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Organic Chemistry II

Spettroscopia infrarossa

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JoVE Science Education Organic Chemistry II

Infrared Spectroscopy

5.2: Nucleophilic Substitution

5.15: Polarimeter

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08:11 min

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April 30, 2023

Overview

Fonte: Vy M. Dong e Zhiwei Chen, Dipartimento di Chimica, Università della California, Irvine, CA

Questo esperimento dimostrerà l’uso della spettroscopia infrarossa (IR) (nota anche come spettroscopia vibrazionale) per chiarire l’identità di un composto sconosciuto identificando i gruppi funzionali presenti. Gli spettri IR saranno ottenuti su uno spettrometro IR utilizzando la tecnica di campionamento a riflessione totale attenuata (ATR) con un campione pulito dell’ignoto.

Principles

Un legame covalente tra due atomi può essere pensato come due oggetti con masse m₁ e m₂ che sono collegati con una molla. Naturalmente, questo legame si allunga e si comprime con una certa frequenza vibrazionale. Questa frequenza è data dall’equazione 1, dove k è la costante di forza della molla, c è la velocità della luce e μ è la massa ridotta (Equazione 2). La frequenza è tipicamente misurata in numeri d’onda, che sono espressi in centimetri inversi (cm^-1).

Dall’equazione 1, la frequenza è proporzionale alla forza della molla e inversamente proporzionale alle masse degli oggetti. Pertanto, i legami C-H, N-H e O-H hanno frequenze di allungamento più elevate rispetto ai legami C-C e C-O, poiché l’idrogeno è un atomo leggero. I legami doppi e tripli possono essere considerati come molle più forti, quindi un doppio legame C-O ha una frequenza di allungamento più elevata rispetto a un legame singolo C-O. La luce infrarossa è una radiazione elettromagnetica con lunghezze d’onda che vanno da 700 nm a 1 mm, che è coerente con le forze di legame relative. Quando una molecola assorbe la luce infrarossa con una frequenza che equivale alla frequenza vibrazionale naturale di un legame covalente, l’energia della radiazione produce un aumento dell’ampiezza della vibrazione del legame. Se le elettronegatività (la tendenza ad attrarre elettroni) dei due atomi in un legame covalente sono molto diverse, si verifica una separazione di carica che si traduce in un momento di dipolo. Ad esempio, in un doppio legame C-O (un gruppo carbonilico), gli elettroni trascorrono più tempo intorno all’atomo di ossigeno rispetto all’atomo di carbonio perché l’ossigeno è più elettronegativo del carbonio. Quindi, c’è un momento di dipolo netto che risulta in una carica parzialmente negativa sull’ossigeno e una carica parzialmente positiva sul carbonio. D’altra parte, un alchino simmetrico non ha un momento di dipolo netto perché i due singoli momenti di dipolo su ciascun lato si annullano a vicenda. L’intensità dell’assorbimento infrarosso è proporzionale al cambiamento del momento di dipolo quando il legame si allunga o si comprime. Quindi, un allungamento del gruppo carbonilico mostrerà una banda intensa nell’IR, e un alchino interno simmetrico mostrerà una piccola, se non invisibile, banda per lo stiramento del triplo legame C-C (Figura 1). La tabella 1 mostra alcune frequenze di assorbimento caratteristiche. La Figura 2 mostra lo spettro IR di un estere di Hantzsch. Si noti il picco a 3.343 cm^-1 per il legame singolo N-H e il picco a 1.695 cm^-1 per i gruppi carbonilici. In questo esperimento, viene utilizzata la tecnica di campionamento ATR, in cui la luce infrarossa si riflette sul campione che è in contatto con un cristallo ATR più volte. Tipicamente, vengono utilizzati materiali con un alto indice di rifrazione, come il germanio e il seleniuro di zinco. Questo metodo consente di esaminare direttamente gli analiti solidi o liquidi senza ulteriore preparazione.

Figura 1. Diagramma che mostraC–O doppioe C–C triplo legame si allunga e il conseguente cambiamento nel momento di dipolo.

Tabella 1. Frequenze IR caratteristiche dei legami covalenti presenti nelle molecole organiche.

Figura 2. Spettro IR di un estere di Hantzsch.

Procedure

Accendere lo spettrometro IR e lasciarlo riscaldare.
Ottenere un campione sconosciuto dall’istruttore e registrare la lettera e l’aspetto del campione.
Raccogli uno spettro di sfondo.
Usando una spatola metallica, posizionare una piccola quantità di campione sotto la sonda.
Ruotare la sonda fino a quando non si blocca in posizione.
Registrare lo spettro IR del campione sconosciuto.
Ripetere se necessario per ottenere uno spettro di buona qualità.
Registrare le frequenze di assorbimento indicative dei gruppi funzionali presenti.
Pulire la sonda con acetone.
Spegnere lo spettrometro.
Analizzare lo spettro ottenuto. La Figura 3 mostra i possibili candidati per il campione sconosciuto. Indicare la probabile identificazione del campione sconosciuto.

