Химия · Аналитическая и физическая химия · 2 курс

Спектры: определение строения

Что за неизвестный белый порошок? Ответят УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектры

Ситуация

В лабораторию судебно-химической экспертизы принесли неизвестный белый порошок: это лекарственное вещество или что-то другое? Тот же вопрос встаёт и в Институте химии растительных веществ Академии наук Узбекистана каждый раз, когда из растения выделяют новое вещество: каково его строение? Молекулу глазом не увидишь. Химик снимает её УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектры: каждый спектр рассказывает о части молекулы, и все они должны сойтись, как кусочки пазла. Как собрать строение по пикам спектра?

Тема

Определение строения: УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектры. Судебно-химическая экспертиза и Институт химии растительных веществ АН РУз: поступил неизвестный белый порошок. Снимаем УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектры один за другим и, как головоломку, складываем строение…

Ключевые понятия

Характеристические частоты ИК
ЯМР: сдвиг и правило n + 1
Молекулярный ион и изотопы

Формулы

E = h ν = \frac{h c}{λ}, \tilde{ν} = \frac{1}{λ}

Энергия фотона: УФ и видимый свет возбуждают валентные электроны, ИК-излучение — колебания, а радиоволны в магнитном поле — спины ядер.

\tilde{ν} = \frac{1}{2 π c} \sqrt{\frac{k}{μ}}, μ = \frac{m_{1} m_{2}}{m_{1} + m_{2}}

Гармонический осциллятор: чем жёстче связь ( $k$ ) и чем легче атомы ( $μ$ ), тем выше частота валентного колебания.

δ = \frac{ν - ν_{TMS}}{ν_{0}} \cdot 10^{6} (м. д.), n \to n + 1 линий

Химический сдвиг (относительно ТМС), а $n$ эквивалентных соседних протонов расщепляют сигнал на $n + 1$ линий (интенсивность — по треугольнику Паскаля).

r = \frac{1}{B} \sqrt{\frac{2 m U}{z e}}

Радиус траектории иона, ускоренного напряжением $U$ , в магнитном анализаторе: ионы разделяются по $m / z$ .

Ω = C - \frac{H}{2} + \frac{N}{2} + 1

Степень непредельности Ω — число колец и двойных связей (галогены считаются как H); например, для $C_{6} H_{6}$ она равна 4.

Теория

Методы анализа и спектроскопия

Методы анализа делятся на химические (гравиметрия, титриметрия — на основе реакции), физико-химические (электрохимические, оптические, хроматографические) и физические (спектроскопия, ЯМР, масс-спектрометрия, рентген). В спектроскопии вещество поглощает или испускает электромагнитное излучение: гамма — ядерные процессы, рентген — внутренние электроны и кристаллическая структура, УФ и видимый свет — переходы валентных электронов, ИК — колебания атомов, микроволны — вращение молекул и ЭПР, радиоволны — спины ядер в магнитном поле (ЯМР). Во второй половине XX века эти приборы почти вытеснили классический химический анализ: строение определяют за несколько часов по нескольким миллиграммам вещества. Атомно-абсорбционный и атомно-эмиссионный методы, закон Бугера–Ламберта–Бера и количественная фотометрия — в эксперименте «Оптические методы анализа».

УФ- и видимые спектры

Электронные переходы: $σ \to σ^{*}$ (< 150 нм), $n \to σ^{*}$ (спирты, ≈ 180 нм), $π \to π^{*}$ (сильный, $ε$ ≈ 10⁴) и $n \to π^{*}$ (слабый, $ε$ < 100). Хромофоры — C=C, C=O, N=N, NO₂; ауксохромы — OH, NH₂, Cl: присоединяясь к хромофору, они сдвигают поглощение в длинноволновую область (батохромный сдвиг); сдвиг в коротковолновую область — гипсохромный. По мере удлинения сопряжения сдвиг батохромный: этилен 171 нм, 1,3-бутадиен 217 нм, 1,3,5-гексатриен 258 нм, β-каротин (11 связей C=C) ≈ 450 нм — он поглощает синий свет и выглядит оранжевым; производные ацетилена подчиняются той же закономерности. Когда фенол в щёлочи превращается в фенолят, полоса сдвигается в длинноволновую область, а когда анилин протонируется в кислоте (в группе NH₃⁺ не остаётся свободной электронной пары) — в коротковолновую. Полоса $n \to π^{*}$ ацетона в гексане лежит при 279 нм, в воде — при 264,5 нм: водородная связь стабилизирует n-электроны. Принцип Франка–Кондона: электронный переход (10⁻¹⁵ с) происходит гораздо быстрее смещения ядер — он «вертикален» между потенциальными кривыми, поэтому полоса имеет колебательную структуру. Возбуждённая молекула может отдать энергию в виде флуоресценции (S₁ → S₀, наносекунды) или фосфоресценции (T₁ → S₀, запрещена по спину — от миллисекунд до секунд). При комбинационном рассеянии (Раман) частота рассеянного света смещается на частоту колебания; симметричные колебания, не видимые в ИК, видны в спектре Рамана. Образец: разбавленный раствор ( $A$ ≈ 0,2–1), для волн короче 320 нм — кварцевая кювета; свет короче 190 нм поглощается воздухом (вакуумный УФ). Правила Вудворда–Физера и квантово-химические программы позволяют рассчитать $λ_{\max}$ и сравнить с опытом.

