Sintesis e identificacion por el método del espectro infrarrojo de los isomeros geometricos cis y trans del cu C




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fecha de publicación09.08.2016
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SINTESIS E IDENTIFICACION POR EL MÉTODO DEL ESPECTRO INFRARROJO DE LOS ISOMEROS GEOMETRICOS CIS Y TRANS DEL Cu(C2H5NO2)2.H2O

Angello Molina

obssesionwithdeath@hotmail.com

Stefanny Alexandra Bonilla García

alexabon24@hotmail.com




Resumen: en la práctica se realizo la síntesis del complejo cis-Cu(C2H5NO2)2.H2O, mediante el método de isomerización a través de un proceso intermolecular catalizado por glicina, posteriormente se sintetiza el isómero trans por control termodinámico del primer complejo sintetizado, obteniendo un porcentaje de rendimiento de 55.68% para el isómero cis y de un 82% para el isómero trans. Los complejos   fueron analizados por espectroscopia Infrarroja (IR) donde se analizan las vibraciones de las tensiones y flexiones de la moléculas en un número de onda máxima para donde se observa una diferencia en las bandas en el rango de 330 y 380 cm-1.

Palabras clave: control cinético y termodinámico, glicina, isómeros geométricos, ligando bidentado.

OBJETIVOS:

  • Sintetizar el isómero cis del cobre con glicina.

  • Convertir el isómero cis del cobre con glicina a el isómero trans del cobre con glicina.

  • identificar los isómeros geométricos del Cu(C2H5NO2)2.H2O por su estabilidad y por el método (IR)

  • Reconocer las bandas características de cada isómero geométrico en el espectro infrarrojo (IR)

DATOS CALCULOS Y RESULTADOS

En la tabla 1 se muestran los datos de la masa de los reactivos usados y los productos sintetizados.

Tabla 1. Masa de reactivos y productos sintetizados.

Sustancia

Masa (g)

Cu(CH3COOH)2.H2O

0,1011

C2H5NO2

0,0754

Isómero cis

0,0642

Isómero trans

0,0315

La reacción 1 y 2 permite calcular la masa del isómero sintetizado a partir del reactivo limitante así:

(1)



(2)



La reacción es favorecida hacia el isómero cis por la cinética de la reacción.

Calculo del reactivo límite:







Se pesaron 0.1011g de por ello el reactivo límite es la glicina.

Rendimiento teórico:







% De rendimiento isómero cis:



Del isómero cis se toman 0.0384 g para realizar la síntesis del isómero trans, como solo se trata de un reacomodo en la estructura del complejo se puede concluir como rendimiento teórico el 100 % es decir los 0.0384 g del compuesto cis se convierten en trans

% De rendimiento isómero trans:



Los anexos 1 y 2 muestran el análisis de los isómeros por el método de espectroscopia y en las tablas 2 y 3 se muestran los enlaces formados en los isómeros cis y trans.1,2
Tabla 2. Datos espectro infrarrojo (isómero cis)

Numero de onda cm-1

Grupo correspondiente

3333.98

Aminas primarias (N-H)

Entre 3000 y 3300

N-H

2925.13

O-H

1678.34

C=O Acido carboxílico insaturado

Entre 1420 y 1610

C=C

1389.38

N-O débil

1322.01

C-H fuerte

Entre 1200 y 1050

C-O

1035.54

C-H

920.29

C=CH2 monosustituido

746.97

C-H benceno monosustituido fuerte

672.87

=C-H alqueno cis-disustituido

559.80

C-C

Entre 330 Y 380

O-O

Entre 200 y 300

(O-C=O), (CC)


Tabla 3. Datos espectro infrarrojo (isómero trans)

Numero de onda cm-1

Grupo correspondiente

3333.74

Aminas primarias (N-H)

Entre 3000 y 3300

N-H

Entre 2925 y 2955

O-H

1677.06

C=O Acido carboxílico insaturado

Entre 1420 y 1610

C=C

1389.86

N-O débil

1322.61

C-H fuerte

Entre 1200 y 1050

C-O

1035.91

C-H

920.14

C=CH2 monosustituido

745.73

C-H benceno monosustituido fuerte

672.71

=C-H alqueno cis-disustituido

560.29

C-C

332.39

O-O

Entre 200 y 300

(O-C=O), (CC)

