Инструментальные методы органических веществ

 

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра химической технологии

наименование кафедры

 

 

 

Допускаю к защите

                                                               Руководитель                  

                                                                    И.О. Фамилия

 

 

Инфракрасная спектроскопия

наименование темы

 

 

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине

 

Инструментальные методы органических веществ

 

 

 

                                               

Выполнил студент группы ХТТб-11-2                                 Худяков В.Е.

                           шифр           подпись                    И.О. Фамилия

 

Принял  преподаватель   кафедры «ХТ»                              Рудякова Е.В.           

                                               подпись                  И.О. Фамилия

Курсовая защищена оценкой ___________________________________________

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2013г.

Задание

Определить  структуру соединения.

Элементный  состав, %: С – 59,96; H – 13,42.

ИК-спектр

Спектр ЯМР ¹Н (отношение интенсивностей сигналов 2:1:2:3)

Спектр ЯМР  ¹³С

 

Содержание

 

Введение………………………………………………………………….….....4

1. Инфракрасная спектроскопия………………………………………….…..5
1. Физико-химические основы метода инфракрасной спектроскопии…..5
2. Поглощение инфракрасного излучения………………..………….…….7
1. Типы колебаний………………………………………………..……...7
2. Колебательное взаимодействие и обертоны………………………..9
3. Частота поглощения…………………………………………….….....9
3. Характеристика частот инфракрасного излучения различных

      классов органических соединений……………………..………………10

1. Алканы и алкилированные соединения…………………………....10
2. Алкены и алкенильные производные………………...…………....10
3. Алкины и алкильные производные………………………………...12
4. Ароматические соединения………………………………………...12
5. Ароматические гетероциклические соединения………………….15
6. Гидроксилированные соединения…………………………….…….15
7. Амины……………………………………………………………..…..15
8. Альдегиды и кетоны…………………………………………….…...16
9. Сложные эфиры, лактоны, ацилгалогениды и ангидриды карбоновых кислот…………………………...…………………………….…….16
10. Амиды и лактамы……………………………………………..……..17
11. Карбоновые кислоты и их соли………………………………..…...17
12. Аминокислоты……………………………………………….…..…...17
13. Азометины, нитрилы, изонитрилы и изоцианаты……….………..18
14. Серосодержащие соединения……………….……………………...18
15. Простые эфиры……………………………….…………………..…..18
16. Нитро- и нитрозосоединения…………………………….…….…...18
4. Принципы устройства и дейтсвия ИК – Фурье спектрометров……..19
5. Применение метода для анализа органических соединений…….…..22
6. Использование ИК – спектроскопии для качественного и количественного анализа веществ……………………………………….……..26

2. Практическая  часть…………………………………………………….…28

Заключение……………………………………………………………………..….30

Литература…………………………………………………………………….…..31

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Спектроскопия — раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения с веществом. В физике спектроскопические методы используются для изучения всевозможных свойств этих взаимодействий. В аналитической химии – для обнаружения и определения веществ при помощи измерения их характеристических спектров, т.е. методами спектрометрии.

Области применения спектроскопии  разделяют по объектам исследования: атомная спектроскопия, молекулярная спектроскопия, масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и другие.

Инфракрасная спектроскопия и  спектроскопия комбинационного  рассеивания основаны на взаимодействии вещества с излучением в инфракрасной области спектра. В случае инфракрасной спектроскопии происходит поглощение света, а в случае спектроскопии  комбинационного рассеивания происходит рассеивание энергии, при этом наблюдается  изменение длины волны падающего  света. Инфракрасную спектроскопию  и спектроскопию комбинационного  рассеивания называют молекулярно-колебательными спектроскопиями, при которых происходит колебание атомных ядер под действием  инфракрасного излучения.

Ультрафиолетовая спектроскопия  основана на возбуждении валентных  электронов под действием ультрафиолетового  излучения. При облучение молекул  происходит их взаимодействие и переход  электронов одинарных и кратных  связей и электронов неспаренных  пар гетероатомов на молекулярные орбитали с более высокой энергией.

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса  основана на использовании резонансного поглощения электромагнитных волн исследуемым  веществом в постоянном магнитном  поле. При ЯМР происходит возбуждение  атомных ядер.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса основана на использовании  резонансного поглощения электромагнитных волн парамагнитными частицами в  постоянном магнитном поле. В ЭПР  происходит возбуждение неспаренных  электронов.

Более подробно рассмотрим методы оптической спектроскопии на примере ИК спектроскопии  и ЯМР спектроскопии.^[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Инфракрасная спектроскопия

1.1 Физико-химические основы метода инфракрасной спектроскопии

Инфракрасная спектроскопия, раздел молекулярной оптической спектроскопии, изучающий спектры поглощения и отражения электромагнитного излучения в инфракрасной области, т.е. в диапазоне длин волн от 10^-6 до 10^-3 м. В координатах интенсивность поглощенного излучения - длина волны инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1 Ближний ИК-спектр жидкого этанола

 

Полосы поглощения появляются в  результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния  изучаемой системы. Спектральные характеристики (положения максимумов полос, их полуширина, интенсивность) индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрии строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому инфракрасные спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений.

