Размещено на http://www.allbest.ru/

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ФГБОУ ВПО "ВГУ")

Фармацевтический факультет

Кафедра фармацевтической химии и фармацевтической технологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Инфракрасная спектроскопия и ее практическое применение в фармацевтическом анализе

ВОРОНЕЖ 2014



Оглавление

• Введение
• 1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии
• 2. Ик-спектры поглощения органических соединений
• 2.1 Углеводороды
• 2.1.1 Предельные углеводороды
• 2.1.2 Алкены
• 2.1.3 Сопряженные углеводороды
• 2.2 Органические соединения с функциональными группами
• 2.2.1 Органические соединения, содержащие кислород
• 2.2.2 Фосфорорганические соединения
• 2.3 Инфракрасные спектры полимеров
• 3. Инфракрасное излучение и колебания молекул
• 4. Характеристические частоты групп
• 4.1 Применение характеристических частот групп
• 5. Регистрация инфракрасных спектров
• 6. Спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК)
• 7. Cпектроскопия с преобразованием Фурье
• 8. Методы и приемы подготовки проб в ИК спектроскопии
• 9. Аппаратура ИК-спектроскопии
• 10. Специфические особенности фармацевтического анализа
• Заключение

Список использованной литературы

инфракрасный спектроскопия проба фармацевтический



Введение

В связи с расширением фармацевтического рынка лекарственных препаратов требуются все более точные и информативные методы анализа. Необходимость применения физико-химических методов анализа, в частности спектральных, обусловлена требованиями 12-й фармакопеи РФ. Одним из перспективных методов анализа является ИК- спектроскопия [23].

Спектроскопия -- раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) 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.

Метод инфракрасной спектроскопии дает возможность получить сведения об относительных положениях молекул в течение очень коротких промежутков времени, а также оценить характер связи между ними, что является принципиально важным при изучении структурно-информационных свойств различных веществ.

Инфракрасная (ИК) спектроскопия характеризуется широкой информативностью, что создает возможность объективной оценки подлинности и количественного определения лекарственных веществ. ИК-спектр однозначно характеризует всю структуру молекулы. Различия в химическом строении меняют характер ИК-спектра. Важные преимущества ИК-спектроскопии -- специфичность, быстрота выполнения анализа, высокая чувствительность, объективность получаемых результатов, возможность анализа вещества в кристаллическом состоянии. Методом ИК-спектроскопии можно проводить не только количественную оценку лекарственных веществ, но и исследование таких химических превращений, как диссоциация, сольволиз, метаболизм, полиморфизм и т.д. [11].



1. Сущность 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 инфракрасный спектр представляет собой сложную кривую с большим числом максимумов и минимумов. 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: I = I₀ e^-ссl , 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.

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений. Метод основан на явлении поглощения группами атомов испытуемого объекта электромагнитных излучений в инфракрасном диапазоне. Поглощение связано с возбуждением молекулярных колебаний квантами инфракрасного света. При облучении молекулы инфракрасным излучением поглощаются только те кванты, частоты которых соответствуют частотам валентных, деформационных и либрационных колебаний молекул.

Для регистрации спектров поверхности твердых тел применяют метод нарушенного полного внутреннего отражения. Он основан на поглощении поверхностным слоем вещества энергии электромагнитного излучения, выходящего из призмы полного внутреннего отражения, которая находится в оптическом контакте с изучаемой поверхностью. Инфракрасная спектроскопия широко применяют для анализа смесей и идентификация чистых веществ.

Идентификация чистых веществ производится обычно с помощью информационно-поисковых систем путем автоматического сравнения анализируемого спектра со спектрами, хранящимися в памяти ЭВМ. Для идентификации новых веществ (молекулы которых могут содержать до 100 атомов) применяют системы искусственного интеллекта. В этих системах на основе спектроструктурных корреляций генерируются молекулярные структуры, затем строятся их теоретические спектры, которые сравниваются с экспериментальными данными. Исследование строения молекул и др. объектов методами инфракрасной спектроскопии подразумевает получение сведений о параметрах молекулярных моделей и математически сводится к решению обратных спектральных задач. Решение таких задач осуществляется последовательным приближением искомых параметров, рассчитанных с помощью специальной теории спектральных кривых к экспериментальным.

Параметрами молекулярных моделей служат массы составляющих систему атомов, длины связей, валентные и торсионные углы, характеристики потенциальной поверхности (силовые постоянные и др.), дипольные моменты связей и их производные по длинам связей и др. Инфракрасная спеткроскопия позволяет идентифицировать пространственные и конформационные изомеры, изучать внутри- и межмолекулярные взаимодействия, характер химических связей, распределение зарядов в молекулах, фазовые превращения, кинетику химических реакции, регистрировать короткоживущие (время жизни до 10^-6 с) частицы, уточнять отдельные геометрические параметры, получать данные для вычисления термодинамических функций и др.

Необходимый этап таких исследований - интерпретация спектров, т.е. установление формы нормальных колебаний, распределения колебательной энергии по степеням свободы, выделение значимых параметров, определяющих положение полос в спектрах и их интенсивности. Расчеты спектров молекул, содержащих до 100 атомов, в том числе полимеров, выполняются с помощью ЭВМ. При этом необходимо знать характеристики молекулярных моделей (силовые постоянные, электрооптические параметры и др.), которые находят решением соответствующих обратных спектральных задач или квантово-химическими расчетами.

