5.2 Спектральные методы анализа
5.3 Электрохимические методы анализа
Лекция 5. Методы исследования органических соединений
1. Масс спектрометрия;
2. Электронная спектроскопия;
3. Инфракрасная спектроскопия;
4. Спектроскопия ЯМР.
Химия – это область научных знаний и практической деятельности, которая развивается за счет синтеза новых соединений и создания материалов на их основе. Главной задачей химика-исследователя после синтеза соединения или комбинации известных соединений (материалов) является установление строения молекул или молекулярных ассоциатов.
МЕТОДЫ АНАЛИЗА |
|
Химические |
Физические |
Элементный анализ; Геометрия молекулы; Химический анализ; Встречный синтез. |
Осколочная масс-спектрометрия; Молекулярная спектроскопия: - электронная; - инфракрасная; - ядерного магнитного резонанса; и др. |
Масс-спектрометрия
Применяется для идентификации и определения молекулярной массы и молекулярной формулы вещества.
Молекулы, находящиеся в парообразном состоянии в глубоком вакууме, подвергаются бомбардировке электронами. Молекулы в этих условиях теряют один электрон. Образующийся молекулярный ион последовательно распадается на осколки-катионы, свободные радикалы или молекулы.
Молекулярная спектроскопия
Методы основаны на взаимодействии электромагнитного излучения с молекулами вещества.
Свет – распространение электромагнитных волн в пространстве.
Как любое электромагнитное колебание характеризуется скоростью, длиной волны и частотой.
Методы молекулярной спектроскопии основаны на взаимодействии вещества или смеси веществ, их растворов с различного вида излучениями. К ним относятся электронная,инфракрасная спектроскопия;метод люминесценции,оптическийирентгеновский спектральный анализ;рефрактометрия;поляриметрия;метод ядерного магнитного резонанса. На взаимодействии с магнитным полем основанметод электронного парамагнитного резонанса, последовательно с электрическим и магнитым –масс-спектрометрия.
В настоящее время спектрофотометрические методы с большим успехом используются при решении таких вопросов, как контроль чистоты химических соединений, идентификация, установление структуры, исследование различных видов изомерии, количественный анализ смесей, определение констант диссоциации кислот и оснований, исследование кинетики химических реакций, определение микропримесей и т.д.
Электронная спектроскопия
Изучает поглощение органическими веществами света в УФ области спектра (200-400 нм). Излучение с такой длиной волны поглощают только соединения, с p-связями (С=О, С=С). |
Поглощение света вызвано электронными переходами:
|
ИК-спектроскопия
Инфракрасные спектры возникают в результате возбуждения колебаний атомов и целых группировок в молекуле в результате поглощения тепловых квантов энергии, расположенных от 760 нм спектра.
Колебательные движения молекул
Структурный анализ по ИК-спектрам сводится в настоящее время к отысканию характеристических полос поглощения и их отнесению к соответствующим структурным элементам с учетом численных значений частот maxпоглощения, контура (формы) и интенсивности полос.
Характеристические частоты и их интенсивности для некоторых функциональных групп
Частота |
Природа колебания |
Тип соединения |
Интенсивность |
3640-3610 |
Валентные О-Н |
Разбавленные растворы спиртов в неполярных растворителях |
40-70 |
3530 |
Ассим. валентные свободной NH2 |
Разбавленные растворы первичных аминов |
130 |
3415 |
Симм. валентные свободной NH2 |
То же |
120 |
1820-1650 |
Валентные С=О |
Карбонильные соединения |
250-1250 |
1560-1480 |
Колебания кольца |
Арены |
50-100 |
1335-1310 |
Ассим. валентные –SO2 |
Алкилсульфоны |
250-600 |
1160-1130 |
Симм. Валентные –SO2 |
Алкилсульфоны |
500-900 |
ЯМР – спектроскопия
Метод пригоден для исследования молекул, в состав которых входят атомы с нечетным числом протонов или нейтронов. Такие ядра обладают ядерным спином и являются парамагнитными (ЯМР1Н,13С,19F,31Р).
