Прямая и обратная задачи



бет4/4
Дата23.01.2020
өлшемі174 Kb.
#56380
1   2   3   4
Байланысты:
Лекции физметоды рус

Контрольные вопросы





  1. Что такое хромофоры?

  2. Как классифицируются хромофоры?

  3. Что такое ауксохромы?

  4. Как изменяется положение полосы поглощения хромофорной группы при присоединении к молекуле ауксохрома?

  5. Укажите основные типы электронных переходов внутри валентной оболочки

  6. Дайте сравнительную характеристику положения и интенсивности полос поглощения электронных переходов

  7. От чего зависит положение и интенсивность полосы поглощения электронного перехода?

  8. Как влияет полярность растворителя на положение полосы поглощения электронного перехода?

  9. Что такое батохромный сдвиг?

  10. Что такое гипсохромный сдвиг?

  11. Что такое гипохромный и гиперхромный эффекты?

  12. Какие переходы называются вибронными?

  13. Приведите пример молекулы, в электронном спектре которой будет наблюдаться полоса, характерная для электронного перехода с переносом заряда

  14. Приведите пример производного бензола, для которого в электронном спектре будет наблюдаться полоса поглощения перехода с переносом заряда.


Аналитическое применение электронной УФ-спектроскопии.

Применение УФ-спектроскопии для структурного анализа органических,

неорганических и комплексных соединений
Чаще всего электронную спектроскопию применяют для измерений в диапазоне длин волн 2100-7500 Ǻ, и большинство недорогих промышленных приборов работают именно в этом диапазоне. В диапазоне 1900-25000 Ǻ можно исследовать образцы в газообразном, жидком состоянии, а также в виде растворов. Твердые вещества можно исследовать в виде монокристаллов или же в виде таблеток, спрессованных на гидравлическом прессе в смеси с NaCl или KCl. Спектры порошкообразных веществ можно исследовать в более узком диапазоне от 4000 до 25000 Ǻ, используя отраженный свет или изготовляя образцы в виде суспензий.

Поскольку многие вещества имеют сходные спектры поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях, то использовать электронную спектроскопию для идентификации веществ невозможно без дополнения другими данными. Скорее электронные спектры могут быть использованы как подтверждающие природу того или иного вещества, структура которого была установлена другими методами.

Для этой цели используются следующие спектроскопические данные: λmax, νmax а также форма полос поглощения. Кроме того, важно учитывать влияние растворителя на положение полосы поглощения (батохромный, гипсохромный сдвиги). Для большого числа веществ имеются справочные данные, облегчающие анализ спектров.

В далекой УФ области поглощают алканы, циклоалканы и очень многие другие предельные соединения, являющиеся прозрачными в видимой области спектра. Самыми коротковолновыми являются σ→ σ* переходы, имеющие место в таких молекулах. При наличии в насыщенной молекуле гетероатомов. таких, как сера, кислород, азот, т.е. содержащих неподеленные электронные пары, наблюдаются слабые или средние по интенсивности n→σ* переходы, имеющие более низкую энергию. Так, в триэтиламине наблюдаются два перехода при 2273 и 1990 Ǻ. В таблице приведены поглощения некоторых насыщенных соединений.


