Come interpretare gli spettri IR in 1 minuto o meno: le 2 cose più importanti da cercare
Ultimo post, abbiamo introdotto brevemente il concetto di vibrazioni di legame, e abbiamo visto che possiamo pensare ai legami covalenti come un po ‘come sfere e molle: le molle vibrano e ognuna “canta” con una frequenza caratteristica , che dipende dalla forza del legame e dalle masse degli atomi. Queste vibrazioni hanno frequenze che si trovano nella regione del medio infrarosso (IR) dello spettro elettromagnetico.
Possiamo osservarlo e misurarlo “canto” dei legami applicando la radiazione IR a un campione e misurando le frequenze alle quali la radiazione viene assorbita. Il risultato è una tecnica nota come spettroscopia a infrarossi, che è uno strumento utile e veloce per identificare i legami presenti in una data molecola.
Abbiamo visto che lo spettro IR dell’acqua era piuttosto semplice, ma siamo passati a una molecola relativamente complessa come il glucosio (sotto) ci siamo trovati improvvisamente di fronte a una foresta di picchi!
La tua prima impressione di guardare a quell’IR potrebbe essere: agh! come dovrei dare un senso a tutto ciò ??
A cui voglio dire: niente panico!
Sommario
- Correggiamo alcune idee sbagliate comuni su IR
- Iniziare con “Hunt And Peck” non è la strada da percorrere
- Spettroscopia IR: il quadro generale
- Le due cose principali da cercare in uno spettro IR: “lingue” e “spade”.
- Alcoli e acidi carbossilici: altro Dettagli
- Esempi specifici di spettri IR di gruppi funzionali carbonilici
- Meno cruciali, ma comunque utili: altre due aree molto diagnostiche.
- Glucosio, rivisitato: 1 Analisi dei minuti
Correggiamo alcune idee sbagliate comuni sull’IR
In questo post, voglio mostrare che un’analisi tipica di uno spettro IR è molto più semplice di quanto potresti pensare In effetti, una volta appreso cosa cercare, spesso può essere fatto in un minuto o meno. Perché?
- L’IR non viene generalmente utilizzato per determinare l’intera struttura di una molecola sconosciuta. Ad esempio, non esiste una persona viva che possa guardare lo spettro IR sopra e dedurre la struttura del glu cose da esso. IR è uno strumento con un utilizzo molto specifico.
- Non abbiamo bisogno di analizzare ogni singolo picco! (come vedremo più avanti, è a questo che serve NMR: -)). Invece, IR è ottimo per identificare alcuni gruppi funzionali specifici, come alcoli e carbonili. In questo modo è complementare ad altre tecniche (come NMR) che non forniscono queste informazioni così rapidamente.
Con questo in mente, possiamo semplificare l’analisi di uno spettro IR tagliando tutto tranne il frutto più infimo.
Vedi quella foresta di vette da 500-1400 cm-1? Fondamentalmente li ignoreremo tutti!
L’80% delle informazioni più utili per i nostri scopi può essere ottenuto osservando due aree specifiche dello spettro: 3200-3400 cm-1 e 1650-1800 cm-1. Vedremo anche che ci sono almeno altre due regioni di uno spettro IR che vale la pena esaminare, e quindi concluderemo un’analisi “di primo ordine” dello spettro IR di uno sconosciuto.
Conclusione: il lo scopo di questo post è mostrarti come dare la priorità al tuo tempo in un’analisi di uno spettro IR.
2. Iniziare con “Hunt And Peck” non è la strada da percorrere
Di fronte a uno spettro IR di uno sconosciuto (e un senso di panico crescente), cosa fa un tipico nuovo studente?
Spesso raggiungono il primo strumento che viene loro fornito, che è una tabella di intervalli comuni per i picchi IR forniti loro dal loro istruttore.