При взаимодействии излучения на исследуемый образец, ядра переходят с более низкого энергетического уровня на более высокий, происходит поглощение энергии.
Атомы в молекуле находятся в различном химическом окружении. Этой небольшой разницы достаточно для изменения разности энергий между спиновыми состояниями и, следовательно, частоты поглощаемого излучения (эффект экранирования).
Количественной характеристикой степени экранирования ядер служит химический сдвиг – расстояние между сигналом ядра и сигналом эталонного вещества, выраженного в миллионных долях величины напряженности внешнего тока.
Электроноакцепторные группы и сопряженные связи уменьшают экранированность (сигнал отмечается в более слабом поле);
В ароматических циклах, при действии на них сильного магнитного поля возникает кольцевой ток, собственное магнитное поле, что понижает напряженность внешнего поля (смещение сигнала в более слабое поле).
Параметры спектра:
Положение сигнала (тип атома);
Площадь сигнала (число атомов данного типа);
Мультиплетность (форма) – число соседних атомов других типов.
Строение сигналов (мультиплетов) спектра ЯМР 1Н
Название |
Число пиков |
Число Н у соседних атомов углеродов |
Синглет Дуплет Триплет Мультиплет |
1 2 3 х+1 |
0 1 2 х |
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ
Ароматичность – особый вид резонансного взаимодействия, при котором сопряжение реализуется в замкнутом цикле.
Биоорганическая химия– наука, изучающая строение, свойства и биологические функции органических веществ, участвующих в процессах жизнедеятельности.
Биополимеры– высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие определённую роль в процессах жизнедеятельности.
Биорегуляторы– соединения, которые химически регулируют обмен веществ.
Водородная связь– электростатическое взаимодействие атома водорода связанного с сильно электроотрицательным элементом, с с неподеленной парой электронов другого достаточно электроотрицательноготатома этой же или другой молекулы.
Гибридизация– смешение различных по форме орбиталей (s,p) при образовании связи.
Гомологи– это группа родственных органических соединений с однотипной структурой, каждый последующий член которой отличается от предыдущего на гомологическую разность (СН2)n.
Изомеры– вещества с одинаковым качественным и количественным составом, но различным строением и свойствами.
Индуктивный эффект– способность заместителя поляризовать σ-связь.
Ионная связь– ион-ионные взаимодействия, возникающие в результате полного перехода электронов от одних атомов к другим.
Ковалентная связь– химическая связь, образованная за счет обобществления электронной пары.
Конформеры– молекулы в определенной пространственной ориентации (конформации), в которую её атомы самопроизвольно возвращаются после небольших сдвигов при повороте по σ-связи.
Мезомерный эффект– влияние заместителя, обладающего р- или π- электронами, в результате которого происходит перераспределение π-электронной плотности связи.
Молекулярная спектроскопия– группа физических методов анализа основанных на взаимодействии вещества или смеси веществ, их растворов с различного вида излучениями.
Органические соединения– углеводороды и их производные.
π-связь– связь, образованная при боковом перекрывании негибридизованныхpz-атомных орбиталей с максимумом перекрывания по обе стороны от прямой, соединяющих ядра атомов.
σ-связь– одинарная ковалентная связь, образованная при перекрывании атомных орбиталей по прямой (оси), соединяющей ядра двух связанных атомов с максимумом перекрывания на этой прямой.
Сопряжение– взаимодействие групп атомов, содержащих π- и (или)р-орбитали, приводящее к широкой делокализации электронной плотности в молекуле.
Стереоизомеры– пространственные изомеры, характеризующиеся различием положения заместителей в молекулах относительно друг друга в пространстве.
Таутомерия– явление динамического обратимого превращения изомеров, протекающее с разрывом и образованием связей и сопровождающееся перемещением атомов (чаще всего протона) и реже групп атомов.
Функциональная группа– атом или группа атомов, определяющие принадлежность к определенному классу и ответственные за его химические свойства.
Энантиомеры– оптические изомеры, вращающие плоскость поляризации в разные стороны, но на один и тот же угол.