Sådan fortolkes IR-spektre på 1 minut eller mindre: De 2 vigtigste ting at se efter
Sidste indlæg introducerede vi kort begrebet bindingsvibrationer, og vi så, at vi kan tænke på kovalente bindinger som lidt som kugler og fjedre: fjedrene vibrerer, og hver enkelt “synger” med en karakteristisk frekvens , som afhænger af bindingsstyrken og af atomernes masser. Disse vibrationer har frekvenser, der er i det mid-infrarøde (IR) område af det elektromagnetiske spektrum.
Vi kan observere og måle dette “sang” af bindinger ved at anvende IR-stråling til en prøve og måle de frekvenser, som strålingen absorberes med. Resultatet er en teknik kendt som infrarød spektroskopi, som er et nyttigt og hurtigt værktøj til at identificere bindingerne til stede i et givet molekyle.
Vi så, at IR-spektret af vand var ret simpelt – men fortsatte til et relativt komplekst molekyle som glukose (nedenfor) blev vi pludselig konfronteret med en skov af toppe!
Dit første indtryk af at se ud ved den IR kunne være: agh! hvordan skal jeg have mening med det ??
Som jeg vil sige: Vær ikke panik!
Indholdsfortegnelse
- Lad os rette nogle almindelige misforståelser om IR
- At starte med “Hunt And Peck” er ikke vejen at gå
- IR-spektroskopi: det store billede
- De to vigtigste ting at se efter i et IR-spektrum: “tunger” og “sværd”.
- Alkoholer og carboxylsyrer: Mere Detalje
- Specifikke eksempler på IR-spektre af carbonylfunktionelle grupper
- Mindre afgørende, men stadig nyttigt: To mere meget diagnostiske områder.
- Glucose, Revisited: The 1 Minuteanalyse
Lad os rette nogle almindelige misforståelser om IR
I dette indlæg vil jeg vise, at en typisk analyse af et IR-spektrum er meget enklere, end du måske tror Når du først har lært, hvad du skal kigge efter, kan det ofte gøres på et minut eller mindre. Hvorfor?
- IR bruges generelt ikke til at bestemme hele strukturen i et ukendt molekyle. For eksempel er der ikke en person i live, der kunne se på IR-spektret ovenfor og udlede strukturen af glu cose fra det. IR er et værktøj med en meget specifik anvendelse.
- Vi behøver ikke at analysere hver eneste top! (som vi vil se senere, er det, hvad NMR er til: -)). I stedet er IR fantastisk til at identificere bestemte specifikke funktionelle grupper, som alkoholer og carbonyler. På denne måde er det gratis for andre teknikker (som NMR), som ikke giver disse oplysninger så hurtigt.
Med dette i tankerne kan vi forenkle analysen af et IR-spektrum ved at skære ud alt undtagen den lavest liggende frugt.
Ser du den skov af toppe fra 500-1400 cm-1? Vi vil grundlæggende ignorere dem alle!
80% af de mest nyttige oplysninger til vores formål kan opnås ved at se på to specifikke områder i spektret: 3200-3400 cm-1 og 1650-1800 cm-1. Vi ser også, at der er mindst to yderligere regioner i et IR-spektrum, der er værd at kigge på, og dermed konkluderer en “første ordens” analyse af IR-spektret for et ukendt.
Bundlinie: formålet med dette indlæg er at vise dig, hvordan du prioriterer din tid i en analyse af et IR-spektrum.
2. At starte med “Hunt And Peck” er ikke vejen at gå
Konfronteret med et IR-spektrum af en ukendt (og en følelse af stigende panik), hvad gør en typisk ny studerende?
De når ofte ud til det første værktøj, de får, hvilket er en tabel over almindelige intervaller for IR-toppe givet af deres instruktør.
