Konspect Ivanova A









ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ










Одесса – 2010

Содержание:
1. Адитивность свойств органических соединений
2. Методы установления частоты и индивидуальности. Хроматографические методы
3. Плоскостная или тонкослойная хроматография (ТСХ)
4. Газожидкостная хроматография
5. Спектральные методы анализа
6. УФ-спектроскопия
7. Поглощение различных классов
1) Предельные углеводороды
2) Ненасыщенные углеводороды
8. Карбонильные соединения
9. Ароматические соединения
10. ИК-спектроскопия
11. Интерпретация ИК-спектра
12. Спектроскопия комбинационного рассеивания света
13. ЯМР-спектроскопия
14. Процессы релаксации
15. Химический сдвиг
16. Спин-спиновое взаимодействие
17. Классификация спиновых систем
18. Методы упрощения спектров
19. Гетероядерная спектроскопия






Адитивность свойств органических соединений
Любой большой ряд органических соединений можно отнести к тому или иному гомологическому ряду. Внутри каждого линейного гомологического ряда наблюдаются закономерные изменения свойств. Тогда, как в случае рассмотрения ряда изомеров такой закономерности не наблюдается. Под свойством мы понимаем любую величину или совокупность величин, которая может быть измерена с помощью прибора или зафиксирована нашими органами чувств (например, запах).
Рассмотрим таблицу. Видим, что 13 QUOTE 1415 алканов увеличивается в ряду:
Ряд алканов
tкип , 0С

C5H12
36,1

C6H14
68,7

C7H16
98,4

C8H18
125,7

C9H20
150,8

C10H22
174,1

Увеличение длины цепочки на 1 гомологическую группу приводит к изменению температуры на 28°С (
·tкип
· 28°С).
Из этого следует, что свойства молекулы целиком можно представить в виде суммы свойств отдельных её структурных фрагментов. В этом и состоит принцип адитивности свойств органических соединений, то есть возможность представить свойства молекулы, как сложного объекта в виде суммы аналогичных свойств отдельных, более простых её частей.
Математически это записывается:
13 QUOTE 1415 (1)
A – некоторое свойство молекулы;
Ai – свойство отдельных её частей;
Ki – вклад каждой из этих частей в общее свойство молекулы.
Молекулярная рефракция определяется по формуле:
13 QUOTE 1415 (2)
n – показатель преломления;
M – молекулярная масса;
d – плотность.
То или иное свойство можно получить в результате сложения свойств более простых частей сложного объекта.
Адитивность свойств органических соединений позволяет нам устанавливать наличие в молекуле отдельных структурных фрагментов по их свойствам, а затем общую структуру молекулы компоновать из этих фрагментов. Если свойство представляет собой совокупность каких либо величин, например, нескольких спектральных линий, то идентификация сводится к сравнению экспериментально полученных этих величин и имеющихся в базе данных. Если свойство описывается одной величиной, то идентификация сводится сравнением экспериментально полученной величины со справочными значениями и выбор наиболее близких значений. При этом достоверность идентификации снижается.
Выражение (1) не является однозначно строгим равенством. Оно представляет в общем случае корреляционное уравнение, зависящее от характера рассматриваемых свойств. Так, например, в случае молекулярной массы это выражение превращается в строгое равенство. В то же время, если мы рассмотрим массу атома, то масса ядра будет меньше суммы массы нуклона, массы ядра, входящих в его состав вследствие так называемого дефекта массы. И в этом случае выражение (1) уже не будет строгим равенством.

Методы установления частоты и индивидуальности.
Хроматографические методы
Основу для развития хроматографических методов заложил русский ботаник Цвет. Он занимался изучением состава красящих веществ растений.
Под давлением силы тяжести растворитель двигается вниз через слой сорбента, увлекая за собой частицы растворенного вещества.
Разделение веществ в эксперименте Цвета произошло вследствие различной сорбируемости молекул на частицах сорбента. В соответствии с теорией Лабиндора на поверхности частичек сорбента существует силовое поле, которое притягивает молекулы из раствора. В результате на поверхности частичек образуется мономолекулярный слой. Этот слой находится в динамическом соответствии с раствором, в процессе которого одни молекулы уходят в раствор, а другие из раствора занимают их место.
Константу равновесия такого динамического равновесия можно представить

Сс – концентрация молекул вещества на сорбенте
Ср – концентрация молекул вещества в растворе
Понятно, что чем выше величина Кр, тем вещество лучше сорбируется на сорбенте, а значит дольше будет вырываться растворитель. И при меньших значениях величины Кр вещество хуже сорбируется на сорбент, а значит быстрее вымывается растворителем.
Сорбируемость – свойство вещества, зависит от строения.
В основе сорбции лежат полярные взаимодействия.
Чем более полярный растворитель, тем лучше он будет сорбировать.
Процессы десорбции сорбируемого на поверхности вещества зависят от полярности растворителя. Чем выше полярность растворителя, тем вещество легче десорбируется и вышивается из слоя сорбентов. Таким образом, общие принципы подхода к выбору растворителей заключается в следующем: чем более полярные вещества разделяются, тем более полярный растворитель используется для их разделения.
При выборе растворителей руководствуется элюотропным рядом, в котором растворители расположены в порядке увеличения полярности: петралейный эфир <циклогексан <сероуглерод; черыреххлористый углерод; дихлорэтан; бензол; хлороформ; диэтиловый эфир; тетрагидрохлораль; этилацетат; ацетон; метилэтилкетон; бутанол; этанол; метанол; вода; уксусная кислота.
Классификация хроматографий
Существует несколько видов:
1. по агрегатному состоянию фаз, в которых происходит разделение веществ, различают: газовую, жидкостную и газожидкостную хроматографию.
2. по механизму разделения веществ различают: адсорбционную, распределительную, окислительно-восстановительную и осадительную хроматографию.
3. по способу осуществления процесса разделения различают: колоночную, капиллярную и плоскостную хроматографию.
Рассмотренная нами выше хроматография цвета представляет собой колоночную адсорбцию хроматографию. В качестве сорбента чаще всего используют селикогель или окись алюминия строго определенного размера частиц. В зависимости от цели анализа сорбент могут дополнительно активировать промывкой минеральными кислотами с последующим высушиванием при температуре равной 300-400C.
Плоскостная или тонкослойная хроматография (ТСХ).
Этот вид хроматографии осуществляется в тонком слое сорбента нанесенного на алюминиевую или пластиковую фольгу. В качестве сорбента – те же сорбенты, которые используются в колоночной хроматографии. В состав сорбента может быть добавлен флуоресцирующий в лучах УФ индикатор.
В основе разделения веществ этим видом хроматографии также лежат процессы адсорбции. Таким образом, в этом случае мы имеем дело с тонкослойной адсорбционной хроматографией. Для разделения веществ этим методом анализируемый раствор с помощью капилляров наносится на пластинку на расстоянии, примерно, 1 см от нижнего края пластинки. Место нанесения называется точкой или линией старта. Пластинка опускается в специальную стеклянную емкость, называемую камерой для ТСХ. На дно камеры налит растворитель, который используют для элюирования компонентов анализируемой смеси. Уровень жидкости должен быть ниже линии старта. Камеру закрывают крышкой и оставляют на 5–10 мин. Под действием капиллярных сил растворитель поднимается вверх по, стоящей под углом, пластинке для ТСХ, увлекая за собой молекулы анализируемых веществ.
Поскольку эти молекулы имеют различную структуру, а значит и различную полярность, то они будут по–разному сорбироваться сорбентом. Менее полярные молекулы будут хуже удерживаться, а значит быстрее перемещаться вместе с растворителем, более полярные соответственно будут сильнее удерживаться на частичках сорбента, а значит медленнее перемещаться за растворителем.
В результате такого процесса через 5–10 мин выдерживания пластинки в камере для ТСХ произойдет разделение веществ, которые раннее находились в одной смеси. Если вещества окрашены, то на пластинке будет наблюдаться, вертикально расположенный, ряд пятен соответствующий различным веществам. В случае неокрашенных веществ хроматограмму проявляют, обрабатывая парами йода, раствором нингидрина, вследствие чего бесцветные пятна приобретают окраску.
Кроме этих способов проявления в хроматографии можно также поместить пластинку в лучи УФ лампы и в этом случае места присутствия органического вещества на пластинке будут более темными по сравнению с общими формами. Количество пятен,находящиеся на проявленной пентаграмме, указывают на то минимальное количество этих веществ. Таким образом, высота подъема пятна от линии старта в принципе может служить величиной, используемой для идентификации этого вещества; однако высота подъема зависит также от целого ряда экспериментальных факторов: температура окружающей среды, выбранного растворителя, степени насыщенности парами растворителя, вида выбранной ТСХ пластинки.
Для исключения этих параметров при характеристике вещества методом ТСХ используют величину 13 QUOTE 1415, которую определяют следующимсоотношением:

