Volver a la portadaQuímica · 5.° año de Educación Media General · Cambiar asignatura
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5to año · Química
Química orgánica · Estructura y reactividad orgánica

Análisis espectroscópico de compuestos orgánicos

Te conviene dominar: Partículas subatómicas e isótopos (3.er año de Educación Media General)

En el laboratorio de control de calidad de una farmacéutica llegan dos frascos sin etiqueta. Los dos tienen la misma fórmula molecular, $C_4H_8O_2$. ¿Cómo saber cuál es el ácido butanoico y cuál es el acetato de etilo sin probarlos? Se les hace «hablar» con electrones, luz infrarroja o un campo magnético. Al final de la página resolverás ese caso.

Espectrometría de masas

La molécula en fase gaseosa se bombardea con electrones: pierde un electrón y forma el ion molecular $M^{+\bullet}$. Un campo magnético separa los iones según su relación masa/carga ($m/z$) y el detector registra un pico por cada valor. Con carga $+1$, el pico de mayor $m/z$ (si se ve) da la masa molar del compuesto.

El ion también se rompe en fragmentos; el patrón de fragmentos aporta pistas sobre el esqueleto de la molécula.

Espectro de masas simplificado con picos en m/z 29, 43 y el pico del ion molecular en 58. m/z abundancia relativa 29 43 58 (M⁺)

Picos M y M+2: cloro y bromo

El cloro y el bromo tienen isótopos pesados muy abundantes (recuerda: los isótopos son átomos del mismo elemento con distinto número de neutrones). Por eso un haluro de alquilo muestra, además del pico $M$, un pico $M+2$:

Halógeno Isótopos Relación M : M+2
Cloro $^{35}Cl$ y $^{37}Cl$ $3:1$
Bromo $^{79}Br$ y $^{81}Br$ $1:1$

¿Por qué? El isótopo pesado tiene dos neutrones más, así que la molécula que lo contiene pesa dos unidades más, y aparece en la proporción natural en que coexisten los isótopos.

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Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene…

Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene ácido butanoico y el otro acetato de etilo. Elabora un dictamen técnico resolutivo siguiendo estas fases:

  1. Búsqueda espectroscópica: Accede a la base de datos oficial SDBS (AIST) y obtén los espectros de IR y $^{1}\text{H-RMN}$ de ambos compuestos. Anota las frecuencias de vibración ($C=O$ y $O-H$) y señales singulares (como el singlete a $2,0\text{ ppm}$ del éster frente al protón ácido a $11,5\text{ ppm}$).

  2. Formulación e isomería: Representa sus fórmulas semidesarrolladas, determina su tipo de isomería y propón un tercer isómero de fórmula $C_4H_8O_2$ que contenga un carbono asimétrico, justificando su estereoisomería.

  3. Reactividad y dictamen: Formula la síntesis del acetato de etilo mediante esterificación indicando reactivos y catalizador. Explica cómo la espectroscopía permite certificar que la reacción ha culminado con éxito.

Producto final: Informe pericial breve (una página) con la resolución razonada del caso y los datos espectrales.

Se valorará:

  • Corrección en la formulación, tipificación de isomería y justificación estereoquímica.

  • Ajuste adecuado y descripción de las condiciones de la reacción orgánica planteada.

  • Interpretación rigurosa de las señales espectrales obtenidas en la base de datos oficial.

  • Claridad formal y rigor analítico en las conclusiones del informe.

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Espectroscopía infrarroja (IR)

Los enlaces vibran, y al hacerlo absorben luz infrarroja a valores característicos del número de onda ($cm^{-1}$). Cada grupo funcional deja una banda diagnóstica: un «sello» que permite reconocerlo.

Regiones del infrarrojo: C=O hacia 1700-1750, O-H de ácido entre 2500 y 3300 y O-H de alcohol entre 3200 y 3600 cm⁻¹. número de onda (cm⁻¹), creciente → 3200-3600 O–H alcohol 2500-3300 O–H ácido 1700-1750 C=O
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Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene…

Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene ácido butanoico y el otro acetato de etilo. Elabora un dictamen técnico resolutivo siguiendo estas fases:

  1. Búsqueda espectroscópica: Accede a la base de datos oficial SDBS (AIST) y obtén los espectros de IR y $^{1}\text{H-RMN}$ de ambos compuestos. Anota las frecuencias de vibración ($C=O$ y $O-H$) y señales singulares (como el singlete a $2,0\text{ ppm}$ del éster frente al protón ácido a $11,5\text{ ppm}$).

