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Organic Chemistry II
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JoVE Science Education Organic Chemistry II
Infrared Spectroscopy
  • 00:04Overview
  • 01:31Principles of IR Spectroscopy
  • 04:20Characterization of Organic Compounds by ATR-IR Spectroscopy
  • 05:37Data Analysis
  • 06:26Applications
  • 07:43Summary

Infrarot-Spektroskopie

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Overview

Quelle: Vy M. Dong und Zhiwei Chen, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Dieses Experiment wird die Verwendung von Infrarot (IR) Spektroskopie (auch bekannt als Schwingungs-Spektroskopie) demonstrieren, um die Identität einer unbekannten Verbindung zu erhellen, durch die Ermittlung der Functional group(s) vorhanden. IR-Spektren erhält man über eine IR-Spektrometer mit der abgeschwächte Totalreflexion (ATR) Sampling-Technik mit einer ordentlich Probe des unbekannten.

Principles

Eine kovalente Bindung zwischen zwei Atomen kann als zwei Objekte mit Massen m1 und m2 betrachtet werden, die mit einer Feder verbunden sind. Natürlich, diese Bindung erstreckt und mit eine bestimmte Schwingungsfrequenz komprimiert. Diese Frequenz Image 1 ergibt sich aus Gleichung 1, wo k ist die Kraftkonstante des Frühlings, c ist die Lichtgeschwindigkeit und µ ist die reduzierte Masse (Gleichung 2). Die Frequenz wird in der Regel gemessen in Spektrometern, die inverse Zentimeter (cm-1) ausgedrückt sind.

Equation 1

Equation 2

Aus Gleichung 1ist die Frequenz proportional zur Stärke der Feder und umgekehrt proportional zu den Massen der Objekte. Also C-H, N-H und O-H-Bindungen haben höhere Frequenzen als C-C und C-O-Bindungen, dehnen, da Wasserstoff eine leichte Atom ist. Doppel- und Dreifachbindungen können als stärkere Federn betrachtet werden, so dass eine C-O-Doppelbindung Dehnung häufiger als eine einzelne Bindung C-O hat. Infrarot-Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von 700 nm bis 1 mm, was die relative Klebkräfte entspricht. Wenn ein Molekül Infrarot-Licht mit einer Frequenz, die die natürliche Schwingungsfrequenz einer kovalenten Bindung entspricht absorbiert, erzeugt die Energie aus der Strahlung eine Erhöhung der Amplitude der Schwingung Anleihe. Wenn die Elektronegativitätsdifferenz (die Tendenz, Elektronen zu gewinnen) der beiden Atome in einer kovalenten Bindung sind sehr unterschiedlich, eine Ladungstrennung auftritt, die Ergebnisse in ein Dipolmoment. Beispielsweise in eine C-O-Doppelbindung (Carbonylgruppe) Zeit die Elektronen mehr um das Sauerstoffatom als das Kohlenstoffatom weil Sauerstoff mehr wissenschaftlich als Carbon ist. Daher gibt es eine net Dipolmoment wiederum eine negative Partialladung auf Sauerstoff und eine positive Partialladung auf Kohlenstoff. Auf der anderen Seite muss eine symmetrische Alkinen nicht net Dipolmoment, weil die zwei einzelnen Dipolmomente auf jeder Seite sich gegenseitig aufheben. Die Intensität der Infrarot-Absorption ist proportional zu der Änderung in das Dipolmoment, wenn die Anleihe erstreckt oder komprimiert. Daher eine Carbonylgruppe-Strecke wird eine intensive Band in der IR zeigen, und eine symmetrische interne Alkinen zeigt eine kleine, wenn nicht unsichtbar, Band Dehnung des C-C-Dreifachbindung (Abbildung 1). Tabelle 1 zeigt einige charakteristische Absorption Frequenzen. Abbildung 2 zeigt das IR-Spektrum eine Hantzsch Ester. Beachten Sie die Spitze bei 3.343 cm-1 für den N-H einzelne Bindung und der Peak bei 1.695 cm-1 für die Carbonyl-Gruppen. In diesem Experiment ist die ATR-Sampling-Technik verwendet, wo das Infrarotlicht der Probe reflektiert, die in Kontakt mit einer ATR-Kristall ist mehrere Male. In der Regel werden Materialien mit einem hohen Brechungsindex wie Germanium und Zink metallisches verwendet. Diese Methode ermöglicht es, feste oder flüssige Analyten ohne weitere Vorbereitung direkt zu untersuchen.

Figure 1

Abbildung 1: Diagramm CO Doppel- und CC Dreifachbindung Strecken und die daraus resultierende Veränderung in das Dipolmoment.

Table 1

Tabelle 1. Charakteristischen IR-Frequenzen der kovalenten Bindungen in organischen Molekülen vorhanden.

Figure 2

Abbildung 2. IR-Spektrum eine Hantzsch Ester.

Procedure

Schalten Sie den IR-Spektrometer und lassen Sie es zum Aufwärmen. Erhalten einer unbekannten Probe des Kursleiters und notieren Sie die Buchstaben und das Aussehen der Probe. Ein Hintergrund-Spektrum zu sammeln. Mit einem Metallspatel, legen Sie eine kleine Menge der Probe unter der Sonde. Drehen Sie die Sonde, bis es einrastet. Notieren Sie das IR-Spektrum der unbekannten Probe. Wiederholen Sie bei Bedarf um eine gute Qualität zu erhalten Spektrum. Notieren Sie die Absorption Frequenzen bezeichnend für die funktionelle Gruppen vorhanden. Reinigen Sie die Sonde mit Aceton. Schalten Sie das Spektrometer. Analysieren Sie die erhaltenen Spektrum. Abbildung 3 zeigt die möglichen Kandidaten für die unbekannte Probe. Geben Sie die wahrscheinliche Identifizierung der unbekannten Probe. Abbildung 3. Das Diagramm zeigt die möglichen Identitäten des unbekannten.

Results

Table 2: Appearance and observed IR frequencies of the compounds listed in Figure 3.

Compound Number 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Appearance clear liquid white solid clear liquid clear liquid clear liquid clear liquid yellow liquid white solid white solid clear liquid
Observed frequencies (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 this experiment, we have demonstrated how to identify an unknown sample based on its characteristic IR spectrum. Different functional groups give different stretching frequencies, which allow the identification of the functional groups present.

As shown in this experiment, IR spectroscopy is a useful tool for the organic chemist to identify and characterize a molecule. In addition to organic chemistry, IR spectroscopy has useful applications in other areas. In the pharmaceutical industry, this technique is used for quantitative and qualitative analysis of drugs. In food science, IR spectroscopy is used to study fats and oils. Lastly, IR spectroscopy is used to measure the composition of greenhouse gases, i.e., CO2, CO, CH4, and N2O in efforts to understand global climate changes.

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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Cite This
JoVE Science Education Database. JoVE Science Education. Infrared Spectroscopy. JoVE, Cambridge, MA, (2023).