Wersja lektora: - Tekst do prezentacji Praktycznej Szkoły Modelowania II
Prezentacje w formie multimedialnej znajdziesz po zalogowaniu sie na stronach www.molnet.eu pod adresem
Spektroskopia w podczerwieni IR cz. 1, ABC IR oraz sztuka analizy widm
Agnieszka i Marek Doskocz
Slajd 2
Na samym początku zanim zaczniemy liczyć oraz analizować drgania cząsteczek pod kątem spektroskopii IR postaramy się kilka rzeczy powtórzyć. Całość wykładów poświeconych spektroskopii IR, składa się trzech osobnych wykładów
1. ABC IR oraz sztuka analizy widm
2. Przykłady widm do analizy oraz symulacji
3. Jak liczymy widma IR oraz Raman
Slajd 3
Spektroskopia w podczerwieni jest jedna z technik stosowanych do badania struktur związków oraz sposobu oddziaływań.
Technika ta jest rodzajem spektroskopii absorpcyjnej w którym uzyskuje się widma oscylacyjne, czasami w bliskiej podczerwieni, obserwuje się także przejścia rotacyjne. Na podstawie absorpcji można w łatwy sposób określić grupy funkcyjne występujące w danych związkach. Robiąc eksperyment IR w różnych warunkach i obserwując zmianę przesunięcie wybranych pasm na widmach IR można analizować wiązania wodorowe. Nawet zostały zaczerpnięte pewne terminy do charakterystyki wiązania wodorowego: Blue shift, red shift Komplementarną do spektroskopii IR jest spektroskopia Ramana.
Spektroskopie IR można podzielić na trzy rodzaje ze względu na długość fali
daleka, średnia i bliska, na slajdzie można zobaczyć dodatkowe informacje.
(poprzednia wersja:
w podstawowej technice IR (średnia podczerwień MIR) stosuje się fale o zakresie około 4000-200cm-1,
w dalekiej spektroskopii w podczerwieni FIR stosuje zakres około 700-30 cm-1
a tak zwana spektroskopia NIR czyli w bliskiej podczerwieni zakres około 13000-4000cm-1)
Slajd 4
Idea pomiaru.
Pomiar polega na przepuszczeniu promieniowania elektromagnetyczne z zakresu IR przez próbkę badanej substancji. Częstotliwość IR jest zbliżoną do częstotliwości drgań cząsteczek. Przechodząc przez próbkę promieniowanie ulega selektywnemu pochłonięciu - absoprcji przez cząsteczki, które w tym momencie zwiększają amplitudę odpowiednich drgań w swojej strukturze.
Absorpcji promieniowania IR towarzyszą zmiany energii oscylacyjnej cząsteczek. Ponieważ energia jest kwantowana, tylko promieniowanie o pewnych określonych energiach charakterystycznych dla grup funkcyjnych wykonujących drgania jest pochłaniane. To dzięki temu możemy przypisać jaki typ drgania odpowiada sygnałowi na widmie IR.
W technice IR dominują pasma związane z tonami podstawowymi drgań cząsteczek. Możliwe jest rejestrowanie nadtonów, a także tonów kombinacyjnych i różnicowych -jednoczesnych przejść w dwóch lub więcej oscylatorach. Te dodatkowe tony są znacznie słabsze.
Slajd 5
Przedstawiona idea pomiaru jest bardzo prosta. Próbki przez które przechodzi promieniowanie IR mogą być przygotowane jako ciała stałe (pastyki z KCl), lub jako ciecze (np: czterochlorek węgla).
W dzisiejszych czasach stosuje się metodę polegającą na przemiataniu próbki wiązką promieniowania, w której znajdują się wszystkie długości fali z zakresu IR. Po przejściu tej wiązki przez próbkę interferuje się ją z wiązką z tego samego źródła, która nie przeszła przez próbkę (przeszła przez wzorzec), oraz dokonuje się rejestracji. Widmo uzyskuję się stosując transformację Fouriera zarejestrowanego widma interferencyjnego. Jest to metoda szybka i dokładna, nosi nazwę skrótową FTIR (ang. Fourier Transform Infrared Spectroscopy).
Slajd 6
Poznaliśmy na czym polega idea rejestracji widm IR. Szczegóły dotyczące matematycznego opisu zjawisk można znaleźć w podręcznikach spektroskopowych. My teraz skupimy się na interpretacji widm.
Grupy funkcyjne związków organicznych charakteryzują się ściśle określonym zakresem absorpcji promieniowania podczerwonego. Częstotliwość, przy której dana grupa funkcyjna absorbuje promieniowanie IR nazywa się częstotliwością grupową, a takie drganie grupy funkcyjnej drganiem charakterystycznym. Każdy związek chemiczny posiada różną strukturę, różne grupy, dlatego widma IR będą niepowtarzalne.
Slajd 7
Na tym slajdzie widzimy przykład typowego widma IR wykonanego dla wybranego związku.
Wykonane widmo IR jest wykresem transmitancji próbki od częstotliwości przepuszczanych fal.
Slajd 8
Na widmie wyróżniamy dwa fragmenty: -obszar charakterystyczny dla grup funkcyjnych 3700-1500 cm-1 - obszar charakterystyczny dla związku, tak zwany daktyloskopowy (ang. fingerprint region) 1300-700cm-1
Więcej informacji można uzyskać po kliknięciu na określony region.