При точном соблюдении условий анализа величина13 QUOTE 1415 строго индивидуальна для каждого вещества и может быть использована для идентификации с использованием данных.
В случае невозможности использовать значения 13 QUOTE 1415 для идентификации либо для подтверждения такой идентификации очень часто используют метод Мечикова. В этом случае на линию старта наносится капелька раствора анализируемой смеси, а рядом капелька раствора вещества, наличие которого предполагается в исходной смеси.
На пластинке будет видно, что одно из пятен анализируемого раствора поднялось на ту же высоту, что и пятно метчика. Это позволяет сделать вывод о тождественности структур двух таких соединений.
Главным недостатком метода Мечикова является необходимость наличия чистых веществ, присутствие которых предполагается определить смеси.
Степень разделение веществ с помощью метода ТСХ зависит от концентрации. Для хорошего разделения необходимо использовать разбавленные растворы. При подборе условия разделения растворитель выбирают руководствуясь элюотропным рядом начиная с наименее полярных, постепенно увеличивая полярность для достижения лучшего разделения.
Двухмерная тонкослойная хроматография – это когда пластинку разворачивают на 9013 QUOTE 1415С и измеряют с помощью другого растворителя.
ТСХ обладает рядом преимуществ, которая обладает преимуществами в лабораторной практике:
простота и относительная дешевизна аппаратурного оформления;
быстрота проведения анализа;
возможность определения количества компонентов в смеси и идентификация некоторых из них.
Ограничением метода ТСХ можно считать незначительные возможности в идентификации компонентов смеси и не всегда высокая эффективность в разделении.
Газожидкостная хроматография
Разделение веществ в этом случае происходит между двумя фазами: газовой и жидкой.
В отличии от ТСХ для ГЖХ требуется более дорогое оборудование, которое называется газовый хроматограф.
Принципиальная схема газового хроматографа:


Система подготовки газов (испаритель);
Система ввода пробы;
Хроматографическая колонка;
Термостат;
Детектор;
Система регистрации (компьютер).
Анализируемая смесь с помощью микро-шприца через резиновую мембрану вводится в исправитель. Объем пробы от 0.1 до 1 микролитра, где происходит ее мгновенное испарение. Температура испарителя как правило задается на 50
·С выше, чем температура кипения самого труднолетучего компонента в смеси. Пары анализируемых веществ подхватываются потоком газоносителя (гелий, азот высокой степени чистоты) и увлекаются в в хроматографическую колонку, где и происходит разделение анализируемых веществ. Разделенные компоненты смеси в виде отдельных фракций поступают в детектор, где вызывают всплески электрических сигналов, которые регистрируются системой регистрации в виде отдельных хроматографических пиков. Хроматографическая колонка помещена в термостат, в котором также поддерживается повышенная температура, препятствующая конденсации паров пробы.
Температура термостата как правило подбирается на 50
·С ниже температуры кипения самого труднокипящего компонента смеси.
Хроматографическая колонка представляет собой металлическую или стеклянную трубку длиной от 0.5 м до 10 м с внутренним диаметром 3 мм. Как правило стеклянные колонки более предпочтительны, поскольку нагретые металлические колонки могут приводить к химическим изменениям в процессе анализа. В эту хроматографическую колонку помещают твердый сорбент, на поверхность частичек которого нанесена труднолетучая жидкость, которая называется неподвижной жидкой фазой. В качестве сорбента используются модифицированная диатомитовая глина, тефлон, крупнопористое стекло со строго определенной фракцией. Задача сорбента – удерживать на поверхности частичек слой неподвижной жидко фазы.
С учетом этого к нему предъявляют следующие требования:
высокая удельная поверхность;
термическая устойчивость;
механическая прочность;
низкая химическая активность по отношению к неподвижной жидкой фазе и разделяемым веществом.
К неподвижным жидким фазам предъявляются определенные требования:
низкая летучесть в условиях анализа;
химическая инертность по отношению к анализируемым веществам;
высокая степень чистоты;
способность разделять вещества с высокой эффективностью.
Неподвижные жидкие фазы классифицируют по их полярности:
неполярные (вазелиновые масла, сквола, пидоны);
полярные неподвижные жидкие фазы с локализованными отрицательными зарядами (фтолаты, себацинаты, нитрилы);
полярные жидкие фазы с локализованными положительными и отрицательными зарядами (гидроксиламины, гликоль, полигликоль, пентаэритрин).
Полярность неподвижных жидких фаз характеризуют путем сравнения параметров удерживания на этих фазах и на неполярной фазе ствола следующих веществ: бензол, этанол, метилэтилетон, нейрометан, пиридин.
Разделение веществ хроматографической колонки осуществляется за счет их различной растворимости выбранной в неподвижной жидкой фазе. Те вещества, которые лучше растворяются, будут дольше удерживаться в слое неподвижной жидкой фазы и медленнее переходить в газовую. Таким образом они будут дольше задерживаться в хроматографической колонке и наоборот вещества которые хуже растворяются в неподвижной ЖФ быстрее вымываться потоком газоносителя из колонки.
Таким образом на выходе из хроматографической колонки мы будем иметь чистые компоненты смеси поступающие в виде отдельных фракций в разное время от момента начала анализа. Эти фракции поступают в детектор, существует большое количество разных конструкций детекторов.
Один из первых детектор был катореметр-детектор, который реагировал на изменение теплопроводности газовой смеси. Чувствительность такого детектора составляла 10-6 г.
На смену каторометру пришёл детектор ДИП (детектор ионизационного пламени), он позволяет определять вещества в количестве 10-9 – 10-10 г.
Схема пламенно-ионизационного детектора:


1 – Электрод-коллектор; 2 – горелка; 3 – изолятор электрода-коллектора; 4 – изолятор горелки; 5 – диффузор; 6 – изолятор питания; 7 – электрометр.

Детектор представляет из себя водородную горелку, куда выдуваются водород и воздух. В пламя горелки поступает поток газоносителя из хроматографической колонки. Попадая в высокотемпературное пламя горелки, молекулы газоносителя ионизируются. Таким образом, в области между горелкой и кольцом (сеткой) возникают заряженные частицы. На эти элементы конструкций наложена разность потенциалов, которая приводит к возникновению электрического тока. Его величина регистрируется системой регистрации. Поскольку скорость газоносителя не изменяется в процессе анализа, то количество заряженных частиц тоже постоянно, а значит постоянна и величина тока. Этот постоянный ток фиксируется в системе регистрации в виде прямой линии. Если с газе с носителем в детектор попадает органическое вещество, обладающее более низким потенциалом ионизации, то это приводит к возникновению большого количества заряженных частиц, что в свою очередь приводит к увеличению тока, в которой система регистраций отображается в виде хроматографического пика. В общем случае, чем больше вещества попало в детектор, тем большей интенсивностью обладает хроматографический пик.
Чувствительность такого детектора составляет 10-9 г.
Параметры газовой хроматограммы
В результате разделения исходной смеси соединение на хроматографической колонке и поступление разделенных компонентов в детектор, система регистрации регистрирует ряд электрических импульсов в виде хроматографических пиков, набор которых и представляет собой газовую хроматограмму.
Количество пиков на газовой хроматограмме в идеальном случае соответствует количеству веществ в исходной смеси.
Для того чтобы убедиться в том, что разделение прошло хорошо и количество веществ смеси соответствует количеству пиков, анализ повторяют на хроматографической колонке с другой неподвижной жидкой фазой.
Каждый хроматографический пик на газовой хроматограмме характеризуется двумя параметрами:
1. время удерживания – это время, прошедшее от момента ввода анализируемой смеси в испаритель до момента выхода вершины пика;
2. площадь пика – величина, которая пропорциональна концентрации данного компонента в смеси.

Вследствие того, что чувствительность детектора к различным веществам различна, значение коэффициента k для различных веществ тоже различно. Поэтому для точного определения относительных концентраций веществ в смеси нельзя использовать отношение площадей их пиков.
Величина времени удерживания определяется целым рядом параметров:
1. она зависит от природы вещества и от выбранной неподвижной жидкой фазы.
Особенностью использования колонок с неподвижными жидкими фазами является то, что вещества находящиеся в смеси выходят из таких колонок в порядке возрастания их температур кипения .
2. время удерживания зависит от скорости потока газоносителя. С увеличением скорости время удерживания уменьшается.
3. время удерживания зависит от длины хроматографической колонки. С увеличением длины время удерживания также возрастает. Для того чтобы исключить влияние этого фактора используют исправленное время удерживания.

