Slik tolker du IR Spectra på 1 minutt eller mindre: De 2 viktigste tingene du må se etter
Siste innlegg introduserte vi kort begrepet bindingsvibrasjoner, og vi så at vi kan tenke på kovalente bindinger som litt som kuler og fjærer: fjærene vibrerer, og hver og en «synger» med en karakteristisk frekvens , som avhenger av bindingsstyrken og av atomene. Disse vibrasjonene har frekvenser som er i det midtinfrarøde området (IR) av det elektromagnetiske spekteret.
Vi kan observere og måle dette «synge» obligasjoner ved å påføre IR-stråling til en prøve og måle frekvensene hvor strålingen absorberes. Resultatet er en teknikk kjent som Infrarød spektroskopi, som er et nyttig og raskt verktøy for å identifisere bindingene som er tilstede i et gitt molekyl.
Vi så at IR-spekteret av vann var ganske enkelt – men gikk videre til et relativt komplekst molekyl som glukose (nedenfor) ble vi plutselig konfrontert med en skog av topper!
Ditt første inntrykk av å se på den IR kan være: agh! hvordan skal jeg forstå det ??
Som jeg vil si: ikke få panikk!
Innholdsfortegnelse
- La oss korrigere noen vanlige misoppfatninger om IR
- Å starte med «Hunt And Peck» er ikke veien å gå
- IR-spektroskopi: det store bildet
- De to viktigste tingene du skal se etter i et IR-spektrum: «Tongues» og «Swords».
- Alkoholer og karboksylsyrer: Mer Detalj
- Spesifikke eksempler på IR-spektra av karbonylfunksjonelle grupper
- Mindre avgjørende, men likevel nyttig: To flere veldig diagnostiske områder.
- Glukose, Revisited: The 1 Minuttanalyse
La oss rette opp noen vanlige misoppfatninger om IR
I dette innlegget vil jeg vise at en typisk analyse av et IR-spektrum er mye enklere enn du kanskje tror Når du først har lært hva du skal se etter, kan det ofte gjøres på et minutt eller mindre. Hvorfor?
- IR brukes vanligvis ikke til å bestemme hele strukturen til et ukjent molekyl. For eksempel er det ikke en person i live som kan se på IR-spektret ovenfor og utlede strukturen til lim cose fra det. IR er et verktøy med en veldig spesifikk bruk.
- Vi trenger ikke å analysere hver eneste topp! (som vi får se senere, det er det NMR er for: -)). I stedet er IR flott for å identifisere bestemte spesifikke funksjonelle grupper, som alkoholer og karbonyler. På denne måten er det gratis for andre teknikker (som NMR) som ikke gir denne informasjonen så raskt.
Med dette i tankene kan vi forenkle analysen av et IR-spektrum ved å kutte ut alt bortsett fra den lavest liggende frukten.
Ser du skogen av topper fra 500-1400 cm-1? Vi skal i utgangspunktet ignorere dem alle!
80% av den mest nyttige informasjonen for våre formål kan oppnås ved å se på to spesifikke områder i spekteret: 3200-3400 cm-1 og 1650-1800 cm-1. Vi ser også at det er minst to regioner til i et IR-spektrum som er verdt å kikke på, og dermed konkluderer med en «første ordens» analyse av IR-spektret til et ukjent.
Bunnlinjen: Hensikten med dette innlegget er å vise deg hvordan du kan prioritere tiden din i en analyse av et IR-spektrum.
2. Starter med «Hunt And Peck» er ikke veien å gå
Konfrontert med et IR-spektrum av en ukjent (og en følelse av økende panikk), hva gjør en typisk ny student?
De når ofte det første verktøyet de får, som er en tabell over vanlige områder for IR-topper gitt av instruktøren deres.
Det neste trinnet i analysen deres er å gå gjennom spekteret fra den ene siden til den neste, og prøve å matche hver eneste topp til et av tallene i tabellen. . Jeg vet dette fordi dette var akkurat det jeg gjorde da jeg først lærte IR. Jeg kaller det «jakt og hakke».
De eneste som «jakter og hakker» som sitt første skritt er mennesker som ikke har noen plan (dvs. «nybegynnere»).
Så ved å lese de neste par avsnittene kan du spare deg for mye tid og forvirring.
Det store bildet
I IR-spektroskopi måler vi hvor molekyler absorberer fotoner av IR-stråling. Toppene representerer områder av spekteret der spesifikke bindingsvibrasjoner oppstår. Akkurat som fjærer med varierende vekter vibrerer ved karakteristiske frekvenser avhengig av masse og spenning, gjør også bindinger.
Her er en oversikt over IR-vinduet fra 4000 cm -1 til 500 cm -1 med forskjellige regioner av interesse fremhevet.
En enda mer komprimert oversikt ser slik ut: (kilde)
Innenfor disse områdene er det to områder med høy prioritet å fokusere på, og to områder med mindre prioritet vi vil diskuter videre nedenfor.