Таблица

Частоты электронных переходов в некоторых молекулах




Соединение

λmax, Ǻ

ε

среда

СН4

1219







С2Н6

1350







H2O

1667

1480

пар

MeOH

1835

150

-//-

Me2O

1838

2520

-//-

Me2S

2290, 2100

140, 1020

в этаноле

S8

2750

8000

-//-

F2

2845

6

пар

Cl2

3300

66

-//-

Br2

4200

200

-//-

I2

5200

950

-//-

ICl

4600

153

в CCl4

SCl2

3040

1150

-//-

PI3

3600

8800

в Et2O

AsI3

3780

1600

в петролейном эфире

Простые изолированные хромофоры, такие, как изолированные кратные связи, также поглощают в далекой УФ-области и прозрачны в ближней УФ-лбласти. В электронных спектрах ярко проявляется эффект так называемого π- π сопряжения: полосы поглощения при этом сильно смещаются в длинноволновую область и сильно возрастает их интенсивность (батохромный сдвиг с гиперхромным эффектом). Чем длиннее цепь сопряжения, тем больше оба этих эффекта, и наблюдается практически линейная зависимость квадрата λmax от числа сопряженных двойных связей. Для системы сопряженных двойных связей характерно плоское строение скелета молекулы с цис- или транс-конформацией. При этом для транс-конформации наблюдается более высокая интенсивность полосы поглощения. Так, для бутадиена-1,3 полоса 217 нм, относящаяся к транс конформации, является преобладающей.

Весьма характерны спектры ароматических соединений. Бензол в гексановом растворе имеет три полосы поглощения: λmax=184 нм (ε=60000), 203,5 нм (ε=7400) и 254 нм (ε=204). При появлении заместителей в бензольном кольце длинноволновая полоса претерпевает батохромный сдвиг и при этом сильно растет её интенсивность. Это же наблюдается и при увеличении числа конденсированных циклов. Приведенные примеры показывают, что УФ-спектроскопия может с успехом использоваться для изучения структурной изомерии, как статической (цис-, транс-), так и динамической (таутомерия).

Характерные изменения в УФ спектрах наблюдаются при образовании внутри- и межмолекулярных водородных связей. Межмолекулярная водородная связь приводит к синему сдвигу полос n→π* и n→σ* переходов и к красному сдвигу полос π→π* переходов. Красным сдвигом полос π→π* переходов характеризуется также образование внутримолекулярной водородной связи. Сдвиг полос π→π* переходов сопровождаются увеличением интенсивности, а сдвиги с участие несвязывающих n электронов, наоборот, уменьшается вплоть до полного исчезновения. Это понятно, так как именно эти электроны участвуют в образовании водородных связей.


Вопросы коллоквиума 2

  1. Спектроскопия ЯМР

  2. Масс-спектрометрия

  3. Колебательная и вращательная спектроскопия (КР и ИК спектроскопия)


Спектроскопия ЯМР
Спектры ядерного магнитного резонанса (ЯМР) чрезвычайно полезны для идентификации и анализа органических соединений. Принципы. на которых основан этот вид спектроскопии довольно просты. Ядра определенного рода атомов действуют как крошечные магниты, которые в магнитном поле –поворачиваются все в одном направлении. В ЯМР-спектроскопии мы определяем энергию, требующуюся для изменения направления ориентации магнитных ядер в магнитном поле. Если поместить образец вещества, например, этилового спирта в центр магнитной катушки и постепенно повышать напряженность магнитного поля, то при определенной величине напряженности вещество начнет поглощать энергию и ток, протекающий по катушке, возрастет. В результате получают спектр, содержащий достаточно много характерных деталей и поэтому могущий служить в качестве удобного «отпечатка пальца» данного вещества.

В какого рода соединениях можно ожидать поглощения вследствие магнитного резонанса ядер? Магнитными свойствами всегда обладают ядра с массой, выражаемой нечетным числом (1Н, 13С, 15N, 17О, 19F, 31Р и т.д.), а также с четной массой ядер, но с нечетным атомным номером (2Н, 10В, 14N и др.). Ядра, подобные 12С, 16О, 32S с четной массой и четным порядковым номером не обладают магнитными свойствами и не дают сигналов ЯМР.

ЯМР-спектры могут быть настолько простыми, что будут содержать единственный пик поглощения, но могут быть и гораздо более сложными. Сложная структура спектра имеет свои положительные стороны, так как содержит больше полезной информации и делает спектр более индивидуальным. С другой стороны сложность спектра может затруднить использование спектра для целей качественного анализа и установления структуры.

