ИНФРАКРАСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ

Одним из старейших видов молекулярной спектроскопии является спектроскопия в инфракрасной области (ИК-спектроскопия).

Мы уже говорили о волновых свойствах света. Для того чтобы понять принципы, на которых основана ИК-спектроскопия, необходимо познакомиться с внутренним движением атомов в молекулах. Молекулы представляют собой динамические системы. Ковалентно связанные атомы не остаются неподвижными друг относительно друга, как в наших формулах, а непрерывно совершают колебания различного типа, важнейшие из которых - валентные и деформационные:

Рис. 11-6. Гири, подвешенные на пружинах, - модели атомов и химических связей

При валентных колебаниях связь попеременно то растягивается, то укорачивается. Деформационные колебания представляют собой изменение валентного угла между двумя связями одного атома.

Каждому типу колебаний соответствует собственная частота, которая определяется массой связанных между собой атомов и силовой постоянной (прочностью) связи.

Чем больше масса атомов (т. е. чем менее они подвижны), тем ниже частота их колебаний и тем прочнее связь. Ситуацию иллюстрирует рис. 11-6.

В первом случае гиря с небольшой массой подвешена на длинной свободной пружине. Колебания гири будут происходить с частотой, допустим, 50 раз в минуту. Во втором случае на той же пружине подвешена гиря с большей массой. Здесь частота будет ниже, скажем, 25 колебаний в минуту. И наконец, третий случай. На тугой пружине висит такая же большая гиря, как и во втором случае. Частота колебаний окажется выше, чем во втором случае, и составит, допустим, 40 колебаний в минуту.

Для молекул и ковалентно связанных атомов действуют сходные закономерности. Частота колебаний связи выше, чем частота колебаний связи поскольку в первом случае средняя масса атомов меньше, чем во втором. Частота колебаний связи также больше, чем частота колебаний связи так как в первом случае мы имеем дело с более прочной двойной связью.

Органические молекулы поглощают ИК-излучение, частота которого совпадает с собственной частотой колебаний атомов молекулы. При этом происходит усиление колебательного движения (увеличивается амплитуда, но не частота колебаний) и энергия молекулы возрастает, т. е. происходит превращение энергии излучения во внутреннюю энергию молекулы, или поглощение молекулой электромагнитного излучения. ИК-излучение поглощает только молекулы, в которых содержатся полярные ковалентные связи. Ниже показано изменение амплитуды деформационных колебаний молекулы диоксида углерода:

Каждый тип связей имеет ивдивидуальную комбинацию атомных масс и прочности связи и, следовательно, собственную частоту колебаний и поглощает ИК-излучение определенной, характерной для данного типа связи частоты (длины волны).

Соединения, в молекулах которых имеются полярные кратные связи, поглощают электромагнитное излучение в инфракрасной области спектра. Каждый тип связи поглощает излучение характерной для него частоты (длины волны).

Спектры поглощения

С помощью прибора, который позволяет облучать вещество ИК-светом разной длины волны, можно определить длины волн, на которых происходит поглощение. Зависимость поглощения от длины волны (частоты) может быть изображена графически. Типичный ИК-спектр показан на рис. 11-7.

Зная положение полос поглощения различных связей и групп в ИК-спектре, можно с помощью этого спектра установить, имеются ли в исследуемом веществе, те или иные фрагменты структуры. Большая часть спектральной информации, позволяющей обнаружить функциональные группы, расположена в длинноволновой части ИК-спектра, которую часто называют областью функциональных групп. Положение полос поглощения важнейших функциональных групп приведено в табл. 11.1.

Интерпретировать коротковолновую часть спектра труднее. Здесь обычно не удается соотнести каждую полосу поглощения с каким-либо определенным фрагментом молекулярной структуры. Однако контур спектра в этой области индивидуален для каждого вещества. Два различных соединения не могут иметь в точности одинаковые спектры, поэтому ИК-спектры можно использовать для идентификации веществ так же, как отпечатки пальцев для идентификации людей. Если ИК-спектры двух соединений совпадают, значит, эти соединения идентичны.

Как Вы можете увидеть из табл. 11-1, многие функциональные группы дают несколько полос поглощения благодаря наличию нескольких типов связей, а также из-за возможности различных по характеру колебаний. Например, функциональная группа спиртов содержит связи и которым соответствуют полосы поглощения около и в области соответственно. По положению полосы

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Таблица 11-1. (см. скан) Положение полос поглощения важнейших функциональных групп

колебаний связи можно даже различить первичные, вторичные и третичные спирты. На рис. 11-8 показаны ИК-спектры этилового и изопропилового спиртов. Отнесение полос сделано с помощью табл. 11-1.

Инфракрасный спектр соединения - это график зависимости интенсивности поглощения от волнового числа. Положение полос поглощения в спектре позволяет обнаруживать в молекуле вещества те или иные функциональные группы. ИК-спектры позволяют также отождествлять соединение с уже известным веществом.

Интерпретация инфракрасных спектров

Использование ИК-спектроскопии для получения информации о структуре молекулы включает следующие этапы:

1) получение спектра вещества с помощью инфракрасного спектрофотометра;

2) сравнение положения полос поглощения в спектре с соответствующей информацией, содержащейся в таблицах (или в Вашей памяти) и идентификация имеющихся в молекуле вещества функциональных групп;

3) сопоставление спектра со спектром известных соединений, которые публикуются в специальных каталогах или могут быть получены исследователем, если в его распоряжении имеется заведомое вещество, которому, как предполагается, идентично исследуемое.

ПРИМЕРЫ

(см. скан)

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

(см. скан)

УПРАЖНЕНИЯ

(см. скан)