionárias a torna uma técnica extremamente versátil e de grande aplicação O termo cromatografia foi primeiramente empregado em 1906 e sua utilização é atribuída ao botânico russo Mikhail Semenovich Tswett ver Figura 21 ao descrever suas experiências na separação dos componentes UNIDADE 2 58 de extratos de folhas Nesse estudo a passagem de éter de petróleo fase móvel através de uma coluna de vidro preenchida com carbonato de cálcio fase estacionária à qual se adicionou o extrato levou à separação dos componentes em faixas coloridas Este é provavelmente o motivo pelo qual a técnica é conhecida como cromatografia chrom do grego cor e graphie também do grego escrita podendo levar à errônea idéia de que o processo seja dependente da cor Apesar deste estudo e de outros anteriores que também poderiam ser considerados precursores do uso dessa técnica a cromatografia foi praticamente ignorada até a década de 1930 quando foi redescoberta A partir daí diversos trabalhos na área possibilitaram seu aperfeiçoamento e em conjunto com os avanços tecnológicos levaramna a um elevado grau de sofisticação que resultou no seu grande potencial de aplicação em muitas áreas Aplicações A cromatografia pode ser utilizada para a identificação de compostos por comparação com padrões previamente existentes para a purificação de compostos separandose as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura A cromatografia tem inúmeras aplicações como método de separação Por exemplo a cromatografia gasosa é utilizada para separar componentes relativamente voláteis como álcoois cetonas aldeídos e outros enquanto a cromatografia líquida é empregada normalmente para purificar produtos farmacêuticos proteínas aminoácidos ácidos nucléicos vitaminas e esteróides As indústrias químicas e farmacêuticas podem utilizar a cromatografia gasosa desde a análise da matéria prima até a análise do produto acabado Na indústria alimentícia podese usar a cromatografia gasosa para análise de alguns constituintes de alimentos como lipídios e carboidratos Em alguns casos com técnicas adequadas de concentração de amostra podem ser detectados constituintes alimentícios em nível de traços como exemplo esteróides e vitaminas A área médica também encontra na cromatografia gasosa uma ferramenta poderosa tanto no estudo de substâncias endógenas como no controle terapêutico de certas drogas ou em casos de intoxicação Pesquisas Noções Gerais de CromatoGrafia 59 nas mais diversas áreas podem usar a cromatografia gasosa tornandoa de grande utilidade nos laboratórios Classificação do sistema cromatográfico As diferentes formas de cromatografia podem ser classificadas considerandose diversos critérios sendo alguns deles listados a seguir Em relação à forma física do sistema a cromatografia pode ser subdividida em cromatografia em coluna e cromatografia planar Enquanto a cromatografia planar resumese à cromatografia em papel CP à cromatografia por centrifugação Chromatotron e à cromatografia em camada delgada CCD são diversos os tipos de cromatografia em coluna os quais serão mais bem compreendidos quando classificados por outro critério Classificação pela fase móvel empregada Em se tratando da fase móvel são três os tipos de Cromatografia C a C Gasosa CG a C Líquida CL e a C Supercrítica CSC usandose na última um vapor pressurizado acima de sua temperatura crítica Temperatura crítica Existe uma temperatura denominada temperatura crítica acima da qual por maior que seja a pressão a substância encontrase no estado gasoso Um gás acima dessa temperatura não pode ser liquefeito por mais que a pressão do sistema seja elevada Por isso é costume fazer uma distinção entre gás e vapor Gás é uma substância no estado gasoso acima da temperatura crítica Vapor é uma substância no estado gasoso abaixo da temperatura crítica Desse modo os diagramas de estado ficam com os aspectos da Figura A substâncias que se expandem na fusão e da Figura B substâncias que se contraem na fusão Nessas figuras C é o ponto crítico definido pela temperatura crítica θc e pela pressão crítica pc Para maiores detalhes sobre a CSC veja a aula no site httpwwwdqfctunlptcadeirasQAIIDownloadTeoricasCromatografiasupercriticapdf UNIDADE 2 60 A cromatografia líquida apresenta uma importante subdivisão a C Líquida Clássica CLC na qual a fase móvel é arrastada através da coluna apenas pela força da gravidade e a C Líquida de Alta Eficiência CLAE na qual se utilizam fases estacionárias de partículas menores sendo necessário o uso de uma bomba de alta pressão para a eluição da fase móvel A CLAE foi inicialmente denominada cromatografia líquida de alta pressão mas sua atual designação mostrase mais adequada No caso de fases móveis gasosas separações podem ser obtidas por Cromatografia Gasosa CG e por Cromatografia Gasosa de Alta Resolução CGAR A diferença entre os dois tipos está na fase estacionária Enquanto na CGAR são utilizadas colunas capilares nas quais a fase estacionária é um filme depositado na mesma a CG utiliza colunas de maior diâmetro empacotadas com a fase estacionária Figura 21 Separação de misturas de pigmentos vegetais em colunas recheadas com adsorventes sólidos e solventes variados No detalhe Mikhail Semenovich Tswett mais tarde considerado o pai da cromatografia devido à sua valiosa contribuição no desenvolvimento desta técnica Classificação pela fase estacionária utilizada Quanto à fase estacionária distinguese entre fases estacionárias sólidas líquidas e quimicamente ligadas No caso da fase estacionária ser constituída por um líquido este pode estar simplesmente adsorvido sobre um suporte sólido ou imobilizado sobre ele Suportes modificados Noções Gerais de CromatoGrafia 61 são considerados separadamente como fases quimicamente ligadas por normalmente diferirem dos outros dois em seus mecanismos de separação Classificação pelo modo de separação Por este critério separações cromatográficas se devem à adsorção partição troca iônica exclusão ou misturas desses mecanismos Para se ter uma visão mais ampla dos diferentes tipos de cromatografia os mesmos estão dispostos no diagrama da Figura 22 Figura 22 Representação esquemática dos diferentes tipos de cromatografia CP Cromatografia Preparativa CCD Cromatografia em Camada Delgada CLAE Cromatografia Líquida de Alta Eficiência CSC Cromatografia em Líquido Supercrítico CO2 Dentre os vários tipos de cromatografia especial ênfase será dada à Cromatografia em Camada Delgada CCD à Cromatografia Líquida Clássica e de Alta Eficiência CLAE e à Cromatografia Gasosa de Alta Resolução CGAR UNIDADE 2 62 Cromatografi a planar A cromatografi a em papel Figura 23 é uma técnica de partição líquidolíquido estando um deles fi xado a um suporte sólido Baseiase na diferença de solubilidade das substâncias em questão entre duas fases imiscíveis sendo geralmente a água um dos líquidos O solvente é saturado em água e a partição se dá devido à presença de água em celulose papel de fi ltro Este método embora menos efi ciente que a CCD é muito útil para a separação de compostos polares sendo largamente usado em bioquímica Figura 23 Cromatografi a em Papel é uma técnica analítica usada para separação e identifi cação de misturas que são ou podem ser coloridas especialmente pigmentos Este método tem sido substituído por Cromatografi a em Camada Delgada entretanto ela é ainda uma forte ferramenta no ensino Cromatografi a Bidimensional em Papel envolve o uso de dois solventes e rotação de 90 ºC do papel É usual para separação de misturas complexas de compostos similares por exemplo aminoácidos Figura adaptada de http enwikipediaorgwikiChromatography A cromatografi a em camada delgada CCD é uma técnica de adsorção líquidosólido Nesse caso a separação se dá pela diferença de afi nidade dos componentes de uma mistura pela fase estacionária A Figura 24 mostra um cromatograma obtido por CCD no qual se pode observar a interação de analitos ou substâncias presentes na resina de almécega Noções Gerais de CromatoGrafia 63 Figura 24 Processo de eluição e revelação de placa de CCD de gel de sílica Componentes purificados a partir da resina de almécega Eluente hexanoacetato de etila 82 revelador solução de sulfato cérico A imediatamente após a revelação B 15 min após revelação Amirinas alfa e betaamirina Dióis breína e maniladiol modificado de Vieira Júnior et al 2007 Ver estruturas na Figura 25 Por ser um método simples rápido visual e econômico a CCD é a técnica predominantemente escolhida para o acompanhamento de reações orgânicas sendo também muito utilizada para a purificação de substâncias e para a identificação de frações coletadas em cromatografia líquida clássica UNIDADE 2 64 Figura 25 Estruturas dos principais constituintes isolados da resina de almécega Protium heptaphyllum A resina exsudada do tronco da árvore é utilizada na fabricação de vernizes e tintas na calafetagem de embarcações em cosméticos e em repelentes de insetos Apresenta algumas indicações terapêuticas como analgésica cicatrizante e expectorante e ações antiulcerogênica e antiinflamatória já comprovadas VIEIRA JúNIOR ET AL 2007 O parâmetro mais importante a ser considerado em CCD é o fator de retenção Rf que é a razão entre a distância percorrida pela substância em questão e a distância percorrida pela fase móvel Os valores ideais para Rf estão entre 04 e 06 A CCD pode ser usada tanto na escala analítica quanto na preparativa Normalmente as placas utilizadas são de vidro com espessura de 3 a 4 mm Placas analíticas usualmente têm 10 cm 25 cm e preparativas 20 cm 20 cm A sílica gel é a fase estacionária mais utilizada sendo seguida pela alumina pela terra diatomácea e pela celulose Para a preparação das placas fazse uma suspensão do adsorvente em água sendo a mesma depositada sobre a placa manualmente ou com o auxílio de um espalhador Após a deposição deixase a placa secar ao ar A etapa final da preparação da placa é sua ativação A sílica por exemplo é ativada a 105110 C por 30 a 60 minutos A espessura da camada de sílica a ser depositada é de 025 mm para placas analíticas e de 10 mm para placas preparativas Na preparação de placas preparativas costuma se adicionar sulfato de cálcio para melhorar a adesão à placa de vidro No mercado existem placas analíticas e preparativas préfabricadas as quais Noções Gerais de CromatoGrafia 65 apresentam a fase estacionária depositada sobre uma lâmina de material plástico ou de alumínio sendo estas de maior eficiência As amostras a serem analisadas por CCD devem ser aplicadas a aproximadamente 1 cm da base inferior da placa com a ajuda de um capilar Após a aplicação das amostras sobre a placa a mesma deve ser introduzida numa cuba contendo a fase móvel adequada Cubas cromatográficas geralmente são de vidro com fundo chato e devem ter suas paredes laterais internas recobertas com papel de filtro para facilitar a saturação da atmosfera interna com os vapores do solvente A escolha da fase móvel que geralmente é constituída por um ou mais solventes não é tarefa simples No entanto uma vez que as fases estacionárias mais usadas são extremamente polares não devem ser utilizados solventes pouco polares que não removeriam os compostos do ponto de aplicação nem solventes muito polares capazes de arrastar os componentes da amostra até o topo da placa Em vista disso melhores resultados são obtidos com misturas de solventes de modo a se obter uma polaridade média em relação à polaridade dos componentes da amostra A placa é deixada na cuba onde o solvente irá subir por capilaridade até que ele esteja a aproximadamente 2 cm da extremidade superior Ao ascender o solvente irá arrastar mais os compostos menos adsorvidos na fase estacionária separandoos dos mais adsorvidos A linha de chegada da fase móvel deve ser marcada e a placa deve estar seca Como a maioria dos compostos orgânicos é incolor fazse necessária a utilização de um processo de revelação para que se possa analisar o resultado Para a revelação de placas de CCD existem processos destrutivos e não destrutivos Os métodos não destrutivos mais utilizados são a utilização de 1 placas onde a fase estacionária é fluorescente ou 2 iodo O primeiro baseia se na utilização de substâncias fluorescentes misturadas à sílica quando da preparação das placas possibilitando a revelação dos compostos em câmaras de luz ultravioleta O segundo valese do fato que o iodo complexa se com compostos insaturados de modo que placas que os contenham ao serem colocadas em uma câmara contendo cristais de iodo apresentarão pontos amarronzados Os processos destrutivos consistem na oxidação dos compostos sobre a placa pulverizandoos com solução aquosa de um oxidante orgânico eou um ácido mineral submetendose a placa a altas temperaturas 110 C por alguns minutos Os compostos orgânicos oxidados serão revelados na forma de pontos escuros UNIDADE 2 66 Cromatografia em coluna cromatográfica líquida clássica Esta técnica é muito utilizada para isolamento de produtos naturais e purificação de produtos de reações químicas As fases estacionárias mais utilizadas são sílica e alumina entretanto estes adsorventes podem servir simplesmente como suporte para uma fase estacionária líquida Fases estacionárias sólidas levam à separação por adsorção e fases estacionárias líquidas por partição Suportes quimicamente modificados também têm sido usados sendo o processo de separação misto neste caso Esses suportes são acondicionados em tubos cilíndricos geralmente de vidro de diâmetros variados os quais possuem uma torneira em sua extremidade inferior A Figura 26 mostra uma ilustração de uma coluna cromatográfica empacotada com sílica Observe a legenda da respectiva figura Os adsorventes possuem partículas na faixa de 60230 mesh de modo a possibilitar um fluxo razoável do solvente através da coluna O uso de sílica de partícula menor 230400 mesh como adsorvente para essas colunas requer a utilização de um sistema de bombeamento para o empacotamento e eluição sendo conhecido como Cromatografia Flash A principal etapa ao se utilizar essa técnica é o empacotamento o qual entre outros fatores definirá a eficiência da separação Enquanto a alumina é empacotada em sua forma original a sílica deve sêlo na forma de suspensão À coluna adicionase uma pequena quantidade de solvente e depositase na sua extremidade inferior um chumaço de algodão com espessura de aproximadamente 05 cm para impedir a passagem de partículas da fase estacionária A adição de sílica deve ser feita com a torneira semiaberta O adsorvente é adicionado lentamente à coluna fixada na posição vertical batendose continuamente ao longo da mesma para que todo o ar seja expulso de modo a se obter uma compactação uniforme A existência de ar entre as partículas leva à formação de canais na coluna os quais alargam as bandas eluídas Nunca se deve permitir que o nível do solvente desça abaixo do nível do adsorvente o que poderia acarretar rachaduras comprometendo a eficiência da coluna Noções Gerais de CromatoGrafia 67 Figura 26 Ilustração de uma coluna cromatográfica Imagem modificada de http madeincarlawordpresscom20071129acabou Após o empacotamento é conveniente que se passe uma certa quantidade do eluente duas a três vezes o volume da coluna a ser utilizado através da coluna antes da introdução da amostra Esta é adicionada à coluna com o auxílio de uma pipeta no momento em que o nível do eluente esteja o mais próximo possível do adsorvente Esse procedimento ameniza o alargamento das bandas a serem eluídas Tendo a amostra penetrado no adsorvente o eluente é adicionado cuidadosa e continuamente A escolha do eluente segue os princípios discutidos em CCD mas neste caso ele pode ser mudado durante o processo cromatográfico Se por exemplo a amostra é constituída por duas substâncias uma apolar e outra polar utilizase primeiramente um eluente apolar e em seguida um eluente polar O volume das frações a serem recolhidas é função da quantidade da amostra e do grau de dificuldade da separação Para análise das mesmas recorrese a alguma técnica auxiliar usualmente CCD Em vista de que geralmente algumas partículas da amostra permanecem irreversivelmente adsorvidas à fase estacionária a cada separação é necessário um tratamento para a recuperação do adsorvente UNIDADE 2 68 Cromatografia líquida de alta eficiência CLAE A CLAE é provavelmente a técnica analítica mais versátil e entre a técnica cromatográfica a mais amplamente usada Esta versatilidade deve se ao fato da cromatografia ser ao mesmo tempo uma técnica de análise e separação Em CLAE uma fase móvel elui em alta velocidade através da fase estacionária por intermédio de uma pressão positiva produzida por uma bomba de alta pressão FERREIRA et al 2001 A Cromatografia Clássica CL pode ser realizada através de um tubo de vidro empacotado com uma fase estacionária SiO2 Al2O3 e o processo de eluição ocorre por gravidade de fluxo Então porque precisamos de equipamento com alta tecnologia e de difícil manipulação Há muitos aspectos para a resposta Velocidade A análise simples por CL pode levar de 2 a 12 horas A CLAE permite uma análise equivalente entre 2 a 12 minutos Reprodutibilidade Uma coluna clássica deve ser empacotada previamente para cada amostra a ser analisada aumentando a possibilidade de erros A coluna de CLAE pode ser usado por centenas ou milhares de amostras Quantificação A CL Clássica foi e ainda é uma excelente técnica para a preparação da amostra ou purificação mas requer coleta adicional e etapas de análise a ser útil como uma ferramenta para a análise quantitativa A CLAE utiliza detectores online que fornecem informações quantitativas durante o curso da separação Sensibilidade Na CL Clássica usase colunas relativamente largas e correspondentemente grandes volumes de solventes fase móvel A diluição resultante limita a sensibilidade da técnica CLAE utiliza colunas em miniatura para manter diluição da amostra a um mínimo Um equipamento CLAE é composto basicamente por uma bomba um injetor uma coluna um detector e um registrador Figura 27 As fases móveis utilizadas em CLAE devem possuir alto grau de pureza e estarem livres de oxigênio ou outros gases dissolvidos sendo filtradas e desgaseificadas antes do uso A bomba deve proporcionar ao sistema vazão contínua sem pulsos com alta reprodutibilidade possibilitando a eluição da fase móvel a um fluxo adequado Noções Gerais de CromatoGrafia 69 Figura 27 Esquema geral e foto de um instrumento CLAE a reservatório da fase móvel b bomba de alta pressão c válvula de injeção d coluna e detector e f registrador Figura modificada de DEGANI et al1998 As válvulas de injeção usadas possuem uma alça de amostragem para a introdução da amostra com uma seringa e duas posições uma para o preenchimento da alça e outra para sua liberação para a coluna Existem alças de diversos volumes sendo utilizadas geralmente alças na faixa de 550 ml para injeções analíticas e 052 ml para preparativas As colunas utilizadas em CLAE são geralmente de aço inoxidável com diâmetro interno de cerca de 045 cm para separações analíticas e na faixa de 22 cm para preparativas O comprimento é variável sendo comuns colunas analíticas de 1025 cm e preparativas em torno de 2530 cm Essas colunas são reaproveitáveis sendo empacotadas com suportes de alta resolução não sendo necessária sua regeneração após cada separação O detector mais utilizado para separações por CLAE é o detector de ultravioleta sendo também empregados detectores de fluorescência de índice de refração e eletroquímicos entre outros Detectores de polarimetria para CLAE recentemente desenvolvidos diferenciam compostos quirais através da rotação de seus estereoisômeros frente à luz planopolarizada O registro de dados pode ser feito através de um registrador um integrador ou um microcomputador A versatilidade desta técnica reside no grande número de fases estacionárias existentes as quais possibilitam análises e separações de uma ampla gama de compostos com alta eficiência Tem sido utilizada em várias áreas da ciência no acompanhamento de sínteses em análises de pesticidas feromônios no isolamento de produtos naturais e sintéticos e na produção e controle de qualidade de medicamentos dentre tantas outras aplicações UNIDADE 2 70 As separações em CLAE podem se dar por adsorção partição ou ambos O suporte mais comumente utilizado é a sílica O uso de fases estacionárias líquidas adsorvidas a um suporte não tem grande aplicação devido à perda de fase estacionária mas o uso de suportes modificados os quais foram desenvolvidos como conseqüência do problema acima possibilita a produção de uma imensa variedade de colunas com diferentes propriedades e tipos de seletividade As fases assim obtidas são chamadas de quimicamente ligadas Essas fases dependendo da modificação feita ao suporte podem atuar no modo normal reverso ou ambos Na cromatografia em fase normal a fase estacionária é mais polar que a fase móvel e em fase reversa a fase móvel é mais polar Separações analíticas são predominantemente realizadas em fase reversa sendo a fase C18 octadecilsílica a mais usada ao passo que são preferidas fases que atuem no modo normal para fins preparativos uma vez que separações no modo reverso utilizam fases móveis aquosas Entre as fases quimicamente ligadas merecido destaque deve ser dado às fases estacionárias quirais que possibilitam a separação direta de enantiômeros Para tanto é necessária a presença de um seletor quiral como parte integrante da fase estacionária Cromatografia gasosa de alta resolução CGAR A cromatografia gasosa é uma técnica que permite a separação de substâncias voláteis arrastadas por um gás através de uma fase estacionária Em contraste com a CLAE o principal mecanismo de separação da cromatografia gasosa está baseado na partição dos componentes de uma amostra entre a fase móvel gasosa e a fase estacionária líquida A fase estacionária pode ser um sólido ou um líquido que propicia a distribuição dos componentes da mistura entre as duas fases através de processos físicos e químicos tais como a adsorção diferenças de solubilidades volatilidades ou partilha Como fase móvel é utilizado um gás denominado gás de arraste que transporta a amostra através da coluna cromatográfica até ao detector onde os componentes separados são detectados Os gases mais utilizados como fase móvel devem ter alta pureza e ser inertes em relação à fase estacionária Os mais utilizados são o H2 N2 He e Ar A escolha do gás depende da disponibilidade no mercado custo efeito na separação desejada tempo na análise sistema de detecção e segurança Noções Gerais de CromatoGrafia 71 Portanto para cada tipo de amostra e detector é utilizado um gás de arraste diferente A Figura 28 mostra os componentes básicos de um cromatógrafo gasoso Figura 28 Componentes básicos de um cromatógrafo gasoso 1 Reservatório de gás e controles de vazãopressão 2 Injetor vaporizador de amostra 3 Coluna cromatográfica e forno da coluna 4 Detector 5 Eletrônica de tratamento amplificação de sinal 6 Registro de sinal registrador ou computador A cromatografia gasosa é usada em geral para fins analíticos Além de possuir um alto poder de resolução é muito atrativa devido à possibilidade de detecção em escala de nano 109 a picogramas 1012 A grande limitação deste método é a necessidade de que a amostra seja volátil ou estável termicamente resistente ao aquecimento embora amostras não voláteis ou instáveis possam ser derivadas modificadas quimicamente Pode ser utilizada para separações preparativas apenas na faixa de microgramas a miligramas não sendo muito empregada para esse fim UNIDADE 2 72 Registradores O sinal gerado pelo detector quando a amostra passa por ele após eluir da coluna é registrado graficamente Termostato Durante uma análise as temperaturas do injetor da coluna e do detector precisam ser controladas O injetor deve ser aquecido a uma temperatura alta para que haja total vaporização da amostra porém suficientemente baixa para que não haja decomposição térmica da amostra injetada O sistema de aquecimento da coluna deve manter a sua temperatura constante durante toda a análise Como dito anteriormente a diferença entre CG e CGAR está na coluna Colunas de CGAR são maiores em comprimento menores em diâmetro possuem a fase líquida como um filme aplicado diretamente às paredes do tubo da coluna e são mais eficientes Essas colunas são tubos longos de metais como aço ou cobre vidro ou teflon Colunas de CG têm diâmetro de cerca de 3 mm e comprimento em torno de 3 m ao passo que colunas de CGAR têm diâmetro na faixa de 015075 mm e comprimentos variados usualmente entre 10 m e 100 m ver Figura 29 A injeção da amostra é feita através de microsseringas ou válvulas semelhantes às utilizadas em CLAE Figura 29 Tipos de Colunas CG EMPACOTADA Æ 3 a 6 mm l 05 m a 5 m Recheada com sólido pulverizado FE sólida ou FE líquida depositada sobre as partículas do recheio CAPILAR Æ 01 a 05 mm l 5 m a 100 m paredes internas recobertas com um filme fino fração de m m de FE líquida ou sólida NOçõES GERAIS DE CROMAtOGRAFIA 73 Os detectores de maior aplicação são o detector por ionização em chama DIC ou FID e o detector de condutividade térmica No detector de ionização de chama FID Figura 210 o efl uente da coluna é misturado com hidrogênio e ar e então é infl amado A energia necessária é fornecida pela chama para ionizar a maioria das espécies orgânicas da amostra Os cátions íons positivos resultantes são atraídos pelo eletrodo coletor carregado negativamente localizado acima da chama O fl uxo de corrente contínua entre os eletrodos positivo e negativo que é proporcional à concentração das espécies ionizadas que entram na chama é amplifi cado e registrado O FID não responde a gases nãocombustíveis como H2O CO2 SO2 e NO2 e dessa forma geralmente é usado para analisar a maioria das amostras orgânicas A sensibilidade é da ordem de 1 x 1012gs com uma grande faixa linear de resposta e baixo ruído Figura 210 Detector de Ionização em Chama DIC ou FID em inglês O FID responde ao número de átomos de carbono presentes na chama durante um certo tempo e tanto é sensível à massa quanto à concentração A resposta aumenta com o número de átomos de carbono presentes em um componente da amostra Variações na velocidade do fl uxo da fase móvel pouco afetam a resposta do detector Os dados podem ser obtidos através de um registrador potenciométrico um integrador ou um microcomputador sendo as amostras identifi cadas por um gráfi co cromatograma no qual plotase no eixo das abscissas o tempo de retenção e no eixo das ordenadas a abundância relativa Figura 211 Cada pico pode representar um ou mais compostos dependendo das características da fase estacionária usada A Figura 212 mostra uma foto de cromatógrafo moderno UNIDADE 2 74 Figura 211 Cromatograma DIC de uma fração hidrocarboneto C14 a C34 obtido de uma mostra de petróleo da Bacia de Campos RJ Adaptado de DE LIMA et al 2010 Nesses equipamentos é necessário o controle da temperatura do injetor da coluna e do detector que são mantidas por termostatos Como a temperatura é um fator extremamente importante grande parte das análises por cromatografia gasosa é feita com programação de temperatura obtendose melhor separação com picos mais simétricos em menor tempo Para o empacotamento de colunas de CG geralmente empregamse terras diatomáceas como suporte A escolha da fase estacionária é de fundamental importância sendo ela o componente crítico da coluna Fases estacionárias As fases estacionárias podem ser polares apolares ou quirais Fases polares são baseadas em polietileno glicol puro ou modificado apolares em metilsiloxano puro ou modificado As fases quirais mais comuns são compostas de ciclodextrinas Devido a grande variedade de fases líquidas disponíveis tornouse necessário o uso de certos métodos para classificá las Geralmente são usadas as constantes de Rhrsneider e McReinolds determinadas a partir do índice de retenção de Kovats Os valores de índice de Kovats IK são usualmente representados por uma expressão matemática Sua aplicabilidade é restrita a compostos orgânicos Para cromatografia isotérmica o IK é dado pela equação Noções Gerais de CromatoGrafia 75 Onde I Índice de Retenção de Kovats n número de átomos de carbono do alcano anterior ao composto de interesse X N número de átomos de carbono do alcano posterior ao composto X tr tempo de retenção ajustado do composto X Para temperatura programada o IK é dado pela equação Onde I Índice de Retenção de Kovats n número de átomos de carbono do alcano anterior ao composto de interesse X N número de átomos de carbono do alcano posterior ao composto X z diferença entre o número de átomos de carbono do alcano anterior a X e posterior