Химический сдвиг. В молекуле этилового спирта имеются атомы водорода трех типов: метильные (-СН3), метиленовые (-СН2-) и гидроксильный (-ОН). В магнитном поле для ядер водорода каждого типа магнитное окружение будет несколько различаться, причиной этого является сдвиг валентных электронов соседних атомов под действием внешнего магнитного поля. Напряженность магнитного поля при данном ядре обычно меньше, чем напряженность приложенного внешнего магнитного поля, поскольку движение электронов приводит к эффекту экранирования.

Наиболее существенно то, что эффект, возникающий в результате движения электронов, будет различен в зависимости от типа водорода, и вследствие этого резонансный сигнал от водорода каждого типа будет наблюдаться при различных напряженностях внешнего магнитного поля. Кривая зависимости величины сигнала от напряженности поля (собственно спектр ЯМР) в случае этилового спирта обнаруживает три основные группы линий, причем площадь пиков пропорциональна числу атомов водорода каждого типа.

Различия напряженностей поля, при которых дают сигналы ядра одного вида (например, протоны), но находящиеся в различном окружении, называются химическим сдвигом. Химические сдвиги всегда измеряются относительно какого-либо стандарта. Для протонов в органических молекулах наиболее удобен тетраметилсилан (СН3)4Si, который дает очень узкий и интенсивный единственный сигнал в области, где поглощают очень немногие другие виды протонов. Химический сдвиг обычно выражают в герцах относительно тетраметилсилана (ТМС).

Большинство ЯМР-спектрометров, используемых в лабораторной практике, работают на радиочастотах 40, 60 или 100 МГц. Для удобства сравнения значения хим. сдвигов, измеренные при различных частотах и выраженные в герцах, делят на частоту. Полученная единица измерения называется м.д. (миллионная доля).



Спин-спиновое расщепление. Органические молекулы, имеющие одинаковые атомы, но различных типов (как, например, протоны в молекуле этилового спирта), и находящиеся по соседству друг с другом, дают резонансный сигнал, состоящий из нескольких линий. Это является результатом спин-спинового расщепления. Количество линий в полосе поглощения строго определенное и они отстоят на равных расстояниях друг от друга (эффект «первого порядка»).

Каким образом расшифровывают спектр, содержащий так много линий? Прежде всего, химический сдвиг легко распознать, основываясь на том факте, что расстояние между основными группами линий прямо пропорционально рабочей частоте ν. Если удвоить ν, то расстояние между группами также увеличится вдвое. Наоборот, расстояние между линиями в группах (эффект «первого порядка») не зависит от ν. С помощью изотопного замещения дейтерием атомов водорода в молекуле иодистого

этила можно показать, что семейства из трех и четырёх линий, наблюдаемые для спин-спинового расщепления в соединениях, содержащих этильные группы ( к примеру, Х – СН2 – СН3), возникают вследствие магнитного взаимодействия группы протонов одного типа (метиленовых) с другой группой протонов (метильных).

Магнитные моменты дейтеронов гораздо меньше моментов протонов, и замещение одного протона в метиле этильной группы на дейтерий (Х – СН2 – СН2Д) дает для метиленовой группы триплетный сигнал. Если заместить два протона на дейтерий (Х-СН2 – СНД2), то получим дуплет. Замещение всех трех протонов на дейтерий (Х – СН2 – СД3) приводит к синглетному сигналу.

Таким образом, в данном простом примере мультиплетность сигнала равна (n+1), где n – число протонов при соседних атомах углерода. Протоны с одинаковым химическим сдвигом (эквивалентные протоны) не дают расщепления (в данном примере протоны метиленовой группы между собой) и поэтому в таких соединениях, как Н2, СН4, С2Н6 спектр магнитного резонанса состоит из единственной резонансной линии. В целом, величина спин-спинового расщепления вследствие воздействия одного протона на другой (или на группу эквивалентных протонов) зависит от числа и типа разделяющих их химических связей и от пространственных отношений между группами.