Figura 3. Diagramma che mostra le possibili identità dell’ignoto.

La spettroscopia infrarossa, o IR, è una tecnica utilizzata per caratterizzare i legami covalenti.

Le molecole con alcuni tipi di legami covalenti possono assorbire la radiazione IR, facendo vibrare i legami. Uno spettrofotometro IR può misurare quali frequenze vengono assorbite. Questo è generalmente rappresentato con uno spettro di radiazione IR percentuale trasmessa attraverso il campione ad una data frequenza in numeri d’onda. In questo tipo di spettro, i picchi sono invertiti, in quanto rappresentano una diminuzione della luce trasmessa a quella frequenza.

Le frequenze assorbite dipendono dall’identità e dall’ambiente elettronico dei legami, dando ad ogni molecola uno spettro caratteristico. Tuttavia, ogni tipo di legame assorbirà la radiazione IR all’interno di una specifica gamma di frequenze e avrà una forma di picco e una forza di assorbimento comuni. I picchi possono quindi essere assegnati a legami specifici, consentendo l’identificazione di un composto sconosciuto dallo spettro IR.

Questo video illustrerà la caratterizzazione di un composto organico sconosciuto con la spettroscopia IR e introdurrà alcune altre applicazioni della spettroscopia IR in chimica organica.

Un legame covalente tra due atomi può essere modellato come una molla che collega due corpi con masse m1 e m2. Questa “molla” ha una frequenza di risonanza, che, in questo caso, è la frequenza della luce corrispondente al quantum di energia necessario per eccitare un’oscillazione nel legame a quella stessa frequenza, ma con ampiezza ancora maggiore.

La frequenza di risonanza di un legame dipende dalla forza e dalla lunghezza del legame, dall’identità degli atomi coinvolti e dall’ambiente. Ad esempio, un legame coniugato vibrerà in una gamma di frequenze diversa rispetto a un legame non coniugato.

La frequenza di risonanza dipende anche dalla modalità vibrazionale, che è il modello di oscillazione degli atomi all’interno di una molecola. Le modalità vibrazionali più comuni osservate dalla spettroscopia IR sono lo stretching e la flessione. Le molecole lineari hanno 3N meno 5 modalità vibrazionali, dove N è il numero di atomi e le molecole non lineari hanno 3N meno 6 modalità vibrazionali.

La spettrofotometria IR viene eseguita principalmente facendo brillare una sorgente luminosa ad ampio spettro attraverso un interferometro, che blocca tutte le lunghezze d’onda della luce tranne poche in un dato momento, sul campione. Un rilevatore IR misura le intensità luminose per ogni impostazione dell’interferometro. Una volta che i dati sono stati raccolti sulla gamma di frequenze desiderata, vengono elaborati in uno spettro riconoscibile dalla trasformata di Fourier.

Il campione può essere gassoso, liquido o solido, a seconda della costruzione dello strumento. Per un rilevatore standard, gas e liquidi vengono posti in una cella con finestre trasparenti IR e i solidi vengono sospesi in olio o pressati in un pellet trasparente con bromuro di potassio. La luce IR viene quindi diretta attraverso il campione verso il rilevatore.

Un metodo alternativo per campioni solidi e liquidi è la riflettanza totale attenuata, o ATR. In questo metodo, il campione puro viene posto a contatto con una superficie cristallina. La luce IR viene quindi riflessa dalla parte inferiore del cristallo in un rivelatore, con le frequenze assorbite che riflettono più debolmente. Il campione non ha bisogno di essere elaborato prima, poiché la luce non viaggia attraverso di esso.

Ora che hai compreso i principi della spettroscopia IR, passiamo attraverso una procedura per identificare un composto organico sconosciuto utilizzando la tecnica di campionamento ATR su uno strumento FTIR.

Per iniziare la procedura di caratterizzazione, accendere lo spettrometro FTIR e consentire alla lampada di riscaldarsi alla temperatura di esercizio.

Assicurarsi che il cristallo ATR sia pulito. Quindi, senza alcun campione in posizione, utilizzare il software dello spettrometro per registrare uno spettro di sfondo.

Quindi, ottenere un campione solido di un composto organico sconosciuto e notare il suo aspetto. Utilizzando una spatola metallica pulita, posizionare con cura il campione sulla superficie del cristallo. In alternativa, per i campioni liquidi, viene utilizzata una pipetta per trasferire i campioni sulla superficie cristallina.