N tr Tempo de retenção A comparação entre o índice de retenção para um dado composto em uma coluna com fase estacionária apolar e em outro com fase estacionária polar está relacionada com a polaridade da fase estacionária Geralmente a fase estacionária apolar é o esqualeno tomado como padrão Atualmente espectrômetros de massa têm sido acoplados a equipamentos de cromatografia gasosa possibilitando a identificação imediata das substâncias presentes na amostra A técnica Cromatografia Gasosa Acoplada a Espectrometria de Massas será descrita na próxima Unidade Veja foto a seguir de Cromatográfico Gasoso com detector de ionização em chama DIC A T mostra algumas diferenças importantes entre a CG e a CLAE UNIDADE 2 76 Figura 212 Foto de um cromatógrafo gasoso moderno Laboratório de Produtos Naturais UFPI Tabela 21 Principais diferenças entre a Cromatografia Gasosa CG e a Cromatografia Líquida de Alta Eficiência CLAE ou HPLC em inglês Fator CG CLAE Requisitos para amostra Amostra ou derivado vo látil termicamente estável 400C Amostra solúvel na fase móvel Tipo de amostra Gases líquidos e sólidos MM 2 a 1200 Líquidos sólidos iônicos covalentes MM 32 até 4000000 Quant mínima detectável 1012 ga 109 gb Tempo de análise Minutos até poucas horas Minutos até muitas horas Pratos teóricos por coluna 2000 300000 500 25000 Capacidade preparativa Pobre até razoável usando múltiplas injeções Boa com facilidade de coleta Capacidade analítica Excelente separação de amostras com até 200 componentes Excelente separação de até 50 componentes Capacidade de treinamento Cerca de 3 meses pelo menos 6 meses Mais difundida e usada a Detector por ionização em chama b Detector por absorção do UV Não existe competição entre a CLAE e CG porque estas duas técnicas se complementam e geralmente analisam tipos de amostras diferentes Noções Gerais de CromatoGrafia 77 Exercícios Propostos 1 O que se entende por cromatografia 2 Como se classifica a cromatografia quanto à técnica e quanto ao mecanismo de separação Exemplifique 3 Qual o tipo de mecanismo de separação envolvido na cromatografia em camada delgada e em coluna de sílica Explique o mecanismo de separação da cromatografia em papel por exclusão e de troca iônica 4 Como é feita a análise qualitativa de uma substância utilizando cromatografia em papel ou em camada delgada Que se entende por Rf 5 Defina os seguintes termos em cromatografia a Suporte b Fase estacionária c Fase móvel ou eluente d Revelador ou agente cromogênico e Resolução f Desenvolvimento g Aplicação h Frente da fase móvel i Distância percorrida j Câmara ou cuba cromatográfica l Cromatograma m Saturação da cuba 6 Explique a utilização da cromatografia em camada delgada como critério de pureza de uma substância 7 Indique os métodos de detectar as substâncias separadas em cromatografia em camada delgada Explique cada um deles 8 A figura a seguir mostra dois cromatogramas obtidos em condições isocráticas idênticas em fase reversa e em duas colunas diferentes As colunas possuem fases ligadas quimicamente sendo uma com grupo octadecil C18 e a outra com grupo ciano CN Os analitos injetados foram 4metoxibenzaldeído 2fenoxietanol álcool benzílico e fenilmetileter UNIDADE 2 78 Condições Fase móvel Acetonitrilaágua 4060 Velocidade do fluxo 2 mL min1 Detector UV em 254 nm Dimensões da coluna 15 cm de comprimento 39 mm de diâmetro interno Fase estacionária Partículas de 4 mm 9 Quando se utiliza a sílica como fase estacionária 10 Que tipo de substância é normalmente separada na cromatografia em papel 11 Calcule o índice de retenção de Kovats IK para um soluto desconhecido cujo tempo de retenção nãoajustado é de 14 minutos sabendose que os tempos de retenção não ajustados para o octano e para o nonano são respectivamente 120 e 150 minutos O tempo de retenção para um soluto nãoretido é de 10 minuto 12 Quando se diz que uma cromatografia é do tipo líquidolíquido gássólido e gáslíquido 13 Que se entende pelas siglas a CG b CGEM c CLAE 14 Explique o que significa eluição isocrática e por gradiente em cromatografia líquida de alta eficiência Quando a eluição por gradiente se faz necessária Noções Gerais de CromatoGrafia 79 15 Como é medida a eficiência de uma coluna 16 Esquematize um cromatógrafo a gás e indique suas principais partes 17 Cite algumas aplicações da cromatografia gasosa a Qual coluna corresponde cada um dos cromatogramas b Efetue a atribuição dos picos c Qual será o efeito observado no cromatograma i se a composição da fase móvel for mudada para acetonitrilaágua 5050 Justifique suas respostas 18 O que é a CLAE Esquematize um cromatógrafo para CLAE Comente sobre as técnicas e algumas aplicações da CLAE 19 As substâncias abaixo são dois esteróides encontrados comumente em plantas Usando cromatografia em coluna de Sephadex LH20 elas foram separadas do extrato etanólico de cascas do caule do cajueiro Anacardium occidentale L no laboratório de Química Orgânica da UFPI A substância 1 foi a primeira a ser eluída da coluna a Nesta operação o mecanismo de exclusão por tamanho que se verifica comumente em separações usando Sephadex foi observado Justifique Estas mesmas substâncias foram isoladas de outras plantas usando cromatografia em coluna de sílica gel eluída com clorofórmiometanol em ordem crescente de polaridade b Indicar e justificar qual das duas substâncias se espera que seja eluída primeiro da coluna de sílica Após a separação destas substâncias as frações correspondentes originadas da coluna cromatográfica são analisadas por cromatografia em camada delgada de sílica gel Um solvente que pode ser usado para eluição é o CHCl3 MeOH 955 c Indicar nestas condições a substância que apresenta maior fator de retenção Rf e justificar d Qual é o estado físico da fase móvel e da fase estacionária da cromatografia em camada delgada de sílica e A cromatografia em camada delgada de sílica é classificada como sendo de fase normal ou de fase reversa Explique UNIDADE 2 80 20 Qual é a vantagem da programação de temperatura na cromatografia gasosa Qual é vantagem da programação de pressão a Explique o funcionamento dos detectores de condutividade térmica ionização em chama e captura de elétrons b Por que o detector por condutividade térmica responde a todos os constituintes exceto ao gás de arraste c Por que o detector por ionização em chama não é universal 21 Preveja a ordem de eluição do hexano heptano octano benzeno butanol e 2pentanona nas separações efetuadas com as seguintes colunas a Polidimetilsiloxano b Difenil035dimetil065polisiloxano c Polietilenoglicol Resumindo Em sua expressão mais simples podese definir a cromatografia como um método físicoquímico de separação Ela está fundamentada na migração diferencial dos componentes de uma mistura que ocorre devido a diferentes interações entre duas fases imiscíveis a fase móvel e a fase estacionária A grande variedade de combinações entre fases móveis e estacionárias a tornam uma técnica extremamente versátil e de grande aplicação A cromatografia pode ser utilizada para a identificação de compostos por comparação com padrões previamente existentes para a purificação de compostos separandose as substâncias indesejáveis e para a separação dos componentes de uma mistura A cromatografia tem inúmeras aplicações como método de separação Por exemplo a cromatografia gasosa é utilizada para separar componentes relativamente voláteis como álcoois cetonas Noções Gerais de CromatoGrafia 81 aldeídos e outros enquanto que a cromatografia líquida é empregada normalmente para purificar produtos farmacêuticos proteínas aminoácidos ácidos nucléicos vitaminas e esteróides A cromatografia de adsorção baseiase no grau de partição relativa das substâncias entre uma fase líquida móvel o eluente e uma fase sólida estacionária o adsorvente geralmente a sílica gel SiO2nH2O ou o óxido de alumínio Al2O3 Outros adsorventes ocasionalmente usados são o florisil um silicato de magnésio o carvão ativo o hidróxido de magnésio o carbonato de cálcio certas poliamidas e até mesmo o açúcar O grau de adsorção depende de vários fatores como a quantidade de água presente na fase sólida da estrutura da substância adsorvida da ocupação dos sítios ativos da fase sólida pelo solvente e da força atrativa entre o soluto e o solvente A cromatografia pode ser classificada de acordo com o sistema cromatográfico Em Coluna o Cromatografia Líquida o Cromatografia Gasosa o Cromatografia Supercrítica Planar o Centrífuga Chromatotron o Cromatografia em Camada Delgada CCD o Cromatografia em Papel CP UNIDADE 2 82 É comum usar misturas de dois ou mais solventes como eluentes de maneira a modular a polaridade A mistura mais usada é a de acetato de etila com éter de petróleo ou hexano por ser constituída de solventes razoavelmente baratos voláteis e de regular ou baixa toxicidade Os solventes orgânicos a seguir estão agrupados em ordem crescente de polaridade A polaridade neste contexto só tem sentido para a cromatografia e não coincide necessariamente com a polaridade medida por exemplo pela constante dielétrica UNIDADE 3 ESPECtROMEtRIA DE MASSAS Objetivos Demonstrar os princípios fundamentais da espectrometria de massas Demonstrar a importância e aplicações dessa técnica bem como interpretar os espectros de massas e propor estruturas para moléculas orgânicas mais simples Empregar a espectrometria de massas e técnicas associadas na análise de uma amostra desconhecida e utilizar índice de retenção eou índice de retenção Kovats na identificação de compostos orgânicos EspEctromEtria dE massas 85 ESPECtROMEtRIA DE MASSAS Os métodos clássicos e espectrocópicos Para compostos mais complexos e os obtidos pela primeira vez a identificação sistemática métodos clássicos é insuficiente e os métodos tradicionais de determinações estruturais baseados na análise elementar são trabalhosos e exigem quantidades razoáveis de substância Dessa forma a determinação da estrutura de composto orgânico foi um processo difícil que consumiu muito tempo no século XIX e início do século XX mas grandes avanços foram feitos em décadas passadas Técnicas poderosas estão agora disponíveis e simplificam grandemente o problema de determinação de estruturas que permitem a elucidação de estruturas complexas de compostos disponíveis em quantidades tão pequenas como alguns miligramas As informações principais que podemos obter por meio da espectroscopia tais como Espectroscopia na Região do Infravermelho IV e a Espectroscopia de Ressonância Magnética Nuclear RMN serão o objeto dos próximos capítulos Devemos entretanto ter em mente que os métodos clássicos vistos até aqui não foram abandonados mas aperfeiçoados e ainda hoje podem ser aplicados em microescala ao lado das técnicas espectroscópicas Neste curso não abordaremos sobre a Espectrometria de Ultravioleta UV É importante frisar que esta técnica requer uma radiação eletromagnética de energia relativamente alta nas faixas de comprimento de onda entre 200 e 400 nm a espectrometria de ultravioleta e entre 400 e 800 nm a espectrometria visível Estas técnicas são também particularmente úteis nas investigações das estruturas eletrônicas de molécula insaturadas e na determinação da extensão de sua conjugação Para maiores detalhes sobre UNIDADE 3 86 esse assunto consulte a bibliografia especializada Nesta unidade estudaremos a Espectrometria de Massas uma técnica que permite medir massa e portanto a massa molecular MM de uma molécula Além disso frequentemente é possível obter informação estrutural a respeito de uma molécula pela medida das massas dos fragmentos produzidos quando as moléculas são quebradas O Espectrômetro de Massas EM A espectrometria de massas Mass Spectrometry é uma poderosa ferramenta que foi usada em princípio na determinação de massas atômicas e vem sendo empregada na atualidade na busca de informações sobre a estrutura de compostos orgânicos na análise de misturas orgânicas complexas na análise elementar e na determinação da composição isotópica dos elementos Tratase do método mais usado para essa última finalidade O funcionamento de um EM baseiase no conhecido fenômeno do curvamento da trajetória de partículas eletricamente carregadas ao penetrarem num campo magnético O EM é um instrumento que separa íons positivos ou negativos produzidos a partir de átomos ou moléculas quer sejam das mais simples às mais complexas de acordo com a razão massa carga mz Serão abordados neste texto somente os espectrômetros de massas destinados para determinação de composição isotópica de elementos leves chamados de baixa resolução e destinados para amostras gasosas à temperatura ambiente Para melhor compreensão da técnica é importante relembrarmos alguns termos já estudados tais como a Resolução definese como a habilidade do aparelho para separar feixes de íons que diferem na razão mz sendo dada pela razão m Δm significando m a massa nominal de uma feixe particular do espectro de massas e Δm a diferença nas massas ou números de massas dos feixes de íons que resultará em um vale de 10 a 50 entre m e mΔm b Precisão referese à reprodutibilidade de uma medida de abundância ou de razão isotópica c Exatidão avaliase por comparação com um padrão É a medida de quão próxima do valor real está a medida efetuada pelo aparelho d Sensibilidade definese como o mínimo de amostra requerida para uma análise com uma certa precisão EspEctromEtria dE massas 87 Constituição Básica de um EM de Setor Magnético com Ionização por Impacto de Elétrons MS ou IRMS Em 1919 Aston aperfeiçoou o aparelho de Thomson e produziu um novo tipo de aparelho de raios positivos no qual se alcançava maior separação de íons de diferentes massas cada uma correspondendo a um número definido de íons com mesma razão cargamassa e por mostrar um espectro de linhas foi chamado de espectrógrafo de massas Esse aparelho destinavase a determinações de massas atômicas Na época do desenvolvimento do espectrógrafo de massas por Francis Aston Dempster construiu um instrumento Figura 31 basicamente mais simples e apropriado para medidas quantitativas de isótopos apesar de não poder ser usado para fazer medidas de massas atômicas O aparelho de Dempster foi chamado de espectrômetro de massas Mass Spectrometer MS uma vez que a corrente de íons era medida eletronicamente e não registrada numa chapa fotográfica como no de Aston Figura 31 Instrumento desenvolvido por Dempster A fonte de íons B eletromagneto C copo de Faraday e D eletrômetro Adaptado de httpwwwespectrometriademassas combr Dentre os vários tipos de EM citase o Espectrômetro de Massa de Ionização Térmica ou TIMS Thermal Ionization Mass Spectrometer o Espectrômetro de Massa por Ionização Secundária ou SIMS Secondary Ion Mass Spectrometry o LAICPMS Laser Ablation Inductively Coupled UNIDADE 3 88 Plasma Mass Spectrometer ou seja Espectrômetro de Massa por Ionização Acoplada por Plasma com Ablação a Laser Para maiores detalhes consulte os termos no campo de busca do Google wwwgooglecombr ou bibliografia no final da unidade Serão abordados neste texto somente os espectrômetros de massas destinados para determinação de composição isotópica de elementos leves chamados de baixa resolução e destinados para amostras gasosas à temperatura ambiente Espectrômetro de Massas Um Espectrômetro de Massas é um instrumento que bombardeia um composto com um feixe de elétrons e registra quantitativamente o resultado na forma de um espectro de fragmentos iônicos positivos Informações e princípio da Espectrometria de Massas A espectrometria de massas nos permite determinar a massa molecular e a fórmula molecular de uma substância assim como certas características estruturais Na espectrometria de massas uma pequena amostra da substância é volatilizada e depois ionizada como resultado da remoção de um elétron de cada molécula produzindo um íon molecular um cátionradical Um gráfico de intensidade do sinal do detector contra a massa razão massacarga mz do íon é chamado espectro de massas A análise de um espectro de massas fornece tanto as massas dos íons que atingem o detector quanto suas abundâncias relativas Figura 32 Um Espectrômetro de Massas consiste de três partes essenciais Figura 32 onde se faz o alto vácuo além do registrador parte comum a todos os sistemas Lembremos que Aston propôs o termo espectro de massas para descrever o gráfico masscarga mz ou me contra intensidade De certa forma o nome não é apropriado porque as palavras espectros e espectroscopia são reservadas para os processos que envolvem a interação da radiação eletromagnética com a matéria EspEctromEtria dE massas 89 Figura 32 Esquema geral de um Espectrômetro de Massas modificada de L G Wade 2003 Que tipos de amostras se podem analisar A espectrometria de massas MS pode ser feita com amostras inorgânicas orgânicas e biológicas que podem estar inicialmente em fase gasosa líquidas ou sólidas ou depositadas em superfícies Para análise por MS as amostras podem ser inseridas diretamente no espectrômetro de massas ou o equipamento pode ser acoplado a uma técnica de separação como a cromatografia gasosa GC a cromatrografia líquida LC A possibilidade de automação aliada à rapidez das análises permite que grande número de amostras seja analisado em curto período de tempo Quais as aplicações da Espectrometria de Massas Como técnica analítica das mais versáteis e das mais sensíveis a espectrometria de massas EM é atualmente uma das ferramentas analíticas valiosas em diversos estudos nas áreas de Biologia de Ciências Médicas e de Ciências Tecnológicas Por EM é possível determinar a massa molecular e quantificar biomoléculas tais como proteínas carboidratos lipídios e oligonucleotídeos e também fragmentálas de forma a elucidar sua estrutura e confirmar sua identificação e ainda para determinar composição elementar da matéria estrutura de compostos inorgânicos orgânicos e biológicos composição qualitativa e quantitativa de misturas complexas UNIDADE 3 90 estrutura e composição de superfícies sólidas razão isotópica de átomos na amostra Câmera de ionização e aceleração É onde a amostra no estado de vapor é ionizada e em seguida acelerada por efeito de um campo eletrostático A formação de íons positivos a partir das moléculas da amostra é conseguida pelo bombardeio com um feixe de elétrons A ionização de moléculas ocorre por vários métodos sendo os mais comuns o impacto eletrônico e a ionização química A Tabela 31 mostra algumas técnicas de ionização para Espectrometria de Massa Molecular Para maiores detalhes sobre essas técnicas consulte a bibliografia no final da unidade eou acesse o site httpwwwastburyleedsacukfacilMStut mstutorialhtm Tipo Básica Nome Agente Ionizante Fase Gasosa Impacto de elétrons EI Ionização química CI Ionização por campo elétrico FI Luz síncrotron Elétrons energé ticos Íons de um gás reagente Eletrodo em poten cial elétrico alto Fótons Dessorção Dessorção por campo elétrico FD Ionização por elé tron spray ESI Ionizaçãodessorção por laser assis tido por uma matriz MALDI Dessorção de plasma PDMS Bombardeamento por átomos rápido FAB Emissão de íons secundários SIMS Ionização térmica termospray TS Impacto de íons pesados HIMS Eletrodo em poten cial elétrico alto Campo elétrico intenso Feixe de laser UV Fragmentos de fissão do 252Cf MeV Feixe de átomos energéticos 5KeV Feixe de íons ener géticos 5 15 KeV Temperatura alta Feixe de íons acel erados KeV Tabela 31 Técnicas de ionização para Espectrometria de Massa Molecular EspEctromEtria dE massas 91 Como visto a EM é uma técnica de vasta aplicação e vem se modernizando a cada dia seja pela associação a novas técnicas de separação seja pela introdução de novas fontes de ionização eou separação de íons Um exemplo dos recentes avanços em MS foi o desenvolvimento da técnica denominada MALDI imaging IMS Essa técnica utiliza a especificidade e a sensibilidade da MS para mapear e para produzir imagens de biomoléculas em cortes histológicos permitindo o estudo da complexidade molecular em células estudar a localização espacial a estrutura molecular e a abundância relativa de diversas proteínas em diferentes períodos da gestação de embriões de camundongos BURNUM et al 2008 CHAURAND et al 2004 STOECKLI et al 2001 A Figura 33 apresenta um esquema geral das fontes de ionização mais utilizadas aplicadas a macromoléculas Nesta unidade estudaremos com mais detalhes apenas a CI e a EI mostradas na Tabela 31 e detalhadas nos itens 31 e 32 Figura 33 Os métodos de ionização para a maioria das análises biológicas são Electrospray Ionisation ESI e Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation MALDI A ESI é uma técnica de ionização da pressão atmosférica e é adequada para análise de moléculas polares com massa molecular entre 100 da e 1000000 da A técnica MALDI é usada em análise de biomoléculas com alta massa molar não voláteis termolabeis até centenas de KDa tais como proteínas peptídeos glicoproteínas oligossacarídeos e oligonucleotídeos etc A amostra colocada em uma matriz é dispersa onde sofre dessorção e é ionizada por um feixe de laser de alta energia Ionização por impacto de elétrons EI A fonte de íons consiste geralmente de um filamento de rênio UNIDADE 3 92 irídio ou tungstênio que se aquece quando submetido a uma diferença de potencial e por ele passa uma corrente elétrica emitindo elétrons emissão termoiônica Os elétrons emitidos pelo filamento são acelerados a energias da ordem de 70 eV variável em função do gás a ser ionizado Amostras líquidas ou sólidas passam ao estado de vapor pelo efeito combinado do vácuo e do calor A radiação incidente sobre a molécula arranca um elétron formando um cátionradical M que em seguida se fragmenta em várias outras espécies químicas Figura 34 Figura 34 Ionização de uma molécula por impacto de elétrons Ionização química CI Na ionização química uma pequena quantidade de átomos gasosos é ionizada por colisão com átomos produzidos pelo bombardeamento do gás reativo Alguns dos gases reativos mais comuns são metano oxigênio amônia e hidrogênio O excesso de gás é ionizado por impacto de elétrons para os íons primários CH4 e CH3 Estes reagem com excesso de metano produzindo íons secundários CH4 CH4 CH5 CH3 CH3 CH4 C2H5 H2 CH4 C2H5 C3H5 2H2 Os íons secundários reagem com a amostra ou analito M CH5 M M H CH4 C2H5 M M H C2H4 Os íons produzidos quimicamente em CI M H íons quasemolecular EspEctromEtria dE massas 93 são frequentemente de mais alta intensidade especialmente o íon molecular em relação aos íons produzidos em EI Os espectros em CI por causa da menor energia do íon M H apresenta menos fragmentos O espectro em CI algumas vezes apresenta íons M1 proeminentes por causa da abstração de hidreto do íon M por CH5 Figura 35 Figura 35 EM em CI gás metano e EI da prolina mostrando íon quasemolecular mz 116 em maior intensidade relativa e menor número de fragmentos em CI Analisadores de Massas AM O analisador de massas separa os íons que se formam na fonte de acordo com suas razões massacarga Nos instrumentos de setor magnético o AM é um tubo curvo submetido a um campo magnético que recebe o feixe de íons já acelerados separandoos em função de suas massas e cargas e os encaminha ao detector Entre os vários analisadores citase Analisador de massa por tempo de vôo TOF quadrupolo Ion Trap Setor magnético simples e duplo foco entre outros Para maiores detalhes sobre esses sistemas consulte a bibliografia do final da unidade A Figura 36 e Figura 37 UNIDADE 3 94 mostram um esquema geral de alguns analisadores de massas veja legenda das respectivas figuras para maiores detalhes Figura 36 Analisadores de massas Quadrupolo Usa uma combinação de RF e voltagem de corrente contínua DC para operar como um filtro de massas Tem quatro barras metálicas paralelas sujeitas a uma diferença de potencial ddp Apenas os íons com uma determinada mz atravessarão o filtro de quadrupolo em um determinado conjunto de condições Os demais íons terão oscilações instáveis tocarão os pólos e serão destruídos A varredura de massas é feita variandose as frequências rf e dc porém mantendose as razões constantes Analisador de massa TOF tempo de vôo todas as partículas de carga unitária submetidas a uma ddp atingem a mesma energia translacional eV Assim as partículas mais leves têm tempo de vôo menor para uma dada distância Assista a um vídeo sobre o analisador TOF em httpwwwyoutubecom watchvBFuZaIizDk Figura 37 Ionização Eletroespray usando um espectrômetro de massa íon trap analisador Uma íon trap literalmente armadilha de íons é uma combinação de campos elétricos ou magnéticos que captura íons numa região de um sistema de vácuo ou tubo de vácuo As figuras acima mostram um esquema geral ilustrando um sistema íon trap Figura adaptada de httpwwwusceduschoolspharmacyproteomicslinks ESPECtROMEtRIA DE MASSAS 95 Detector Os íons que passam por uma fenda no extremo do analisador atingem o detector gerando uma corrente elétrica proporcional ao número desses íons Esta corrente é amplifi cada e enviada a um registrador que então fornece o espectro de massas da amostra A Figura 38 mostra de forma resumida as diversas partes de um espectrômetro de massas enquanto a Tabela mostra as principais técnicas de ionização para a Espectrometria de Massa Molecular Os íons são acelerados conforme a equação Onde m massa do íon v velocidade do íon e carga do elétron e V potencial de aceleração dos íons Estes íons com velocidade v passam pelo campo magnético H que os desvia segundo uma trajetória curva de raio r Eliminandose v entre as duas equações temse o conceito da relação massa m carga z Como a grande maioria dos íons produzidos apresenta cargas unitárias e 1 me representará a massa destes íons Para a mesma carga em um campo magnético somente os íons que têm massa determinada podem passar pela fenda do coletor Todos os demais colidem com as paredes internas do instrumento Por fi m a chegada dos íons ao coletor é traduzida como um sinal eletrônico que é registrado O resultado são gráfi cos da razão massa carga me x intensidade ou abundância relativa Figura 39 A Figura 38 apresenta um esquema geral de um Espectrômetro de Massas incluindo injetor fonte de íons analisador de massas e detector UNIDADE 3 96 Figura 38 Esquema geral mostrando as partes de um Espectrômetro de Massas ESI eletrospray MALDI Ionização e Dessorção a Laser Assistida por Matriz FAB Bombardeamento por Átomos Rápidos EI Impacto de Elétrons SIMS Emissão de Íons Secundários CI Ionização Química Espectro de Massas massa molecular a primeira informação A radiação incidente sobre a molécula arranca um elétron formando um cátionradical M Figura 39 Íons positivos e negativos com carga superior à unidade podem ser produzidos Os negativos não são acelerados e dirigidos ao analisador enquanto os positivos que perderam dois ou mais elétrons aparecem em número muito pequeno em comparação com os de carga unitária Figura 39 Espectro de massas 70 eV EI da acetofenona Os principais fragmentos são demonstrados na Figura 310 EspEctromEtria dE massas 97 O cátion radical M será portanto o responsável pelo aparecimento de um sinal no registrador com uma relação me idêntica à Massa Molecular MM da substância injetada no espectrômetro Assim para a acetofenona um sinal com me 120 corresponde a MM dessa substância Figura 310 Figura 310 Ionização de uma molécula por impacto de elétrons mecanismo de fragmentação Ao perder um elétron a acetofenona na forma de cátionradical de alta energia se desestabiliza e fragmentase em vários outros íons gerando outros fragmentos Veja Espectro de Massas da acetofenona na Figura 39 Fórmula molecular A MM já se constitui numa vantagem deste método sobre outros de determinação da MM como criometria e ebuliometria que fornecem valores aproximados A altura dos picos reflete o número de íons concentração ou abundância relativa para cada valor de mz ou me Tomase como referência o maior pico do espectro denominado pico base A retirada inicial de um elétron pode acontecer de qualquer parte da molécula mas geralmente o grupo funcional parte mais rica em elétrons dirige o caminho de fragmentação do íon molécular M havendo semelhança entre os mecanismos das fragmentações no interior do espectrômetro e os já bem estudados mecanismos de reações em solução UNIDADE 3 98 Fórmula molecular por espectro de alta resolução Alguns instrumentos chamados espectrômetros de massas de duplo foco têm resolução tão alta que disponibilizam medidas de massa com precisão de 00001 unidade de massa atômica uma tornando possível distinguir entre duas ou mais fórmulas com a mesma massa nominal Por exemplo ambas as fórmulas C5H12 e C4H8O apresentam MM 72 uma mas diferem por poucas casas decimais C5H12 tem uma massa exata de 