В случае простых систем, не содержащих двойных связей и имеющих нормальные углы между связями, величина расщепления для неэквивалентных протонов (т.е. для протонов с различными хим. сдвигами) составляет:

│ │ │ │ │ │

Н – С – Н Н – С – С – Н Н – С – С – С – Н

│ │ │ │ │ │

10-15 Гц 5-8 Гц ≈ 0


При затрудненном вращении или при наличии групп, связанных двойной или тройной связью, наблюдаются большие различия в характере расщепления. Так, хотя взаимодействие «через четыре связи» в соединении, не содержащем сопряженные кратные связи практически равно 0, в соединении
СН3 – С ≡С – С ≡С – С ≡С – СН2Х
было найдено небольшое взаимодействие «через 9 связей». «Дальнее взаимодействие» для соединений с двойными связями часто имет большую величину, однако взаимодействие через две связи для водородов, расположенных на одном конце двойной связи практически равно 0:
Н

Н – С =


Распределение интенсивностей линий при спин-спиновом расщеплении обычно подчиняется простому правилу в тех случаях. когда хим. сдвиг значительно больше

расщепления. Один протон дает симметричный дублет, два протона в группе – триплет с распределением интенсивностей 1:2:1, три протона в группе – квартет с распределением интенсивностей 1:3:3:1, четыре протона – квинтет с распределением интенсивностей 1:4:6:4:1 и т.д.


Контрольные вопросы


  1. Какие ядра не проявляют магнитные свойства и не дают сигнала в ЯМР?

  2. Обладают ли магнитными свойствами ядра трития?

  3. Какое явление получило название химического сдвига?

  4. Чем вызвано явление химического сдвига?

  5. Сколько полос поглощения можно наблюдать в ЯМР-спектре этанола?

  6. Сколько полос поглощения можно наблюдать в спектре поглощения ацетона?

  7. Чем обусловлен выбор тетраметилсилана в качестве стандарта в ЯМР-спектроскопии?

  8. Нарисуйте ЯМР спектры и интегральные кривые для хлористого метила, хлористого этила (при 60 МГц и ТМС в качестве стандарта)

  9. По ЯМР-спектру и брутто-формуле соединений определить структурную формулу


Масс-спектрометрия
Применение масс-спектрометрии для исследования органических соединений основано на бомбардировке их пучком электронов средних энергий в высоком вакууме и анализе образующихся при этом заряженных частиц и фрагментов «осколков». Коммерческие масс-спектрометры приспособлены для анализа положительно заряженных частиц, хотя ведется интенсивная разработка аппаратуры для анализа отрицательно заряженных частиц.

Положительно заряженные ионы, образовавшиеся в результате бомбардировки, разгоняются в электрическом поле, создаваемом отрицательно заряженными пластинами, и поток их, изгибаясь, попадает в канал анализатора, где они рассортировываются анализирующим магнитом в зависимости от их соотношения массы и заряда. При хорошем разрешении в коллектор попадают частицы только одной массы. Так например, при бомбардировке метилэтилкетона и ацетона образуются фрагменты СН3+, СН3 – СН2+, СН3 – СО+ и т.д.

Характер расщепления является функцией энергии бомбардирующих электронов и может служить в качестве необычайно характерного «отпечатка пальца» данной молекулы. Например, ацетон и пропионовый альдегид изомерны друг другу, но характер распада на фрагменты у них совершенно разный.

Процесс ионизации и типы ионов. Процесс ионизации атомов наиболее прост: в большинстве случаев образование однозарядных ионов происходит в результате выбивания электрона из наружной валентной оболочки атома. Процесс ионизации многоатомных молекул более сложен. Образующийся молекулярный ион может быть устойчив, а может и нет.

В последнем случае термодинамически неустойчивая система, стремясь перейти в устойчивое состояние, распадается (диссоциирует). Такой процесс называется диссоциативной ионизацией. Он приводит к образованию нескольких типов ионов. С увеличением числа атомов в молекуле увеличивается вероятность фрагментации молекулы. Углеводороды с малой массой с большей вероятностью образуют устойчивые молекулярные ионы.

