spektroskopia IR i Ramana

Transkrypt

1 spektroskopia IR i Ramana

2 oscylacje (wibracje)

3 3N-6 lub 3N-5 drgań normalnych nie wszystkie drgania obserwuje się w IR - nieaktywne w IR gdy nie zmienia się moment dipolowy - pasma niektórych drgań mają małą intensywność lub nakładają się - niektóre drgania normalne mają charakter drgań grupowych (te są szczególnie przydatne przy identyfikacji grup funkcyjnych) - każdy związek ma unikalne widmo IR, które może służyć do jego identyfikacji (katalogi widm literaturowych)

4 wirtualne stany energetyczne absorpcja IR energia wzbudzenia rozpraszanie Rayleigha rozpraszanie Ramana (stokesowskie) rozpraszanie Ramana (antystokesowskie) stany wibracyjne

5 Energia wirtualny poziom energetyczny stan wibracyjnie wzbudzony stan podstawowy rozpraszanie Rayleigha - cząsteczka nie absorbuje energii w czasie rozpraszania rozpraszanie stokesowskie - cząsteczka absorbuje energię w czasie rozpraszania rozpraszanie anty-stokesowskie - cząsteczka traci energię w czasie rozpraszania

6 0 anty-stokes Rayleigh ν (cm -1 ) Stokes Intensywność światła rozproszonego

7 anty-stokes Rayleigh ν (cm -1 ) Stokes Intensywność światła rozproszonego

8 cząsteczka jako zbiór oscylatorów oscylator harmoniczny oscylator anharmoniczny

9 od czego zależy częstość oscylatora? k - stała siłowa, µ - masa zredukowana prawo Hooka F = - kx zależność od podstawienia izotopowego:

10 zakresy absorpcji drgań rozciągających obliczone z prawa Hooka i wyznaczone eksperymentalnie wiązanie stała siłowa k (N/m) rejon absorpcji (cm -1 ) obliczony eksperyment C-H 5, C-D 5, H 7, C- 5, C-C 4, C=C 9, C=C 15, C= 12,

11 zakres daktyloskopowy X-H (X = heteroatom) C-H

12 drgania cząsteczki C 2 ~1340 cm i 1388 cm -1 (rezonans Fermiego z drganiem 665 cm -1 ) δ - 2δ+ δ - aktywne w Ramanie 2350 cm -1 aktywne w IR 665 cm -1 aktywne w IR 665 cm -1 aktywne w IR

13 czynniki utrudniające interpretację widm IR: sprzężenia nadtony i rezonans Fermiego nakładanie się pasm, różne intensywności pasm (s, m, w) czynniki warunkujące sprzęganie drgań: - rozciągających - wiązania połączone wspólnym atomem np. w C 2 dwa wiązania C= połączone wspólnym atomem C - zginających - potrzebne wspólne wiązanie - rozciągające ze zginającym - wiązanie ulegające rozc. musi tworzyć ramię kąta określającego zginanie (jak w C 2 ) - zbliżona częstość sprzężonych oscylatorów

14 drgania rozciągające grupy CH 2 symetryczne asymetryczne 2853 cm cm -1 ν CH 3 ~ 2960, 2870 cm -1 drgania zginające grupy CH 2 kołyszące w płaszczyźnie 720 cm -1 nożycowe w płaszczyźnie 1465 cm -1 wachlarzowe, skręcające pozapłaszczyznowe cm -1 δ as CH 3 ~ 1450 cm -1 ; δ s CH 3 ~ 1375 cm -1

15 CH 3 CH 2 CH 2 H CH 3 CH CH 3 H ν as H ~ 3650 cm -1 ; ν CH 3 ~ 2960, 2870 cm -1 ; ν CH 2 ~ 2930, 2850 cm -1 ; δ as CH 3 ~ 1450 cm -1 ; δ s CH 3 ~ 1375 cm -1 ; δ s CH 2 ~ 1465 cm -1 ; δ H ~ cm -1 ν C-C- ~ cm -1, cm -1 (drugorzędowe alkohole o dużej symetrii)

16 strategia rozwiązywania widm identyfikacja grup funkcyjnych (częstości charakterystyczne w widmie IR) inne metody (NMR, MS) znany związek? - porównanie z widmem katalogowym IR (np. Sigma-Aldrich)

17 pasma o dużej intensywności: C= C aromatyczne (C-H pozapłaszczyznowe) N , S= =S= , alkiny ~3200

18

19

20 wpływ wiązania wodorowego na widma IR H H 3 C H 3 C CH 3 H H 3 C CH 3 CH 3 CH 3 -H 3077 cm -1, p. szerokie, niezależne od stężenia rozróżnienie wiązania wodorowego wewnątrzcząsteczkowego od międzycząsteczkowego za pomocą spektrometrii IR wiązania międzycząsteczkowe (w rozpuszczalniku niepolarnym) są zależne od stężenia (ostre pasmo H tylko w dużym rozcieńczeniu) wiązania wewnątrzcząsteczkowe (w rozpuszczalniku niepolarnym) są niezależne od stężenia (i podobnie postać widma IR) poszerzone pasma