ИК-спектроскопия

Колебание поглощает ИК-излучение, только если меняет дипольный момент. Валентные колебания меняют длину связи, деформационные — углы; у групп CH₃, CH₂, NH₂ есть симметричный и асимметричный варианты (N–H анилина: 3433 и 3356 см⁻¹). В гармоническом осцилляторе разрешён лишь переход $Δ v = \pm 1$ ; реальная связь ангармонична (потенциал Морзе), поэтому есть и слабые обертоны — немного ниже 2ν (C=O ацетона: 1715 → ≈ 3420 см⁻¹). Характеристические частоты: O–H свободная 3600–3650, с водородной связью 3200–3550 (широкая), карбоновые кислоты 2500–3300 (очень широкая); N–H 3300–3500; C–H sp³ 2850–2960, sp² 3000–3100, альдегид 2720 и 2820; C≡N ≈ 2250; C=O: кетон ≈ 1715, сложный эфир ≈ 1735–1750, альдегид ≈ 1725 (ароматический ≈ 1700), кислота ≈ 1710, амид 1650–1690. Сопряжение снижает частоту C=O на 20–30 см⁻¹, напряжение цикла повышает (циклопентанон ≈ 1745). Ниже 1500 см⁻¹ — область «отпечатков пальцев», своя у каждого вещества. Водородные связи: в чистом спирте полоса O–H широкая и сдвинута к меньшим частотам; при разбавлении в CCl₄ межмолекулярные связи разрываются и появляется узкая полоса «свободной» O–H (3630); внутримолекулярная связь при разбавлении сохраняется. У спиртов с насыщенным кольцом (циклогексанол) колебания C–O конформеров с экваториальной и аксиальной группой OH поглощают на разных частотах. Образец: таблетка KBr, кристалл ATR или жидкая плёнка между пластинами NaCl (вода растворяет пластины!). Компьютерные программы (HyperChem, ChemOffice) рассчитывают нормальные колебания; гармонический расчёт обычно завышает частоты на несколько процентов, и его поправляют масштабным коэффициентом.

ЯМР и ЭПР

Ядра со спином $I = \frac{1}{2}$ (¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P) в магнитном поле расщепляются на два энергетических состояния; резонансная частота $ν = γ B_{0} / 2 π$ (для ¹H 42,58 МГц/Тл: при 9,4 Тл — 400 МГц). Электроны «экранируют» ядро от поля (экранирование): протон рядом с электроотрицательным атомом экранирован слабее и выходит при большем $δ$ . Типичные сдвиги: C–CH₃ 0,9–1,3; CH₃–C=O ≈ 2,1; O–CH₂ 3,4–4,2; алкен 4,5–6,5; ароматические 6,5–8,2; альдегид 9,5–10; карбоновая кислота 10–13 м. д. Интеграл пропорционален числу протонов. Спин-спиновое взаимодействие: $n$ эквивалентных соседних протонов расщепляют сигнал на $n + 1$ линий; эквивалентные протоны друг друга не расщепляют. Геминальная (на одном атоме углерода, ²J) и вицинальная (на соседних атомах углерода, ³J) константы; при свободном вращении ³J обычно 6–8 Гц, но она зависит от угла между двумя связями C–H (Карплус): у транс-алкенов 12–18, у цис- 6–12 Гц, в циклогексане аксиально-аксиальная 8–13, аксиально-экваториальная 2–5 Гц — так определяют пространственное строение молекулы. $J$ в Гц не зависит от поля, поэтому в сильном магните мультиплеты на шкале м. д. сужаются. Протоны OH и NH обмениваются — сигнал широкий, при добавлении D₂O исчезает. ¹³C ЯМР: природная доля 1,1 %, сдвиги 0–220 м. д.; при подавлении взаимодействия с протонами каждый углерод даёт одну линию, а в методе «off»-резонанса CH₃ — квартет, CH₂ — триплет, CH — дублет, C — синглет. Образец: 5–20 мг вещества в 0,6 мл дейтерированного растворителя (CDCl₃, DMSO-d₆), стандарт — ТМС. ChemOffice предсказывает сдвиги по инкрементам. ЭПР — резонанс неспаренного электрона (радикалы, комплексы Cu²⁺): $g$ ≈ 2,0023, в X-диапазоне ≈ 9,5 ГГц и ≈ 0,34 Тл; $n$ эквивалентных протонов расщепляют сверхтонкую структуру на $n + 1$ линий (CH₃• — 1 : 3 : 3 : 1). Физика явления — в эксперименте «Спин, эффект Зеемана и МРТ».