ANALISIS DE RESULTADOS

Se denominan isómeros a las moléculas o iones que poseen la misma composición química pero difieren en su estructura, por tanto, difieren en sus propiedades químicas; Por ejemplo, el alcohol etílico  o etanol y el éter dimetílico son isómeros cuya fórmula molecular es C2H6O. Generalmente, esta diferencia de estructura se mantiene aun en disolución. Los isómeros no son meramente diferentes formas cristalinas de la misma sustancia. Los complejos metálicos presentas diversos tipos de isomería siendo los más importantes los geométricos y los ópticos.3

Los enlaces covalentes de los distintos elementos están orientados espacialmente en direcciones características, cualquier molécula en la que haya una secuencia de tres átomos tendrá un determinado ángulo de enlace asociado al átomo central de la secuencia. Los ángulos de enlace no son del todo invariables, sino que pueden sufrir ligeras deformaciones según varíen los requerimientos espaciales de los sustituyentes unidos al átomo central.4

Hay varios tipos de isomería presente en compuestos inorgánicos, sobre todo en complejos de coordinación, pero este fenómeno no es tan importante como en química orgánica; los tipos de isomería que se presentan son:

  • Isomería estructural o topológica: Los átomos se unen de modo diferente, como en el S2F2, de los que existe una molécula en forma de cadena y otra en forma de pirámide triangular. Un caso especial es la tautomería, en la que un átomo de H cambia de posición.5

  • Isomería conformacional: Se presenta en compuestos con enlace sencillo como P2H4 o el ion ditionito, S2O42-, donde existen formas eclipsadas, escalonadas y sinclinal (gauche).5

  • Isomería cis-trans (geométrica): Aparece en compuestos como el ácido nitroso, HNO2, o en complejos de coordinación plano-cuadrados como [PtCl2(NH3)2] y [CU(C2H5NO2)2.H2O].5

  • Isomería de posición, como en algunos heterociclos de azufre y nitrógeno. En el S6(NH)2 se mantiene el anillo octogonal del azufre pero dos átomos de azufre han sido sustituidos por grupos NH que pueden estar en posición 1,2; 1,3; 1,4 y 1,5.5

  • Isomería óptica: también aparece en compuestos de coordinación de estructura tetraédrica con sustituyentes diferentes.5

  • Isomería de ionización: Se intercambian un ligando del catión con uno delos aniones que lo neutralizan como ocurre entre [CrSO4(NH3)5]Cl y [CrCl(NH3)5]SO4.5

  • Isomería de coordinación: Si ambos iones son complejos, podemos intercambiar sus ligandos y obtendremos isómeros diferentes, como ocurre entre [Co(NH3)6][Cr(CN)6] y el [Cr(NH3)6][Co(CN)6]. 5


En la síntesis del isómero parte de la sal de acetato de cobre (II) monohidratado se disuelven en agua quedando los iones de Cu+2 y dos moléculas de su ion CH3COO- y la glicina en solución pierde el hidrogeno proveniente de su grupo alcohólico debido a que este en solución acuosa es bastante ácido por los dos átomos que son oxígeno son electronegativos y tienden a atraer a los electrones del átomo de hidrógeno del grupo hidroxilo con lo que se debilita el enlace, produciéndose una ruptura cediendo el correspondiente protón o hidrón, H+, y quedando el resto de la molécula con carga -1 debido al electrón que ha perdido el átomo de hidrógeno, por lo que la molécula queda como H2NCH2COO-.6

La glicina es un aminoácido es decir contiene un grupo amino (H2N-R) que se comporta como una base y un grupo carboxilo se comporta como un ácido y forma un ión o Zwitterión es decir existe como una molécula ionizada o ion dipolo, debido a que el grupo amino gana un protón y adquiere una carga positiva, y el grupo carboxilo pierde un protón y adquiere una carga negativa.6 Lo anterior confirma el comportamiento ácido base de la glicina.

.