Det næste trin i deres analyse er at gå gennem spektret fra den ene side til den næste og forsøge at matche hver eneste top til et af tallene i tabellen . Jeg ved dette, fordi det er præcis, hvad jeg gjorde, da jeg først lærte IR. Jeg kalder det “jagt og hakke”.
De eneste mennesker, der “jager og hakker” som deres første skridt er mennesker som ikke har nogen plan (dvs. “nybegyndere”).
Så ved at læse de næste par afsnit kan du spare dig selv for meget tid og forvirring.
Det store billede
I IR-spektroskopi måler vi, hvor molekyler absorberer fotoner af IR-stråling. Toppe repræsenterer områder af spektret, hvor specifikke bindingsvibrationer opstår. Ligesom fjedre med forskellige vægte vibrerer ved karakteristiske frekvenser afhængigt af masse og spænding, så gør bindinger også.
Her er en oversigt over IR-vinduet fra 4000 cm -1 til 500 cm -1 med forskellige regioner af interesse fremhævet.
En endnu mere komprimeret oversigt ser sådan ud: (kilde)
Inden for disse områder er der to områder med høj prioritet at fokusere på og to områder med mindre prioritet, som vi diskuter yderligere nedenfor.
4. De to vigtigste ting at se efter i et IR-spektrum: “Tunger” og “Sværd”.
Når du konfronteres med et nyt IR-spektrum, skal du prioritere din tid ved at stille to vigtige spørgsmål:
- Er der en bred, afrundet top i regionen omkring 3400-3200 cm- 1? Det er her, hydroxylgrupper (OH) vises.
- Er der en skarp, stærk top i regionen omkring 1850-1630 cm-1? Det er her carbonylgrupper (C = O) dukker op.
Lad os først se på nogle eksempler på hydroxylgruppetoppe i regionen 3400 cm-1 til 3200 cm-1, som Jon beskriver levende som “tunger”. Toppe nedenfor tilhører alkoholer. Hydrogenbinding mellem hydroxylgrupper fører til nogle variationer i OH-bindingsstyrke, hvilket resulterer i en række vibrationsenergier. Variationen resulterer i de observerede brede toppe.
Hydroxylgrupper, der er en del af carboxylsyrer, har et endnu bredere udseende, som vi vil beskrive lidt.
Hovedpunktet er, at en hydroxylgruppe generelt ikke er noget, du skal lede efter i baseline-støj.
Selvom hydroxylgrupper er den mest almindelige form for bred top i denne region, topper NH kan også dukke op i dette område (mere om dem i fodnoten nedenfor). De har tendens til at have et skarpere udseende og kan se ud som en eller to toppe afhængigt af antallet af NH-bindinger.
Næste, le t ser på nogle eksempler på C = O toppe, i området omkring 1630-1800 cm-1 .. Disse toppe er næsten altid de stærkeste toppe i hele spektret og er relativt smalle, hvilket giver dem et noget “sværdlignende” udseende. .
Det opsummerer vores 80/20 analyse: se efter tunger og sværd.
Hvis du lærer intet andet fra dette indlæg, lærer at genkende disse to typer toppe!
To andre regioner i IR-spektret kan hurtigt give nyttige oplysninger, hvis du træner dig selv til at lede efter dem.
3. Linjen ved 3000 cm-1 er en nyttig “grænse” mellem alken C – H (over 3000 cm-1) og alkan C – H (under 3000 cm-1) Dette kan hurtigt hjælpe dig med at afgøre, om der er dobbeltbindinger.
4. En top i regionen omkring 2200 cm-1 – 2050 cm-1 er en subtil indikator for tilstedeværelsen af en tredobbelt binding. Intet andet vises i denne region.
En Common Sense-påmindelse
Først nogle åbenlyse råd:
- Hvis du får molekylformlen, vil det bestemme, hvilke funktionelle grupper du skal se efter. Det giver ingen fornuftigt at kigge efter OH-grupper, hvis du ikke har nogen oxygener i din molekylformel, eller ligeledes tilstedeværelsen af en amin, hvis formlen mangler kvælstof. formel, fordi det vil give vigtige spor. Se ikke efter C = O i en struktur som C4H10O, der ikke har nogen grad af umættethed.