720939 enquanto C4H8O possui uma MM 720575 uma Observe entretanto que as medidas de massa referemse a moléculas com composição isotópicas específicas conforme valores apresentados na Tabela 31 Problema 31 Calcule a energia em Jmol que os elétrons adquirem ao serem acelerados por um potencial de 70 V Como essa energia se compara à quebra de uma ligação química típica Resposta a A energia cinética Ec de um elétron é igual ao produto da carga do elétron e pelo potencial V com que é acelerado Multiplicando se a Ec de um elétron pelo número de Avogadro N temos a energia por mol Ec eVN 16 1019 Ce 70 V N 112 1017 CVe 6023 1023 emol 67 106 Jmol ou 67 103 KJmol Problema 32 Uma molécula de massa 44 pode ter as seguintes fórmulas moleculares C3H8 C2H4O CO2 ou CN2H4 Se a massa exata é 44029 identifique sua fórmula molecular Resposta A soma da massa atômica exata Tabela 31 de cada isótopo na molécula é medida dando os seguintes resultados C3H8 C2H4O CO2 CN2H4 4406260 4402620 4398983 4403740 A fórmula molecular mais próxima do problema 44029 é portanto C2H4O Problema 33 Liste as fórmulas possíveis das moléculas com M 100 Assuma que C H e O estão presentes Observação O conhecimento da fórmula molecular representa uma importante contribuição pois permite calcular o Índice de Deficiência de EspEctromEtria dE massas 99 Hidrogênio IDH que indica a ausência ou presença de ligações duplas triplas ou anéis na estrutura molecular e muitas vezes tem sido indevidamente denominado de índice de insaturação Os alcenos devido à presença de uma ligação dupla carbonocarbono e os cicloalcanos por conterem um anel têm dois hidrogênios a menos que os hidrocarbonetos acíclicos saturados de fórmula CnH2n 2 Por exemplo o eteno H2CCH2 tem fórmula molecular C2H4 e o etano H3CCH3 tem fórmula C2H6 LOPES E FASCIO 2004 O cálculo do IDH pode ser feito por mais de um método vamos a princípio demonstrálo de forma mais simples possível usando a chamada regra dos treze que será aplicada em outros exercícios envolvendo IV e RMN Com essa regra gerase a fórmula básica que contém C e H A fórmula básica é encontrada dividindose massa molecular MM por 13 1C 1H Este divisão gera um numerador e um número restante r MM 100 dividindo 100 por 13 7 mas 7 x 13 91 resta então 9 para 100 n 7 r 9 aplicando na fórmula temos A fórmula básica tornase CnHnr C7H79 a fórmula básica será C6H16 que é uma combinação de C e H que tem a massa molecular desejada MM Como o problema diz que o composto desconhecido também tem oxigênio de massa 16 u que corresponde a um CH4 16 u podemos subtrair da fórmula básica um CH4 que corresponde ao oxigênio adicionado Assim a fórmula molecular do composto problema será C5H12O Subtraindo essa fórmula C5H12O da fórmula geral dos alcanos CnH2n 2 temos UNIDADE 3 100 Assim a fórmula molecular C5H12O corresponde a uma molécula de cadeia aberta saturada um álcool ou éter Você agora será capaz de sugerir algumas estruturas de cadeia aberta Observação Se a massa molar for ímpar significa que há número ímpar de N na fórmula molecular Se houver halogênios no composto problema subtraia o valor correspondente ao número de halogênios da diferença acima Se houver nitrogênios some valor correspondente ao número de nitrogênios à diferença acima Oxigênio e enxofre não alteram a fórmula geral dos alcanos Problema 34 O hormônio sexual masculino testosterona contem C H e O e possui uma massa de 2882089 uma conforme determinado pela EM de alta resolução Qual é a fórmula molecular da testosterona Problema 35 Suponha que você tenha duas amostras não etiquetadas uma de metilciclohexano e outra de etilciclopentano Como você poderia usar a EM para distinguilas Os espectros de massas de ambas são apresentados na Figura 311 EspEctromEtria dE massas 101 Figura 311 Espectros de massas de amostras não etiquetadas de A e B para o Problema 35 Elemento Peso atômico Nuclídio Massa Silício 28086 28Si 29Si 30Si 279769 289865 299738 Fósforo 30974 31P 309738 Enxofre 32064 32S 33S 34S 319721 329715 339659 Cloro 35453 35Cl 37Cl 349689 369659 Bromo 79909 79Br 81Br 789183 809163 Iodo 126904 127I 1269045 Hidrogênio 100797 1H 2H 100783 201410 Carbono 1201115 12C 13C 120000 1300336 Nitrogênio 140067 14N 15N 140031 150001 Oxigênio 159994 16O 17O 18O 159949 169991 179992 Flúor 189984 19F 189984 Tabela 31 Massas precisas de alguns elementos comuns UNIDADE 3 102 Fórmula molecular pela abundância isotópica Considere os espectros de massas do metano CH4 mz 16 e do propano CH0CH2CH3 mz 44 Figura 312 Existe também um pequeno pico em cada espectro a M1 por causa da presença de pequenas quantidades de moléculas isotopicamente substituídas na amostra Embora o 12C seja o isótopo de carbono mais abundante Tabela 33 uma quantidade pequena 110 de abundância natural de 13C também está presente Assim uma certa percentagem de moléculas analisadas no EM contêm provavelmente um átomo de 13C apresentado pelo pico observado em M1 Além disso uma pequena quantidade de deutério 2H 0015 de abundância natural está presente sendo uma contribuição adicional ao pico M1 Figura 312 EM do metano e do propano 70 eV EI Tabela 32 Abundância isotópica relativa de alguns elementos comuns Elemento M M1 M2 Hidrogênio 1H 1000 Carbono 12C 989 13C 11 Nitrogênio 17N 996 15N 04 EspEctromEtria dE massas 103 Oxigênio 16O 998 18O 02 Enxofre 32S 950 33S 08 34S 42 Cloro 35Cl 755 37Cl 45 Bromo 79Br 505 81Br 495 Iodo 127I 1000 Se Cloro está presente o pico M2 tem intensidade igual a 13 de M Tabela 33 Se Bromo está presente o pico M2 tem intensidade igual a M Tabela 33 Se Enxofre está presente o pico M2 tem intensidade igual a 4 de M Para melhores detalhes sobre características espectrais de compostos que apresentam os picos M1 e M2 com intensidade significante consulte a Bibliografia no final da unidade Problema 36 Dada a Tabela 33 utilize o Pico M1 na determinação da Fórmula Molecular para o composto desconhecido Tabela 33 EM em forma de barra mostrando os principais fragmentos coluna 1 e sua respectiva abundância relativa coluna 2 para o Problema 36 Resposta Para resolução desse problema é importante que você tenha domínio do cálculo do Índice de Deficiência de Hidrogênio IDH já apresentado em Química Orgânica I e no problema anterior Reveja esse conceito e preste atenção na seguinte resposta a M é ímpar ou par De acordo com a regra do Nitrogênio se for par então o composto deve conter número par de átomos de N Para o composto UNIDADE 3 104 considerado M tem MM par O composto deve conter número par de átomos de N b A abundância relativa do pico M1 determina o número de átomos de carbono Número de átomos de C abundância relativa de M 111 Para o composto desconhecido número de átomos de C 4511 4 Esta fórmula está correta pois 13C é o contribuidor mais importante do pico M 1 e sua abundância natural aproximada é 11 c A abundância relativa do pico M2 indica a presença ou ausência de S 44 Cl 33 ou Br 98 veja Tabela 33 d A FM pode então ser conhecida determinandose o número apropriado de átomos de oxigênio Para o composto desconhecido o pico M em mz 72 nos dá a MM Também nos diz que por ser par o N está ausente uma vez que C4N2 tem MM 76u maior do que a do composto de interesse H 72 4 x 12 24 Mas C4H24 é impossível Se a molécula for composta por C H e um O temse H 72 4x12 16 8 E a fórmula molecular do composto será C4N8O Espectros de massas de alguns grupos funcionais comuns A interpretação do EM de uma substância oferece informações sobre funções presentes bem como detalhes de sua estrutura que em conjunto com dados obtidos de outras espectroscopias permitem chegar frequentemente a sua fórmula estrutural A título de ilustração já apresentamos a sequência de fragmentação do íon molecular da acetofenona justificando a origem dos principais picos no espectro da Figura 313 Uma análise mecanística do EM e caminhos de fragmentação de diversos tipos de substâncias e ligações são tratados por Pavia et al 2001 e Silverstein et al 2000 A ionização por impacto de elétron leva à formação de um cátion radical M sendo este formado pela abstração de um elétron de qualquer posição ou ligação da molécula porém mais provavelmente de sítios ou posições ricas em elétrons de ligações múltiplas de heteroátomos ou de ligação alfa a heteroátomos ou alfa a ligações múltiplas Para representação do processo de quebra de ligação utilize meia seta para representar a quebra EspEctromEtria dE massas 105 de ligação homolítica e seta dupla para representar a quebra de ligação heterolítica A representação entre colchetes é mais geral e não especifica a posição exata em que se abstraiu um elétron Veja o esquema geral a seguir A seguir apresentamse características fragmentais de algumas classes de compostos orgânicos Regras gerais de fragmentação Como os modelos de fragmentação espectral de massas em EI são normalmente complexos geralmente é difícil atribuir estruturas definidas para íons fragmentados A maioria dos fragmentos por exemplo de hidrocarbonetos possui muitos caminhos ou mecanismos de fragmentação entretanto alguns artifícios podem nortear a melhor maneira de sugerir certos fragmentos com base em sua vida média ou estabilidade usando conceitos padrões de físicoquímica orgânica Por exemplo a A altura relativa do pico íon molecular M é maior para compostos de cadeia nalquílica e decresce quando o grau de ramificação aumenta UNIDADE 3 106 b A altura relativa do pico íon molecular M usualmente decresce com o aumento da MM em uma série homóloga exceto para alguns ésteres c A quebra é favorecida em átomos de carbono alquilsubstituído clivagem mais provável Esta é uma conseqüência do aumento da estabilidade dos carbocátions que segue a ordem Terciário Secundário Primário Metílico d Geralmente um substituinte maior em uma cadeia é eliminado primeiro como um radical por causa da possibilidade de maior deslocalização do elétron isolado e Ligações duplas estruturas cíclicas e anéis aromáticos estabilizam o M e assim aumentam a probabilidade de eles aparecerem ou se formarem f Ligações duplas favorecem a quebra alílica produzindo um carbocátion estabilizado por ressonância g A representação do cátionradical fora do colchete h Anéis saturados tendem a perder a cadeia lateral alquílica na ligação alfa i Anéis insaturados podem sofrer reação do tipo Retro DielsAlder A carga pode estar em um ou outro fragmento j Em compostos aromáticos alquilsubstituídos a quebra é muito provavelmente na ligação β ao anel produzindo um íon benzílico estabilizado por ressonância ou mais comumente o íon tropílio EspEctromEtria dE massas 107 A ligação CC próxima a heteroátomo é frequentemente quebrada deixando a carga sobre o fragmento contendo o heteroátomo Os elétrons não ligantes estabilizam a carga por ressonância k A quebra está frequentemente associada com eliminação de moléculas pequenas estáveis neutras tais como CO olefinas H2O NH3 H2S HCN mercaptanas ceteno CH2CH2 ou álcoois frequentemente com rearranjo l Rearranjos envolvendo a migração de átomos de hidrogênio em uma molécula que contém um heteroátomo são especialmente comuns Um importante exemplo é o chamado Rearranjo de McLafferty Observe que sempre que houver um átomo de hidrogênio ligado ao carbono gama há uma ligação dupla apresentandose como anel de 6 membros há possibilidade de quebra tipo McLafferty UNIDADE 3 108 Observação Essas regras de fragmentação são aplicadas a espectrometria de massas por impacto eletrônico EI Visto que outras técnicas de ionização APPI ESI MALDI APCI CI etc frequentemente produzem íons moleculares M com menor energia ou íons quasemoleculares com baixo padrão de fragmentação diferentes regras governam a fragmentação desses M Espectro de Massa dos Alcanos Os espectros de massas dos nalcanos de cadeia longa apresentam um padrão de fragmentação facilmente identificável como um pico M muito pequeno como mostrado abaixo para o undecano Figura 313 Veja diferenças de 14 uma CH2 entre alguns picos no EM Há picos intensos referentes a carbocátions terciários em alcanos ramificados devido à sua maior estabilidade ESPECtROMEtRIA DE MASSAS 109 Figura 313 EM do hidrocarboneto undecano C11 É importante ressaltar que infelizmente para algumas classes de compostos alcanos esteranos aromáticos etc o íon molecular não é sufi cientemente estável para apresentar uma abundância relativa alta no EM obtido por impacto eletrônico EI Para aumentar a abundância relativa do íon molecular utilizase a técnica de ionização química CI mais branda ionização produzida por uma reação química provocada por um gás ionizado Essa ionização proporciona um aumento da intensidade ou abundância relativa de M Há sistemas que permitem selecionar uma energia de colisão menor que 70 eV o que permite em alguns casos aumentar a intensidade de M Nesse caso também se terá um espectro mais simples com menor quantidade de fragmentos iônicos mas com uma melhora sensível na intensidade de M Para melhores detalhes sobre ionização química consulte bibliografi a no fi nal da unidade Álcoois Os álcoois sofrem fragmentação no EM por dois caminhos clivagem alfa α e desidratação Na clivagem α uma ligação CC próximo ao grupo hidroxila é rompida produzindo um radical neutro mais um fragmento contendo oxigênio carregado Os álcoois primários normalmente perdem água através da eliminação12 ou 14 térmica Os álcoois secundários apresentam maior tendência a sofrer clivagemalfa no carbono carbinólico Veja espectro típico de um álcool na Figura 314 UNIDADE 3 110 Figura 314 EM do hexanol e do hex1eno Revelam grandes semelhanças devido a formação inicial de M18 Veja que o pico M não é visível no EM do hexanol Haletos A melhor informação no EM dos brometos e cloretos de alquila é presença dos seus isótopos naturais que geram um importante pico M2 Veja EM da Figura 315 e Figura 316 Os haletos de alquilas podem sofrer perda HX de acordo com o processo O menos importante modo de fragmentação é a clivagem alfa para a qual um mecanismo de fragmentação pode ser EspEctromEtria dE massas 111 Figura 315 EM 2cloropropano Observe que o pico referente ao íon molecular M2 mz 80 é um terço da intensidade de M mz 78 Esta é uma característica isotópica fundamental que mostra que cloro está presente na estrutura molecular Figura 316 EM nbromopropano Observe que o pico referente ao íon molecular M2 mz 124 tem intensidade semelhante a M mz 122 Esta é uma característica isotópica fundamental que mostra de bromo está presente na estrutura molecular Alcenos Um importante fragmento no EM de alcenos terminais carbocátion alílico ocorre em mz 41 Sua formação é devido à quebra do tipo Figura 317 UNIDADE 3 112 Figura 317 EM e mecanismo de fragmentação do transhex2eno Há quebra na posição alílica e formação de um cátion estabilizado por ressonância Hidrocarbonetos aromáticos e derivados As Figura 318 a Figura 320 apresentam EM de algumas estruturas aromáticas com seus respectivos fragmentos característicos Esses compostos apresentam íon molecular intenso mz 91 íon benzílio ou tropílio mz 77 mz 51 e mz 92 Figura 318 EM e fragmentos característicos do ortoxileno mz 106 EspEctromEtria dE massas 113 Figura 319 EM e padrão de fragmentação do éter fenólico Figura 320 EM e padrão de fragmentação da acetamida Compostos carbonílicos Aldeídos cetonas ésteres ácidos carboxílicos e amidas sofrem uma clivagem característica no EM chamado Rearranjo de McLafferty Figura 321 mecanismo apresentado anteriormente O átomo de H é transferido para o oxigênio do grupo carbonila uma ligação CC é rompida e um fragmento neutro de alceno é produzido A carga permanece com o fragmento contendo o oxigênio Figura 321 Mecanismo de fragmentação do tipo McLafferty Uma descrição da reação foi primeiro publicado pelo químico americano Fred McLafferty em 1959 Cetonas cíclicas podem sofrer diferentes quebras e rearranjos Veja o exemplo da ciclohexanona Figura 322 UNIDADE 3 114 Figura 322 Padrão de fragmentação de cetonas cíclicas Padrão de fragmentação das aminas As aminas alifáticas sofrem uma clivagem alfa característica similar àquela observada para álcoois Aminas alifáticas cíclicas usualmente produz M intenso Seu principal modo de fragmentação é mostrado na Figura 323 Figura 323 Padrão de fragmentação de aminas cíclicas REFORÇANDO Íon molecular fraco Ésteres metílicos M31 mz 59 mz 74 Ésteres superiores M45 M59 M73 mz 73 87101 Íon molecular fraco para os alifáticos intenso para os aromáticos Alifáticos M17 M45 mz 45 60 Aromáticos M17 M45 M18 Espectros de massa de aminas Íon molecular fraco ou ausente Clivagem α mz 30 EspEctromEtria dE massas 115 Amidas mz 44 OCNH2 Nitrilas alifáticas fragmentam facilmente Nitrilas aromáticas íon molecular intenso Nitrocompostos alifáticos possuem um íon molecular muito fraco ou ausente enquanto os aromáticos apresentam um íon molecular intenso A Tabela 35 mostra algumas estruturas e fragmentos de massas importantes no estudo da espectrometria de massas O estudo sobre fragmentação se torna mais complexo quando se trabalha com estruturas cada vez mais complexas Para maiores detalhes sobre esse estudo consulte a bibliografia em anexo Tabela 35 Fragmentos comuns e massas Fragmento Massa Fragmento Massa Fragmento Massa UNIDADE 3 116 Cromatografia gasosa acoplada á Espectrometria de Massas CGEM Detector de Massas MS O desenvolvimento de um estudo sistemático da composição da matéria orgânica em geral experimentou um grande incremento nas últimas décadas principalmente devido ao desenvolvimento de novas técnicas analíticas instrumentais de cromatografia acoplada à espectrometria de massas as quais vieram contornar problemas de coeluição e obter informações mais confiáveis sobre a identidade e quantidade de componentes em amostras altamente complexas e desconhecidas Aplicações da CGEM A principal ferramenta analítica para identificação confirmação e caracterização estrutural de moléculas orgânicas presentes em uma infinidade de amostras desconhecidas Apesar das novas metodologias disponíveis acopladas a EM a Cromatografia Gasosa é a mais utilizada e propicia também a caracterização molecular em microquantidades µg de misturas orgânicas altamente complexas As aplicações da CGEM incluem análises em geral de amostras desconhecidas tais como drogas petróleos amostras ambientais extratos de plantas óleos vegetais e animais esteróides controle de qualidade em indústrias etc Fundamentação do detector de massas O detector de massas tem sido cada vez mais empregado pela sua enorme versatilidade e sensibilidade e em especial sua capacidade de atuar como detector universal e seletivo Possibilita a identificação inequívoca da grande maioria dos compostos de interesse em cromatografia Tratase de uma versão simplificada e econômica de um espectrômetro de massas adequado à detecção de picos cromatográficos Surgiu no início da década de 80 em duas versões mais populares denominadas ITD íon trap detector pela Finigan e de MSD mass selective detector pela HewlettPackard LANÇAS 1993 A amostra proveniente da coluna cromatográfica entra na fonte de íons onde através de um processo de impacto de elétrons de alta energia ESPECtROMEtRIA DE MASSAS 117 geralmente 70 eV são gerados íons positivos e negativos Os íons formados são acelerados em direção ao analisador de massas neste caso utilizase frequentemente quatro barras denominadas quadrupolo submetidas a um campo elétrico ver Figura 324 e Figura 325 A interação dos fragmentos iônicos com o campo elétrico faz com que apenas íons de determinada relação mz passem intactos sem colidirem com as barras do quadrupolo Variando se o campo elétrico tornase possível efetuar uma varredura através de ampla faixa de espectro de massas de interesse LANÇAS 1993 Figura 324 Diagrama esquemático de um CGEM Figura 325 Foto de um CGEM mostrando injetor automático fi lamentos lentes magneto Laboratório de petróleo UFPI UNIDADE 3 118 Como resultado obtémse um espectro de massas típico do composto em análise como visto anteriormente Em geral os detectores de massas são dotados de um sistema de biblioteca de dados que armazena dezenas de milhares de espectros de massas Desta forma tornase possível confrontar se o obtido para o composto de interesse com aquele da biblioteca Modos de análise Os modos de medição são varredura linear SCAN MODE ou monitoramento de íons seletivos MIS single íon monitoring ou selected íon monitoring SIM No modo SCAN são medidas as intensidades de todas as mz numa faixa selecionada usualmente de mz 50 até mz 700 obtendose portanto um espectro de massas completo para aquele ponto do cromatograma O cromatograma em si é resultado do somatório das intensidades de todos os íons que chegam ao detector a cada instante que se tornam um ponto no gráfico de intensidade versus tempo de retenção Veja Figura 326 e Figura 327 O cromatograma onde estão todos os picos sendo que cada pico representa um componente na amostra é chamado Cromatograma de Íons Totais TIC ou Cromatograma Reconstruído pois foi construído pelo computador a partir do somatório de todos os íons coletados a cada varredura O TIC Total Ion Current Figura 326 e Figura 327 obtido através do modo de aquisição SCAN é muito semelhante ao cromatograma obtido em CG nas mesmas condições utilizando um detector tipo DIC detector de ionização de chama visto anteriormente No modo SIM podese medir a intensidade de um íon específico ou de um conjunto de íons separadamente Cada gráfico de intensidade da razão massacarga em função do tempo é chamado de fragmentograma para um íon selecionado O fragmentograma pode ser também construído a partir do banco de dados de espectros de massas obtidos em uma análise por varredura O computador pode ser instruído a registrar apenas o cromatograma referente a um íon o computador busca então a intensidade deste íon para cada espectro de massas determinado na análise por varredura e constrói o gráfico Fragmentograma Reconstruído correspondente Portanto a fragmentografia permite uma separação virtual importante já que de todas as substâncias de interesse observase apenas a família que apresenta o fragmentograma selecionado EspEctromEtria dE massas 119 Figura 327 Análise por CGAREM TIC de uma amostra de petróleo da Bacia de Campos DE LIMA et al 2010 mostrando a distribuição de nalcanos C12 a C34 e isoprenóides Pr pristano e Ph fitano Figura 326 Análise por CGAREM do óleo essencial extraído via hidrodestilação dos talos de Lantana sp material coletado na Serra de Simões PI Para condições de análise em geral veja Figura 330 Detector por varredura linear e impacto de elétrons resultando no Cromatograma de íons Totais TIC Acima de cada pico há o valor da integração área relativa assim você pode calcular a relação percentual de cada pico cada componente presente na amostra UNIDADE 3 120 Devido à complexidade do cromatograma correspondente ao TIC a pesquisa das diversas classes de compostos é feita geralmente a partir da análise de cromatogramas de determinados íons chamados de fragmentogramas ou RIC de um íon específi co por exemplo RIC mz 191 Figura 328 Ele é obtido a partir do TIC através de um recurso chamado extract ion chromatogram e corresponde à uma parcela da corrente iônica total apresentando o registro apenas da abundância de um determinado íon em função do tempo de eluição Por conseguinte registra somente os compostos que contêm em seus espectros de massas aquele íon selecionado O RIC tem a vantagem de limpar o TIC reduzindo os problemas de coeluição e background enriquecendoo quanto aos compostos que contêm o íon selecionado As fi guras a seguir apresentam dois experimentos feitos no laboratório de petróleo da UFPI em um Cromatógrafo Gasoso de Alta Resolução Acoplado a Espectrometria de Massas CGAREM de uma amostra de óleo essencial dos talos de Lantana sp extraído por hidrodestilação e de uma amostra de petróleo da Bacia de Campos obtido por DE LIMA et al 2010 Figura 328 Análise por CGAREM RIC mz 191 de uma amostra de petróleo da Bacia de Campos DE LIMA et al 2010 mostrando estruturas típicas de terpanos tricíclico e pentacíclico hopano mostrados com seta Fragmentograma obtido no modo SCAN e extraído a partir do TIC Clicando em cima de qualquer pico no cromatograma acima você obterá o respectivo espectro de massas EspEctromEtria dE massas 121 Figura 329 Interface do software de computador mostrando o resultado da pesquisa de similaridade A pesquisa é feita comparandose o espectro de massas do pico escolhido no cromatograma com o mais próximo existente na biblioteca do software O programa lista os dez compostos mais prováveis maior similaridade Neste exemplo a estrutura mais provável transcariofileno é mostrado em cima do EM O espectro superior é do composto presente na amostra e o inferior é do composto presente na biblioteca do programa UNIDADE 3 122 Figura 330 Condições de análise da amostra de óleo essencial dos talos de Lantana sp Veja nesta figura programação de temperatura medidas da coluna modo de aquisição no GC e faixa de massa analisada no MS EspEctromEtria dE massas 123 Cromatografia líquida acoplada á Espectrometria de Massas A união da Cromatografia Líquida com a Espectrometria de Massas LCMS passou por um estágio longo de desenvolvimento antes da aceitação atual como uma técnica analítica robusta versátil e com boa sensibilidade Uma das razões é o fato de que emprega uma técnica que opera em elevadas pressões LC e a outra MS em pressões muito baixas denominada vácuo Portanto a transferência de uma amostra da condição ideal empregada em LC para a condição requerida em MS exigiu o desenvolvimento de interfaces para compatibilizar estas duas técnicas Como visto para que uma substância possa ser detectada em MS ela precisa ser antes ionizada Uma das técnicas mais populares de ionização em GC é o impacto por elétrons de alta energia Ao tentarse inicialmente a mesma técnica em LCMS ela não se mostrou adequada pois o eluente era também ionizado gerando muitas espécies e dificultando a interpretação dos espectros obtidos Várias interfaces foram desenvolvidas e comercializadas incluindo a correia móvel moving belt jato térmico thermospray feixe de partículas particle beam introdução direta do líquido direct liquid introduction entre outras porém com muitas limitações LANÇAS 2009 A maior parte das dificuldades só foi contornada com o desenvolvimento das interfaces que operam à pressão atmosférica denominadas de API atmospheric pressure ionization Dois tipos de interface operando à pressão atmosférica destacam se desde o início para o acoplamento LCMS eletrospray ESI eletrospray interface Figura 33 na qual um spray é produzido com auxílio de uma corrente elétrica e a ionização química APCI atmospheric pressure chemical ionization na qual produzse uma espécie química que irá ionizar a substância em análise Essas duas formas de ionização são complementares sendo a ESI geralmente mais empregada para moléculas de maior polaridade e massa molecular e a APCI a mais empregada para análise de moléculas menores e menos polares Os sistemas LCMS mais modernos são dotados de ambas tornando a técnica bastante versátil para a análise de uma gama de substância com amplas características de polaridade e massa molecular UNIDADE 3 124 Diferença entre GCMS e LCMS Uma vez que a ionização da pressão atmosférica é um tipo de ionização branda produz pouco íons os espectros gerados são geralmente pobres em informação Na maioria dos casos apenas o íon molecular protonado ou desprotonado é obtido dificultando a identidade do analito composto de interesse Como exemplo temse o espectro de massas da Aspirina analisado por CGEM EI e LCMS por ionização eletrospray modo negativo Por EI em CGEM este tem um pico de baixa intensidade em mz 180 correspondente ao íon molecular mas os picos mais importantes são os fragmentos mz 120 138 92 m 43 entre outros Em contraste note que o principal íon ESI é mz 179 íon pseudomolecular formado pela perda de H modo negativo íon principal formado sem fragmentação Pode ser formado também quando se usa o modo positivo sendo que neste caso teríamos o íon molecular acrescido de uma unidade H ou ganho de massa correspondente à massa atômica do Na ou algum outro íon amônio e potássio são também igualmente comuns No EM do AASÁcido acetilsalicílico há ainda os íons em mz 137 e 93 Infelizmente a fragmentação induzida por colisão é frequentemente pobre em picos não sendo tão boa para representar impressão digital como em MSEI A feição do EM pode variar com o instrumento e condições de análise Há possibilidade de formação de adutos moléculas associadas dímeros a exemplo dos picos mz 225 e 381 mz 225 é provavelmente o aduto ácido fórmico do salicilato de metila 46 179 mz 381 é um dímero do sódio 179 179 23 