13 EMBED Equation.3 14154. время удерживания 13 QUOTE 1415 также как исправленное время 13 QUOTE 1415 существенно зависит от температуры хроматографической колонки.
С увеличением температуры, как правило, времена удерживания уменьшаются. Таким образом, из сказанного следует, что такой хроматографический параметр как время удерживание зависит от большого количества экспериментальных факторов и условий, и не может служить для однозначной характеристики вещества с целью его идентификаций.
Поэтому для идентификационных веществ методом газовой хроматограммы используется величина, которая не зависит не от каких экспериментальных параметров получившее название индекс Ковача.


13 QUOTE 1415 – исправленное время удерживания одного из компонентов смеси;
n – количество атомов углерода в углеводороде;
13 QUOTE 141513 QUOTE 13 QUOTE 1415 15 – исправленное время удерживания углеводорода с n атомов углерода;
13 QUOTE 1415 – исправленное время удерживания углеводорода с количеством атомов углерода n+1.
Для экспериментального определения индекса Ковача в хроматографическую колонку вводят смесь, которая содержит чистый компонент анализируемой смеси и 2 углеводорода алканового ряда, стоящие по соседству в ряду. Эту пару углеводородов выбирают таким образом, чтобы хроматографический пик одного из них на хроматограмме находился до пика анализируемого вещества, а пик второго углеводорода после пика анализируемого вещества.
Полученная величина не зависит от экспериментальных параметров и может быть использована для идентификации компонентов смеси, путем сравнения экспериментально полученной величины с имеющейся в базе данных.
Таким образом, эта характеристика может быть использована для идентификации, однако её определить достаточно трудоемко. Поэтому очень часто для идентификации компонентов смеси используют метод Мечикова. В этом случае получают хроматограмму анализируемой смеси, а потом в тех же экспериментальных условиях получают хроматограмму чистых веществ (мечиков, наличие которых предполагается в анализируемой смеси). Совпадение времени удерживания пиков на этих хроматограммах указывает на наличие мечика в смеси.
Недостатком этого метода является необходимое наличие чистых мечиков. Таким образом, газовая хроматограмма может быть использована для качественного анализа смеси. Для количественного определения содержания компонентов смеси необходимо произвести калибровку детектора. Для этого готовят ряд калибровочных растворов, содержащих вещество, концентрация которых определяется в смеси. Концентрацию этого вещества калибровочных растворов точно известна. В одинаковых экспериментальных условиях калибровочные растворы хроматографируют и строят калибровочную зависимость, площади хроматографического пика от концентрации вещества.
Эффективность хроматографической колонки – величина, которая характеризуется способностью хроматографической колонки разделять анализируемые вещества. Чем выше эффективность, тем лучше вещества разделяются. Эффективность колонки выражается числом теоретических тарелок. Число теоретических тарелок N определяется по формуле:

t – время удерживания какого-либо пика;
W – ширина этого пика на половине высоты.
Рассмотренные нами выше хроматографические колонки называются набивными, как правило, для них величина N составляет от 6000-10000 теоретических тарелок.
Дальнейшее увеличение набивных колонок невозможно, поэтому для трудно разделяемых смесей используют капиллярные колонки, представляющие собой металлические, стеклянные или кварцевые капилляры с внутренним диаметром 0,25 мл и длиной до 100 м.
Метод газовой хроматографии позволяет с повышенной эффективностью разделять сложные смеси органических веществ, а также производить качественный и количественный анализ. Аппаратурное оформление этого метода является относительно недорогим. Основными ограничениями ГХ является необходимость испарения анализируемых веществ. Таким образом нелетучие вещества этим методом проанализированы быть не могут.















Принципиальная схема жидкостного хроматографа

Растворители используют в качестве подвижной жидкой фазы залитой в резервуар 1. Далее они поступают в вакуумный объем 2, в котором с помощью насоса 3 создается вакуум для удаления из растворителей газа. Очищенные от газа растворители поступают в насос высокого давления 4, который под давлением подает неподвижную жидкую фазу на предколонку 5, которая представляет собой металлическую трубку, заполненную сорбентом (силикагелем или Al2O3). Она предназначена для дополнительной очистки растворителя. Очищенный таким образом растворитель поступает на делитель потока, где происходит деление потока на 2 части. Одна часть растворителя поступает на детектор 7, а другая часть через инжектор 8 на хроматоргафическую колонку 9 и затем на детектор. В качестве детектора чаще всего используют спектрофотометр, измеряющий оптическую плотность двух потоков растворов при определенной длине волны.
Хроматографическая колонка является сердцем прибора. Она представляет собой стальную трубку (d = 1-10 м), заполненную высокодисперсным сорбентом. Как правило поверхность сорбента удерживает на себе слой жидкости, которая представляет из себя неподвижную жидкую фазу. Эта жидкость не смешивается с подвижной жидкой фазой. Таким образом в хроматографической колонке возникают две несмешанные между собой жидкие фазы. С помощью шприца через инжектор 8 вводится анализируемая смесь, которая подхватывается подвижной жидкой фазой и вносится в колонку. Вследствие различной растворимости веществ в подвижной и неподвижной жидких фазах происходит их разделение и на выходе из колонки появляются отдельные фракции чистых компонентов смеси. Они по очереди поступают в детектор.
В качестве сорбента чаще используют силикагель или оксид алюминия, представляющие собой полярные соединения. Таким образом в качестве неподвижной жидкой фазы чаще использую полярную жидкость, которая хорошо сорбируется на полярном сорбенте. А значит в качестве подвижной жидкой фазы используются неполярные жидкости.
Однако, иногда для цели анализа в качестве подвижной жидкой фазы приходится использовать полярный растворитель. В таких случаях в качестве неподвижной жидкой фазы используют неполярные жидкости. Для ее сорбции на частичках сорбента поверхность сорбента подвергают химической модификации с целью ликвидации полярных групп. Такой вид ВЖХ называется хроматографией на обращенных фазах.
1)


2)



3)


Возьмем смесь из трех веществ, обладающих различной структурой. Что мы получим при введении этих веществ в жидкостной хроматограф. Наиболее полярным является 1 вещество, оно хорошо удерживается на неподвижной жидкой фазе (на полярной жидкости), оно будет выходить последним, а вещество 3 является неполярным, оно выйдет самым первым.
К жидкостной хроматографии применимы те же подходы анализа, что и в случае газовой жидкостной хроматографии. Таким образом ВЖХ позволяет анализировать вещества, обладающие низкой летучестью или разлагающиеся даже при незначительном нагревании. Этот вид хроматографии получил широкое применение, его ограничениями является необходимость использования относительно дорогих высокочистых растворителей.
Спектральные методы анализа
Эти методы основаны на воздействии на вещество каких-либо физических факторов с последующей регистрацией реакции вещества на это воздействие. В качестве физического фактора выступает излучение. Сущность взаимодействия вещества с излучением сводится к поглощению энергии излучения с определенной длиной волны. Причиной такой избирательности является то, что для каждой частицы существует строго определенный набор энергетических уровней и такая частица может поглощать излучение, которое обладает энергией в соответствии разнице в энергиях уровней.





Для перехода системы с нижнего уровня на верхний она должна поглотить определенное количество энергии.




Весь спектр электромагнитного излучения условно разбит на отдельные участки:
1. диапазон: 10-11 – 10-8 см – это область
·-резонансной спектроскопии. Поглощение излучения в этой области приводит к изменению энергии протонов и нейтронов внутри ядер;
2. диапазон: 10-8 – 10-6 см – это область рентгеновской спектроскопии. Поглощение энергии в этой области приводит к возбуждению электронов на внутренних слоях в атомах;
3. диапазон: 10-6 – 10-4 см – это область УФ спектроскопии. Поглощение энергии в этой области приводит к возбуждению внешних валентных электронов;
4. диапазон: 10-4 – 10-2 см – это область ИК спектроскопии. Поглощение излучения приводит к изменению колебательного состояния атомов в молекуле;
5. диапазон: 10-2 – 10 см – микроволновая область. Поглощение энергии в этой области приводит к колебанию атомов в узлах кристаллической решетки;
6. диапазон: >100 см – область радиоспектроскопии или ЯМР спектроскопии. Поглощение энергии в этой области сопровождается изменением спинового состояния ядер.
УФ – спектроскопия
УФ – спектроскопия – область 10-6 – 104 см
Это область от 10 до 100 нм. При этом необходимо учитывать, что ниже 195 нм поглощает молекулы кислорода и азота. Область ниже 200 ним называется вакуумный нанометр. В этот же диапазон попадает 350-750 нм – область видимого спектра.






