Tablas de referencia de espectroscopía

La espectroscopía interroga a las moléculas con luz y escucha lo que absorben. Toda interacción entre radiación y materia está cuantizada: un enlace, un electrón o un núcleo solo acepta la energía exacta que coincide con la diferencia entre sus estados permitidos, así que un espectro es una huella dactilar legible por máquina de una estructura. Los cinco paneles de esta página cubren las cinco preguntas que un químico hace sobre una sustancia desconocida: IR (qué enlaces hay), RMN de ¹H y ¹³C (qué átomos ocupan qué entornos), MS (cuánto pesa la molécula) y UV-Vis (cómo responde su nube electrónica a la luz visible y ultravioleta).

Un enlace vibra como una masa en un muelle: los átomos más pesados y los enlaces más flojos oscilan más lentamente. El IR informa de las posiciones en números de onda (cm⁻¹), la inversa de la longitud de onda, que se usa porque es directamente proporcional a la energía, desde 4000 hasta 400 en las 41 bandas del panel. Los anclajes diagnósticos: una tensión C=O cerca de 1700 es fuerte e inconfundible (ésteres 1750-1735, aldehídos 1740-1720, cetonas 1725-1705, ácidos 1725-1700); una mancha ancha de O–H entre 3550 y 3200 indica enlaces de hidrógeno; un par agudo de bandas del anillo aromático en 1600/1500 delata un anillo de benceno. Por debajo de 1500 está la región de la huella dactilar, donde todo el patrón, y no un pico concreto, identifica la molécula por comparación con una referencia. Los números de onda se usan en el IR porque son proporcionales a la energía del fotón y mantienen las absorciones de enlace en un rango ordenado de 400 a 4000 cm⁻¹.

La RMN de protón clasifica los hidrógenos según su entorno electrónico, y lo informa como desplazamiento químico δ en ppm respecto al TMS de referencia (asignado a 0,00 porque su silicio apantalla sus protones más que casi cualquier otra cosa). Los vecinos electronegativos atraen densidad electrónica, desapantallan el protón y lo empujan hacia campo bajo, a valores mayores de δ: el CH₃ alquílico se sitúa en 0,7-1,3; si se une un oxígeno, los mismos protones caen en 3,3-3,8; un anillo aromático los lleva a 6,5-8,5; el protón de un aldehído, a 9-10; y un O–H de ácido carboxílico, hasta 10-13. La integración de cada señal cuenta los protones que la producen, y su multiplicidad sigue la regla n+1: un protón con n vecinos equivalentes se desdobla en n+1 líneas, que es como se lee la conectividad. Las 23 notas de entornos del panel señalan el intercambio con D₂O para O–H y N–H: si se agita con agua pesada, esas señales desaparecen, un truco de confirmación estándar.

La RMN de carbono abarca de 0 a 220 ppm y traza el esqueleto directamente, una línea por cada carbono distinto. Los puntos de referencia son puro sentido común químico: los carbonos sp³ entre 8 y 55; los carbonos unidos a oxígeno o nitrógeno se desplazan a campo bajo, hasta 35-70; los sp² y aromáticos, entre 100 y 155; y todo carbonilo, entre 160 y 220: los C=O de aldehído y cetona son los más altos (190-220), y los ésteres, ácidos, amidas y anhídridos se agrupan entre 160 y 185. Dos curiosidades: el isótopo natural ¹²C es silencioso en RMN (espín nuclear 0), por eso el ¹³C, que solo tiene una abundancia del 1,1 %, debe transportar la señal y necesita muchas más acumulaciones; y el desacoplamiento de banda ancha de los protones colapsa lo que serían desdoblamientos enmarañados en singletes limpios, uno por cada carbono.

El impacto electrónico ioniza la molécula, y el instrumento ordena los fragmentos por la relación masa/carga (m/z). El ion molecular M⁺ da el peso molecular; el patrón de fragmentación funciona después como una dirección postal: los 30 fragmentos del panel son los habituales: m/z 43 (C₃H₇⁺ o acetilo), 91 (el catión tropilio/bencilo, marca de un alquilbenceno), 105 (benzoílo). Las pérdidas neutras se leen en la misma tabla: M−18 significa que un alcohol se acaba de deshidratar; M−31, que se ha perdido un grupo metoxi. Los halógenos se delatan por sus isótopos: el ³⁵Cl/³⁷Cl (3:1) del cloro y el ⁷⁹Br/⁸¹Br (1:1) del bromo dan pares de picos M y M+2 en esas proporciones exactas. Los reordenamientos como el de McLafferty (transferencia de γ-H a través de un carbonilo) producen picos diagnósticos a partir de unidades estructurales completas.

El UV-Vis observa cómo los electrones saltan entre orbitales: π→π* en sistemas insaturados (permitido, intenso) y n→π* para pares solitarios que pasan a orbitales antienlazantes (prohibido, débil, con ε de solo 10-100). La unidad que absorbe es el cromóforo, y la conjugación es la palanca: cada doble enlace añadido estrecha el hueco HOMO–LUMO y desplaza λ_max hacia mayor longitud de onda. La tabla muestra la escalera: un alqueno aislado por debajo de 200 nm, un dieno en 217, un trieno en 258, la banda B prohibida del benceno en 256, el antraceno en 375, hasta llegar al visible. La intensidad obedece a la ley de Beer-Lambert, A = ε·b·c: la absorbancia es la absortividad molar ε (tomada directamente de la tabla) por la longitud del camino óptico por la concentración. Eso es lo que convierte el UV-Vis en un instrumento cuantitativo y no solo identificativo.

• Un pico de IR siempre cae en un número fijo. El enlace de hidrógeno desplaza y ensancha mucho el O–H; la conjugación baja el C=O entre 20 y 40 cm⁻¹. Las tablas dan rangos, no leyes.
• Un desplazamiento de RMN mayor significa más protones. La posición informa del entorno; la integración informa del recuento. Un pico alto en 0,9 puede ser cuarenta metilos; uno solitario en 9,8 es un protón de aldehído.
• El ion molecular es el pico más grande o más alto. El más alto (pico base) es el fragmento que se forma con más facilidad, a menudo m/z 43 o 91. El M⁺ puede ser diminuto o estar completamente ausente.
• El color de un espectro UV es lo que absorbe el compuesto. El color observado es el complementario: una sustancia que absorbe a 400 nm (violeta) se ve amarilla.

Herramientas relacionadas: Química orgánica (los grupos funcionales que identifican estas tablas), Redox y electroquímica (la transferencia de electrones, la otra forma en que cambian las moléculas) y Datos químicos.