Jak interpretować widma IR w 1 minutę lub mniej: 2 najważniejsze rzeczy, na które należy zwrócić uwagę
W ostatnim poście krótko przedstawiliśmy pojęcie wibracji wiązań i zobaczyliśmy, że możemy myśleć o wiązaniach kowalencyjnych trochę jak kulki i sprężyny: sprężyny wibrują, a każda z nich „śpiewa” z charakterystyczną częstotliwością , która zależy od siły wiązania i mas atomów. Wibracje te mają częstotliwości w zakresie średniej podczerwieni (IR) widma elektromagnetycznego.
Możemy to zaobserwować i zmierzyć „śpiewanie” wiązań poprzez przyłożenie promieniowania podczerwonego do próbki i pomiar częstotliwości, przy których promieniowanie jest pochłaniane. Rezultatem jest technika znana jako spektroskopia w podczerwieni, która jest użytecznym i szybkim narzędziem do identyfikacji wiązań obecnych w danej cząsteczce.
Widzieliśmy, że widmo IR wody było dość proste – ale przechodząc do stosunkowo złożona cząsteczka, taka jak glukoza (poniżej), nagle stanęliśmy przed lasem szczytów!
Twoje pierwsze wrażenie w tym IR może być: ach! jak mam to nadać sens?
Do czego chcę powiedzieć: nie panikuj!
Spis treści
- Poprawmy niektóre powszechne błędne przekonania dotyczące IR
- Rozpoczynanie od „polowania i dziobania” nie jest właściwą drogą
- Spektroskopia w podczerwieni: duży obraz
- Dwie główne rzeczy, których należy szukać w widmie IR: „języki” i „miecze”.
- Alkohole i kwasy karboksylowe: więcej Szczegóły
- Konkretne przykłady widm IR grup funkcyjnych karbonylowych
- Mniej istotne, ale nadal użyteczne: dwa kolejne bardzo diagnostyczne obszary.
- Glukoza, ponownie: The 1 Analiza minutowa
Poprawmy niektóre powszechne błędne przekonania na temat IR
W tym poście chcę pokazać, że typowa analiza widma IR jest znacznie prostsza niż mogłoby się wydawać . W rzeczywistości, kiedy już nauczysz się, czego szukać, często można to zrobić w minutę lub krócej. Dlaczego?
- IR nie jest generalnie używane do określenia całej struktury nieznanej cząsteczki. Na przykład nie ma żywej osoby, która mogłaby spojrzeć na widmo IR powyżej i wydedukować strukturę kleju z tego. IR to narzędzie o bardzo specyficznym zastosowaniu.
- Nie musimy analizować każdego piku! (jak zobaczymy później, do tego służy NMR: -)). Zamiast tego IR doskonale nadaje się do identyfikowania określonych określonych grup funkcyjnych, takich jak alkohole i karbonylki. W ten sposób jest uzupełnieniem innych technik (takich jak NMR), które nie dostarczają tych informacji tak szybko.
Mając to na uwadze, możemy uprościć analizę widma IR, wycinając wszystko oprócz najniżej położonego owocu.
Widzisz ten las ze szczytami 500-1400 cm-1? Zasadniczo zignorujemy je wszystkie!
80% informacji najbardziej przydatnych do naszych celów można uzyskać, patrząc na dwa określone obszary widma: 3200-3400 cm-1 i 1650-1800 cm-1. Zobaczymy również, że istnieją co najmniej dwa inne obszary widma IR, którym warto się przyjrzeć, i tym samym zakończymy analizę „pierwszego rzędu” widma IR nieznanego.
Konkluzja: Celem tego postu jest pokazanie, jak nadać priorytet czasowi w analizie widma IR.
2. Rozpoczęcie od „Polowania i dziobania” nie jest właściwą drogą
Co robi typowy nowy uczeń w obliczu nieznanego widma IR (i poczucia narastającej paniki)?
Często sięgają po pierwsze otrzymane narzędzie, czyli tabelę wspólnych zakresów dla pików IR podanych przez ich instruktora.
Następnym krokiem w ich analizie jest przejście przez widmo od jednej strony do drugiej, próbując dopasować każdy pik do jednej z liczb w tabeli . Wiem o tym, ponieważ dokładnie to zrobiłem, kiedy po raz pierwszy nauczyłem się IR. Nazywam to „polowaniem i dziobaniem”.