I0 I


l

Пришли к заключению, что вещество имеет следующий вид



или

В дальнейшем Бер изучал зависимость D от C

13 QUOTE 1415c – закон Бугера-Ламберта-Бера

В этом случае, если l = 1 см, а с = 1 моль/л, то 13 QUOTE 1415. В этом случае величина 13 QUOTE 1415 называется молярным коэффициентом поглощения и обозначается через
·.
Откладывается длина волны в нм по оси х, по у – оптическая плотность,
· или lg
·.








Эти спектры характеризуются двумя величинами:
1. длина волны соответствует максимуму поглощения. Она обозначается
·max
2. оптическая плотность в максимуме поглощения.
Таким образом, оптическая плотность раствора будет зависеть от длины волны максимума поглощения.
Спектры записываются на приборах, которые называются спектрофотометрами. Принципиальная схема выглядит следующим образом


(
·
2 1 3 4
5
6


·
·
·
·
·
·
·
·
·
·Источником энергии (1), представляющим собой водородную лампу или обычную лампу накаливания генерирует излучение во всем диапазоне
·. Это излучение с помощью сферического зеркала (2) фокусируется на щель (3). Пройдя через эту щель попадает на монохроматор (4). В качестве монохроматора используется призма. Основной задачей монохроматора - разделить излучение источника на узкие участки спектросодержащие одинаковые длины волн. Призма медленно вращается и направляет на выходную щель (5) узкие излучения. Это излучение разделяется на полупрозрачном зеркале (6) на два потока. Часть потока поступает на кювету с раствором вещества (7), а часть на кювету с чистым растворителем (8). Пройдя через кювету излучение поступает на детектор (9).
Поскольку обычное стекло поглощает УФ излучение, а также часть видимого излучения, то все элементы оптики изготавливаются из кварца. Метод обладает высокой чувствительностью позволяющей регистрировать вещества 10-7 моль/л. В связи с этим предъявляются высокие требования к чистоте растворителя и использованных кювет. В качестве растворителей УФ спектроскопии используются циклогексан, почищенный специальным образом – прозрачный до 200 нм; этиловый спирт – прозрачный до 210 нм или гексан – прозрачный до 220 нм.
Спектры и их связи со структурой вещества
Было замечено, что вещества обладающие одинаковой структурой имеют различные спектры.
1. Тестостерон
13 EMBED ISISServer 1415
2. Окись визидила

13 EMBED ISISServer 1415






Из приведённого примера следует, что поскольку для веществ обладающих различной структурой содержащий один и тот же структурный фрагмент вид УФ спектров одинаков, то очевидно, что наличие именно этого фрагмента и определяет поглощение молекулой энергии в УФ области. Такие фрагменты называются хромофорами или хромофорными группировками. Как правило они представляют собой ковалентные насыщенные фрагменты. На ряду с хромофорными группировками в молекуле могут присутствовать ауксохромные группировки (Hal, OH, NH2), которые сами не поглощают излучение, но оказывают влияние на положение
·max или значение оптической плотности.
Таким образом УФ спектроскопия – является спектроскопией функциональных групп.
Поскольку положение
·max зависит от наличия ауксохромных группировок, то его значения может сдвигаться при введении заместителя в сторону больше или меньше длин волн. Сдвиг
·max в сторону меньших длин волн называется гипсохромным или синим сдвигом. Увеличение оптической плотности раствора называется гиперхромным эффектом.
Уменьшение оптической плотности раствора под влиянием заместителя называется гипохромным эффектом.
Сущность поглощения
Как уже отмечалось ранее поглощение излучения находящихся на внешних молекулярных орбиталях. Молекулярные орбитали возникают в результате линейной комбинации атомных орбиталей. При этом каждой связывающей орбитали отвечает своя разрыхляющая. Все эти орбитали имеют различную энергию и в соответствии с ее величиной располагаются следующим образом.
Энергетическая диаграмма

Е

·*

·*
n

·


·


При поглощении излучения в УФ области электроны находящиеся на нижних связывающих орбиталях возбуждаются и переходят на верхние разрыхляющие. Такой переход обозначают стрелочкой и записывают
·
·*,
·
·*. Для того чтобы такой переход произошел необходимо сообщить электрону строго определенную порцию энергии равную разности энергий уровней между которыми происходит переход. А значит излучение своей строго определенной длины волны.
Поглощение различных классов
Предельные углеводороды
У предельных углеводородов есть только ( связи, а соответственно возможен только (* переход (((*). Для такого перехода требуется относительно большое количество энергии, что соответствует коротким длинам волн излучений. Можно предположить, что эти вещества будут поглощать в коротковолновой части спектра. И действительно метан (CH4) поглощает при 125 нм, этан – при 135 нм.
Введение гетероатомов, содержащих неподеленные электронные пары приводить к возможности (( перехода, который требует меньше энергии, а значит поглощение должно наблюдаться при большей длинах волн. И действительно, метанол (CH3OH) поглощает при 177 нм, хлористый метил (CH3Cl) – 173 нм, йодистый метил (CH3I) – 253 нм.

Ненасыщенные углеводороды
В этих соединениях присутствует хлороформная группировка, которую называют этиленовым хлороформом. Присутствие ( и ( связей делает возможным реализацию ((( переходов, требующих меньше энергии, чем ((( связь. Поэтому можно предположить, что этилен будет поглощать при больших длинах волн по сравнению с этанолом. Этилен (С2Н4) поглощает при 165 нм. Полоса поглощения характеризуется высокой интенсивностью. Кроме того в спектре наблюдается малоинтенсивная полоса при 220 нм, соответствующая переходу 2( электронов на разрыхляющую орбиталь. Введение группировок, содержащих гетероатомы с неподеленными электронными парами, которые вступают в сопряжение с этиленовым хлороформом приводит к значительному батохромному сдвигу (в область больших длин волн).
Аналогичная ситуация наблюдается в случае сопряжения с этиленовым хромофором одной или нескольких двойных связей.



Следствием этого является то, что бутадиен-1,3 поглощает при 217 нм, а гексатриен-1,3,5 – при 235 нм.
С=С 165нм
С=С-С=С 217нм
С=С-С=С-С=С 253нм

Заместители, находящиеся у этиленового хлороформа приводят в батохромному сдвигу полосы поглощения и чем больше заместителей, тем больше проявляется этот сдвиг.
Алкильные заместители, находящиеся в диеновом хлороформе также оказывают влияние на положение
·max. Это влияние имеет определенные закономерности, на которые впервые обратил внимание Вудворд. Он сформулировал эти закономерности в виде своих правил – правила Вудворда. Эти правила выполняются для ациклических и циклических гетероанулярных диенов и формируются следующим образом:
за основу для расчета берется
·max незамещенного диенового хромофора равное 217 нм.
каждый алкильный заместитель или фрагмент цикла непосредственно присоединенный к диеновому хлорофору приводит к батохромному сдвигу на 5 нм.
каждая дополнительная экзоциклическая двойная связь приводит к батохромному сдвигу на 5 нм, причем если она экзоциклична по отношению к двум циклам, то ее эффект удваивается.
Расчёт
·max для соединения


·max = 217+ 10= 227 нм (экспериментальное
·max = 226 нм)


·max= 217+2 Ч5+5= 232 нм (экспериментальное
·max = 232нм)


диэновый хромоформ

Правило Вудворда выполняется в случае ациклических и циклических гетероанулярных диенов.
В случае циклических гомоанулярных диенов они не выполняются.

Гетероанулярная структура Гомоанулярная структура
Невыполнение правила Вудворда для гомоанулярных структур обусловлено тем, что бутадиен-1,3 в природе существует в S-транс комформации, которая полностью воспроизводится в гетероанулярных структурах.

В гомоанулярных структурах конфигурация диенового хромофора S-цис и поглощает он в результате этого при 253 нм. Для таких соединений Физер сформировал собственное правило, которое вместе с правилами Вудворда стали называться правилами Физера-Вудворда:
для ациклических и циклических гетероанулярных диенов за основу расчета берется 214 нм, для циклических гомоанулярных диенов – 253 нм.
каждый алкильный заместитель или фрагмент цикла непосредственно связанный с диеновым хромофором приводит к батохромному сдвигу на 5 нм.
каждая экзоциклическая двойная связь приводит к сдвигу на 5 нм и ее эффект удваивается, если она экзоциклична по отношению к двум циклам.
каждая дополнительная двойная связь, находящаяся в сопряжении с диеновым хромофором приводит к батохромному сдвигу на 30 нм.
5. влияние полярных группировок.