Figura 1. Zwitterión proveniente de la glicina

Después de esta transformación el ligando rodea los iones Cu+2 y dona los pares de electrones que tiene el oxígeno y el nitrógeno disponibles. Dado que puede formar dos enlaces M-L la glicina se considera un ligando bidentado formando un complejo que presenta una gran estabilidad y los cuales presentan isomería cis-trans: 7



Figura 1. Isómeros de Cu(C2H5NO2)2.H2O

La geometría del compuesto es cuadrado plana y gracias a la ausencia de simetría del ligando glicina, pueden existir los dos isómeros geométricos cis y trans, donde el primero se encuentra favorecido por la cinética de la reacción esto quiere decir que si se controla la temperatura será favorecido en su formación en comparación al isómero trans, esto es porque el isómero cis está favorecido por el traslape de orbitales en el estado de transición mientras que el trans es más estable en virtud a un menor grado de congestión estérica; de modo que si se controla la cinética de la reacción el isómero cis puede precipitarse.7

La diferenciación de estos dos isómeros se realiza mediante un espectro infrarrojo donde el cis presenta un par de bandas entre 430 a 500 cm-1, producto de la vibración simétrica y antisimétrica del enlace Cu-N. El isómero trans solo tiene una vibración antisimétrica de este enlace en este rango específico. Además, hay otro tipo de bandas que se presentan como vibraciones de flexión simétricas C=O en amidas (O=C-N) a aproximadamente 1600 cm-1 y como un enlace simple C-O en la huella dactilar, las cuales hacen referencia a la parte organometalica de estos compuestos.8 sin embargo en el espectro no se pudo observar las dos vibraciones en el rango debido a que no se detecto nada en el rango esto pudo ser posible a que no se especifico el rango para las vibraciones metal-Oxigeno, o a que el instrumento no capto las vibraciones cubre-oxigeno.

En las tablas 2 y 3 se observa que las vibraciones en el rango de 4000 a 500 cm-1 se comportan de manera muy similar de tal modo que presenta las mismas vibraciones en la zona orgánica, aunque los valores no sean exactamente los mismos son muy cercanos entre si, su variación puede ser debido a la incertidumbre del instrumento o en algún error en la técnica o incluso a la hora de eliminar el ruido y las interferencias en la medición por el infrarrojo.

En la zona inorgánica correspondiente al rango de 500 a 240 cm-1 si se observan variaciones en las vibraciones O-O debido a que en el isómero cis se observan dos vibraciones altas o-o entre los rangos 330-380 estas vibraciones se deben a la repulsión O-O eso porque el isómero cis tiene repulsión electrónica en el enlace cu-o bebido a que los ligantes de referencia se encuentran situados en posiciones adyacentes por lo que ambos oxígenos se repelen al tener pi electrones por lo que esas cargas se repelen entre entre ellas a diferencia del isómero trans que solo presenta un pico entre las vibraciones O-O ya que este tiene los ligantes en posición opuesta por lo que no hay tanta repulsión entre ellos y es mas estable termodinámicamente al igual que presenta menos vibraciones en este rango.
En el rango de 320 a 240 se observan menos vibraciones en el espectro del isómero trans que en el cis esto quiere decir que al ser mas estable estéricamente presenta menos repulsiones O-C=O y C-C es por ello que se ven menos picos en este rango para el trans que para el cis de esta forma también se pudo diferenciar el compuesto cis del trans a pesar de que no se pudo ver el la diferenciación en los picos de las vibraciones Cu-O.
En el espectro de IR se observan los diferentes enlaces presentes en el complejo analizado, como son el enlace N-H correspondiente al grupo amino presente en la glicina Se muestran también los enlaces O-H que demuestran la presencia de grupos acuo y deben provenir del peróxido agregado. Enlaces C-C y C-O que posiblemente podrían provenir del lavado que se realizó con etanol, se observa enlaces C-H benceno monosustituido debido a que el compuesto tiene una forma cíclica, también se observa enlaces C=O Acido carboxílico provenientes del grupo carbonilo de la glicina .
Estos fueron los primeros isómeros geométricos descubiertos para un complejo de cobre(II) con aminoácidos, para la conversión del cis al trans el cual es más estable termodinámicamente lo que quiere decir que el isómero trans es una configuración con menor energía que el cis a temperatura ambiente y se ve favorecido en la reacción por la energía de activación; se llevo a cabo, disolviendo el compuesto cis en una mezcla de agua y glicina calentándose durante un tiempo para que la molécula se reacomode, la glicina es un ligando bidentado débil y con el cobre con estado de oxidación 2+, forman un complejo neutro con un número de coordinación 4 y con 9 electrones en el orbital d, dando una geometría cuadrado plano en el isómero trans y tetraédrica en el cis. En general, el color de los complejos depende del metal, en este caso el cobre, su estado de oxidación y los ligandos unidos a éste. Casi todos los iones de metales de transición tienen una subcapa d parcialmente llena.7

