Principi Fondamentali della Spettroscopia Infrarossa e Preparazione dei Campioni

Principi Fondamentali della Spettroscopia Infrarossa e Preparazione dei Campioni

La spettroscopia infrarossa (IR) è una tecnica analitica che sfrutta l'assorbimento di radiazioni infrarosse da parte delle molecole per studiarne la struttura. Quando una molecola assorbe radiazione IR, i suoi legami chimici vibrano in modi specifici che dipendono dalla massa atomica e dal tipo di legame. Queste vibrazioni producono uno spettro IR unico per ogni sostanza, che può essere utilizzato per identificarla o per analizzarne la composizione. Nella preparazione dei campioni per l'analisi IR, è comune utilizzare il bromuro di potassio (KBr), che è trasparente alle radiazioni IR e non interferisce con lo spettro del campione. Il campione viene macinato con KBr e pressato in una pastiglia trasparente all'IR, che viene poi analizzata. Sebbene questa tecnica sia efficace, il recupero del campione puro dopo l'analisi può essere difficile a causa della sua dispersione nel KBr.

Interpretazione degli Spettri IR e Caratteristiche Molecolari

L'interpretazione degli spettri IR si basa sull'analisi di posizione, intensità e forma delle bande di assorbimento. La posizione delle bande, misurata in numero d'onda (cm^-1), è correlata alle frequenze di vibrazione specifiche dei legami chimici e gruppi funzionali nella molecola. L'intensità delle bande, spesso espressa come trasmittanza percentuale, fornisce informazioni sulla quantità di radiazione IR assorbita e può indicare la concentrazione del gruppo funzionale. La forma delle bande può rivelare dettagli sulla purezza del campione e sulle interazioni molecolari. Bande strette e ben definite suggeriscono un ambiente chimico uniforme, mentre bande larghe possono indicare la presenza di legami a idrogeno o di altri tipi di interazioni. La presenza di spalle o picchi secondari può essere indicativa di vibrazioni sovrapposte o di gruppi funzionali simili.

Zone Spettrali e Identificazione dei Gruppi Funzionali

Gli spettri IR sono divisi in zone che corrispondono a specifiche vibrazioni molecolari. La regione da 3500 a 2500 cm^-1 è tipicamente associata allo stretching dei legami X-H, dove X può essere un atomo di carbonio, ossigeno, azoto o zolfo. Le vibrazioni di tripli legami e doppi legami cumulati si trovano generalmente tra 2500 e 1900 cm^-1. Le vibrazioni di stretching dei doppi legami e le vibrazioni di piegamento dei legami N-H (tipiche delle ammidi) si situano tra 1800 e 1500 cm^-1. La regione sotto i 1500 cm^-1 è nota come "zona dell'impronta digitale", caratterizzata da un pattern di assorbimento complesso e unico per ogni molecola, che fornisce un potente strumento per l'identificazione molecolare. Ad esempio, un picco nitido a 1700 cm^-1 è indicativo della presenza di un gruppo carbonilico.

Analisi degli Alcani e dei Sistemi Aromatici

Nello studio degli alcani, le vibrazioni di stretching dei legami C-H si manifestano tipicamente tra 3000 e 2800 cm^-1. I legami C-H alifatici, caratterizzati da atomi di carbonio ibridati sp^3, producono bande di assorbimento al di sotto dei 3000 cm^-1. La presenza di un gruppo aldeidico può essere rilevata attraverso la risonanza di Fermi, che si manifesta con due bande di assorbimento tra 2900 e 2700 cm^-1. Nei sistemi aromatici, i legami C-H degli atomi di carbonio ibridati sp^2 mostrano bande di stretching leggermente al di sopra dei 3000 cm^-1. Le bande di piegamento fuori dal piano dei legami C-H aromatici sono influenzate dalla sostituzione sull'anello aromatico e possono fornire informazioni sulla struttura e sulla posizione dei sostituenti.

Identificazione di Alcoli, Eteri, Ammine e Gruppi Carbonilici

Nei composti contenenti legami H-eteroatomo come alcoli, eteri e ammine, le vibrazioni di stretching si osservano intorno ai 3000 cm^-1. Gli alcoli presentano una banda caratteristica per lo stretching del legame O-H intorno a 3500 cm^-1, che può essere larga a causa della formazione di legami a idrogeno. Negli acidi carbossilici, questa banda si allarga ulteriormente e può apparire come un doppio picco a causa della dimerizzazione. La banda di stretching del gruppo carbonilico è una delle più intense e diagnostiche nello spettro IR, con una posizione che varia in base alla natura del gruppo carbonilico e alle interazioni elettroniche. Ad esempio, i gruppi donatori di elettroni tendono a spostare la banda verso numeri d'onda più bassi, mentre i gruppi attrattori di elettroni la spostano verso numeri d'onda più alti.