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, cioèCO2,CO, CH4e N2O negli sforzi per comprendere i cambiamenti climatici globali.
