Ante tablas de datos de IR, RMN, EM y UV-Vis, la estrategia es empezar por la fórmula molecular y calcular los grados de insaturación (DBE / índice de deficiencia de hidrógeno): DBE = (2C + 2 + N − H − X) / 2, donde X son los halógenos y el oxígeno no interviene. El valor cuenta anillos más enlaces π y orienta si buscamos aromáticos, carbonilos o insaturaciones antes de asignar la estructura por nomenclatura IUPAC o fórmula (estilo Pretsch/Shriner).
El IR identifica grupos funcionales por número de onda. Bandas diagnósticas:
La RMN de ¹H se mide en ppm frente al TMS (δ = 0). Franjas típicas: alifáticos ~0.9-1.7; α a carbonilo ~2.1-2.6; O-CH ~3.3-4.5; vinílicos ~4.5-6.5; aromáticos ~6.5-8.5; aldehído ~9.5-10.0; ácido carboxílico ~10-13 ppm. La multiplicidad sigue la regla n+1 (picos = n+1, con n = protones vecinos equivalentes) y la integración es proporcional al número de protones; J (Hz) informa sobre la relación entre vecinos. La RMN de ¹³C revela tipos de carbono: C=O de cetona/aldehído ~190-220; C=O de ácido/éster/amida ~160-185; aromáticos/alquenos ~100-150; C-O ~50-90; alifáticos ~0-50 ppm; el número de señales indica carbonos no equivalentes.
En EM, el ion molecular (M⁺) da la masa: por la regla del nitrógeno, un número impar de N implica masa nominal impar. Los patrones M/M+2 delatan halógenos (Cl ~3:1; Br ~1:1). Pérdidas neutras clave: M−15 (CH₃), M−17 (OH), M−18 (H₂O), M−29 (CHO o C₂H₅), M−31 (OCH₃), M−45 (COOH); el reordenamiento de McLafferty (H en γ, estado de transición de 6 miembros) es diagnóstico de carbonilos. En UV-Vis, A = ε·b·c (Beer-Lambert); a mayor conjugación, desplazamiento batocrómico (mayor λmax), estimable con Woodward-Fieser. Integrar todas las técnicas confirma la propuesta estructural.
1. En un espectro de infrarrojo, ¿en qué región de número de onda aparece típicamente la banda de tensión del grupo carbonilo (C=O), característica de aldehídos, cetonas, ésteres, ácidos carboxílicos y amidas?
La tensión C=O de compuestos carbonílicos se ubica en la región diagnóstica de 1630-1810 cm⁻¹; las demás opciones corresponden a O-H de ácido, O-H de alcohol y triple enlace, respectivamente. (Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan, Introduction to Spectroscopy, 5a ed., Cengage, cap. 2, tabla de correlación IR de C=O)
2. Un compuesto desconocido presenta en su espectro de IR una banda de carbonilo intensa alrededor de 1650 cm⁻¹, claramente más baja que la banda típica de una cetona alifática (~1715 cm⁻¹). ¿Qué grupo funcional es más consistente con este desplazamiento?
La banda C=O de las amidas aparece cerca de 1650 cm⁻¹ por la deslocalización del par libre del nitrógeno hacia el carbonilo, mientras que ésteres, cetonas y ácidos absorben a números de onda más altos. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., cap. 2, tabla de correlación IR de C=O)
3. El espectro de IR de un compuesto muestra una banda de carbonilo en 1725 cm⁻¹ acompañada de dos bandas débiles adicionales en 2720 y 2820 cm⁻¹ (doblete de Fermi). ¿Qué grupo funcional indican en conjunto estas señales?
El doblete de Fermi del C-H (~2720 y 2820 cm⁻¹) junto con el C=O ~1725 cm⁻¹ es diagnóstico de aldehído; una cetona da un C=O similar pero carece de esas bandas de C-H. (Silverstein, Webster, Kiemle, Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (doblete de Fermi del aldehído))
4. Un espectro de IR muestra una banda ancha e intensa entre 2500 y 3300 cm⁻¹, notablemente más ancha y desplazada a menor número de onda que la señal típica de un alcohol (3200-3550 cm⁻¹). ¿Qué grupo funcional explica mejor esta banda?
La O-H del ácido carboxílico se dimeriza por puente de hidrógeno y produce una banda muy ancha entre 2500 y 3300 cm⁻¹, distinta de la O-H de alcoholes o fenoles. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley, tablas de absorción IR de grupos O-H)
5. En el IR de una amina, la región N-H (3300-3500 cm⁻¹) muestra dos bandas de absorción bien definidas por acoplamiento simétrico y asimétrico. ¿Qué tipo de amina es más probable?