И в том, и в другом случае обычно удается получать данные для молекул, содержащих атомы лишь первых четырех периодов периодической системы. Поэтому инфракрасная спектроскопия как метод изучения строения молекул получил наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос. Это позволяет рассчитывать дипольные моменты и геометрические параметры молекул, уточнять силовые постоянные и т.д.

Инфракрасная спектроскопия имеет ряд преимуществ перед спектроскопией в видимой и ультрафиолетовой областях, так как позволяет проследить изменение всех основных типов связей в молекулах исследуемых веществ. При использовании инфракрасной спектроскопии для определения качественного и количественного состава природных смесей не происходит разрушение веществ, что позволяет применять их для последующих исследований. Как известно, при инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках. При этом следует отметить, что в процессе снятия инфракрасного спектра создаются помехи на определенных длинах волн, связанные с поглощением электромагнитного излучения связями растворителей О-Н и С-Н [8].

Инфракрасный спектр биологического образца представляет собой суммарный спектр, в котором происходит наложение полос поглощения различных функциональных групп органических веществ а также воды. Это явление усложняется в виду взаимодействия отдельных видов колебаний указанных групп, при этом происходит искажение формы полос поглощения и смещение их максимумов. Поэтому на инфракрасных спектрах наблюдается большое число широких полос поглощения с неясными максимумами. Обычно расшифровка инфракрасных спектров биологических образцов весьма затруднительна, поэтому, чтобы облегчить расшифровку суммарного спектра, необходимо разделять биологический образец на более простые компоненты. Это дает возможность получить большее число полос поглощения для исследуемого вещества и более точно определить состав компонентов в образце.

Положительной особенностью метода инфракрасной спектроскопии является то, что полосы поглощения одного и того же вида колебаний атомной группы различных веществ располагаются в определенном диапазоне инфракрасного спектра (например, 3720-3550 см^-1- диапазон валентных колебаний групп -ОН; 3050-2850 см^-1 - групп -СН, -СН₂, -СН₃ органических веществ). Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества (так, максимум 3710 см^-1 свидетельствует о наличии групп -ОН, а максимум 3030 см^-1 - о присутствии групп =С-Н ароматических структур).

Однако если исследуемый объект представляет собой не механические смеси, а является сложным химическим соединением, то указанные особенности инфракрасных спектров не обнаруживаются.

Число характеристических полос поглощения атомных групп, их интенсивность и положение максимумов, наблюдаемых на инфракрасных спектрах, дают представление о строении индивидуального соединения или о компонентном составе сложных веществ. Интенсивность полосы поглощения определяется величиной, численно равной энергии, которую поглощают атомные или функциональные группы образца при прохождении через них инфракрасных лучей. Важным диагностическим показателем полос поглощения является величина пропускания. Данный показатель и концентрация вещества в снимаемом объекте связаны обратной пропорциональной зависимостью, что используется для количественных определений содержания отдельных компонентов.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать твердую, жидкую фазы биологической массы. Этот метод позволяет изучать образец в целом, без его расчленения и предварительных химических обработок, а также использовать малые (до 10 мг) навески.

Поглощение органических веществ в различных участках инфракрасного диапазона определяется входящими в состав молекулы химическими группировками, а точнее образующими их связями, поэтому метод позволяет суммарно определить родственные вещества, по характеристическим зонам поглощения. Инфракрасная спектроскопия широко применяется для анализа биологических жидкостей, в частности крови и ее фрагментов, а в последнее время для диагностики и прогнозирования различных заболеваний все в возрастающей степени используется ротовая жидкость или смешанная слюна, однако интерпретация полученных результатов осложняется в связи с многокомпонентностью объектов исследования.

При инфракрасной спектроскопии крови и слюны возможен количественный анализ только функциональных групп, входящих в основные компоненты в аналитических количествах. Поэтому анализ образцов данных жидкостей вызывает затруднения, т.к. по существу анализируется их водная основа

В медицине инфракрасной спектроскопии в последние годы используют для определения некоторых веществ в биологических жидкостях: крови, моче, слюне, слезной жидкости, желчи, молоке, для идентификации некоторых витаминов, гормонов и других биологически активных веществ. Кроме того, в последнее время метод находит все более широкое применение для характеристики конформационных и структурных изменений белков, липидов, фосфолипидов биомембран клеток, исследуемых в биоптатах, а также с помощью волоконно-оптических методик.

С помощью этого метода можно оценивать фармакокинетику различных лекарственных препаратов. При сахарном диабете выявлены достоверно значимые изменения инфракрасного спектра крови, доказана возможность использования показателей инфракрасного спектра для ранней диагностики стоматологических заболеваний и прогнозирования кариеса зубов у детей. Проведено исследование быстрых изменений показателей инфракрасного спектра крови для прогнозирования, диагностики и определения степени тяжести остеопороза и эффективности его лечения. Доказана возможность использования инфракрасной спектроскопии для изучения процессов регенерации. Инфракрасная спектроскопия применяется также и в судебном анализе для изучения митохондриального генома при идентификации личности и определении отцовства [16].



2. Ик-спектры поглощения органических соединений

При исследовании органических соединений обычно используют поглощение инфракрасного излучения в области 2--50 мкм (5000--200 см^-1).

Для получения ИК-спектров используются оптические приборы, в которых применяются тепловые источники и приемники излучения, а материалом призм служат галоидные соли (LiF, CaF2, NaCl, KBr, Csl). В современных приборах солевая оптика заменена дифракционными решетками.