note que há ainda uma carga negativa simples adutos são mais problemáticos ou complexos em alta concentração A forma encontrada para se obter mais informações e tornar a confirmação da identidade da substância mais segura é o uso de dois analisadores denominado sistema em Tandem denominado LCMSMS com dois quadrupolos como analisadores O efluente da coluna de LC entra no primeiro analisador na qual escolhese um íon característico da substância em análise O íon selecionado é encaminhado para uma célula de reação na qual introduzse um gás cuja colisão com o íon produzirá sua fragmentação gerando novos íons que serão analisados num segundo quadrupolo O processo é denominado dissociação induzida por colisão collision induced dissociaton CID e os íons produzidos por colisão serão então analisados Devese observar que a câmara de colisão usualmente consiste em um EspEctromEtria dE massas 125 quadrupolo ou um exapolo que não opera como analisador mas apenas como câmara de colisão Devido a esse fato a técnica foi inicialmente denominada de TSQ triplo stage quadrupole o que pode gerar um pouco de confusão pois atualmente em vários equipamentos comerciais a câmara de colisão não é um quadrupolo LANÇAS 2009 O fato de serem gerados dois espectros de massas pelo uso de dois analisadores melhora as informações a respeito da estrutura química da substância analisada Os sistemas em Tandem como são denominados aqueles nos quais se empregam dois ou mais analisadores de massas em sequência permitem vários tipos diferentes de experimentos sendo que o ilustrado a seguir Figura 331 referese a um experimento MS3 em I scan total todos os íons presentes nas amostras cada pico representa um composto característico ou aduto II um íon é selecionado mz 373 no primeiro analisador fragmentado na câmara de colisão e os produtos são analisados e assim sucessivamente Nos experimentos de MS2 e MS3 foi possível estabelecer um padrão de fragmentação para os íons selecionados Figura 331 Espectro de Massas EM do AAS Salicilato de Acetila obtido por Impacto Eletrônico EI 70 eV e por Ionização Eletrospray ESI espectro abaixo O íon mz 179 em ESI corresponde ao íon molecular protonado M1 UNIDADE 3 126 Sendo observadas as perdas sistemáticas de fragmentos com 19 e 45 Daltons para experimentos MS2 e a produção do íon mz 1850104 no modo MS3 para os íons correspondentes a perda de 45 Daltons das espécies alvo Neste exemplo analisadores do tipo quadrupolo foram empregados entretanto os demais analisadores podem ser igualmente empregados em Tandem inclusive com combinação entre eles por exemplo Quadrupolo TOF Quadrupolo IonTrap IonTrap TOF e outros Quando mais de duas dimensões são desejadas MS MS MS ou MS3 os analisadores do tipo ION TRAP geralmente são preferidos especialmente pelo fato de efetuarem vários estágios sem a necessidade de mudanças no Hardware apenas com uma programação adequada do experimento Por isso os experimentos realizados com Ion Trap são muitas vezes denominados de tandem no tempo os íons permanecem no mesmo espaço e uma sequência de experimentos é planejada com o tempo e os sistemas baseados em quadrupolos tandem no espaço o íon se movimenta no espaço dentro do MS conforme Lanças 2009 Figura 332 Análise de ácidos esteranóicos por LCMSn modo negativo Em I Espectro de massas varredura para a fração ácida de uma amostra de petróleo da EspEctromEtria dE massas 127 Bacia de Campos Em II Espectro de massas MS2 dos produtos da dissociação por colisão induzida por argônio dos íons na região mz 3733115 C25H42O2 Em III Espectro de massas MS3 da dissociação por colisão induzida por argônio do íon mz 3282066 proveniente dos íons na região mz 3733115 C25H42O2 Amostra solubilizada em toluenometanol e hidróxido de amônio Espectrometria de massas sequenciamento de peptídios Como visto as fontes de ionização empregadas em MS aplicada à análise proteômica são Electrospray ESI e MALDI MatrixAssisted Laser Desporption Ionization tendo a função de ionizar de maneira suave preservando assim a estrutura polipetídica e transferir as espécies a serem analisadas para a fase gasosa Os analisadores de massas como o próprio nome indica têm como função básica separar os íons formados de acordo com suas relações mz Diversos analisadores de massas tais como quadrupolos iontraps tridimensionais e lineares timeof flight TOF Fouriertransform ion cyclotron resonance FTICR orbitrap entre outros são comercialmente disponíveis e cada um possui aspectos positivos e negativos de acordo com o experimento planejado e o resultado experimental requerido Estes analisadores podem ser usados sozinhos e de maneira independente ou acoplados entre si dando origem a equipamentos classificados como híbridos os quais fazem uso das vantagens inerentes a cada analisador Tais equipamentos permitem que experimentos em seqüência tandem sejam realizados isto é sendo possível detectar um determinado íon e posteriormente submetêlo a uma etapa de fragmentação Uma vez separados esses íons são detectados por eletromultiplicadores que constituem os detectores mais largamente usados Cantú et al 2008 apresenta um guia prático para a interpretação de espectros de fragmentação de peptídeos obtidos usando espectrometria de massas em tandem O conjunto de regras e informações relatadas foi compilado a partir de uma profunda revisão bibliográfica sobre o assunto bem como usando o conhecimento prático adquirido pelos autores A fim de melhor enfatizar a aplicabilidade do guia proposto dois exemplos foram apresentados Espectros de fragmentação para um mesmo peptídeo foram obtidos através de dois espectrômetros de massas diferentes sendo eles um TOFTOF e um iontrap tridimensional SAIBA MAIS Reveja o vídeo sobre um moderno sistema de análise de Espectrometria de Massas Acoplado a Cromatografia Líquida Neste você poderá entender melhor os processos de ionização e separação além fragmentação e detecção de íons Acesse http wwwyoutubecom watchvBFuZaIizDk UNIDADE 3 128 Exercícios Propostos 1 Qual é a principal finalidade e quais as informações que a Espectrometria de Massas pode fornecer Faça uma discussão geral sobre essa técnica incluindo princípios aplicações etc 2 Quais são os tipos de fontes de íons e os tipos de ionização mais comuns 3 Quais são as principais técnicas de ionização 4 Quais são as vantagens e desvantagens das técnicas EI e CI O que se pode inferir sobre os EM βlactama que seguem 5 Quais são os tipos de analisadores de massas Comente 6 Como um EM de baixa resolução pode ser usado para distinguir entre as fórmulas C6H13Cl e C3H5Br ESPECtROMEtRIA DE MASSAS 129 7 Prediga as estruturas para os seguintes eventos de fragmentação 8 O EIMS do metilciclohexano é mostrado no gráfi co que segue Localize as seguintes informaçõe nesse EM a O íon molécula M b O pico base c O fragmento M C3H7 9 Como seria possível distinguir o espectro de massas do butano e do 2metilpropano Demonstre as principais quebras UNIDADE 3 130 10 O espectro de massas de dois cicloalcanos mais estáveis mostram um pico de íon molecular a mz 98 Um dos EM apresenta um pico base a mz 69 e o outro apresenta pico base a mz 83 Desenhe suas estruturas 11 O EM de um composto desconhecido mostra um pico intenso em mz 128 M Quantas fórmulas são possíveis se este composto é um hidrocarboneto Quantas fórmulas são possíveis se este composto apresenta oxigênio 12 Cloreto de benzila e pclorotolueno apresentam padrões de fragmentação similares EI cujos espectros são mostrados a seguir Estude estes espectros considere a presença de cloro e então assegure a estrutura para cada um deles 13 Dado o EM do bromopropano analise os fragmentos em mz 78 80 e a relação 122 M e 124 M2 EspEctromEtria dE massas 131 14 Com base na teoria de espectrometria de massas responda ou justifique os seguintes itens a O pico de um íon molecular de cadeia linear tem maior altura relativa do que o de cadeia ramificada b Como se comporta a intensidade do pico do íon molecular numa série homóloga c Por que de um modo geral num processo de fragmentação o substituinte maior de uma ramificação é eliminado mais rapidamente como radical d Qual é a situação favorável para que ocorra o Rearranjo de McLafferty e A ordem de perda de carbocátion eou radial é H CH3 1º 2º 3º 15 O EM de uma substância desconhecida possui M com uma intensidade relativa de 43 27 e um pico M1 com intensidade relativa 381 Quantos átomos de C estão presentes na molécula Veja a tabela 32 com abundância natural de isótopos normalmente encontrados em substâncias orgânicas 16 Qual das fórmulas moleculares tem uma massa molecular exata de 861096 uma C6H14 C4H10N2 ou C4H6O2 Consulte a tabela 31 17 Demonstre os padrões de fragmentação para as principais classes de compostos orgânicos éteres álcoois compostos carbonilados etc 18 O que é um Rearranjo de McLafferty e quais os compostos que podem sofrer esse tipo fragmentação UNIDADE 3 132 19 Dado o EM do dimetilciclohexano demonstre seus fragmentos principais 20 A análise clássica de um composto desconhecido mostrou que o mesmo apresenta CHO na proporção 1525025 Uma análise posterior por Espectrometria de Massas EI mostrou o EM seguinte Proponha uma estrutura plausível para esse composto EspEctromEtria dE massas 133 21 Dado os EM do metacrilato de butila a seguir demonstre os principais fragmentos de massas discuta sobre diferença de fragmentação e reações dos gases reagentes 22 Analise os espectros de massas dos compostos a seguir e demonstre os principais fragmentos Resumindo A espectrometria de massas nos permite determinar a massa molecular e a fórmula molecular de uma substância assim como certas características estruturais Na espectrometria de massas uma pequena amostra da substância é volatilizada e depois ionizada como resultado da remoção de um elétron de cada molécula produzindo um íon molecular um cátionradical Um gráfico de intensidade do sinal do detector contra a massa razão massacarga mz do íon é chamado espectro de massas A análise de um espectro de massas fornece tanto as massas dos íons que atingem o detector quanto suas abundâncias relativas A regra do nitrogênio estabelece que se uma substância possui um íon molecular de massa ímpar a substância contém um número ímpar de átomos de nitrogênio O pico base é o pico de maior intensidade UNIDADE 3 134 Espectrômetros de massas de alta resolução determinam a massa molecular exata o que permite que a fórmula molecular de uma substância seja determinada O pico M1 aparece porque existem dois isótopos de carbono de ocorrência natural Um pico M2 abundante é uma evidência de que a substância contém cloro ou bromo se este é um terço da altura do pico M a substância contém um átomo de cloro se os picos M e M2 possuem a aproximadamente mesma altura relativa a substância contém um átomo de bromo Padrões de fragmentação característicos são associados a grupos funcionais específicos Uma ligação entre carbono e um átomo mais eletronegativo se quebra de modo heterolítico com os elétrons migrando para o átomo mais eletronegativo enquanto a quebra entre átomos de eletronegatividade semelhante ocorre de modo homolítico Uma clivagem alfa α ocorre porque a espécie formada é um cátion estabilizado por ressonância UNIDADE 4 ESPECtROSCOPIA NO INFRAvERMElhO Objetivos Entender os princípios e aplicações fundamentais da espectroscopia no Iv Analisar espectros de infravermelho estabelecendo um caminho objetivo e prático que permite a identificação dos principais grupamentos funcionais e a proposição de uma possível estrutura ou estruturas para as substâncias orgânicas mais simples EspEctroscopia no infravErmElho 137 ESPECtROSCOPIA NO INFRAvERMElhO A Espectroscopia e o espectro eletromagnético Histórico A Espectroscopia no Infravermelho IV é um tipo de espectroscopia de absorção que usa a região do infravermelho do espectro eletromagnético Como as demais técnicas espectroscópicas ela pode ser usada para identificar um composto ou investigar a composição de uma amostra Dominar a tecnologia do infravermelho tornouse vital durante a Segunda Guerra Mundial e a concentração de esforços nesse campo levoua a um rápido desenvolvimento Quem dispusesse de sensores para o infravermelho poderia atingir o alvo mesmo no escuro O programa de borracha sintética requeria análises rápidas das frações de petróleo de quatro carbonos para a produção do butadieno O IV era então o melhor método e os primeiros espectrofotômetros comerciais foram lançados quando havia cerca de 40 instrumentos fabricados artesanalmente Hoje o espectrômetro infravermelho é uma ferramenta de trabalho em qualquer laboratório envolvendo desde o controle de qualidade ao de pesquisa aplicado na química orgânica inorgânica analítica e físicoquímica Definição A radiação infravermelha IV é uma radiação não ionizante na porção invisível do espectro eletromagnético compreendendo radiações com números de onda no intervalo de aproximadamente 12800 a 10 cm1 Ainda que em vertebrados não seja percebida na forma de luz a radiação IV pode ser percebida como calor por terminações nervosas especializadas da pele conhecidas como termoreceptores UNIDADE 4 138 Fundamentos Esta técnica difere da Espectrometria de Massas pois envolve a interação de moléculas com energia eletromagnética em vez de um feixe de elétrons de alta energia visto em espectrometria de massas Antes de iniciar o estudo dessa técnica é interessante que o aluno examine a natureza da energia radiante e o espectro eletromagnético na bibliografia citada no final da unidade para melhor compreensão de seus fundamentos A luz visível os raios X as microondas as ondas de rádio e assim por diante todas são diferentes tipos de radiação eletromagnética Coletivamente esses tipos de radiações compõem o espectro eletromagnético mostrado na Figura 41 Figura 41 Espectro eletromagnético EE e efeitos moleculares O EE abrange uma faixa contínua de comprimentos de onda e de frequência A energia eletromagnética é transmitida apenas em quantidades discretas denominadas quanta A quantidade de energia E correspondente a 10 um quantum de energia ou 1 fóton de uma dada freqüência v é expressa pela equação EspEctroscopia no infravErmElho 139 em que E energia de um fóton 1 quantum h constante de Planck 662 x 1034 Js 158 x 1034 cal s v frequência s1 Quando um material é exposto a um feixe de radiação eletromagnética ele absorve energia de certos comprimentos de onda mas transmite energia de comprimento de ondas diferentes As diferentes energias do espectro eletromagnético têm o poder de interagir diferentemente sobre a matéria a ultravioleta provoca transições eletrônicas microonda provoca a rotação molecular enquanto a radiação infravermelha provoca vibração de átomos ou grupos de átomos em um composto e estas vibrações podem ter amplitudes e velocidades diferentes Espectro de absorção na região do infravermelho Analisando essa interação matéria X radiação e verificando quais comprimentos de onda são absorvidos e quais são transmitidos os cientistas puderam determinar o Espectro de Absorção de um composto Os resultados são dispostos sobre um gráfico que mostra o comprimento de onda X radiação transmitida Um exemplo de um espectro de absorção aquele da heptan 2ona exposta à radiação infravermelha encontrase na Figura 42 O eixo horizontal representa o comprimento de onda e o eixo vertical a intensidade de várias energias de absorção em número de onda cm1 em percentagem de transmitância Um pico descendente significa que a absorção de energia ocorreu naquele comprimento de onda Figura 42 Espectro de absorção na região do infravermelho IV da heptan2ona UNIDADE 4 140 A absorção da radiação pode provocar nas ligações o estiramento ou a deformação angular mais vigorosos Alternadamente a absorção da radiação pode forçar um elétron a pular de um orbital de energia mais baixa para um orbital de energia mais alta Diferentes frequências de radiações afetam as moléculas de diferentes maneiras mas cada qual fornece a informação estrutural quando interpretado corretamente Como visto na Figura 42 existem muitos tipos de espectroscopia os quais diferem de acordo com a região do espectro eletromagnético que é usada Discutiremos dois tipos Infravermelho na respectiva unidade e Ressonância Magnética Nuclear na próxima unidade Iniciaremos observando o que acontece quando uma amostra orgânica absorve energia no infravermelho Tanto o comprimento de onda µm quanto o número de onda cm1 são usados para medir uma determinada absorção no IV Do ponto de vista tanto da aplicação como da instrumentação o espectro infravermelho é convenientemente dividido em Infravermelho próximo 12800 4000 cm1 078 a 25 µm Fonte filamento tugstênio ou globar bastão de SiC Meio dispersivo prismas Detector PbS material fotocondutor Infravermelho médio 4000 200 cm1 25 a 50 µm Fonte filamento tugstênio ou globar bastão de SiC Meio dispersivo redes Detetor termopares bolômetros golay Infravermelho distante FIR 200 10 cm1 50 a 1000 µm Fonte lâmpada Hg Meio dispersivo redes ou interferômetro Detetor golay Por todo o caminho atravessado pelos feixes da radiação infravermelha apenas materiais constituídos por haletos alquilinos NaCl KBr KCl CsI e alcalinos terrosos CaF2 ZnSe ou AgCl podem ser empregados desde as janelas das celas de amostras líquidas ou gasosas passando pelo prisma até a janela do detector Figura 43 Para ser um bom solvente um líquido deve mostrar poucas absorções Os solventes mais comumente usados são CCl4 CS0 H2CCl2 e HCCl3 Apesar do espectro do H2CCl2 e HCCl3 mostrar mais absorções por ser uma molécula menos simétrica que o CCl4 e o CS2 é frequentemente usado por ser melhor solvente EspEctroscopia no infravErmElho 141 NaCl é largamente usado por ser um material relativamente barato Amostras sólidas são pulverizadas com KBr prensadas sob a forma de finas pastilhas transparentes e colocadas no caminho de um dos feixes de IV O detector pode ser um bolômetro cuja resistência varia com a temperatura ou um termopar que gera uma força eletromotriz ao ser aquecido Em soluções em fase sólida ou em soluções concentradas os efeitos de associação molecular tornamse importantes Por exemplo o ácido acético apresenta banda de absorção CO em 1718 cm1 como líquido puro e a 1733 cm1 e 1786 cm1 no estado de vapor Essas duas últimas bandas são atribuídas à presença tanto do monômero como do dímero enquanto no líquido puro são devidas apenas ao dímero Figura 43 Modelos de prensa manual almofarizes e pistilos de ágata e células para gases são ferramentas ideais para o preparo de amostras A prensa manual PortA Press para produção de discos de KBr produzindo discos tão transparentes quanto os feitos pela prensa hidráulica de 12 toneladas A PortAPress aplica uma pressão aproximada de 8 toneladas na amostra Aplicações A radiação infravermelha encontra aplicações práticas muito importantes É utilizada por exemplo para aquecer ambientes cozinhar alimentos e secar tintas e vernizes Em medicina tem amplo uso terapêutico sendo empregada no tratamento de sinusite dores reumáticas e traumáticas Um uso também muito comum do infravermelho é para o fabrico de comandos a distância telecomandos preferíveis em relação às ondas de rádio porque não sofrem interferências de outras ondas eletromagnéticas como por exemplo os sinais de televisão Os infravermelhos também são utilizados para comunicação a curta distância entre os computadores e os seus periféricos SAIBA MAIS Se ainda tem dúvida sobre a definição de espectroscopia no Infravermelho acesse o site httpptwikipedia orgwikiEspectroscopia deinfravermelho Veja também acessórios para infravermelho em http wwwanaliticawebcombr UNIDADE 4 142 Em Química são ainda de grande relevância na determinação da pureza e quantifi cação de substâncias orgânicas bem como no controle e acompanhamento de reações e processos de separação A espectroscopia na região do infravermelho tem sido também amplamente utilizada em linhas de produção no controle de processos industriais Espectroscopia na região do infravermelho de moléculas orgânicas As moléculas estão em constante movimento são dinâmicas Suas ligações alongamse e encurtamse num movimento conhecido como estiramento simétrico e assimétrico Os ângulos das ligações também aumentam e diminuem continuamente num movimento chamado deformação fora do plano e no plano Quando uma molécula é irradiada com radiação eletromagnética a energia é absorvida se a frequência da radiação corresponde à frequência da vibração O resultado dessa absorção de energia é um aumento da amplitude de vibração No caso da água alguns tipos de vibrações são apresentados na Figura 44 para a molécula de água Moléculas não lineares com n átomos usualmente exibem 3n6 modos vibracionais fundamentais Figura 44 Modos vibracionais fundamentais para a molécula de água Princípios de absorção da luz no IV As absorções de luz no IV são caracterizadas pelo comprimento de onda da luz absorvida λ 25 a 167 µm Um espectro típico no IV varia entre 600 a 4000 cm1 e a energia associada à radiação absorvida entre 10 a 100 Kcalmol Visto que cada modo normal de vibração tem uma mudança no momento de dipolo quando ele vibra cada um absorverá luz IV Três picos aparecerão no espectro IV da água EspEctroscopia no infravErmElho 143 A Figura 45 mostra uma foto de um espectrômetro enquanto que as Figuras 46 e 47 mostram esquemas e princípios gerais Os sistemas modernos usam técnicas sofisticadas de varredura e são acoplados a microcomputadores Estes equipamentos permitem o armazenamento de dados a manipulação dos espectros e a busca em biblioteca no próprio computador para comparar o espectro de um composto conhecido com os espectros registrados Instrumentos Três tipos de instrumentos para medidas de absorção infravermelha estão disponíveis em fornecedores comerciais 1 Espectrofotômetros dispersivos de rede que são usados principalmente para trabalho qualitativo 2 Instrumentos multiplexados empregando Transformada de Fourier que são apropriados para medidas de infravermelho tanto qualitativas como quantitativas 3 Fotômetros não dispersivos que foram desenvolvidos para determinações quantitativas de uma variedade de espécies orgânicas na atmosfera por espectroscopia de absorção emissão e reflectância Os dois tipos principais de espectrômetros clássico dispersivo e o moderno com Transformada de Fourier FT produzem o mesmo tipo de informação exceto para algumas vantagens importantes do FTIR Até a década de 1980 os instrumentos mais amplamente usados eram os espectrômetros dispersivos Hoje no entanto esse tipo de instrumento foi substituído pelos espectrômetros com Transformada de Fourier devido a sua velocidade confiabilidade e conveniência Figura 45 Um moderno espectrofotômetro de infravermelho UNIDADE 4 144 Nos instrumentos de IV dispersivos os vários comprimentos de onda da radiação da fonte são dispersos por um monocromador A radiação assim dispersa atravessa a amostra sendo a radiação dos diferentes comprimentos de ondas detectada uma de cada vez Nos instrumentos FTIR a radiação Figura 46 Esquema geral de um espectrômetro FTIR imagem modificada de Perkin Elmer IR Tutor Charles B Abrams 19921993 Figura 47 Diagrama geral de um espectrômetro A radiação eletromagnética atravessa uma amostra e interage com ela por absorção em certas frequências O feixe incidente se altera e as mudanças no feixe transmitido são detectadas amplificadas e processadas por um computador para gerar o espectro EspEctroscopia no infravErmElho 145 aos vários l atinge o detector simultaneamente O tratamento matemático Transformada de Fourier permite individualizar a leitura para cada sinal o instrumento inclui um interferômetro Figura 46 e Figura 47 O espectrômetro FTIR Usa um interferômetro Tem melhor sensibilidade melhor relação sinal ruído Menor energia é necessária a partir da fonte Os espectros são obtidos rapidamente scan em 12 segundos com pequenas quantidades de amostra Faz vários scans e a média deles Tem um feixe de laser que mantém o instrumento calibrado A escala número de ondas é muito precisa porque é calibrada internamente com um laser Como no caso da espectroscopia no UV absorções que ocorrem em comprimento de ondas menores maior frequência são as de maior energia O número de onda é diretamente proporcional à energia absorvida K Ehc e o comprimento de onda é inversamente proporcional à energia absorvida λ hc E λ 1 E Podese entender as excitações vibracionais imaginandose dois átomos A e B em uma ligação flexível Imagine esses dois átomos como duas esferas de massa finita conectadas por uma ligação que se estica e se comprime com uma certa frequência v como uma mola Figura 48 e Figura 49 Segundo este modelo a frequência das vibrações dos átomos depende da energia de ligação entre eles e dos pesos atômicos Esta dependência é governada pela Lei de Hooke a equação que descreve o movimento de uma mola Se o modelo bolamola for válido a aplicação da Lei de Hooke a um sistema diatômico como CH dará a freqüência de estiramento da ligação CH SAIBA MAIS Conheça a técnica Assista aos vídeos sobre preparação de amostras líquidas e sólidas para análise no Infravermelho em httpwwwyoutube c o m w a t c h v g pCDAi5kGI httpwww youtubecomwatchvD DTIJgIh86Efeaturerela ted UNIDADE 4 146 ν frequência de vibração em cm1 c Velocidade da luz cmseg K constante de força dinascm varia de uma ligação para outra µ massa reduzida dos átomos C e H A constante de força da ligação simples CH é de 5105 dinascm A massa do carbono 20 x 1024 g e do hidrogênio 161024 g Figura 48 Dois pesos desiguais em uma mola que oscila vibra um modelo para excitação vibracional de uma ligação química Uma alta constante de força k resulta em um alto valor da frequência v Uma menor constante de força resulta em uma menor frequência v Figura 49 Exemplos de uma vibração ativa e inativa no infravermelho dependendo da simetria da molécula ou do momento de dipol EspEctroscopia no infravErmElho 147 Com esses valores chegase a uma freqüência aproximada de 3000 cm1 para as vibrações de estiramento da ligação CH Nos espectros de hidrocarbonetos saturados há sempre bandas de absorção entre 2960 e 2850 cm1 As moléculas que absorvem na região do IV têm além dos movimentos de deformação axial estiramento simétrico νsim e assimétrico νassim das ligações deformações angulares possuem modos de combinação de duas vibrações diferentes As vibrações angulares em geral têm intensidade mais fraca e se superpõem a outras absorções em padrões complicados Excitações podem ocorrer para níveis de vibração mais elevados ν nν1 n2 3 vibrações harmônicas Soma ou diferença das vibrações fundamentais e harmônicas ν ν1 ν2 ou ν ν2 ν1 resultam em vibrações combinadas Vibrações fundamentais ocorrem no domínio de número de onda de 400 a 4000 cm1 25 a 25 µm com energia de 4 a 40 kJ mol1 1 a 10 kcal mol1 Vibrações harmônicas e de combinação são menos intensas que as vibrações fundamentais Intensidade das bandas de absorção no IV Note que é comum expressarmos o gráfico em freqüência versus luz transmitida não luz absorvida Isto é apresentado como percentagem de transmitância T porque o detector registra a razão da intensidade dos dois feixes Figura 49 Transmitância T ou Absorbância A Lei de Mambert Beer I intensidade da energia radiante que emerge da amostra I0 intensidade da radiação que incide na amostra A log10 1T O químico orgânico reporta a intensidade utilizando termos semiquantitativos Forte F médio m e fraco f Fatores que influenciam a intensidade das bandas de absorção no IV Concentração da amostra Número de ligações responsáveis pela absorção Magnitude da variação do momento elétrico dipolar da ligação pelo efeito da radiação grupos polares originam bandas fortes UNIDADE 4 148 Interação Energia Matéria Para que uma vibração apresente a correspondente banda de absorção no IV é preciso que esteja associada a uma variação no momento dipolar da molécula Essas vibrações são chamadas ativas no IV Figura 49 Um exemplo de vibração inativa no IV é o estiramento simétrico da molécula de CO2 pois as ligações alongandose e encurtandose simultaneamente não provocam alteração na posição do centro de gravidade das cargas elétricas nas moléculas Vibração inativa Vibração ativa µ 0 µ 0 Transições proibidas no IV são visíveis na espectroscopia de RAMAN Os grupos fortemente polares CO NO2 SO2 etc originam absorções particularmente intensas Grupos não polares como alcenos substituídos simetricamente R2CCR2 ou em compostos azóicos RNNR são inativos em espectroscopia de IV Toda transição vibracional se dá juntamente com uma modificação do estado rotacional da molécula portanto no IV os espectros obtidos são de vibração e