3. Спектрофотометрия в ик-области.

Явление взаимодействия веществ с ИК-излучением было открыто У. Эбни и И. Фестингом в 1881 г. В настоящее время ИК-спектрофотометрия стала одним из основных методов исследования вещества различной химической природы, в том числе и лекарственных соединений.

Наряду с ультрафиолетовой ИК-спектрофотометрия включена во все современные фармакопеи.

Впервые метод стал фармакопейным с 1968 г. (ГФ Χ), где он рекомендовался для контроля качества трех лекарственных веществ: фторотана, оксациллина и метициллина натриевых солей, а в разделе “Общие методы физико-химического, химического и биологического исследования” фармакопеи помещены сведения, касающиеся некоторых теоретических и практических вопросов ИК-спектрофотометрии. Со времени выхода 10-го издания фармакопеи число препаратов, при исследовании которых рекомендуется метод, значительно выросло.

В настоящее время практически каждая фармакопейная статья на индивидуальное средство (субстанцию) включает этот метод как один из объективных и селективных способов доказательства его подлинности.

1.4.1 Краткие теоретические положения

ИК-спектрофотометрия – метод исследования веществ, основанный на поглощении ИК-излучения, в результате чего происходит усиление колебательных и вращательных движений молекул. Большее проявление имеют колебательные движения, поэтому ИК-спектры, называются колебательными (или молекулярными).

Атомы в молекулах никогда не находятся в состоянии покоя, а колеблются относительно каких-то средних положений, отчего расположение их относительно друг друга периодически изменяется. ИК-излучение усиливает эти колебания.

Энергия, необходимая для возбуждения колебаний атомов в молекуле, соответствует энергии квантов света с длиной волны 2-15 мкм или волновым числом 400-4000 см^-1, то есть электромагнитному излучению средней инфракрасной области. Области, примыкающие к ней, называются ближней инфракрасной от 12500-4000 см^-1 и дальней инфракрасной от 400-10 см^-1. Практически все современные ИК-спектрофотометры позволяют проводить измерения в средней ИК-области.

Колебательные уровни молекул квантованы, энергия переходов между ними и, следовательно, частоты колебаний могут иметь только строго определенные значения. Поглощая квант света, молекула может переходить на более высокий колебательный уровень, обычно из основного колебательного состояния в возбужденное.

Поглощение инфракрасного излучения вызывает колебания с изменением либо длин связей, либо углов между связями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает периодически увеличиваться или уменьшаться длина связи или величина угла между связями.

Таким образом, основными типами колебаний являются так называемые валентные и деформационные колебания.

Колебания, заключающиеся в изменении длины связи между атомами и не сопровождающиеся отклонением от межъядерной оси, называются валентными, то есть эти колебания ядер атомов вдоль линии связи, они обозначаются буквой ν (ν С=С, ν С=0).

Валентные колебания располагаются в области больших частот 4000-1400 см^-1, деформационные – в области низких < 1400 см^-1. В зависимости от природы колебания подразделяются на скелетные (800-1500 см^-1) и колебания групп (> 1500 см^-1).

Наряду с указанными основными в спектре наблюдаются обертоны, полосы резонансного взаимодействия, составные полосы, возникающие в результате взаимодействия полос поглощения отдельных атомов.

Колебательными спектрами обладают не все молекулы, а только те, у которых при колебании происходит изменение ее дипольного момента. Например, HCl, H₂O, но не Cl₂, N₂, О₂ и т.д.

Приближенной механической моделью валентных колебаний может служить система из двух шаров, связанных пружиной (шары изображают атомы, а пружина – химическую связь). При растяжении или сжатии пружины шары начнут колебаться вокруг положения равновесия, то есть будет осуществляться гармоническое колебание, описываемое уравнением:

ν = (16), где

ν – частота колебания;

F – силовая постоянная; характеризующая прочность связи, или силу возвращающую шары в положение равновесия;

m_r – приведенная масса атомов, вычисляемая по формуле: (m₁ и m₂ –массы атомов)

m_r =

Валентные колебания могут быть симметричными, (ν_s), если обе связи одновременно удлиняются или укорачиваются

и пары атомов одновременно приближаются и отдаляются и антисимметричными, если одна из связей укорачивается, а другая – удлиняется (ν_as). В этом случае приближение и отдаление разных пар атомов происходит не одновременно.