Большой устойчивостью обладает структура бензольного кольца. Поэтому в ароматических углеводородах вероятность образования молекулярного иона выше, чем в алифатических. Повышение стабильности молекулярного иона может быть достигнуто введением в молекулу групп атомов с низким потенциалом ионизации или заменой дестабилизирующих молекулярный ион групп такими, которые повышают устойчивость, например, -С6Н5, -ОСН3, -N(CH3)2 и др. Такие атомы и группы атомов, как –NO2, –Cl, -Br, -I уменьшают стабильность молекулярного иона.

Молекулярный ион может претерпевать фрагментацию в различных направлениях, обусловленных строением исходной молекулы и методом ионизации. Строгая теория распада молекулярного иона отсутствует. Качественные полуэмпирические представления о направлениях фрагментации используют в основном принципы минимума структурных изменений в результате разрыва связей при фрагментации.

На практике же такие представления не всегда подтверждаются. Так, в масс-спектре Tl – O – Tl присутствует ион Tl2+ и отсутствует ион TlO+ . Ионизация молекулы и фрагментация образовавшегося молекулярного иона в большом числе случаев сопровождается разрывом одних и образованием других связей. Так, классическим примером перегруппировочного иона является ион тропилия. который образуется по схеме
6Н5СН2]+
Этот ион наблюдается во многих масс-спектрах производных толуола.

В процессе ионизации могут образовываться неустойчивые (метастабильные ионы). Однако, если время жизни таких ионов составляет порядка 10-5 сек. то такие ионы будут регистрироваться. Однако пики таких ионов имеют диффузный характер.

В процессе бомбардировки молекулы могут также образоваться отрицательные ионы в результате резонансного захвата электрона нейтральной молекулой
АВ + е → АВ
в результате ион-молекулярной реакции
АВ + С - → АВС
при распаде молекулы на два иона
АВ → А - + В +

Однако вероятность образования отрицательных ионов при электронном ударе очень мала и составляет примерно 10-7 на одно столкновение.



Методы ионизации. Ионизация молекул должна происходить в таких условиях, при которых образовавшийся ион независимо от метода ионизации не претерпевал бы никаких столкновений с другими ионами и молекулами. Это необходимо, чтобы установить взаимосвязь между свойствами иона и молекулы. Экспериментально столкновения можно избежать в движущемся потоке (пучке) молекул. Ионизация может осуществляться с помощью электронного удара, методом фотоионизации, ионизацией электрическим полем, химической ионизацией.

Метод электронного удара наиболее простой и доступный. Основное условие – энергия ионизирующих электронов должна быть выше энергии ионизации молекулы. Обычно используют электроны с энергией 50-100 эВ. Основным недостатком метода является неполная монохроматичность ионизирующих электронов. Метод электронного удара позволяет получать также отрицательные ионы.

В методе фотоионизации используются источники излучения с энергией 7-15 эВ, длина волны заключена в пределах 80-120 нм. Это главным образом ультрафиолетовое излучение разряда в благородных газах при использовании в качестве монохроматора дифракционных решеток. Фотоинизирующие источники обладают более высокой монохроматичностью излучения, чем в методике электронного удара, поэтому масс-спектры, полученные данным методов, имеют меньшее число линий и легче для расшифровки. Однако метод фотоионизации не столь широко распространен из-за больших технических трудностей с созданием соответствующей аппаратуры.

Ионизация электрическим полем достигается на острие электрода при градиенте поля порядка 107 – 108 В/см. Под влиянием такого сильного неоднородного поля происходит туннельный переход электрона от молекулы к аноду с образованием положительного ион-радикала, который выталкивается этим полем. Обычно в данном методе не происходит фрагментации молекулы и образуются в основном молекулярные ионы. Недостаток метода – плохая воспроизводимость масс-спектров.

