Spektrofotometria IR. Interpretacja widm w podczerwieni.

Spektrofotometria w podczerwieni (IR)- metoda oparta na absorpcji promieniowania podczerwonego przez oscylujące cząsteczki.

Zakres promieniowania IR:

• 0,8-2,5μm (12500-4000cm^-1)- bliska podczerwień NIR (800-2500nm)

• 2,5-25μm (4000-400cm^-1)- właściwa podczerwień MIR

• 25-1000μm (400-10cm^-1)- daleka podczerwień FIR

NIR- jest jeszcze w stanie zmienić energię elektronową cząsteczki. Pochłanianie promieniowania MIR powoduje wzrost energii rotacji i oscylacji. Pochłanianie FIR powoduje wzrost energii rotacji.

Efekt pochłaniania promieniowania - układ zależności %T od liczby falowej (cm^-1) (odwrotność długości fali). Im niższa absorbancja, tym niższa wartość transmitancji. W IR pochłanianie promieniowania przez wiązania cząsteczki.

Typowe widmo w IR- Każde pasmo jest wynikiem drgania podstawowego cząsteczki. Na ox liczba falowa, a na oy procent transmitancji. Jest to widmo absorpcyjne.

Liczba falowa

• Ilość fal o danej długości przypadająca na 1cm- liczba fal o określonych długościach mieszczących się w 1cm (oś OX; oś OY- % transmisji- im mniejsza ta wartość tym bardziej intensywne pasma)

• Liczba falowa =1/długość fali w cm lub = 10000/długość fali w mikrometrach

• Im mniejsza energia tym mniejsza liczba falowa- wzrasta E_rot i E_osc

Oscylacje - drgają z określoną częstotliwości i amplitudą, zwiększanie drgań cząsteczki, ruch periodyczny, gdzie atomy na przemian przybliżają się i oddalają od siebie.

Liczba drgań podstawowych w cząsteczce (drgania wiązań, oscylacje)

• Cząsteczka nieliniowa zbudowana z n atomów: 3n-6 (3 stopnie swobody opisują translację i 3 stopnie swobody opisują rotację cząsteczki)

• Cząsteczka liniowa: 3n-5 (3 stopnie swobody opisują translację i 2 stopnie swobody opisują rotację cząsteczki)

• Gdyby wszystkie drgania pochłaniały IR to byłoby 3n-6 lub 5 różnych pasm absorpcji.

Pewne drgania w podczerwieni są nieaktywne np. H₂ lub N₂ nie jest dipolem, mogą się cyklicznie oddalać i zbliżać, drganie rozciągające nie zwiększa amplitudy, nie będzie pochłaniało promieniowania podczerwonego.

Moment dipolowy zależy od wielkości i odległości ładunku w cząsteczce.

HCl - moment dipolowy różny od 0- widmo w podczerwieni zarejestrowuje się.

Liczba odpowiadająca możliwym oscylacjom- H20 3x3 = 9 -6 => 3 stopnie, H20 - ilość drgań

Absorpcja promieniowania IR:

• Absorbują drgające wiązania

• Aby absorpcja była możliwa, drganie musi posiadać zmianę w rozmieszczeniu ładunków wewnątrz cząsteczki (zmiana momentu dipolowego) = nie wszystkie oscylacje są aktywne w podczerwieni- dotyczy to tylko tych, które wiążą się ze zmianą momentu dipolowego (zależy od odległości biegunów + i - cząsteczki)

• Częstość promieniowania i drgań wiązań są takie same

• Pochłaniane są kwanty promieniowania o energii równej różnicy energetycznej między podstawowym i pierwszym poziomem wzbudzonym oscylacyjnym

• Wzrasta amplituda drgań- wzrost energii oscylacyjnej cząsteczki

• Są to widma rotacyjno-oscylacyjno- podczerwień właściwa, rotacyjne- daleka podczerwień, dla bliskiej podczerwieni-