При записи ИК-спектров поглощения параметром длины волны являются микроны (мкм) или частоты в обратных сантиметрах (см^-1). Интенсивность выражается в процентах пропускания или поглощения и лишь в некоторых случаях в оптической плотности.

Инфракрасные спектры можно измерить для газообразных, жидких и твердых соединений. Для измерения спектров газообразных соединений используются специальные газовые кюветы. Жидкие соединения наносят в виде пленки на пластинки из материала, прозрачного в исследуемой области (например, КВr, NaCl, Csl, KCl). Из твердых веществ приготовляют суспензию в вазелиновом масле, которую помещают между солевыми пластинками. Нужно иметь в виду, что само вазелиновое масло сильно поглощает при 3000--2800 см^-1, 1460 и 1380 см^-1. Поэтому для исследования поглощения веществ в этой области вместо вазелинового масла используют пергалоидные углеводороды. Можно получить спектры твердых веществ, запрессовывая их с бромистым калием и снимая спектр полученной пластинки. Однако иногда вещество взаимодействует с бромистым калием, что приводит к искажению спектра. Инфракрасные спектры могут быть измерены и для растворов. Поскольку не имеется растворителей, прозрачных по всей области спектра, то обычно измерения ИК-спектров растворов делаются только для узких областей. Для исследования водных, кислых и щелочных растворов используют кюветы из водонерастворимых материалов (флюорит, кремний, германий и другие материалы, прозрачные в ИК-области). Зависимость частоты колебаний от силовой постоянной и массы атомов позволяет оценить положение полос поглощения отдельных групп.

Силовые постоянные деформационных колебаний существенно меньше силовых постоянных валентных колебаний, поэтому полосы деформационных колебаний располагаются в области меньших частот.

На рисунке 2 приведены области поглощения структурных элементов органических соединений.

Рис. 1. Поглощение некоторых растворителей при толщине слоя 0,1 мм

Рис. 2. Области поглощения некоторых структурных элементов

В область 1400--900 см^-1 попадают полосы поглощения, отвечающие колебаниям групп С--С, С--О, С--N, а также многие деформационные колебания. В результате сильного взаимодействия этих колебаний отнесения полос поглощения к отдельным связям невозможны, однако весь набор полос поглощения в этой области является индивидуальной характеристикой соединений. Эта область поэтому получила название области ?отпечатков пальцев? .

Рис. 3. ИК-спектры поглощения изомерных гексанов: а -- к-гексан; б -- 2-метилпентан.

По ИК-спектрам в области ?отпечатков пальцев? можно идентифицировать даже изомерные углеводороды, определение которых другими путями вызывает большие затруднения. Примером могут служить спектры двух изомеров гексана, приведенные на рис. 3 [6].

2.1 Углеводороды

2.1.1 Предельные углеводороды

ИК-спектры углеводородов характеризуются появлением полос поглощения, обязанных колебаниям связей С--С и С--Н.

Полосы углеводородов, связанные с характеристическими частотами С--З (метальные, метиленовые и метановые группы), находятся в трех областях: 3000--2800, 1400--1300 и около 700 см^-1.

Поглощение в области 3000--2800 см^-1 обусловлено валентными колебаниями С--Н. Оно проявляется в виде сложной полосы поглощения, в которой пики при 2962 и 2872 см^-1 принадлежат колебаниям метильной группы (асимметричные нAS и симметричные -- нS), а пики при 2926 и 2853 см^-1 относятся к валентным колебаниям метиленовой группы (нAS и нS).

Положение этих полос поглощения хорошо сохраняется у всех типов алифатических углеводородов. Интенсивности полос зависят от числа метиленовых и метильных групп в молекуле углеводорода. Метиловая группа С--З имеет относительно слабую полосу поглощения. нCH около 2890 см^-1 , которая перекрывается интенсивными полосами поглощения групп СН2 и СН3.

Поглощение в области 1400--1300 см^-1 и около 700 см^-1 обусловлено деформационными колебаниями С--Н-связей. Метильная группа имеет как симметричные, так и асимметричные деформационные колебания. Полоса при 1460 см^-1 отвечает асимметричному деформационному колебанию метильных групп, полоса 1380см^-1 -- симметричному колебанию. Расщепление этой полосы в дублет может служить признаком гемдиметильной группы. Для метиленовых групп характерны четыре типа деформационных колебаний: ножничные, веерные, крутильные и маятниковые. Полоса поглощения, отвечающая ножничным колебаниям метиленовых групп, находится при 1467 см^-1. Полосы 1467 см^-1 метиленовой и 1460 см^-1 метильной групп накладываются, и в спектрах разветвленных углеводородов трудно различимы. В нормальных углеводородах при n>5 полоса метильной группы при 1460 см^-1 проявляется, в виде плеча на полосе 1467 см^-1. Маятниковые колебания метиленовых групп находятся в области 790--720 см-1. Положение их определяется длиной углеродной цепи. Так, для С2Н5 частота маятниковых колебаний 790--770 см^-1, для С₃H₇ она имеет значение 743--734 см^-1. Для n=4 соответствующая полоса наблюдается при 725--720 см^-1 (для твердых образцов иногда в виде дублета). Маятниковые колебания СН₂-групп могут быть использованы для обнаружения полиметиленовых цепочек. Полосы, отвечающие крутильным и веерным колебаниям метиленовых групп и деформационным колебаниям метановых групп, располагаются в области 1300 см^-1; для идентификации используются редко вследствие своей недостаточной характеристичности и малой интенсивности. Интенсивности полос поглощения деформационных колебаний метиленовой группы возрастают линейно с увеличением числа групп СН₂. Полосы поглощения, отвечающие колебаниям скелета, относительно мало интенсивны, проявляются в двух областях: 1100 - 700 см^-1 и ниже 500 см^-1. Первая область связана с валентными колебаниями углеродного скелета, вторая -- с деформационными. Экспериментальные исследования большого числа углеводородов показали, что при наличии в молекуле изопропильной группы в спектре появляются полосы при 1170 и 1145 см^-1, трет- бутильной - при 1255 и 1210 см^-1, в присутствии четвертичного атома углерода наблюдается поглощение при 1215 и 1195 см^-1. Эти данные могут быть приведены только как свидетельство в пользу присутствия указанных групп, но не как однозначное доказательство.