Химическая ионизация осуществляется при столкновении газа-реагента с исследуемой молекулой. Ионы газа реагента получают в ионизационной камере методом электронного удара. при химической ионизации также понижена фрагментация молекулярного иона. В качестве газа-реагента используют метан, трет-бутан, пропан. В ионизационной камере из этих газов получают реактивные ионы СН5+, С2Н5+, С4Н9+. Эти ионы являются сильными кислотами Льюиса. В ион-молекулярных реакциях они активно присоединяют протон к молекуле с образованием иона (М+Н)+, либо отщепляют от молекулы гидрид-ион с образованием иона (М-Н)+. Имеются большие технические трудности в создании прибора.
Контрольные вопросы


  1. Назовите основные методы ионизации молекул

  2. Укажите недостатки метода ионизации электронным ударом

  3. Укажите недостатки метода ионизации электрическим полем

  4. Какие методы ионизации позволяет избежать фрагментации молекулы?

  5. Какие ионы образуются при диссоциативной фрагментации молекулы ацетона?

  6. Какие ионы образуются при диссоциативной фрагментации молекулы пропионового альдегида?

  7. Нарисуйте схему масс-спектрометра. Какую функцию выполняет магнит в устройстве масс-спектрометра?

  8. Каким способом достигается ионизация исследуемой молекулы в методе химической ионизации?


Колебательная и вращательная спектроскопия

(КР и ИК спектроскопия)
Инфракрасный спектрометр – прибор, наиболее широко используемый для исследования структуры органических соединений. Инфракрасные спектры в диапазоне длин волн 2-15 мкм представляют наибольший интерес. Анализировать можно вещества в газообразном. жидком, твердом состояниях. Твердые вещества анализируются в виде тонких суспензий в различных маслах или растираются с бромистым калием и прессуются с помощью гидравлического пресса в таблетки. Между спектрами твердого вещества и спектрами его часто наблюдаются значительные различия.

Поглощение веществом излучения в диапазоне 5000-1250 см-1 связано с изменением колебательных и вращательных состояний различных связей. Полосы поглощения между 1250 и 675 см-1 связаны со сложными изменениями колебательной и вращательной энергии молекулы и являются очень характерными для каждой молекулы. Эту часть спектра назвали областью «отпечатков пальцев». Она чрезвычайно полезна для установления химической однородности исследуемого образца. Легко увидеть, что спектры ацетона и метилэтилкетона очень похожи, но существенно различаются в области 1250-675 см-1. Следует заметить, что в ИК-спектрах нет особенно узких линий. Это связано с тем, что изменения вращательной энергии могут одновременно сопровождаться изменениями колебательной энергии молекулы. Поэтому для сложных молекул тонкая вращательная структура полос поглощения зачастую не может быть разрешена.

Спектры комбинационного рассеяния (КР) являются полезным дополнением к ИК-спектроскопии. КР-спектры возникают в результате «захватывания» молекулой на очень короткое время легких фотонов и приобретения (или потери) последними части энергии. При этом изменяется вращательная и колебательная энергия молекулы. Далее захваченные фотоны вновь излучаются в виде рассеянного света. На фотопластинке спектрометра комбинационного рассеяния появляются дополнительные линии, расположенные выше или ниже длины волны падающего света.

Несмотря на то. что длины волн рассеянного света при комбинационном рассеянии света соответствуют поглощению или излучению в ИК области, ИК- и КР-спектры не всегда идентичны. Так, часто сравнение ИК и КР-спектров может дать ценную информацию относительно симметрии молекулы. Причина заключается в том, что электрически симметричная молекула не поглощает в ИК-области (например, Н2, О2, СН2=СН2). Однако при комбинационном рассеянии происходит возбуждение симметричных колебаний, и в спектре появляются характерные полосы. В качестве общего вывода можно сказать, что молекула не имеет существенных свойств симметрии, если всем её полосам поглощения в ИК-спектре соответствуют линии в спектре КР.