4. De to viktigste tingene du skal se etter i et IR-spektrum: «Tunger» og «Sverd».
Når du blir konfrontert med et nytt IR-spektrum, kan du prioritere tiden din ved å stille to viktige spørsmål:
- Er det en bred, avrundet topp i regionen rundt 3400-3200 cm- 1 ? Det er der hydroksylgrupper (OH) dukker opp.
- Er det en skarp, sterk topp i regionen rundt 1850-1630 cm-1? Det er her karbonylgrupper (C = O) dukker opp.
La oss først se på noen eksempler på hydroksylgruppetopper i regionen 3400 cm-1 til 3200 cm-1, som Jon beskriver levende som «tunger». Toppene under alle tilhører alkoholer. Hydrogenbinding mellom hydroksylgrupper fører til noen variasjoner i OH-bindingsstyrken, noe som resulterer i en rekke vibrasjonsenergier. Variasjonen resulterer i de observerte brede toppene.
Hydroksylgrupper som er en del av karboksylsyrer har et enda bredere utseende som vi vil beskrive litt.
Hovedpoenget er at en hydroksylgruppe generelt ikke er noe du trenger å se etter i grunnstøyen.
Selv om hydroksylgrupper er den vanligste typen bred topp i denne regionen, topper NH kan dukke opp i dette området også (mer om dem i fotnoten nedenfor). De har en skarpere utseende og kan se ut som en eller to topper, avhengig av antall NH-bindinger.
Neste, le t ser på noen eksempler på C = O topper, i området rundt 1630-1800 cm-1 .. Disse toppene er nesten alltid de sterkeste toppene i hele spektret og er relativt smale, noe som gir dem et noe «sverdlignende» utseende. .
Det oppsummerer vår 80/20 analyse: se etter tunger og sverd.
Hvis du lærer ingenting annet fra dette innlegget, lær deg å gjenkjenne disse to typene topper!
To andre regioner i IR-spekteret kan raskt gi nyttig informasjon hvis du trener deg selv til å lete etter dem.
3. Linjen ved 3000 cm-1 er en nyttig «grense» mellom alken C – H (over 3000 cm-1) og alkan C – H (under 3000 cm-1) Dette kan raskt hjelpe deg med å avgjøre om dobbeltbindinger er til stede.
4. En topp i regionen rundt 2200 cm-1 – 2050 cm-1 er en subtil indikator på tilstedeværelsen av en trippelbinding. Ingenting annet vises i denne regionen.
En sunn fornuftig påminnelse
Først, noen åpenbare råd:
- Hvis du får molekylformelen, vil det avgjøre hvilke funksjonelle grupper du skal se etter. Det gir ingen det er fornuftig å se etter OH-grupper hvis du ikke har noen oksygener i molekylformelen, eller på samme måte tilstedeværelsen av et amin hvis formelen mangler nitrogen. formel, fordi det vil gi viktige ledetråder. Ikke se etter C = O i en struktur som C4H10O som ikke har noen grad av umettethet.
5. Alkoholer og karboksylsyrer: Flere detaljer
Alkoholer
Le Vi ser på et spesifikt eksempel slik at vi kan se alt i perspektiv. Spekteret nedenfor er av 1-heksanol.
Legg merke til hydroksylgruppetoppen rundt 3300 cm-1, typisk for en alkohol (Den skarpe toppen rundt 3600 cm-1 er en vanlig følgesvenn for hydroksyltopper: den representerer ikke-hydrogenbundet OH).
Som du forventer for 1-heksanol, er det ikke noe tydelig karbonyltopp rundt 1700 cm-1. Nybegynnere kan bli fristet til å merke den dolklignende sterke toppen på ca 1450 cm-1 som en mulig C = O-strekning. Det er ikke. (det er sannsynligvis en C-H-bøyning). Variasjoner forekommer bare innenfor et veldig smalt område, og det er svært lite sannsynlig at du ser en C = O strekke seg mye under 1650 cm-1. Jo flere spektre du ser, jo bedre blir du til å ta disse vurderingene.
For å bli kjent med variasjon, her er noen flere eksempler av hele IR-spektre av forskjellige alkoholer.
- Fenol
- Sykloheksanol
- 1-butanol
Karboksylsyrer
Hydroksylgrupper i karboksylsyrer er betydelig bredere enn i alkoholer. Jon kaller det et «hårete skjegg», som er en perfekt beskrivelse. Utseendet deres er også veldig variabelt. OH-absorpsjonen i karboksylsyrer kan være så bred at den strekker seg under 3000 cm-1, og ganske mye «tar over» venstre hånd en del av spekteret.
Her er et eksempel: butansyre.
Her er noen flere eksempler på fullspektre slik at du kan se variasjonen.
- Benzosyre,
- Pentansyre,
- Eddiksyre
Forskjellen i utseende mellom OH av en alkohol og en karboksylsyre er vanligvis diagnostisk. I det sjeldne tilfellet hvor du ikke er sikker på om den brede toppen skyldes OH av en alkohol eller en karboksylsyre, er et forslag å kontrollere området rundt 1700 cm for C = O-strekningen. Hvis den er fraværende, ser du sannsynligvis på en alkohol.