Las aminas primarias tienen dos hidrógenos sobre el nitrógeno y muestran dos bandas N-H; las secundarias dan una sola banda y las terciarias ninguna. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., sección de aminas y amidas)
6. ¿En qué intervalo de número de onda se observa la banda de tensión característica de un nitrilo (C≡N) en el espectro de IR?
El triple enlace C≡N del nitrilo absorbe entre 2210 y 2260 cm⁻¹; las otras regiones corresponden a C=O, O-H y grupo nitro, respectivamente. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (región de triple enlace))
7. Un espectro de IR presenta dos bandas fuertes en 1550 y 1350 cm⁻¹, sin ninguna banda adicional en la región de carbonilo (1630-1810 cm⁻¹). ¿Qué grupo funcional explica mejor estas dos señales?
El grupo nitro (NO2) produce dos bandas por tensión asimétrica y simétrica del N=O, cerca de 1500-1570 y 1300-1370 cm⁻¹, sin requerir un carbonilo. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de compuestos nitro)
8. Un químico compara dos espectros de IR de compuestos carbonílicos simples de cadena abierta, sin conjugación adicional: el compuesto A muestra C=O en 1740 cm⁻¹ y el compuesto B en 1715 cm⁻¹. ¿Cuál es la asignación más probable?
Los ésteres absorben más alto (1735-1750 cm⁻¹) que las cetonas (~1715 cm⁻¹), por lo que 1740 cm⁻¹ corresponde a un éster y 1715 cm⁻¹ a una cetona. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de correlación IR de C=O)
9. ¿Cuál de los siguientes grupos funcionales NO produce una banda de absorción en la región de 1630-1810 cm⁻¹ del espectro de IR?
El alcohol no posee grupo carbonilo, por lo que no absorbe en 1630-1810 cm⁻¹; cetonas, ésteres y amidas sí tienen C=O en esa región. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de correlación IR de C=O)
10. El espectro de IR de un compuesto desconocido muestra una banda ancha e intensa entre 2500 y 3300 cm⁻¹, una banda fuerte en 1710 cm⁻¹, y ausencia de bandas en 3200-3550 cm⁻¹ asignables a O-H no asociado a carbonilo. ¿Qué grupo funcional es más consistente con este conjunto de datos?
La combinación de O-H muy ancha (2500-3300 cm⁻¹) y C=O en 1710 cm⁻¹ es característica del ácido carboxílico; un alcohol carece de C=O y un éster o amida no producen esa O-H tan ancha. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley; Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed.)
11. Un aldehído alifático presenta, además de su banda de carbonilo, dos bandas débiles adicionales de tensión C-H. ¿En qué región de número de onda se localizan típicamente estas bandas?
El doblete de Fermi del C-H del grupo CHO aparece cerca de 2720 y 2820 cm⁻¹, distinto de las regiones de O-H de ácido, O-H de alcohol y triple enlace. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (doblete de Fermi del aldehído))
12. En el espectro de IR de una amida secundaria (R-CO-NH-R'), ¿cuántas bandas de absorción se esperan en la región N-H (3300-3500 cm⁻¹)?
Las amidas secundarias tienen un solo hidrógeno sobre el nitrógeno y muestran una única banda N-H, a diferencia de las primarias (dos bandas) o las terciarias (ninguna). (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., sección de aminas y amidas)
13. ¿Cuál es la fórmula correcta para calcular el índice de deficiencia de hidrógeno (grados de insaturación, DBE) de un compuesto con carbono (C), hidrógeno (H), nitrógeno (N) y halógenos (X), sin considerar el oxígeno?
El nitrógeno se suma y el hidrógeno y los halógenos se restan, dividiendo el total entre 2; el oxígeno no aparece en la fórmula. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
14. Un compuesto tiene la fórmula molecular C6H6. ¿Cuántos grados de insaturación (DBE) le corresponden?
DBE = (2(6)+2-6)/2 = 4, congruente con el anillo aromático del benceno; 3 resulta de omitir el término +2 y 8 de no dividir entre 2. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
15. Una amida de fórmula molecular C3H7NO se analiza por espectrometría de masas. ¿Cuántos grados de insaturación tiene este compuesto según su fórmula molecular?
DBE = (2(3)+2+1-7)/2 = 1, consistente con el único C=O de la amida; los demás valores surgen de omitir el +2 o invertir el signo del hidrógeno. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
16. El cloruro de vinilo tiene fórmula molecular C2H3Cl. Aplicando la fórmula del índice de deficiencia de hidrógeno, ¿cuántos grados de insaturación posee?
