Analisis del DMSO mediante espectroscopa Raman

Miguel Angel Cadena Negrete

26 de julio de 2013

Resumen

El analisis mediante espectroscopa Raman es una tecnica fotonica de alta resolucion que nos proporcionaen pocos segundos informacion qumica y estructural de casi cualquier material o compuesto organico oinorganico permitiendo as su identificacion. Se basa en el examen de la luz dispersada por un materialal incidir sobre el haz de luz monocromatico. Se obtuvo el espectro Raman de una muestra de dimetilsulfoxido, y se analizaron las bandas correspondientes a los distintos modos vibracionales y rotacionalesdel compuesto. Los principales modos de vibracion, encontrados en el espectro Raman obtenido, son losmodos de estiramiento simetrico y antisimetrico del CH3, el modo de estiramiento del SO y los modos deestiramiento de CS.

1. Espectroscopa Raman

El fenomeno conocido como efecto Raman fue descrito por el fsico indio Chandrasekhara Venkata Raman enel ano 1928. Sus estudios sobre este fenomeno se inspiraron en los trabajos realizados anteriormente por Rayleigh,quien estudio fenomenos de dispersion luz en el caso en que las partculas responsables de la dispersion son muchomas pequenas que la longitud de onda de la radiacion. A este fenomeno se le conoce actualmente con el nombrede dispersion de Rayleigh; se tiene que cualquier molecula que se encuentra dispersando luz, primero la absorbe,quedando polarizada en la misma direccion que tena la luz absorbida, y luego remite la luz. La dispersionde Rayleigh esta acompanada acompanada de procesos mas debiles, a saber, la dispersiones de Raman y deBrilllouin. La dispersion de Brillouin involucra la transferencia de energa hacia modos acusticos de vibracion enla estructura del material iluminado. Nos interesa la dispersion de Raman, que involucra excitaciones electronicasde atomos; o excitaciones vibracionales y rotacionales de moleculas; o excitacion de estructuras mas complejas.[4]

Figura 1. Diagrama de niveles de energa de las transiciones de Rayleigh(sintransicion), Stokes y Antistokes.

La tecnica de espectroscopia Raman esta basada en hacer incidir un haz de luz monocromatica de frecuencia0 sobre una muestra cuyas caractersticas moleculares se desean determinar, y analizar la luz dispersada pordicha muestra. La gran parte de la luz dispersada presenta la misma frecuencia que la luz incidente, debido a ladispersion de Rayleigh, y no aporta ninguna informacion sobre la composicion qumica de la muestra. El resto dela luz dispersada presenta un cambio en la frecuencia, debido a la dispersion de Raman, y es la que proporcionala informacion sobre la composicion molecular de la muestra. En general se tiene dos nuevas frecuencias +R yR (frecuencias Raman), caractersticas de la composicion qumica de la muestra.

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Los cambios observados en la frecuencia, al ocurrir la dispersion de Raman, son equivalentes a transicionesenergeticas, es decir, se tiene que E = h, donde E es el cambio de energa y es el cambio en lafrecuencia. Las transiciones involucradas en la dispersion de Raman se pueden apreciar esquematicamente enla Figura 1. Un foton absorbido por una molecula es elevado a un estado transitorio de mayor energa, y unsegundo foton es emitido inmediatamente llevando a la molecula a un estado energetico diferente del inicial;estos dos estados corresponden a diferentes energas de vibracion (o rotacion). Si el segundo foton tiene unaenerga menor (frecuencia 0R) que la del foton incidente, entonces se trata de una transicion de tipo Stokes,por el contrario, si el segundo foton tiene una energa mayor (frecuencia 0 + R), se dice que se tiene unatransicion de tipo Anti-Stokes. Es comun referirse a la dispersion de Raman como una dispersion inelastica,pues hay transferencia de energa en la interaccion de la radiacion con materia, por otro lado a la dispersion seRayleigh se le de denomina de tipo elastico, pues no hay transferencia de energa.[4]

2. Analisis del espectro Raman del DMSO

2.1. Descripcion Experimental

La espectroscopa Raman es una tecnica de analisis que se realiza directamente sobre el material a analizarsin necesitar este de ningun tipo de preparacion especial y que no conlleva ninguna alteracion de la superficiesobre la que se realiza el analisis, es decir, es no-destructiva, por lo que fue suficiente colocar una pequenamuestra lquida a temperatura ambiente, contenida en un frasco de vidrio, de dimetil sulfoxido (DMSO). Elespectro Raman del DMSO se obtuvo utilizando un espectrometro Raman Dispersivo Nicolet Almega XR (verFigura 2), el cual se encuentra en las instalaciones del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnologicode la UNAM.