  2. Formulación e isomería: Representa sus fórmulas semidesarrolladas, determina su tipo de isomería y propón un tercer isómero de fórmula $C_4H_8O_2$ que contenga un carbono asimétrico, justificando su estereoisomería.

  3. Reactividad y dictamen: Formula la síntesis del acetato de etilo mediante esterificación indicando reactivos y catalizador. Explica cómo la espectroscopía permite certificar que la reacción ha culminado con éxito.

Producto final: Informe pericial breve (una página) con la resolución razonada del caso y los datos espectrales.

Se valorará:

  • Corrección en la formulación, tipificación de isomería y justificación estereoquímica.

  • Ajuste adecuado y descripción de las condiciones de la reacción orgánica planteada.

  • Interpretación rigurosa de las señales espectrales obtenidas en la base de datos oficial.

  • Claridad formal y rigor analítico en las conclusiones del informe.

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Resonancia magnética nuclear de protón ($^{1}H$-RMN)

En un campo magnético intenso y con ondas de radio, los núcleos de hidrógeno absorben a frecuencias ligeramente distintas según los átomos que los rodean. Eso nos dice dónde están los hidrógenos y con qué vecinos.

Una señal da tres datos:

  • Número de señales: cada tipo de hidrógeno equivalente da una señal.

  • Desplazamiento químico ($\delta$, en ppm): los átomos electronegativos cercanos (O, halógenos, C=O) desplazan la señal a mayor $\delta$.

  • Integración: el área de la señal es proporcional al número de hidrógenos que la producen.

Además, cada señal puede dividirse en varias líneas según los hidrógenos vecinos; en este nivel basta saber que eso aporta información sobre cómo están conectados los átomos.

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Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene…

Reto del tema. Trabajas en control de calidad farmacéutico y debes resolver la confusión entre dos lotes mal etiquetados con fórmula molecular $C_4H_8O_2$: uno contiene ácido butanoico y el otro acetato de etilo. Elabora un dictamen técnico resolutivo siguiendo estas fases:

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  2. Formulación e isomería: Representa sus fórmulas semidesarrolladas, determina su tipo de isomería y propón un tercer isómero de fórmula $C_4H_8O_2$ que contenga un carbono asimétrico, justificando su estereoisomería.

  3. Reactividad y dictamen: Formula la síntesis del acetato de etilo mediante esterificación indicando reactivos y catalizador. Explica cómo la espectroscopía permite certificar que la reacción ha culminado con éxito.

Producto final: Informe pericial breve (una página) con la resolución razonada del caso y los datos espectrales.

Se valorará:

  • Corrección en la formulación, tipificación de isomería y justificación estereoquímica.

  • Ajuste adecuado y descripción de las condiciones de la reacción orgánica planteada.

  • Interpretación rigurosa de las señales espectrales obtenidas en la base de datos oficial.

  • Claridad formal y rigor analítico en las conclusiones del informe.

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Combinar las tres técnicas

Cada técnica responde una pregunta distinta:

Esquema de trabajo: la espectrometría de masas da la fórmula, el IR la función y la RMN la conectividad. masas M (fórmula) IR función RMN conectividad

Vuelve al principio: los dos frascos

El ácido butanoico y el acetato de etilo son isómeros de función con la misma masa ($M=88$), así que la espectrometría de masas por sí sola no los separa. El IR sí: el ácido muestra la O–H ancha ($2\,500$-$3\,300\ cm^{-1}$) además de la C=O; el éster solo muestra la C=O (hacia $1\,735\ cm^{-1}$). La RMN lo confirma: el ácido tiene el hidrógeno del $-COOH$ hacia $11{,}5$ ppm; el éster, el singlete de 3H a $2{,}0$ ppm.

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  1. Búsqueda espectroscópica: Accede a la base de datos oficial SDBS (AIST) y obtén los espectros de IR y $^{1}\text{H-RMN}$ de ambos compuestos. Anota las frecuencias de vibración ($C=O$ y $O-H$) y señales singulares (como el singlete a $2,0\text{ ppm}$ del éster frente al protón ácido a $11,5\text{ ppm}$).

  2. Formulación e isomería: Representa sus fórmulas semidesarrolladas, determina su tipo de isomería y propón un tercer isómero de fórmula $C_4H_8O_2$ que contenga un carbono asimétrico, justificando su estereoisomería.

  3. Reactividad y dictamen: Formula la síntesis del acetato de etilo mediante esterificación indicando reactivos y catalizador. Explica cómo la espectroscopía permite certificar que la reacción ha culminado con éxito.

Producto final: Informe pericial breve (una página) con la resolución razonada del caso y los datos espectrales.

Se valorará:

  • Corrección en la formulación, tipificación de isomería y justificación estereoquímica.

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