Масс-спектрометрия

Ионизация: электронный удар (EI, 70 эВ — молекулярный ион M⁺• и много осколков), химическая ионизация (мягкая, [M + H]⁺), электроспрей (ESI — многозарядные ионы белков [M + nH]ⁿ⁺, $m / z$ = (M + n)/n), MALDI. Анализаторы: магнитный секторный ( $r \propto \sqrt{m / z}$ ), квадрупольный, времяпролётный; детекторы: цилиндр Фарадея (собирает заряд, точно измеряет соотношения изотопов) и электронный умножитель (цепочка динодов, усиливает сигнал в миллион раз). Спектр — зависимость интенсивности от $m / z$ , самый высокий пик принимается за 100 %. M⁺• даёт молекулярную массу; у неорганических веществ определяют элементный и изотопный состав. Изотопные картины: каждый атом C добавляет к M + 1 около 1,1 %; Cl — M : (M + 2) ≈ 3 : 1, Br — ≈ 1 : 1. Азотное правило: нечётная M — нечётное число атомов азота. Фрагментация: α-разрыв (спирты → CH₂=OH⁺, $m / z$ 31; кетоны → ацилий CH₃CO⁺, $m / z$ 43), фенил C₆H₅⁺ ( $m / z$ 77), тропилий ( $m / z$ 91); ионы перегруппировки — перегруппировка Мак-Лафферти (γ-водород переносится, β-связь разрывается: 2-гексанон → $m / z$ 58); метастабильные ионы распадаются, не дойдя до анализатора, и дают широкий размытый пик при дробном значении $m^{*} = m_{2}^{2} / m_{1}$ . Физика разделения ионов — в эксперименте «Ускоритель заряженных частиц»; в сочетании с газовым хроматографом (ГХ–МС) — в эксперименте «Экстракция и хроматография».

Неизвестное вещество, лаборатория и безопасность

Стратегия: по МС — молекулярная масса, изотопы и азотное правило → формула; степень непредельности (кольца + двойные связи); ИК — функциональные группы (C=O, O–H, N–H, C≡N); ¹H ЯМР — типы протонов, их число и соседи; ¹³C — число и тип атомов углерода; УФ — сопряжение. Все данные должны соответствовать одному строению. В комплексных соединениях ИК показывает сдвиг лиганда при координации (например, C≡N, C=O), УФ-видимая область — d–d-переходы, ЭПР — Cu²⁺ (эксперимент «Комплексные соединения и лиганды»). Безопасность: поле магнита ЯМР постоянно — людям с кардиостимулятором приближаться нельзя, железные инструменты притягиваются к магниту; магнит охлаждают жидким гелием и азотом — опасны холодовые ожоги и снижение содержания кислорода в помещении; не смотрите на УФ-лампу; в масс-спектрометре высокое напряжение и вакуум; CDCl₃, CCl₄ — только в вытяжном шкафу. Модель: спектры синтезированы по положениям пиков из литературы (ширины полос, глубины ИК-полос и интенсивности фрагментов приближённые); ЯМР — в приближении первого порядка ( $n + 1$ ), ароматические мультиплеты упрощены; изотопные картины рассчитаны точно по распространённостям IUPAC; амплитуда колебаний увеличена примерно в 15 раз, а движение замедлено в миллионы миллионов раз; строение модели X раскрывается после правильного ответа.

Знаете ли вы?

Феликс Блох и Эдвард Парселл получили Нобелевскую премию по физике 1952 года за открытие ядерного магнитного резонанса; МРТ в больницах тоже основана на этом явлении.
Фрэнсис Астон получил Нобелевскую премию по химии 1922 года за открытие изотопов многих элементов с помощью созданного им масс-спектрографа.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Электрохимический анализ — 1 курс
Качественный анализ и гравиметрия — 2 курс
Титриметрический анализ — 2 курс
Оптические методы анализа — 2 курс
Экстракция и хроматография — 2 курс
Сплавы: диаграммы состояния — 2 курс
Химическая кинетика и уравнение Аррениуса — 2 курс
Катализ и ферменты — 2 курс
Коллоиды и адсорбция — 2 курс
Компьютерная химия и докинг — 2 курс