Overview
מקור: Vy M. דונג וז'יווי צ'ן, המחלקה לכימיה, אוניברסיטת קליפורניה, אירווין, קליפורניה
ניסוי זה מדגים את השימוש בספקטרוסקופיית אינפרא אדום (IR) (הידועה גם בשם ספקטרוסקופיית רטט) כדי לפרט את זהותו של תרכובת לא ידועה על ידי זיהוי הקבוצות הפונקציונליות הקיימות. ספקטרום אינפרא-אין יתקבל בספקטרומטר אינפרא-ר באמצעות טכניקת הדגימה הכוללת המוחלשת של ההשתקפות (ATR) עם דגימה מסודרת של הלא נודע.
Principles
קשר קוולנטי בין שני אטומים יכול להיחשב כשני עצמים עם מסות m1 ו-m2 המחוברים למעיין. באופן טבעי, קשר זה נמתח ונדחס בתדר רטט מסוים. תדירות זו 
ניתנת על ידי משוואה 1, כאשר k הוא קבוע הכוח של הקפיץ, c הוא מהירות האור, μ היא המסה המופחתת (משוואה 2). התדירות נמדדת בדרך כלל במספרי גלים, המתבטאים בסנטימטרים הפוכים (ס"מ-1).
ממשוואה 1, התדירות היא פרופורציונלית לעוצמת האביב ומידתית הפוכה להמוני האובייקטים. לפיכך, לקשרי C-H, N-H ו- O-H יש תדרי מתיחה גבוהים יותר מאשר קשרים C-C ו- C-O, שכן מימן הוא אטום אור. איגרות חוב כפולות ומשולשות יכולות להיחשב כקפיצים חזקים יותר, כך שלקשר כפול C-O יש תדירות מתיחות גבוהה יותר מאשר קשר יחיד C-O. אור אינפרא אדום הוא קרינה אלקטרומגנטית עם אורכי גל הנעים בין 700 ננומטר ל -1 מ"מ, אשר עולה בקנה אחד עם נקודות החוזק היחסיות של הקשר. כאשר מולקולה סופגת אור אינפרא אדום בתדר השווה לתדר הרטט הטבעי של קשר קוולנטי, האנרגיה מהקרינה מייצרת עלייה במשרעת של רטט הקשר. אם האלקטרונים (הנטייה למשוך אלקטרונים) של שני האטומים בקשר קוולנטי שונים מאוד, מתרחשת הפרדת מטען המביאה לרגע דיפול. לדוגמה, בקשר כפול C-O (קבוצת קרבוניל), האלקטרונים מבלים יותר זמן סביב אטום החמצן מאשר אטום הפחמן מכיוון שחמצן הוא אלקטרומגטיבי יותר מפחמן. לפיכך, יש רגע דיפול נטו וכתוצאה מכך מטען שלילי חלקי על חמצן ומטען חיובי חלקי על פחמן. מצד שני, אלקין סימטרי אין רגע דיפול נטו כי שני רגעי דיפול בודדים בכל צד לבטל אחד את השני. עוצמת ספיגת האינפרא אדום פרופורציונלית לשינוי ברגע הדיפול כאשר הקשר נמתח או נדחס. לפיכך, מתיחה של להקת קרבוניל תציג רצועה אינטנסיבית ב- IR, ואלקין פנימי סימטרי יראה להקה קטנה, אם לא בלתי נראית, למתיחת הקשר המשולש C-C (איור 1). טבלה 1 מציגה כמה תדרי ספיגה אופייניים. איור 2 מראה את ספקטרום ה- IR של אסתר הנץ. שימו לב לשיא של 3,343 ס"מ-1 עבור קשר יחיד N-H ואת השיא ב 1,695 ס"מ-1 עבור קבוצות קרבוניל. בניסוי זה, נעשה שימוש בטכניקת הדגימה של ATR, כאשר אור האינפרא אדום משתקף את המדגם שנמצא במגע עם גביש ATR מספר פעמים. בדרך כלל, חומרים עם אינדקס שבירה גבוה משמשים, כגון גרמניום ואבץ סלניד. שיטה זו מאפשרת לבחון ישירות ניתוחים מוצקים או נוזליים ללא הכנה נוספת.
איור 1. תרשים המציג את אג"ח המשולש C-O כפולו- C-C ואתהשינוי המתקבל ברגע הדיפול.
טבלה 1. תדרי IR אופייניים של קשרים קוולנטיים הקיימים במולקולות אורגניות.
איור 2. ספקטרום IR של אסתר הנצ'ש.
Procedure
- הפעל את ספקטרומטר IR ואפשר לו להתחמם.
- השג מדגם לא ידוע מהמדריך והקלט את המכתב והמראה של המדגם.
- לאסוף ספקטרום רקע.
- באמצעות מרית מתכת, מניחים כמות קטנה של מדגם מתחת לגשוש.
- סובב את הגשוש עד שהוא יינעל למקומו.