Avvitare con attenzione la sonda fino a quando non si blocca in posizione per fissare il campione contro la superficie cristallina.

Quindi, raccogliere almeno uno spettro IR del campione sconosciuto. Dopo che la raccolta dei dati è terminata e lo sfondo è stato sottratto, utilizzare gli strumenti di analisi nel software per identificare i numeri d’onda dei picchi.

Al termine dello spettrometro, rimuovere il campione e pulire la sonda con acetone. Salvare gli spettri, chiudere il software e spegnere lo spettrometro.

In questo esperimento, il campione sconosciuto potrebbe essere uno dei dieci composti organici, ciascuno con cinque picchi IR caratteristici. Sulla base della fase e dell’aspetto visivo dell’ignoto, 8 delle possibilità possono essere eliminate.

Lo spettro del composto sconosciuto mostra un ampio picco vicino alla regione del numero d’onda 3.300, indicativo di un assorbimento di allungamento -OH o -NH. I picchi a destra indicano la presenza di doppi legami carbonio-carbonio e legami carbonio-ossigeno. Dei due composti rimanenti, solo uno ha un gruppo -OH, quindi il composto è fenolo.

La spettrofotometria IR è uno strumento di caratterizzazione ampiamente utilizzato in biologia e chimica. Diamo un’occhiata ad alcuni esempi.

In questa procedura, la spettroscopia FTIR eseguita con il metodo ATR è stata utilizzata per ottenere immagini di assorbanza IR del tessuto introducendo un componente di microscopia nello strumento. Ogni pixel nell’immagine aveva uno spettro IR corrispondente, consentendo la determinazione della composizione molecolare del tessuto con un’eccellente risoluzione spaziale. L’immagine del tessuto potrebbe anche essere visualizzata a frequenze diverse per visualizzare la distribuzione dei tipi di molecole in tutto il tessuto.

Le vibrazioni molecolari dei gruppi peptidici in una proteina sono influenzate dai cambiamenti conformazionali delle proteine. Monitorando un campione proteico con FTIR a scansione graduale, che ha una risoluzione temporale dell’ordine di decine di nanosecondi, la dinamica delle proteine può essere monitorata attraverso i cambiamenti nei loro spettri di assorbanza. I dati possono essere presentati come spettri individuali o come grafici 3D di intensità, frequenza e tempo per l’identificazione dei picchi e ulteriori analisi.

Hai appena visto l’introduzione di JoVE alla spettroscopia IR. Ora dovresti avere familiarità con i principi alla base della spettroscopia IR, la procedura per la spettroscopia IR di composti organici e alcuni esempi di come la spettroscopia IR viene utilizzata in chimica organica. Grazie per l’attenzione!

Results

Tabella 2: Aspetto e frequenze IR osservate dei composti elencati nella Figura 3.

Numero composto	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Apparenza	liquido trasparente	solido bianco	liquido trasparente	liquido trasparente	liquido trasparente	liquido trasparente	liquido giallo	solido bianco	solido bianco	liquido trasparente
Frequenze osservate (cm^-1)	1691, 1601, 1450, 1368, 1266	2773, 2730, 1713, 1591, 1576	2940, 2867, 1717, 1422, 1347	3026, 2948, 2920, 1605, 1496	2928, 2853, 1450, 904, 852	3926, 3315, 2959, 2120, 1461	3623, 3429, 3354, 2904, 1601	3408, 3384, 3087, 1596, 1496	3226, 2966, 1598, 1474, 1238	3340, 2959, 2861, 1468, 1460

Applications and Summary

In questo esperimento, abbiamo dimostrato come identificare un campione sconosciuto in base al suo caratteristico spettro IR. Diversi gruppi funzionali danno diverse frequenze di stretching, che permettono l’identificazione dei gruppi funzionali presenti.

Come mostrato in questo esperimento, la spettroscopia IR è uno strumento utile per il chimico organico per identificare e caratterizzare una molecola. Oltre alla chimica organica, la spettroscopia IR ha applicazioni utili in altri settori. Nell’industria farmaceutica, questa tecnica viene utilizzata per l’analisi quantitativa e qualitativa dei farmaci. Nella scienza dell’alimentazione, la spettroscopia IR viene utilizzata per studiare grassi e oli. Infine, la spettroscopia IR viene utilizzata per misurare la composizione dei gas serra, cioèCO_2,CO, CH₄e N₂O negli sforzi per comprendere i cambiamenti climatici globali.

Transcript

Infrared, or IR, spectroscopy is a technique used to characterize covalent bonds.

Molecules with certain types of covalent bonds can absorb IR radiation, causing the bonds to vibrate. An IR spectrophotometer can measure which frequencies are absorbed. This is generally represented with a spectrum of percent IR radiation transmitted through the sample at a given frequency in wavenumbers. In this type of spectrum, the peaks are inverted, as they represent a decrease in transmitted light at that frequency.