rotação As frequências características dos grupos A Lei de Hooke pode ser usada para calcular a posição aproximada de uma banda de absorção no espectro IV assumindo que K para ligações simples duplas triplas é 5 10 e 15 105 dinascm respectivamente Problema 41 Calcule a frequência de estiramento para a ligação CC CH e CD Compare o valor calculado com o experimental Resposta para CC EspEctroscopia no infravErmElho 149 K 10 x 105 dinascm µ MCMC MC MC 12 12 12 12 6 Observandose a expressão da lei de Hooke notase que para os mesmos átomos a freqüência de vibração aumenta com a força que os une Ligações mais fortes têm uma maior constante de força K e vibram em mais alta frequência do que ligações mais fracas Ligações entre átomos de massas maiores larga massa reduzida µ vibram em menor frequência do que ligações entre átomos mais leves Em geral ligações triplas são mais fortes do que ligações duplas ou simples e têm maior frequência de vibração maior número de ondas Estiramento CH ocorre em cerca de 3000 cm1 Quando por exemplo átomos ligados ao carbono aumentam em massa a massa reduzida aumenta µ e a freqüência de vibração decresce As deformações angulares ocorrem com menor energia menor frequência do que os estiramentos típicos por causa do menor valor de K A ressonância também afeta a força e o comprimento da ligação e assim sua constante de força Enquanto uma cetona normal não conjugada UNIDADE 4 150 tem uma vibração de estiramento em torno 1715 cm1 uma cetona conjugada com uma ligação dupla absorve em menor frequência próxima de 1675 a 1680 cm1 Isto ocorre porque a ligação dupla olefínica ao conjugar com a carbonila dá a esta um maior caráter de ligação simples aumento do comprimento da ligação A ressonância diminui a K a absorção deslocase para menor frequência A hibridização afeta a K ligações com maior caráter s absorvem em mais alta frequência A ordem da força de ligação é sp sp2 sp3 e a freqüência de vibração da ligação CH observada Interpretando espectros na região do IV Como visto o espectro no IV é o registro das frequências de absorção contra suas intensidades A interpretação de espectros de infravermelho de substâncias orgânicas é uma tarefa que devido ao grande número de informações que devem ou precisam ser manipuladas geralmente apresenta dificuldades para os alunos dos cursos básicos de graduação Muitos trabalhos na literatura sugerem um meio para de modo sistemático interpretar um espectro na região do infravermelho e propor uma possível estrutura molecular Consulte por exemplo Lopes e Fascio 2004 Extensas e detalhadas tabelas foram preparadas estabelecendo relações de causa e efeito entre as vibrações dos grupos e suas bandas de absorção no infravermelho Espectros de substâncias desconhecidas podem ser interpretados com auxílio dessas tabelas tirandose preciosas informações sobre as funções presentes na molécula Interpretar todas as bandas é uma tarefa impossível e desnecessária para identificação de substâncias As bandas mais significativas são aproveitadas e informações oferecidas pelas outras técnicas espectroscópicas além dos métodos clássicos permitem que se chegue a sua estrutura EspEctroscopia no infravErmElho 151 Sempre que possível não se afirma que um grupo está presente numa molécula apenas em função de uma única banda no seu espectro Assim um grupo éster se caracteriza pelas bandas de estiramento da carbonila em 1740 cm1 e da ligação CO em 1200 cm1 As evidências negativas não devem ser subestimadas se o espectro não mostrar a absorção típica de um certo grupo funcional a molécula não contém este grupo funcional Se o espectro não mostrar absorção na região 1850 1587 cm1 a amostra não contém grupo carbonila O espectro IV não diferencia normalmente uma amostra pura de uma amostra não pura Geralmente o IV de amostra pura apresenta bandas de absorção bem agudas e bem resolvidas Talvez a mais poderosa finalidade dessa técnica seja a de estabelecer com segurança a identidade de duas amostras que apresentam o mesmo espectro quando feito nas mesmas condições A região de 1430 910 cm1 contém muitas absorções causadas por vibrações de deformação assim como absorções causadas por vibrações de estiramento CC CO e CN Como há muito mais vibrações de deformação do que de estiramento em uma molécula esta região do espectro é muita rica em bandas de absorções e inflexões Por essa razão é chamada de região de impressões digitais Quando se analisa o espectro no IV de uma substância desconhecida há uma série de perguntas que podem ser respondidas rapidamente ela contém um grupo CO É um ácido ou um aldeído É aromático Se for que tipo de substituição possui Respostas a perguntas como estas fornecem dados conclusivos para o trabalho do químico que pode conduzir a identificação segura do composto Em geral podese avaliar o espectro em dois modos distintos de vibração como visto anteriormente Figura 410 e em quatro faixas de absorção Figura 411 De maneira geral as bandas localizadas na metade à esquerda do espectro de IV acima de 1500 cm1 identificam grupos funcionais e as da metade à direita abaixo de 1500 cm1 caracterizam compostos específicos UNIDADE 4 152 Figura 410 Principais modos vibracionais de moléculas orgânicas Figura 411 Principais faixas de absorção na região do infravermelho EspEctroscopia no infravErmElho 153 A Tabela 41 mostra as principais faixas características das vibrações de Deformação e Estiramento de compostos orgânicos ou de algumas unidades estruturais no infravermelho Algumas características importantes devem ser levados em conta com relação ao espectro Espectro deve ser adequadamente resolvido e com intensidade razoável Espectro de um composto razoavelmente puro Espectrofotômetro deve ser calibrado contra padrões poliestireno Método de manuseio da amostra deve ser identificado Filmes discos prensados de KBr solução solvente Normalmente se expressa uma determinada absorção como Espectro IV KBr ν cm1 1740 CO 1595 1515 Ar etc Frequentemente somente algumas bandas características do grupo funcional são analisadas enquanto as demais são usadas somente para comparações moleculares detalhadas De agora em diante vamos analisar os espectro IV de alguns compostos focalizando as bandas mais importantes dos mesmos Inferência sobre a presença ou ausência de grupos funcionais pode ser rapidamente feita com base na análise da Figura 411 Por exemplo a presença de um pico de absorção intenso e largo na região entre 3300 a 3600 cm1 indica a presença de uma hidroxila OH ou um pico de absorção fraca em 2200 cm1 indica uma tripla ligação ou em 1725 cm1 indica uma CO e assim por diante UNIDADE 4 154 Tabela 41 Faixas características das vibrações de deformação e estiramento de compostos orgânicos no infravermelho Tipo de Vibra ção Frequência cm1 Intensidade C H AlcanosCh3 Ch2Alcenos Aromáticos Alcinos Aldeídos estiramento deformação deformação estiramento deformação fora do plano estiramento deformação fora do plano estiramento 30002850 1450 a 1375 1465 31003000 1000650 31503050 900690 ca 3300 29002800 28002700 s m m m s s s s w w C C Alcano Não útil interpretavelmente C C Alceno Aromático 16801600 1600 e 1475 mw mw C C Alcino 22502100 mw C O Aldeído Cetona Ác Carboxílico Ester Amida Anidrido Cloreto ácido 17401720 17251705 17251700 15501730 16801630 1810 e 1760 1800 s s s s s s s C O álcoois éters ésters ác carboxílicos anidridos 13001000 s O H álcoois fenóis Livre H ligado ác Carboxílicos 36503600 34003200 34002400 m m m N H Aminas primárias e secundárias e amidas estiramento Bend 16401550 C N Aminas 13501000 ms C N Iminas e oxi mas 16901640 ws C N Nitrilas 22602240 m EspEctroscopia no infravErmElho 155 XCY Alenos cetenas isocianatos isotiocianatos 221701940 ms N O Nitro RNO2 1550 e 1680 s S H Mercaptanas 2550 w S O Sulfóxidos Sulfonas cloretos de sulfonila sulfatos sulfamidas 1050 13751300 e 13501140 s s C X Fluoreto Cloreto Brometo Iodeto 14001000 785540 667 s s s Espectro característico das principais classes de compostos orgânicos Comecemos pelo IV do nhexano Figura 412 Acima de 1500 cm1 temos apenas absorções estiramento de CH de alcanos na região 2840 a 3000 cm1 Figura 412 Espectro de absorção na região do infravermelho do nhexano mostrando estiramento stretch CH grupo CH3 e CH2 na região 2840 a 3000 cm1 e deformações bending em 1460 1380 e 730 cm1 Absorções Características Alcanos Estiramento CH de 30002850 cm1 Deformações CH tesoura ou scissoring de 14701450 cm 1 Balanço rock CH metil de 13701350 cm1 Balanço CH metil visto somente em alcanos de cadeia longa de 725720 cm1 UNIDADE 4 156 Como nenhum grupo funcional está presente os espectros de hidrocarbonetos são muito semelhantes nesta região Entretanto em um aparelho de maior sensibilidade abaixo de 1500 cm1 região da impressão digital os espectros são diferentes As bandas em cerca de 1460 1380 e 730 cm1 ocorrem em todos os hidrocarbonetos saturados Uma absorção deformação associada a 4 ou mais grupos CH2 em uma cadeia aberta ocorre em cerca de 720 cm1 banda de cadeia longa A Figura 413 e a Figura 426 apresentam os espectros IV de algumas substâncias as quais representam as principais classes de compostos orgânicos As legendas das respectivas figuras mostram as bandas principais Figura 413 Espectro de absorção na região do infravermelho do octeno Banda de estiramento CC em cerca de 1644 cm1 Estiramento CH carbono sp2 ocorre em valores acima de 3000 cm1 3010 3095 cm1 Deformações CH 1465 cm1 tesoura CH 1378 cm1 balanço estão marcados neste espectro Estes picos não são importantes porque estão presentes em quase todas as moléculas orgânicas região da impressão digital As bandas em 917 cm1 e 1044cm1 são atribuídas a deformações CH EspEctroscopia no infravErmElho 157 Figura 414 Espectro de absorção na região do infravermelho do Tolueno Estiramento CH de 3010 3060 cm1 Bandas de combinações overtones fracos entre 20001665 cm1 Estiramento CC em anel de 1600 e 1475 cm1 Estiramento CC em anel de 1500 1400 cm1 Deformações for a do plano CH de 900675 cm1 Anéis monossubstituídos têm absorções fortes em 690 cm1 e em 750 cm1 ortosubstituído banda forte em 750 cm1 metasubstituído 690 e 780 cm1 parasubstituído uma banda forte entre 850 e 800 cm1 Figura 415 Espectro de absorção na região do infravermelho do Hexino um Alcino terminal Estiramento CH da ligação CH vizinha a ligação tripla CC 3324 cm1 a ligação tripla CC tem absorção característica em 2126 cm1 Deformação CH da ligação CH vizinha a tripla CC em 636 cm1 As outras bandas são referentes aos estiramento CH de CH3 tesoura e balanço da porção alcano da molécula UNIDADE 4 158 Figura 416 Espectro de absorção na região do infravermelho da butan2ona uma cetona alifática Estiramento CO Cetonas alifáticas 1715 cm1 Uma cetona α βinsaturada apresentaria banda de absorção entre 16851666 cm1 Um ligação dupla conjugada move a freqüência para menor número de ondas menor energia Figura 417 Espectro de absorção na região do infravermelho do etanol Estiramento OH ligações de hidrogênio 35003200 cm1 Estiramento CO 12601050 cm1 s O grupo carbonila está presente em aldeídos cetonas ácidos carboxílicos ésteres amidas haletos ácidos e anidridos Estes grupos absorvem fortemente de 1850 cm1 a 1650 cm1 por causa de seu largo EspEctroscopia no infravErmElho 159 momento de dipolo Visto que o estiramento CO é sensível a átomos ligados os grupos funcionais comuns já mencionados absorvem em valores característicos Os valores básicos normais para vibrações de estiramento CO de compostos carbonílicos são mostrados na Figura 418 Figura 418 Os valores básicos normais para vibrações de estiramento CO de compostos carbonílicos Esses valores são alterados pelos fatores já mencionados anteriormente Figura 419 Espectro de absorção na região do infravermelho do butanaldeído uma aldeído alifático Estiramento HCO 28302695 cm1Estiramento CO Aldeído alifático 17401720 cm1 Aldeído alfa betainsaturado 17101685 cm1 UNIDADE 4 160 Figura 420 Espectro de absorção na região do infravermelho do benzaldeído Observe o estiramento OCH entre 28302695 cm1 especialmente o pico em 2725 cm1 no butanaldeído e 2745 cm1 no benzaldeído Figura 421 Espectro de absorção na região do infravermelho do ácido carboxílico hexanóico Estiramento OH de 33002500 cm1 Estiramento CO de 17601690 cm1 Estiramento CO de 13201210 cm1 Deformação OH de 14401395 e 950910 cm1 Estiramento CO 1721 cm1 Estiramento CO 1296 deformação OH 1419 cm1 948 cm1 e Estiramento CO 1296 cm1 Estiramento CO de alifático 17501735 cm1 α βinsaturado 17301715 cm1 Estiramento CO de 13001000 cm1 EspEctroscopia no infravErmElho 161 Figura 422 Espectro de absorção na região do infravermelho do éster acetato de etila Estiramento CO de alifático 17501735 cm1 α βinsaturado 17301715 cm1 estiramento CO de 13001000 cm1 Figura 423 Espectro de absorção na região do infravermelho do éster benzoato de etila Note que Estiramento CO do acetato de etila 1752 cm 1 tem um mais alto número de onda do que no éster benzoato de etila α βinsaturado 1726 cm1 Observe também estiramento CO na região 13001000 cm1 UNIDADE 4 162 Figura 424 Espectro de absorção na região do infravermelho da anilina ou aminobenzeno Estiramento NH 34003250 cm1 Amina 1 duas bandas de absorção 34003300 cm1 e 33303250 cm1 Amina 2 uma banda entre 33503310 cm1 Amina 3 nenhuma banda nesta região Deformações NH somente Amina 1 entre 16501580 cm1 Estiramento CN aminas aromáticas entre 13351250 cm1 Estiramento CN aminas alifáticas entre 12501020 cm1 Deformação NH de aminas primaria e secundária 910665 cm1 Figura 425 Espectro de absorção na região do infravermelho de uma amina secundária dietilamina Observe que esta amina secundária mostra somente uma absorção em 3288 cm 1 Estiramento CN em 1143 cm1 na mesma faixa para aminas aromáticas 1250 1020 cm1 Dietilamina também mostra uma deformação abano de NH em 733 cm1 Trietilamina é uma amina terciária e não apresenta estiramento NH nenhuma banda de absorção referente a deformação abano NH wag Estiramento CN em aromáticos é próximo de 1214 cm1 EspEctroscopia no infravErmElho 163 Figura 426 Espectro de absorção na região do infravermelho do mnitrotolueno Estiramento assimétrico NO 1550 1475 cm1 Estiramento assimétrico NO 1360 1290 cm1 Exercícios Propostos 1 O que é a radiação no infravermelho 2 Desenhe um diagrama esquemático de um espectrômetro de infravermelho Qual a diferença entre um espectrômetro de infravermelho dispersivo e um espectrômetro de infravermelho com Transformada de Fourier 3 Quais os principais tipos de vibrações que as moléculas podem sofrer 4 Como se calcula o número de modos de vibrações de uma molécula poliatômica 5 Simule um espectro IV demonstrando as principais regiões de absorção tipos comuns de bandas de absorção Veja intervalos característicos a seguir 3700 2500 cm1 Ligação simples com hidrogênio 2300 2000 cm1 Ligação tripla 1900 1500 cm1 Ligação dupla 1400 650 cm1 Ligação simples outro que não hidrogênio UNIDADE 4 164 35003300 cm1 NH estiramento Aminas 31003000 cm1 OH estiramento Alcoóis uma larga forte banda 31003000 cm1 CH estiramento Alcenos 30002850 cm1 CH estiramento Alcanos 17601665 cm1 CO estiramento Cetonas aldeídeos ésteres 16801640 cm1 CC estiramento Alcanos 6 Quais os tipos de transição de energia em cada região do espectro eletromagnético 7 Por que razão os químicos preferem usar número de ondas para expressar a freqüência vibracional de moléculas Em termos de comprimento de onda a faixa média de absorção na região do infravermelho é 25 a 25 µm Em termos de número de ondas qual seria essa faixa do infravermelho vibracional 8 Explique o processo de absorção de energia por moléculas orgânicas com relação à radiação infravermelha 9 Com base no modelo oscilador harmônico clássico explique citando exemplo como a força de ligação e as massas dos átomos ligados afetam a frequência de absorção no infravermelho 10 Comente o texto seguinte Vibrações de estiramento simétrico ocorrem em mais alta freqüência do que vibrações de estiramento assimétrico enquanto vibrações de estiramento simétrico ocorrem em mais alta freqüência do que vibrações de deformação 11 Explique os valores das freqüências de absorção para ligações duplas endocíclicas dos seguintes compostos Ciclohepteno CC 1650 cm1 ciclohexeno CC 1646 cm1 ciclopenteno CC 1611 cm1 ciclobuteno CC 1566 cm1 ciclopropeno CC 1656 cm1 12 Quais os fatores que influenciam as vibrações de estiramento CO Cite exemplos e justifique ESPECtROSCOPIA NO INFRAvERMElhO 165 13 As fi guras a seguir apresentam espectros na região do infravermelho de vários compostos orgânicos Analise suas principais bandas de absorção e proponha uma estrutura plausível 14 Quando a fórmula molecular é dada é possível calcular o IDH Índice de Defi ciência de Hidrogênio O IDH dá informações usuais sobre grupos funcionais ou grupos que podem estar presentes na molécula Dada a fórmula molecular de composto desconhecido e seu respectivo espectro IV é apresentado na Figura 27a Figura 27f a seguir deduza sua estrutura UNIDADE 4 166 Resumindo A espectroscopia no infravermelho envolve um tipo de espectroscopia de absorção na região do infravermelho do espectro eletromagnético Como as demais técnicas espectroscópicas ela pode ser usada para identifi car um composto ou investigar a composição de uma amostra Mais especifi camente o IV dá informações sobre os grupos funcionais presentes na amostra ou estrutura analisada Do ponto de vista tanto da aplicação como da instrumentação o espectro infravermelho é convenientemente dividido em EspEctroscopia no infravErmElho 167 Infravermelho próximo 12800 4000 cm1 Infravermelho médio 4000 200 cm1 Infravermelho distante FIR 200 10 cm1 As ligações vibram com movimentos de estiramento de maior energia e deformação angular ocorrendo a uma frequência característica Quando uma substância é bombardeada com uma radiação de frequência exatamente igual à frequência de uma de sua vibrações a molécula absorve energia e exibe uma banda de absorção O instrumento que determina o Espectro de Absorção é chamado de espectrômetro de infravermelho ou mais precisamente um espectrofotômetro Dois tipos de espectrômetro no infravermelho são de uso comum no laboratório de orgânica instrumento dispersivo e Transformada de Fourier FT A região de grupamento funcional em um espectro no IV 4000 cm1 a 1400 cm1 é onde a maioria dos grupos funcionais apresenta suas bandas de absorção a região de impressão digital 1400 cm1 a 600 cm1 é característica da substância como um todo Por exemplo a ligação CH do alcino terminal absorve radiação infravermelha em 3300 cm1 de frequência e a ligação CC de alceno na faixa de 1640 a 1680 cm1 Observando quais frequências da radiação infravermelha são absorvidas pela molécula e quais não são é possível determinar os grupos funcionais presentes em uma molécula UNIDADE 5 ESPECtROMEtRIA DE RESSONÂNCIA MAGNétICA NUClEAR DE hIDROGêNIO Objetivos Demonstrar os princípios gerais da Ressonância Magnética Nuclear Aplicar a RMN 1h na determinação de estruturas de moléculas orgânicas Aplicar as técnicas associadas Infravermelho Espectrometria de Massas e RMN 1h na determinação de estruturas orgânicas Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 171 ESPECtROMEtRIA DE RESSONÂNCIA MAGNétICA NUClEAR DE hIDROGêNIO Explicações preliminares Os princípios da RMN são bastante complexos e envolvem conhecimentos em diversas áreas das ciências exatas O conceito por trás de RNM existe desde o início do século 20 E no início da década de 30 Isidor Isaac Rabi físico da Universidade de Columbia fez experimentos com as propriedades magnéticas dos átomos Ele descobriu que um campo magnético associado a ondas de rádio fazia com que os núcleos dos átomos se movessem uma propriedade conhecida hoje como ressonância magnética Em 1944 Rabi ganhou o Prêmio Nobel de Física por seu trabalho pioneiro Desde então ela tem sido aplicada na detecção de átomos leves e como uma forma nãodestrutiva de estudar o corpo humano É reconhecidamente a técnica mais importante para a investigação em nível molecular permitindo obter informação estrutural e dinâmica para qualquer estado da matéria Em particular é um método decisivo na determinação de estruturas tridimensionais de moléculas no estado líquido Ocupa igualmente um lugar de destaque no campo da análise qualitativa e quantitativa desde componentes em produtos alimentares por exemplo a fluidos biológicos e metabólicos em tecidos e órgãos de seres vivos intactos de um modo não invasivo e não destrutivo A caracterização espacial do sinal RMN da água juntamente com o desenvolvimento acelerado das capacidades de computação permitiu também o desenvolvimento espetacular do domínio da imagem por ressonância magnética hoje uma das técnicas imageológicas fundamentais em medicina e em outras áreas Estes instrumentos trabalham com um campo magnético muito forte capaz de provocar até a morte de uma pessoa que tenha uma ponte de safena SAIBA MAIS httpsaudehswuolcom brressonanciamagnetica funcionalhtm UNIDADE 5 172 e trabalhe muito perto do aparelho de RMN Vamos nos ater inicialmente à espectrometria de ressonância magnética de hidrogênio RMN 1H ou mais especificamente de prótio por se tratar do núcleo responsável pelo fenômeno da ressonância O item 51 adaptado do livro Crônicas Acadêmicas de Moita Neto 2009 dá uma idéia geral sobre essa técnica incluindo fundamentos aplicações etc Leiao com atenção Ao longo dos itens seguintes detalharemos melhor seus fundamentos e aplicações A tecnologia médica evoluiu tanto nos últimos anos que hoje os exames por imagem conseguem cortar o corpo em fatias extremamente finas obtendo imagens e criando modelos tridimensionais de órgãos e tecidos para descobrir anormalidades e diagnosticar doenças Entretanto um tipo relativamente novo de exame chamado ressonância nuclear magnética funcional RNMf leva a tecnologia um passo além Ele não apenas consegue ajudar a diagnosticar doenças cerebrais como também permite que os médicos entrem em nossos processos mentais para determinar o que estamos pensando e sentindo A RNMf ainda pode ser capaz de detectar se estamos falando a verdade Visão geral de um aparelho de ressonância magnética A fim de produzir uma imagem em RMN o paciente é exposto a um poderoso e uniforme campo magnético Tesla T Na maioria dos sistemas médicos em uso atualmente esses campos variam de 02 T a 20 T de intensidade Para comparar o campo magnético do planeta Terra é de aproximadamente 000005 T com pequenas variações em torno da linha do Equador e dos pólos glaciais Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 173 Aplicações e princípios gerais O uso de ressonância magnética nuclear é tão comum na medicina que o nome científico dessa técnica não mais assusta ninguém Os pacientes geralmente não têm a menor idéia porque precisam ficar dentro de um ímã gigante para serem examinados mas sabem que os resultados obtidos por ressonância permitem ao médico diagnosticar com maior precisão alguma patologia A RMN é muito utilizada na Química Entretanto quem entra no ímã não é o químico e sim um tubo semelhante a uma caneta contendo a substância que deve ser analisada A técnica de ressonância pode ser usada para identificar diversos tipos de núcleos presentes em um composto químico Existe RMN de 1H 13C 27Al 31P 15N etc Não são todos os núcleos que podem sofrer ressonância magnética A ressonância usada na medicina é a ressonância nuclear de prótio 1H um dos isótopos do elemento hidrogênio pois em todo o nosso organismo temos substâncias químicas que têm hidrogênio O melhor exemplo é a água pois ela está espalhada em todo o nosso corpo Cada hidrogênio está em um ambiente magnético específico e qualquer alteração deste ambiente por conta de uma doença é detectado por esta técnica O fundamento da técnica consiste em criar através do ímã gigante um desnível entre os spins nucleares para em seguida aumentar a energia de todos os spins usando uma onda de rádio e finalmente observar como os spins retornam ao estado energético natural criado pelo campo magnético do ímã Pequenas diferenças entre ambientes magnéticos aos quais estão submetidos os núcleos geram diferenças significativas no espectro de ressonância Para transformar o sinal obtido no tempo em um espectro de ressonância é utilizada uma Transformada de Fourier Mas este detalhe e tantos outros ficam escondidos mesmo da maioria dos químicos que estão interessados principalmente em conhecer mais detalhes da substância que estão analisando A técnica de RMN aplicase principalmente às substâncias líquidas e sólidas em soluções mas também existe RMN de sólidos A ressonância é uma técnica cara pois até o solvente utilizado deve ser especial Por exemplo para fazer RMN de 1H de uma substância que se dissolve em clorofórmio esse solvente necessita ser deuterado CDCl3 para que os sinais magnéticos UNIDADE 5 174 do próprio solvente não interfi ram na análise Atualmente o poderoso ímã de um instrumento de ressonância é feito de um material que é supercondutor apenas em temperaturas baixíssimas necessitando ser permanentemente resfriado com hélio líquido o que onera muito a manutenção desse equipamento Ver Figura 53 Os maiores fabricantes desses equipamentos são as empresas multinacionais Bruker httpwwwbrukerbiospincom e a Varian http wwwvarianinccom No Brasil há uma associação de usuários de RMN que congrega os profi ssionais que usam essas técnicas httpwwwauremnorg br Propriedades magnéticas dos núcleos e instrumentação geral O núcleo de certos elementos e isótopos comportase como se fossem ímãs girando em torno de um eixo Têm esta propriedade alguns núcleos como o do hidrogênio e o do carbono 13 Quando se coloca um composto contendo átomos de 1H ou de 13C num campo magnético muito forte e simultaneamente se irradia o composto com energia eletromagnética os núcleos podem absorver energia EµΒ0 num processo denominado ressonância magnética Figura 51 Na presença de um campo magnético externo cada núcleo pode assumir 211 orientações possíveis ou níveis de energia EµΒ0 Figura 51 Estado de spin de um prótio na ausência e presença de Bo mostrando a separação do estado spin de energia como uma função do campo aplicado Bo Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 175 O ΔE entre os dois níveis para por exemplo o 1H obedece a regra geralE hv µΒ0 onde v frequência da radiação absorvida h constante de Planck 6626 x 1034 Js A equação fundamental que relaciona a radiofrequência rf aplicada com a intensidade do campo magnético é A constante chamada de razão giromagnética é a constante nuclear fundamental e característica de cada núcleo em estudo uma constante de proporcionalidade entre o momento magnético µ e o número de spin I Quanto maior a freqüência operacional do instrumento e mais forte o magneto melhor é a resolução separação dos sinais Se cada tipo de núcleo possui uma 1H 2765 x 108 T1s 13C 6688 x 107 T1s diferentes energias são necessárias para induzir diferentes núcleos a entrarem em ressonância Por exemplo para excitar o 1H requer uma v 300 MHz e para o 13C requer uma v 75 MHz Os espectrômetros de RMN têm fontes de radiação que podem ser ajustadas em diferentes frequências de modo que elas possam ser utilizadas para obter espectros de RMN de diferentes tipos de núcleos entretanto os que têm maior importância em experimentos de RMN são 1H 13C 15N 19F e 31P pelos seguintes motivos 15N é componente chave de biomoléculas importantes tais como proteínas e DNA 1H tem alta sensibilidade e é amplamente distribuído em compostos orgânicos 19F tem alta sensibilidade 31P tem ocorrência frequente em compostos orgânicos e moderada sensibilidade relativa 13C é o componente básico de todos os compostos orgânicos embora ocorra em baixa abundância relativa 11 em comparação com o isótopo 12C que tem I 0 e portanto inativo em RMN UNIDADE 5 176 Tabela 51 Frequências e razões magnetogíricas para alguns núcleos que apresentam ressonância nuclear μ em unidades de magnetos nucleares 5050781027 JT1 γ em unidades de 107rad T1 sec1 A absorção desta radiação pelos núcleos desses elementos é quantizada e produz um espectro característico Quando os núcleos sofrem relaxamento emitem sinais eletromagnéticos cuja frequência depende da diferença de E Esta absorção não ocorre a menos que a frequência da radiação e a intensidade do campo magnético tenham valores bem definidos Aproximadamente metade desses núcleos alinhamse contra e metade a favor de Bo com discreta predominância de prótons na mesma direção do Bo estado de menor energia com excesso de 9 em cada 2 milhões de núcleos Esse excesso de núcleos é o que nos permite observar o fenômeno da ressonância Os núcleos com número de spin I diferente