Il passo successivo della loro analisi è passare attraverso lo spettro da un lato all’altro, cercando di abbinare ogni singolo picco a uno dei numeri nella tabella . Lo so perché è esattamente quello che ho fatto quando ho imparato IR per la prima volta. Io lo chiamo “cacciare e beccare”.
Le uniche persone che “cacciano e beccano” come primo passo sono le persone che non hanno piani (ad esempio “neofiti”).
Quindi, leggendo i prossimi paragrafi puoi risparmiare un sacco di tempo e confusione.
Il quadro generale
Nella spettroscopia IR misuriamo dove le molecole assorbono i fotoni della radiazione IR. I picchi rappresentano aree dello spettro in cui si verificano specifiche vibrazioni di legame. Proprio come le molle di vari pesi vibrano a frequenze caratteristiche dipendenti dalla massa e dalla tensione, così fanno i legami.
Ecco una panoramica della finestra IR da 4000 cm -1 a 500 cm -1 con varie aree di interesse evidenziate.
Una panoramica ancora più compressa è simile a questa: (sorgente)
All’interno di questi intervalli, ci sono due aree ad alta priorità su cui concentrarsi e due aree con priorità minore discutere ulteriormente di seguito.
4. Le due cose principali da cercare in uno spettro IR: “Tongues” e “Swords”.
Quando ti trovi di fronte a un nuovo spettro IR, dai la priorità al tuo tempo ponendo due domande importanti:
- C’è un picco ampio e arrotondato nella regione intorno a 3400-3200 cm- 1? È qui che compaiono i gruppi idrossilici (OH).
- C’è un picco forte e netto nella regione intorno a 1850-1630 cm-1? È qui che compaiono i gruppi carbonilici (C = O).
Per prima cosa, diamo un’occhiata ad alcuni esempi di picchi di gruppi idrossilici nella regione da 3400 cm-1 a 3200 cm-1, che Jon descrive vividamente come “lingue”. I picchi sottostanti appartengono tutti agli alcoli. Il legame idrogeno tra i gruppi idrossilici porta ad alcune variazioni nella forza del legame OH, che si traduce in una gamma di energie vibrazionali. La variazione si traduce negli ampi picchi osservati.
I gruppi idrossilici che fanno parte degli acidi carbossilici hanno un aspetto ancora più ampio che descriveremo tra poco.
Il punto principale è che un gruppo idrossile non è generalmente qualcosa che devi cercare nel rumore di base.
Sebbene i gruppi idrossilici siano il tipo più comune di picco ampio in questa regione, i picchi NH possono essere visualizzati anche in quest’area (maggiori informazioni su di essi nella nota a piè di pagina sotto). Tendono ad avere un aspetto più nitido e possono apparire come uno o due picchi a seconda del numero di legami NH.
Successivamente, le Diamo uno sguardo ad alcuni esempi di picchi C = O, nella regione intorno a 1630-1800 cm-1 .. Questi picchi sono quasi sempre i picchi più forti dell’intero spettro e sono relativamente stretti, dando loro un aspetto un po ‘”simile a una spada” .
Questo riassume la nostra analisi 80/20: cerca lingue e spade.
Se non impari nient’altro da questo post, impara a riconoscere questi due tipi di picchi!
Altre due regioni dello spettro IR possono fornire rapidamente informazioni utili se ti alleni a cercarle.
3. La linea a 3000 cm-1 è un utile “confine” tra alchene C – H (sopra 3000 cm-1) e alcano C – H (sotto 3000 cm-1). Questo può aiutarti rapidamente a determinare se sono presenti doppi legami.
4. Un picco nella regione intorno a 2200 cm-1 – 2050 cm-1 è un sottile indicatore della presenza di un triplo legame. Nient’altro si vede in questa regione.
Un promemoria di buon senso
Primo, un consiglio ovvio:
- se ti viene data la formula molecolare, questo determinerà quali gruppi funzionali dovresti cercare. Non fa ha senso cercare gruppi OH se non si hanno ossigeni nella formula molecolare, o allo stesso modo la presenza di un’ammina se la formula manca di azoto.