Figura 2. Espectrometro Raman Nicolet Almega XR.

El DMSO, cuya formula qumica es CH3SOCH3 (ver Figura 3), es un compuesto organico incoloro y unimportante solvente aprotico altamente polar; disuelve compuestos tanto polares como no polares, as comomuchos otros compuestos que son insolubles o otros lquidos. El DMSO es tambien un importante reactantey agente farmaceutico.[5] En la Figura 3 tambien se puede apreciar una representacion tridimensional de lamolecula de DMSO.

Figura 3. Molecula DMSO; izq. composicion qumica; der. visualizacion 3D de lamolecula.

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2.2. Resultados y Discusion

El espectro Raman, en la region entre 2700 y 3100 cm1 (ver Figura 4), presenta dos picos muy altos,estos corresponden a los modos de estiramiento simetrico y antisimetrico del CH3. El modo de estiramientosimetrico del CH3 esta situado en 2900 cm1, y el modo de estiramiento antisimetrico del CH3 esta situadoen 2992 cm1. La region entre 1030 y 1042 contiene al maximo de la banda, correspondiente al modo deestiramiento entre el enlace S=O.[5] Algunos grupos de investigacion han encontrado que la banda en la regionde estiramiento del SO (SO-stretching) del espectro del DMSO, corresponde a la superposicion de otros picos en1027, 1044, 1058 y 1072 cm1.[1, 6] Se observa tambien un pequeno pico, correspondiente al modo de vibracionde balanceo (rocking) del CH3, en 938 cm1. La banda en la region entre 600 y 710 cm1, tiene dos picosmuy juntos en 650 cm1 y 680 cm1, los cuales son los modos de estiramiento simetrico y antisimetricoque hay entre los enlaces CS.[6] La banda 1400 cm1 se le asocia a un modo de meneo (wagging) entre losenlaces de CH, y los picos que se aprecian en la region entre 290 y 390 cm1 se deben a modos rotacionalesdel DMSO, esta ultima region tambien se le asocia a vibraciones de los monomeros y dimeros del DMSO.[1, 3]

Figura 4. Espectro Raman del DMSO.

3. Conclusiones

La espectroscopa Raman al realizarse directamente sobre el material a analizar, y tiene ciertas ventajasfrente a otras tecnicas de caracterizacion qumica de compuestos, por ejemplo el no alterar de ninguna manerala muestra ni la superficie en que se realiza la espectroscopa. Ademas de que se pueden analizar materiales tantoen estado solido, lquido o gaseoso. Se trata de una de las tecnicas de analisis mas potentes en la actualidad,ya que se basa en estudiar las vibraciones moleculares, que estan presentes en cualquier material. As pues, sepuede analizar qumicamente un compuesto como el DMSO y conocer la forma en que los distintos atomos,unidos mediante enlaces qumicos en las moleculas del material, interactuan entre s, mediante estiramientos yvibraciones entre los enlaces qumicos.

Referencias

[1] Fawcett W. R. and Kloss A. A. Attenuated Total Reflection Fourier Ttransform Infrared SpectroscopicStudy of Dimethyl Sulfoxide Self-Association in Acetonitrile Solutions J. Phys. Chem 1996.

[2] Gomti D., Upadhyay G. and Singh R. K. Solvent dependent study of S=O stretching mode os Dimethylsulfoxide in liquid binary mixtures: A Raman spectroscopic study.

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[3] Hundspeth et. al. Teaching Raman Spectroscopy in Both the Undergraduate Classroom and the Labora-tory with a Portable Raman Instrument Spectroscopy Letters, 39: 99-115, 2006

[4] Kenyon Ian R. The Light Fantastic. A Modern Introduction to Classical and Quantum Optics. OxfordUniversity Press. pp. 298, 436-437.

[5] Ouyang S. L., Wu N. N., Sun C. L., Liu J. Y. and Gao S. Q. 2010 Chin. Phys. B 19 093103.

[6] Sastry M. I. S. and Singh S.. Can. J. Chem 63, 1351 (1985).

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