Применение ИК- и КР-спектроскопии. Чаще всего измерения инфракрасной области охватывают диапазон от 5000 до 250 см-1, причем лимитирующим фактором оказывается решетка монохроматора. Решетка выделяет из полихроматического излучения монохроматическое, поэтому становится возможным измерять величину поглощения с изменением длины волны. Результирующий спектр представляет собой график зависимости оптической плотности образца или процента пропускания от длины волны.

Кювету для образца обычно изготовляют из NaCl, CaF2, AgCl, BaF2, TlCl. Для работы с растворителями (подобными воде) которые могут растворить материал кюветы, ячейки изготавливают из специального оптического материала иртрана 2 (Irtran 2). Недостаток такого материала, как AgCl заключается в его потемнении при облучении.

Шкала длин волн прибора обычно меняется при его работе, поэтому прибор необходимо регулярно калибровать. В диапазоне 5000-650 см-1 для калибровки в качестве стандарта используют полистирол, аммиак или пары воды.

Методом ИК-спектроскопии можно исследовать газы, жидкости, твердые вещества и растворы. При изучении большинства газообразных веществ необходимы специальные кюветы с большой длиной оптического пути. Твердые образцы часто изучают в виде суспензий в парафиновом масле или гексахлорбутадиене. Для приготовления суспензии образец измельчают до частиц очень небольшого размера, суспендируют в масле. Полученную пасту наносят тонким слоем между пластинами из хлорида натрия (или другого оптического материала). Качество полученного спектра сильно зависит от способа приготовления суспензии. В спектре суспензии могут появиться полосы, обусловленные поглощением суспендирующего агента, которые могут закрывать полосы образца. Спектры образцов, суспендированных в парафиновом масле (нуйоле) и гексахлорбутадиене снимают в диапазоне 5000-650 см-1. Твердые образцы исследуют в виде таблеток с KBr. Исследуемое вещество тщательно растирают с бромидом калия, затем порошок прессуют на гидравлическом прессе в тонкую таблетку, которую можно укрепить в держателе прибора и просвечивать. Необходимо помнить, что при измельчении и прессовании таблетки возможны реакции обмена с бромид-ионом или другие реакции.

Для исследования растворов удобнее всего двухлучевые приборы, в которых можно учитывать поглощение растворителя. Раствор образца помещают на пути одного пучка, а в другую кювету помещают чистый растворитель. При этом измеряется разность поглощения, что приводит к компенсации полос растворителя.

В тех областях спектра, где растворитель поглощает очень сильно, оба раствора поглощают почти весь свет, и из кюветы с исследуемым веществом выходит свет такой низкой интенсивности, что его не хватает для работы прибора, и перо самописца «замирает».


Поэтому при выборе растворителя для получения ИК-спектра исследуемого вещества надо пользоваться специальным справочным каталогом оптических материалов, прозрачных в ИК-области спектра.


Многие чистые жидкости можно исследовать в стандартных кюветах из хлорида натрия.

Спектр вещества очень сильно зависит от его физического состояния. У газообразных веществ достаточно четко проявляется тонкая вращательная структура. В спектрах растворов вращательная структура практически не обнаруживается из-за столкновения молекул в конденсированной фазе, происходящих за время одного вращения.

Спектры веществ в различных физических состояниях различаются не только по разрешению тонкой вращательной структуры, но и по числу полос поглощения и по их частоте. Часто в спектрах твердых веществ обнаруживаются полосы, лежащие в области ниже 300 см-1. Они в большинстве случаев обусловлены колебаниями решетки, т.н. колебаниями молекул в узлах решетки. Эти так называемые фоновые колебания могут взаимодействовать с внутримолекулярными колебаниями и приводить к заметным сдвигам полос к большим частотам. Колебания индивидуальных молекул могут взаимодействовать друг с другом, вызывая сдвиги полос и их расщепление. Все это вызывает дополнительные затруднения при расшифровке спектра, причем эти явления более ярко проявляется при исследовании спектров веществ в конденсированной фазе.