Jedynymi osobami, które „polują i dziobią” jako pierwszy krok, są ludzie którzy nie mają planu (np. „nowicjusze”).
Czytając kilka następnych akapitów, możesz zaoszczędzić sobie dużo czasu i zamieszania.
Wielki obraz
W spektroskopii IR mierzymy, gdzie cząsteczki absorbują fotony promieniowania podczerwonego. Piki reprezentują obszary widma, w których występują określone drgania wiązań … Podobnie jak sprężyny o różnej masie wibrują z charakterystycznymi częstotliwościami zależnymi od masy i napięcia, tak samo dzieje się z wiązaniami.
Oto przegląd okna podczerwieni od 4000 cm -1 do 500 cm -1 z podświetlonymi różnymi obszarami zainteresowania.
Jeszcze bardziej skompresowany przegląd wygląda następująco: (źródło)
W tych zakresach są dwa obszary o wysokim priorytecie, na których należy się skupić, oraz dwa obszary o niższym priorytecie, omów poniżej.
4. Dwie główne rzeczy, których należy szukać w widmie IR: „Języki” i „Miecze”.
W konfrontacji z nowym widmem IR, ustal priorytety swojego czasu, zadając dwa ważne pytania:
- Czy istnieje szeroki, zaokrąglony szczyt w regionie około 3400-3200 cm- 1? To tam pojawiają się grupy hydroksylowe (OH).
- Czy istnieje ostry, silny pik w obszarze około 1850-1630 cm-1? Tutaj pojawiają się grupy karbonylowe (C = O).
Najpierw przyjrzyjmy się niektórym przykładom pików grup hydroksylowych w regionie 3400 cm-1 do 3200 cm-1, które Jon opisuje jaskrawo jak „języki”. Wszystkie poniższe piki należą do alkoholi. Wiązania wodorowe między grupami hydroksylowymi prowadzą do pewnych zmian w sile wiązania OH, co skutkuje zakresem energii wibracji. Zmiana ta skutkuje obserwowanymi szerokimi pikami.
Grupy hydroksylowe, które są częścią kwasów karboksylowych, mają jeszcze szerszy wygląd, który opiszemy za chwilę.
Najważniejsze jest to, że grupa hydroksylowa nie jest generalnie czymś, czego należy szukać w szumie linii bazowej.
Chociaż grupy hydroksylowe są najpowszechniejszym typem szerokiego piku w tym regionie, piki NH mogą pojawić się również w tym obszarze (więcej na ich temat w przypisie poniżej). Zwykle mają ostrzejszy wygląd i mogą pojawiać się jako jeden lub dwa piki w zależności od liczby wiązań NH.
Następnie, le spójrz na kilka przykładów pików C = O w obszarze około 1630-1800 cm-1 .. Te piki są prawie zawsze najsilniejszymi pikami w całym spektrum i są stosunkowo wąskie, co nadaje im nieco „mieczowy” wygląd .
To podsumowuje naszą analizę 80/20: szukaj języków i mieczy.
Jeśli nie nauczysz się niczego więcej z tego posta, naucz się rozpoznawać te dwa typy szczytów!
Dwa inne regiony widma IR mogą szybko dostarczyć użytecznych informacji, jeśli nauczysz się ich szukać.
3. Linia przy 3000 cm-1 jest użyteczną „granicą” między alkenem C – H (powyżej 3000 cm-1) a alkanem C – H (poniżej 3000 cm-1). Może to szybko pomóc w określeniu, czy występują wiązania podwójne.
4. Pik w okolicy 2200 cm-1 – 2050 cm-1 jest subtelnym wskaźnikiem obecności potrójnego wiązania. Nic więcej nie pojawia się w tym regionie.
Przypomnienie o zdrowym rozsądku
Najpierw kilka oczywistych rad:
- jeśli masz wzór cząsteczkowy, który określi, jakich grup funkcyjnych powinieneś szukać. sensowne poszukiwanie grup OH, jeśli nie masz tlenu w swoim wzorze cząsteczkowym, lub podobnie, obecność aminy, jeśli wzór nie zawiera azotu.
- Mniej oczywiste, oblicz stopnie nienasycenia, jeśli masz dane cząsteczkowe formuła, ponieważ dostarczy ważnych wskazówek. Nie szukaj C = O w strukturze takiej jak C4H10O, która nie ma żadnych stopni nienasycenia.
