Espetroscopia de infravermelho

Espetroscopia de Infravermelho (IR) na identificação de Grupos funcionais em compostos orgânicos

Maria Luís Ferreira, 121B2

Porque funciona?

De acordo com a Teoria da Absorção de Infravermelho:A temperaturas acima do zero absoluto, todos os átomos das moléculas estão em vibração contínua uns em relação aos outros.Quando a frequência de uma vibração específica é igual à frequência da radiação IR direcionada para a molécula, esta absorve a radiação. Tendo em conta a interação massa-energia:Durante o processo de absorção, a molécula absorve apenas as frequências de radiação IR que igualam a frequência vibracional natural das ligações e, consequentemente, aumenta a amplitude dos modos vibracionais das moléculas.

O que é?

Conceitos importantes

A espetroscopia de infravermelho é uma técnica a que se recorre frequentemente para identificar os grupos funcionais existentes nos materiais (estejam estes no estado gasoso, líquido ou sólido) através da utilização de feixes de radiação infravermelha (IR).Para se poderem determinar os grupos funcionais presentes numa molécula, esta tem de ser IR ativa, ou seja, tem de haver um momento dipolar. Quando a radiação IR interage com a ligação covalente dos materiais que têm dipolo elétrico, a molécula absorve energia e a ligação começa a oscilar.Uma ligação específica vai absorver radiação IR de uma frequência específica, porque cada ligação tema sua própria frequência vibracional.

Modos de vibração

estiramento e flexão

Vibração de estiramento

Simétrica

Vibração no plano

Vibração de flexão

pêndulo

Vibração no plano

Vibração de flexão

tesoura

É mais energética do que a simétrica

Vibração de estiramento

Assimétrica

Vibração fora do plano

Vibração de flexão

torção

Vibração fora do plano

Vibração de flexão

Oscilação

As medições de FTIR conseguem ser realizadas pelo método de reflexão total atenuada (ATR) por conta da sua simplicidade comparativamente ao método de transmissão convencional.A ATR é uma ótima técnica para estudos de polímeros e membranas. A maior vantagem é a possibilidade de medir vários tipos de amostras sem ser preciso realizar qualquer tipo de preparação prévia.

O espetro FTIR é medido em número de onda porque o número de onda está diretamente relacionado com a energia e a frequência, proporcionando assim uma forma fácil de interpretar o espetro. O espetro de absorção indica várias vibrações das ligações presentes na molécula da amostra. Vários modos surgem devido às várias vibrações das ligações. Desta forma, é possível identificar facilmente os grupos funcionais presentes numa molécula.

Metodologia

Existem, essencialmente, três métodos para a realização da análise por espetroscopia de infravermelho.

Os espectrómetros dispersivos, introduzidos em meados da década de 1940 e amplamente utilizados desde então, fornecem a instrumentação robusta necessária para a aplicação extensiva desta técnica.

Espetroscopia

método dispersivo

Espetroscopia

ftir

Espetroscopia

atr

A FTIR pode ser utilizada para analisar vários materiais, tais como resinas, adesivos, tintas, revestimentos, polímeros, óxidos metálicos e um grande número de medicamentos. Também pode identificar amostras de natureza diferente, como materiais viscosos, sólidos, líquidos e soluções. A FTIR pode também identificar uma variedade de compostos orgânicos e inorgânicos, polímeros e misturas de polímeros.

Em 1950, a estrutura das proteínas foi investigada por Ambrose e Eliot com a utilização da espetroscopia de infravermelho. Da mesma forma, Miyazawa estudou a N-metilacetamida para a investigação da molécula das proteínas através da espetroscopia de IR. A FTIR pode ser aplicada para a determinação estrutural das proteínas.

aplicações

A espetroscopia de infravermelho de infravermelho tem diversas aplicações, entre elas:

A imagem espectroscópica de FTIR é uma técnica de imagem química muito importante para investigar as amostras biológicas.Há vários exemplos que indicam a aplicação da espetroscopia FTIR em técnicas de imagiologia médica. Por exemplo, é utilizado em estudos de adenocarcinoma colorretal humano. Do mesmo modo, a deposição da proteína P-amiloide numa fatia de tecido cerebral humano, que compreende as doenças de Alzheimer, foi investigada através de técnicas de imagiologia espectroscópica por FTIR.