Деформационные колебания углеродного скелета, находящиеся в области ниже 500 см^-1, в ИК-спектрах практически не исследованы.

2.1.2 Алкены

Введение кратной связи в молекулу органического соединения приводит к появлению полос поглощения, характеризующих эту связь, и изменяет положение полос поглощения групп, непосредственно связанных с ней. В моноолефинах с валентными колебаниями С = С связана полоса поглощения в области 1680--1640 см^-1. Это колебание не является строго валентным, поскольку наряду с растяжением связи С = С происходит изменение валентных углов З--С = С. В центросимметричных этиленовых соединениях колебание нС=С неактивно вследствие запрета по симметрии (так как симметричные колебания происходят без изменения дипольного момента), в несимметричных молекулах интенсивность полосы поглощения увеличивается по мере смещения двойной связи наконец цепи. Положение полосы валентного колебания С = С внутри интервала 1680--1640 см^-1 зависит от степени замещения у связи С = С и геометрии молекулы.

Положение полосы поглощения связи С = С в циклоалкенах зависит от того, является она эндо- или экзоциклической. Для эндоциклической частота нС=С несколько возрастает по мере увеличения угла в цикле, для экзоциклической связи С = С частота нС=С возрастает с увеличением напряженности циклов.

Частота валентных колебаний =С--З наблюдается при 3010--3095 см^-1, причем значение н=C-H определяется степенью замещения: для =CHR характерно колебание с н=3040--3010 см^-1, для группы =GH₂ появляется колебание с частотой 3095--3075 см^-1. Полосы плоских деформационных колебаний связей =С--З мало интенсивны, расположены в области деформационных колебаний метиленовых и метальных групп и для целей структурного анализа обычно не используются. Напротив, полосы неплоских деформационных колебаний З--С = С--З в спектрах алкенов являются весьма характерными, располагаются в области 1000-800 см^-1 и достаточно интенсивны. Поглощение при 970--965 см^-1 характерно для трансизомера.

По поглощению в области 1000--800 см^-1 можно с хорошей степенью достоверности определить концевые винильную R--СН =СН₂ и метиленовую группы R₂C = СН₂. На колебание остальной части молекулы алкена кратная связь не оказывает существенного влияния.

2.1.3 Сопряженные углеводороды

Сопряжение двух связей С=С приводит к появлению двух полос поглощения в области 1650--1600 см^-1. Расщепление объясняется механическим взаимодействием и изменением форм нормальных колебаний. Интенсивность полос повышена по сравнению с интенсивностью поглощения соответствующего несопряженного соединения. У полиенов в этой области появляется несколько полос, иногда сливающихся в одну широкую, причем с увеличением числа сопряженных связей полосы поглощения смещаются в сторону меньших частот.



Рис.4. Спектр поглощения клотримазола

При сопряжении двойных связей с ароматическим кольцом смещение полосы С = С обычно меньше, чем при сопряжении алифатических связей. Интенсивность полосы сильно увеличивается наряду с увеличением интенсивности полос поглощения скелетных колебаний ароматического кольца в области 1600--1500 см^-1.

Особенно сильное взаимодействие колебаний происходит в случае кумулированных связей; в колебании участвуют все три атома углерода алленовой группировки, давая две полосы поглощения: интенсивную около 1950 см^-1 (нAS) и слабую вблизи 1050 см^-1 (нS) [21].

2.2 Органические соединения с функциональными группами

Введение функциональных групп приводит к существенному изменению ИК-спектра соответствующего углеводорода. Так же как и для углеводородов, набор полос в области 1400--700 см^-1 является индивидуальной характеристикой каждого вещества. Кроме того, в спектре появляются полосы, специфичные для каждой функциональной группы.

2.2.1 Органические соединения, содержащие кислород

Гидроксилсодержащие соединения. Введение гидроксильной группы в молекулу органического соединения приводит к появлению полос поглощения, связанных с колебаниями связей О--З и С--О.

Наиболее характерные полосы поглощения появляются в областях 3600--3000 см^-1 (валентные колебания О--Н-группы) и 1400--1000 см^-1 (колебания, связанные с группировкой С--О--Н). Валентные колебания О--З являются характеристическими, поскольку в них принимает участие легкий атом водорода. Они наблюдаются в широком интервале частот (3600--2500 см^-1), что связано со способностью гидроксильной группы образовывать водородные связи. Образование водородной связи влияет на положение и форму полос валентных колебаний ОН.