Este desdoblamiento de orbitales en función de la interacción con ligandos y la presencia de grupos con pares de electrones solitarios (saltos electrónicos) permiten la aparición de color a través de la absorción de energía luminosa en el espectro visible. Al realizar la teoría de campo cristalino para los dos compuestos, se obtiene una configuración para el trans (eg6t2g3) y para el cis (t2g4eg5) y una E.E.C.C (energía de estabilización de campo cristalino), para el cis de 4dq y para el trans de 6dq, mostrando para el trans una mayor energía de estabilización, donde se evidencia que los complejos trans son más estables que los cis, el trans posee una menor energía de absorción que el cis reflejando así un color azul más intenso y brillante.7

Para el caso del isómero cis por su geometría espacial se obtiene un grupo puntual C2v, el cual posee como operaciones de simetría: E (identidad), C2 (rotaciones en torno a un eje), σv(xz) (reflexión en el plano vertical xz) y σv(yz) (reflexión en el plano vertical yz). Por otro lado el isómero trans-[Cu(gly)2].H2O presenta un grupo puntual D4h con operaciones de simetría: E, C4, C2, C43, i (inversión en el centro), S43 (rotación en torno a un eje y reflexión en un plano perpendicular), σh (reflexión en un plano horizontal), S4.7

El rendimiento del compuesto para el isómero cis fue de 55.68% relativamente bajo debido a se perdió parte del compuesto en los lavados y que en el proceso de cristalización se necesito un poco mas de tiempo y pues no se vio favorecido además también se observo que como el precipitado era muy pequeño se pasaba con el filtrado al hacer los lavados y en el isómero cis.

El rendimiento para el isómero trans fue del 82.03 %el cual se considera muy bueno debido a que no era una reacción como tal sino un reacomodo en la estructura del compuesto por lo que no se esperaba una gran perdida sin embargo la perdida del compuesto se debido que en el proceso de cristalización le falto mas tiempo y a que se perdió parte del compuesto en el filtrado del compuesto y en los lavados que se realizaron.
CONCLUSIONES

  1. Se comprendió que los isómeros geométricos, poseen una disposición espacial distinta y se corroboro que cada uno de ellos posee unas características físicas diferentes, como el color y su estabilidad.

  2. Es posible evidenciar diferencias entre los isómeros geométricos mediante la caracterización y comparación de sus espectros IR.

  3. Los isómeros que tienen distribución espacial trans son más estables debido a que las repulsiones electrónicas entre los átomos ligantes son menores.

  4. Se puede favorecer la formación de un determinado isómero ya sea por control cinético (concentración) o por control termodinámico (temperatura).


BIBLIOGRAFIA

  1. Práctica I taller de espectroscopia. http://organica1.org/lab2/21.htm. Consultado el 2 de junio de 2012.

  2. Hernandez L.Tablas para la interpretación básica de espectros en la región infrarroja. http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/me_estructurales_tabla_IR_19563.pdf.Consultado el 2 de junio de 2012.

  3. SHRIVER D.F; ATKINS P.W; LANGFORD C.H. Química Inorgánica, 2ª Ed, Barcelona: Editorial Reverte, julio del 2004, p. 711 – 716.

  4. Basolo F. y Jhonson R. Quimica de los compuestos de coordinación. La química de los complejos metálicos.. USA: Editorial Reverte S.A. 1964. p 60-71.

  5. Moeller, T. Química inorgánica., España: Editorial Reverté. 1988. P 391-492.

  6. NAKAMOTO k. Infrared and Raman Spectra of Inorganic and Coordination Compounds Part B. 2ª Ed, New York: John Wiley & sons. 1970, p 1 - 11.

  7. BASOLO, F., PEARSON, R. Mechanisms of inorganic reactions: study of metal complexes in solution. 2ª Ed. New York: John wiley & sons, INC. 1967, p 243.

  8. Skoog and West. Química Analítica. 7ª Ed. México: Editorial McGraw-HILL. 2001. P 259-273; 371-377.



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