A espetroscopia de IR era geralmente considerada capaz de fornecer apenas análises qualitativas e semiquantitativas de amostras comuns, especialmente quando os dados eram adquiridos utilizando os instrumentos dispersivos convencionais. No entanto, o desenvolvimento de instrumentação FTIR fiável e de fortes capacidades de processamento de dados computorizados melhorou muito o desempenho do trabalho quantitativo de IR. Assim, a espetroscopia de infravermelho moderna ganhou aceitação como uma ferramenta fiável para a análise quantitativa.

INFORMAÇÃO ANALÍTICA

Por conta das interações dos átomos constituintes da molécula, a absorção de radiação IR dos diferentes grupos funcionais pode variar bastante. A absorção de um grupo funcional é muitas vezes caracterizada por uma gama de frequências específica, mas um grupo funcional dá frequentemente origem a uma absorção múltipla. Assim, as interpretações espectrais não devem limitar-se a uma ou duas bandas, devendo ser examinado todo o espetro. Sendo o espetro IR de cada molécula único, um dos métodos de identificação mais eficazes de um composto orgânico é encontrar um espetro de IR de referência que corresponda ao do composto desconhecido.

Qualitativa

quantitativa

Baixo custo

Análise quantitativa e qualitativa

Aplicações versáteis

Identificação de grupos funcionais

Preparação mínima da amostra

Não destrutiva

Vantagens

Análise rápida

Análise quantitativa limitada

Interferência da água

Identificação estrutural

Sensibilidade

Picos sobrepostos

Limitações

Estado da amostra

Técnica rápida e não destrutiva

Eficácia

Identificação de compostos

Calibração dos instrumentos

Precisão

Reprodutibilidade

Padrões de calibração

Exatidão

Exatidão comparativa

No entanto, subsistem várias limitações e lacunas no conhecimento. Desafios como a sobreposição espetral, os requisitos de preparação de amostras e a necessidade de formação especializada podem impedir a aplicação eficaz da espetroscopia de infravermelho. A investigação futura deve centrar-se na resolução destas limitações através do desenvolvimento de metodologias melhoradas, da exploração de técnicas complementares e da melhoria das ferramentas de análise de dados. Deste modo, não só se avançará na nossa compreensão da espetroscopia de infravermelho, como também se alargará a sua aplicação em várias disciplinas.

Conclusão

As principais conclusões retiradas da investigação salientam que a espetroscopia de infravermelho é uma ferramenta inestimável para identificar estruturas moleculares e grupos funcionais. As suas aplicações nos produtos farmacêuticos, na ciência dos materiais e na monitorização ambiental demonstram a sua relevância e praticabilidade em cenários do mundo real.A sua integração com outros métodos analíticos aumenta a sua utilidade e fiabilidade, reforçando o seu papel no avanço da investigação científica.

Para amostras líquidas ou "macias", o cristal de seleneto de zinco (ZnSe) é apropriado por ser um material acessível financeiramente, contudo este material pode ser riscado e só se pode utilizar se amostra tiver pH entre 5 e 9. Para o estudo de amostras altamente absorventes, como borrachas, utilizar um cristal de germânio é a escolha certa devido ao seu elevado índice de refração. O diamante é quimicamente inerte e é também uma substância ideal para o fabrico de materiais de superfície cristalina. Embora o fabrico do material cristalino a partir do diamante seja bastante dispendioso, a fiabilidade do instrumento devido à elevada resistência do diamante ao corte, à deterioração e à sua total insolubilidade fazem do diamante um material ideal para utilizar aquando da realização da ATR-FTIR.

Cristais utilizados na ATR

A espetroscopia de infravermelho por transformada de Fourier é vastamente utilizada no estudo de moléculas orgânicas. Para o estudo de moléculas orgânicas, o espetro de infravermelhos é geralmente dividido em quatro partes: 1. 4000-2500 cm-1: Absorção de ligações simples do hidrogénio com outros elementos, por exemplo, O-H, N-H e C-H. 2. 2000-2500 cm-1: Absorção de ligações triplas, C≡C e C≡N. 3. 1500-2000 cm-1: Absorção de ligações duplas, por exemplo, C=C e C=O. 4. 400-1500 cm-1: A região de 1000 a 1500 cm-1 é normalmente utilizada para C-O e C-C e outras vibrações de flexão. A região de 400-700 cm-1 é normalmente designada por região de impressão digital, que é única para vários compostos e raramente utilizada para a identificação de grupos funcionais.

FTIR na caracterização de materiais