Частота антисимметричного колебания всегда выше, чем симметричного.

Следующим типом колебания являются деформационные, которые связаны с изменением валентного угла, образованного связями у общего атома, т.е. колебания, при которых атомы смещаются с межъядерной оси, они обозначаются буквой δ.

Для возбуждения деформационных колебаний требуется меньшая энергия, чем в случае валентных колебаний и, следовательно, они имеют меньшую частоту. Например, схему колебаний – ОН группы в спиртах можно представить следующим образом (рис.18)

Рис. 18. Схема колебаний ОН-группы в спиртах

С увеличением числа атомов в молекуле число возможных колебаний быстро растет. В реальной молекуле, колебания атомов тесно связаны друг с другом и взаимодействую между собой.

Спектры молекул представляют собой сложный набор различных колебаний, каждое из которых проявляется в узком интервале частот. Общее число линий (полос поглощений) в спектре, связанных с колебаниями атомов, определяется для нелинейной молекулы формулой 3N-6 основных колебаний и 3N-5 для линейной молекулы, где N – число атомов в молекуле. Фактически число полос в спектре не всегда равно этому числу. Оно может уменьшаться вследствие того, что часть полос не проявляется в ИК спектре, что связано со степенью симметрии молекулы. Уменьшение числа полос происходит из-за того, что для достаточно симметричных молекул различные колебания могут иметь одинаковые частоты и в результате этого в спектре проявляется место 2-3 лишь одна полоса.

Интенсивность поглощения в ИК-спектрофотометрии выражают чаще как пропускание (Т) светового потока в процентах:

Т,% = ×100 (17), где

I – интенсивность света, прошедшего через анализируемый образец;

I₀ – интенсивность света, падающего на анализируемый образец;

При изучении взаимодействия с ИК-излучением веществ различного химического строения (модельные соединения) было установлено, что многие атомные группы такие как –ОН, -NН₂, -NO, >СО, а также некоторые связи такие как С-Н, С-С, С=С, С≡С характеризуются в спектре определенными частотами, мало отличающимися в различных соединениях. Такие частоты получили название характеристических или групповых частот.

Для основных классов органических соединений они приведены в табл. 10-13.

В таблицах обычно приводятся приближенные значения полос поглощения, т.к. они обусловлены не только характеристическими колебаниями атомов в данной функциональной группе, но зависят и от природы окружающих эту связь атомов, электронных заместителей, межмолекулярного взаимодействия, природы растворителя, если запись спектра проводилась в растворе.

Например, имеется большое количество лекарственных веществ, содержащих в структуре карбонильные группы. Их подлинность устанавливают по характеристическим полосам поглощения в следующих областях: 1760-1720, 1424-1418, 950-800 см^-1 – для карбоновых кислот; 1596-1582, 1630-1612, 1528-1518, 1430-1400 см^-1 – для аминокислот; 1690-1670, 1615-1580 см^-1 – для амидов; 1770-1670 см^-1 – для производных барбитуровой кислоты; 1742-1740, 1384-1370,1050 см^-1 – для терпеноидов; 1680-1540, 1380-1278 см^-1 – для антибиотиков тетрациклинового ряда; 3580-3100, 3050-2870, 1742-1630, 903-890 см^-1 – для стероидов.

Частоты валентных колебаний определяются массой атомов и прочностью (энергией) связи. Чем больше масса, тем меньше частота, например:

ν_С-С ~ 1000 см^-1 ν_С-Н ~ 3000 см^-1

Чем связь прочнее, тем выше частота колебаний:

ν_С-С ~ 1000 см^-1 ν_С≡С ~ 1600 см^-1

Существование характеристических частот обусловлено тем, что хотя зависимость между колебаниями разных частей молекулы существует всегда, взаимодействие связей в пределах функциональной группы характеризуется строгим постоянством и только в небольшой степени зависит от природы углеродного скелета, несущего эту функциональную группу. Поэтому оказывается возможным установить соответствие между различными функциональными группами и свойственными им групповыми частотами. Именно по этой причине ИК-спектрофотометрия используется главным образом для определения функциональных групп молекулы.