Свободная, неассоциированная гидроксильная группа спиртов и фенолов имеет узкую полосу поглощения в области 3670--3580 см^-1. Эта полоса обычно наблюдается в разбавленных растворах гидроксилсодержащих соединений в инертных растворителях. Идентификация полос свободной ОН-группы не вызывает затруднений, так как другие основные колебания не дают полос в этой области, а интенсивность обертонов намного ниже.

Рис.5. Спектр поглощения этанола

Участие гидроксильной группы в образовании межмолекулярных водородных связей проявляется в смещении полосы поглощения в сторону меньших частот и значительном увеличении ее интенсивности. Образование водородных связей между молекулами спирта приводит к появлению димеров и полиассоциатов. Для димеров характерно возникновение резкой полосы поглощения в области 3550--3450 см^-1 в спектре полиассоциатов наблюдается широкая полоса в области 3400--3200 см^-1. Характерным признаком межмолекулярных водородных связей является изменение характера спектра в области 3600--3200 см^-1 при изменении концентрации гидроксилсодержащего соединения в инертном растворителе (рис. 6): при малых концентрациях вещества в спектре имеется узкая полоса поглощения, отвечающая свободной гидроксильной группе (рис. 6,а). Увеличение концентрации приводит к появлению димеров и полиассоциатов и в спектре, наряду с полосой свободной ОН-группы появ-ляется поглощение в более длинноволновой области (рис. 6,б). Дальнейшее увеличение концентрации сопровождается возрастанием интенсивности поглощения полосы связанной ОН-группы и уменьшением интенсивности полосы свободной гидроксильной группы (рис. 6, в, г).

Рис. 6. ИК-спектры поглощения гидроксилсодержащего соединения при концентрации спирта в CCl4: а-- 0,01 М; б -- 0,1 М; в -- 0,2 М; г--1,0 М

Образование межмолекулярных водородных связей с полярными соединениями, такими, как эфиры, кетоны, амины и др., сопровождается смещением полосы нOH в область 3550--3450 см^-1. Одновременно наблюдается и небольшое смещение полос поглощения группы донора электронов (10--20 см^-1) в низкочастотную область. Участие ОН-группы во внутримолекулярной водородной связи приводит к появлению узкой полосы поглощения в области 3590--3420 см^-1. Водородная связь хелатного типа проявляется в виде очень широкой размытой полосы поглощения в области 3200--2500 см^-1. В отличие от межмолекулярных водородных связей характер поглощения соединений с внутримолекулярной водородной связью в инертных растворителях не зависит от концентрации.

Таким образом, ИК- спектры в области 3600--3000 см^-1 дают возможность исследовать водородные связи в органических соединениях. Исследование зависимости положения и интенсивности полос поглощения в этой области от концентрации гидроксилсодержащего соединения позволяет определить характер водородной связи. Наличие полярной связи С--О вызывает появление интенсивной полосы поглощения в интервале 1200--1000 см^-1 , обусловленной участием этой группы в скелетных колебаниях. Кроме того, в области 1400--1250 см^-1 появляются интенсивные полосы поглощения, связанные с плоскими деформационными колебаниями ОН- группы. В литературе имеются работы, согласно которым можно различать первичные, вторичные, третичные спирты и фенолы по положению полос поглощения в области 1400--1000 см¹. Однако для целей структурного анализа эти данные надо использовать осторожно. Простые эфиры. Колебания группы С--О--С простых эфиров не характеристичны. Однако в области 1200--1000 см^-1 у простых эфиров появляется интенсивная полоса поглощения, связанная с участием в колебании полярной связи С--О--С. Положение этой полосы непостоянно, зависит от структуры эфира: так, в алициклических эфирах эта полоса расположена в области 1150--1060 см^-1, а у ароматических и непредельных эфиров она наблюдается в области 1270--1200 см^-1. Простая эфирная связь не может быть однозначно доказана по ИК- спектрам поглощения. Введение кислорода сказывается на положении полос поглощения метальных и метиленовых групп, непосредственно соединенных с атомами кислорода. Так, полоса симметричных валентных колебаний метильной группы алифатических эфиров (RОСН₃) смещается до 2830--2815 см^-1. В ароматических эфирах (ArОСН₃) полосы поглощения СН3-группы наблюдаются при 2850 см^-1. Валентные колебания С--З-связей при эпоксидном кольце проявляются при 3050--2990 см^-1, колебания СН в б,в-непредельных эфирах -- при 3150--3050 см^-1.

2.2.2 Фосфорорганические соединения

В спектрах фосфинов наблюдаются резкие полосы поглощения средней интенсивности в области 2440--2350 см^-1, обусловленные валентными колебаниями связи С--З. Сам фосфин поглощает при 2327 и 2421 см^-1. Группа С--З не участвует заметно в образовании водородных связей. Группа С--Аг характеризуется полосами поглощения в интервалах 1450-1435 и 1005--995 см^-1.Колебание, связанное с группой Р = О, появляется в области 1350--1175 см^-1. Эта частота понижается на 50--80 см^-1, если группа Р = О участвует в образовании водородных связей. В фосфорных соединениях, содержащих группу РООН, полоса поглощения нOH проявляется в области 2700--2560 см^-1 (широкая и нерезкая). С группировкой С--О--Аr связывают полосы поглощения в области 1240--1190 см^-1 и менее интенсивную полосу около 1030 см^-1. Группировка С--О--Alk вызывает поглощение в интервале 1050--995 см^-1. В области 970--930 см^-1 может проявиться полоса, обязанная колебанию группы С--О--Р. Связи P = S вызывают поглощение в области 800--600 см^-1. Для фосфорных соединений характерно появление интенсивного поглощения при 980 см^-1, природа которого не выяснена.