de zero apresentam campo magnético definido pelo momento magnético do núcleo µ Aqueles com I igual a ½ comportamse como pequenos ímãs ou seja possuem dois Isótopo Abundân cia Natu ral Spin I μ Momento quadrupolo elétrico eX10 24cm2 Frequên cia opera cional em 7T MHz Sensi bilidade relativa Razão Magne togírica γ 1H 99984 12 279628 30013 1 26753 2H 0016 1 085739 28 x 103 4607 00964 4107 10B 188 3 18005 74 x 10 2 3225 00199 11B 812 32 26880 26 x 102 9629 0165 12C 989 0 13C 11 12 070220 7547 00159 6728 14N 9964 1 040358 71 x 102 2168 000101 15N 037 12 028304 3041 000104 16O 9976 0 17O 00317 52 18930 40 x 103 4069 00291 3628 19F 100 12 26273 28240 0834 25179 28Si 9228 0 29Si 470 12 055548 5963 00785 5319 31P 100 12 11205 12149 00664 10840 35Cl 754 32 092091 79 x 102 2941 00047 37Cl 246 32 068330 62 x 102 2448 00027 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 177 pólos magnéticos e orientamse num campo magnético Somente aqueles átomos que possuem número impar de prótons 1H 14N 19F 31P ou nêutrons 13C serão capazes de produzir um sinal em RNM por um momento angular ou uma resultante angular Neste ponto já se pode perceber que dos três elementos mais comuns nas moléculas orgânicas H C e O os isótopos mais abundantes de 12C e 16O não serão objeto de estudo pela RMN por serem magneticamente inativos Problema 51 Usando a equação abaixo demonstre que a 298 K para um instrumento operando a 60 MHz há um excesso de aproximadamente 9 núcleos no estado spin alfa para cada 1000000 que ocupam o estado de spin beta durante o fenômeno da ressonância Dados h 6624 x 1034 Js k 138 x 1023 JKmol Observando a Figura 51 podese concluir que a diferença depende do Bo aplicado mas é mínima em qualquer circunstância Embora incrivelmente pequena essa diferença é suficiente para produzir um sinal em RNM Há um mecanismo que permite que os 1H voltem ao estado de menor energia chamado relaxação spinspin e relaxação spinlattice Assim os espectrômetros permitem aos químicos medir a absorção de energia pelos núcleos A radiação utilizada no espectrômetro de RMN é a radiofrequência RF de comprimento de onda altíssimo da ordem de metros e baixa energia da ordem de 106 kcalmol pode ser introduzida por uma varredura de onda contínua instrumentos tradicionais ou por um pulso de radiofrequência instrumentos mais modernos Além de registrar a absorção como nos instrumentos tradicionais que usam feixe contínuo também é possível registrar o decaimento da absorção com o tempo um procedimento que exige uma análise matemática mais elaborada chamada de Transformada de Fourier FT Além da velocidade do espectro este instrumento permite o acúmulo de muitos pulsos e conseqüentemente de muitos espectros aumentando muito a sensibilidade o que é muito importante quando a quantidade de amostra é muito pequena A Figura 52 e a Figura 53 apresentam um esquema geral de instrumentos de RMN UNIDADE 5 178 Figura 52 Diagrama esquemático de um espectrômetro de RMN A tubo de amostra B bobina transmissora C bobinas de varredura D bobina receptora E ímã Figura modifi cada de SILVERSTEIN E WEBSTER 2000 Figura 53 Diagrama esquemático de um espectrômetro de RMN com Transformada de Fourier e um magneto supercondutor com foto à direita de um sistema da marca Bruker Problema 52 Do ponto de vista clássico comente sobre a seguinte afi rmação campos magnéticos são causados por cargas em movimento Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 179 Solução Se uma corrente elétrica I estiver fluindo em uma direção através de um fio o campo magnético gerado é um vetor circular que descreve um cilindro ao redor do fio com seu centro neste fio A força do campo magnético depende da distância do fio denominado r Assim a magnitude do vetorforça do campo magnético denominado B é dada pela equação onde os símbolos I I são usados para indicar a magnitude de vetor μ0 uma constante física chamada de permeabilidade do vácuo Seu valor é 4π x 107 teslametroampere ou Tmamp O tesla T é unidade de força do campo magnético e a escolha desse nome é uma homenagem ao cientista excêntrico e genial Nikola Tesla que ganhou o Prêmio Nobel em 1912 pelo seu trabalho com eletricidade e magnetismo Em termos das unidades básicas um tesla é igual a um KgCoulombs Existe outra unidade de força de um campo magnético o gauss cuja abreviação é G que é igual a 104T A direção do vetor do campo magnético é dada pela regra da mão direita se você apontar o polegar da mão direita na direção da corrente os dedos da mão direita se enrolam na direção do campo magnético Isto é ilustrado na figura a seguir A corrente passando através de um fio reto causa a formação de um campo magnético cilíndrico denominado B UNIDADE 5 180 Problema 53 Para uma distância de 1 m a partir de um fio reto calcule o campo magnético produzido por a Um único elétron passando por um determinado ponto a cada segundo B Um mol de elétrons passando por um determinado ponto a cada segundo Solução a Como a carga de um elétron é 1602 x 1019 coulombs por elétron a corrente I é neste caso 1602 x 1019 Csou 1602 x 1019 amp substituindo na equação b Um mol de um elétron tem uma carga de aproximadamente 96500 Cconstante de Faraday e a corrente é de 96500 amp Na realidade essa corrente provavelmente destruiria o fio Substituindo esse valor na equação temos Compare a resposta da parte b com o valor do campo magnético natural da Terra que é aproximadamente 06 gaussou 6 x 105T Correntes elétricas em casa escritórios ou laboratórios são de 15 a 30 amperes A regra da mão direita é usada para determinar a direção dos vetores do campo magnético Como é mostrado se o polegar da mão direita está apontando na direção da corrente os dedos se enrolam na direção do campo magnético Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 181 assim os campos magnéticos da fiação elétrica a que estamos normalmente expostos são da ordem de grandeza do próprio campo magnético da Terra O Espectro de RMN Para um hidrogênio 1H se o campo aplicado tem uma força 141 Tesla a diferença de energia é cerca de 239 x 105 KJmol radiofrequência de 60 MHz 60 milhões de ciclos por segundo A RMN 1H permite identificar determinados tipos de hidrogênio em uma molécula sendo que cada um deles tem um deslocamento químico característico que depende do ambiente estrutural ou eletrônico Como no IV em RMN também há tabelas que listam os deslocamentos típicos de hidrogênios prótions de unidades estruturais comuns em moléculas orgânicas veja Tabela 54 É importante familiarizarse com essas faixas de deslocamentos químicos correspondentes Atualmente há software no qual você poderá desenhar uma determinada estrutura e o próprio software simula seu respectivo espectro de RMN com boa precisão A Figura 54 apresenta um espectro de RMN 1H do álcool 22dimetilpropanol Um hidrogênio próximo de um grupo ou átomo retiradores de elétrons como um halogênio ou oxigênio deslocase para um campo relativamente mais baixo hidrogênio desprotegido desblindado A Figura 54 e Figura 55 mostram como os heteroátomos vizinhos afetam o deslocamento químico de um hidrogênio Por exemplo quanto mais eletronegativo o átomo maior a desblindagem do grupo metílico em relação ao metano Uma vez que cada hidrogênio quimicamente diferente tem um ambiente eletrônico único ele tem uma ressonância característica Figura 54 Espectro de RMN 1H 300 MHz CDCl3 do 22dimetilpropanol SAIBA MAIS Assista ao vídeoeducação sobre a RMN 1H da Royal Society of chemistry em httpwwwyoutubecom watchvuN M801B9Y84 UNIDADE 5 182 A área linhas em forma de degraus sob cada pico é proporcional ao número de prótons de cada pico Medindo eletronicamente ou integrando a área de cada pico é possível medir o número relativo de cada tipo de próton em uma molécula Em sistemas mais modernos é possível manipulando os dados no computador obter os valores das integrais acima dos respectivos picos e a partir daí obter a relação entre esses picos Obtêmse também os valores dessas relações simplesmente medindo as alturas das integrais através de uma régua Veja a explicação a seguir PREPARO DE AMOSTRA PARA ANÁLISE EM RMN Obtenção de um Espectro de RMN Para obter um espectro de RMN 1H do tipo alguns miligramas da amostra de interesse são dissolvidos em 03 a 05 ml de um solvente Tabela 52 que não apresenta átomos capazes de absorver na faixa de RMN utilizada A substituição de hidrogênio por deutério remove todos os sinais do solvente no espectro de hidrogênio Transferese a solução para um tubo cilíndrico de vidro que é colocado e uma determinada posição do magneto supercondutor Figura 53 Para garantir que todas Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 183 as moléculas ocupem em média a mesma posição no campo magnético o tubo de RMN sofre uma rotação provocada por um jato de ar no interior de um fio em hélice que emite RF A amostra é irradiada com um pulso de RF em toda a região espectral A resposta é registrada por um detector e o decaimento dos sinais do espectro sofre Transformação de Fourier em um computador para dar o Espectro final Tabela 52 Propriedades de alguns solventes deuterados usados em RMN Fatores que afetam o deslocamento químico Um hidrogênio numa molécula está cercado por uma nuvem de elétrons que sob efeito do campo magnético do espectrômetro passa a circular Este movimento dos elétrons gera um campo magnético induzido Bo que se opõe ao campo aplicado nas proximidades do núcleo ver Figura 56 O campo efetivo campo externo campo aplicado Um núcleo nesta situação dizse protegido ou blindado pelos elétrons que o circundam frente ao campo aplicado ou seja quanto maior for a densidade eletrônica em um Solvente PE C Sinal Residual 1H δ Sinal Residual 13C δ acetonad6 555 205 ppm 206 298 ppm acetonitrilad3 807 195 ppm 118 13 ppm benzenod6 791 716 ppm 128 ppm chlorofórmiod 609 727 ppm 264 ppm ciclohexanod12 780 138 ppm 264 ppm diclorometanod2 400 532 ppm 538 ppm dimetilsulfóxidod6 190 250 ppm 395 ppm nitrometanod3 100 433 ppm 628 ppm piridinad5 114 719 755 871 ppm 150 1355 1235 ppm tetrahidrofuranod8 650 173 358 ppm 674 252 ppm UNIDADE 5 184 elemento que você estiver avaliando mais protegido estará esse elemento Este tipo de proteção é conhecido como proteção diamagnética Um próton blindado absorverá energia num campo externo de maior intensidade ou em frequências mais elevadas O campo externo deve ser mais intenso para compensar o efeito do pequeno campo induzido A posição sobre o gráfico na qual um núcleo absorve é chamada deslocamento químico À amostra cujo espectro esteja sendo obtido adiciona se pequena quantidade de TMS e tomase o sinal dos 12 prótons equivalentes do TMS como o ponto zero da escala Veja a estrutura do TMS na Figura 54 Como a força do campo e a frequência de ressonância são diretamente proporcionais quando o campo tem o dobro ou o triplo da força a distância em Hz dos sinais de ressonância também será o dobro ou o triplo em relação ao sinal do padrão interno TMS CH34Si Figura 55 Por isso para tornar mais fácil e precisa a comparação entre dois espectros publicados costuma se padronizar a frequência medida dividindose a distância em hertz do sinal de TMS pela frequência do espectrômetro Esse procedimento produz uma grandeza independente do campo o deslocamento químico δ Por exemplo os hidrogênios no bromometano CH3Br têm as frequências de ressonância apresentadas na Tabela 53 Figura 55 Escala de RMN em 300 e 600 MHz varredura de freqüência ou pulso Veja que o deslocamento químico em δ é constante um núcleo de 1H que absorve a 50 δ em um instrumento a 300 MHz também absorve a 50 δ em um instrumento a 600 MHz Tabela 53 Frequências de ressonância para hidrogênio no brometano Figura 56 Projeção diamagnetica do núcleo Campo externo leva ao movimento dos elétrons de ligação em torno do núcleo de hidrogênio Esta corrente provoca um campo magnético local em oposição ao campo externo Os 12 hidrogênios no tetrametilsilano TMS ressoam a 000 ppm estão blindados em relação à maioria das moléculas orgânicas Como veremos a posição da absorvância nos dirá muito sobre o ambiente em torno de um próton em particular e dará informação estrutural sobre o composto em questão Observe no espectro da Figura 54 que os hidrogênios metílicos que originam o sinal bem próximo de 10 ppm estão protegidos Os nove hidrogênios metílicos aparecem como um único sinal intensidade proporcional ao número de hidrogênios porque todos esses hidrogênios estão no mesmo ambiente eletrônico hidrogênios quimicamente equivalentes O sinal em 33 referese aos hidrogênios do grupo metileno CH₂ ligado ao oxigênio em relação aos hidrogênios do grupo metilico 10 ppm UNIDADE 5 186 O espectro RMN deve ser apresentado de acordo com recomendações da IUPAC Na abscissa do espectro de RMN deve ser apresentado o deslocamento em ppm 1 ppm 2 cm na ordenada intensidade relativa do sinal é feito de modo que o pico mais intenso seja 80 cm Multiplicidade das ressonâncias ou dos sinais é dada pelas abreviações s singleto d dupleto t tripleto q quarteto m multipleto dd dupleto de dupletos Figura 515 Os deslocamentos químicos de hidrogênios são indicados na escala δ Devese sempre indicar o solvente deuterado em que a amostra foi dissolvida e a frequencia do aparelho em MHz Por exemplo quando se publica algo ou se escreve numa legenda de um determinado espectro de RMN Espectro de RMN 1H 400 MHz CDCl3 δ PPM J Hz ou δ 098 3H d J 6 CH39 estáse querendo dizer que o espectro foi feito em um aparelho de 400 MHz que a amostra foi dissolvida em clorofórmio deuterado CDCl3 que o deslocamento químico é expresso em ppm escala delta 098 é deslocamento químico dos respectivos hidrogênios em ppm 3H significa que o sinal ou pico em 098 ppm corresponde a três hidrogênios quimicamente equivalentes enquanto CH39 referese aos hidrogênios metílicos na posição nove d dupleto e o J significa constante de acoplamento em Hz que será melhor explicada no item a seguir Problema 54 A primeira geração de espectrômetros de RMN foram os instrumentos de 60 MHz Qual era a força do campo magnético nesses instrumentos Se um espectrômetro for equipado com um magneto com campo magnético Bo 7046 T qual será a frequência operacional desse espectrômetro Solução Informações importantes De acordo a equação fundamental da RMN Bo é proporcional a n Os espectrômetros atuais operam em frequências entre 60 e 900 MHz Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 187 Problema 55 Os seguintes picos de RMN de 1H foram registrados em um espectrômetro operando a 200 MHz Converta cada um em unidades de d a CHCl3 1454 Hz b CH3Cl 610 Hz c CH3OH 693 Hz Problema 56 Quantos hidrogênios quimicamente diferentes e quantas absorções de RMN são esperados em cada uma das seguintes moléculas a benzeno b tolueno Solução a A molécula de benzeno é altamente simétrica e os ambientes químicos de todos os seus hidrogênios são equivalentes Portanto espera se uma única absorção b A adição de um grupo metil ao anel benzeno muda os ambientes químicos dos hidrogênios do anel Dois deles estão no carbono vizinho ao grupo metil e um está no carbono diretamente oposto ao grupo metil Além disso três hidrogênios equivalentes estão no próprio grupo metil dois estão nos carbonos seguintes admitindo que este grupo está livre para girar Portanto o tolueno tem quatro hidrogênios quimicamente diferentes e esperase quatro absorções no espectro de RMN Problema 57 Quantos conjuntos diferentes de prótons quimicamente equivalentes possuem o 1bromopropano 2bromopropano éter metílico nitrobenzeno clorociclobutano Equivalência química tipos de hidrogênios No espectro do 22metilpropano Figura 54 3 grupos CH3 9 H um grupo CH2 2 H há um único sinal para cada grupo pois ocupam posições quimicamente equivalentes entre si Em outras palavras em geral hidrogênios quimicamente equivalentes dão o mesmo deslocamento químico δ Mas como reconhecer núcleos quimicamente equivalentes Para estabelecer a equivalência química é preciso reconhecer a simetria plano de simetria e equivalência rotacional das moléculas e de seus grupos substituintes Reveja as operações de simetria em Química Orgânica I para melhor compreensão do espectro de RMN que devemos esperar de um dado composto UNIDADE 5 188 Em geral se um conjunto de hidrogênios está em um ambiente aquiral Lembrese também que as estruturas químicas podem interconverter se o resultado depende da temperatura do catalisador do solvente e da concentração Para analisarmos esses fenômenos imaginemos para simplificar que a concentração não muda e que não ocorre catálise A questão da equivalência de deslocamento químico de um núcleo específico pode ser tratada por um processo de marcação ou substituição no qual dois desenhos idênticos do composto são feitos um dos átomo de hidrogênio de ambos os desenhos é marcado ou substituído por um átomo diferente Os desenhos ou modelos são então relacionados um ao outro como sendo homômeros enantiômeros ou diastereoisômeros Figura 57 Os átomos de hidrogênio serão então classificados como homotópicos enantiotópicos e diastereotópicos respectivamente explicados no item a seguir Figura 57 Moléculas marcadas a moléculas equivalentes b enantiômeros c diastereoisômeros Tipos de hidrogênios Hidrogênios homotópicos Numa mesma molécula podem existir vários átomos de hidrogênio equivalentes isto é com o mesmo deslocamento químico Dizemos que estes hidrogênios são quimicamente equivalentes e são chamados hidrogênios homotópicos Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 189 Hidrogênios Enantiotópicos Se a substituição de cada um dos hidrogênios pelo mesmo grupo leva a compostos que são enantiômeros os dois átomos de hidrogênio são enantiotópicos Eles têm o mesmo deslocamento químico e dão apenas um sinal no espectro Veja o exemplo abaixo Hidrogênios diasterotópicos Se a substituição de cada um dos hidrogênios pelo mesmo grupo leva a compostos que são diasteroisômeros os dois átomos de hidrogênio são diasterotópicos lembrese que os diasteroisômeros não formam par objeto imagem UNIDADE 5 190 Não se observa desdobramento de sinal explicado no próximo item de prótons equivalentes homotópicos ou enantiotópicos ou seja não há desdobramento de sinal entre prótons com mesmo deslocamento químico Desdobramentos de picos acoplamento spin simples A Figura 58 reproduz o espectro do 11dicloroetano e traz um fato novo o desdobramento de picos Os sinais dos hidrogênios metílicos CH3 aparecem como um dupleto enquanto o sinal do hidrogênio metínico CH aparece como um quarteto Como explicar essa inesperada multiplicidade de picos Examinando com cuidado esse espectro notase 1 Grupo de hidrogênios diferentes mas em carbono vizinho a três ligações foram desdobrados 2 Os hidrogênios do grupo metila apresentamse divididos em 2 picos o carbono vizinho tem um hidrogênio enquanto o hidrogênio do grupo metínico CH está representado por quatro picos Notase portanto uma relação de n1 regra n1 picos para n hidrogênios no carbono vizinho 3 A distância que separa os picos do dupleto é a mesma do quarteto Diante dessas observações podese imaginar que ocorre uma interação entre hidrogênios que apresentam deslocamentos químicos distintos e que estejam em carbono vizinho Veja também o espectro da substância butan2ona na Figura 59 Figura 58 Espectro RMN 1H do 11dicloroetano Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 191 Figura 59 Espectro RMN 1H da butan2ona Desdobramento do sinal é o fenômeno que ocorre graças às influências magnéticas sobre os átomos de hidrogênio responsáveis pelo sinal de outros átomos de hidrogênio adjacentes Este fenômeno é chamado acoplamento spinspin e o espaçamento entre os picos desdobrados é chamado de constante de acoplamento J inerente ao núcleo dada em Hz e tem valores entre 0 a 18 Hz O espaçamento é constante e não depende do campo aplicado ou seja é o mesmo num espectrômetro de 60 ou 400 MHz enquanto o deslocamento químico aumenta com o campo ver Figura 510 Figura 510 Uma ilustração da relação entre o deslocamento químico e a constante de acoplamento UNIDADE 5 192 Os núcleos não equivalentes quimicamente em ambientes eletrônicos distintos se desdobram uns aos outros ou seja quando se observa uma absorção desdobrada é preciso encontrar a outra absorção desdobrada correspondente Os JHz de dois sinais que acoplamse entre si deve ser semelhantes O acoplamento de um hidrogênio com outro gera um pico duplo dupleto o acoplamento entre três hidrogênios gera um pico triplo tripleto e assim por diante Sinais com múltiplos picos mais de 7 ou 8 podem ser chamados multipletos A Figura 511 mostra o desdobramento esperado para núcleos adjacentes a N vizinhos equivalentes Em geral a constante de acoplamento diminui com o aumento da distância ou do ângulo de ligação entre dois núcleos Note na Figura 512 e Figura 513 que o 2J o índice 2 significa acoplamento a duas ligações geminal em ciclohexano tornase menor quando o ângulo tornase maior Figura 511 Alguns padrões de acoplamento frequentemente observados em grupos alquilas comuns cujo J é cerca de 7 Hz Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 193 Figura 512 Dependência da magnitude de 2JHCH J geminal com o ângulo de ligação HCH Martin Karplus deu contribuições significativas para muitos campos da fisicoquímica incluindo a RMN a dinâmica química química quântica e principalmente as simulações de dinâmica molecular de macromoléculas biológicas Martin Karplus A magnitude de 3J entre duas ligações CH adjacentes depende do ângulo diedral como observado por Martin Karplus α entre essas duas ligações como visto na Figura 513 UNIDADE 5 194 Figura 513 Interação de orbitais e curva de Karplus mostrando variação o 3JCH entre duas ligações CH adjacentes com o ângulo diedral Cálculos aproximados de Karplus não levando em conta substituintes eletronegativos ângulo de ligação e comprimento de ligação mostraram uma relação entre o ângulo diedro e a constante de acoplamento vicinal para compostos semelhantes como a série ciclopentanos ciclohexanos carboidratos e sistemas policíclicos em ponte Tabela 54 mostra a relação entre o ângulo diedro e a constante de acoplamento Tabela 54 Correlação entre constante de acoplamento e ângulo diedro entreplanos HCC e CCH para ciclohexano Outros fatores também podem infl uenciar no valor de 3J tais como comprimento da ligação CC ângulos de valência e eletronegatividade do substituinte Figura 514 Constantes de acoplamento a quatro ligações 4J são comuns em sistemas com hidrogênios alílicos aromáticos e em sistemas bicíclicos rígidos Figura 515 Figura 514 Variação o JCH entre duas ligações CH adjacentes para estruturas cíclicas UNIDADE 5 196 Figura 516 Espectro RMN 1H do 11diclo22dietoxietano 300 MH CDCl3 figura modificada de VOLHARDT E SCHORE 2004 Assim dois hidrogênios vizinhos produzem um tripleto obedecendo a regra n1 desde que o J seja semelhante A fórmula geral válida para todos os núcleos é 2I 1 sendo I o número de spin e n o número de vizinhos A fórmula geral que mostra a razão entre os picos acoplados entre si é a bn os coeficientes da forma expandida correspondendo às intensidades relativas A multiplicidade ou a razão entre as intensidades dos sinais pode ser facilmente obtida pelo triângulo de Pascal Figura 517 cada número é a soma dos dois números imediatamente próximos Na linha acima n é o número de hidrogênios equivalentes acoplados Assim o número central dos cinco valores quinteto é 3 3 6 Figura 518 O deslocamento químico do quarteto é registrado pela posição média δHc 363 ppm q J 8 Hz 4H Observe também os padrões de acoplamento de alguns grupos orgânicos na Figura 519 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 197 Figura 517 Triângulo de pascal Intensidade relativa dos multipletos de 1º ordem n número de núcleos equivalentes de spin ½ que se acoplam Veja exemplo da Figura 518 Figura 518 Desdobramento de Hc em um quarteto pelas diversas combinações de spins de Hd UNIDADE 5 198 Acoplamento com vizinho não equivalente Acoplamentos mais complexos ocorrem quando um hidrogênio b está acoplado com dois hidrogênios diferentes a e c com J diferentes Jab Jbc Como consequência o triângulo de Pascal não mais pode ser construído aumentandose a subdivisão do multipleto e diminuindose as subáreas relativa dos sinais Um exemplo disso é mostrado na Figura 519 a Figura 522 Vejamos com detalhe o espectro do óxido de estireno Figura 520 e do benzeno substituído Figura 522 Para construção do diagrama de fases comece analisando a constante de maior valor de J1 e desenhe o espaçamento entre as linhas proporcionalmente a esses valores Figura 519 Padrão de acoplamento de alguns grupos orgânicos Para valores de J veja Tabela 54 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 199 Acoplamento com vizinhos não equivalentes quiralidade O químico orgânico em particular o químico de produtos naturais deve estar sempre consciente da quiralidade quando estiver interpretando um espectro de RMN Vimos que o reconhecimento da simetria rotacional e do plano de simetria plano de espelho nas moléculas orgânicas permite a identificação dos deslocamentos químicos equivalentes Aprendemos também em Química Orgânica I sobre as propriedades das moléculas quirais e entre outros que uma molécula quiral não possui elementos de simetria a não ser possivelmente eixo simples A Figura 522 mostra o padrão de acoplamento em RMN 1H do 12dibromo1feniletano seu diagrama de chaves e projeções de Newman O acoplamento entre hidrogênios em átomos de carbono adjacentes depende também do ângulo diedro correlação vicinal de Karplus Sempre que houver centro de simetria na molécula o sistema de acoplamento tornase mais complexo distanciandose da relação com o triângulo de Pascal Veja também as figura 520 e a figura 522 Figura 520 Espectro RMN 1H 300 MHz CDCl3 do óxido de estireno com expansão em δ 381 309 e 275 UNIDADE 5 200 Figura 521 Análise do padrão de acoplamento do óxido de estireno Figura 522 Espectro de RMN 1H 300 MHz CDCl3 e análise do padrão de acoplamento do 12dibromo1feniletano Os instrumentos de alta resolução A faixa na qual a maioria dos hidrogênios 1H absorve é estreita Quase todas as absorções de RMN 1H ocorrem de 00 até 10 ppm Assim existe uma considerável probabilidade de que ocorrerão sobreposições Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 201 acidentais de sinais não equivalentes A vantagem de se usar um instrumento de campo mais forte digamos 300 MHz preferencialmente a um campo mais fraco 60 MHz é que as chances de que dois sinais se sobreponham acidentalmente são minimizadas e a interpretação dos espectros tornase mais fácil Figura 523 Por exemplo dois sinais que são separados por apenas 20Hz a 200 MHz 01 ppm são separados por 50 Hz a 300 MHz ainda 01 ppm Para melhor compreensão veja também Figura 56 Figura 523 Espectro de RMN 1H do nitropropano a espectro determinado a 60 MHz b espectro determinado a 300 MHz com expansão Uma questão ainda precisa ser respondida antes de sairmos do tópico de desdobramento de spinspin Por que o desdobramento spinspin ocorre apenas para a RMN 1H Você esperaria que o spin de um dado núcleo de 13C deveria se acoplar com o spin de um núcleo magnético 1H ou 13C Nenhum acoplamento de um núcleo de 13C com carbonos é visto porque a baixa abundância natural torna improvável que dois núcleos de 13C estejam adjacentes E não há acoplamento 13C com 1H porque os espectros são normalmente registrados usandose o que chamamos desacoplamento de hidrogênios Ao mesmo tempo em que a amostra é irradiada com um pulso de rf para cobrir as frequências de ressonância do carbono também é UNIDADE 5 202 irradiada por uma segunda banda de energia rf cobrindo todas as frequências de ressonâncias dos hidrogênios Essa segunda irradiação faz com que os spins dos hidrogênios girem tão rapidamente que seus campos magnéticos locais tenham média zero e nenhum acoplamento com os spins de carbono ocorre Problema 58 Proponha as estruturas para um composto que apresenta C H e O e tem MM 88 e que se adequa aos seguintes dados de RMN 1H δ 092 3H t 3J 7 Hz δ 120 6H s δ 150 2H q 3J 7 Hz δ 162 1H singleto largo 3J 7 Hz Solução Vimos que o conhecimento da fórmula molecular representa uma importante contribuição pois permite calcular o Índice de Deficiência de Hidrogênio IDH que indica a ausência ou presença de ligações duplas triplas ou anéis na estrutura molecular Vimos também que há vários modos de se calcular o IDH Vamos aprender agora utilizando a regra dos treze Com essa regra gerase a fórmula básica que contém C e H A fórmula básica é encontrada dividindose massa molecular MM por 13 1C 1H Este divisão gera um numerador e um número restante r MM 88 dividindo 88 por 13 6 mas 6 