The absorbed frequencies depend on the identity and electronic environment of the bonds, giving each molecule a characteristic spectrum. However, each type of bond will absorb IR radiation within a specific frequency range, and will have a common peak shape and absorption strength. Peaks can therefore be assigned to specific bonds, allowing identification of an unknown compound from the IR spectrum.

This video will illustrate the characterization of an unknown organic compound with IR spectroscopy and will introduce a few other applications of IR spectroscopy in organic chemistry.

A covalent bond between two atoms can be modeled as a spring connecting two bodies with masses m1 and m2. This “spring” has a resonance frequency, which, in this case, is the frequency of light corresponding to the quantum of energy needed to excite an oscillation in the bond at that same frequency, but with even greater amplitude.

The resonance frequency of a bond depends on the bond strength and length, the identity of the involved atoms, and the environment. For instance, a conjugated bond will vibrate in a different frequency range than a non-conjugated bond.

The resonance frequency also depends on the vibrational mode, which is the oscillation pattern of the atoms within a molecule. The most common vibrational modes observed by IR spectroscopy are stretching and bending. Linear molecules have 3N minus 5 vibrational modes, where N is the number of atoms, and non-linear molecules have 3N minus 6 vibrational modes.

IR spectrophotometry is primarily performed by shining a broad-spectrum light source through an interferometer, which blocks all but a few wavelengths of light at any given time, onto the sample. An IR detector measures the light intensities for each interferometer setting. Once data has been collected over the desired frequency range, it is processed into a recognizable spectrum by Fourier transform.

The sample can be gaseous, liquid, or solid, depending on the construction of the instrument. For a standard detector, gases and liquids are placed in a cell with IR-transparent windows, and solids are suspended in oil or pressed into a transparent pellet with potassium bromide. The IR light is then directed through the sample to the detector.

An alternate method for solid and liquid samples is attenuated total reflectance, or ATR. In this method, the pure sample is placed in contact with a crystal surface. IR light is then reflected off the underside of the crystal into a detector, with the absorbed frequencies reflecting more weakly. The sample doesn’t need to be processed first, as the light does not travel through it.

Now that you understand the principles of IR spectroscopy, let’s go through a procedure for identifying an unknown organic compound using the ATR sampling technique on an FTIR instrument.

To begin the characterization procedure, turn on the FTIR spectrometer and allow the lamp to warm up to operating temperature.

Ensure that the ATR crystal is clean. Then, with no sample in place, use the spectrometer software to record a background spectrum.

Next, obtain a solid sample of an unknown organic compound and note its appearance. Using a clean metal spatula, carefully place the sample on the crystal surface. Alternatively, for liquid samples, a pipette is used to transfer samples to crystal surface.

Carefully screw down the probe until it locks into place to fix the sample against the crystal surface.

Then, collect at least one IR spectrum of the unknown sample. After data collection has finished and the background has been subtracted, use the analysis tools in the software to identify the wavenumbers of the peaks.

When finished with the spectrometer, remove the sample and clean the probe with acetone. Save the spectra, close the software, and turn off the spectrometer.

In this experiment, the unknown sample may be one of ten organic compounds, each with five characteristic IR peaks. Based on the phase and visual appearance of the unknown, 8 of the possibilities may be eliminated.

The spectrum from the unknown compound shows a wide peak near the 3,300 wavenumber region, indicative of either an -OH or -NH stretching absorption. The peaks to right indicate the presence of carbon-carbon double bonds and carbon oxygen bonds. Of the two remaining compounds, only one has an -OH group so the compound is phenol.

IR spectrophotometry is a widely used characterization tool in biology and chemistry. Let’s look at a few examples.

In this procedure, FTIR spectroscopy performed with the ATR method was used to obtain IR absorbance images of tissue by introducing a microscopy component into the instrument. Each pixel in the image had a corresponding IR spectrum, allowing determination of the molecular composition of the tissue with excellent spatial resolution. The tissue image could also be displayed at different frequencies to visualize the distribution of molecule types throughout the tissue.

The molecular vibrations of peptide groups in a protein are affected by protein conformational changes. By monitoring a protein sample with step-scan FTIR, which has a temporal resolution on the order of tens of nanoseconds, protein dynamics can be monitored via the changes in their absorbance spectra. The data can be presented as individual spectra or as 3D plots of intensity, frequency, and time for peak identification and further analysis.

You’ve just watched JoVE’s introduction to IR spectroscopy. You should now be familiar with the underlying principles of IR spectroscopy, the procedure for IR spectroscopy of organic compounds, and a few examples of how IR spectroscopy is used in organic chemistry. Thanks for watching!

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