21 cm -1 zakres grupy C= 1715 cm -1 typowy keton alifatyczny - punkt odniesienia R C R R C G R C G R C G efekt indukcyjny wzrost częstości efekt rezonansowy spadek częstości Inne czynniki wpływające na położenie pasma C= : - stan skupienia, - rozpuszczalnik, - wiązanie wodorowe, - naprężenia pierścienia

22 R C R 1715 cm -1 typowy keton alifatyczny R C H cm -1 aldehyd alifatyczny R C H 1760 cm -1 kwasy - efekt indukcyjny R C Cl cm -1 - silny efekt indukcyjny R C R cm -1 - efekt indukcyjny R C cm -1 - silny efekt rezonansowy NH 2

23 wpływ sprzężenia na częstość C= C CH 3 ν C = 1686 cm -1 H H C CH 3 H H C CH 3 ν C = 1674 cm -1 ν C = 1699 cm cm -1 - typowy keton alifatyczny

24 tautomeria β-diketonów wpływ na częstość C= ν C ~ 1718 cm -1 ν C ~ 1720 cm cm -1 - typowy keton alifatyczny H H ν C ~ 1613 cm -1 ν H ~ cm -1 forma enolowa ~ 65%

25 α-aminokwasy widma zależne od formy jon obojnaczy: - NH + 3 szerokie pasmo cm -1 jon NH cm -1 w zakresie nadtonów ~ 2000 cm -1 drgania zginające NH i torsyjne NH NH 3 + asym. zginające NH cm -1 (słabe) - NH 3 + sym. zginające NH m -1 (silne) - jon karboksylanowy cm -1 (silne), ~1400 cm -1 (słabe)

26 amidy cm -1 I pasmo amidowe - położenie zależne od stężenia (C= rozc.) cm -1 II pasmo amidowe - amidy I i II-rzędowe (drgania zginające NH 2 lub NH sprzężone z innymi drganiami w pozycji trans) NH rozciągające: amidy I-rzędowe dwa pasma: 3400 i 3250 cm -1 amidy II-rzędowe jedno pasmo: cm -1

27 białka - zależność widma IR od struktury II-rzędowej II pasmo amidowe: - helisa α cm -1 - zwój β cm -1 - nieuporządkowane cm -1 I pasmo amidowe: większe różnice wywołane zmianą struktury było np. wykorzystywane do badania wpływu ołowiu na strukturę żelatyny

28 mikrospektroskopia w podczerwieni IRMS = infra red micro-spectroscopy Widma całych komórek mikrobów komórek roślinnych, ludzkich płynów ustrojowych można rozróżniać typy komórek tkanki zmienione nowotworowo i tkanki w stanie przedrakowym od zdrowych mikroskopy sprzężone z spektrometrami FTIR widma mikrokolonii o średnicy ~ 40 µm w specjalnych uchwytach do próbki możliwość dodatkowo zastosować w celu mapowania tkanek technikę NIR-Ramana

29 różnice spektralne w zakresie pasm amidowych I/ II wywołane zmianami nowotworowymi przesunięcia pasm amidowych I/ II komórki: normalne neoplastyczne

30 zmieniona tkanka śluzówki odbytu

31 technika synchrotronowa pozwala otrzymywać mikrowidma pojedynczych komórek (< 12 µm)

32 to 350 cm -1 próbka źródło IR spliter detektor odnośnik dwuwiązkowy spektrometr IR

33 transformacja Fouriera domena czasu domena częstotliwości

34 zwierciadło źródło światła spójnego zwierciadło pół-srebrzone zwierciadło detektor interferometr Michelsona

35 spektrometr FT IR zwierciadło stałe źródło IR zwierciadło ruchome podzielnik wiązki detektor

36 próbka ciekła (1-10 mg) między płytkami NaCl - grubość warstwy ~ 0,01 mm kuweta do wykonywania widm IR lotnych próbek ciekłych i roztworów typowa droga optyczna 0,1-1 mm; okienka z NaCl, AgCl itp. popularne rozpuszczalniki: CCl 4 (przezroczysty powyżej 1330 cm -1,abs ~ 800 cm -1 ), CHCl 3, CS 2 )

37 zawiesiny ciał stałych w olejach nujol - olej mineralny fluorolube - perfluorowany olej (nie absorbuje w rejonie drgań C-H np cm -1 )

38 ~ 100 mg KBr ~ 1mg próbki

39

40

41 sposób na zwiększenie drogi optycznej MIR wielokrotne całkowite odbicie (wewnętrzne) osłabienie całkowitego odbicia ATR (attenuated total reflection)