Cum se interpretează spectrele IR în 1 minut sau mai puțin: Cele mai importante 2 lucruri de căutat
Ultima postare, am introdus pe scurt conceptul de vibrații ale legăturilor și am văzut că ne putem gândi la legăturile covalente ca la niște bile și arcuri: arcurile vibrează și fiecare „cântă” la o frecvență caracteristică , care depinde de puterea legăturii și de masele atomilor. Aceste vibrații au frecvențe care se află în regiunea infraroșu mediu (IR) a spectrului electromagnetic.
Putem observa și măsura acest lucru „cântarea” legăturilor prin aplicarea radiației IR pe o probă și măsurarea frecvențelor la care radiația este absorbită. Rezultatul este o tehnică cunoscută sub numele de spectroscopie în infraroșu, care este un instrument util și rapid pentru identificarea legăturilor prezente într-o anumită moleculă.
Am văzut că spectrul IR al apei era destul de simplu – dar trecând la o moleculă relativ complexă, cum ar fi glucoza (dedesubt), ne-am confruntat brusc cu o pădure de vârfuri!
Prima impresie de a privi la acel IR ar putea fi: agh! cum ar trebui să dau sens acestui lucru ??
La care vreau să spun: nu vă panicați!
Cuprins
- Să corectăm câteva concepții greșite comune despre IR
- Începând cu „Hunt and Peck” nu este calea de urmat
- Spectroscopie IR: imaginea de ansamblu
- Cele două lucruri principale de căutat într-un spectru IR: „Limbi” și „săbii”.
- Alcooli și acizi carboxilici: Mai multe Detaliu
- Exemple specifice de spectre IR ale grupurilor funcționale carbonilice
- Mai puțin cruciale, dar totuși utile: încă două zone foarte diagnostice.
- Glucoză, revizuită: 1 Analiza minutelor
Să corectăm câteva concepții greșite comune despre IR
În această postare, vreau să arăt că o analiză tipică a unui spectru IR este mult mai simplă decât ați putea crede De fapt, odată ce ați aflat ce să căutați, se poate face adesea într-un minut sau mai puțin. De ce?
- IR nu este utilizat în general pentru a determina întreaga structură a unei molecule necunoscute. De exemplu, nu există o persoană în viață care să poată privi spectrul IR de mai sus și să deducă structura glu cose from it. IR este un instrument cu o utilizare foarte specifică.
- Nu este nevoie să analizăm fiecare vârf! (așa cum vom vedea mai târziu, pentru asta este RMN: -)). În schimb, IR este excelent pentru identificarea anumitor grupuri funcționale specifice, cum ar fi alcoolii și carbonilii. În acest fel, este complementar altor tehnici (cum ar fi RMN) care nu furnizează aceste informații la fel de repede.
Având în vedere acest lucru, putem simplifica analiza unui spectru IR prin tăierea totul, cu excepția fructului de jos.
Vedeți acea pădure de vârfuri de la 500-1400 cm-1? Practic, le vom ignora pe toate!
80% din cele mai utile informații pentru scopurile noastre pot fi obținute examinând două zone specifice ale spectrului: 3200-3400 cm-1 și 1650-1800 cm-1. Vom vedea, de asemenea, că mai sunt cel puțin două regiuni ale unui spectru IR la care merită să aruncăm o privire și, astfel, încheiem o analiză de „ordinul întâi” a spectrului IR al unui necunoscut.
Scopul acestei postări este de a vă arăta cum să vă acordați prioritate timpului dvs. într-o analiză a unui spectru IR.
2. Începând cu „Hunt and Peck” nu este calea de urmat
Confruntați cu un spectru IR al unui necunoscut (și cu un sentiment de panică în creștere), ce face un nou student tipic?
Adesea ajung la primul instrument care li se oferă, care este un tabel de intervale comune pentru vârfurile IR date de instructorul lor.
Următorul pas al analizei lor este să parcurgă spectrul de la o parte la alta, încercând să potrivească fiecare vârf cu unul dintre numerele din tabel . Știu asta pentru că exact asta am făcut când am învățat IR pentru prima dată. Eu îl numesc „vânătoare și ciocănire”.
Singurii oameni care „vânează și ciocănesc” ca prim pas sunt oamenii care nu au niciun plan (adică „începători”).
Deci, citind următoarele paragrafe puteți economisi mult timp și confuzie.
Imaginea de ansamblu
În spectroscopia IR măsurăm unde moleculele absorb fotonii radiației IR. Vârfurile reprezintă zone ale spectrului unde apar vibrații specifice ale legăturii. La fel ca arcurile cu greutăți variate vibrează la frecvențe caracteristice în funcție de masă și tensiune, la fel și legăturile.
Iată o prezentare generală a ferestrei IR de la 4000 cm -1 la 500 cm -1 cu diferite regiuni de interes evidențiate.
O prezentare generală și mai comprimată arată astfel: (sursă)
În aceste intervale, există două zone cu prioritate ridicată pe care să ne concentrăm și două zone cu prioritate mai mică discutați mai jos.
4. Cele două lucruri principale de căutat într-un spectru IR: „Limbi” și „Săbii”.
Când vă confruntați cu un nou spectru IR, acordați prioritate timpului dvs. adresând două întrebări importante:
- Există un vârf larg și rotunjit în regiune în jurul valorii de 3400-3200 cm- 1? Acolo apar grupările hidroxil (OH).
- Există un vârf ascuțit și puternic în regiune în jurul valorii de 1850-1630 cm-1? Aici apar grupările carbonil (C = O).
În primul rând, să vedem câteva exemple de vârfuri ale grupelor hidroxil în regiunea de 3400 cm-1 până la 3200 cm-1, pe care le descrie Jon în mod viu ca „limbi”. Vârfurile de sub toate aparțin alcoolilor. Legătura de hidrogen între grupările hidroxil duce la unele variații ale puterii legăturii OH, ceea ce duce la o serie de energii vibraționale. Variația are ca rezultat vârfurile largi observate.
Grupările hidroxil care fac parte din acizii carboxilici au un aspect și mai larg pe care îl vom descrie puțin.
Principalul punct este că o grupare hidroxil nu este în general ceva ce trebuie să căutați în zgomotul de bază.
Deși grupurile hidroxil sunt cel mai comun tip de vârf larg în această regiune, vârfurile NH pot apărea și în această zonă (mai multe despre ele în nota de subsol de mai jos). Ele tind să aibă un aspect mai ascuțit și pot apărea ca unul sau două vârfuri în funcție de numărul de legături NH.
În continuare, le Uită-te la câteva exemple de vârfuri C = O, în regiunea în jurul valorii de 1630-1800 cm-1. Aceste vârfuri sunt aproape întotdeauna cele mai puternice vârfuri din întregul spectru și sunt relativ înguste, oferindu-le un aspect oarecum „asemănător sabiei” .
Aceasta rezumă analiza noastră 80/20: căutați limbi și săbii.
Dacă nu înveți nimic altceva din această postare, învață să recunoști aceste două tipuri de vârfuri!
Alte două regiuni din spectrul IR pot oferi rapid informații utile dacă te antrenezi să le cauți.
3. Linia la 3000 cm-1 este o „margine” utilă între alchena C – H (peste 3000 cm-1) și alcanul C – H (sub 3000 cm-1) Acest lucru vă poate ajuta rapid să determinați dacă sunt prezente legături duble.
4. Un vârf în regiune în jurul valorii de 2200 cm-1 – 2050 cm-1 este un indicator subtil al prezenței unei triple legături. Nimic altceva nu apare în această regiune.
Un memento de bun simț
În primul rând, câteva sfaturi evidente:
- dacă vi se oferă formula moleculară, aceasta va determina ce grupuri funcționale ar trebui să căutați. ar trebui să căutați grupuri OH dacă nu aveți oxigeni în formula moleculară sau, de asemenea, prezența unei amine dacă formula nu are azot.
- Mai puțin evident, calculați gradele de nesaturare dacă vi se administrează molecula formula, deoarece va oferi indicii importante. Nu căutați C = O într-o structură precum C4H10O care nu are niciun grad de nesaturare.
5. Alcooli și acizi carboxilici: Mai multe detalii
Alcooli
Le Uită-te la un exemplu specific, astfel încât să putem vedea totul în perspectivă. Spectrul de mai jos este de 1-hexanol.
Rețineți vârful grupului hidroxil în jurul valorii de 3300 cm-1, tipic unui alcool (acel vârf ascuțit în jurul valorii de 3600 cm-1 este un partener comun cu vârfurile hidroxil: reprezintă OH legat fără hidrogen).
Așa cum v-ați aștepta pentru 1-hexanol, nu există un vârf carbonil deloc în jur de 1700 cm-1. Începătorii ar putea fi tentați să eticheteze acel vârf puternic asemănător pumnalului la aproximativ 1450 cm-1 ca o posibilă întindere C = O. Nu este. (este probabil o curbă C-H). Variațiile apar doar într-un interval foarte restrâns și este extrem de puțin probabil să vedeți o întindere C = O mult sub 1650 cm-1. Cu cât vedeți mai multe spectre, cu atât veți obține mai bine aceste judecăți.
Pentru a vă familiariza cu variația, iată câteva exemple a întregii spectre IR ale diferiților alcooli.
- Fenol
- Ciclohexanol
- 1-butanol
Acizi carboxilici
Grupările hidroxil din acizii carboxilici sunt considerabil mai largi decât în alcooli. Jon o numește „barbă păroasă”, care este o descriere perfectă. Aspectul lor este, de asemenea, foarte variabil. Absorbția OH în acizii carboxilici poate fi atât de largă încât se extinde sub 3000 cm-1, aproape „preluând” mâna stângă parte a spectrului.
Iată un exemplu: acid butanoic.
Iată câteva exemple de spectre complete, astfel încât să puteți vedea variația.
- Acid benzoic,
- Acid pentanoic,
- Acid acetic
Diferența de aspect între OH al unui alcool și cel al unui acid carboxilic este de obicei diagnostic. În cazul rar în care nu sunteți sigur dacă vârful larg se datorează OH al unui alcool sau al unui acid carboxilic, o sugestie este să verificați regiunea de aproximativ 1700 cm pentru întinderea C = O. Dacă este absent, probabil că vă uitați la un alcool.
Exemple specifice de spectre IR ale grupărilor funcționale carbonil
A doua regiune importantă de vârf este zona de întindere carbonilică C = O la aproximativ 1630-1830 cm. Întinderile carbonilice sunt ascuțite și puternice.
Odată ce vedeți câteva dintre ele, este imposibil de ratat. Nimic altceva nu apare în această regiune.
Pentru a-l pune în perspectivă, iată spectrul IR al hexanalului. Acest vârf puțin după 1700 cm-1 este întinderea C = O. Când este prezent, întinderea C = O este aproape întotdeauna cel mai puternic vârf din spectrul IR și imposibil de ratat.
Poziția întinderii C = O variază ușor în funcție de gruparea funcțională carbonil. Unele intervale (în cm-1) sunt prezentate mai jos:
Conjugarea va afecta oarecum poziția întinderii C = O, mutând-o la numărul de undă mai mic.
O regulă decentă este că nu veți vedea niciodată o întindere C = O sub 1630. Dacă vedeți un vârf puternic la 1500, de exemplu, nu este C = O. Este altceva.
Mai puțin crucial, dar încă util: încă două zone foarte diagnostice.
- Limita de întindere CH la 3000 cm-1
3000 cm-1 servește ca o linie de separare utilă. Deasupra acestei linii se observă întinderi C-H de frecvență mai mare pe care le atribuim legăturilor C-H hibridizate sp2. Două exemple mai jos: 1-hexenă (rețineți vârful care se ridică puțin mai sus) și benzen.
Pentru o moleculă cu numai legături CH sp3-hibrizate, liniile vor apărea sub 3000 cm-1 ca în hexan , mai jos.
2. Regiunea distinctivă Triple Bond în jurul valorii de 2200 cm-1
Moleculele cu legături triple apar relativ rar în marea schemă a lucrurilor, dar atunci când au, au o urmă distinctă în IR.
Regiunea cuprinsă între 2000 cm-1 și 2400 cm-1 este un „oraș fantomă” în spectrele IR; există foarte puține lucruri care apar în această regiune. Dacă vedeți vârfuri în această regiune, un candidat probabil este un carbon triplu legat, cum ar fi un alchin sau un nitril.
Rețineți cât de slabe sunt vârfurile de alchin. Aceasta este o excepție de la regula conform căreia cineva ar trebui să ignore vârfurile slabe. Totuși, este necesară prudență: dacă vi se oferă formula moleculară, confirmați că este posibilă o alchină, calculând gradele de nesaturare și asigurându-vă că este cel puțin 2 sau mai mult.
Alchinele terminale (cum ar fi 1-hexina) au, de asemenea, o întindere puternică a CH în jurul valorii de 3400 cm-1, care este mai puternic diagnosticată.
Glucoză, revizuită: analiza de 1 minut
OK. Ne-am dus r 4 regiuni care sunt utile pentru o analiză rapidă a unui spectru IR.
Acum să ne întoarcem și să privim IRul glucozei. Ce vedem?
Iată cele două lucruri mari de remarcat:
De asemenea, dacă luăm puțin timp suplimentar pe care îl putem vedea:
- Fără alcen CH (fără vârfuri peste 3000 cm-1)
- Nimic în regiunea triplă legată (rar, dar totuși un lucru ușor de învățat să verificăm)
Acum: Dacă vi s-ar da acest spectru ca „necunoscut” împreună cu formula sa moleculară, C6H12O6, ce concluzii ați putea trage despre structura sa?
- Molecula are cel puțin o grupare OH (și, eventual, mai multe)
- Molecula nu are grupuri C = O
- Molecula * probabil * nu are alchene. Dacă sunt prezente alchene, acestea nu poartă legături CH, deoarece am vedea că CH se întinde peste 3000 cm-1.
A moleculă cu un grad de deficit de hidrogen (C6H12O6), dar fără C = O și probabil fără C = C?
O presupunere bună ar fi că molecula conține un inel. (Știm că acesta este cazul, desigur, dar este frumos să vezi IR confirmând ce știm deja).
Asta ne poate spune o analiză de 1 minut a IR a glucozei. Nu întreaga structură, atenție, ci cu siguranță câteva piese importante.
Este suficient pentru astăzi. În următoarea postare vom face câteva analize de 1 minut și vom oferi exemple mai concrete despre modul de utilizare a informațiilor într-un spectru IR pentru a trage concluzii despre structura moleculară.
Mai multe despre regiunea 3200: amine , Amides și Terminal Alkyne CH
În timp ce ne aflăm în regiunea 3200…. Amine și amide
Aminele și amidele au, de asemenea, întinderi N-H care apar în această regiune.
Observați cum amina primară și amida primară au două „colți”, în timp ce amina secundară și amida secundară au un singur vârf.
Întinderile de amină tind să fie mai clare decât amida întinderi; de asemenea, amidele se pot distinge printr-o întindere puternică C = O (vezi mai jos).
Amine primare (faceți clic pentru spectre)
- Anilină
- Benzilamina
- Ciclohexilamina
Amine secundare:
- N-metilbenzilamina
- N, N-dibenzilamina
- N-metilanilină
Amide primare
- Propionamidă
- Benzamidă
- Butanamidă
Amide secundare
- N-metil benzamidă
Alchină terminală CH
Alchine terminale au o întindere caracteristică a CH în jurul valorii de 3300 cm-1. Aici este pentru etinilbenzen, mai jos.
- Etinilbenzen bib