О Ac 0
O Alk +6
S Alk +30
Cl, Br +5
Карбонильные соединения
Для карбонильных соединений, содержащих n,
· и
· орбитали возможны 3 вида переходов n
·*, n
·*,
·
·*. В соответствии с этим в спектрах наблюдается 3 полосы поглощения при 295, 185 и 155 нм. Полярные раство
·рители координируются по неподеленным электронным парам кислорода и снижают энергию n орбитали, что приводит к сдвигу полос поглощения в область меньших длин волн, то есть гипсохромный сдвиг.
Введение алкильных заместителей не оказывает существенного влияния на положение максимального поглощения. Таким образом, указанные полосы поглощения является характеристическими и могут быть использованы для идентификации карбонильных соединений.
Ароматические соединения
Ароматический цикл характеризуется с шестью
· электронами, находящимися на 3-х
· орбиталях. Две из которых обладают одинаковой энергией, т.е. являются вырожденными. Переходы между этими связывающие
· орбитали и соответствующие им
·* приводят к появлению трех интенсивность поглощения при 203-183 нм. 222 нм, которые очень часто имеют сложную комбинированную структуру.
Введение донорных заместителей в ароматические циклы или фрагментов создают две связи, участвующие в сопряжении приводит к сильному батохромному сдвигу этих полос.
Возможности метода:
1. установление наличия в структуре молекулярных хромофорных группировок.
2. в простейших случаях по справочным данным позволяет установить вид хромофорной группировки, а также количество и характер заместителей непосредственно связанных с ней.
3. использование закона Бугера-Ламберта-Бера позволяет количественно измерить содержание того или иного вещества в процессе протекания реакции.
Ограничения метода:
1. ограниченность рамок использования метода, поскольку многие вещества не поглощают в УФ-области.
2. небольшой объем информации относительно структуры части молекулы не связанной с хромофорной группировкой.
3. существует зависимость вида спектра от растворителя, вследствие чего закон Бугера-Ламберта-Бера может нарушаться.
4. под воздействием высокоэнергетических УФ-излучений возможно протекание фотохимических реакций, что может привести к ошибочным результатам.




ИК-спектроскопия
ИК-излучение находится в области 10-4-10-2 см. Это излучение несет энергию меньшую, чем УФ, недостаточную для возбуждения внешних валентных электронов. Ее хватает лишь на то, чтобы изменить колебательное состояние атомов в молекуле.
Используется волновое число:
13 QUOTE 1415 (см-1)
Использование такой величины для характеристики излучения удобно тем, значение волнового числа возрастает вместе с энергией излучения. Чем больше волновое число, тем больше излучение.
Область излучения 400-4000 см-1
Спектр регистрируется в следующих координатах:
- по оси х – волновое число;
- по оси у – оптическая плотность (D), процент пропускания (Т).

Как было отмечено ИК-спектры имеют колебательную природу. Таким образом поглощение излечения в этом диапазоне приводит к изменению амплитуды колебания атомов в молекуле. Изменение амплитуды колебаний в свою очередь сопровождается изменением координат каждого атома в пространстве. Для того, чтобы ответить на вопрос, сколько поглощения может быть в ИК-спектре, нужно ответить на вопрос, какое количество колебаний может иметь молекула.
Молекула состоит из n атомов и имеет 3n степеней свободы. Из этого количества степеней свободы нужно вычесть 3 степени свободы поступательного движения молекулы целиком и 3 степени вращательного движения. Таким образом для нелинейной молекулы, содержащей n атомов, возможно 3n – 6 степеней свободы, которые связаны с колебанием атомов внутри молекулы. А для линейной молекулы: 3n – 5.
В общем случае каждому из этих колебаний соответствует своя полоса поглощения в ИК-спектре. Такие колебания называются основными или фундаментальными. Кроме них в ИК-спектре могут проявляться такие полосы, частота которых кратна частотам основных колебаний – обертональных
Реальные ИК-спектры содержат меньшие количества поглощений, чем количества фундаментальных колебаний.
Это обусловлено:
- поглощение имеет низкую интенсивность и прибором не регистрируется;
- фундаментальные колебания имеют одинаковые частоты, т.е. они вырождены и проявляются в ИК-спектре в виде одной полосы поглощения;
- в соответствии с правилами отбора в ИК-спектре в виде штучных полос поглощения проявляются лишь те колебания, которые связаны с изменением дипольного момента молекулы.



f – силовая постоянная связи;

· – приведенная масса.



Как видно из приведенного выражения, частота колебаний любой атомной группировки определяется энергией связи между атомами и массами атомов. Если эти параметры для конкретного фрагмента молекулы существенно отличается от этих же параметров для всей остальной молекулы, то и частота колебаний этого фрагмента будет существенно отличаться от частот колебаний остальных молекул. Такие частоты называются групповыми или характерными. Они проявляются в ИК-спектрах всех соединений, в которых присутствует этот фрагмент.
Характерными или групповыми частотами обладают следующие группировки:

С – Н
С = N
C = C
C
· C
C = O
O – H
N – H

Рассмотрим двухатомную молекулу. В соответствии с записанным выражением, частота колебаний атомов будет равна 13 QUOTE 1415. Такая молекула при облучении ее инфракрасным излучением не будет поглощать излучение во всем частотном диапазоне. Она будет поглощать излучение, частота которого равна частоте 13 QUOTE 1415. При поглощении такого излучения увеличивается амплитуда колебаний без изменения частоты.

Виды колебаний

Различают 2 вида колебаний:
- валентный;
- деформационный.
Валентными называют колебания вдоль линии связи атома. Они обозначаются 13 QUOTE 1415. Валентные колебания могут быть симметричными и асимметричными.


Симметричные (
·sim O-H) Ассиметричные(
· аs O-H)
Деформационными колебаниями называют колебания сопровождающиеся изменением валентного угла между связями у одного общего атома. Такие колебания обозначаются
·. Существует большое количество деформационных колебаний, однако наиболее распространённые следующие виды:

маятниковые: 3) веерные:






ножничные: 4) крутильные:






Валентные колебания требуют как правило больше энергии, а значит соответствующие полосы поглощения проявляються при больших значениях волнового числа.



ИК-спектрограф

ИК-спектры записываются на ИК-спектрографах.


В качестве источника излучения используют штифт Нернста (1), представляющий собой цилиндр из оксидов редкоземельных Ме, длинной 1 см и толщиной 2 см. Нагревают протекающими через него электрическим током до t=1200 0С. Вместо штифта Нернста может быть использован глобар-нагреватель из оксида кремния. Излучаемое им ИК-излучение с помощью сферического зеркала (2) фокусируется на кюветах (3). В одной из них находится раствор анализируемого вещества, а в другой (кювете сравнения) – чистый растворитель. Пройдя через эти кюветы, излучение с помощью оптической системы зеркал направляется на монохроматор (4). В качестве монохроматора используется призма либо дифракционная решетка. Пройдя через монохроматор, излучение поступает на детектор (5). В качестве монохроматора используется призма или две дифракционные решетки. Призма медленно вращается вокруг своей, при каждом угле поворота через выходные щели (7) на детекторы (8) поступает излучение какой-то строго определенной длины волны.
Излучение во всем ИК-диапазоне непрерывно поступает на кюветы, пройдя через них, поступает на монохроматор. Монохроматор медленно вращается вокруг своей оси, по очереди поступает на детекторы излучение с последовательно возрастающей энергией или волновым числом. Если в какой то момент времени монохроматор настроен на пропускание излучения, которое не поглощается в кювете с веществом, то интенсивность излучения попадающего на оба детектора будет одинаковым. В соответствии с этим электрический сигнал от них будет также одинаковым, и взаимное вычитание этих сигналов дает нулевую линию прибора. Медленно вращающийся монохроматор в какой то момент времени настраивается на пропускание такой частоты, излучение которой поглощается веществом в кювете. В результате на детекторы попадает излучение различной интенсивности, что приводит к появлению полосы поглощения, регистрируемой системой регистрации. Поскольку ИК-излучение поглощается обычным стеклом и кварцем, то все детали оптики выполнены из солей, как правило, KBr, NaCl, CaCl2.
ИК-спектры могут быть записаны для веществ находящихся в газообразном, жидком и твердом состоянии.
Для регистрации спектров газов используются кюветы толщиной до 40 см, представляющие собой 2 пластинки из соли, посередине которого находится пластиковый цилиндр.
Для регистрации спектров в жидкости капельку жидкости солевого вещества раздавливают между двумя солевыми пластинами получая слой 0,01 мм. Использование более толстых слоев нецелесообразно, так как спектры получаются не качественными.
Возможна также регистрации спектров растворов анализируемых веществ. В качестве растворителя необходимо брать простой структуры растворитель. Например, ССl4, который поглощает при 800 см-1.
Используется также СS прозрачный выше 300 см-1.
Основным недостатком этих растворителей является высокая токсичность, а также что многие вещества в них не растворяются.
Для получения спектров вещества растворяют в этих растворителях в концентрации 10-2 – 1 моль/л и помещают между солевыми пластинками, создавая толщину слоя 0,1 – 1 мм.
Если вещество не растворяется в этих растворителях, то возможна регистрация спектра суспензии этого вещества в вазелиновом масле.
Возможна также регистрация спектра для твердых веществ. В этом случае анализируемое вещество тщательно перебирают с KBr. Из полученной смеси прессуют таблетку, толщиной 0,25 мм. Получается полупроницаемая таблетка толщиной 0,25 мм.
Интерпретация ИК-спектра
Не смотря на то, как было отмечено выше, не все возможные колебания появляются в ИК-спектре. Тем не менее, спектры имеют сложную структуру, теоретическая интерпретация таких спектров крайне сложна и трудоёмка.
Для интерпретации ИК-спектров используют, так называемые, спектрально-структурные корреляции, то есть эмпирически установленные зависимости между видом спектра и структурой анализируемых веществ.
При интерпретации ИК-спектра, его условно разбивают на 2 участка:
1. область 1300-4000 см-1 – область колебаний функциональных групп. В этой области проявляются колебания таких функциональных групп как N-H, O-H, C-O, C-H.
2. область 650-900 см-1 – область важна тем, что здесь проявляются деформационные и скелетные колебания ароматических и гетероароматических циклов. Отсутствие интенсивных полос поглощения в этой области однозначно указывает на неароматический характер исследуемого вещества.
3. область 1300-900 см-1 называется областью отпечатков пальцев или фингибридная область. В этой области проявляется большое число полос поглощения, которые трудно соотнести с какими-то структурными фрагментами.
Однако характер спектра в этой области строго индивидуален для каждого соединения.
В первую очередь, при интерпретации спектра обращают внимание на область функциональных групп. Частоты колебаний некоторых функциональных групп представлены ниже.
С-Н
· с-н 2800-3000 см-1