Typy drgań cząsteczki:

1. Drgania rozciągające(walencyjne)- skracanie i rozciąganie długości wiązania chemicznego

• symetryczne- gdy dwa takie same wiązania odchodzą od jednego atomu, zmienia się długość wiązania

• asymetryczne

2. Drgania deformacyjne- zmiana ułożenia atomów względem siebie

• skręcające, wachlarzowe- poza płaszczyzną

• kołyszące, nożycowe- w płaszczyźnie

3. Szkieletowe- zmienia je cały układ cykliczny

Gdy energia promieniowania jest równa różnicy e substancji w stanie podstawowym a wzbudzonym dochodzi do absorpcji kwantu promieniowania. Draganie musi wiązać się ze zmianą momentu dipolowego cząsteczki.

Drgania rozciągające aktywne w poczerwieni:

Nie używamy wody jako rozpuszczalnika do podczerwieni - widmo w podczerwieni wody jest silne i skomplikowane.

CO₂ - cząst. liniowa, nie jest dipolem, nie ma momentu dipolowego

O=C=O

4 typy drgań podstawowych:

• rozciągające widmo CO₂ - pasmo deformacyjne całego układu

• symetryczne

• asymetryczne

Nie ma absorpcji w drganiu rozciągającym a są w deformacyjnym.

Drgania oscylacyjne cząsteczki wody

• cząsteczka nieliniowa złożona z 3 atomów (n-3);

• liczba drgań podstawowych: 3n-6=3,

• wszystkie drgania aktywne w podczerwieni.

• są możliwe 3 typy drgań podstawowych: rozciągające (symetryczne i asymetryczne), deformacyjne- zmiana momentu dipolowego

• ww powodują, że cząsteczki wody nie stosuje się jako rozpuszczalnika w podczerwieni- bo będą widoczne widma cząsteczki i dlatego, że kuwety zbudowane są z kryształów jonowych (higroskopijne materiały)

Widmo

• Zależność liczby falowej (1/cm) oś OX do %T = % transmisji oś OY

Spektrofotometr IR:

• klasyczny

• z transformacją Fouriera

Klasyczny dyspersyjny spektrofotometr IR:

1. Źródło promieniowania (rozgrzane do >1000ºC ciało stałe żarzące się np. włókno Nernsta=pręt ceramiczny z pierwiastków ziem rzadkich (cer, cyrkon, tor, itr) dł. cm i śr. mm, globar=pręt silikonowy z S i C, promiennik chromowo-niklowy)- w połączeniu z prądem na skutek wzrostu temp. do 50000ºC zaczynają promieniować MIR

2. Pomieszczenie na próbkę i odnośnik (komora pomiarowa) + przerywacz wiązki w dwuwiązkowych przyrządach pomiarowych- przechodzi przez nie pełne polichromatyczne promieniowanie, próbką może być substancja w każdym stanie skupienia

3. Monochromator (siatka dyfrakcyjna)- rozszczepia promieniowanie, które przeszło przez próbkę, siatkowy lub Czernego-Turnera

4. Detektor prom. IR- zmienia sygnał optyczny na elektryczny:

• Fotodetektory- z materiałów dostępnych

• Detektory termiczne:

• Termoelektryczne- termopary- termoogniwa- wytworzenie na obwodzie elektrycznym SEM na skutek umieszczenia dwu złącz obwodu o różnej temp.