- Meno ovviamente, calcola i gradi di insaturazione se ti viene data la molecola formula, perché fornirà indizi importanti. Non cercare C = O in una struttura come C4H10O che non ha alcun grado di insaturazione.
5. Alcoli e acidi carbossilici: Maggiori dettagli
Alcoli
Le guardiamo un esempio specifico in modo da poter vedere tutto in prospettiva. Lo spettro sotto è di 1-esanolo.
Notare il picco del gruppo idrossile intorno a 3300 cm-1, tipico di un alcol (quel picco acuto intorno a 3600 cm-1 è un compagno comune dei picchi idrossilici: rappresenta OH non legato a idrogeno).
Come ci si aspetterebbe per l’1-esanolo, non c’è alcun picco di carbonile rivelatore intorno a 1700 cm-1. I principianti potrebbero essere tentati di etichettare quel picco forte simile a un pugnale a circa 1450 cm-1 come un possibile allungamento C = O. Non è. (probabilmente è una curva C-H). Le variazioni si verificano solo entro un intervallo molto ristretto ed è estremamente improbabile vedere un allungamento C = O molto al di sotto di 1650 cm-1. Più spettri vedi, meglio riuscirai a esprimere questi giudizi.
Per acquisire familiarità con la variazione, ecco alcuni altri esempi dell’intero spettro IR di vari alcoli.
- Fenolo
- Cicloesanolo
- 1-butanolo
Acidi carbossilici
I gruppi idrossilici negli acidi carbossilici sono notevolmente più ampi rispetto agli alcoli. Jon la chiama “barba pelosa”, che è una descrizione perfetta. Anche il loro aspetto è molto variabile. L’assorbimento di OH negli acidi carbossilici può essere così ampio da estendersi al di sotto di 3000 cm-1, praticamente “prendendo il sopravvento” sulla mano sinistra parte dello spettro.
Ecco un esempio: acido butanoico.
Ecco alcuni altri esempi di spettri completi in modo da poter vedere la variazione.
- Acido benzoico,
- Acido pentanoico,
- Acido acetico
La differenza di aspetto tra l’OH di un alcol e quella di un acido carbossilico è solitamente diagnostica. Nel raro caso in cui non si è sicuri se l’ampio picco sia dovuto all’OH di un alcol o di un acido carbossilico, un suggerimento è di controllare la regione intorno ai 1700 cm per il tratto C = O. Se è assente, probabilmente stai guardando un alcol.
Esempi specifici di spettri IR di gruppi funzionali carbonilici
La seconda importante regione del picco è l’area di stiramento C = O del carbonile a circa 1630-1830 cm. I tratti di carbonile sono taglienti e forti.
Una volta che ne vedi alcuni, è impossibile perderli. Nient’altro viene visualizzato in questa regione.
Per metterlo in prospettiva, ecco lo spettro IR dell’esanale. Quel picco poco dopo 1700 cm-1 è il tratto C = O. Quando è presente, l’allungamento C = O è quasi sempre il picco più forte nello spettro IR e impossibile da perdere.
La posizione del tratto C = O varia leggermente in base al gruppo funzionale carbonile. Alcuni intervalli (in cm-1) sono mostrati di seguito:
La coniugazione influenzerà in qualche modo la posizione dell’allungamento C = O, spostandolo su un numero d’onda inferiore.
Una regola pratica decente è che non vedrai mai e poi mai un allungamento C = O al di sotto di 1630. Se vedi un picco forte a 1500, per esempio, non è C = O. È qualcos’altro.
Meno cruciale, ma comunque utile: altre due aree molto diagnostiche.
- Il limite di allungamento CH a 3000 cm-1
3000 cm-1 funge da utile linea di demarcazione. Al di sopra di questa linea si osservano allungamenti C-H a frequenza maggiore che attribuiamo ai legami C-H ibridati sp2. Due esempi di seguito: 1-esene (notare il picco che è leggermente più alto) e benzene.
