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Die Infrarot- oder IR-Spektroskopie ist eine Technik zur Charakterisierung kovalenter Bindungen.
Moleküle mit bestimmten Arten von kovalenten Bindungen können IR-Strahlung absorbieren, wodurch die Bindungen in Schwingung versetzt werden. Mit einem IR-Spektralphotometer kann gemessen werden, welche Frequenzen absorbiert werden. Dies wird im Allgemeinen durch ein Spektrum von Prozent IR-Strahlung dargestellt, die mit einer bestimmten Frequenz in Wellenzahlen durch die Probe durchgelassen wird. Bei dieser Art von Spektrum sind die Peaks invertiert, da sie eine Abnahme des durchgelassenen Lichts bei dieser Frequenz darstellen.
Die absorbierten Frequenzen hängen von der Identität und der elektronischen Umgebung der Bindungen ab, wodurch jedes Molekül ein charakteristisches Spektrum erhält. Jede Art von Bindung absorbiert jedoch IR-Strahlung innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs und hat eine gemeinsame Peakform und Absorptionsstärke. Peaks können daher bestimmten Bindungen zugeordnet werden, was die Identifizierung einer unbekannten Verbindung aus dem IR-Spektrum ermöglicht.
Dieses Video veranschaulicht die Charakterisierung einer unbekannten organischen Verbindung mit Hilfe der IR-Spektroskopie und stellt einige weitere Anwendungen der IR-Spektroskopie in der organischen Chemie vor.
Eine kovalente Bindung zwischen zwei Atomen kann als eine Feder modelliert werden, die zwei Körper mit den Massen m1 und m2 verbindet. Diese "Feder" hat eine Resonanzfrequenz, die in diesem Fall die Frequenz des Lichts ist, die dem Energiequantum entspricht, das benötigt wird, um eine Schwingung in der Bindung bei derselben Frequenz anzuregen, jedoch mit noch größerer Amplitude.
Die Resonanzfrequenz einer Bindung hängt von der Bindungsstärke und -länge, der Identität der beteiligten Atome und der Umgebung ab. Zum Beispiel schwingt eine konjugierte Bindung in einem anderen Frequenzbereich als eine nicht konjugierte Bindung.
Die Resonanzfrequenz hängt auch von der Schwingungsmode ab, also dem Schwingungsmuster der Atome innerhalb eines Moleküls. Die häufigsten Schwingungsmoden, die bei der IR-Spektroskopie beobachtet werden, sind Dehnung und Biegung. Lineare Moleküle haben 3N minus 5 Schwingungsmoden, wobei N die Anzahl der Atome ist, und nichtlineare Moleküle haben 3N minus 6 Schwingungsmoden.
Bei der IR-Spektrophotometrie wird in erster Linie eine Breitbandlichtquelle durch ein Interferometer auf die Probe gestrahlt, das alle bis auf wenige Wellenlängen des Lichts zu einem bestimmten Zeitpunkt blockiert. Ein IR-Detektor misst die Lichtintensitäten für jede Interferometereinstellung. Sobald die Daten über den gewünschten Frequenzbereich gesammelt wurden, werden sie durch Fourier-Transformation zu einem erkennbaren Spektrum verarbeitet.
Die Probe kann gasförmig, flüssig oder fest sein, je nach Konstruktion des Geräts. Bei einem Standarddetektor werden Gase und Flüssigkeiten in eine Zelle mit IR-transparenten Fenstern gegeben, und Feststoffe werden in Öl suspendiert oder mit Kaliumbromid zu einem transparenten Pellet gepresst. Das IR-Licht wird dann durch die Probe zum Detektor geleitet.
Eine alternative Methode für feste und flüssige Proben ist die abgeschwächte Gesamtreflexion (ATR). Bei diesem Verfahren wird die reine Probe mit einer Kristalloberfläche in Kontakt gebracht. Das IR-Licht wird dann von der Unterseite des Kristalls in einen Detektor reflektiert, wobei die absorbierten Frequenzen schwächer reflektieren. Die Probe muss nicht zuerst bearbeitet werden, da das Licht nicht durch sie hindurchdringt.