Рис.7. Спектр поглощения тиамина гидрохлорида

2.3 Инфракрасные спектры полимеров

Полимер состоит из макромолекул, которые построены из целого числа относительно небольших повторяющихся единиц. Молекулярный вес полимера, как правило, составляет от 10³ до 10⁶ а.е. Содержание в полимерной молекуле множества атомов приводит к значительному количеству нормальных колебаний, поэтому следовало ожидать сложного вида ИК-спектра полимера. Однако для большинства полимеров характерны сравнительно простые спектры, что обусловлено следующими причинами. В реальных полимерах каждая повторяющаяся структурная единица (элементарная ячейка) характеризуется определенными нормальными колебаниями, которые могут изменяться в результате взаимодействия между собой соседних структурных единиц. Если взаимодействие мало или вообще отсутствует, их нормальные колебания имеют близкие частоты и проявляются в спектре в виде одной полосы поглощения (вырожденные колебания). Сильное взаимодействие приводит к изменению частот нормальных колебаний структурных единиц, что выражается в расщеплении полосы поглощения в спектре. В спектре полимерной цепи, состоящей из N связанных повторяющихся единиц, каждая полоса расщепится на N компонентов. Величина расщепления полосы зависит от силы взаимодействия структурных единиц. Взаимодействие этих единиц в случае характеристических колебаний отдельных функциональных групп обычно невелико, но оказывается значительны для колебания скелета. В результате усреднения близких частот колебаний отдельные пики в полосах поглощения исчезают, и спектр становится более простым [1].

Другая причина, приводящая к упрощению спектров, заключается в существовании строгих правил отбора, которые определяют активность молекулярных колебаний. По правилам отбора в инфракрасной области активны только те нормальные колебания, которые связаны с изменением электрического момента системы, причем правила отбора зависят не от силовых постоянных, а только от типа симметрии. В молекулах, не обладающих симметрией, все нормальные колебания активны.

Задачей качественного анализа полимеров по ИК-спектрам является определение хотя бы основных компонентов, когда их количество и концентрация в смеси неизвестны.

Необходимое условие применимости метода - наличие взаимно неперекрывающихся участков в спектрах веществ, образующих смесь. Для образца полимера, не содержащего примесей, методом ИКС можно установить с высокой степенью надежности не только основную структуру полимерной цепи, но даже незначительные ее детали, обусловленные способом получения или переработки. Например, индивидуальные спектры пластификаторов, антиоксидантов и других добавок используют для исключения из спектра полос поглощения, не относящихся к полимеру [4].

Наряду с качественным определением структуры молекул, ИК-спектроскопия дает возможность получать количественные данные о содержании тех или иных групп атомов, связей и их сочетание в молекуле. После определения количественного содержания молекулярных структур, входящих в полимер, находят его состав. Однако по сравнению с другими спектроскопическими методами (электронной и радиоспектроскопией) ИКС обладает в ряде случаев меньшей чувствительностью и точностью, что исключает возможность определения невысокого содержания функциональных групп.

Количественный анализ состава полимеров основан на том, что каждая из анализируемых мономерных групп имеет свое специфическое химическое строение, а следовательно, и свои характерные только для него полосы поглощения. Все вещества, кроме оптических изомеров, имеют различные ИК-спектры. Которые часто называют "отпечатками пальцев" молекулы. Метод ИКС почти универсален по своим возможностям; образцы могут быть жидкими, твердыми, газообразными, бесцветными или окрашенными. Наиболее достоверная информация может быть получена для высокомолекулярных образцов регулярной структуры с линейной конфигурацией цепи, когда вклад концевых групп, аномальных звеньев и нерегулярностей других типов минимален. В тех случаях когда не ставится задача установления взаимного расположения атомов в молекуле, а требуется определить лишь количественного содержании соответствующих групп, вопрос сводится к выбору аналитической полосы поглощения, измерению ее интенсивности и сравнению последней с интенсивностью той же полосы в эталонном соединении. В качестве аналитической выбирается по возможности изолированная полоса поглощения, наличие корой в спектре обусловлено присутствием в исследуемом образце искомого сочетания атомов. При получении полимеров, переработке, прогнозировании их работоспособности в изделиях необходим контроль за строением полимерных молекул, который в большинстве случаев может быть решен методами спектроскопии. Например, по ИК спектрам можно судить об относительном содержании того или иного типа ненасыщенных групп в полиолефинах, полученных разными методами полимеризации, о разветвленности их макромолекул, о строении полимерной цепи. Так, различие в строении молекул 1,4 - транс- и 1,4 - цис-полибутадиенов находит отражение в ИК спектре (рис. 5), и позволяет получить информацию о структуре каучука [14].

Рис. 8. ИК спектры поглощения полибутадиена с преобладанием 1,4 - цис - (1) и 1,4 - транс-изомера (2)



3. Инфракрасное излучение и колебания молекул

ИК-спектр поглощения - 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, He, О₂, N₂, H₂). 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.