DBE = (2(2)+2-3-1)/2 = 1, correspondiente al doble enlace C=C; el valor 0 resulta de omitir el término +2. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
17. Un compuesto sintetizado en el laboratorio tiene fórmula molecular C9H10ClNO2, determinada por espectrometría de masas de alta resolución. ¿Cuántos grados de insaturación (DBE) corresponden a esta fórmula?
DBE = (2(9)+2+1-10-1)/2 = 5; el valor 4 resulta de restar el nitrógeno en lugar de sumarlo, 6 de sumar el halógeno en lugar de restarlo y 10 de no dividir entre 2. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
18. Un compuesto de fórmula molecular C5H12O no muestra en su espectro de IR ninguna banda en la región de 1630-1810 cm⁻¹ ni en la de 2100-2260 cm⁻¹. Al calcular su índice de deficiencia de hidrógeno, ¿qué tipo de estructura es consistente con estos datos?
DBE = (2(5)+2-12)/2 = 0, congruente con la ausencia de bandas de C=O y de triple enlace en el IR, es decir, una cadena acíclica saturada. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley; Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed.)
19. Al calcular el índice de deficiencia de hidrógeno de un compuesto se obtiene un valor de 1. ¿Cuál de las siguientes estructuras es consistente con este resultado?
Un DBE de 1 equivale a una sola insaturación (un anillo o un doble enlace); un triple enlace vale 2 y un anillo aromático vale 4. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
20. Un compuesto tiene fórmula molecular C6H12O2 y corresponde a un éster saturado de cadena abierta. Al calcular su índice de deficiencia de hidrógeno, ¿qué valor se obtiene?
DBE = (2(6)+2-12)/2 = 1, ya que el oxígeno no entra en la fórmula; tratarlo erróneamente como si restara igual que un halógeno da 0. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
21. Calcule el índice de deficiencia de hidrógeno del compuesto de fórmula molecular C4H8.
DBE = (2(4)+2-8)/2 = 1, correspondiente a un doble enlace o un anillo; 0 resulta de omitir el +2 y 2 de no dividir entre 2. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
22. El espectro de masas de un compuesto aromático muestra un ion molecular en m/z = 123, congruente con la regla del nitrógeno para la fórmula molecular C6H5NO2. ¿Cuántos grados de insaturación corresponden a esta fórmula?
DBE = (2(6)+2+1-5)/2 = 5, que corresponde al anillo aromático (4) más el doble enlace N=O del grupo nitro (1); el valor 4 considera solo el anillo aromático y omite la insaturación del grupo nitro. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno y regla del nitrógeno))
23. Al aplicar la fórmula del índice de deficiencia de hidrógeno a una fórmula molecular propuesta, un analista obtiene un valor de 3.5. ¿Qué debe concluir de este resultado?
El DBE siempre debe ser un número entero, ya que cuenta anillos y enlaces pi completos; un resultado fraccionario indica un error en la fórmula molecular propuesta, no una estructura real. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (índice de deficiencia de hidrógeno))
24. Un compuesto de fórmula molecular C7H6O2 muestra en su IR una banda ancha entre 2500 y 3300 cm⁻¹ y una banda fuerte en 1690 cm⁻¹, sin otras señales de carbonilo. ¿Qué valor de DBE corresponde a esta fórmula y con qué estructura es congruente?
DBE = (2(7)+2-6)/2 = 5, que coincide con un anillo aromático (4) más un carbonilo de ácido (1), como en el ácido benzoico; la O-H ancha y el C=O algo bajo (1690 cm⁻¹) por conjugación aromática apoyan un ácido carboxílico aromático. (Silverstein et al., Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley; Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed. (efecto de conjugación en C=O))
25. En un espectro de RMN de ¹H, ¿qué compuesto se utiliza como referencia interna para definir el cero de la escala de desplazamiento químico (δ)?
El TMS se fija por convención en δ = 0 ppm porque sus protones están muy blindados y dan una señal única e intensa; el CDCl3 es el disolvente deuterado, no la referencia de desplazamiento. (Silverstein, Webster, Kiemle, Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley (referencia interna TMS).)
26. Un químico observa en el espectro de RMN de ¹H una señal aislada entre 9.5 y 10.0 ppm, sin acoplamiento visible con protones aromáticos cercanos. ¿A qué tipo de protón corresponde con mayor probabilidad esta señal?
La región 9.5-10.0 ppm es característica del protón de aldehído según la tabla de desplazamientos de ¹H; los protones aromáticos y vinílicos aparecen en regiones más bajas. (Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan, Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de desplazamientos químicos de ¹H.)