5. Alkohole i kwasy karboksylowe: Więcej szczegółów
Alkohole
Le spójrzmy na konkretny przykład, abyśmy mogli zobaczyć wszystko z perspektywy. Poniższe widmo dotyczy 1-heksanolu.
Zwróć uwagę na pik grupy hydroksylowej około 3300 cm-1, typowy dla alkoholu (ten ostry pik około 3600 cm-1 jest częstym towarzyszem pików hydroksylowych: reprezentuje OH bez wiązań wodorowych).
Jak można się spodziewać w przypadku 1-heksanolu, nie ma żadnego charakterystycznego piku karbonylu w okolicach 1700 cm-1. Początkujący mogą pokusić się o oznaczenie tego przypominającego sztylet mocny szczyt przy około 1450 cm-1 jako możliwego rozciągnięcia C = O. Nie jest. (to prawdopodobnie zgięcie C-H). Odchylenia występują tylko w bardzo wąskim zakresie i jest bardzo mało prawdopodobne, aby zobaczyć rozciągnięcie C = O znacznie poniżej 1650 cm-1. Im więcej widm zobaczysz, tym lepiej będziesz oceniać te osądy.
Aby zapoznać się z wariacjami, oto kilka przykładów całych widm IR różnych alkoholi.
- Fenol
- Cykloheksanol
- 1-butanol
Kwasy karboksylowe
Grupy hydroksylowe w kwasach karboksylowych są znacznie szersze niż w alkoholach. Jon nazywa to „włochatą brodą”, co jest doskonałym opisem. Ich wygląd jest również bardzo zmienny. Absorpcja OH w kwasach karboksylowych może być tak szeroka, że sięga poniżej 3000 cm-1, prawie „przejmując” lewą rękę część widma.
Oto przykład: kwas butanowy.
Oto więcej przykładów pełne widma, abyś mógł zobaczyć zmienność.
- kwas benzoesowy,
- kwas pentanowy,
- kwas octowy
Różnica w wyglądzie między OH alkoholu i kwasu karboksylowego jest zwykle diagnostyczna. W rzadkich przypadkach, gdy nie masz pewności, czy szeroki pik jest spowodowany przez OH alkoholu czy kwasu karboksylowego, jedną z sugestii jest sprawdzenie obszaru około 1700 cm dla rozciągnięcia C = O. Jeśli go nie ma, prawdopodobnie patrzysz na alkohol.
Specyficzne przykłady widm IR grup funkcyjnych karbonylowych
Drugim ważnym regionem piku jest obszar rozciągania karbonylowego C = O przy około 1630-1830 cm. Karbonylowe odcinki są ostre i mocne.
Gdy zobaczysz kilka z nich, nie sposób ich przegapić. Nic innego nie pojawia się w tym regionie.
Aby spojrzeć na to z perspektywy, oto widmo IR heksanalu. Ten szczyt nieco po 1700 cm-1 to rozciągnięcie C = O. Kiedy jest obecny, odcinek C = O jest prawie zawsze najsilniejszym pikiem w widmie IR i niemożliwym do przeoczenia.
Pozycja odcinka C = O różni się nieznacznie w zależności od karbonylowej grupy funkcyjnej. Niektóre zakresy (w cm-1) pokazano poniżej:
Koniugacja wpłynie nieco na pozycję odcinka C = O, przesuwając go do niższej liczby falowej.
Przyzwoita zasada jest to, że nigdy, przenigdy nie zobaczysz rozciągnięcia C = O poniżej 1630. Jeśli na przykład zobaczysz silny szczyt przy 1500, nie będzie to C = O. To jest coś innego.
Mniej istotne, ale nadal przydatne: dwa kolejne bardzo diagnostyczne obszary.
- Granica rozciągania CH przy 3000 cm-1
3000 cm-1 służy jako użyteczna linia podziału. Powyżej tej linii obserwuje się rozciąganie C-H o wyższej częstotliwości, które przypisujemy wiązaniom C-H hybrydyzowanym sp2. Dwa przykłady poniżej: 1-heksen (zwróć uwagę na pik, który jest nieco wyższy) i benzen.
W przypadku cząsteczki z tylko zhybrydyzowanymi wiązaniami sp3 linie pojawią się poniżej 3000 cm-1, jak w heksanie poniżej.