Slajd 9
Zanim przejdziemy do interpretacji widm zapoznajmy się z notacją poszczególnych drgań, to ułatwia opis widm oraz czyni analizę bardziej klarowną
Do opisu drgań stosujemy odpowiednie symbole z liter greckich, Drgania możemy sklasyfikować jako
- drgania rozciągające (in.walencyjne, ang. stretching) oznaczamy jako: n - drgania zginające (in.deformacyjne, ang. bending) oznaczamy jako: d, g, r, w, t
d - nożycowe (ang. scisoring) g - deformujące poza płaszczyzną r - wachadłowe (ang. rocking) w - wachlarzowe (ang. wagging) t - skręcające (ang. twisting)
Przy drganiach zginających proszę najechać na biały kwadrat w celu uzyskania większej ilości informacji
Drgania można podzielić na: - drgania w płaszczyźnie (ang. in plane) - drgania ponad płaszczyzną (ang. out of plane) + symetryczne (s) + asymetryczne (as) Ze względu na intensywność rozróżniamy drgania: - słabe (ang. weak) - w - średnie (ang. medium) - m - silne (ang. strong) – s
Slajd 10
Mamy już za sobą informacje jakie symbole używamy do opisu drgań, teraz sprawdzimy to na przykładzie grupy CH2. Proszę najechać myszką na poszczególne rysunki grypy CH2 aby zobaczyć animacje przedstawiającą rodzaj drgania, opis drgania znajduje się poniżej rysynku.
Główny przykład notacji drgania znajduje się na środku ekranu, przy opisie drgania staramy się podać rodzaj drgania, rodzaj grupy oraz częstotliwość absorbowanej fali.
Slajd 11
Zobaczyliśmy już drgania grupy CH2, teraz zobaczmy drgania cząsteczki wody
Slajd 12
Sygnałom na widmie przypisujemy odpowiednie drgania cząsteczki. Interpretację widma możemy rozpocząć poprzez analizę jego poszczególnych fragmentów widma. Szukamy w określonych rejonach czy nie występują sygnały, przeważnie na początku skupiamy się na silnych sygnałach, następnie analizujemy pozostałe.
Proszę przejechać kursorem myszy po poszczególnych fragmentach widma zaznaczonymi różnymi kolorami, oraz stwierdzić jakie mogą być grupy na przedstawionym widmie.
Slajd 13
Do analizy wybierzmy aldehyd mrówkowy aby nauczyć się interpretować widma. Posłużmy się widmem teoretycznym które nieznacznie odbiega od widma eksperymentalnego.
Skorzystajmy z pomocy znajdującej się w prawym górnym rogu, znajdują tam się opisy charakterystycznych rejonów. Znajdźmy jakie drgania mogą odnosić się do sześciu sygnałów obecnych na widmie IR.
Bo z interpretowaniu ich i zapisaniu wyników na kartce, przejdźmy do następnego slajdu
Slajd 14
Proszę kliknąć na odpowiedni sygnał na widmie IR, aby poznać rozwiązanie i opis drgania. Mam nadzieje że wyniki własne zgadzają się z wynikami naszymi.
Przy okazji poznaliśmy, że obliczenia teoretyczne mogą pomóc w interpretacji widm IR
Slajd 15
Jeszcze jeden przykład, widma oktanu i pentanu. W tym wypadku chcemy pokazać że poszczególne pasma występują prawie w tych samych miejscach, różnią się jedynie nieznacznie, przeważnie intensywnością. Dlatego spektroskopie IR nie można traktować jako jedyne źródło informacji o strukturze związków, należy swoje badania skorelować z innymi analizami np.: widm NMR,
Slajd 16
Podsumowując w tym rozdziale przypomnieliśmy sobie:
- na czym polega spektroskopia IR (MIR, FIT, NIR)
- w jaki sposób rejestrujemy widma
- jak opisujemy poszczególne drgania
- nauczyliśmy się - interpretacji widm IR
- używanie poprawnej notyfikacji przy opisie widm IR
Wszelkie dodatkowe informacje będą dostępne prawdopodobnie w drugim tomie książki, lub można je znaleźć w literaturze specjalistycznej.
Serdecznie dziękujemy za ukończenie wykładu,
Mam nadziej, że nasz wysiłek w przygotowaniu materiału spodobał się Państwu.
Slajd 17
Koniec
Informacje Praktyczna Szkoła Modelowania jest przeprowadzana dzięki współpracy portalu molnet.eu z I Interdyscyplinarnym Centrum Modelowania Matematycznego i Komputerowego ICM w Warszawie Prezentację tą przygotowali Agnieszka Joanna Doskocz, Marek Doskocz, Wykorzystane widma IR w prezentacji pochodzą: alaniny - wikipedia, pirolo-2-karboksylanu metylu - od p. dr. Aliny Dubis, oktanu, pentanu, oraz jednego związku - slajd 12 z bazy SDBSWeb : http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/ (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, date of access). Symulacja widma została wykonana programem Gaussian 03 w ICM. Pasma charakterystycznych drgań grup funkcyjnych zostały opisane na podstawie literatury: W. Zieliński, A. Rajca „Metody spektroskopowe i ich zastosowanie do identyfikacji związków organicznych” WNT Warszawa 2001, oraz R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle „Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych” PWN Warszawa 2007. Technologia Flash CS4 firmy Adobe użyta do tworzenia ninijeszej prezentacji została wykorzystana dzięki współpracy z firmą ADSOL. prezentacja edukacyjna dostępna na portalu molnet.eu wszelkie prawa zastrzeżone kopiowanie rozpowszechnianie jedynie za wyraźną zgodą autorów.