x 13 78 resta então 10 para 88 n 6 r 10 aplicando na fórmula temos A fórmula básica tornase C6H610 A fórmula básica será C6H16 que é uma combinação de C e H que tem a massa molecular desejada MM Como o problema diz que o composto desconhecido também tem oxigênio de massa16 u que corresponde a um CH4 16 u podemos subtrair da fórmula básica um CH4 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 203 que corresponde ao oxigênio adicionado Assim a fórmula molecular do composto problema será C5H12O Subtraindo essa fórmula C5H12O da fórmula geral dos alcanos CnH2n 2 temos Observação Lembrese se a massa molar for ímpar significa que há número ímpar de N na fórmula molecular Se houver halogênios no composto problema subtraia o valor correspondente ao número de halogênios da diferença acima Se houver nitrogênio some valor correspondente ao número de nitrogênios à diferença acima Oxigênio e enxofre não alteram a fórmula geral dos alcanos No momento a fórmula molecular C5H12O corresponde a uma molécula de cadeia aberta saturada um álcool ou éter Para interpretar a informação do RMN vamos olhar para cada absorção individualmente A absorção de três hidrogênios em δ 092 é devida a um grupo metila Tabela 55 em um ambiente típico de alcano e o desdobramento modelo de um tripleto t implica que o CH3 está próximo de um CH2 Assim a nossa molécula contém um grupo CH2CH3 O singleto s de 6 hidrogênios em δ 120 é devido a dois grupos metila equivalentes típico de alcano ligado a carbono não hidrogenado tetrassubstituído CH32C e os quadrupletos de dois hidrogênios em δ 150 é devido ao CH2 do grupo etila Todos os cinco carbonos e 11 dos 12 hidrogênios estão agora justificados olhando para a fórmula do composto problema obtida acima C5H12O O hidrogênio remanescente que aparece como um hidrogênio com um singleto largo e desprotegido em δ 164 é provavelmente devido ao grupo OH O deslocamento químico do hidrogênio no grupo OH é variável por causa da possibilidade de formação de ligações de hidrogênio dependendo da concentração do solvente e temperatura Juntandose as informações tem se UNIDADE 5 204 Anisotropia diamagnética Por que os compostos aromáticos despertam tanto interesse e curiosidade de pesquisadores no mundo todo O que os tornam de fato tão interessantes Quais propriedades devem ser destacadas Qual a melhor maneira para classifi car um composto em aromático nãoaromático ou antiaromático Indagações como estas podem ser respondidas consultando alguns livros de Química Orgânica ou sua própria apostila de Química Orgânica I ou ainda o artigo publicado na revista Química Nova de autoria de Caramori e Oliveira 2009 É importante rever esses conceitos para melhor entendimento deste e de outros fenômenos da RMN Na espectroscopia de RMN a orientação de núcleos em relação ao campo magnético aplicado determina o seu deslocamento químico Neste contexto os sistemas anisotrópicos se referem à distribuição eletrônica de moléculas com densidade de elétrons anormalmente elevadas como o sistema de π do benzeno acetileno alceno etc Esta densidade anormal de elétrons afeta o campo magnético aplicado e faz com que o deslocamento químico observado sofra alteração Como vimos anteriormente os hidrogênios são blindados pelos elétrons de valência em circulação Esta circulação chamada de corrente diamagnética local gera um campo magnético oposto ao campo aplicado Não é surpreendente notar uma correlação razoável entre a proteção e a eletronegatividade de grupos substituintes e moléculas simples saturadas Se apenas as correntes magnéticas fossem responsáveis pela proteção as proteções características seriam sempre proporcionais às eletronegatividades relativas dos átomos ligados efeito indutivo As linhas do campo magnético induzido podem estar paralelas ou opostas ao campo externo Dependendo da posição espacial do núcleo ele pode ser anormalmente protegido ou desprotegido em consequência de um corrente circular diamagnética Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 205 O conceito de eletronegatividade não é suficiente para explicar o deslocamento de certos grupos Por exemplo hidrogênios aromáticos δ 727 ver Figura 525 olefínicos próximo de δ 55 do aldeído acetaldeído δ 997 É necessário utilizar o conceito de anisotropia diamagnética blindagem diamagnética de um núcleo causada pela circulação de elétrons de valência As rotações induzem uma proteção ou desproteção diamagnética veja Figura 524 Figura 524 Correntes de anel e linhas de força induzidas no benzeno eteno e acetileno Campo efetivo Bo Bi Se a linha de força próxima ao hidrogênio estiver no mesmo sentido do campo induzido maior proteção terá este hidrogênio As moléculas apresentadas na Figura 525 são outros bons exemplos que ilustram o fenômeno da anisotropia diamagnética Figura 525 Espectros de RMN 1H do álcool benzílico feito em um aparelho a 90 MHz e em um de 400 MHz Veja na região dos hidrogênios aromáticos que as chances de que dois sinais se sobreponham acidentalmente são minimizadas e a interpretação dos espectros tornase mais fácil UNIDADE 5 206 Figura 526 Deslocamento químico de alguns hidrogênios sob efeito da anisotropia diamagnética Tabela 55 Deslocamentos químicos aproximados em ppm de alguns hidrogênios típicos Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 207 UNIDADE 5 208 O deslocamento químico destes prótons varia com o tipo de solvente utilizado com a temperatura e com a concentração Exercícios Propostos 1 Que se entende por ressonância magnética nuclear RMN 2 O que é o nº de spin I Que valores podem assumir o nº de spin 3 Que tipo de núcleo apresenta sinal na RMN Por quê 4 O que é um espectro de RMN 5 Indique o nº de spin a abundância natural a sensibilidade relativa dos núcleos hidrogênio e carbono13 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 209 6 Indique o nº de orientações possíveis para o spin de um núcleo genérico com respeito a um campo magnético externo Mostre que os isótopos 1H e 13C apresentam apenas duas orientações Qual o valor de cada orientação Representeas esquematicamente Quantas orientações possui o deutério 7 Explique porque para se obter um espectro de RMN 1H necessitase de uma quantidade menor de amostra do que para se obter um espectro de RMN 13C 8 Que se entende por relaxação spinrede O que é relaxação spinspin 9 Em que se baseiam os instrumentos que operam acima de 100 MHz 10 Qual a quantidade em média de substância de peso molecular simples bem como a quantidade de solvente que devem ser usados para obterse um espectro por varredura contínua CW a 60 MHz e a 500 MHz de modo pulsado com Transformada de Fourier FT Quais as características do solvente ideal para o uso na obtenção de espectros de RMN 1H 11 Por que os núcleos de hidrogênio de uma dada amostra absorve em posições diferentes no espectro de RMN 1H Que se entende por proteção diamagnética O que é uma proteção paramagnética 12 O que significa os termos ambientes diferentese mesmo ambiente 13 Por que um padrão interno é usado na obtenção de um espectro de RMN Por que o TMS é um bom padrão 14 Como varia o campo magnético e a frequência no espectro de RMN 15 Se o deslocamento químico observado de um próton é 300 Hz em relação ao TMS e a frequência do aparelho é 300 MHz qual será o deslocamento químico em termos de δ Este mesmo próton teria o mesmo deslocamento químico δ num aparelho de 500 MHz Qual o valor da frequência deste próton UNIDADE 5 210 16 Nos composto abaixo ordenar os hidrogênios de acordo com o valor de δ Justificar H2HCH2CH2OH CH3CH2OCH3 e CH32CHOCH2CH3 17 A seguir apresentase o deslocamento químico de grupos metílicos de três moléculas pinano alfapeneno betapineno Explique por que dois grupos metílicos circulados têm deslocamentos químicos tão baixos 18 A fórmula de um composto é C6H12O Seu espectro de absorção na região do IV apresenta bandas características do grupo OH e seu espectro de RMN 1H consta de três bandas de intensidade relativa 611 por ordem crescente de frequências Identifique o composto 19 Qual a fórmula geral válida para indicar a multiplicidade dos sinais no espectro de RMN 20 Mostre através da montagem do triângulo de Pascal a intensidade relativa dos multipletos de primeira ordem originados pelo acoplamento de núcleos de spin ½ considerando até n 4 21 Que se entende por núcleos quimicamente equivalentes e magneticamente equivalentes Exemplifique 22 Desenhe a fórmula estrutural de cada um dos seguintes compostos e marque todos os conjuntos de prótons equivalentes Quantos sinais de RMN se deve poder distinguir em cada caso Indique as posições relativas de cada sinal quer dizer a ordem de sequência à medida que nos deslocamos para a região de maior proteção e sempre que puder a espécie de desdobramento que se deve esperar a Dois isômeros de fórmula C2H4Cl2 b Quatro isômeros de C3H6Br2 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 211 c Etilbenzeno e o pxileno d CH3CH2OH e CH3OCH3 e Mesitileno petiltolueno e isopropilbenzeno 23 Quantos sinais de RMN se devem esperar para os compostos abaixo Mostre os desdobramentos de cada sinal utilizando papel milimetrado Considerar Jo3 Hz Jm3 Hz Jp0 Hz Jcis10 Hz Jtrans17 Hz e Jgem15 Hz 24 Quantos sinais de RMN se devem esperar no ciclohexano Explique 25 O seguinte composto é um ácido carboxílico que contem um átomo de bromo C4H7O2Br O pico em 107 ppm foi movido acima da linha base Qual é a estrutura do composto Espectro adaptado de Pavia et al 2001 26 O seguinte composto é um éster com fórmula C4H8O2 Proponha sua estrutura e assegure os valores de deslocamento químico Espectro adaptado de Pavia et al 2001 UNIDADE 5 212 27 Proponha uma estrutura para os compostos a seguir com base em seus respectivos Espectros de RMN 1H Espectros adaptados de Pavia et al 2001 28 Os espectros de RMN 1H a seguir são de três ésteres isoméricos todos derivados do ácido propanóico Proponha uma estrutura para cada um deles Espectros adaptados de Pavia et al 2001 Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 213 29 Dado e espectro de RMN 1H do 2metilbutiraldeído desenhe sua estrutura e demonstre os respectivos valores de deslocamento químicos de acordo com as letras em cima de cada pico Espectro adaptado de Pavia et al 2001 UNIDADE 5 214 30 Os seguintes compostos são isômeros com fórmula C10H12O Seus espectros de IV mostraram bandas de absorção forte em 1715 cm1 e de média intensidade entre 1600 e 1450 Desenhe sua estrutura Espectros adaptados de Pavia et al 2001 31 Faça um desenho tridimensional ilustrando a anisotropia diamagnética do composto a seguir e explique por que os grupos metílicos têm ressonância em 42 ppm 32 Quantos sinais existem no espectro de RMN 1H de cada um dos seguintes compostos Estimar o deslocamento químico de cada sinal Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 215 33 Qual dos dois compostos é responsável pelo seguinte espectro de RMN 1H 145 ppm s 6H 582 ppm s 1H 735 ppm m 3H 768 ppm m 2H 34Qual dos isômeros do ácido dimetoxibenzóico é responsável pelo espectro de RMN 1H apresentado abaixo 385 ppm s 6H 663 ppm 1H t J2 Hz 717 ppm 2Hd J2 Hz UNIDADE 5 216 35 Qual dos isômeros do ácido coumálico é responsável pelo espectro de RMN 1H apresentado abaixo 641 ppm 1H d J10 Hz 782 ppm 1H dd J10 e 2 Hz 851 1H d J2 Hz 36 Atribuir os sinais de RMN 1H em cada um dos seguintes compostos a100 ppm 3H J7 Hz 175 ppm 2H sext J7 Hz 291 ppm 2H t J7 Hz 7479 ppm 5H m b 097 ppm 3H t J7 Hz 142 ppm 2H sext J7 Hz 200 ppm 2H quint J7 Hz 440 ppm 2H t J7 Hz c 108 ppm 6H d J7 Hz 245 ppm 4H t J5 Hz 280 ppm 4H t J5 Hz 293 ppm 1H sept J7 Hz Espectrometria de Ressonância magnética nuclear de hidrogênio 217 Resumindo A ressonância magnética nuclear RMN fornece um maior acervo de informações estruturais do que nos espectros ultravioleta UV e infravermelho IV Muitos núcleos podem ser estudados pela técnica RMN mas hidrogênio e carbono são mais comumente estudados É necessária uma maior compreensão das bases teóricas do fenômeno da RMN para interpretar adequadamente os experimentos do que no caso do IV e UV e até mesmo da espectroscopia de massas EM A combinação de dados IV e ou EM e RMN é frequentemente suficiente para determinar com segurança a estrutura de uma molécula desconhecida RMN é um método de análise no qual os núcleos que estão rodopiando girando são examinados medindose a absorção de radiação rf que pode ser induzida ao exporse uma amostra a um campo magnético forte O núcleo mais comumente estudado é o do hidrogênio e o método é conhecido como espectroscopia por ressonânciaprótonmagnética rpm ou ressonância magnética nuclear de hidrogênio RMN 1H Um espectrômetro de RMN 1H detecta e apresenta os sinais referentes a cada grupo de prótons como registro de sua frequência versus sua intensidade Nesta técnica as posições dos sinais de ressonância são medidas em relação a um sinal dado pelo composto de referência tetrametilsilano TMS e dadas em partes por milhão ppm valores de δ O espectro da maioria dos compostos orgânicos são caracterizados pelo deslocamento químico na faixa média 12 para 4 ppm e por acoplamento spinspin entre prótons A curva de integração nos diz o número relativo de prótons que dão origem a cada sinal A multiplicidade número de picos no sinal é descrita pela regra N1 onde N é o número relativo de prótons equivalentes ligados a carbonos vizinhos A constante de acoplamento J Hz é a distância entre dois picos vizinhos de um sinal de RMN desdobrado UNIDADE 6 ESPECtROMEtRIA DE RESSONÂNCIA MAGNétICA nuclear de carbOnO13 Objetivos Demonstrar os princípios gerais da RMN 13C Aplicar a RMN 13C na proposição estrutural de moléculas orgânicas Aplicar a RMN 13C associada a Espectrometria de Massas Infravermelho e RMN 1h na determinação de estruturas orgâncias A RMN 13C é tão útil quanto a RMN 1h na determinação de estruturas orgânicas Afinal por definição todos os compostos orgânicos contêm esse elemento O uso destas duas técnicas conjuntamente tornase uma ferramenta analítica de fundamental importância para o químico orgânico na determinação de estruturas de moléculas orgânicas veremos nesta unidade que os espectros de RMN 13C são muito mais simples do que os de RMN 1h porque é possível eliminar as complicações do acoplamento spinspin e ainda aplicaremos a RMN 13C e as demais técnicas vista até aqui na proposição estrutural de moléculas orgânicas ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 221 ESPECtROMEtRIA DE RESSONÂNCIA MaGnÉTIca nuclear de carbOnO13 Introdução revendo princípios da RMN O isótopo mais abundante do carbono o 12C não é ativo não tem spin magnético ou nuclear e por isso não gera sinais de RMN Felizmente um outro isótopo o 13C é ativo embora corresponda a apenas 11 do carbono natural o que significa dizer que apenas um em cada 100 carbonos em uma amostra orgânica é observável em RMN Dessa forma devido à baixa abundância os sinais eram tão fracos que ficavam desordenados com o ruído eletrônico de fundo o espectro era extremamente ruidoso os sinais de RMN gerados pelos seus núcleos não poderiam ser visualizados no espectro Além disso a relação giromagnética 6728284 107 T rad1 s1 é apenas ¼ daquela do 1H reduzindo ainda mais a sensibilidade Entretanto o problema da baixa abundância foi solucionado pelo uso da média de sinais e da Transformada de Fourier de RMN FTNMR A média de sinais aumenta a sensibilidade do instrumento e a FTNMR aumenta a velocidade de obtenção do espectro Uma amostra é colocada em um campo magnético de força constante e irradiada com uma curta explosão ou pulso curto 10 a 100 µsec e potente de radiofrequência rf cerca de 10000 vezes utilizado para um espectrômetro de onda contínua CW que excita todos os núcleos de 13C existentes na amostra e cobre uma faixa inteira das frequências úteis Figura 61 Depois de desligado o pulso de rf a magnetização m rodada para o plano xy pelo pulso de π2 decai normalmente de forma exponencial Este sinal que pode aparecer modulado se chama FID free induction decay O espectro de RMN é obtido pela Transformada de Fourier deste sinal Para uma amostra com varias frequências de ressonância o sinal FID será o resultado da interferência de vários sinais FID individuais Figura 63 UNIDADE 6 222 A escolha correta da frequência do sinal da rf permite a circulação do vetor magnetização do eixo z para o plano x y O vetor magnetização é movido por um ângulo proporcional à duração e à intensidade do pulso Se o vetor é movido por 90 então o processo é chamado de pulso de 90 É possível organizar um pulso de 180 para que o vetor magnetização saia de z a z Aqui há os mesmos princípios gerais da técnica de RMN 1H Na mesma amostra no mesmo experimento podese analisar mais de um núcleo Todos os núcleos de 1H e 13C na amostra entram em ressonância imediatamente originando um sinal composto complexo que é matematicamente manipulado usandose um artifício matemático chamado Transformada de Fourier Como todos os sinais são coletados imediatamente levase apenas segundos para registrar um espectro inteiro Várias varreduras individuais são adicionadas juntas pelo computador e então tirase a média o resultado é um espectro consideravelmente melhor Figura 61 a Figura 63 Figura 61 Sistema e mecanismo geral da espectroscopia com Transformada de Fourier Figura 62 Efeito de um pulso de 90º o vetor magnetização é girado para o eixo y ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 223 Figura 63 RMN pulsada ação de um pulso de RF de 90º π2 sobre M O vetor M processa em torno de B0 com frequência Larmor w0 De certa maneira os espectros de RMN 13C são usualmente menos complicados que os espectros de RMN 1H e mais fáceis de interpretar A análise Ao contrário do espectro de RMN 1H que necessita apenas de algumas miligramas de amostra na RMN de 13C é preciso de 10 a 200 mg em aproximadamente 04 ml de solvente deuterado Essa grande diferença é necessária para compensar a baixa porcentagem de 13C e permitir o acúmulo de sinais Normalmente adicionase ao tubo de ressonância cerca de 40 mg de amostra para análise de 1H e 13C Além disso enquanto no espectro de RMN 1H a faixa de absorção magnética dos prótons varia de 0 a 14 ppm no espectro de RMN 13C a faixa varia de 0 a 240 ppm deslocada da linha de referência do TMS UNIDADE 6 224 Figura 6 4 Faixa de absorção magnética para RMN 13C e RMN 1H O espectro de RMN 13C O Espectro RMN 13C pode ser usado para determinar o número de carbonos não equivalentes e para identificar os tipos de átomos de carbono metila metileno aromático carbonila etc que pode estar presente em um composto Assim esta técnica prevê informações sobre o esqueleto de carbono de uma molécula Observe o espectro de RMN 13C do metilciclohexano da Figura 65 Há uma única linha de ressonância para cada núcleo desde que sejam quimicamente distintos não equivalentes Cada carbono magneticamente diferente dá origem a um só pico singleto no espectro de RMN 13C Não há acoplamentos carbonocarbono que provoquem o desdobramento do sinal em picos múltiplos Por isso podese utilizar aparelhos de RMN mais simples de 30 ou 60 MHz já que não é necessária grande precisão para distinguir sinais desdobrados Vimos que nos espectros de RMN 1H os hidrogênios que estão próximos uns dos outros separados comumente por 3 ligações acoplam se entre si e geram sinais desdobrados Isso não ocorre com carbonos adjacentes pois apenas um em cada 100 átomos de carbono tem o núcleo de 13C cuja abundância é de aprox 11 Assim a probabilidade de dois átomos de carbono 13 estarem adjacentes é de 1 em 10000 isto é 11 x 11 o que elimina em princípio a possibilidade de dois carbonos vizinhos desdobrarem mutuamente os respectivos sinais ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 225 Figura 65 Espectro de RMN 13C do metilciclohexano Os dois carbonos da posição 3 e os da posição 4 são equivalentes entre si ambientes eletrônicos semelhantes e por isso geram um único sinal respectivamente A molécula tem um plano de simetria Desacoplamento de sinais 13C 1H Por que não há acoplamento 13C1H na Figura 64 Embora não ocorram interações carbonocarbono os núcleos dos hidrogênios ligados ao carbono podem interferir e desdobrar os sinais de 13C em picos múltiplos É possível entretanto eliminar os acoplamentos HC por uma técnica de irradiação seletiva técnica de desacoplamento Eliminadas as interações CH num espectro de RMN 13C completamente desacoplado cada tipo de carbono produz apenas um pico O deslocamento químico do 13C Conforme vimos anteriormente nos espectros de 1H o deslocamento químico de um certo núcleo depende da densidade relativa de elétrons em torno do átomo Baixa densidade eletrônica em torno de um átomo expõe o núcleo ao campo magnético e provoca o aparecimento de sinais em campo baixo no espectro de RMN enquanto que densidades eletrônicas relativamente altas em torno de um átomo blindam o núcleo contra o campo magnético e provocam o aparecimento de sinais em campo alto no espectro de UNIDADE 6 226 RMN Assim carbonos que estão ligados exclusivamente a outros átomos de carbono e de hidrogênio têm blindagem elevada diante do campo magnético Por outro lado carbonos ligados a grupos eletronegativos ou seja grupos retiradores de elétrons estão relativamente desblindados Outra tendência é aquela em que os carbonos híbridos sp3 geralmente absorvem de 00 a 90 ppm enquanto os carbonos sp2 absorvem de 110 a 220 ppm Carbonilas absorvem em campo baixo entre 160 e 220 ppm Como em espectrometria de RMN 1H existem tabelas de RMN 13C de intervalos aproximados do deslocamento químico de carbonos com diferentes substituintes Tabela 61 O padrão de referência com zero ppm nos espectros de RMN 13C é também o tetrametilsilano TMS Os carbonos do TMS equivalentes absorvem energia em 60 ppm o zero é somente para servir de referência Cada tipo de carbono dá um pico particular no espectro e por isso cada um destes picos tem seu valor específico de deslocamento químico Os alcanos absorvem energia em campos mais baixos do que o TMS na faixa de até cerca de 60 ppm Dentro dessa faixa podese prever o deslocamento químico de 13C de hidrocarbonetos lineares ou ramificados Tabela 61 Tabela de deslocamento químico típico em espectros de RMN 13C e RMN 1H ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 227 A multiplicidade é mostrada entre parênteses como 1 para singleto 2 para o dupleto 3 para a tripleto etc Quadro 1 Dados de 13C de algumas estruturas provenientes de produtos naturais UNIDADE 6 228 Intensidade dos sinais É importante observar na Figura 65 que os picos ou sinais não são uniformes no tamanho Alguns picos são maiores que os outros embora correspondam à ressonância de um carbono exceto para os picos nas posições 3 e 4 Essa diferença é provocada por vários fatores que não vamos aprofundar mas é uma característica geral dos espectros de RMN 13C Desacoplamento de spins 1H1H dupla ressonância nuclear Nesta técnica de ressonância dupla se ajusta a frequência v2 à ressonância de um núcleo provocando transições de spin deste núcleo enquanto se registra a ressonância do outro núcleo com v1 Exemplo 13C 1H O fenômeno da dupla ressonância é muito semelhante ao desacoplamento de spins através de uma troca química em que o acoplamento spinspin de núcleos de hidrogênios com outros núcleos não pode ser visto devido a troca rápida ligações de hidrogênio No exemplo da Figura 66 os núcleos que estão sendo desacoplados e os núcleos que sendo observados pelo espectrômetro são da mesma natureza ambos prótios Chamamos isso de desacoplamento homonuclear Também é possível desacoplar os diferentes tipos de núcleos Por exemplo um composto com 1H e F como parte de sua composição molecular pode apresentar acoplamento spin entre seus núcleos e um pode ser desacoplado enquanto o outro é observado Isto é denominado desacoplamento heteronuclear que é muito importante em RMN 13C Isso se consegue aplicandose por exemplo um campo forte de rf estacionária na frequência de ressonância dos hidrogênios selecionados como pode ser visto na Figura ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 229 66 Os prótons do grupo que está sendo irradiado ficam saturados Conforme o campo é alterado observase uma mudança no padrão de acoplamento dos grupos vizinhos Observe com cuidado o espectro do nitropropano na Figura 66 Figura 66 Dupla ressonância do nitropropano efeito de hidrogênio ligado sobre RMN 1H a espectro comum b aplicando rf na freqüência de ressonância do grupo metilênico CH2 na posição α ao grupo NO2 c aplicando rf na frequência de ressonância do grupo metilênico CH2 na posição β ao grupo NO2 d aplicando rf na freqüência de ressonância do grupo metílico CH3 Figura adaptada de httpwwwcemmsuedu UNIDADE 6 230 Acoplamento de spins 13C1H Vimos na unidade anterior que nenhum acoplamento de um núcleo de 13C com carbono é visto porque a baixa abundância natural torna improvável que dois núcleos de 13C estejam adjacentes Mas enriquecimento de compostos com 13C é agora comum em estudos biossintéticos e mecanísticos e é então possível enxergar o acoplamento 13C 13C mas não será objeto de nosso estudo E os espectros RMN 13C apresentados até aqui não há acoplamento de 13C com 1H porque os espectros são normalmente registrados usando se o que chamamos desacoplamento de hidrogênios Ao mesmo tempo em que a amostra é irradiada com um pulso de rf para cobrir as frequências de ressonância do carbono também é irradiada por uma segunda banda de energia rf cobrindo todas as frequências de ressonâncias dos hidrogênios Essa segunda irradiação faz com que os spins dos hidrogênios girem tão rapidamente que seus campos magnéticos locais tenham média zero e nenhum acoplamento com os spins de carbono ocorre Portanto nós raramente observamos acoplamento spinspin entre átomos iguais acoplamento homonuclear 13C 13C Entretanto os spins de hidrogênios ligados diretamente a átomos de 13C interagem com o spin deste e faz com que o sinal obedeça a regra n1 Este é o acoplamento heteronuclear envolvendo dois diferentes átomos acoplamento a uma ligação 13C 1H A Figura 67 e a Figura 68 ilustram o efeito de hidrogênios ligados diretamente a átomos de carbono A regra n1 prediz o grau de acoplamento em cada caso Figura 6 7 Padrão de acoplamento heteronuclear 13C 1H de átomos diretamente ligados ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 231 Figura 6 8 Espectro 13C RMN 200 MHz do fenilacetato de etila PAVIA et al 2001 Cálculos teóricos de deslocamento químico do 13C Espectroscopistas em RMN têm acumulado organizado e tabulado uma grande quantidade de absorções de δ 13C Com isso foi possível predizer o deslocamento químico de muitos átomos de 13C nestas tabelas a partir de um valor base para um esqueleto molecular e então adicionar incrementos que corrijam o valor para cada substituinte As correções para os substituintes dependem do tipo de substituinte e da posição relativa do átomo que está sendo considerado Há tabelas com valores básico de δ 13C e 1H para alcanos alcenos aromáticos etc Correções para anéis são diferentes daquelas para cadeia aberta e dependem frequentemente da estereoquímica Considere por exemplo o benzeno Consultando tabelas você encontrará que o valor base para os carbono no anel benzênico é 1285 ppm UNIDADE 6 232 Se adicionarmos algum substituinte a esse anel os valores mudam mas você poderá predizêlos consultando por exemplo a Tabela 62 de dados experimentais senão vejamos Considere o benzeno substituído 2hidroxibenzaldeído salicilaldeído Adicionando todos os incrementos apresentados na Tabela 62 ao valor base do anel benzênico 1285 ppm temos Veja que os valores experimentais são concordantes com os teóricos A literatura PAVIA et al 2001 SILVERSTEIN 2000 apresenta algumas tabelas de valores de δ 13C com instruções para diferentes tipos estruturais Mais conveniente do que estas tabelas há programas de computadores nos quais você poderá desenhar a molécula e calcular em seguida os valores δ 13C e 1H simular espectros e ainda obter muitas outras propriedades físico químicas Procure seu professor eou monitor para auxiliarlhe quanto ao uso do software Há algumas versões livres na internet com instruções Tente obter por exemplo ACDChemSketch Versão ACDLabs 600 build 60930 Sep 2002 Tabela 62 Valores de incrementos δ 13C para anéis benzênicos ppm Substituent Y α ipso o ortho m meta p para CH3 93 07 01 29 CH2CH3 156 05 0 26 CHCH22 201 20 0 25 CCH33 222 34 04 31 CHCH2 91 24 02 05 CCH 58 69 01 04 C6H5 121 18 01 16 CHO 82 12 06 58 COCH3 78 04 04 28 COC6H5 91 15 02 38 COOH 29 13 04 43 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 233 COOCH3 20 12 01 48 CN 160 36 06 43 NH2 196 124 13 95 NCH32 224 157 08 118 NHCOCH3 111 99 02 56 NO2 196 53 09 