2. Charakterystyczny region potrójnych wiązań około 2200 cm-1
Cząsteczki z potrójnymi wiązaniami pojawiają się stosunkowo rzadko w wielkim schemacie rzeczy, ale kiedy to robią, mają charakterystyczny ślad w podczerwieni.
Obszar między 2000 cm-1 a 2400 cm-1 to trochę „miasto-widmo” w widmach IR; bardzo niewiele pojawia się w tym regionie. Jeśli widzisz piki w tym regionie, prawdopodobnym kandydatem jest potrójnie wiązany węgiel, taki jak alkin lub nitryl.
Zwróć uwagę, jak słabe są piki alkinów. Jest to jeden wyjątek od zasada, że należy ignorować słabe piki. Mimo to należy zachować ostrożność: jeśli masz wzór cząsteczkowy, potwierdź, że alkin jest możliwy, obliczając stopnie nienasycenia i upewniając się, że wynosi co najmniej 2 lub więcej.
Terminalne alkiny (takie jak 1-heksyn) również mają silne rozciągnięcie CH około 3400 cm-1, co jest silniej diagnostyczne.
Glukoza, ponownie: analiza 1-minutowa
OK. Przeszliśmy r 4 regiony, które są przydatne do szybkiej analizy widma IR.
Wróćmy teraz i spójrzmy na IR glukozy. Co widzimy?
Oto dwie ważne rzeczy, na które należy zwrócić uwagę:
Ponadto, jeśli potrzebujemy trochę więcej czasu, aby zobaczyć:
- Brak alkenu CH (brak pików powyżej 3000 cm-1)
- Nic w regionie potrójnie związanym (rzadkie, ale nadal łatwą rzeczą do nauczenia się to sprawdzić)
Otóż: gdybyś otrzymał to widmo jako „nieznane” wraz z jego wzorem cząsteczkowym, C6H12O6, jakie wnioski możesz wyciągnąć na temat jego struktury?
- Cząsteczka ma co najmniej jedną grupę OH (i prawdopodobnie więcej)
- Cząsteczka nie ma żadnych grup C = O
- Cząsteczka * prawdopodobnie * nie ma żadnych alkenów. Jeśli jakieś alkeny są obecne, nie zawierają żadnych wiązań CH, ponieważ ich CH rozciągnąłby się powyżej 3000 cm-1.
A cząsteczka z jednym stopniem niedoboru wodoru (C6H12O6), ale bez C = O i prawdopodobnie bez C = C?
Można przypuszczać, że cząsteczka zawiera pierścień. (Wiemy, że tak jest, oczywiście, ale miło jest widzieć IR potwierdzające co t już wiemy).
Tak może nam powiedzieć 1-minutowa analiza IR glukozy. Pamiętaj, że nie cała konstrukcja, ale z pewnością kilka ważnych elementów.
To wystarczy na dziś. W następnym poście przeprowadzimy więcej jednominutowych analiz i podamy bardziej konkretne przykłady wykorzystania informacji z widma IR do wyciągnięcia wniosków na temat struktury molekularnej.
Więcej o regionie 3200: Aminy , Amidy i Terminal Alkyne CH
Kiedy jesteśmy w regionie 3200…. Aminy i amidy
Aminy i amidy również mają odcinki N-H, które pojawiają się w tym regionie.
Zwróć uwagę, że amina pierwszorzędowa i amid pierwszorzędowy mają dwa „kły”, podczas gdy amina drugorzędowa i amid drugorzędowy mają jeden pik.
Wydłużenia aminy są zazwyczaj ostrzejsze niż amid rozciąga się; także amidy można rozróżnić po silnym rozciągnięciu C = O (patrz poniżej).
Aminy pierwszorzędowe (kliknij, aby wyświetlić widma)
- Anilina
- Benzyloamina
- Cykloheksyloamina
Drugorzędowe aminy:
- N-metylobenzyloamina
- N, N-dibenzyloamina
- N-metyloanilina
Pierwszorzędowe amidy
- Propionamid
- Benzamid
- Butanamid
drugorzędowe amidy
- N-metylobenzamid
Końcowe alkiny CH
Końcowe alkiny mają charakterystyczny odcinek CH około 3300 cm-1. Tutaj dotyczy etynylobenzenu, poniżej.
- Etynylobenzen