Инфракрасным излучением называют излучение с длинами волн от 0,5 до 1000 мкм. В ИК- диапазоне проявляются переходы между колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Химические связи в молекулах испытывают колебательные движения. Колебательная энергия молекул квантована, то есть поглощаемая энергия изменяется не непрерывно, а скачкообразно. В результате колебательный (инфракрасный) спектр молекулы представляет собой ряд пиков (полос поглощения), отвечающих разным колебательным энергетическим переходам. Большинство колебательных переходов в молекулах органических соединений реализуется в диапазоне длин волн л от 2,5 до 25 мкм. В единицах волновых чисел н = 1/л (cм^-1), величин обратных длинам волн, этот интервал составляет 4000-400cм^-1. Именно в этом диапазоне волновых чисел осуществляют регистрацию ИК-спектров органических и природных соединений [5].



4. Характеристические частоты групп

Понятие "характеристической частоты группы" обобщает вкратце эмпирические наблюдения о том, что некоторые группы атомов - функциональные группы в органических соединениях - приводят к возникновению полос поглощения с характеристическими частотами. Эти группы ведут себя как бы изолированно и независимо от остальной части молекулы, так как их частоты поглощения мало меняются при переходе от одного соединения к другому. В простой двухатомной молекуле X-Y частота валентного колебания зависит от силы межъядерной связи и от масс обоих атомов. Поэтому в многоатомных молекулах появление характеристической частоты (X-Y) возможно при условии, что эта полоса относится к колебательному движению, принадлежащему лишь этой группировке X-Y. Но это условие не выполняется совершенно точно, так как при возбуждении основного колебания все атомы должны находиться в движении, хотя бы и незначительном. В действительности, остаток молекулы воздействует в небольшой степени (обычно около 5%) на положение характеристической частоты группы, а направление и величина сдвига частот имеют большое значение для структурного анализа, поскольку часто позволяют отнести поглощение к какому-нибудь определенному варианту функциональной группы. Так, карбонильная группа поглощает, как было найдено, в области 1820-1620 см^-1, но насыщенные и ненасыщенные ациклические кетоны специфически поглощают около 1720 и 1680 см^-1 соответственно. Этот вид эффекта "второго порядка", обусловленный внутримолекулярными факторами, имеет близкое сходство с "химическим сдвигом" ядерного магнитного резонанса, проявляемым метальными и метиленовыми группами. Инфракрасный спектр соединения зависит также от физического состояния. Эти влияния обычно невелики, но они могут стать большими, если появляются значительные внутримолекулярные силы, такие как водородная связь; в этом случае правильное отнесение частот групп требует повышенного внимания [22].

Характеристические частоты поглощения некоторых групп атомов.



4.1 Применение характеристических частот групп

В идеальном случае каждая функциональная группа должна иметь характеристическую область частот и интенсивностей, и до некоторой степени это происходит на самом деле. Например, основные колебания несвязанной гидроксильной группы и вторичного амина (OH) и (NH) поглощают вполне отчетливо при ~3610 и 3400 см^-1 соответственно; группы с тройной связью могут быть обнаружены по появлению их валентного поглощения в области 2100 см^-1, и хотя эти полосы являются иногда очень малоинтенсивными, они все же рассматриваются как характеристические, поскольку большинство органических веществ относительно прозрачно между 2700 и 1800 см^-1. На практике полосы выше 1500 см^-1 очень легко приписываются функциональным группам, таким, как ОН, NH, С=О и С=С, но ниже этой частоты спектр является более сложным и определяет скорее индивидуальную молекулу, чем ее функциональные группы. Поэтому при интерпретации инфракрасного спектра удобно сначала рассматривать область "функциональных групп" (выше 1500 см^-1) и затем так называемую область "отпечатка пальцев" (ниже 1500 см^-1). Это разделение не имеет абсолютного значения, так как значительное число важных характеристических частот на самом деле появляется ниже 1500 см^-1, оно просто служит первым приближением. Сложность области "отпечатка пальцев" вытекает из интенсивного колебательного взаимодействия, которое имеет место между смежными связями С-С, С-N и С-О в молекуле, причем в результате эти многочисленные "скелетные" колебания представляют движение всего молекулярного фрагмента и не могут быть приписаны специфическим структурным единицам. С другой стороны, характеристическая природа частот функциональных групп обусловлена отсутствием взаимодействия между колебаниями, локализованными в данной частной группировке, и колебаниями остатка молекулы. Это значит, что колебательное движение, ответственное за поглощение света с характеристической частотой, относится главным образом к атомам рассматриваемой группы. Такое положение может возникнуть в двух случаях: во-первых, всегда, когда легкий атом, такой как водород или дейтерий присоединен к значительно более тяжелому атому, такому, как углерод; во-вторых, всегда, когда одна связь в молекуле намного сильнее, чем соседние связи [16].