60 OH 266 127 16 73 OCH3 314 144 10 77 OCOCH3 224 71 04 32 F 351 143 09 45 Cl 64 02 10 20 Br 54 34 22 10 I 322 99 26 73 adicione todos estes incrementos ao valor base dos carbonos do anel benzênico que é 1285 ppm Avanços técnicos na FTNMR DEPT 13C e 2DRMN Novas técnicas desenvolvidas recentemente tornam possível obter quantidades enormes de informações a partir dos espectros de RMN 13C Entre as mais usuais está a chamada DEPTRMN para Distortioless Enhancement by Polarization Transfer a qual torna possível distinguir entre os sinais devido a CH3 CH2 CH ou Ctetrassubstituído carbono não hidrogenado Isto é o número de hidrogênios diretamente ligados a cada carbono na molécula pode ser determinado Um experimento de DEPT é normalmente feito em três estágios O primeiro estágio é a varredura de um espectro comum denominado espectro desacoplado de hidrogênio para localizar os deslocamentos químicos de todos os carbonos presentes O próximo estágio um segundo espectro chamado DEPT90 é obtido usandose as condições especiais sob as quais somente os sinais devido aos carbonos CH aparecem Os sinais devidos a CH3 CH2 e Ctetrassubstituído estão ausentes Finalmente um terceiro espectro chamado DEPT135 é obtido utilizandose as condições sob as quais as ressonâncias de CH3 CH surgem CH2 aparecem como sinais negativos invertidos e os carbonos tetrassubstituídos estão novamente ausentes A intensidade do sinal de cada um dos três pulsos diferentes em um dado momento depende do número de hidrogênios ligados a um determinado átomo de carbono SAIBA MAIS Para maiores detalhes sobre o fenômeno da ressonância acesse o site httpwwwcemmsu edureuschVirtualText Spectrpynmrnmr2htm UNIDADE 6 234 Dessa forma nesse experimento há pulsos com ângulo de inclinação de 45º a 90º b e 135º c Os sinais revelarão o padrão de substituição dos átomos de carbono na molécula Não discutiremos aqui as sequências complexas de pulsos da técnica DEPT A Figura 69 mostra um diagrama de sequência de pulso em experimento DEPT A apresentação dos subespectros pode ser condensada como nos exemplos Figura 610 13dimetilbenzeno e Figura 611 pulegona Veja que os átomos de carbonos não hidrogenados não são registrados porque não estão ligados a átomos de hidrogênio porém os espectros convencionais 13C mostram os sinais correspondentes Figura 69 Diagrama de sequência de pulso para DEPT Figura 610 Espectros de RMN 1H RMN 13C e DEPT do 13dimetilbenzeno ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 235 Figura 611 Espectros de RMN 1H RMN 13C DEPT da pulegona CDCl3 A seguir discutiremos de forma geral algumas técnicas da RMN em duas dimensões RMN2D Tais técnicas não serão necessariamente cobradas neste Curso ficando apenas a título de informação dos avanços e importância dessas técnicas Saiba porém que são úteis quando RMN1D é insuficiente para determinação estrutural de moléculas complexas com vários centros quirais tipo esteranos Figura 613 especialmente quando os sinais se sobrepõem em consequência das frequências de ressonâncias semelhantes Técnicas RMN2D pode poupar tempo especialmente quando nos interessa a conectividade entre os diferentes tipos de núcleos por exemplo hidrogênio e carbono Para maiores detalhes sobre a teoria de sequências de pulsos das várias técnicas bidimensionais mais usadas consulte algumas referências bibliográficas especializadas no tema citadas neste trabalho ou acesse os sítios httpchemchhujiacilnmr techniques2d2dhtml httpwwwchemucalgarycacourses351Carey5thCh13ch132dnmr1html UNIDADE 6 236 RMN em duas dimensões RMN2D A RMN 1H e 13C tem se constituído em uma das técnicas mais eficientes da determinação estrutural de compostos orgânicos quer naturais ou sintéticos Entretanto a interpretação dos espectros de substâncias requer muitas vezes a obtenção de informações através de derivados espectroscopicamente mais elucidativos ou de dados de modelos disponíveis na literatura Mesmo assim algumas correlações entre deslocamentos químicos e núcleos de átomos permanecem indeterminadas Os avanços de microprocessadores e de programas possibilitaram o desenvolvimento de novas técnicas de RMN que vieram em parte sanar essas dependências são os chamados métodos de correlação homonuclear e heteronuclear a uma 1J duas 2J ou mais ligações nJ que resultam em espectros de RMN bidimensionais RMN2D A Figura 612 mostra uma sequência geral de pulsos em experimentos de RMN2D Após o tempo t1 o pulso de aquisição π2x gira o componente y na direção do eixo z Este componente portanto não contribui para o sinal do FID O componente x por outro lado permanece inalterado no plano xy e seu sinal é registrado como sendo o FID Quando este FID sofre a transformação de Fourier obtémse um sinal com frequência v2 e amplitude M sem 2πvt1 Em A o atraso aumentado t1 e o tempo de aquisição t2 sofrem transformações de Fourier para frequências v2 e v1 respectivamente π2x é um pulso de 90 ºC no eixo x o intervalo t1 é da ordem de microssegundos e t2 da ordem de segundos Em B a evolução no sistema de coordenadas giratórias do hidrogênio de CDCl3 durante o intervalo t1 após o primeiro pulso o segundo pulso e a aquisição fornece um sinal produzido pelo componente x de M apenas a amplitude do sinal varia senoidalmente com t1 a frequência de precessão do hidrogênio é maior do que a do eixo de coordenadas giratórias Nos experimentos de correlação os spins se acumulam durante t1 sob influência dos spins nucleares diretamente acoplados ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 237 Figura 612 Sequência modelo de um experimento RMN2D para uma molécula simples tal como CDCl3 Os chamados espectros de RMN2D são na verdade um gráfico em três dimensões A dimensão omitida em todos os experimentos de RMN 1D 2D 3D etc é sempre a intensidade em unidades arbitrárias As duas dimensões a que nos referimos em um espectro de RMN 2D são eixos de frequência O experimento exige duas transformações de Fourier perpendiculares entre si em dois eixos de tempos independentes que levam a dois eixos de frequências ortogonais Usando métodos de correlação podemos determinar estruturas mais complexas de compostos orgânicos definindo a estereoquímica de certos centros na molécula de forma mais confiável mais rápida e mais facilmente Para determinarmos estrutura do tipo 3βmetil5αH e 3αmetil5βH estigmastano Figura 613 devemos levar em conta a possibilidade de interação entre 1H 1H homonuclear e entre 1H 13C heteronuclear a uma ou mais ligações Acoplamento Homonuclear através de ligação COSY TOCSY 2DINADEQUATE Acoplamento Homonuclear através do espaço NOESY ROESY Acoplamento heteronuclear acoplamentos a curta distância correlação Heternuclear 1H13C enfatizando acoplamentos a uma ligação HSQC e HMQC Acoplamento Heteronuclear acoplamentos a longa distância Correlação Heternuclear enfatizando acoplamentos a longa distância HMBC Estudar a contento as diversas técnicas bidimensionais não é o objetivo deste Curso mencionamos aqui algumas técnicas para se chegar à real estrutura de moléculas mais complexas sua geometria espacial Definiremos as mais comumente usadas e apresentaremos exemplos de espectros para 1H 1H COSY homonuclear 1H 13C HETCOR e HMBC heteronucleares nos itens subsequentes UNIDADE 6 238 Espectros de RMN de correlação homonuclear 1H 1H COSY O espectro é interpretado a partir da diagonal que consiste de uma série de picos Ao começarmos a interpretação do espectro de COSY é bom lembrarmos que este tipo de espectro mostra a correlação entre hidrogênios acoplados a três ou menos ligações Este método é muito usual quando overlap múltiplos ou acoplamento de segunda ordem complica o espectro RMN 1DEm ambos eixos há um espectro RMN 1H Se começarmos na diagonal e traçarmos uma linha para direita ou para cima o resultado é o mesmo porque o espectro é simétrico do sinal na forma de contorno encontraremos picos fora da diagonal ou picos cruzados Traçando novas linhas perpendicularmente à linha que acabamos de traçar encontraremos os deslocamentos químicos ou sinais que estão Veja o exemplo do espectro da Figura 614 RMN 13 COSY do but2enoato de etila Primeiro olhe no pico marcado A no canto superior esquerdo Este pico indica uma interação acoplamento entre o H em 69 ppm e o H em 18 ppm Isto corresponde ao acoplamento do grupo CH3 e H adjacentes no alqueno similarmente o pico marcado B indica um acoplamento entre o H em 415 ppm e o H em 125 ppm Isto corresponde ao acoplamento do CH2 e o CH3 no grupo etílico Observe que há uma segunda série de picos equivalente também marcado em A e B sobre o outro lado da diagonal Veja também o espectro do bromopropano na Figura 615 Problema 61 Simule um espectro de RMN 1H para o bromopropano e faça uma discussão geral sobre sua estrutura com base no espectro RMN2D COSY da Figura 615 Resolução Os dois espectros que estão nos eixos x e y são idênticos e você pode simular ou desenhar seu espectro de RMN 1H a partir de um deles Com relação ao espectro RMN2D COSY observase que as marcas na linha diagonal correlacionam os mesmos sinais de cada espectro e podem ser ignoradas São as correlações que estão fora da diagonal em laranja que mostram ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 239 a conectividade dos hidrogênios na molécula Assim triplete de metila em vermelho em δ 105 ppm correlaciona com o sexteto de metileno em δ 188 ppm o que prova que são vizinhos Do mesmo modo o sinal em azul dos hidrogênios de metileno desblindado pelo bromo e que aparece em δ 340 ppm também se correlaciona com o sinal em δ 188 ppm Por fim a absorção do centro se correlaciona com os sinais de seus vizinhos comprovando a estrutura Figura 613 Estruturas espaciais dos compostos da série trans e cis mais favorecidas termodinamicante representado pelo 3βmetil5αH e 3αmetil5βHestigmastano A posição do substituinte em C3 que é equatorial é a posição mais favorecida termodinamicamente Figura 614 Espectro de RMN bidimensional RMN2D de correlação homonuclear COSY do but2enoato de etila Spectra recorded by D Fox Dept of Chemistry University of Calgary on a Bruker Advance DRX400 spectrometer UNIDADE 6 240 Espectros de RMN de correlação heteronuclear 1H 13C HETCOR No experimento HMBC HETeronuclear chemical shift Correlation correlaciona os núcleos de 13C com os 1H diretamente ligados acoplados isto é acoplamento a uma ligação 1JCH Não há diagonal ou simetria Isto ocorre sempre que se tratar de acoplamento entre núcleos diferentes A interpretação é simples Podemos começar com qualquer átomo de carbono e mentalmente traçar uma linha vertical até encontrar um pico cruzado poderíamos começar pelo eixo dos hidrogênios e obteríamos o mesmo resultado se os sinais de hidrogênios estão bem resolvidos Uma outra linha perpendicular à primeira leva aos hidrogênios com o qualis os carbonos se correlacionam Se a linha vertical encontra um pico cruzado o carbono pode estar ligado a um dois ou três hidrogênios Considere sempre que possível o espectro HETCOR em conjunto com o espectro DEPT Vamos considerar o exemplo but2enoato de etila Figura 616 1 Laranja 2 Vermelho 3 Azul Figura 615 Espectro de RMN bidimensional RMN2D de correlação homonuclear COSY do bromopropano ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 241 Primeiro olhe no pico marcado A Este pico indica que o H em 41 ppm está ligado ao C em 60 ppm Isso corresponde ao grupo OCH2 similarmente o pico B no canto superior direito do indica que o H em 185 ppm está ligado ao C a 17 ppm Uma vez que o H é um singleto sabemos que isso corresponde a um grupo CH3 ligado à carbonila na parte ácida do éster e não o grupo CH3 ligado ao CH2 na parte do álcool do éster Note que o grupo carbonila do éster não dá nenhum sinal mancha visto que não há hidrogênio ligado Figura 616 Espectro de RMN bidimensional RMN2D de correlação heteronuclear HETCOR do but2enoato de etila HETCOR spectra recorded by D Fox Dept of Chemistry University of Calgary on a Bruker Advance DRX400 spectrometer UNIDADE 6 242 Veja também o exemplo do espectro do bromopropano na Figura 617 e detalhes sobre a interpretação de um espectro de RMN bidimensional de correlação heteronuclear HETCOR e Homonuclear COSY para estruturas mais complexas tal como a isoflavana duartina estruturas 1 e 1a no trabalho de Carvalho e Braz Filho 1993 Problema 62 A Figura 617 mostra o RMN2D de correlação heteronuclear HETCOR Faça uma discussão geral sobre sua estrutura Resolução Neste caso um espectro RMN 1H é comparado com um de RMN 13C o que permite o mapeamento da molécula através do esqueleto de carbonos e revela a identidade de cada fragmento O espectro de RMN 13C colocado no eixo y mostra três sinais Com base no que já sabemos da RMN podemos atribuir o sinal em δ 130 ppm ao carbono de metila o de δ 262 ppm metileno CH2 e o de δ 360 ppm ao carbono ligado ao bromo No entanto mesmo sem isso essas atribuições são óbvias pelas correlações dos sinais de hidrogênio que já assinalamos no problema anterior Assim o triplete de hidrogênios metílicos se correlaciona com o sinal de carbono em δ 130 ppm o sexteto de metileno δ 262 ppm e o tripleto de hidrogênios em campo baixo em δ 360 ppm Figura 617 Espectro de RMN bidimensional RMN2D de correlação heteronuclear HETCOR do bromopropano Figura adaptada de VOLLAHARDT AND SCHORE 2004 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 243 Espectros de RMN de correlação heteronuclear 1H 13C HMBC No experimento HMBC Heteronuclear Multiple Bond Coherence Figura 618 que também ocorre com detecção de hidrogênio e utiliza os acoplamentos de duas ou mais ligações e nos dá um espectro extremamente útil embora às vezes um pouco confuso Nele obtémse indiretamente as correlações carbonocarbono embora não as correlações 13C 13C e as correlações entre carbono tetrassubstituído e hidrogênios próximos As correlações 2JCH estão quase sempre presentes entretanto as correlações 3JCH estão ocasionalmente ausentes e dependem de suas magnitudes Figura 618 Espectro HMBC 1H 13C do trans cinamato de etila Problema 63 Dados os espectros a seguir Figura 619 e Figura 620 proponha uma estrutura plausível discutindo sobre as informações detalhadamente Tome esse exemplo como modelo inicial mas lembrese uma estrutura deve ser proposta e defendida com base no máximo de informações possíveis Este problema envolve todas as técnicas estudadas e abrange muitos conceitos importantes Antes de respondêlo é importante avaliarmos alguns passos para proposição estrutural não necessariamente nesta ordem O aluno poderá desenvolver sua própria metodologia ou uma modificação UNIDADE 6 244 desta É importante estabelecer uma hipótese de trabalho a partir de um espectro e procurar confirmação ou rejeição da hipótese no outro e modificá la se necessário Jogue um espectro contra o outro 1 Mostre como a fórmula molecular FM foi obtida dá uma idéia geral da molécula o número e tipo de átomos além do IDH A FM começa com a localização do pico do íon molecular M É uma das informações mais úteis para os químicos e obtêla vale qualquer esforço 2 Olhe o EM para procurar fragmentos que possam ser reconhecidos se o pico do íon molecular é impar um número ímpar de átomos de nitrogênio poderá estar presente Um experimento em ionização química poderá ser útil para observar melhor o íon molecular ou análise em espectrometria de alta resolução no caso de problemas mais difíceis Examine o EM para fragmentos típicos por exemplo PhCH2 CH3CO CH3 etc 3 Calcule o IDH a soma do número de anéis ligações duplas e triplas Use tabelas de massas normalmente presentes no apêndice de seu livro para propor a FM mais provável e determine o IDH de cada uma delas A fórmula molecular encontrada dá uma idéia geral da molécula isto é número e tipo de átomos além do IDH 4 Assinale as bandas de diagnóstico do espectro de IV Aqui se determinam os grupos funcionais presentes na estrutura Procure em especial pelos estiramentos CH OH NH e determine a presença ou não de grupos insaturados Regiões de absorção características 4000 2500 cm1 OH CH NH 2500 2000 cm1 triplas dienos acumulados 2000 1800 cm1 poucas bandas 1800 1650 cm1 carbonilas 1650 1550 cm1 CC CN NO 1550 650 cm1 NO CC CN CO CCl 5 Observe os deslocamentos químicos de todos os hidrogênios do espectro RMN 1H use o espectro de RMN 1H para confirmação e para obter outros indícios Se o espectro permitir determine o número total de hidrogênios e a razão entre os grupos de hidrogênios com deslocamento químico equivalente ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 245 a partir da curva de integração Escolha um bom começo para interpretação dos espectros se possível um grupo CH3CO ou um grupo OCH2CH3 Se o espectro é de primeira ordem conte o número de hidrogênios e obtenha a razão entre as intensidades dos sinais dos picos de absorção dada pela curva de integração 6 Observe os deslocamentos químicos de todos os carbonos do espectro RMN 13CDEPT determine o número de átomos de carbono e hidrogênio e o número de grupos CH3 CH2 e CH 7 Calcule o valor da constante de acoplamento ΔνJ quando apropriado procure os acoplamentos de primeira ordem e os deslocamentos químicos característicos Em instrumentos de alta resolução a sobreposição de absorções de hidrogênios é comum mas a coincidência total de picos de 13C não equivalentes é muito rara 8 Explique as multiplicidades onde couber 9 Assinale as correlações nos espectros RMN2D quando houver 10 Demonstre como EM comprova a estrutura 11 Considere os possíveis isômeros 12 Retome cada espectro IV UV EM RMN 13C e 1H e cheque as principais informações fragmentos de massas mais importantes e todas as características dos espectros de RMN de sua proposta estrutural Garanta que nenhuma característica espectral é incompatível com a sua proposta estrutural Resolução Vamos então fazer uma proposição modelo ou ilustrativa de como deve ser sua resolução mas como dito antes você poderá desenvolver sua própria metodologia ou uma modificação desta A FM e o número de insaturações são primeiramente estimados com base no espectro de massas O EM de baixa resolução exibe um pico de intensidade razoável em mz 136 Se este é o pico do íon molecular então a UNIDADE 6 246 regra dos treze vista anteriormente dará as seguintes fórmulas moleculares e IDH C10H16 IDH 3 C9H12O IDH 4 C8H8O2 IDH 5 C7H4O3 IDH 6 A suposição da presença de oxigênio nessas fórmulas é feita com base no IV que demonstra a presença de OH 3425 cm1 e também o espectro de RMN 13C confirma esta suposição pela presença de um sinal em δ 740 s de álcool terciário Uma fórmula parcial C10H17 pode ser obtida com base no espectro APT 13C 3 x CH3 3 x CH2 2 x CH 2 x C C10H17 cuja massa seria 137 Daltons o que sugere que nossa análise do EIMS com relação ao íon molecular está incorreta porque nenhuma das FM propostas acima tem 10C e 17H Um OH ainda pode ser adicionada a essa fórmula baseada nas informações prévias do IV e RMN 13C Além disso há 18 hidrogênios revelados pela integração no espectro RMN 1H a 500 MHz Assim a FM correta C10H18O pode ser estabelecida que é consistente com o pico ou fragmento em mz 136 resultante da perda de água H2O M 18 Lembrese que os álcoois especialmente 1º e 2º normalmente perdem água logo no injetor alta temperatura formando os alcenos correspondentes O IDH é dois para esta fórmula C10H18O 154 Dalton e os sinais em RMN 13C δ 111 t 126 d 131 s e 145 d indica duas ligações duplas 2 x CC excluindo a possibilidade de anel na estrutura Os grupos funcionais que podem estar presentes na estrutura podem ser avaliados da seguinte forma O primeiro é CH3COH confirmado pela banda IV em 3425 cm1 o carbono tetrassubstituído em δ 740 s a metila em δ 28 q no RMN 13C e em δ 12 s no RMN 1H A ausência de ressonância entre δ 30 e 45 no RMN 1H confirma esta conclusão Uma ligação dupla com três substituintes alquilas é evidenciada pelos picos no espectro RMN 13C δ 125 d e 132 s e no espectro RMN 1H em δ 505 broad t J 7 Hz 1 Hz Assim pelo processo de eliminação os carbonos sp2 remanescentes sugerem uma ligação dupla monossubstituída RMN 13C δ 112 t 146 d RMN 1H δ 50 1H dd J 12 2Hz 515 1H dd J 18 2Hz Subestrutura adicional inclui duas metilas vinílicas em RMN 13C δ 26 q e 18 q RMN 1H δ 155 s e 165 s ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 247 Dois grupos metilênicos 2 x CH2 RMN 13C δ 23 t e 42 t RMN 1H δ 148 152 multipleto complexo e 19 21 multipleto complexo Uma melhor resolução desse multipleto complexo pode ser vista no RMN 1H a 500 MHz A funcionalidade identificada permite algumas estruturas parciais tais como A B C e D D O padrão de multiplicidade largo para os hidrogênios de ambos metilenos CH2 indica que hidrogênios geminais são diastereotópicos entre si porque o padrão de multiplicidade não segue a regra simples n1 Também um conjunto deve ser acoplado ao spin do hidrogênio vinílico em 51 t largo ou em 500 MHz δ 490 Três estruturas completas podem ser agora sugeridas 102A ACD DB 102B ADCDB 102C ADDCB A estrutura 102C pode ser identificada como a mais coerente porque Ha pode ser assegurada pelo valor RMN 1H δ 57 dd que surge do acoplamento com dois hidrogênios vinílicos Isto é também consistente com UNIDADE 6 248 os sinais RMN 1H δ 51t largo vinílicos resultantes do acoplamento com CH2 a três ligações Outra evidência complementar é o fragmento em mz 71 resultante da quebra alfa Figura 619 Espectros no IV RMN 13C e RMN 1H para problema Adaptado de CREWS et al 1998 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 249 Figura 620 Espectros de RMN 1H para o problema Exercícios Propostos 1 Faça uma discussão geral sobre as principais informações das seguintes técnicas espectroscópicas Espectrometria Massas Infravermelho RMN 13C RMN 1H e UV 2 Um composto de fórmula molecular C6H8 simétrico mostra somente dois sinais em um espectro RMN 13C desacoplado por banda larga O espectro DEPT mostra um sinal CH e um sinal de CH2 Desenhe sua estrutura 3 O composto A é convertido por H2Pd em etanol no composto B O tratamento do composto B com LiAlH4éter etílico seguido de H3O produz o composto C O composto C foi analisado por IV e apresentou as seguintes absorções características 3550 cm1 banda larga e em 1049 cm1 1465 cm1 O composto A apresenta banda de absorção em torno de 1705 cm1 1645 cm1 e em 3030 cm1 e M 140 O composto B apresentou uma banda de absorção intensa em mais alta freqüência 1740 cm1 e seu espectro de massas é apresentado abaixo Determine a estrutura dos compostos de A B e C e escreva as respectivas equações químicas Justifique sua resposta O UNIDADE 6 250 espectro de RMN 13C do composto A é também apresentado na Figura 621 Figura 621 Espectros de massas e RMN 13C para o exercício 63 4 Desenhe o espectro RMN 1H e o espectro 13C solvente CDCl3 desacoplado por banda larga dê as multiplicidades dos seguintes compostos Mostre sinais com as proporções adequadas 5 O espectro RMN 13C 625 MHz do 2clorobutano exibe sinais em δ 1101 2485 3333 e 6036 Desenhe sua estrutura enumere segundo a IUPAC e atribua os respectivos deslocamentos químicos de acordo com a numeração 6 Qual dos três isômeros do xileno 12dimetilbenzeno 13dimetilbenzeno e 14dimetilbenzeno dá um espectro RMN 13C com sinais em δ 1377 1300 1282 1262 e 213 Para confirmar sua escolha prediga os deslocamentos químicos de cada carbono em sua estrutura usando cálculos teóricos de deslocamento químico do 13C ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 251 7 Qual das estruturas abaixo tem o espectro 13C consistente com os sinais em 1906 1352 1323 1308 e 1294 8 Deduza as estruturas dos compostos AD Figura 622 e explique os sinais de 13C As multiplicidades estão abreviadas como s singleto d dupleto t tripleto q quarteto Os espectros foram obtidos em CDCl3 em 25 MHz e adaptados de SILvErSTEIn et al 2001 Outros exercícios foram adaptados deste e de outros livros que estão disponíveis como materiais de apoio na sua página da UAPI Figura 622 A Espectros de massas e RMN 13C para o exercício 68 Figura 622 B Espectros de massas e RMN 13C para o exercício 68 UNIDADE 6 252 Figura 622 C Espectros de massas e RMN 13C para o exercício 68 Figura 622 D Espectros de massas e RMN 13C para o exercício 68 9 Um produto natural desconhecido X exibe as propriedades espectrais de EIMS espectro de massas por impacto de elétrons e de NMR 13C na Figura 623 e Figura 624 Proponha sua fórmula molecular e estrutura possível RMN 13C multiplicidade δ 713 d 501 d 452 t 348 t 318 d 257 d 233 t 223 q 211 q 161 q Figura 623 Espectro de massas de X para o exercício 69 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 253 Figura 624 Espectro de RMN 1H de X para o exercício 69 10 Espectros de RMN 13C expandido entre δ 00500 ppm da cânfora são mostrados na Figura 625 e Figura 626 com os respectivos deslocamentos químicos de C13 Relacione cada sinal do espectro com a numeração dos carbonos na estrutura Figura 625 Espectro de RMN 13C INEPT da cânfora para o exercício 10 Figura adaptada de httpwww2chemistrymsuedu UNIDADE 6 254 Figura 626 Espectro de RMN 13C da cânfora para o exercício 610 Figura adaptada de httpwww2chemistrymsuedu 11 Com base nos espectros da Figura 627 a Figura 631 deduza as estruturas dos compostos AE Espectros adaptados de FIELD et al 2008 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 255 Figura 627 Dados espectrais para o composto A exercício 611 UNIDADE 6 256 Figura 628 Dados espectrais para o composto B exercício 611 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 257 Figura 629 Dados espectrais para o composto C exercício 611 UNIDADE 6 258 Figura 630 Dados espectrais para o composto D exercício 611 ESPECTROMETRIA DE RESSONÂNCIA MAGNÉTICA NUCLEAR DE CARBONO13 259 Figura 631 Dados espectrais para o composto E exercício 611 UNIDADE 6 260 Resumindo A RMN 13C é tão útil quanto a RMN 1H na determinação de estruturas orgânicas Afinal por definição todos os compostos orgânicos contêm esse elemento O uso destas duas técnicas conjuntamente tornase uma ferramenta analítica de fundamental importância para o químico orgânico na determinação de estruturas de moléculas orgânicas O espectro RMN 13C pode ser usado para determinar o número de carbonos não equivalentes e identificar os tipos de átomos de carbono metílicos metilênicos metínicos aromáticos e assim por diante Assim o RMN 13C provê informação direta sobre o esqueleto carbônico de uma molécula Carbonos em ambientes de alta densidade eletrônica produzem sinais em baixa frequência enquanto carbonos próximos a grupos eletroretiradores produzem sinais em alta frequência Os deslocamentos químicos no espectro de RMN 13C aproximamse de 220 ppm comparados com aproximadamente 12 ppm para o RMN 1H Os sinais de RMN 13C são normalmente desdobrados pelos carbonos vizinhos a menos que o espectrômetro seja ajustado para registrar acoplamento com prótons Alguns dos princípios básicos aplicados à RMN 1H aplicamse também ao estudo de RMN 13C entretanto a determinação estrutural é mais facilmente proposta com RMN 13C O Professor Sidney Gonçalo de Lima graduouse em Química Licenciatura pela Universidade Federal do Piauí UFPI em 1997 Em 2002 sob orientação do Prof Dr Edilberto Rocha Silveira concluiu seu mestrado em Química de Produtos Naturais pela Universidade Federal do Ceará UFC Em 2005 concluiu seu Doutorado em Química Orgânica Geoquímica Orgânica sob orientação do Prof Dr Francisco de Assis Machado Reis pela UNICAMP Atualmente é Professor Adjunto III do Departamento de Química no Centro de Ciências Natureza da UFPI Orienta eou coorienta alunos de Iniciação científica e de Mestrado em Química de Produtos Naturais e em Geoquímica Orgânica Seus projetos estão relacionados com a determinação da composição química de constituintes voláteis e não voláteis de plantas do Nordeste principalmente do Piauí com uso etnobotânico ou de interesse biofarmacológico tendo publicado vários trabalhos nessa área Em Geoquímica Orgânica dedica se à síntese e identificação de biomarcadores em petróleos de bacias sedimentares brasileiras onshore e offshore à análise de petróleos de diferentes reservatórios situados em profundidades e com características geológicas distintas com o objetivo de identificar a composição química de biomarcadores neutros e ácidos bem como analisar sua variabilidade em função da biodegradação e outros fatores geológicos AQUINO NETO F R e D S S Nunes Cromatografia princípios básicos e técnicas afins Rio de Janeiro Editora Interciência 2003 BURNUM K E TRANGUCH S MI D DAIKOKU T DEY S K CAPRIOLI R M Imaging mass spectrometry reveals unique protein profiles during embryo implantation Endocrinology v 149 n 7 p 32743278 2008 BRUICE P Y Química Orgânica São Paulo Pearson Prentice Hall 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