Количественная связь между  интенсивностью I прошедшего через вещество излучения, интенсивностью падающего излучения I₀ и величинами, характеризующими поглощающее вещество, основана на законе Бугера-Ламберта-Бера, т. е. на зависимости интенсивности полос поглощения от концентрации вещества в пробе. При этом о количестве вещества судят не по отдельным полосам поглощения, а по спектральным кривым в целом в широком диапазоне длин волн. Если число компонентов невелико (4-5), то удается математически выделить их спектры даже при значительном перекрывании последних. Погрешность количественного анализа, как правило, составляет доли процента.

На практике обычно инфракрасный спектр поглощения представляют графически в  виде зависимости от частоты n (или длины волны l) ряда величин, характеризующих поглощающее вещество: коэффициента пропускания T (n) = I (n)/I₀(n); коэффициента поглощения А(n) = [I₀(n) — I (n)]/I₀(n) = 1 — Т(n); оптической плотности D(n) = ln[1/T(n)] = c(n)cl, где c(n) — показатель поглощения, с — концентрация поглощающего вещества, l — толщина поглощающего слоя вещества. Поскольку D(n) пропорциональна c(n) и с, она обычно применяется для количественного анализа по спектрам поглощения. ^[2]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 Поглощение инфракрасного излучения

 

1.2.1 Типы колебаний

При обычной температуре  химические связи в любой молекуле в силу ее взаимодействия с соседними  молекулами испытывают колебания. Поглощение молекулой энергии инфракрасного  излучения увеличивает амплитуду  этих колебаний, которая затем быстро уменьшается до прежнего уровня в  результате столкновения с соседними  менее активными молекулами. Последние  всегда находятся в большом избытке, поэтому система никогда не достигает  состояния энергетического насыщения. Любое изменение колебаний квантовано, поэтому поглощаемая энергия  изменяется не непрерывно, а ступенчато, что на спектре отражается как  ряд пиков (полос поглощения). Чем  больше молекул находится на пути светового пучка, тем больше вероятность  того, что квант энергии будет  взаимодействовать с ними, поэтому  низкая концентрация изучаемого вещества приводит к спектрам с малоинтенсивными пиками.

При наличии одинарной  связи возможны два типа колебаний, одно из которых связано с изменением длины связи вдоль ее оси (так  называемое валентные колебания), а  другое – с изгибом (деформацией) связи. Простой моделью таких  колебаний могут служить две  сферы, соединенные не имеющей массы  пружиной; нетрудно понять, что изогнуть пружину намного легче, чем растянуть  ее. В этой связи становится понятным, что деформационные колебания химических связей требуют меньших затрат энергии  и поэтому осуществляются при  меньших частотах, чем валентные  колебания тех же связей.

В многоатомных молекулах, где имеется множество  связей, соответственно возрастает и  число теоретически возможных колебаний. Если молекула построена из h атомов, где h > 2, то теоретически она может претерпевать 3h – 6,основных типов колебаний (мод), из которых h – 1 являются валентными, а 2h – 5 – деформационными.

Не все молекулы и не все химические связи поглощают  инфракрасное излучение. Электромагнитные свойства излучения требуют, чтобы  данное колебание приводило к  флуктуирующему диполю (и, следовательно, к флуктуирующему электрическому полю). Колебания простых двухатомных  молекул, например молекул водорода или азота, не нарушают их симметрию  и поэтому не обуславливают появление  полос поглощения в инфракрасных спектрах.

Аналогичные эффекты  характерны для плоскостных колебаний  симметрично замещенных кратных  связей. С другой стороны, отсутствие постоянного дипольного момента  в многоатомной  молекуле не исключает  возможности поглощения ею инфракрасного  излучения. Молекула диоксида углерода, например, симметрична и линейна, но вследствие колебаний одной из ее связей положительный и отрицательный  заряды располагаются несимметрично, в результате чего индуцируется мгновенный дипольный момент и создаются условия, необходимые для поглощения электромагнитного излучения.

Рис.2. Типы колебаний в линейной молекуле диоксида углерода

 

Возможные типы колебаний в молекуле диоксида углерода представлены на рис.2. По указанным  причинам из двух типов колебаний (ν₁ и ν₂) только последнее «активно» в инфракрасном диапазоне. Колебания третьего типа ν₃ являются деформационными.

Рис.3. Типы колебаний в метильной и метиловой группах.

Сложнее колебания  углерод-водородных связей в алкильных группах. Например, для метильной группы характерны четыре типа колебаний (схематично представленных на рис.3 а-г), а для метиленовой группы, кроме того, еще два типа колебаний, обусловленных внеплоскостными «веерными» и «крутильными» деформациями (рис.3  и, к).

 

1.2.2. Колебательное взаимодействие и обертоны

Если колебания  двух соседних связей близки по энергиям, то они могут механически взаимодействовать  между собой, влияя одно на другое. Если к тому же сила этого взаимодействия достаточно велика, то основные полосы поглощения вообще исчезают и появляются новые полосы. Например, изолированная  С-Н связь обладает только одним  валентным колебанием, а для двух таких связей в метиленовой группе вследствие взаимодействия характерны симметричное и несимметричное валентные  колебания, рассмотрены выше и схематично изображенные на рис. 3 (д и е). Другие полосы поглощения могут быть обусловлены  обертонами или гармониками основной полосы ν; кроме того, взаимодействия возможны и между обертонами и  соответствующими основными колебаниями.