5. Alkoholer og carboxylsyrer: Flere detaljer
Alkoholer
Le Vi ser på et specifikt eksempel, så vi kan se alt i perspektiv. Spektret nedenfor er af 1-hexanol.
Bemærk hydroxylgruppetoppen omkring 3300 cm-1, typisk for en alkohol (Den skarpe top omkring 3600 cm-1 er en almindelig ledsager til hydroxyltoppe: det repræsenterer ikke-hydrogenbundet OH).
Som du forventer for 1-hexanol, er der ikke nogen markant carbonyltop omkring 1700 cm-1. Begyndere kan blive fristet til at mærke den dolklignende stærke top på ca. 1450 cm-1 som en mulig C = O-strækning. Det er ikke. (det er sandsynligvis en C-H-bøjning). Variationer forekommer kun inden for et meget smalt område, og det er yderst usandsynligt, at du ser en C = O strække sig meget under 1650 cm-1. Jo flere spektre du ser, jo bedre bliver du ved at tage disse vurderinger.
For at få kendskab til variationen, her er nogle flere eksempler af hele IR-spektre af forskellige alkoholer.
- Phenol
- Cyclohexanol
- 1-butanol
Carboxylsyrer
Hydroxylgrupper i carboxylsyrer er betydeligt bredere end i alkoholer. Jon kalder det et “håret skæg”, hvilket er en perfekt beskrivelse. Deres udseende er også meget variabelt. OH-absorptionen i carboxylsyrer kan være så bred, at den strækker sig under 3000 cm-1 og stort set “overtager” venstre hånd en del af spektret.
Her er et eksempel: butansyre.
Her er nogle flere eksempler på fulde spektre, så du kan se variationen.
- Benzoesyre,
- Pentansyre,
- Eddikesyre
Forskellen i udseende mellem OH af en alkohol og en carboxylsyre er normalt diagnostisk. I det sjældne tilfælde, hvor du ikke er sikker på, om den brede top skyldes OH af en alkohol eller en carboxylsyre, er et forslag at kontrollere området omkring 1700 cm for C = O-strækningen. Hvis den er fraværende, ser du sandsynligvis på en alkohol.
Specifikke eksempler på IR-spektre af carbonylfunktionelle grupper
Den anden vigtige topregion er carbonyl C = O strækningsområdet omkring 1630-1830 cm. Carbonylstrækninger er skarpe og stærke.
Når du først ser et par af dem, er de umulige at gå glip af. Intet andet vises i denne region.
For at sætte det i perspektiv er her IR-spektret af hexanal. Den højdepunkt lidt efter 1700 cm-1 er C = O-strækningen. Når den er til stede, er C = O-strækningen næsten altid den stærkeste top i IR-spektret og umulig at gå glip af.
Positionen for C = O-strækningen varierer lidt efter carbonylfunktionel gruppe. Nogle områder (i cm-1) er vist nedenfor:
Bøjning vil påvirke placeringen af C = O-strækningen noget og flytte den til lavere bølgenummer.
En anstændig tommelfingerregel er, at du aldrig nogensinde vil se en C = O-strækning under 1630. Hvis du for eksempel ser en stærk top ved 1500, er det ikke C = O. Det er noget andet.
Mindre afgørende, men stadig nyttigt: To mere meget diagnostiske områder.
- CH Stretch Boundary ved 3000 cm-1
3000 cm-1 fungerer som en nyttig skillelinje. Over denne linje observeres højere frekvens C-H-strækninger, som vi tilskriver sp2-hybridiserede CH-obligationer. To eksempler nedenfor: 1-hexen (bemærk den top, der står lidt højere) og benzen.