- הקלט את ספקטרום ה- IR של המדגם הלא ידוע.
- חזור במידת הצורך כדי לקבל ספקטרום באיכות טובה.
- הקלט את תדרי הקליטה המעידים על הקבוצות התפקודיות הקיימות.
- נקה את הגשוש עם אצטון.
- כבה את הספקטרומטר.
- לנתח את הספקטרום המתקבל. איור 3 מציג את המועמדים האפשריים לדגימה הלא ידועה. ציין את הזיהוי הניי סביר של המדגם הלא ידוע.
איור 3. דיאגרמה המציגה את הזהויות האפשריות של הלא נודע.
ספקטרוסקופיה אינפרא אדום, או אינפרא אדום, היא טכניקה המשמשת לאפיון קשרים קוולנטיים.
מולקולות עם סוגים מסוימים של קשרים קוולנטיים יכולות לספוג קרינת IR, מה שגורם לקשרים לרטוט. ספקטרופוטומטר אינץ' יכול למדוד אילו תדרים נספגים. זה מיוצג בדרך כלל עם ספקטרום של אחוז קרינת אינפרה-סגול המועברת דרך המדגם בתדר נתון במספרי גלים. בסוג זה של ספקטרום, הפסגות הפוכות, שכן הן מייצגות ירידה באור המועבר בתדר זה.
התדרים הנספגים תלויים בזהות ובסביבה האלקטרונית של הקשרים, ומעניקים לכל מולקולה ספקטרום אופייני. עם זאת, כל סוג של קשר יספוג קרינת IR בטווח תדרים מסוים, ויהיה לו צורת שיא משותפת וכוח ספיגה. לפיכך, ניתן להקצות פסגות לאג"ח ספציפיות, המאפשרות זיהוי של תרכובת לא ידועה בספקטרום ה- IR.
וידאו זה ימחיש את האפיון של תרכובת אורגנית לא ידועה עם ספקטרוסקופיית IR ויציג כמה יישומים אחרים של ספקטרוסקופיית IR בכימיה אורגנית.
קשר קוולנטי בין שני אטומים יכול להיות מעוצב כמעיין המחבר בין שני גופים עם מסות m1 ו- m2. ל"אביב" הזה יש תדר תהודה, שבמקרה זה, הוא תדר האור המתאים לקוונטום האנרגיה הדרוש כדי לרגש תנודה בקשר באותו תדר, אך עם משרעת גדולה עוד יותר.
תדירות התהודה של קשר תלויה בכוח הקשר ובאורך, בזהות האטומים המעורבים ובסביבה. לדוגמה, קשר מצומד ירטוט בטווח תדרים שונה מאשר קשר שאינו מצומד.
תדירות התהודה תלויה גם במצב הרטט, שהוא תבנית התנודה של האטומים בתוך מולקולה. מצבי הרטט הנפוצים ביותר שנצפו על ידי ספקטרוסקופיית אינץ'.אר הם מתיחות וכיפוף. למולקולות ליניאריות יש 3N פחות 5 מצבי רטט, כאשר N הוא מספר האטומים, ולמולקולות לא ליניאריות יש 3N פחות 6 מצבי רטט.
ספקטרופוטומטריית IR מבוצעת בעיקר על ידי האצת מקור אור רחב טווח באמצעות אינטרפרומטר, שחוסם את כל אורכי הגל מלבד כמה אורכי גל בכל זמן נתון, על המדגם. גלאי אינפרמטו-ר מודד את עוצמות האור עבור כל הגדרת אינטרפרומטר. לאחר איסוף נתונים על פני טווח התדרים הרצוי, הם מעובדים לספקטרום ניתן לזיהוי על ידי המרת פורייה.
המדגם יכול להיות גזי, נוזלי, או מוצק, בהתאם לבניית המכשיר. עבור גלאי סטנדרטי, גזים ונוזלים ממוקמים בתא עם חלונות שקופים אינצ'י, ומוצקים מושעים בשמן או נלחצים לכדור שקוף עם אשלגן ברומיד. לאחר מכן, נורית ה-IR מופנית דרך הדגימה אל הגלאי.
שיטה חלופית עבור דגימות מוצקות ונוזלים היא רפלקטיביות כוללת מונפשת, או ATR. בשיטה זו, המדגם הטהור ממוקם במגע עם משטח גביש. אור IR משתקף לאחר מכן מהיד תחתון הגביש לגלאי, כאשר התדרים הנספגים משקפים חלשים יותר. המדגם לא צריך להיות מעובד תחילה, כמו האור אינו עובר דרכו.
עכשיו שאתם מבינים את העקרונות של ספקטרוסקופיית אינפרא-ר, בואו נעבור הליך לזיהוי תרכובת אורגנית לא ידועה באמצעות טכניקת הדגימה של ATR במכשיר FTIR.
כדי להתחיל בהליך האפיון, הפעל את ספקטרומטר FTIR ואפשר למנורה להתחמם לטמפרטורת ההפעלה.