·с-н 1300-1400 см-1

О-Н
· О-Н 3200-3600 см-1

· О-Н 1200-1300 см-1

N-H
· N-H 3000-3700 см-1

· N-H 1500-1700 cм-1

С-О
· С-О 900-1300 см-1

С=О
· С=О 1600-1900 см-1
Колебания С-Н связи. Положение полосы валентных колебаний С-Н 2800-3000 – это полоса является очень характеристической и малоинформативной. Низкая ее информативность обусловлена тем, что в каждой молекуле присутствует большое количество С-Н связей, обладающих близкими частотами колебаний. В результате их полосы накладываются, давая одну широкую полосу с большим количеством максимумов. Основной вывод, который можно сделать по этой полосе заключается в следующем: отсутствие интенсивной полосы поглощения в этой области указывает на отсутствие атомов водорода у sp3 гибридизованых атомов углерода.
Колебания О-Н является одним из наиболее характеристичных в ИК-спектроскопии. Участие ОН-группы в образовании межмолекулярных водородных связей приводит к тому, что в веществе возникает целый набор О-Н связей, различающихся по энергии. А это приводит к тому, что они будут иметь различные частоты колебаний. Поэтому полоса колебаний О-Н связи проявляется в широком диапазоне волновых чисел 3200-3700 см-1 . Полосы имеют высокую интенсивность.
При разбавлении раствора анализируемого вещества до концентрации порядка 5·10-3 вероятность образования водородных связей уменьшается, при этом полоса ассоциируемой О-Н связи исчезает, а появляется узкая полоса поглощения при 3610-3620 см-1 соответствующая колебанию свободных О-Н групп.
Внутримолекулярная связь проявляется в виде узкой полосы поглощения в области 3500см-1.
Колебания N-H связи. Ассоциированная N-H группа проявляется в виде широкой полосы поглощения в виде 3100-3500 см-1. Свободная группа в виде узкой полосы поглощения в области 3300 см-1. Важным признаком позволяющим с помощью ИК-спектра различать первичный и вторичный амин является то, что для вторичных аминов в указанной области наблюдается одна полоса поглощения, в то время как для первичных аминов таких полос две.
Валентные колебания С-О группы. Колебания этой группы проявляются в виде очень сильной полосы поглощения в области 1600-1900 см-1. Наличие полосы поглощения в этой области однозначно указывает на карбонильный характер соединений.
В зависимости от вида заместителей полоса может смещаться в пределах этого взаимодействия. Так альдегиды и кетоны дают полосу 1710-1750 см-1. В то время как карбоновые кислоты проявляются в области 1750-1780см-1.
Возможности метода:
1. по характеристическим полосам поглощения позволяет установить наличие в молекуле тех или иных функциональных группировок;
2. по виду спектра в области отпечатков пальцев позволяет определять интенсивность структур.
3. при наличии ИК-спектров чистых соединений позволяет проводить качественный и количественный анализ смеси;
4. по изменению интенсивности полосы поглощения какой-либо из функциональных групп позволяет следить за ходом реакции;
5. позволяет изучать водородную связь.
Ограничение метода. ИК-спектр не дает информации относительно строение углеродного скелета молекулы.
ЯМР – спектроскопия
Метод ЯМР – спектроскопии основан на магнитных свойствах ядер. Ядра атомов несут на себе положительный заряд и вращаясь вокруг своей оси. Вращение заряда приводит к возникновению магнитного диполя.
Угловой момент вращения, которого может быть описан спиновым квантовым числом (I). Численное значение спинового квантового числа, равно сумме спиновых квантовых чисел протонов и нейтронов входящих в состав ядра.
Спиновое квантовое число может принимать значение
+ Ѕ и – Ѕ.
Если количество нуклонов чётное, то величина I = 0, либо целому числу. Это такие ядра С12, Н2, N14, такие ядра не поглощают радиочастотного излучения и не дают сигналов в ЯМР – спектроскопии.

I = ± 1/2 H1, P31, F19 - поглощают радиочастотное излучение, дают сиг нал ЯМР спектра.

I = ± 1 1/2 CL35, Br79 - не симметричное распределение зарядов по поверхности ядра. Что приводит к возникновению квадропольного момента. Такие ядра методами ЯМР спектроскопии не изучают.


ПМР – спектроскопия

Численное значение I (I = ±1/2) определяет количество возможных ориентаций ядра во внешнем магнитном поле в соответствии с формулой:


Из этой формулы видно, что количество ориентаций равно 2.
Для того, что бы осуществить переход протона, находящегося на нижнем уровне, на более высокий ему нужно сообщить энергию равную разности энергии этих уровней, то есть облучить излучением строго определённой чистотой. Разница в энергии уровней (
·
·) зависит от величины наложенного магнитного поля (H0) и магнитной природы ядер, описывающимся магнитным моментом (
·). Это величина определяется вращением :
13 QUOTE 1415, где
h – постоянная Планка
13 QUOTE 1415 - величина внешнего магнитного поля

· – коэффициент пропорциональности, называется гиромагнитным соотношением, определяет зависимость между спиновым квантовым числом I и магнитным моментом
·.


13 QUOTE 1415 – основное уравнение ЯМР, оно связывает величину внешнего магнитного поля, магнитную природу ядер и чистоту излучения при котором происходит поглощение энергии излучений и ядра переходят междууровнями.
Из приведенной записи видно, что для одних и тех же ядер, протонов, существует строгая зависимость между величиной Н0 и
·.