27. En el espectro de RMN de ¹H de un producto de síntesis se observan dos señales, ambas con integración de 2H: una a 2.3 ppm y otra a 4.1 ppm. Según las regiones típicas de desplazamiento químico, ¿qué asignación es la más consistente?
Los protones alfa a carbonilo caen en ~2.1-2.6 ppm y los O-CH en ~3.3-4.5 ppm, por lo que esta asignación coincide con las tablas de referencia; las demás combinaciones invierten o desplazan los entornos. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de desplazamientos químicos de ¹H.)
28. De acuerdo con la regla de multiplicidad n+1 en RMN de ¹H, si un protón tiene tres protones vecinos equivalentes que no son químicamente idénticos a él, ¿en cuántas líneas se divide su señal?
La regla n+1 indica que el número de picos es igual al número de protones vecinos equivalentes más uno; con n=3 se obtiene un cuadruplete. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed. (regla n+1).)
29. En el espectro de RMN de ¹H de un compuesto con 10 protones totales, se observan dos señales cuya integración relativa es 3:2. ¿Cuántos protones corresponden a cada señal?
La razón 3:2 se escala al total de protones (10H): (3/5)×10=6 y (2/5)×10=4; la integración es proporcional al número de protones que originan cada señal, no un valor absoluto. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed. (regla n+1 e integración).)
30. En el espectro de RMN de ¹H de un compuesto vinílico disustituido, la señal Ha aparece como un doblete con una constante de acoplamiento de 15.8 Hz, y se sospecha que está acoplada con la señal Hb, también un doblete. ¿Qué valor de constante de acoplamiento debe mostrar Hb para confirmar que ambos protones están mutuamente acoplados?
Dos protones mutuamente acoplados deben mostrar exactamente la misma constante J en Hz, independientemente del campo del espectrómetro; valores como la mitad o el doble sugieren que las señales no están acopladas entre sí. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed. (concepto de constante de acoplamiento J).)
31. Un analista debe distinguir entre un alqueno y un anillo aromático monosustituido en un producto desconocido usando solo el espectro de RMN de ¹H. ¿En qué intervalo de desplazamiento químico debe buscar las señales para asignarlas de forma más confiable a protones aromáticos y no a protones vinílicos?
Los protones aromáticos resuenan típicamente entre 6.5 y 8.5 ppm, mientras que los vinílicos caen en 4.5-6.5 ppm; esta diferencia permite distinguir ambos entornos. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., tabla de desplazamientos químicos de ¹H.)
32. En un espectro de IR se observa una banda intensa de tensión C=O en 1715 cm⁻¹, sin bandas anchas de O-H ni N-H acompañantes. ¿Qué grupo carbonílico es el más consistente con esta banda?
La tensión C=O de cetonas aparece típicamente cerca de 1715 cm⁻¹, mientras que ésteres, ácidos y amidas se desplazan a números de onda distintos y suelen mostrar bandas O-H o N-H asociadas. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., cap. 2 (tablas de correlación IR de C=O).)
33. Un espectro de IR muestra una banda C=O en 1740 cm⁻¹ y ausencia de banda ancha entre 2500 y 3300 cm⁻¹. En el espectro de RMN de ¹H no hay señal entre 10 y 13 ppm. ¿Qué grupo funcional es el más probable?
La banda C=O cercana a 1735-1750 cm⁻¹, junto con la ausencia de la banda ancha O-H (2500-3300 cm⁻¹) y de la señal de ¹H entre 10-13 ppm, descarta al ácido carboxílico y apunta a un éster. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., cap. 2; Silverstein et al., tablas de absorción IR de O-H.)
34. ¿Cuál es la principal diferencia en IR entre la banda de tensión O-H de un alcohol y la de un ácido carboxílico?
El ácido carboxílico forma dímeros por puente de hidrógeno intermolecular fuerte, lo que ensancha y extiende su banda O-H hacia 2500-3300 cm⁻¹, en contraste con la banda más estrecha del alcohol (3200-3550 cm⁻¹). (Silverstein, Webster, Kiemle, Spectrometric Identification of Organic Compounds, Wiley, tablas de absorción IR de grupos O-H.)
35. Un químico analiza el IR de una amina desconocida y observa dos bandas de tensión N-H entre 3300 y 3500 cm⁻¹. ¿Qué tipo de amina es la más consistente con esta observación?
Las aminas primarias muestran dos bandas de tensión N-H por el acoplamiento simétrico y asimétrico de los dos hidrógenos del grupo NH2; las secundarias muestran solo una banda y las terciarias carecen de N-H. (Pavia et al., Introduction to Spectroscopy, 5a ed., sección de aminas y amidas.)