ודא כי גביש ATR נקי. לאחר מכן, ללא דגימה במקום, השתמש בתוכנת הספקטרומטר כדי להקליט ספקטרום רקע.
לאחר מכן, להשיג מדגם מוצק של תרכובת אורגנית לא ידועה ולשים לב המראה שלה. באמצעות מרית מתכת נקייה, מניחים בזהירות את הדגימה על משטח הקריסטל. לחלופין, עבור דגימות נוזליות, פיפטה משמשת להעברת דגימות לפני השטח של הגביש.
בזהירות לדפוק את הבדיקה עד שהוא ננעל למקומו כדי לתקן את המדגם נגד פני הקריסטל.
לאחר מכן, לאסוף לפחות ספקטרום IR אחד של המדגם הלא ידוע. לאחר סיום איסוף הנתונים והרקע הופחת, השתמש בכלי הניתוח בתוכנה כדי לזהות את מספרי הגלים של הפסגות.
כאשר סיים עם ספקטרומטר, להסיר את המדגם ולנקות את הבדיקה עם אצטון. שמור את הספקטרום, סגור את התוכנה וכבה את הספקטרומטר.
בניסוי זה, המדגם הלא ידוע עשוי להיות אחד מעשר תרכובות אורגניות, כל אחת עם חמש פסגות אינפרא-ראיות אופייניות. בהתבסס על השלב ואת המראה החזותי של הלא ידוע, 8 של האפשרויות עשויות להתבטל.
הספקטרום מהתרכובת הלא ידועה מראה שיא רחב ליד אזור 3,300 wavenumber, המעיד על ספיגת מתיחות -OH או -NH. הפסגות מימין מצביעות על נוכחות של קשרים כפולים מפחמן-פחמן וקשרי חמצן פחמתיים. מתוך שתי התרכובות הנותרות, רק אחד יש -OH קבוצה כך המתחם הוא פנול.
ספקטרופוטומטריית IR היא כלי אפיון נפוץ בביולוגיה ובכימיה. בואו נסתכל על כמה דוגמאות.
בהליך זה, ספקטרוסקופיית FTIR שבוצעה בשיטת ATR שימשה להשגת תמונות ספיגת אינפראיימטריה של רקמות על ידי החדרת רכיב מיקרוסקופיה למכשיר. לכל פיקסל בתמונה היה ספקטרום IR מתאים, המאפשר קביעת ההרכב המולקולרי של הרקמה ברזולוציה מרחבית מעולה. תמונת הרקמה יכולה להיות מוצגת גם בתדרים שונים כדי לדמיין את התפלגות סוגי המולקולות ברחבי הרקמה.
התנודות המולקולריות של קבוצות פפטיד בחלבון מושפעות משינויים קונפורמציה של חלבונים. על ידי ניטור דגימת חלבון עם FTIR סריקת צעד, אשר יש רזולוציה זמנית בסדר של עשרות ננו שנייה, דינמיקת חלבון ניתן לפקח באמצעות השינויים בספקטרום הספיגה שלהם. ניתן להציג את הנתונים כספקטרום בודד או כתיחות תלת-ממדיות של עוצמה, תדירות וזמן לזיהוי שיא וניתוח נוסף.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לספקטרוסקופיית IR. עכשיו אתה צריך להכיר את העקרונות הבסיסיים של ספקטרוסקופיית IR, ההליך עבור ספקטרוסקופיית IR של תרכובות אורגניות, וכמה דוגמאות של איך ספקטרוסקופיית IR משמש בכימיה אורגנית. תודה שצפיתם!
Results
טבלה 2: מראה ותדרי IR נצפים של התרכובות המפורטות באיור 3.
| מספר רכוב | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| מראה | נוזל שקוף | לבן מוצק | נוזל שקוף | נוזל שקוף | נוזל שקוף | נוזל שקוף | נוזל צהוב | לבן מוצק | לבן מוצק | נוזל שקוף |
| תדרים נצפו (ס"מ-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
בניסוי זה הדגמנו כיצד לזהות מדגם לא ידוע בהתבסס על ספקטרום ה- IR האופייני לה. קבוצות פונקציונליות שונות נותנות תדרי מתיחה שונים, המאפשרים זיהוי של הקבוצות הפונקציונליות הקיימות.
כפי שמוצג בניסוי זה, ספקטרוסקופיית IR היא כלי שימושי עבור הכימאי האורגני לזהות ולאפיין מולקולה. בנוסף לכימיה אורגנית, ספקטרוסקופיית IR יש יישומים שימושיים בתחומים אחרים. בתעשיית התרופות, טכניקה זו משמשת לניתוח כמותי ואיכותי של תרופות. במדעי המזון, ספקטרוסקופיית IR משמשת לחקר שומנים ושמנים. לבסוף, ספקטרוסקופיית IR משמשת למדידת הרכב גזי החממה, כלומר,CO2, CO, CH4, ו- N2O במאמצים להבין את שינויי האקלים העולמיים.