Nachdem Sie nun die Prinzipien der IR-Spektroskopie verstanden haben, gehen wir ein Verfahren zur Identifizierung einer unbekannten organischen Verbindung mit der ATR-Probenahmetechnik auf einem FTIR-Instrument durch.
Um mit der Charakterisierung zu beginnen, schalten Sie das FTIR-Spektrometer ein und lassen Sie die Lampe auf Betriebstemperatur erwärmen.
Stellen Sie sicher, dass der ATR-Kristall sauber ist. Wenn keine Probe vorhanden ist, können Sie dann mit der Spektrometer-Software ein Hintergrundspektrum aufzeichnen.
Entnehmen Sie als Nächstes eine feste Probe einer unbekannten organischen Verbindung und notieren Sie deren Aussehen. Legen Sie die Probe mit einem sauberen Metallspatel vorsichtig auf die Kristalloberfläche. Alternativ wird bei flüssigen Proben eine Pipette verwendet, um die Proben auf die Kristalloberfläche zu übertragen.
Schrauben Sie die Sonde vorsichtig fest, bis sie einrastet, um die Probe an der Kristalloberfläche zu befestigen.
Sammeln Sie dann mindestens ein IR-Spektrum der unbekannten Probe. Nachdem die Datenerfassung abgeschlossen und der Hintergrund subtrahiert wurde, verwenden Sie die Analysewerkzeuge in der Software, um die Wellenzahlen der Peaks zu identifizieren.
Wenn Sie mit dem Spektrometer fertig sind, entfernen Sie die Probe und reinigen Sie die Sonde mit Aceton. Speichern Sie die Spektren, schließen Sie die Software und schalten Sie das Spektrometer aus.
In diesem Experiment könnte es sich bei der unbekannten Probe um eine von zehn organischen Verbindungen handeln, die jeweils fünf charakteristische IR-Peaks aufweisen. Basierend auf der Phase und dem visuellen Erscheinungsbild des Unbekannten können 8 der Möglichkeiten ausgeschlossen werden.
Das Spektrum der unbekannten Verbindung zeigt einen breiten Peak in der Nähe des 3.300-Wellenzahlbereichs, was auf eine -OH- oder -NH-Dehnungsabsorption hinweist. Die Peaks rechts zeigen das Vorhandensein von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Doppelbindungen und Kohlenstoff-Sauerstoff-Bindungen. Von den beiden verbleibenden Verbindungen hat nur eine eine -OH-Gruppe, so dass es sich bei der Verbindung um Phenol handelt.
Die IR-Spektrophotometrie ist ein weit verbreitetes Charakterisierungswerkzeug in der Biologie und Chemie. Schauen wir uns ein paar Beispiele an.
Bei diesem Verfahren wurde die FTIR-Spektroskopie mit der ATR-Methode verwendet, um IR-Absorptionsbilder von Gewebe zu erhalten, indem eine Mikroskopiekomponente in das Gerät eingeführt wurde. Jedes Pixel im Bild hatte ein entsprechendes IR-Spektrum, was die Bestimmung der molekularen Zusammensetzung des Gewebes mit hervorragender räumlicher Auflösung ermöglichte. Das Gewebebild könnte auch in verschiedenen Frequenzen angezeigt werden, um die Verteilung der Molekültypen im Gewebe zu visualisieren.
Die molekularen Schwingungen von Peptidgruppen in einem Protein werden durch Änderungen der Proteinkonformation beeinflusst. Durch die Überwachung einer Proteinprobe mit Step-Scan-FTIR, die eine zeitliche Auflösung in der Größenordnung von Dutzenden von Nanosekunden hat, kann die Proteindynamik über die Änderungen ihrer Absorptionsspektren überwacht werden. Die Daten können als einzelne Spektren oder als 3D-Diagramme von Intensität, Frequenz und Zeit zur Identifizierung von Peaks und zur weiteren Analyse dargestellt werden.
Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die IR-Spektroskopie gesehen. Sie sollten nun mit den Grundlagen der IR-Spektroskopie, dem Verfahren zur IR-Spektroskopie organischer Verbindungen und einigen Beispielen für den Einsatz der IR-Spektroskopie in der organischen Chemie vertraut sein. Danke fürs Zuschauen!