Per una molecola con solo legami CH ibridati sp3, le linee appariranno sotto i 3000 cm-1 come in esano , di seguito.
2. La distintiva regione del triplo legame intorno a 2200 cm-1
Le molecole con tripli legami appaiono relativamente di rado nel grande schema delle cose, ma quando lo fanno, hanno una traccia distintiva nell’IR.
La regione tra 2000 cm-1 e 2400 cm-1 è un po ‘una “città fantasma” negli spettri IR; c’è molto poco che appare in questa regione. Se vedi picchi in questa regione, un probabile candidato è un carbonio a triplo legame, come un alchino o un nitrile.
Nota quanto sono deboli i picchi degli alchini. Questa è un’eccezione a la regola per cui si dovrebbero ignorare i picchi deboli. Tuttavia, occorre cautela: se ti viene data la formula molecolare, conferma che un alchino è possibile calcolando i gradi di insaturazione e assicurandoti che sia almeno 2 o più.
Gli alchini terminali (come 1-hexyne) hanno anche un forte allungamento del CH intorno a 3400 cm-1 che è più fortemente diagnostico.
Glucosio, rivisitato: analisi in 1 minuto
OK, siamo andati ove r 4 regioni utili per una rapida analisi di uno spettro IR.
Ora torniamo indietro e guardiamo l’IR del glucosio. Cosa vediamo?
Ecco le due cose importanti da notare:
Inoltre, se ci prendiamo un po ‘di tempo in più per vedere:
- Nessun alchene CH (nessun picco superiore a 3000 cm-1)
- Niente nella regione a triplo legame (raro, ma ancora una cosa facile da imparare a controllare)
Ora: se ti venisse dato questo spettro come uno “sconosciuto” insieme alla sua formula molecolare, C6H12O6, quali conclusioni potresti trarre sulla sua struttura?
- La molecola ha almeno un gruppo OH (e possibilmente più)
- La molecola non ha gruppi C = O
- La molecola * probabilmente * non ha alcheni. Se sono presenti alcheni, non portano alcun legame CH, perché vedremmo il loro allungamento CH sopra 3000 cm-1.
A molecola con un grado di carenza di idrogeno (C6H12O6) ma senza C = O e probabilmente senza C = C?
Una buona ipotesi sarebbe che la molecola contenga un anello (sappiamo che è così, certo, ma è bello vedere l’IR che conferma wha lo sappiamo già).
Questo è ciò che può dirci un’analisi di 1 minuto dell’IR del glucosio. Non l’intera struttura, intendiamoci, ma sicuramente alcune parti importanti.
Per oggi è sufficiente. Nel prossimo post faremo altre analisi di 1 minuto e forniremo esempi più concreti di come utilizzare le informazioni in uno spettro IR per trarre conclusioni sulla struttura molecolare.
Ulteriori informazioni sulla regione 3200: ammine , Amides e Terminal Alkyne CH
Mentre siamo nella regione 3200…. Ammine e ammidi
Anche le ammine e le ammidi hanno allungamenti N-H che si manifestano in questa regione.
Nota come l’ammina primaria e l’ammide primaria hanno due “zanne”, mentre l’ammina secondaria e l’ammide secondaria hanno un unico picco.
Gli allungamenti dell’ammina tendono ad essere più nitidi dell’ammide si allunga; anche le ammidi possono essere distinte da un forte allungamento C = O (vedi sotto).
Ammine primarie (clicca per spettri)
- Anilina
- Benzilammina
- Cicloesilammina
Amine secondarie:
- N-metilbenzilammina
- N, N-dibenzilammina
- N-metilanilina
Amidi primarie
- Propionamide
- Benzamide
- Butanamide
Amidi secondarie
- N-metil benzammide
Alchino terminale CH
Alchini terminali hanno un tratto CH caratteristico intorno a 3300 cm-1. Eccolo per l’etinilbenzene, di seguito.
- Etinilbenzene
