5.14: Инфракрасная спектроскопия

1. Включите ИК-спектрометр и дайте ему прогреться.
2. Получите неизвестный образец у инструктора и запишите букву и внешний вид образца.
3. Соберите фоновый спектр.
4. С помощью металлического шпателя поместите небольшое количество образца под щуп.
5. Поверните щуп до фиксации.
6. Запишите ИК-спектр неизвестного образца.
7. При необходимости повторите для получения спектра хорошего качества.
8. Запишите частоты поглощения, указывающие на присутствующие функциональные группы.
9. Очистите щуп ацетоном.
10. Выключите спектрометр.
11. Проанализируйте полученный спектр. На рисунке 3 показаны возможные кандидаты на неизвестную выборку. Укажите вероятную идентификацию неизвестного образца.

Рисунок 3. Диаграмма, показывающая возможные идентичности неизвестного.

Инфракрасная, или инфракрасная, спектроскопия — это метод, используемый для определения характеристик ковалентных связей.

Молекулы с определенными типами ковалентных связей могут поглощать инфракрасное излучение, вызывая вибрацию связей. ИК-спектрофотометр может измерять, какие частоты поглощаются. Обычно это представляется спектром процента ИК-излучения, проходящего через образец с заданной частотой в волновых числах. В этом типе спектра пики инвертированы, так как они представляют собой уменьшение проходящего света на этой частоте.

Поглощенные частоты зависят от идентичности и электронного окружения связей, придавая каждой молекуле характерный спектр. Тем не менее, каждый тип связи будет поглощать ИК-излучение в определенном диапазоне частот и будет иметь общую форму пика и силу поглощения. Таким образом, пики могут быть присвоены конкретным связям, что позволяет идентифицировать неизвестное соединение в инфракрасном спектре.

Это видео проиллюстрирует определение характеристик неизвестного органического соединения с помощью ИК-спектроскопии и познакомит с некоторыми другими областями применения ИК-спектроскопии в органической химии.

Ковалентную связь между двумя атомами можно смоделировать в виде пружины, соединяющей два тела с массами m1 и m2. Эта «пружина» имеет резонансную частоту, которая в данном случае является частотой света, соответствующей кванту энергии, необходимому для возбуждения колебания в связи на той же частоте, но с еще большей амплитудой.

Резонансная частота связи зависит от прочности и длины связи, идентичности задействованных атомов и окружающей среды. Например, сопряженная связь будет вибрировать в другом диапазоне частот, чем несопряженная связь.

Резонансная частота также зависит от колебательной моды, которая представляет собой характер колебаний атомов внутри молекулы. Наиболее распространенными вибрационными модами, наблюдаемыми с помощью ИК-спектроскопии, являются растяжение и изгиб. Линейные молекулы имеют 3N минус 5 колебательных мод, где N — количество атомов, а нелинейные молекулы — 3N минус 6 колебательных мод.

ИК-спектрофотометрия в основном выполняется путем направления на образец источника света широкого спектра через интерферометр, который блокирует все, кроме нескольких длин волн света в любой момент времени. ИК-детектор измеряет интенсивность света для каждой настройки интерферометра. После того, как данные собраны в желаемом диапазоне частот, они обрабатываются в узнаваемый спектр с помощью преобразования Фурье.

Образец может быть газообразным, жидким или твердым, в зависимости от конструкции прибора. Для стандартного детектора газы и жидкости помещаются в ячейку с ИК-прозрачными окнами, а твердые вещества суспендируются в масле или прессуются в прозрачную гранулу с бромидом калия. Затем инфракрасный свет направляется через образец к детектору.

Альтернативным методом для твердых и жидких образцов является ослабление общей отражательной способности, или ATR. В этом методе чистый образец помещается в контакт с кристаллической поверхностью. Затем инфракрасный свет отражается от нижней стороны кристалла в детектор, при этом поглощенные частоты отражаются более слабо. Образец не нужно предварительно обрабатывать, так как свет через него не проходит.

Теперь, когда вы понимаете принципы работы ИК-спектроскопии, давайте рассмотрим процедуру идентификации неизвестного органического соединения с помощью метода отбора проб ATR на FTIR-спектрометре.

Чтобы начать процедуру определения характеристик, включите ИК-Фурье спектрометр и дайте лампе нагреться до рабочей температуры.

Убедитесь, что кристалл ATR чистый. Затем, не имея образца, используйте программное обеспечение спектрометра для записи фонового спектра.

Далее получите твердый образец неизвестного органического соединения и обратите внимание на его внешний вид. С помощью чистого металлического шпателя аккуратно поместите образец на поверхность кристалла. В качестве альтернативы, для жидких образцов, пипетка используется для переноса образцов на кристаллическую поверхность.

Осторожно закрутите зонд до фиксации на месте, чтобы зафиксировать образец на поверхности кристалла.

Затем соберите хотя бы один инфракрасный спектр неизвестного образца. После завершения сбора данных и вычитания фона используйте инструменты анализа в программном обеспечении для определения волновых чисел пиков.

Когда вы закончите работу со спектрометром, извлеките образец и очистите зонд ацетоном. Сохраните спектры, закройте программу и выключите спектрометр.

В этом эксперименте неизвестный образец может быть одним из десяти органических соединений, каждое из которых имеет пять характерных ИК-пиков. Исходя из фазы и визуального проявления неизвестного, 8 из возможных вариантов могут быть исключены.

Спектр от неизвестного соединения показывает широкий пик вблизи области волновых чисел 3300, что указывает на растягивающееся поглощение либо -OH, либо -NH. Пики справа указывают на наличие двойных углерод-углеродных связей и углеродных кислородных связей. Из двух оставшихся соединений только одно имеет группу -ОН, поэтому соединением является фенол.

ИК-спектрофотометрия является широко используемым инструментом характеризации в биологии и химии. Давайте рассмотрим несколько примеров.

В этой процедуре использовалась ИК-Фурье-спектроскопия, выполненная методом ATR, для получения ИК-изображений поглощения тканей путем введения в прибор микроскопического компонента. Каждый пиксель на изображении имел соответствующий ИК-спектр, что позволяло определять молекулярный состав ткани с превосходным пространственным разрешением. Изображение ткани также может отображаться с различной частотой для визуализации распределения типов молекул по всей ткани.

Молекулярные колебания пептидных групп в белке подвержены влиянию конформационных изменений белка. Наблюдая за образцом белка с помощью ИК-Фурье спектрометрии со ступенчатым сканированием, которое имеет временное разрешение порядка десятков наносекунд, можно отслеживать динамику белка через изменения в спектрах их поглощения. Данные могут быть представлены в виде отдельных спектров или в виде 3D-графиков интенсивности, частоты и времени для идентификации пиков и дальнейшего анализа.

Вы только что посмотрели статью JoVE «Введение в ИК-спектроскопию». Теперь вы должны быть знакомы с основными принципами ИК-спектроскопии, процедурой ИК-спектроскопии органических соединений и несколькими примерами использования ИК-спектроскопии в органической химии. Спасибо за просмотр!