• Termo oporowe- bolometr- termometr oporowy- reaguje na zmianę temp. aktywnej części, spowodowaną prom. IR, zmiana oporności i spadek napięcia elektrycznego

• Pneumatyczne- komórka Galaya- czuły termometr gazowy, prom. IR ogrzewa gaz i zmienia go na sygnał na skutek wzrostu ciśnienia

5. Rejestrator, wzmacniacz, komputer

Spektrofotometr z transformacją Fouriera (FTIR):

1. Źródło promieniowania

2. Interferometr Michelsona- układ dwóch zwierciadeł (jednego w stałej odległości, drugie może się przesunąć względem półprzepuszczalnego) i jednego półprzepuszczalnego PRZED PRÓBKĄ

• Półprzepuszczalne zwierciadło (dzielnik wiązki)- część prom. przepuszcza a część odbija

• Obie wiązki trafiają na zwierciadło- odbite- nieruchome zwierciadło- wracają wiązki do dzielnika, ale są przesunięte w fazie i spotykają się ze sobą, interferują i kierowane na próbkę

• Sygnał zapisywany za pomocą interferogramu jako funkcję transmitancji względem absorbancji i dopiero to zmienia się na funkcję transmitancji względem długości fali lub częstotliwości

3. Komora pomiarowa

4. Detektor

5. Komputer- transformacja Fouriera interferogramu (sygnał z detektora przy danym położeniu ruchomego zwierciadła w funkcję czasu) na klasyczne widmo IR

Zalety spektrofotometrii FTIR:

• Duża zdolność rozdzielcza

• Wysoka czułość (próbki w ilościach nanogramowych)

• Duża szybkość rejestracji widma

• Możliwość sprzężenia z chromatografem gazowym (rejestracja wielu związków opuszczających kolumnę)

Kuwety pomiarowe:

• Materiał przepuszczalny dla IR= kryształy jonowe halogenków metali alkalicznych: KCl, KI, KBr, LiF,

• Stałe lub rozbieralne

• Mała grubość (0,05-0,2mm)

• Możliwość rejestracji widm próbek stałych (pastylki z K, pasta z olejem mineralnym) i gazowym (kuwety metalowe z okienkiem z KBr)

Rozpuszczalniki:

• Każdy absorbuje

• Dobrać tak, aby nie dawał pasm absorpcji przy pasmach charakterystycznych dla próbki

• Nie woda!- elementy spektroskopowe są higroskopijne, daje szerokie intensywne pasma

• Chloroform z wyboru!

• Tetrachlorek węgla, disiarczek węgla= silne mutageny, kancerogeny, teratogeny

Niektóre drgania o wysokiej autonomii

Drgania charakterystyczne- są to drgania słabo sprężone z drganiami atomów tworzących wiązania sąsiednie tzn. układ oscylacyjny danej grupy atomów, w określonej grupie drganie podstawowe jest dominujące (pozostałej części cząst. są znikome). Są one wysokoenergetyczne.

Drgania charakterystyczne:

• drgania rozciągające wiązania wielokrotne (o dużej stałej siłowej)

• drgania wiązań O-H, N-H, C-H, S-H (mała M_red)

Energia oscylacji to parametr zależący wprost proporcjonalnie od f i odwrotnie proporcjonalnie od M_red

E_osc ~ pierwiastek z f/M_red

f-stała siłowa wiązania, M_red - masa zredukowana atomów o masach m₁ i m₂

Częstości charakterystyczne:

Drgania charakterystyczne dla określonego ugrupowania atomów występują w tym samym, wąskim przedziale częstości, niezależnie od struktury reszty cząsteczek. Takie cząsteczki noszą nazwę częstości charakterystycznych lub cząsteczek grupowych.

Przykłady częstości grupowych:

• C=C (v) w układach aromatycznych: 1625-1575 cm^-1, 1525-1440 cm^-1

• C≡N (v) 2260-2215 cm^-1

• C≡C (v) 2260-2100 cm^-1

• O-H (v) 3700-3200 cm^-1- charakterystyczne pasmo

• C=O (v) 1850-1540 cm^-1- charakterystyczne intensywne pasmo

Rejony absorpcji w widmach IR:

• zakres 3700-3200 cm^-1 - drgania rozciągające wiązania O-H, N-H, ≡C-H

• 3200-2500 cm^-1 - drgania rozciągające wiązania =C-H w alkenach i węglowodorach aromatycznych oraz wiązaniach -C-H w gr. alkilowych i wiązaniach S-H (C≡C, C≡N)