С помощью КР спектроскопии исследуют также твердые и газообразные вещества, жидкости, растворы. Жидкости для спектральных исследований необходимо тщательно очищать путем перегонки непосредственно в кювету во избежание попадания посторонних примесей. При этом необходимо очень тщательно удалять пыль, поскольку такие загрязнения сильно увеличивают фоновое поглощение в области возбужденной полосы. По этой же причине следует избегать работы с мутными растворами. Прекрасными растворителями для КР-спектроскопии является вода и тяжелая вода, поскольку в отличие от ИК-спектроскопии они прозрачны в области частот вращательной спектроскопии КР. Кроме воды спектры комбинационного рассеяния можно снимать в растворах сероуглерода, хлороформа, тетрахлоэтилена. Для окрашенных растворов частота возбужденной полосы не должна совпадать с частотой поглощения.

Твердые вещества как и в ИК-спектроскопии лучше всего исследовать в таблетках и суспензиях. Методика их приготовления такая же, как и в ИК-спектроскопии. При исследовании порошков следует отдавать предпочтение крупнокристаллическим образцам.

При идентификации полученного вещества можно сравнивать его спектр со спектром соединения, которое предполагалось получить. Для этого существуют справочные каталоги спектров. При этом чем больше полос в спектре соединения, тем надежнее идентификация. Наличие воды в образце можно обнаружить по полосам поглощения при 3600-3200 и 1650 см-1. Если вода находится в клатратной форме, то помимо этих двух полос наблюдается полоса в области 600-300 см-1. Если вода входит в координационную сферу металла, часто наблюдается полоса в

в области 880-650 см-1.

Если предполагают, что продукт загрязнен исходными веществами, то это нетрудно проверить по наличию в спектре полос, характерных для исходных веществ, если, конечно, они отсутствуют у конечного продукта.



Наличие или отсутствие в молекуле различных функциональных групп устанавливается с помощью концепции групповых колебаний. В этом случае полезными оказываются следующие обобщения:

  • В области частот выше 2500 см –1 почти все основные полосы принадлежат валентным колебаниям водородных связей. Валентное колебание О – Н связи характеризуется полосой при 3600 см –1. Частота валентного колебания N – H лежит в области 3300-3400 см –1. Частота валентных колебаний С – Н варьирует в интервале 2850-3000 см –1. для алифатических и 3000-3100 см –1 для ароматических соединений.

  • Интервал 2500-2000 см –1 характерен для частот валентных колебаний молекул с тройными связями. Группа С≡N характеризуется узкой интенсивной полосой в области 2200-2300 см –1

  • В области 200-1600 см –1 находятся частоты валентных колебаний молекул с двойными связями и деформационных колебаний групп О – Н, С – Н, N – H .

  • Область, ниже 1600 см –1 можно использовать для идентификации многих органических соединений, поскольку в этой области наблюдаются заметные различия в спектрах.


Контрольные вопросы

  1. В каком диапазоне длин волн регистрируются ИК-спектры?

  2. Что может являться причиной различий в ИК-спектрах одного и того же вещества в твердом виде и в растворе?

  3. Укажите три различных способа, которыми могут колебаться три атома в молекуле О=С=О один относительно другого так, чтобы центр тяжести не изменял положения. Определите, два из этих колебаний активны в ИК-области, т.е делают молекулу электрически несимметричной, и какое активно в КР-спектре (т.е молекула остается электрически симметричной в течение всего времени колебания).

  4. Укажите, какие молекулы будут активны в ИК области спектра: Cl2, HCl, CO

  5. Какие оптические материалы могут быть использованы для исследования ИК-спектров растворов веществ?

  6. В каких целях можно использовать ИК и КР спектроскопию?


Достарыңызбен бөлісу:
1   2   3   4




©engime.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет