Исследование строения органических соединений с помощью физических методов

Структура атомных и молекулярных спектров. Особенности и преимущества спектроскопии с преобразованием Фурье. Протонный магнитный резонанс. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ядер 13С. Идентификация органического соединения, расшифровка спектров.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Министерство образования и науки Российской Федерации

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра химической технологии

Исследование строения органических соединений с помощью физических методов

Вариант № 8

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

«Теоретические и экспериментальные методы исследования в химии»

1.00 .00.00 ПЗ

Иркутск 2013 г



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 Инфракрасная спектроскопия

1.1 Физико-химические основы метода ИК-спектроскопии

1.1.1 Оптическая спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР)

1.1.2 Структура атомных и молекулярных спектров. Вращательные и колебательные спектры

1.1.3 Колебания многоатомных молекул

1.2 Спектроскопия с преобразованием Фурье1

1.2.1 Физические основы спектроскопии с преобразованием Фурье

1.2.2 Принципиальная схема интерферометра Майкельсона

1.2.3 Регистрация спектров

1.2.4 Некоторые особенности и преимущества спектроскопии с преобразованием Фурье

2 Явление ядерного магнитного резонанса

2.1 Протонный магнитный резонанс (ПМР), или ЯМР 1Н27

2.1.1 Химический сдвиг

2.1.2 Спин-спиновое взаимодействие

2.2 Спектроскопия ядерного магнитного резонанса ядер 13С

2.2.1 Основные особенности спектроскопии на ядрах 13С

3. Идентификация органического соединения

3.1 Расшифровка спектров

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Всякий раз, когда химик синтезирует или выделяет новое, неизвестное ранее органическое соединение, возникает необходимость в выяснении его строения. Для этой цели новое соединение подвергают спектроскопическому анализу, чаще всего при помощи четырех методов, а именно электронной и инфракрасной спектроскопии (ИК - спектроскопии), масс-спектрометрии и спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР - спектроскопия). Полученные в результате такого многостороннего анализа данные обычно позволяют предложить для неизвестного соединения по меньшей мере ковалентную структуру, а часто дают возможность сделать определенные выводы и о его относительной стереохимии.

При спектрометрическом изучении органического соединения обычно применяется следующая стратегия. Сначала масс - спектрометрически определяют его элементарный состав (брутто - формулу) и предварительно отмечают характер его фрагментации. Затем с помощью инфракрасной спектроскопии определяют природу функциональных групп, а электронный спектр позволяет выяснить, сопряжены ли эти функциональные группы или нет. Далее по данным спектроскопии ЯМР 1Н, 13С, анализируя окружение атомов водорода и углерода в изучаемой молекуле, выбирают одну или несколько наиболее вероятных структур. Наконец, полученные каждым методом данные сопоставляют друг с другом и перепроверяют с тем, чтобы убедиться, что они не противоречат найденному решению задачи.

Конечно, в любой реальной ситуации химик уже имеет те или иные сведения о природе химической реакции, в результате которой образует, новое соединение, и таким образом число теоретически возможных структур резко сокращается. Кроме того, часто задачу выяснения строения можно решить путем удачного подбора только одного или двух из указанных спектроскопических методов, иногда подтвердив полученные данные простым химическим тестом или посредством определения температуры плавления или кипения. В более сложных случаях необходима полная информация, и тогда химик вынужден постоянно проверять соответствие друг другу данных, получаемых с помощью различных методов. Подобный сравнительный критический анализ данных это ключ к успешному решению задачи, а для химика одним из источников высшего удовлетворения является тот момент, когда все разрозненные части головоломки неожиданно складываются в однозначное решение трудной задачи выяснения структуры.

С практической точки зрения важно обращать внимание на условие регистрации и особенности интерпретации спектров. Существенным моментом, например, является вычитание из спектра Пиков, отвечающих растворителю, или намеренное расширение шкалы при записи сигналов вне обычного рабочего диапазона прибора.



1. Инфракрасная спектроскопия

Инфракрасная спектроскопия (ИК - спектроскопия) используется в различных областях науки, и в каждой из них придается этому термину различный смысл. Для химика-аналитика это удобный метод решения многих задач. Физику ИК-спектроскопия представляется методом исследования энергетических уровней в полупроводниках или определения межатомных расстояний в молекулах. Она может быть также полезна и при измерении температуры пламени ракетного двигателя. Для химика-органика это метод идентификации органических соединений, позволяющий выявлять функциональные группы в молекулах и следить за ходом химических реакций. Для биолога ИК-спектроскопия -- перспективный метод изучения транспорта биологически активных веществ в живой ткани, ключ к структуре многих естественных антибиотиков и путь познания строения клетки. Физику-химику метод позволяет приблизиться к пониманию механизма гетерогенного катализа и кинетики сложных реакций. Он служит дополнительным источником информации при расшифровке структуры кристаллов. В этих и многих других областях знания ИК-спектроскопия служит исследователям мощным средством изучения тайн вещества.

ИК-спектр поглощения, вероятно, уникальное в своем роде физическое свойство. Не существует двух соединений, за исключением оптических изомеров, с различающимися структурами, но одинаковыми ИК- спектрами. В некоторых случаях, таких, как полимеры с близким молекулярным весом, различия могут быть практически не заметны, но они всегда есть. В большинстве случаев ИК-спектр является „отпечатком пальцев" молекулы, который легко отличим от спектров других молекул.

Кроме того что поглощение характеристично для отдельных групп атомов, его интенсивность прямо пропорциональна их концентрации. Таким образом, измерение интенсивности поглощения дает после простых вычислений количество данного компонента в образце.

По своим возможностям метод почти универсален. Образцы могут быть жидкими, твердыми или газообразными. Они могут быть органическими или» неорганическими, хотя неорганические вещества иногда не дают хорошо выраженных спектров. В обычных условиях для ИК-излучения прозрачны только одноатомные газы и неполярные молекулы (Ne, Не, 02, N2, Н2).

Другое ограничение заключается в том, что такой распространенный растворитель, как вода, имеет в ИК- области очень сильное поглощение и, кроме того, растворяет окна кювет, в качестве которых используют пластинки из кристаллов солей. Метод ИК- спектроскопии обычно не очень чувствителен к примесям, если они не превышают 1 %. Это, конечно, может быть как благом, так и бедствием, все зависит от точки зрения и решаемой проблемы. Подобным же образом может огорчить и тот факт, что положения характеристических полос поглощения для многих групп различны при переходе от одной молекулы к другой, но это подтверждает индивидуальность спектра поглощения и дает больше для понимания структуры молекулы, чем если бы полосы были неизменны.

Спектроскопия в ИК- области встречается с рядом специфических трудностей. В силу того что излучение невидимо, юстировку оптических деталей нельзя проводить визуально. Энергия, с которой приходится иметь дело, крайне мала и уменьшается с увеличением длины волны.

Из-за низкой энергии сигнал приемника не намного выше уровня шума, возникающего в результате хаотического теплового движения электронов в контуре приемника. Более того, поскольку все части спектрометра теплые (по сравнению с абсолютным нулем), они излучают энергию в ИК-области и на детектор попадает значительное количество паразитной энергии, которая должна быть отделена от полезного сигнала. Кто-то сказал, что ИК-спектрометрию грубо можно сравнить с фотографированием эмиссионного спектра на раскаленном добела спектрографе.

1.1 Физико-химические основы метода ИК-спектроскопии

1.1.1 Оптическая спектроскопия. Инфракрасная спектроскопия (ИК) и спектроскопия комбинационного рассеяния (КР)

Спектроскопическими методами анализа называются методы, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением. Одним из важнейших понятий, используемых в спектроскопии, является понятие спектра. Спектр - это последовательность квантов энергии электромагнитных колебаний, поглощенных, выделившихся или рассеянны при переходах атомов или молекул из одних энергетических состояний в другие.

Рис. 1 Области электромагнитного спектра

Диапазон электромагнитного излучения простирается от наиболее длинноволнового излучения - радиоволн с длинами волн более 0,1 см - до наиболее высокоэнергетического г- излучения с длинами волн порядка 10-11 м (рис. 1).

Отдельные области электромагнитного спектра перекрываются. Следует отметить, что область...