Spesifikke eksempler på IR-spektra av karbonylfunksjonelle grupper
Den andre viktige toppregionen er karbonyl C = O-strekningsområdet omtrent 1630-1830 cm. Karbonylstrekk er skarpe og sterke.
Når du ser noen få av dem, er de umulige å gå glipp av. Ingenting annet dukker opp i denne regionen.
For å sette det i perspektiv, her er IR-spekteret av heksanal. Den toppen litt etter 1700 cm-1 er C = O-strekningen. Når den er til stede, er C = O-strekningen nesten alltid den sterkeste toppen i IR-spekteret og umulig å gå glipp av.
Posisjonen til C = O-strekningen varierer litt etter karbonylfunksjonell gruppe. Noen områder (i cm-1) er vist nedenfor:
Bøyning vil påvirke posisjonen til C = O-strekningen noe og flytte den til lavere bølgetall.
En anstendig tommelfingerregel er at du aldri, noensinne, vil se en C = O-strekning under 1630. Hvis du for eksempel ser en sterk topp ved 1500, er det ikke C = O. Det er noe annet.
Mindre avgjørende, men likevel nyttig: To flere veldig diagnostiske områder.
- CH Stretch Boundary på 3000 cm-1
3000 cm-1 fungerer som en nyttig skillelinje. Over denne linjen observeres høyere frekvens C-H-strekk vi tilskriver sp2 hybridiserte C-H-bindinger. To eksempler nedenfor: 1-heksen (merk toppen som står litt høyere) og benzen.
For et molekyl med bare sp3-hybriserte CH-bindinger, vil linjene vises under 3000 cm-1 som i heksan , nedenfor.
2. Den særegne trippelbindingsregionen rundt 2200 cm-1
Molekyler med trippelbindinger vises relativt sjelden i den store ordningen av ting, men når de gjør det, har de et særegent spor i IR.
Regionen mellom 2000 cm-1 og 2400 cm-1 er litt av en «spøkelsesby» i IR-spektre. Det er veldig lite som dukker opp i denne regionen. Hvis du ser topper i denne regionen, er en sannsynlig kandidat et trippelbundet karbon som et alkyn eller nitril.
Legg merke til hvor svake alkynetoppene er. Dette er ett unntak fra regelen om at man skal ignorere svake topper. Likevel er forsiktighet påkrevd: hvis du får molekylformelen, bekreft at en alkyn er mulig ved å beregne gradene av umettethet og sørge for at den er minst 2 eller mer.
Terminalalkyner (som 1-hexyne) har også en sterk CH-strekning rundt 3400 cm-1 som er sterkere diagnostisk.
Glukose, Revisited: The 1 Minute Analysis
OK. Vi har gått r 4 regioner som er nyttige for en rask analyse av et IR-spektrum.
La oss nå gå tilbake og se på IR av glukose. Hva ser vi?
Her er de to store tingene å merke seg:
Også, hvis vi tar litt ekstra tid vi kan se:
- Ingen alken CH (ingen topper over 3000 cm-1)
- Ingenting i trippelbundet region (sjelden, men fortsatt en enkel ting å lære å sjekke)
Nå: Hvis du fikk dette spekteret som et «ukjent» sammen med dets molekylformel, C6H12O6, hvilke konklusjoner kan du trekke om strukturen?
- Molekylet har minst en OH-gruppe (og muligens flere)
- Molekylet har ingen C = O-grupper
- Molekylet * sannsynligvis * har ingen alkener. Hvis noen alkener er til stede, bærer de ikke noen CH-bindinger, fordi vi ser at CH strekker seg over 3000 cm-1.
A molekyl med en grad av hydrogenmangel (C6H12O6) men ingen C = O, og sannsynligvis ingen C = C?
Et godt gjetning ville være at molekylet inneholder en ring. (Vi vet at dette er tilfelle, selvfølgelig, men det er hyggelig å se IR bekrefte hva t vi allerede vet).
Dette er hva en 1-minutters analyse av IR av glukose kan fortelle oss. Ikke hele strukturen, husk deg, men absolutt noen viktige biter.
Det er nok for i dag. I neste innlegg vil vi gjøre flere 1-minutts analyser og gi mer konkrete eksempler på hvordan du bruker informasjonen i et IR-spektrum til å trekke konklusjoner om molekylær struktur.
Mer 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-strekninger som dukker opp i denne regionen.
Legg merke til hvordan det primære aminet og det primære amidet har to «fangs», mens det sekundære aminet og det sekundære amidet har en enkelt topp.
Aminstrekningene har en tendens til å være skarpere enn amidet strekker seg; også amidene kan skilles ut med en sterk C = O-strekning (se nedenfor).
Primære aminer (klikk for spektra)
- Aniline
- Benzylamin
- Sykloheksylamin
Sekundære aminer:
- N-metylbenzylamin
- N, N-dibenzylamin
- N-metylanilin
Primære amider
- Propionamid
- Benzamid
- Butanamid
Sekundære amider
- N-metylbenzamid
Terminal alkyn CH
Terminal alkyner har en karakteristisk CH-strekk rundt 3300 cm-1. Her er den for etynylbenzen, under.
- Ethynylbenzen