For et molekyle med kun sp3-hybriserede CH-bindinger, vises linjerne under 3000 cm-1 som i hexan nedenfor.
2. Den distinkte tredobbelte bindingsregion omkring 2200 cm-1
Molekyler med tredobbelte bindinger forekommer relativt sjældent i det store skema af ting, men når de gør det, har de et særpræg i IR.
Området mellem 2000 cm-1 og 2400 cm-1 er lidt af en “spøgelsesby” i IR-spektre. Der er meget lidt, der vises i denne region. Hvis du ser toppe i denne region, er en sandsynlig kandidat et tredobbelt bundet kulstof såsom en alkyn eller nitril.
Bemærk, hvor svage alkynetoppene er. Dette er en undtagelse fra reglen om, at man skal ignorere svage toppe. Alligevel er forsigtighed påkrævet: Hvis du får molekylformlen, skal du bekræfte, at en alkyn er mulig ved at beregne graden af umættethed og sikre, at den er mindst 2 eller mere.
Terminalalkyner (såsom 1-hexyne) har også en stærk CH-strækning omkring 3400 cm-1, der er stærkere diagnostisk.
Glucose, Revisited: The 1 Minute Analysis
OK. Vi er gået r 4 regioner, der er nyttige til en hurtig analyse af et IR-spektrum.
Lad os nu gå tilbage og se på IR af glukose. Hvad ser vi?
Her er de to store ting at bemærke:
Også hvis vi tager lidt ekstra tid, vi kan se:
- Ingen alken CH (ingen toppe over 3000 cm-1)
- Intet i tredobbelt område (sjældent, men stadig en let ting at lære at kontrollere)
Nu: Hvis du fik dette spektrum som et “ukendt” sammen med dets molekylære formel, C6H12O6, hvilke konklusioner kunne du drage om dets struktur? / p>
- Molekylet har mindst en OH-gruppe (og muligvis flere)
- Molekylet har ingen C = O-grupper
- Molekylet * sandsynligvis * har ingen alkener. Hvis der er nogen alkener til stede, bærer de ikke nogen CH-bindinger, fordi vi ser deres CH strække sig over 3000 cm-1.
A molekyle med en grad af brintmangel (C6H12O6) men ingen C = O og sandsynligvis ingen C = C?
Et godt gæt ville være, at molekylet indeholder en ring. (Vi ved, at dette er tilfældet, selvfølgelig, men det er rart at se IR bekræfte, hvad der er Vi ved det allerede).
Dette er, hvad en 1-minuts analyse af IR af glukose kan fortælle os. Ikke hele strukturen, husk dig, men bestemt nogle vigtige stykker.
Det er nok til i dag. I det næste indlæg laver vi nogle flere analyser på 1 minut og giver mere konkrete eksempler på, hvordan man bruger informationen i et IR-spektrum til at drage konklusioner om molekylær struktur.
Mere om 3200-regionen: Aminer , Amides og Terminal Alkyne CH
Mens vi er i 3200-regionen…. Aminer og amider
Aminer og amider har også N-H-strækninger, der vises i denne region.
Læg mærke til, hvordan den primære amin og den primære amid har to “hugtænder”, mens den sekundære amin og den sekundære amid har en enkelt top.
Aminstrækningerne har tendens til at være skarpere end amidet strækninger; også amiderne kan skelnes ved en stærk C = O-strækning (se nedenfor).
Primære aminer (klik for spektre)
- Aniline
- Benzylamin
- Cyclohexylamin
Sekundære aminer:
- N-methylbenzylamin
- N, N-dibenzylamin
- N-methylanilin
Primære amider
- Propionamid
- Benzamid
- Butanamid
Sekundære amider
- N-methylbenzamid
Terminal alkyn CH
Terminal alkyner har en karakteristisk CH-strækning omkring 3300 cm-1. Her er den for ethynylbenzen nedenfor.
- Ethynylbenzen