С другой стороны, колебания ряда связей скелета органической молекулы (С-С, С-О, С-N и др.) очень сильно зависят от колебаний других частей молекулы и изменяются при незначительном изменении структуры. Соответствующую область спектра обычно используют для идентификации вещества, поскольку каждое вещество имеет в этой области только для него характерный набор полос поглощения. Эти полосы расположены в области 1500-400 см^-1, которую иногда называют областью отпечатков пальцев, поскольку она, подобно картотеке отпечатков пальцев дает возможность идентифицировать исследуемый объект. В некоторых руководствах в настоящее время «отпечатками пальцев» соединения называют весь ИК-спектр, так как каждое соединение независимо от его природы имеет строго индивидуальную картину спектра.

В основе получения ИК-спектра лежит облучение исследуемого образца ИК-излучением с постепенно изменяющейся частотой, осуществляемое с помощью прибора – ИК-спектрофотометра.

Схема ИК-спектрофотометра сходна со схемой УФ-спектрофотометра, однако конструкция приборов более сложна (рис. 19). ИК-излучение является тепловым: его источниками могут быть стержень из карбида кремния или диоксида циркония, раскаляемые проходящим электрическим током. С помощью системы зеркал световой поток разделяется на два одинаковых луча, один из которых пропускается через кювету с веществом, другой – через кювету сравнения.

Рис. 19. Схема ИК-спектрофотометра

1. - источник излучения;

2. - кювета с исследуемым образцом;

3. - кювета сравнения.

Прошедшее через кюветы излучение поступает в монохроматор, состоящий из вращающейся призмы, зеркала и щели, позволяющий выделять излучение со строго определенной частотой и плавно изменять эту частоту.

Учитывая, что в ИК-области большинство веществ непрозрачны, призмы изготавляются из монокристаллов солей. В приборах высокого класса применяют три призмы: из LiF (3800-2000 см^-1), NaCl (2000-700 см^-1) и KBr (700-400 см^-1).Каждая из призм в другом интервале волновых чисел дает значительно меньшее разряжение.

Интенсивности двух световых потоков (основного и луча сравнения), прошедших через монохроматор, автоматически вычитаются одна из другой. Электрический импульс, образующийся при попадании результирующего светового потока на детектор типа термопары, усиливается и регистрируется самопишущим потенциометром.

ИК-спектр получают в любом агрегатном состоянии вещества: твердом, жидком, газообразном. Для снятия спектра анализируемый образец помещают в специальную кювету из галогеновой соли щелочного металла. Спектр можно снимать в различных температурных режимах и под давлением, толщина слоя исследуемого вещества может меняться в широком интервале – от 0,5 мм до 25 см. При получении ИК-спектра обычно используют органический растворитель, «прозрачный» в данной области спектра и не взаимодействующий с анализируемым веществом. Чаще всего используют сероуглерод или четыреххлористый углерод, растворители не должны содержать воду, этиловый спирт, диоксан и другие вещества, действующие на материал кювет (соли щелочных металлов галогеноводородных кислот).

ИК-спектр представляет собой график зависимости процента пропускания от длины волны (λ, мкм) или частоты (ν, см^-1) инфракрасного излучения. Картина (вид) ИК-спектра значительно отличается от картины УФ-спектра или спектра в видимой области. Если УФ-спектры вещества (или спектры в видимой области) представляют собой плавные кривые с 1-3 максимумами, то в ИК-спектре таких «максимумов» достаточно много. Их количество определяется поглощением ИК-излучения отдельными функциональными группами или колебаниями под действием этого излучения фрагментов скелета органического вещества. Положение каждого максимума (полосы, как его называют в ИК-спектрофотометрии) характеризуется интенсивностью (сильная, средняя, слабая), формой (очень широкая, широкая, узкая) и определенным положением в спектре (λ, мкм; ν, см^-1).