5. Регистрация инфракрасных спектров

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых образцов. Для получения ИК-спектра органического или природного соединения необходимо всего от 1 до 10 мг вещества. Регистрация ИК-спектров осуществляется в кюветах изготовленных из бромида калия KBr или хлорида натрия NaCl - материалов, не поглощающих ИК-излучение в исследуемом диапазоне. ИК-спектры принято записывать в виде зависимости пропускания ИК-излучения (%) от волнового числа н = 1/л (см^-1). Поэтому максимумы пиков, отвечающие наибольшему поглощению ИК-излучения, обращены вниз. В большинстве случаев ИК-спектры органических и природных соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе CHCl₃, четыреххлористом углероде CCl₄, сероуглероде CS₂, либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием под давлением мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда используют метод съемки ИК-спектра вещества в виде мелко растертой суспензии в вазелиновом или минеральном масле. В случае регистрации ИК-спектров соединений в растворах или суспензиях необходимо вычитать полосы поглощения растворителей или суспендирующей среды. При интерпретации ИК-спектров веществ, полученных в растворах в CHCl₃ и CCl₄, нужно учитывать, что в зонах собственного поглощения этих растворителей отнесение линий спектра может быть неоднозначным. При регистрации ИК-спектров органических и природных соединений часто наблюдаются линии поглощения примесей в образцах. Обычно это сигнал воды около 3450 см^-1, колебания диоксида углерода (как примеси из атмосферы) при 2360-2325 см^-1. Иногда образцы загрязнены силиконовыми смазками, имеющими полосы при 1625 см^-1 и 1100-1000 см^-1, или фталатами, проявляющимися в виде пика 1725 см^-1. Следует помнить, что кюветы для ИК-спектроскопии, изготовленные из KBr и NaCl, чувствительны к воздействию следов воды и со временем мутнеют и выходят из строя. Поэтому необходимо тщательно сушить образцы и растворители перед съёмкой ИК-спектров [9].



6. Спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК)

Спектрометрия в ближней инфракрасной области (БИК спектрометрия, англ. NIR) - метод, основанный на способности веществ поглощать электро-магнитное излучение в диапазоне длин волн от 780 до 2500 нм (от 12500 до 4000 см^-1).

Поглощение в БИК-диапазоне связано, как правило, с обертонами основных колебательных частот связей C-H, N-H, O-H и S-H и их комбинациями. Наиболее информативным диапазоном является область от 1700 до 2500нм (от 6000 до 4000 см^-1) [17].

Анализ информации, извлекаемой из БИК-спектров, проводится с применением хемометрических алгоритмов, которые требуют создания первичного массива данных. В рамках применимости метода, БИК-спектрометрия позволяет прямо или косвенно проводить качественную и количественную оценку химических, физических и физико-химических характеристик анализируемого объекта, в том числе оценивать следующие характеристики:

- содержание воды и органических растворителей;

- гидроксильное и йодное число, степень гидроксилирования;

- кристаллическую форму и степень кристалличности;

- полиморфную форму или псевдополиморфную форму;

- степень дисперсности частиц и другие.

БИК-спектрометрия обладает следующими возможностями:

- простота подготовки проб или отсутствие подготовки;

- быстрота измерений;

- неразрушающий характер анализа;

- возможность одновременной оценки нескольких параметров (показателей);

- возможность проведения дистанционного контроля, в том числе в технологических потоках в режиме реального времени.

Приборы. Используют как специализированные БИК-спектрофотометры, так и другие спектрофотометры, способные работать в ближней ИК-области спектра.

БИК-спектрофотометры состоят из:

- источника излучения, например, кварцевой лампы (лампы накаливания) или ее аналога;

- монохроматора (дифракционная решетка, призма, оптико-акустический фильтр) или интерферометра (спектрофотометры с Фурье-преобразованием);

- регистрирующего устройства - детектора (на основе кремния, сульфида свинца, арсенида индия, арсенида индия-галлия, теллурида ртути, кадмия, дейтерированного триглицина сульфата и др.);

- устройства размещения образца и/или дистанционного оптоволоконного датчика.

Для размещения образцов используют стеклянные или кварцевые кюветы, флаконы, стеклянные стаканы, держатели капсул или таблеток и другие приспособления. Спектрофотометры могут быть оснащены кюветным отделением, интегрирующей сферой (интегрирующая сфера представляет собой оптический компонент, состоящий из сферической полости с покрытием из хорошо отражающего материала, сфера предназначена для получения спектров неоднородных образцов), внешними модулями для измерения пропускания сильно рассеивающих образцов, устройствами автоматической подачи образцов, оптоволоконными зондами. Выбор того или иного приспособления для анализа зависит от типа образца и выбранного способа измерения. Поэтому рекомендованы к использованию приборы, реализующие несколько подходов к измерению. Обработка данных и анализ полученных результатов проводится с использованием специального программного обеспечения. Для каждого режима измерения (пропускание, диффузное отражение и их комбинация) должна быть предусмотрена своя методика поверки, включающая проверку правильности установки длин волн и поверку фотометрического шума.

Проверка правильности установки длин волн. Для проверки правильности установки длин волн регистрируют спектр стандартного образца, имеющего характеристические максимумы и минимумы поглощения и сравнивают полученные значения длин волн с заявленными характеристиками. Для режимов пропускания и отражения для определения правильности установки длин волн наиболее распространено в качестве стандартных образцов использовать оксиды редкоземельных элементов, пары воды в атмосфере, метиленхлорид и другие. В приборах с Фурье-преобразованием шкала волновых чисел линейна во всем рабочем диапазоне и для проверки точности установки достаточно использования одного стандартного образца с контролем заявленных характеристик по одной полосе поглощения. Приборы других типов могут иметь нелинейный характер шкалы волновых чисел и требуют проверки заявленных метрологических характеристик не менее чем по трем пикам (один или несколько стандартных образцов) с охватом всего рабочего диапазона. Погрешность при установке длин волн должна быть не более ±1нм (или эквивалентная ему величина волнового числа) в диапазоне длин волн до 1900 нм и не более ±1,5 нм для диапазона длин волн ?1900 нм.