spektroskopia IR i Ramana

spektroskopia IR i Ramana

oscylacje (wibracje)

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)

wirtualne stany energetyczne absorpcja IR energia wzbudzenia rozpraszanie Rayleigha rozpraszanie Ramana (stokesowskie) rozpraszanie Ramana (antystokesowskie) 4 3 2 1 0 stany wibracyjne

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

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

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

cząsteczka jako zbiór oscylatorów oscylator harmoniczny oscylator anharmoniczny

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

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 5,0 3032 3000-2850 C-D 5,0 2225 2250-2080 -H 7,0 3553 3800-2700 C- 5,0 1113 1300-800 C-C 4,5 1128 1300-800 C=C 9,7 1657 1900-1500 C=C 15,6 2101 2150-2100 C= 12,1 1731 1850-1600

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

drgania cząsteczki C 2 ~1340 cm -1 1286 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

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

drgania rozciągające grupy CH 2 symetryczne asymetryczne 2853 cm -1 2926 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 1350-1150 cm -1 δ as CH 3 ~ 1450 cm -1 ; δ s CH 3 ~ 1375 cm -1

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 ~ 1420-1330 cm -1 ν C-C- ~ 1260-1000 cm -1, 1200-1100 cm -1 (drugorzędowe alkohole o dużej symetrii)

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)

pasma o dużej intensywności: C= 1870-1540 C- 1200-1000 aromatyczne 900-680 (C-H pozapłaszczyznowe) N 2 1600-1500, 1360-1290 S= 1070-1030 =S= 1160-1120, 1350-1300 alkiny ~3200

http://www.cem.msu.edu/~parrill/airs/secbutanol.html

1-3 4-5 9 7 8 6

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

1540-1870 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

R C R 1715 cm -1 typowy keton alifatyczny R C H 1740-1720 cm -1 aldehyd alifatyczny R C H 1760 cm -1 kwasy - efekt indukcyjny R C Cl 1815-1785 cm -1 - silny efekt indukcyjny R C R 1730-1715 cm -1 - efekt indukcyjny R C 1695-1650 cm -1 - silny efekt rezonansowy NH 2

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 -1 1715 cm -1 - typowy keton alifatyczny

tautomeria β-diketonów wpływ na częstość C= ν C ~ 1718 cm -1 ν C ~ 1720 cm -1 1715 cm -1 - typowy keton alifatyczny H H ν C ~ 1613 cm -1 ν H ~ 3000-2700 cm -1 forma enolowa ~ 65%

α-aminokwasy widma zależne od formy jon obojnaczy: - NH + 3 szerokie pasmo 3100-2600 cm -1 jon NH + 4 3300-3030 cm -1 w zakresie nadtonów ~ 2000 cm -1 drgania zginające NH i torsyjne NH + 3 - NH 3 + asym. zginające NH 1660-1610 cm -1 (słabe) - NH 3 + sym. zginające NH 1550-1485m -1 (silne) - jon karboksylanowy 1600-1590 cm -1 (silne), ~1400 cm -1 (słabe)

amidy 1690-1650 cm -1 I pasmo amidowe - położenie zależne od stężenia (C= rozc.) 1650-1515 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: 3400-3500 cm -1

białka - zależność widma IR od struktury II-rzędowej II pasmo amidowe: - helisa α 1660 1650 cm -1 - zwój β 1640 1620 cm -1 - nieuporządkowane 1650-1640 cm -1 I pasmo amidowe: większe różnice wywołane zmianą struktury było np. wykorzystywane do badania wpływu ołowiu na strukturę żelatyny

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

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

zmieniona tkanka śluzówki odbytu

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

14 000 to 350 cm -1 próbka źródło IR spliter detektor odnośnik dwuwiązkowy spektrometr IR

transformacja Fouriera domena czasu domena częstotliwości

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

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

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 )

zawiesiny ciał stałych w olejach nujol - olej mineralny fluorolube - perfluorowany olej (nie absorbuje w rejonie drgań C-H np. 2800-3000 cm -1 )

~ 100 mg KBr ~ 1mg próbki

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