Так, например для того, чтобы ядра протонов находились во внешнем магнитном поле 14000 Гс перешли на более высокий магнитны уровень их нужно облучить с частотой 60 МГц, если до 23000Гс, то потребуется излучение с частой 100МГц.
Таким образом из выше сказанного следует, что основными частями ЯМР спектрометра должен быть, мощный магнит и источник радиочастотного излучения.
Анализирующее вещество помещаем в ампулу из специальных сортов стекла толщиной 5 мм. Ампулу помещаем в зазор магнита, для более равномерного распределения магнитного поля внутри ампулы, она вращается вокруг своей оси, с помощью катушки излучение генерируется радиочастотным излучением не прерывно. Частота этого излучения изменяется в небольшом диапазоне. В какой-то момент времени, когда частота в точности соответствует уравнению ЯМР спектроскопии, наблюдается поглощение энергии излучения и протоны переориентируют свой спин – это поглощение энергии регистрируется приёмной катушкой виде узкого пика.
В некоторых моделях спектрометра
·=const, а в небольших приделах изменяется величина H0. Для регистрации спектра необходимо 0,4 мл вещества, если вещество твёрдое его растворяют в подходящем растворе, необходимо взять 10-50 мл/г вещества.
Для получения качественного спектра необходимо использовать растворы концентрации 10 – 20 %. Предел чувствительности ЯМР соответствует 5%.
Для увеличения чувствительности с использованием ЭВМ применяют многочасовое накопление сигнала при этом полезный сигнал увеличивается в интенсивности.
В дальнейшем совершенствовании методики ЯМР спектрораспределения стало, применение Фурье – преобразование сигнала. В этом случае образец облучается не излучением с медленно изменяющейся частотой, а излучением соединяющие все частоты в одном пакете. При этом происходит поглощения излучения одной частоты, и протоны переходят на верхний энергетический уровень, затем короткий импульс выключается и после этого возбуждённые протоны начинают терять поглощённую энергию и переходить на нижний уровень. Это явление энергии регистрируется системой в виде серии миллисекундных импульсов, которые затухают во времени.
Идеальным растворителем является вещество не содержащие протонов, то есть четырёх хлористый углерод и серный углерод, однако некоторые вещества в этих растворах не растворяются, поэтому используют любые растворители в молекулах которых атомы легкого изотопа H1 замещены на атомы тяжелого изотопа дейтерия. Изотопная частота должна соответствовать 99%.
СDCl3 – дейтерий
Дейтерий в ЯМР спектрах сигнала не даёт. Дальнейшим развитием метода явилось использование быстродействующего компьютера и фурипреобразование сигнала. В этом случаи вместо последнего сканирования частоты излучения на образец накладывается мгновенное излучение, содержащие все возможные частоты. При этом происходит мгновенное возбуждение всех ядер и переориентация их спинов. После выключения излучения ядра начинают выбрасывать энергию и переходить на более низкий энергетический уровень. Этот выброс энергии длится несколько секунд и состоит из ряда микросекундных импульсов, которые системой регистрации, регистрируют в виде вилки.
Процессы релаксации
Поглощение энергии радиочастотного излучения связано с электронными переходами.
Возможность таких переходов является результатом различия заселенных уровней, которые определяют по формуле:
13 QUOTE 1415, где
N0 – количество протонов на нижнем уровне;
N – количество протонов на верхнем уровне;

·Е – разница энергий;
R – газовая постоянная;
T – температура
При нормальных условиях (20 0С):
13 EMBED Equation.3 1415 - что и обусловливает поглощение энергии радиочастотного излучения.
При облучении образца радиочастотным излучением все протоны перейдут на верхний уровень и поглощение прекращается.
Однако этого не происходит, т.к. протоны верхнего уровня, теряют получаемую энергию и переходят на более низкий уровень. Процесс выброса избыточной поглощенной энергии называется процессом релаксации. В зависимости от механизма различают 2 вида релаксации:
Спин-решеточная;
Спин-спиновая.
Спин-решеточной релаксацией называется передача протонами своей внутренней энергии элементам кристаллической решетки с последующим рассеиванием ее в пространстве.
Спин-спиновой релаксацией называется передача протонами своей внутренней энергии другим протонам, что не приводит к изменениям общего числа протонов, находящихся на верхнем уровне.
Оба эти процесса характеризуются временами
·1 и
·2.В результате спин-спиновой релаксации возбужденное ядро передает поглощенную энергию в соседние ядра, что приводит к возбуждению этих ядер. Таким образом поглощение энергии в ней теряется.
В условиях снятия спектров для твердых тел, где очень активно проявляется спин-решеточная релаксация, можно было бы ожидать получения узких пиков спектра, однако вследствие высокой плотности упаковки кристалла , здесь эффективной является спин-спиновая релаксация, которая не приводит к потере энергии, вследствие чего ПМР- спектры твердых тел, содержат очень широкие затянутые сигналы и имеют небольшое значение в структурном анализе.
Наиболее эффективно процесс релаксации проявляется в невязких жидкостях и растворах.
Время релаксации составляет 0,1 сек, что позволяет получить узкие достаточно хорошо разрешенные пики.
Химический сдвиг
В случаи изолированных протонов ЯМР спектр должен содержать единый пик. В реальных молекулах мы имеем дело не с изолированными протонами, а с протонами вокруг которых движутся электроны.
При наложении внешнего магнитного поля на протоны, находящиеся в молекуле электроны каждого из атомов будут индуктировать собственное магнитное поле направленное против наложенного. Его величина пропорциональна Н0.

На протон будет действовать суммарное магнитное поле:


Величина (
·) определяется плотностью электронного облака на протоне и называется константой экранирования.
Как видно из выражения величина магнитного поля действующего на ядра зависит от константы экранирования, которая в свою очередь зависит от электронной плотности на ядрах.
Чем выше электронная плотность, тем больше степень экранирования ядра и тем больше нужно увеличить значение магнитного поля для того чтобы достигалось условие резонансного поглощения энергий, описываемое основное уравнение ЯМР.
Различие в значениях магнитного поля, при которых наблюдается поглощение радиочастотного излучения ядрами с разной степенью экранирования очень незначительна вследствие малых значений электронных токов.
На практике эти различия составляют миллионные доли от величины 13 QUOTE 1415. На практике работать с такими значениями очень сложно. Поэтому различие в положении сигналов соответствующих поглощению энергии ядрами с разной степенью экранирования определяют относительно сигнала эталонного вещества. Как правило, в качестве такого вещества используют тетраметилкселан (ТМС).
Поскольку, электронная плотность на различных атомах водорода зависит от электронных свойств заместителей, то очевидно что протоны, находящиеся на различном расстоянии от этих заместителей, будут нести на себе различную электронную плотность, по разному экранироваться, а значит давать сигналы резонансного поглощения при различных сигналах 13 QUOTE 1415.
13 EMBED ISISServer 1415
1. находятся заместители на одинаковом расстоянии, из этого следует, что степень экранирования одинаковая.
2. степень экранирования больше, чем у других органических соединений
В силу этого сигнал протонов ТМС находиться в области сильных магнитных полей.
Поэтому положение сигнала ТМС принято за 0, а положение сигналов всех остальных протонов органических соединений определяются по отношению к этому сигналу.
Разница в положении сигналов эталонного образца и анализируемого соединения называется химическим сдвигом, которая определяется по формуле:

Величины 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415 зависят от значений 13 QUOTE 1415. Для того, чтобы исключить эту зависимость в знаменатель 13 QUOTE 1415 и стоит.
Таким образом, ядра, обладающие различной степенью экранирования в зависимости от расстояния до электродонорного или электроакцепторного сдвига. Такие ядра называются химически неэквивалентными.
Количество групп сигналов в ЯМР-спектре определяется количеством групп химически неэквивалентных ядер.
ТМС используемый в качестве эталонного образца добавляется в раствор анализируемого соединения. В этом случае говорят о методе внутреннего стандарта. Однако, в некоторых случаях неполярные ТМС не растворяются в выбранном растворителе. В таком случае он помещается в ампулу с раствором образца в отдельной ампуле, и такой подход называется методом внешнего стандарта.
Рассмотренная шкала химических сдвигов, обозначенная буквой
·, называется дельта шкалой.
Основное удобство этой шкалы состоит в том, что величины химических сдвигов возрастают с уменьшением значения линейного поля.
Для того чтобы избежать этого неудобства была введена другая шкала химических сдвигов, в которой положение сигнала ТМС принята не за 0,а за 10. Такая шкала называется
·-шкала. В шкале хим. сдвигов увеличивается в сторону увеличения магнитного поля:

Таким образом, в спектрах ПМР проявляются различные группы протонов, отличающихся своим расположением относительно электроннодонорных или электроноакцепторных заместителей. Это основной фактор, который оказывает влияние на величину химического сдвига, но не единственный.
Рассмотрим молекулу ацетилена: HC=CH 2,5 м.д., в которой sp-гибридизованный атом углерода.
В результате собственного действия магнитного поля молекул происходит экраминирование,что приводит к уменьшению химического сдвига.
Конечно не все молекулы ацетилена в результате теплового движения оказывают ориентацию вдоль линии Но, однако именно та часть молекулы, которая ориентирована таким образом и обусловливает поглощение энергии радиочастотного излучения.
Явления, при котором величина химического сдвига зависит от ориентации молекул относительно линии магнитного поля называется диамагнитной анизотропией.
Сами эффекты графически отображаются с помощью конуса экранирования или дезокранирования со знаком (+) в области экранирования и (-) в области дезокранирования.

В молекуле бензола ситуация иная:
Собственное магнитное поле и наложенное совпадают, т.е. наблюдается дополнительное дезокронирование.

Все протоны попадают в область дезокранирования.
Для карбонильных соединений:
Собственное магнитное поле совпадает, с наложенным, следовательно протоны находятся у атома с химическим сдвигом около 9 м.д.
Таким образом:
1)их расстояния от заместителей обладает электронными эффектами;
2)локальные магнитные поля в молекуле приводит к возникновению эффекта диамагнитной анизотропии.
Следствием этого явления тот факт, что различные группы протонов им различный химический сдвиг.
Конус дезокронирования у С-С связи направлен вдоль линии связи. Именно дезокронированное влияния одинарных С-С связи обясняют тот факт, что в циклогексане экваториальные протоны имеют химический сдвиг на 0,2 м.д. больше чем аксиальные.
То есть Н2-экваториальные протоны локализованы в области дезокронирования в отличие от Но- аксиальных, т.е. химический сдвиг будет различаться.