• zakres 2300-2000cm^-1 - drgania rozciągające wiązania ≡ i skumulowane = wiązania podwójne

• zakres 1850-1500cm^-1 - drgania rozciągające wiązania podwójne C=O, C=C, C=N, N=O i drgania deformacyjne wiązania N-H np. C=O (v)- 1850-15400cm^-1, N-H (δ w amidach (1620-1540cm^-1) i polipeptydach (1650-1510cm^-1)

• zakres 1500-1350cm^-1 - drgania reformacyjne w płaszczyźnie wiązań C-H

• zakres 1350-1000cm^-1 - główna część obszaru daktyloskopowego . Do interpretacji widma można wykorzystywać drgania rozciągające wiązań C-O (1260-1000cm^-1) i innych wiązań pojedynczych (C-C, C-N)

• zakres 1000-635 cm^-1 - drgania deformacyjne wiązań C-H (poza płaszczyzną molekuły) w układach aromatycznych pozwalające określić typ podstawienia i drgania rozciągające C-Cl (800-600cm^-1).

• Brak silnych pasm w obszarze 910-650cm^-1: struktura niearomatyczna

Interpretacja widm IR

• zakres 3700-1500 cm-¹ obszar grup funkcyjnych- ubogi w pasma

• zakres 1500 - 700 cm-¹ obszar grup daktyloskopowy

(jak „odcisk palca”- złożony z wielu charakter. pasm, charakter. dla danej grupy cząst. jak dla człowieka linie papilarne nawet izomery strukturalne różnią się układem pasm)

Reguły interpretacji widm IR:

• Poszukujemy pasma odpowiadającego grupie karbonylowej (1850-1540cm^-1), jest to zazwyczaj najbardziej intensywne pasmo w widmie

• Jeżeli jest obecne poszukujemy inne pasma zawierające gr. funkcyjne zawierające wiązania C=O

Zastosowanie spektrofotometrii IR:

• Analiza strukturalna (grup funkcyjnych i typów wiązań w związkach)

• Identyfikacja związków chemicznych (porównanie z bibliotekami widm)

• Badania biomolekuł (białka, cukry, lipidy, kwasy nukleinowe)

• Badania komórek i tkanek (mikrospektroskopia FTIR)

• Można dzięki podczerwieni rozróżnić izomery.

Kwasy karboksylowe: drgania rozciągające wiązania O-H, bardzo szerokie pasmo z max 30000cm^-1

Amidy:

• Drgania rozciągające wiązanie N-H (ok. 3400cm^-1) pasmo nie tak szerokie jak OH

• Drgania rozciągające wiązanie C=O (1690-1630cm^-1)= I pasmo amidowe

• Drgania deformacyjne wiązania N-H (1620-1540cm^-1)= II pasmo amidowe

Estry: drgania rozciągające wiązanie C-O (1260-1000cm^-1)

Aldehydy: drgania rozciągające wiązania C-H w grupie aldehydowej= dwa słabe pasma- ok. 28500 oraz 2750cm^-1

Ketony:

• Jeżeli w widmie nie ma pasma grupy karbonylowej natomiast występuje szerokie i intensywne pasmo przy ok. 3400cm^-1 oraz pasmo odpowiadające drganiom rozciągającym C-O- alkohol

• Obecność pasma odpowiadającego drganiom rozciągającym i deformacyjnym wiązania N-H- amina

• Obecność pasma odpowiadającego drganiom rozciągającym wiązanie C-O- eter

• Czy są wiązania podwójne, pierścienie aromatyczne (drgania rozciągające wiązania C=C w aromatach, zwykle dublet), czy są wiązania potrójne, jest grupa nitrowa, itd.

80%T - mało intensywne

20%T - bardzo intensywne

Podczerwień to analiza jakościowa.

---