Соединение
Химический сдвиг (м.д.)

CH3
0,8-1

СH2
1-1,4

CH
1,3-1,6


2,3


3,4


4,3


3,1


1,1 – 1,2


1,2


1,5


1,4


Влияние электронных свойств заместителя быстро затухает с увеличением расстояния. Протоны гидрокси- и аминогрупп участвуют в образовании водородной связи, которая вносит дополнительный вклад в экранирование этих протонов.
Следствием этого является то, что протоны этих групп проявляется в спектрах в виде очень умеренного сигнала, который иногда сливается с нулевой линией.
В зависимости от интенсивности водородного взаимодействия протоны гидроксильной группы проявляют в 3-6 м.д., а протоны амидной группы 5-7 м.д.
Спин-спиновым взаимодействием называю непрямое взаимодействие протонов соседний групп, обусловленные различной ориентацией их спина по отношению их внешнему полю и приводящие к расщеплению сигнала в ЯМР-сректре. Такое расщепление сигналов наблюдается только при взаимодействии химически не эквивалентных протонов. Химически эквивалентные протоны взаимодействуют между собой, однако сигналы при этом не расщепляются.





В этом случае химический сдвиг определяется относительно центра дублета, а расстояние между компонентами дублета называется константой спин-спинового взаимодействия, которая обозначается jax(с указанием протонов).


















В общем случае если протоны взаимодействуя с n-количеством химически не эквивалентных протонов, то мультиплетность их сигнала равна n+1.
Если протон взаимодействует с несколькими состояниями из n и m протонов, то общая мультиплетность сигнала будет равна (n+1) (m+1).
При такой высокой мультиплетности сигнала, крайние компоненты мультиплета оказывают низкую интенсивность и могут просто регистрироваться прибором, что искажает картинку спектра и затрудняет его интерпретацию. Мультиплетность сигналов и их относительную интенсивность с помощью треугольника Паскаля. Треугольник Паскаля позволяет определить вид спектра, для любой структуры.








В случае сложных мультиплетов химический сдвиг определяется как расстояние от центра тяжести мультиплета до сигнала эталона.
С увеличением мультиплетности сигнала интенсивность кратных компонентов быстро снижается, что искажает картину спин – спинового расщепления и может привести к ошибкам интерпретации спина. Спин – спиновое взаимодействие реализуется в наибольшей степени между соседними группами протонов и быстро ослабевает с увеличением расстояния между ними. Точно также уменьшается значение константы спин – спинового взаимодействия. Таким образом, величина константы j зависит от расстояния между взаимодействующими протонами.
В зависимости от количества связей между взаимодействующими протонами различают:
1. виценальная для H-C-H, которая обозначается 2jH-H;
2. гименальная H-C-C-H, , которая обозначается 3jH-H
3. 4j и так далее
Значения j очень быстро уменьшается с увеличением расстояния между взаимодействия протонами. Наличие кратных связей способствует передачи спин-спинового взаимодействия и увеличения j.
Для системы H-C-C-C-H 4jH-H=0.2 Гц, H-C=C-C-H 4jH-H=2-3 Гц. Значение константы j чувствительно к цисс- и трансс-изомерии.
Для транс-изомеров константа 3jH-H= 12-16 Гц, а для цисс- 3jH-H=6-8 Гц. Такое различие в значениях j позволяет идентифицировать цисс- и транс- изомеры. Значение константы также зависит от конформации молекулы.
При спин-спиновом взаимодействии с протонами гидроксильной и аминогрупп вследствие обменных процессов с их участием спин-спинового расщепления не наблюдается ни для сигналов соседних протонов, ни для сигналов этих функциональных групп.
Только в случае очень чистых образцов спирта тщательно очищенных от кислых примесей, которые катализируют обменные процессы удаётся получить спектр с нормальным расщеплением сигнала.
Классификация спиновых систем
Спиновой системой называется система из двух или более взаимодействующих между собою ядер. Если разница химических сдвигов этих протонов выражается в Гц, более чем 6 раз превышает значения константы j, то также группы протонов обозначают далеко лежащими буквами лат. алфавита: А и Х. И говорят о спиновой системе АХ. Как правило, также спиновые системы проявляются в спектрах в виде хорошо разрешенных мультиплетов, мультиплетность которая и соотношение интенсивности полностью подчиняются правилам спин-спинового расщепления. При этом в качестве индексов у таких букв указывается количество ядер в группе.
Например, CH3-CH2-F – А3 X2 система.
С уменьшением разности в химических сдвигах сигналы в спектрах начинают сближаться. Такие системы обозначаются близлежащими буквами латинского алфавита. Например, Cl-CH2-CH2-F – A2-B2.
При сближении групп сигналов в ПМР – спектре происходит искажение относительно. Интенсивности компонентов мультиплетов. Внутренние компоненты увеличиваются в своей интенсивности, а внешние уменьшаются вплоть до 0. В случае, если разница равна 0, то сигналы обеих групп сливаются в один синглет.
В случае, если химические сдвиги двух групп взаимодействия протонов численно близки, то их мультиплеты в спектре сближаются, при этом внутреннее компоненты мультиплетов увеличиваются по интенсивности, а внешние уменьшаются, что значительно усложняет вид спектра. Спектры, в которых мультиплетность сигналов и относительная интенсивность компонентов мультиплетов полностью соответствует правилам спин-спинового расщепления, называется спектрами I рода. Их расшифровка опирается на следующие правила:
1. количество групп химически не эквивалентных протонов ровно количеству групп сигналов в спектре.
2. количество взаимодействующих протонов определяется мультиплетностью, если мультиплет = 2, то по соседству есть 2 протона.
3. значение j определяется по расстоянию между компонентами мультиплета.
4. относительное количество химически не эквивалентных протонов, входящих в каждую из групп, определяется поинтеграле интенсивности сигнала.
Методы упрощения спектров
Применяют несколько видов упрощения:
1. Дейтерирование образца: в молекулу вместо протона вводят дейтерий, который в своем ядре содержит 2 нуклона. Главное квантовое число равно 0, а значит он не дает сигналы в ЯМР – спектре. Поэтому в результате такого замещения сигнал замещенного протона в спектре исчезает. Кроме того исчезает также расщепление сигнала с соседними протонами, поскольку спин-спиновое взаимодействие с ядрами дейтерия очень слабое.
2. Для упрощения спектра иногда полезно провести замену растворителя. Координация полярных молекул по отдельным группам протонов способствует увеличению их сдвига, а значит к расщеплению и упрощению сложных мультиплетов в спектре, при этом константы не изменяются.
3. Применение сдвигающих шифт-реагентов. В этом случае в растворе анализируемого соединения добавляют
·-декитонатные комплексы щ/з элементов, чаще всего европия. В них ион металла, координируется по гетероатомам присутствующих в молекуле, что приводит к значительному увеличению сдвига соседних протонов. В результате также происходит расщепление сложных мультиплетов в спектре, величины констант не изменяются.
4. Наиболее мощным современным методом является метод спиновой развязки или метод двойного резонанса. В этом случае на образец накладывается дополнительно электромагнитное излучение, частота которого в точности соответствует резонансной частоте поглощения одной из групп протонов. Если при этом используется излучение высокой интенсивности, то говорят о полной спиновой развязке. В этом случае происходит полное изменение энергетического уровня поглощенных протонов и на момент облучения они прекращают поглощать радиочастотное излучение. Они становятся как бы невидимыми, их сигнал исчезает. Исчезают также и расщепление сигналов соседних протонов.
Гетероядерная спектроскопия
Кроме протонов резонансное поглощение энергии во внешнем магнитном поле, может также наблюдаться на других ядрах: 19F, 31P, 13C. Запись спектров на ядрах фтора 19F не представляет большой сложности вследствие распространенности его и большего значения магнитного значения. С точки зрения изучения природных более интересны спектры на ядрах фосфора 31P, однако низкое значение магнитного момента
·, приводит к тому что чувствительность не велика.
Наиболее интересны спектры на ядрах углерода, низкое значение
·, а также низкое распространение в природе изотопов углерода(1%), делают метод очень низко чувствительным, однако структурная информация, ставит его по частоте использования с ПМР, на одном уровне.
Химический сдвиг в спектрах углерода13C изменяются в очень широких пределах до 500 мд. Значение химического сдвига имеет следующие значение, в качестве примера:
С-С 0-40
С=С 60-80
С=С 90-140
C-N 40-60
C=N 130-150
COOH 160-190
C=O180-220






Рисунок 33Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 18805524
    Размер файла: 961 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий