INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIE Patrik Kania
1
Úvod
Infračervená spektroskopie patří do skupiny nedestruktivních analytických metod, kdy zkoumaný vzorek není analýzou nikterak poškozen, a přesto poskytuje informaci o svém složení. Získané hodnoty vibračních energií souvisí s pevností chemických vazeb a také s molekulovou geometrií a hmotnostmi jader, tedy s molekulovou strukturou. Tyto skutečnosti předurčují infračervenou spektroskopii jako vynikající experimentální techniku, která vedle kvantitativní a kvalitativní analýzy hraje důležitou roli při výzkumu molekulové dynamiky, chemických vlastností molekul, vlivu prostředí na studované molekuly a mnoho jiných oblastí. Přestože infračervená spektroskopie je využívána při analýze makroskopických vzorků, její podstatou je interakce mikročástic (molekul) tvořících tento makroskopický vzorek s infračerveným zářením. Pro korektní teoretický rozbor infračervené spektroskopie je tedy nutné použít pouze kvantově-mechanický přístup. Přesto je velmi častým zvykem pro přiblížení některých abstraktních pojmů v kvantové mechanice používání názorných představ a modelů klasické fyziky. I v těchto návodech bude vzhledem k jejich rozsahu a předchozím znalostem studentů tento přístup používán.
2
Teoretické základy
Podstatou infračervené spektroskopie je interakce infračerveného záření se studovanou hmotou, kdy v případě pohlcení fotonu studovanou hmotou mluvíme o absorpční infračervené spektroskopii a v případě vyzáření fotonu o emisní infračervené spektroskopii. Infračerveným zářením rozumíme elektromagnetické záření v rozsahu vlnočtů (nejpoužívanější jednotkou v infračervené spektroskopii je vlnočet, který je svázán s vlnovou délkou vztahem v% = 1/ λ a s frekvencí v% = ν / c ) 12 500 až 20 cm-1 a vlnových délek 800 nm až 0,5 mm.♣ Infračervené záření tedy navazuje na záření viditelné na jedné straně a na záření mikrovlnné na straně druhé. Podle vžité konvence infračervenou spektroskopii z praktických důvodů dělíme podle vlnových délek záření na dalekou (FIR z angl. far infrared), střední (MIR z angl. middle infrared) a blízkou (NIR z angl. near infrared)(obr. 1). Pro identifikaci a určování chemické struktury má největší význam střední infračervená oblast (4000-200 cm-1).
♣
Uvedený rozsah je nutno brát s určitou rezervou, neboť neexistují přesné hranice pro vymezení infračerveného záření v elektromagnetickém spektru. Byly zvoleny jakési definiční meze, které se občas v různých literárních pramenech nepatrně různí.
-1-
Obr. 1 Elektromagnetické spektrum
Energie fotonů infračerveného záření (1-60 kJ/mol) nepostačuje pro excitaci elektronů v molekulových orbitalech, ale je dostatečná ke změně vibračního stavu (z klasického pohledu ke zvětšení amplitudy vibrace molekuly) či rotačního stavu molekuly (ke zrychlení rotace molekuly). Uvědomíme-li si, že molekuly jsou tvořeny atomy, které nejsou spojeny rigidními vazbami, ale tyto vazby vykazují určitou pružnost, máme před sebou systém atomů, které mohou různými způsoby vibrovat. Vibrační pohyb si z pohledu klasické fyziky můžeme představit jako periodickou změnu mezijaderné vzdálenosti mezi atomy. Obecně má n atomová molekula 3n stupňů volnosti; tři jsou určeny pro translační pohyb těžiště molekuly ve směru os x, y a z a tři jsou určeny pro popis jejího rotačního pohybu (či dva v případě lineární molekuly, kde dva rotační momenty ve směru os x, y a z jsou totožné). Číslo 3n−6 (3n−5 v případě lineární molekuly) tedy zbývá na tzv. vibrační stupně volnosti nebo-li vibrační pohyby molekuly. V případě dvouatomové molekuly je zde jediný vibrační stupeň volnosti připadající na natahování vazby mezi oběma atomy. Nejjednodušší popis takového pohybu je pomocí okamžité r (proměnná) a rovnovážné re (konstanta, molekulový geometrický parametr) délky vazby
q = r − re
(1)
kde q představuje vibrační souřadnici, kterou je možné popisovat valenční vibraci v této dvouatomové molekule. V případě polyatomových molekul je vibrační souřadnice lineární kombinace výchylek jednotlivých atomů, ze kterých se studovaná molekula skládá. Pomocí těchto vibračních souřadnic lze vyjadřovat energii spojenou s vibračním pohybem. Z pohledu klasické fyziky existují dva rozdílné energetické příspěvky k celkové vibrační energii molekuly, kinetická energie spojená s pohybem atomů a potenciální energie spojená se stlačováním a natahováním vazby. Jak molekula vykonává vibrační pohyb, je energie přenášena mezi kinetickou a potenciální formou. Potenciální energie se tedy mění v závislosti na velikosti vibrační souřadnice q a grafickým vyjádřením této závislosti je tzv. křivka potenciální energie (obr.2).
-2-
Obr. 2 Vibrační potenciální energie V jako funkce (a) délky vazby (b) vibrační souřadnice
Vibrační potenciálová křivka nám říká, jak se kinetická energie elektronů♣ spolu s příspěvkem elektrostatické energie (repulze a atrakce) nabitých částic v molekule mění v závislosti na mezijaderné vzdálenosti r. Tvar potenciálové křivky zobrazuje, že při malých mezijaderných vzdálenostech molekulová energie rapidně roste kvůli silné repulzi mezi nabitými částicemi, a naopak při extrémně velkých vzdálenostech dochází k roztrhnutí vazby. V tomto limitním případě nabývá potenciální energie konstantní hodnoty odpovídající jednoduše součtu energií dvou nezávislých atomů – proces je označován jako disociace vazby a jí přísluší disociační energie De. Vibrační pohyby většiny dvouatomových molekul se realizují v blízkosti minima potenciálové křivky (malé hodnoty q) a velice dobrý popis potenciální energie tak může být získán z Taylorova polynomu kolem hodnoty q = 0
V (q) = V0 + (
∂V 1 ∂ 2V )0 q + ( 2 )0 q 2 + .......... ∂q 2 ∂q
(2)
Pro jednoduchost si jako počáteční podmínku můžeme zvolit V = 0 pro r = re, tím eliminujeme první člen na pravé straně rovnice. Dále v bodě r = re, kde q = 0 má potenciální ∂V energie minimum a tudíž člen ( )0 musí být nulový. Při zanedbání vyšších řádů polynomu, ∂q jejichž příspěvek je malý, je základní člen v Taylorově expanzi člen kvadratický
1 ∂ 2V V (q) ≈ ( 2 )0 q 2 2 ∂q
(3)
Vztah (3) je analogem Hookova zákona z klasické fyziky, který je v souladu s klasickou představou oscilujících jader. V tom případě člen ( ♣
∂ 2V )0 představuje silovou konstantu k ∂q 2
Samozřejmě i atomová jádra se pohybují a přísluší jim tedy jistá kinetická energie, ale jejich rychlost je ve srovnání s elektrony o 3 až 4 řády nižší. Tedy během jedné jediné vibrace jader, dojde k několika tisícům periodických pohybů elektronů. Díky této rozdílnosti jsme schopni při kvantových výpočtech separovat tento pohyb jader a řešit pouze elektronovou část.
-3-
nebo-li tuhost vazby mezi atomy a potenciální energie V nabývá tvaru paraboly. Pokud křivka potenciální energie vibrující molekuly může být aproximována parabolou, mluvíme o vibračním pohybu jako o harmonickém oscilátoru. Výraz (3), reprezentující potenciálovou energii vibrující dvouatomové molekuly, využijeme v následující kapitole.
2.1 Energie harmonického oscilátoru z pohledu klasické fyziky Celková energie oscilátoru je dána součtem kinetické a potenciální energie
Ecelková = T + V ,
(4)
kde kinetickou energii lze vyjádřit jako
T=
1 1 m1v12 + m2 v22 2 2
(5)
kde v1 a v2 jsou okamžité rychlosti obou částic tvořících oscilátor (obr.3) a m1 a m2 jejich příslušné hmotnosti.
Obr. 3 Dvouatomová molekula jako harmonický oscilátor. Těžiště je označeno x.
Při využití podmínky umístění těžiště molekuly m1r1 = m2 r2 nebo-li m1q1 = m2 q2 a vztahu mezi dílčími výchylkami atomů a celkovou výchylkou q, jež jsme si již ve vztahu (1) označili jako vibrační souřadnici q = q1 + q2 dostáváme zjednodušený vztah výrazu (5) 1 1 1 1 m1v12 + m2 v22 = [ m1m2 /(m1 + m2 )] q& 2 = µ q& 2 , 2 2 2 2
(6)
kde symbol q& značí derivaci vibrační souřadnice podle času, tedy rychlost vibrace, a červeně vyznačená část představuje redukovanou hmotnost původního systému µ a jejím zavedením jsme dvoučásticový systém zredukovali na jednočásticový se středem v těžišti. Protože víme, jak transformovat hybnost představující míru setrvačnosti tělesa na kvantově mechanický operátor, zatímco rychlost ne, zavedeme do výrazu (6) hybnost vibračního pohybu. Tato úprava nám umožní převod do kvantově-mechanického systému
T=
1 p2 2 µ
kde µ q& = p
Výraz pro celkovou energii dvouatomové molekuly je součtem výrazů (7) a (3) -4-
(7)
Ecelková =
1 p2 1 2 + kq 2 µ 2
(8)
Cílem odvozování těchto vztahů bylo zredukování původně dvoučásticového problému na jednočásticový∗, a tím i snížení počtu vibračních souřadnic ze dvou na jednu, což je mnohem jednodušší pro kvantově mechanické řešení, jehož nástin bude uveden v následujícím odstavci.
2.2 Energie harmonického oscilátoru z pohledu kvantové fyziky Nyní se již můžeme přenést od výrazu pro celkovou energii vibrace molekuly z klasické fyziky do kvantové fyziky, která se zabývá studiem mikročástic. Můžeme tedy napsat Hamiltonův operátor, nebo-li operátor celkové vibrační energie molekuly, který reprezentuje vibrační pohyb harmonického oscilátoru. Použitím výrazu (8) a vztahů (9) pro transformaci měřitelných veličin z klasické fyziky v podobě vibrační souřadnice q a momentu hybnosti p na kvantově-mechanické operátory q→q p → p = - ih
∂ ∂q
(9)
získáme Hamiltonův operátor
H vib
∂2 1 2 = −(h / 2µ ) 2 + kq ∂q 2 2
(10)
Ve vztazích (8) a (9) představuje symbol h tzv. redukovanou Planckovu konstantu, jež se získá dělením Planckovy konstanty♠ h číslem 2π. Pokud označíme obecnou vlnovou funkci, která popisuje chování vibrující molekuly v mikrosvětě molekul jako ψ v (q ) , jež je funkcí vibrační souřadnice, dostáváme Schrödingerovu rovnici
−( h 2 / 2 µ )
∂ 2ψ v 1 2 + kq ψ v = Evψ v ∂q 2 2
∗
(11)
Redukovaný jednočásticový systém si lze představit jako vibrační pohyb částice o redukované hmotnosti µ proti fixovanému bodu, např. stěně. ♠ Planckova konstanta h je jednou ze základních fyzikálních konstant. Vystupuje v důležitém vztahu E = hν mezi energií E a frekvencí ν . Byla zavedena Maxem Planckem v jeho teorii o energetickém kvantování oscilátorů, jež předpokládá, že emise a absorpce zářivé energie nemůže probíhat plynule, nýbrž po určitých energetických kvantech. Planckova konstanta představuje právě toto energetické, dále již nedělitelné kvantum s hodnotou h = 6,626 176.10-34 J·s
-5-
Řešením této diferenciální rovnice druhého řádu dostáváme jednak vlnové funkce popisující vibrování molekuly v různých kvantových vibračních stavech a rovněž, pro analytického chemika daleko potřebnější, energie jednotlivých vibračních stavů ve tvaru: 1 Evib = (v + )hν , 2
(12)
kde v je vibrační kvantové číslo, které může nabývat pouze hodnot 0, 1, 2, 3…. a ν je frekvence vibrující molekuly vyjádřená v hertzích, jež jednoduše plyne z řešení Hookova zákona a nabývá výrazu: 1 ν= (k / µ )1/ 2 (13) 2π Pozorný čtenář si jistě všimnul, že energie vibrující molekuly nemůže nabývat jakékoliv hodnoty, ale že je kvantována (obr.4), což vyplývá z řešení Schrödingerovy rovnice (11). Rovněž si jistě povšimnul důsledků plynoucí z rovnice (13), kde v případě těžkých atomů je frekvence či energie vibrujícího systému nižší. Menší energii vibrace (frekvenci vibrace) lze rovněž očekávat u vazeb s menší silovou konstantou k (s menší pevností vazby), tedy v případě jednoduchých vazeb oproti vazbám násobným.
Obr. 4 Znázornění energetických hladin a vibračních přechodů harmonického oscilátoru (a) černá – fundamentální přechod (b) modrá – horký přechod (c) červená – svrchní přechod
2.3 Výběrová pravidla vibračních přechodů Při měření studovaných látek pomocí infračervené spektroskopie jde vlastně o určování frekvencí (vlnočtů), při kterých dochází k absorpci či emisi záření, tedy ke změně vibračního stavu v rámci téhož elektronového stavu, např. z vibrační hladiny s v = 0 na hladinu s v = 1 (obr.4). Této změně vibračního stavu říkáme vibrační přechod a pravděpodobnost, zda se -6-
uskuteční takovýto přechod, závisí na tzv. maticovém elementu tranzitního momentu přechodu. Ve většině případů lze tranzitní moment s vysokou přesností aproximovat elektrickým dipólem molekuly∗. Vztah pro výpočet maticového elementu tranzitního dipólového momentu je integrál ze součinu vlnové funkce dolního a horního vibračního stavu a dipólového momentu. Jelikož je velká většina molekul při pokojové teplotě v základním vibračním stavu v = 0, jsou nejsilnější vibrační pásy realizovány přechody z hladiny v = 0 na v = 1 - tzv. fundamentální pásy. Pozorování vibračních přechodů z vyšších vibračních hladin, např. z v = 1 do v = 2 je možné dosáhnout zvýšením populace těchto vyšších vibračních hladin, jež se řídí Boltzmannovým distribučním zákonem:
N1 = exp(-∆E / kT ) N0
(14)
kde N1 a N0 je počet molekul na vibračních hladinách s kvantovým číslem v = 1 a v = 0, ∆E je rozdíl energií obou vibračních hladin, T je termodynamická teplota [K] a k je Boltzmannova konstanta. Vztah (14) lze upravit na tvar: N1 = exp(-1, 44 ⋅ ∆E / T ) , N0
(15)
kde ∆E je rozdíl energií obou vibračních hladin v cm-1 – vlnočet přechodu. Např. pro molekulu absorbující záření při fundamentálním přechodu o vlnočtu 1000 cm-1 je při teplotě 20 oC (293 K) poměr N1/N0 = 0,01, tzn. necelé jedno procento molekul je v excitovaném stavu o v = 1. Obsazení vyšších vibračních hladin roste jednak s klesajícím vlnočtem (při 200 cm-1 a teplotě 20 oC obsadí téměř 40% molekul hladinu o v = 1) a jednak s rostoucí teplotou vzorku. Odtud jejich pojmenování – horké pásy (v angl. hot bands) (obr. 4). Vibrační přechody se změnou vibračního kvantového čísla ∆v > 1 nazýváme svrchní přechody či vyšší harmonické (angl. overtone transition). Pozorní čtenáři si jistě opět povšimnuli, že frekvence ν nebo vlnočet ν% horkého přechodu má stejnou hodnotu jako pro přechod fundamentální. Je tomu z důvodu ekvidistantně rozložených energetických hladin v harmonickém oscilátoru (obr. 4). U reálných molekul tomu tak, jak uvidíme v následující podkapitole, není.
∗
Dipólový moment µ je vektorová veličina popisující rozdělení elektrického náboje v molekule. V nejjednodušším případě, kdy dipól je tvořen dvěma náboji s opačným znaménkem q+ a q- jež jsou umístěny ve r r vzájemné vzdálenosti r, je dán výrazem µ = qr . Dipólový moment je tedy funkcí prostorové souřadnice r.
-7-
2.4 Anharmonický oscilátor Model harmonického oscilátoru je pouze hrubým přiblížením klasické fyziky pro vibrační pohyb reálné dvouatomové molekuly. Tento model však nerespektuje silnou repulzi mezi nabitými částicemi při malých mezijaderných vzdálenostech (rapidní růst molekulové energie) a rovněž možnost roztrhnutí vazby. Křivka potenciální energie reálné molekuly tedy není parabolou (obr. 2). Tvar takovéto křivky se nejčastěji získává rozvojem v řadu. Přijatelným řešením je však i analytický výraz v podobě Morseho potenciálové funkce, jejíž tvar je na obr. 2 s následujícím matematický předpisem: V (q ) = De 1- e- β q
2
(16)
Tato funkce respektuje možnost přetržení vazby, kdy pro q → ∞ nabývá V konstantní hodnoty rovné disociační energii De. Parametr β je charakteristickou konstantou každé molekuly související s tvarem potenciálové křivky. Opět pro malé vibrační výchylky je možné předchozí vztah upravit (podle analogie pro výraz exp(-x), který je roven 1-x, pokud x nabývá malých hodnot) V (q ) ≈ De β 2 q 2
(17)
Energetické hladiny molekuly, která se chová jako anharmonický oscilátor se získají opět řešením Schrödingerovy rovnice (11), kde je třeba pouze nahradit původní harmonický potenciál anharmonickou formou. Energetické hladiny anharmonického oscilátoru, někdy nazývaného Morseho oscilátoru jsou dány výrazem: 1 1 Evib ,anharmon = hν (v + ) − hν xe (v + ) 2 , 2 2
(18)
kde xe je tzv. konstanta anharmonicity, jejíž hodnota pro jednoduché vazby leží obvykle v mezích 0,01 až 0,05. Tento model vystihuje skutečnost, že diference mezi sousedními energetickými hladinami nejsou konstantní, ale s rostoucím vibračním kvantovým číslem se zmenšují až k disociačnímu limitu, u kterého tvoří vibrační hladiny energetické kontinuum. U anharmonického oscilátoru jsou tak horké přechody posunuty oproti přechodům fundamentálním směrem k nižším energiím (nižším vlnočtům).
2.5
Vibrační spektra polyatomových molekul
Vibrační problém polyatomových molekul lze pojímat v prvním přiblížení jako problém 3n−6 (v případě lineárních molekul 3n−5) nezávislých harmonických oscilátorů. V případě polyatomových molekul je fyzika problému mnohem složitější než pro dvojatomové molekuly. Na určitá jádra působí síly z více směrů, některá jádra se účastní více vazeb a obecně vzato, každé jádro může působit na všechna ostatní. Přímočaré fyzikální zpracování
-8-
vede k úloze spřažených oscilátorů, kterou kvantová mechanika neumí řešit ani v harmonické aproximaci. Teorie vibračních spekter polyatomových molekul se tedy snaží vhodnou lineární transformací vytvořit nový soubor souřadnic, které dovolují problém řešit v první aproximaci jako soubor nezávislých oscilátorů. Tento koncept přístupu k popisu vibračních spekter je znám po názvem teorie normálních vibrací. Tento přístup popisuje dobře pro většinu stabilních molekul nejnižší vibrační stavy a je proto optimální pro běžné teoretické studie, kdy se obvykle měří spektroskopické přechody mezi nejnižšími vibračními stavy (nejčastěji fundamentálními). Naproti tomu jiná aproximace, známá pod názvem teorie lokálních modů, popisuje velmi dobře některé rysy vyšších vibračních stavů, kde teorie normálních vibrací selhává. Míra absorpce infračerveného záření je podobně jako u dvouatomové molekuly určena derivací dipólového momentu molekuly podle vibrační souřadnice. U symetrických molekul se proto může stát, že některá vibrace není v IČ spektru aktivní, tj. neprojeví se ve spektru odpovídajícím absorpčním pásem. Molekula sama o sobě ale permanentní dipól mít nemusí, je třeba pouze jeho změna při změně vibračního stavu. Podobně jako u dvouatomové molekuly se mohou v polyatomové molekule objevit horké přechody a svrchní přechody. Navíc se může současně změnit vibrační kvantové číslo hned několika vibračních módu. Takové přechody se nazývají přechody kombinační a jim odpovídající vlnočet je přibližně roven součtu vlnočtů přechodů jednotlivých vibrací, které jsou při něm excitovány. Amplitudy výchylek jednotlivých atomů molekuly jsou pro jednotlivé vibrace různé, často můžeme vibrační pohyb molekuly při vibraci lokalizovat na určitou funkční skupinu nebo vazbu. Takové vibrace skupiny nebo vazby jsou pak ovlivňovány pouze v malé míře ostatními atomy v molekule. Proto se poloha absorpčních pásů a jejich intenzita, kterými se funkční skupina (resp. vazba, část skeletu molekuly) projeví v infračerveném spektru, příliš neliší podle toho, je-li tato funkční skupina vázána v různých molekulách. Tato skutečnost umožnila na základě empirických zkušeností sestavit tabulky vlnočtů charakteristických vibrací důležitých skupin a vazeb. Tyto tabulky se používají pro identifikační účely.
2.6 Typy vibrací Pokud se na vibrující molekulu nedíváme z kvantově-mechanické pohledu (popis pomocí vlnové funkce), ale z pohledu klasické fyziky (popis pomocí jader vibrujících kolem rovnovážných poloh), můžeme vibrace popisovat jako změny délek či úhlů vazeb. Mění-li se při vibraci především délka vazby, hovoříme o vibraci valenční, která se dále ještě klasifikuje jako symetrická a antisymetrická. Při změně úhlů se jedná o vibraci deformační, které dále dělíme na rovinné a mimorovinné (pokud atom vibruje mimo rovinu ostatních atomů). Pojmenování jednotlivých druhů deformačních vibrací bylo zvoleno podle způsobu prováděného vibračního pohybu z pohledu klasické fyziky. Rozeznáváme tedy rovinné
-9-
deformační vibrace – nůžkové a kyvadlové a mimorovinné deformační vibrace – vějířové a kroutivé.
Obr. 5 Znázornění některých vibračních pohybů molekuly z pohledu klasické fyziky Frekvence valenčních vibrací jsou vždy vyšší než frekvence odpovídajících deformačních vibrací dané funkční skupiny, což souvisí se skutečností, že na natáhnutí vazby je třeba více energie než na její ohnutí.
-10-
3
Měřené závislosti
Při interakci infračerveného záření s molekulou bude absorbováno či emitováno pouze záření, jehož energie bude odpovídat rozdílu mezi jednotlivými vibračními hladinami příslušného oscilátoru. Pokud aktuální frekvence zdroje odpovídá určitému energetickému rozdílu hladin, dojde k absorpci a v infračerveném spektru se objeví absorpční pás. Infračervený spektrometr tak umožňuje měřit optické vlastnosti vzorků v závislosti na vlnočtu (případně vlnové délce nebo frekvenci). Infračervené spektrum látky představuje závislost propustnosti (transmitance) T, absorbance A, příp. reflektance R na vlnočtu (cm-1) či na vlnové délce (λ, µm). T=
Φ Φ0
A = log
Φ0 Φ
R=
Φ odraž , Φ0
(19)
kde Φ 0 , Φ a Φ odraž představují tok záření před a za kyvetou a tok záření odražený vzorkem. Oblasti absorpcí označujeme jako absorpční pásy, které obvykle charakterizujeme polohou (vlnočtem) maxima resp. minima (při výnosu v T proti vlnočtu) a relativní intenzitou (obr. 6). Použití transmitanční škály je vhodné pro kvalitativní interpretaci spekter, neboť jsou dobře patrné i slabé pásy, zatímco absorbanční škálu je nutno použít při vyhodnocování kvantity.
Obr. 6 Infračervené spektrum polystyrenu Chemik se často spokojuje s kvalitativní analýzou spektra a hledá odpověď na otázku, které funkční skupiny jsou v molekule zkoumané látky obsaženy či o jakou sloučeninu se jedná. Tuto úlohu má usnadněnou znalostí původu vzorku či jeho dalších vlastností. -11-
(Infračervená spektrometrie má neméně důležitou úlohu v kvantitativní analýze, ta však není předmětem této úlohy.) Infračervené spektrum má z hlediska kvalitativní analýzy látek dvě významné vlastnosti: 1. Ve svých detailech je charakteristické pro jednotlivé látky natolik, že prakticky neexistují dvě sloučeniny, které by měly zcela shodné IČ-spektrum. Pomocí IČ-spektra můžeme identifikovat danou látku při využití knihoven spekter. 2. Na druhé straně se jednotlivé funkční skupiny projevují ve spektru podobně, a tak lze rozborem infračerveného spektra zjistit přítomnost jistých funkčních skupin v molekule a též vyloučit výskyt jiných funkčních skupin. Pro identifikaci funkčních skupin v molekule jsou zapotřebí tabulky vlnočtů charakteristických vibrací (např. tab. I – v příloze). V tabulkách jsou pro každou funkční skupinu na základě empirické zkušenosti uvedeny intervaly vlnočtů, ve kterých se daná funkční skupina musí projevit absorpcí, a dále též relativní intenzita příslušného absorpčního pásu. Šířka intervalu vlnočtů je závislá na ovlivnění vibrace dané funkční skupiny zbytkem molekuly. Některé skupiny jsou charakterizovány několika absorpčními pásy, jiné pásem jediným. Má-li být daná funkční skupina v molekule prokázána, musí být nalezeny všechny absorpční pásy, které ji charakterizují, a měly by korespondovat i intenzity jednotlivých absorpčních pásů (v případě intenzit je nutno respektovat poměr intenzit, jejich absolutní hodnota je totiž závislá na zastoupení skupin v molekule). Naopak z nepřítomnosti pásů v určitých oblastech lze přítomnost některých funkčních skupin nebo vazeb vyloučit. Při měření na infračerveném spektrometru můžeme kvalitu spektra a tedy též informace, které nám toto spektrum poskytne, velmi významně ovlivnit jak vnějšími podmínkami, za kterých spektrum měříme, tak i nastavenými parametry přístroje. Při nevhodně upraveném vzorku nebo chybně zvoleném nastavení přístroje může být výsledné spektrum zcela znehodnoceno výskytem deformovaných pásů a artefaktů.
3.1 Vliv nastavení parametrů spektrometru na tvar pásu Při určování polohy maxima absorpčního pásu musíme uvážit rozlišení přístroje. Spektrální rozlišení určující schopnost spektrometru rozlišit blízko sebe ležící spektrální pásy nesmí být zaměňováno s tzv. „data spacing“, který představuje vlnočtový krok, tj. „vzdálenost“ odečítání jednotlivých bodů spektra. Hodnota vlnočtového kroku je vždy menší nebo maximálně rovna polovině hodnoty rozlišení, a na rozdíl od rozlišení je závislá na nastavených parametrech Fourierovy transformace (především na „zero-filling“ faktoru). Např. rozlišení 4 cm -1 znamená, že jednotlivé hodnoty A, T nebo R byly odečítány maximálně každé 2 cm-1. („Vzdálenost“ jednotlivých spektrálních bodů – „data spacing“ - je 2 cm -1.) V důsledku nízkého rozlišení může dojít ke zkreslení tvaru maxima absorpčního pásu a k odečtení nesprávné hodnoty. Tím vzniká odchylka mezi skutečnou hodnotou a hodnotou odečtenou. I na jednoduchých přístrojích lze ovlivňovat podobu výsledného spektra -12-
nastavením spektrálního rozsahu, rozlišení, počtu skenů, příp. i rychlosti pohybu zrcadla (u přístrojů s interferometrem). Volba těchto parametrů závisí především na skupenství studovaného vzorku (např. pro vzorky v pevné a kapalné fázi postačuje rozlišení 4 cm-1 či 2 cm-1, pro plynnou fázi je žádoucí rozlišení lepší než 1 cm-1). Spektrální rozsah spektrometru je zase určen optickými materiály použitými pro kyvetová okénka (NaCl, KBr) či ATR krystal (ZnSe) a jeho citlivost výběrem detektorů.
3.2 Vliv experimentálních podmínek na tvar pásu Většina organických, ale i anorganických látek vykazuje v oblasti IČ-spektra intenzivní absorpci. Podle Lambertova-Beerova zákona je absorbance přímo úměrná koncentraci aktivní látky ve vzorku a tloušťce měřené vrstvy vzorku. Abychom se vyhnuli zkreslení tvaru pásu, obzvláště vrcholu pásu, které může nastávat při saturaci, musíme často měřit velmi tenké vrstvy látek (řádově 0,1 - 0,005 mm) nebo vzorek rozpustit či naředit vhodným rozpouštědlem. Organická rozpouštědla používaná v IČ-oblasti mají být propustná v co nejširším rozsahu spektra tak, aby jejich vlastní absorpce pokud možno nepřekrývala spektrální rysy studovaného analytu a neznehodnocovala spektrum. Tomuto požadavku vyhovuje pouze několik organických rozpouštědel, např. chlorid uhličitý (CCl4), sirouhlík (CS2), chloroform (CHCl3). I tyto látky však mají vlastní absorpci, i když jen v relativně úzce vymezených oblastech. Spektrálně nejvýhodnější je CCl4, který nelze použít pro sledování pásů analytu pouze v jedné oblasti (820-700 cm-1), kdežto např. CHCl3 se projevuje vlastními absorpčními pásy ve třech oblastech (3050-2990 cm-1, 1260-1180 cm-1 a 830-650 cm-1). Pro získání úplného spektra musíme někdy kombinovat měření v různých rozpouštědlech. Látky nerozpustné v organických rozpouštědlech lze měřit například metodou suspenze v parafinovém oleji, nebo metodou KBr tablety či technikou difúzní reflexe.
-13-
4
Experiment
Měření infračervených spekter se provádí na třech základních typech přístrojů: disperzních, nedisperzních a interferometrických.
4.1 Disperzní spektrometr Zdrojem záření je nejčastěji keramická tyčinka, na jejímž povrchu nebo uvnitř je navinut odporový drát žhavený na teplotu 1000 až 1400 °C. Toto rozžhavené těleso je imitací černého tělesa a emituje záření v oblasti infračerveného spektra. Záření prochází vzorkem, který je umístěn v pro infračervené záření transparentní kyvetě (halogenidy kovů, především alkalických: NaCl, KBr, CsI, CaF2, TlI, TlBr). Za kyvetou se paprsek přivádí na vstupní štěrbinu monochromátoru. Funkcí monochromátoru je rozklad neboli disperze infračerveného záření na difrakční mřížce, která tvoří spolu se vstupní a výstupní štěrbinou a kolimačními zrcadly monochromátor. Otáčením difrakční mřížky se na detektor postupně přivádí záření vybraného vlnočtu (frekvence či energie). Jako detektory se používají dva základní typy: termoelektrický detektor (elektrický proud vzniká v důsledku ohřevu spoje dvou různých kovů dopadajícím infračerveným zářením) a pyroelektrický detektor (dopadem infračerveného záření dochází ke změně vlastností dielektrika mezi dvěma elektrodami a tudíž ke změně kapacity kondenzátoru).
4.2 Nedisperzní spektrometr Má v podstatě stejnou konstrukci jako disperzní typ, ale neobsahuje žádný disperzní prvek. Monochromatičnost je zajištěna již samotnou povahou zdrojů infračerveného záření. Jako zdroje záření se používají vysoce monochromatické lasery, ať již plynové nebo v poslední letech čím dál častěji používané pevnolátkové lasery – laserové diody.
4.3 Interferometrický spektrometr Zdrojem záření v interferometrických spektrometrech je stejně jako v disperzním přístroji keramická tyčinka, která při zahřátí emituje spojité záření v infračervené oblasti. Na rozdíl od disperzního přístroje obsahuje tento typ spektrometru interferometr pracující nejčastěji na principu Michelsonova interferometru, jehož hlavními součástmi jsou dělič paprsků, pohyblivé a pevné zrcadlo (obr. 7). Pro střední infračervenou oblast se používá jako dělič paprsků polopropustné zrcadlo, které je vyrobeno depozicí tenké germaniové vrstvy na destičku z bromidu draselného.
-14-
Obr. 7 Schéma Michelsonova interferometru, jehož součásti jsou ohraničeny Záření ze zdroje dopadá pod úhlem 45o na polopropustný dělič paprsků, kterým s 50% propustností projde paprsek na pohyblivé zrcadlo. Zbylá část vstupního záření je odražena směrem k pevnému zrcadlu. Paprsky se od obou rovinných, vzájemně kolmých zrcadel zpětně odrážejí a na děliči paprsků se podle aktuální polohy pohyblivého zrcadla buď konstruktivně či destruktivně rekombinují, tj. dochází k interferenci. Ke konstruktivní interferenci dochází tehdy, je-li dráhový rozdíl obou na dělič vracejících se paprsků celistvým násobkem vlnové délky procházejícího záření dráhový rozdíl = nλ (20) Pokud není tato podmínka splněna, paprsky interferují destruktivně, což vede k redukci intenzity, která bude maximální pro dráhový rozdíl rovný jedné polovině vlnové délky nebo jejím celým lichým násobkům. Rekombinovaný paprsek je pak odražen do kyvetového prostoru a poté dopadá na detektor. Signál na detektoru je snímán v závislosti na pohybu zrcadla v interferometru od +δ do −δ (obr.7). Rychlost pohybu zrcadla je proto přizpůsobena časové odezvě detektoru, závislé na typu použitého detektoru. Jelikož je na vstupu polychromatické záření, je signál opouštějící interferometr a dopadající na detektor součtem všech konstruktivních a destruktivních interferencí při všech možných frekvencích. Každý zaznamenaný interferogram tak obsahuje veškeré spektrální informace. Z jednoho pohybu zrcadla je získán jeden interferogram, který se Fourierovou transformací převádí z časové škály do frekvenční nebo vlnočtové na spektrum odpovídající jednomu skenu. (Vysvětlení těchto pojmů lze nalézt v literatuře zabývající se teorií interferometrie a Fourierovou transformací, např. A. Klíč, K. Volka, M. Dubcová, Fourierova transformace – příklady z infračervené spektroskopie, Vydavatelství VŠCHT, 1994). S opakovaným pohybem zrcadla jsou zaznamenávány další interferogramy, z nichž je pak spočítán průměrný interferogram, který se Fourierovou transformací převede na spektrum, které má na ose x vlnočtovou stupnici. Přístroj pracuje jako jednopaprskový, tzn., že pro zjištění transmitance musíme nejdříve získat vlnočtovou závislost detekovaného signálu pro tok záření dopadající na vzorek (tzv. pozadí, angl. background), poté stejnou závislost pro tok prošlý zkoumaným vzorkem.
-15-
Poměr těchto hodnot teprve vede ke spektru, tj. vlnočtové závislosti transmitance, resp. absorbance, které má pro analytického chemika vypovídací schopnost. Nejběžněji používanými detektory jsou pyroelektrické detektory - deuterovaný triglycinsulfát (DTGS). Dražší přístroje jsou vybaveny citlivějším mercury-cadmium-telluride (MCT) detektorem, který vyžaduje chlazení kapalným dusíkem. V této laboratorní úloze se seznámíte s měřením infračervených spekter kapalných látek v kyvetě pomocí infračerveného spektrometru s Fourierovou transformací (FTIR spektrometr) AVATAR 320 a rovněž s technikou zeslabeného úplného odrazu (ATR).
4.3.1
FTIR spektrometr s ATR technikou
Technika zeslabeného úplného odrazu (ATR - Attenuated Total Reflection) je založena na principu jednoduchého či vícenásobného úplného odrazu záření na fázovém rozhraní měřeného vzorku a měřícího krystalu s dostatečně vysokým indexem lomu (obr. 8). Krystal je většinou planární, ve tvaru lichoběžníkového hranolu, převážně umístěný v horizontálním uspořádání. Na něj se nanáší vzorek. Svazek paprsků je přiveden do krystalu soustavou zrcadel tak, aby úhel dopadu na fázové rozhraní vyhověl podmínce úplného (totálního) odrazu. Měřený vzorek musí být v dokonalém kontaktu s ATR krystalem kvůli dostatečnému průniku záření ve formě evanescentní vlny do vzorku. Pokud měřený vzorek absorbuje záření o určité frekvenci, pak tato složka bude v totálně odraženém záření zeslabena. Takto získané spektrum se do značné míry podobá spektru změřenému v transmisním režimu, tedy v kyvetě. Penetrační hloubka záření do povrchu vzorku je řádově v jednotkách µm, tzn. že charakterizujeme pouze velmi tenké povrchové vrstvy vzorkovaného materiálu, avšak vzhledem k možnosti vícenásobného odrazu na fázovém rozhraní získáme velmi kvalitní spektrum, ekvivalentní transmisnímu spektru měřenému při tloušťce vzorku řádově desítek µm. Malá penetrační hloubka je naopak výhodou při měření silně absorbujících vodných roztoků, protože nedochází k deformaci tvaru pásů vody, a tudíž je možné je snadno odečítat.
Obr. 8 Podstata techniky ATR. Průnik evanescentní vlny (penetrační hloubka) do vzorku je řádově několik mikrometrů
-16-
ATR spektrum vzorku je ovlivněno vlnovou délkou infračerveného záření, poměrem indexů lomu měřeného vzorku a ATR krystalu, úhlem dopadu záření na fázové rozhraní a účinností kontaktu mezi měřeným vzorkem a ATR krystalem. Výsledná hloubka penetrace záření do vzorku je definována vztahem:
dp =
λ 2π nk sin θ - (nv / nk ) 2 2
(21)
kde dp je hloubka průniku záření do vzorku, λ je vlnová délka záření, θ je úhel dopadu záření na fázové rozhraní a nv a nk jsou indexy lomu vzorku a krystalu. Aby došlo k úplnému vnitřnímu odrazu musí být úhel dopadu větší než kritický úhel θc, který je definován vztahem:
θc =
1 n sin( v ) nk
(22)
Ze vztahu (21) je tedy patrné, že penetrační hloubka infračerveného záření do vzorku závisí na vlnové délce záření. S rostoucí vlnovou délkou (tj. s klesajícím vlnočtem) záření se zvyšuje hloubka penetrace. Z toho pak plyne, že relativní intenzity pásů ve spektru se snižují s rostoucími hodnotami vlnočtů ve srovnání se spektry v transmisním módu. Tento jev je mnohdy matematicky kompenzován pomocí ATR korekce, jež bývá standardní součástí softwarového vybavení FTIR spektrometrů. Pro výrobu měrných ATR krystalů se nejčastěji používá selenid zinečnatý ZnSe, germanium Ge, nebo KRS-5 (směs bromidu a jodidu thallného) či křemík. Tato technika je tedy velmi vhodná pro měření vodných roztoků, např. anorganických látek, neboť tyto materiály spolu s dalšími, např. CaF2, BaF2, AgCl či KRS-5, nejsou rozpustné ve vodě. Voda jako rozpouštědlo rovněž silně absorbuje záření ve střední infračervené oblasti, např. její propustnost v 50 µm kyvetě je u vlnočtu cca 1250 cm-1 pouze 10 % původního toku záření, proto je možno měření provádět pouze v omezeném spektrálním oboru a navíc při velmi tenkých vrstvách měřeného vzorku. Zde je velmi vhodná technika ATR disponující malou průnikovou hloubkou záření, tedy nižší absorpcí vzorku. ATR je účinnou a rychlou technikou měření IČ spekter, která oproti transmisnímu měření v kyvetě vyžaduje minimální přípravu vzorku pro analýzu. Tato analýza je pak dostatečně rychlá a může být automatizována.
-17-
Návod laboratorní práce
IDENTIFIKACE ORGANICKÝCH SLOUČENIN INFRAČERVENOU SPEKTROSKOPIÍ Úkoly: 1. 2. 3.
Identifikujte pásy jednotlivých funkčních skupin (Ar, -CH2- a -CH-) ve spektru polystyrenu (obr. 6). Změřte infračervená spektra zadaných organických vzorků, a to jednak v kyvetě (v kapilární vrstvě) a jednak ATR technikou. Na základě analýzy infračervených spekter organických vzorků určete o jaké typy látek se jedná, jaké obsahují funkční skupiny, příp. jakou mají strukturu.
Použité přístroje a jejich zapojení do lokální počítačové sítě V laboratoři jsou instalovány rutinní FTIR spektrometry AVATAR 320 (Nicolet). Jsou to standardní jednopaprskové FTIR spektrometry pracující v rozsahu vlnočtů 4000 až 400 cm-1. Kyvetový prostor (obr. 9) je konstruován na průchod jednoho paprsku, tj. nejprve se měří bez vzorku jednopaprskové spektrum pozadí, a poté se po vložení vzorku změří jednopaprskové spektrum vzorku. Přístroj pak na základě obou jednopaprskových spekter spočítá spektrum vzorku v požadované veličině (transmitance, absorbance). Kromě držáku kyvet mohou být v kyvetovém prostoru umístěny speciální nástavce pro měření reflexních spekter (ATR, difúzní reflexe, spekulární reflexe). Vlnočtová stupnice FTIR přístroje je kalibrována pomocí vlnočtu monochromatického záření pomocného He-Ne laseru (obr. 9), který je nedílnou součástí konstrukce spektrometru. Laser slouží především ke kontrole rovnoměrného pohybu zrcadla v interferometru.
-18-
Obr. 9 Schéma infračerveného spektrometru s Fourierovou transformací AVATAR 320 1 – zdroj infračerveného záření Ever-Glo; 2 – pevné zrcadlo fokusující záření do interferometru; 3 – interferometr s pevným KBr děličem paprsků; 4 – zrcadlo fokusující záření do kyvetového prostoru; 5 – kyvetový prostor; 6 – držák vzorku; 7 – zrcadlo fokusující záření na detektor; 8 – detektor; 9 – sušidlo; 10 – indikátor vlhkosti; 11 - laser; 12 – napájení laseru; 13 – elektronické moduly. Infračervený paprsek je naznačen plnou čarou.
Přístroj je ovládán přes počítač PC Pentium prostřednictvím softwaru OMNIC (Omnic E.S.P. nebo Omnic EZ). Pro optimální funkci zdroje, interferometru a laseru je přístroj trvale elektricky napájen, což je indikováno kontrolními LED diodami (obr. 10). Dbejte proto na trvalé připojení síťové zástrčky.
Obr. 10 Celkový pohled na přístroj se zvýrazněním polohy kontrolních LED diod -19-
Počítače ovládající dva FTIR spektrometry jsou propojeny do lokální sítě Microsoft spolu s dalšími dvěma počítači. Počítače sloužící k ovládání přístrojů mají jména Avatar1 a Avatar4, zbylé počítače pak Avatar2 a Avatar3. Počítače Avatar1, Avatar3 a Avatar4 mají pouze disk C (při sdílení značeny jako 1C, 3C a 4C), zatímco počítač Avatar2 má dva sdílené disky – 2C a 2D-data. Disk 2D-data neobsahuje žádný software a je určen pouze pro datové (spektrální) soubory. Tento disk je plně sdílen jak pro čtení tak pro zápis dat. K počítači Avatar2 je připojena sdílená laserová tiskárna Panasonic, která je přednastavena jako základní tiskárna pro všechny čtyři počítače. Příkazy k tisku se řadí do fronty, a proto je třeba trpělivě vyčkat na vytištění zadaného úkolu.
Obsluha FTIR spektrometru AVATAR 320 a) Spuštění počítače a ovládacího softwaru Zapněte tlačítkem počítač, vyčkejte spuštění Windows XP a dle pokynů vyučujícího se přihlaste do sítě Microsoft. Poté dvojklikněte na ikonu zástupce OMNIC E.S.P.. Při startu softwaru OMNIC budete dotázáni na uživatelské jméno „user name“. Zadejte slovo „student“. Poté se objeví základní obrazovka softwaru (obr. 11). Pod titulem „okna“ je umístěno standardní rozrolovávací menu, obsahující veškeré operace pro měření spekter, jejich zpracování, uložení a tisk. Základní operace jsou jednodušeji spustitelné pomocí řádku ikon, který je umístěn pod rozrolovávacím menu. Na jednotlivých ikonách (tlačítkách) jsou graficky znázorněny a krátce anglicky popsány operace, které se spustí po jednoduchém kliknutí. Ikona „Open“ slouží k otevření spektrálního souboru uloženého na disku. Ikona „Save“ se naopak používá pro uložení aktuálního spektra, které je vždy zobrazeno červenou barvou. Kliknutím na ikonu „Print“ se otevře nabídka pro tisk daného spektrálního okna (POZOR! – vytisknuta jsou pak VŠECHNA spektra zobrazená v daném okně a nelze již měnit vzhled vytištěné stránky). Ikona označená „Expt Set“(Experiment Setup) slouží k otevření okna s řadou záložek umožňujících nastavení parametrů měření. Pomocí ikony „Col Smp“ (Collect Sample) se spustí měření spektra vzorku, zatímco ikona „Col Bkg“ (Collect Background) slouží pro změření pozadí. Popis funkce dalších ikon je dostupný v kontextové nápovědě („helpu“).
-20-
Obr. 11 Základní ovládací okno programu Omnic
b) Nastavení parametrů měření Nastavení parametrů měření se provádí v záložkách okna, které se otevře po kliknutí na ikonu označenou textem „Expt Set“. Připravená nastavení jsou uložena v souborech zvaných experiment. Název aktuálního experimentu je zobrazen v řádku mezi řádkem rozrolovávácích menu a řádkem ikon (obr. 11). Pro vaše měření budete používat dva předem připravené experimenty, jednak pro měření v kyvetě (tj. pro transmisní měření) použijete experiment nazvaný „Default-Transmittance“, jednak pro měření ATR technikou nastavíte experiment „MIRacle-student“. S obsahem jednotlivých záložek okna parametrů měření budete seznámeni při instruktáži před zahájením vlastní práce.
c) Měření spektrálního pozadí Před měřením spektra pozadí zkontrolujeme, zda v kyvetovém prostoru nebyla zapomenuta kyveta, vzorek polymerní folie, resp. při měření ATR technikou, zda povrch ATR krystalu je suchý a čistý. Poté klikneme na ikonu označenou textem „Col Bkg“ a potvrdíme, že je vše připraveno pro měření spektra pozadí. Během měření spektra pozadí lze na monitoru sledovat příslušné „průběžné“ jednopaprskové spektrum a ve spodní části okna je vidět, kolik skenů z celkového požadovaného počtu bylo změřeno. Po ukončeném měření obvykle
-21-
odmítneme přidání spektra pozadí do okna (spektrum již není možné vícekrát zobrazit, ale je uloženo v paměti pro srovnávání s jednopaprskovými spektry následně měřených vzorků).
d) Vlastní měření spektra vzorku Do kyvetového prostoru vložíme kyvetu s měřeným vzorkem. Pak provedeme orientační kontrolu, zda tloušťka vrstvy (popř. koncentrace roztoku) byla vhodně zvolena. Při správném nastavení softwarových parametrů (bylo zaškrtnuto použití „preview data collection“) toho docílíme kliknutím na ikonu „Col Smp“. Objeví měřící okno, ve kterém se zobrazuje vždy právě změřené spektrum během jednoho skenu a skenování probíhá opakovaně, ale bez akumulace. Jestliže spektrum neodpovídá požadavkům na něj kladeným (např. příliš vysoké či naopak nízké hodnoty transmitance, deformovaný tvar pásů, výskyt pásů předchozího vzorku svědčící o špatně vymyté kyvetě), lze měření pozastavit před vlastní akumulací dat. Pokud chceme spustit vlastní měření, klikneme na tlačítko „Start Collection“, čímž se zahájí akumulace příslušného počtu skenů. Po dokončeném měření přidáme spektrum do základního typu okna pro jeho další zpracování.
e) zpracování naměřeného spektra a jeho tisk Bezprostředně po přidání naměřeného spektra do okna toto spektrum uložíme jako soubor na disk. Klikneme na ikonu „Save“, abychom zobrazili nabídku pro uložení spekter. Běžně budeme ukládat spektra s příponou .spa do adresáře a na disk specifikovaný vyučujícím. Kontrolu uložení spektra lze provést po kliknutí na ikonu „i“(info) (obr. 11), zobrazenou vlevo od názvu změřeného spektra v řádku těsně nad plochou pro zobrazení spekter. Po kliknutí na uvedenou ikonu se zobrazí okno s textovými informacemi o změřeném spektru (parametry měření, historie prováděných operací, způsob uložení atp.). V takto získaném spektru vzorku lze identifikovat a vlnočtem označit významné absorpční pásy pomocí funkce “Find“, jež je k nalezení pod položkou “Analyze“ ze základního lištového menu. Pro tisk spekter je třeba kliknout na ikonu „Print“ a dále se řídit dle zobrazené nabídky předvoleb a dle pokynů vyučujícího asistenta. Pro manipulaci se spektry zobrazenými v okně slouží řádka zobrazená pod spektrálním oknem. V základním režimu je „stisknuta“ ikona se šipkou (obr. 11) – kurzorová šipka se volně pohybuje po okně, pokud se nalézá v části okna se zobrazenými spektry, pak s jejím pohybem je spojeno zobrazení hodnot X (vlnočet) a Y (transmitance, absorbance atp.) v řádku pod spektrem. Pokud chceme odečítat hodnoty transmitancí (absorbancí) a vlnočtů na aktivním spektru (zobrazeno červeně), pak je třeba kliknout na ikonu s kurzorovým křížem (třetí zleva – viz obr. 11). Po kliknutí na ikonu s kurzorovým křížem je třeba kliknout na spektrum, aby se místo šipky zobrazil kurzorový kříž. Hodnoty odpovídající poloze kurzorového kříže jsou zobrazeny pod spektrem. Kurzorovým křížem lze pohybovat pomocí myši, případně pomocí směrových šipek z klávesnice. Pokud chceme přiřazovat ke spektru textové popisy poloh maxim (minim) pásů, je třeba kliknout na ikonu označenou „T“. K roztahování, resp. zužování spektrální oblasti -22-
stejně jako k posuvu spektra v okně slouží šipky zobrazené vpravo od ikony „T“ (obr. 11). Obdobně lze použít svislé čáry zobrazené na zmenšeném obrázku spektra v tomtéž řádku. Pokud budete potřebovat využít další funkce softwaru OMNIC, obraťte se na vyučujícího asistenta.
f) Ukončení práce s měřicím přístrojem i řídicím počítačem Po ukončení zpracování spekter v programu Omnic E.S.P. uzavřeme tento program. Přímo na počítači lze zpracovávat protokol (programy MS Word a MS Excel) a též konfrontovat interpretaci spekter s programem Omnic Interpretation Guide v. 1.0. Po ukončení práce počítač nevypínejte do pokynu asistenta, aby nedošlo k poruše při sdílení souborů a tiskárny mezi jednotlivými počítači v síti.
Pracovní postup 1) Příprava měření a měření spektra polystyrenu Podle pokynů uvedených v oddílu o obsluze přístroje spusťte počítače a software Omnic E.S.P.. Při měření spektra polystyrenu budete používat transmisní techniku. Zvolte experiment „Default-Transmittance“ a zkontrolujte, zda je v kyvetovém prostoru vložena základní deska se základním držákem. V základním držáku může být vložena redukce na zasunutí dále používaných kapalinových kyvet. Tuto redukci je třeba před měřením polystyrénové folie vyjmout. Změřte spektrum pozadí, poté vložte do základního držáku vzorek polystyrénové folie a změřte její spektrum. Spektrum uložte a vyjměte folii z kyvetového prostoru.
2) Měření v kyvetě Kyvety, se kterými budete pracovat, mají okénka z chloridu sodného (spektrální propustnost v rozsahu vlnočtů 50 000 - 650 cm-1 ) resp. bromidu draselného (resp. 50 000 – 450 cm-1), tedy materiálů, které jsou velmi citlivé na vlhkost. Dříve než s kyvetami začnete pracovat, uvědomte si, že cena jednotlivé kyvety je několik tisíc korun a k jejímu znehodnocení může dojít stříknutím vody od výlevky, ale také neopatrným držením ve vlhké dlani. Pokud s kyvetami nepracujeme, uchováváme je v exsikátoru!!! Při měření spekter se můžete setkat s dvěma typy kyvet: jednak pevné kyvety s přesně definovanou tloušťkou vrstvy studované látky, jednak kyvety rozebíratelné, které jsou vhodné pro přípravu kapilární vrstvy zkoumaného kapalného vzorku. Oba typy kyvet mají kovová čela větších rozměrů než je drážka v základním držáku. Pro jejich fixaci v kyvetovém prostoru je třeba před příslušným měřením zasunout do základního držáku speciální redukci.
-23-
Plnění pevné kyvety Po sejmutí zátek z obou otvorů kápneme do jednoho z nich měřenou látku, popř. promývací rozpouštědlo (chloroform). Ve většině případů dojde ihned k nasátí kapaliny mezi okénka. Pokud se tak nestalo, vytvoříme v druhém otvoru injekční stříkačkou mírný podtlak a usnadníme nasátí kapaliny. Postup čela kapaliny sledujeme v mírně nakloněné kyvetě a podle potřeby kapalinu doplňujeme. Zkontrolujeme, zda se v kyvetě nevyskytují vzduchové bubliny. Po naplnění kyvetu uzavřeme zátkami. Vyprázdnění kyvety provádíme opakovaným vytlačením kapaliny proudem vzduchu z injekční stříkačky. Kyvetu promyjeme chloroformem. Prosátím dostatečného objemu vzduchu zbavíme kyvetu posledních stop rozpouštědla. Úplné odpaření rozpouštědla se vyplatí i v případech, kdy budeme do kyvety plnit týž vzorek. Nasátí je pak mnohem rychlejší a jednodušší. Pístní kroužky injekčních stříkaček nesnášejí styk s řadou organických látek, neboť snadno botnají. Nikdy proto rozpouštědla do injekční stříkačky nenasávejte, ale používejte ji vždy jen jako výtlačného zařízení. Při manipulaci s chloroformem, stejně jako se vzorky dbejte na bezpečnost práce. Je zakázáno nasávat chloroform či zkoumané organické látky do pipety či kapátka ústy!!! Pro zachycení potřebného objemu stačí pipetu nebo kapátko do vzorkovnice pouze ponořit. Veškeré manipulace se vzorky i rozpouštědlem provádějte v táhnoucí digestoři, po práci si ihned umyjte ruce mýdlem!!! Veškeré zbytky vzorků vylévejte do odpadní láhve k tomu určené ! Je zakázáno vylévat jak vzorky, tak chloroform do výlevky !!! Plnění rozebíratelné kyvety Po vyjmutí kyvety z exsikátoru ji rozebereme následujícím způsobem. Nejprve uvolníme a sejmeme všechny čtyři fixační matice. Pak opatrně vytáhneme horní kovové čelo přes těla šroubů. Pozor, aby okénko nezůstalo ulpěné na zvedaném čele, při neopatrné manipulaci hrozí jeho prasknutí. Pak opatrně oddělíme od sebe okénka z KBr nebo NaCl, horní okénko opatrně odložíme na suchý filtrační papír. Na dolní okénko, které zůstalo ležet na dolním kovovém čele kyvety nakápneme kapátkem dvě až tři kapky zkoumaného vzorku. Opatrně přiložíme horní okénko, aby kapalina vytvářela rovnoměrnou vrstvu bez bublinek uvnitř. Nasuneme horní kovové čelo, které pak velmi opatrně fixujeme rovnoměrným zašroubováním všech čtyř matic. Doporučuje se zpočátku stažení co nejmenší, abychom mohli potřebnou tloušťku kyvety regulovat dotažením matek držáku. POZOR, stažení musí být rovnoměrné na všech šroubech, protože okénka jsou křehká. Matice nikdy nedotahujeme silou, nikdy nedotahujeme jen jednu matici, ale VŽDY dotahujeme všechny čtyři matice JEMNĚ a ROVNOMĚRNĚ, JINAK HROZÍ PRASKNUTÍ optických OKÉNEK !!!
Čištění rozebíratelné kyvety Před čištěním okének po změření kapilární vrstvy je třeba opět kyvetu rozebrat. Okénka od sebe opatrně oddělíme a položíme suchými stranami na filtrační papír. Pokud těkavé látky samy neodtěkají, pak je jemně odsajeme rohem buničitého tamponu. Na okénko -24-
nakápneme pět až šest kapek chloroformu a opět je odsajeme pomocí tamponu. Tento krok aspoň dvakrát zopakujeme, pak můžeme přistoupit k přípravě kapilární vrstvy dalšího vzorku.
3) Měření s ATR nástavcem Kromě měření v kyvetě, umístěné v kyvetovém prostoru tak, že vrstvou měřené látky prochází IČ-záření, budete měřit spektra týchž látek reflexní technikou ATR. Měření se provádí na spektrometru s již připraveným ATR nástavcem. Zvolte experiment nazvaný „MIRacle-student“. Změřte spektrum pozadí se samotným ATR nástavcem. Poté nakápněte dvě až tři kapky měřené látky na krystal a krystal překryjte nekorodujícím víčkem, tak aby se látka nemohla během měření odpařit. Změřte spektrum vzorku a uložte jej. Poté vatovým tamponem odsajte kapalinu (nedotýkejte se samotného krystalu). Na krystal pak nakápněte maximálně dvě kapky acetonu a odsajte jej vatičkou tak, aby pouze špička vaty se dotkla krystalu (jemná vata krystal neodře na rozdíl od násady). Nakápnutí acetonu, lehké otření vatičkou a odpaření zbytku acetonu minimálně třikrát zopakujte, tak aby při spuštění „preview“ po kliknutí na ikonu „Col Smp“ nebyly patrné žádné spektrální rysy ani předchozího vzorku (nedostatečné propláchnutí acetonu ) ani acetonu (je třeba vyčkat úplného odpaření acetonu). Teprve poté lze přistoupit ke změření spektra dalšího vzorku.
4) Interpretace spekter a jejich další zpracování Vaším úkolem je určit u jednotlivých změřených vzorků o jaké typy látek se jedná a jaké obsahují funkční skupiny. Na základě infračerveného spektra asi nezjistíte vždy přesnou strukturu, ale měli byste ze spektra poznat základní skelet organické látky, typ substituce (pokud je to možné) a příslušné substituenty. Při interpretaci použijte charakteristických vlnočtů vibrací funkčních skupin (tab. I - v příloze) , grafické formy uvedené ve skriptech "Analytické tabulky" (J. Fogl, K. Volka, str. 156, SNTL, Praha 1995) a instalovaný program Omnic Interpretation Guide v. 1.0, jehož zástupce je na základní obrazovce (program je součástí programové skupiny OMNIC).
Při vlastní analýze dodržujte tento postup: a) Odečtěte ze spektra polohu maxim významných absorpčních pásů a jejich relativní intenzitu. Popis uveďte do spektra a též uspořádejte do tabulky. b) Přiřaďte pozorované absorpční pásy jednotlivým funkčním skupinám. Začněte s nejvýraznějšími absorpčními pásy v oblasti 3700 - 2700 cm-1, pokuste se nejprve zjistit typ skeletu (aromatický, alifatický nasyc., nenasyc. atp.) a pak analyzovat možné substituenty. Nezapomeňte, že poloha absorpčních pásů některých skupin je závislá na přítomnosti ostatních funkčních skupin v molekule. Výsledky je proto vždy nutno konfrontovat. Je např. nevhodné uvažovat o přítomnosti aryl-ketonické skupiny z polohy absorpčního pásu valenční vibrace C=O, pokud jste neprokázali přítomnost
-25-
c)
aromátu na základě jeho absorpčních pásů. Prokázané přiřazení stručně zdůvodněte a zapište do tabulky vlnočtů pozorovaných absorpčních maxim. Častou chybou při málo pečlivé práci je nedokonalé vypláchnutí kyvety, omytí okének mezi jednotlivými vzorky, příp. nedostatečné očištění ATR krystalu. Výsledkem je pak spektrum směsi, které budete těžko interpretovat. Všímejte si proto, zda se vám silné absorpční pásy ve spektru předchozího vzorku neobjevují znovu jako slabší pásy ve spektrech následně měřených látek. V tomto případě je jediným možným řešením zopakovat příslušná měření.
Opět připomínám, že má-li být daná funkční skupina v molekule prokázána, měly být nalezeny všechny absorpční pásy, které ji charakterizují, a měly by korespondovat i intenzity jednotlivých absorpčních pásů (v případě intenzit je nutno respektovat poměr intenzit, jejich absolutní hodnota je totiž závislá na zastoupení skupin v molekule). Naopak z nepřítomnosti pásů v určitých oblastech lze přítomnost některých funkčních skupin nebo vazeb vyloučit.
Příklady interpretace Pro snazší interpretaci naměřených spekter jsou zde uváděny dva příklady. Nejprve zjišťujeme typ základního skeletu a teprve poté se zaměřujeme na případné substituenty. Při důkazu jednotlivých skupin postupujeme od pásů při nejvyšších vlnočtech směrem k vlnočtům nižším. V případě spektra na obr. 12 absorpční pás 3080 cm-1 napovídá o přítomnosti o valenční vibrace dvojné vazby, která je dále potvrzena valenční vibrací C=C u 1643 cm-1. Přítomnost CH2 a CH3 skupin prokazují absorpční pásy jejich valenčních vibrací s maximy 2965, 2932, 2876, 2845 cm-1 a pásy deformačních vibrací 1465 a 1375 cm-1. Je tedy zřejmé, že se jedná o organickou látku s nenasyceným alifatickým skeletem. Pás s vlnočtem 1417 cm-1 je potvrzením přítomnosti deformační vibrace skupin CH2 v uskupení -CH=CH2 a pás 1339 cm-1 deformační vibrace CH. Zbylé pásy 993 cm-1 a příslušný svrchní přechod 1985 cm-1 přísluší mimorovinné vibraci skupiny CH2 v uskupení -CH=CH2 a 912 cm-1 a příslušný svrchní přechod 912 cm-1 mimorovinné vibraci skupiny CH v uskupení R-CH=CH2. Z á v ě r : jde pravděpodobně o nenasycený alifatický uhlovodík. Z nalezených skupin lze usuzovat na sloučeninu typu R-CH2-CH=CH2.
-26-
Obr. 12 Infračervené spektrum 1-pentenu. Dominantním znakem spektra na obr. 13 je velmi široký absorpční pás rozprostírající se od 2550 až do 3300 cm-1 a příslušející skupině OH v uskupení karboxylové kyseliny. Skupiny OH velmi ochotně vytváří vodíkové můstky a poskytují tak velmi široký pás. Tato skupina je potvrzena dalšími pásy, deformační vibrací C-O-H u 1415 cm-1 a mimorovinnou vibrací OH u 937 cm-1 Pásem valenční vibrace jsou značně překryty i přítomné pásy skupin CH3 2986 a 2863 cm-1 a CH2 2946 cm-1 , které jsou ale dále potvrzeny pásy deformačních vibrací 1465 a 1375 cm-1. V oblasti 1700 cm-1 jsou známky karbonylové valenční vibrace. Z á v ě r : jedná se pravděpodobně o karboxylovou kyselinu.
Obr. 13 Infračervené spektrum kyseliny propanové
-27-
Kromě tohoto příkladu získáte základní zkušenost s interpretačními tabulkami při rozboru spektra polystyrenu. V tomto případě znáte strukturu změřeného polymeru a tedy známým funkčním skupinám přiřazujete jednotlivé pásy v získaném spektru. Pak již pouhým srovnáním se spektrem polystyrenu můžete tytéž funkční skupiny vylučovat či potvrzovat ve struktuře jednotlivých neznámých vzorků.
Pozn. Je třeba ještě jednou upozornit, že se nesnažíme přiřadit za každou cenu všechny pásy ve spektru. Především v oblasti tzv. „otisku palce“ (cca pod 1300 cm-1) nalezneme pásy, které nelze přiřadit dílčím funkčním skupinám, ale jsou charakteristické pro molekulu jako celek. Tyto pásy je možné analyzovat s využitím spektrálních knihoven.
-28-
IDENTIFIKACE ANORGANICKÝCH SLOUČENIN INFRAČERVENOU SPEKTROSKOPIÍ Úkoly: 1. 2. 3. 4. 5.
Změřte IČ spektrum destilované vody technikou ATR. Změřte IČ spektrum neznámého vzorku vodného roztoku anorganické soli technikou ATR. Obě spektra převeďte z transmitanční škály do absorbanční. Odečtěte spektrum destilované vody od spektra neznámého vzorku. V takto získaném korigovaném spektru vzorku identifikujte a vlnočtem označte významné absorpční pásy a porovnejte se spektry anorganických solí s různými anionty uložených v databázi a rozhodněte jaký anion vzorek obsahuje.
Použité přístroje jejich ovládání Jsou stejné jako při identifikaci organických látek (viz předcházející úloha).
Pracovní postup 1) Vlastní měření Před měřením ATR spektra destilované vody zkontrolujte zda na ATR krystalu nejsou přítomny nečistoty z měření předchozích vzorků (intenzita pásů mezi 3000 – 2800 cm-1 pocházejících především z valenčních C-H vibrací alifatických řetězců musí být nízká). Je-li ATR krystal čistý a suchý, pak v modu “Col Bkg“ akumulujte 64 scanů, které poslouží jako spektrum pozadí. Takto získané spektrum nemusíte zobrazovat na monitoru počítače, ten si jej i tak automaticky uloží do paměti. Na ATR krystal pipetou naneste 40 - 50 µl destilované vody a opět akumulujte 64 skenů, tentokrát však v modu “Col Smp“. Spektrum destilované vody již zobrazte na monitoru a následně jej uložte do vyznačeného adresáře. Poté šetrně vysušte ATR krystal, pipetou na něj naneste neznámý vzorek (taktéž 40-50 µl) a dále postupujte stejně jako u destilované vody. Spektrum vzorku pak rovněž uložte. Na závěr pomocí buničiny opatrně odsajte vzorek z ATR krystalu, naneste na něj destilovanou vodu a odsajte jí. Tuto proceduru opakujte dokud není ATR krystal čistý.
2) Zpracování a vyhodnocení spekter Otevřete si uložená spektra destilované vody a neznámého vzorku do jednoho ovládacího okna. Obě spektra pomocí funkce “Process/Absorbance“ převeďte z transmitanční škály do absorbanční. Poté obě spektra kurzorem myši označte (musí zčervenat), zvolte funkci “Process/Subtract“ a odečtěte je. Vzniklé rozdílové spektrum uložte pod novým jménem do příslušného adresáře na pevném disku. V takto získaném -29-
korigovaném spektru vzorku identifikujte a vlnočtem označte významné absorpční pásy pomocí funkce “Analyze/Find Peaks“. Spektrum vytiskněte v rozsahu 1500 - 800 cm-1, porovnejte jej se spektry anorganických solí obsahujících různé anionty uložených v databázi (je dostupná na všech čtyřech počítačích) a rozhodněte jaký anion vzorek obsahuje. Takto vytištěné spektrum spolu s identifikací jednotlivých pásů typických pro daný anion přiložte k laboratornímu protokolu.
ZPRACOVÁNÍ VÝSLEDKŮ V protokolu vedle částí předepsaných laboratorním řádem uveďte: - tabulku přiřazení jednotlivých pásů ve spektru polystyrenu jednotlivým typům vibrací funkčních skupin obsažených ve struktuře polystyrenu - tabulku vlnočtů maxim absorpčních pásů z transmisní techniky (kyveta) a nebo ATR spektra a jejich relativní intenzity pro jednotlivé vzorky s pravděpodobným přiřazením funkčních skupin - závěry o struktuře látky vyplývající z výsledků IČ-spektroskopie organických látek - řádně vytištěná IČ spektra organických vzorků s úplným popisem (tj. aby jejich obsah byl srozumitelný nezávisle na textu protokolu) V případě stanovení i anorganických vzorků uvedete dále do protokolu: - vytištěné spektrum anorganického vzorku spolu s identifikací jednotlivých pásů typických pro daný anion
KONTROLNÍ OTÁZKY 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.
Vymezte pojem infračervené záření? Které molekuly absorbují infračervené záření? Vysvětlete vibrační chování dvouatomové molekuly. Co reprezentuje silová konstanta harmonického oscilátoru? Co se stane s molekulou, jestliže absorbuje foton infračerveného záření? Na čem závisí intenzita absorpčních pásů v infračerveném spektru? Co je to: fundamentální přechod, horký přechod, svrchní tón, přechod kombinační? Vysvětlete, čím se liší valenční vibrace od vibrace deformační. Vyjmenujte hlavní části infračerveného spektrometru s Fourierovou transformací. Vysvětlete princip jednopaprskového přístroje. Vyjmenujte rozpouštědla vhodná pro infračervenou spektrometrii. Jaké informace vyplývají z infračerveného spektra? Pro jaké účely je vhodné využít ATR techniku? -30-
14. Jaké materiály se používají pro výrobu optických prvků (především okének kyvet) určených pro měření ve vodných roztocích? 15. Vysvětlete podstatu techniky ATR. 16. Vyjmenujte materiály, ze kterých je nejčastěji vyroben ATR krystal. 17. Jak závisí penetrační hloubka infračerveného záření na vlnové délce v ATR technice?
SPEKTRÁLNÍ DATABÁZE SDBS - http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/cre_index.cgi FDM Reference Spectra Databases - http://www.fdmspectra.com/ NIST chemistry webbook - http://webbook.nist.gov/chemistry/
SIMULACE SPEKTRA TeleSpec - Interactive - http://www2.chemie.uni-erlangen.de/services/telespec/ ComSpec3D - http://www2.chemie.uni-erlangen.de/services/vrmlvib/index.html
Použitá literatura pro zpracování kapitoly –“ Infračervená spektroskopie“: 1) Wilson, E.B.; Decius, J.C.; Cross, P.C. Molecular Vibrations, Dover, 1980 2) Brown, J.M. Molecular Spectroscopy, Oxford University Press, 1998 3) Krofta, J. a kol. Návody pro laboratorní cvičení z analytické chemie II – Infračervená spektrometrie, VŠCHT Praha, 2001 4) Setnička, V.; Matějka, P. Návody pro laboratorní cvičení z analytické chemie I – Infračervená spektrometrie, VŠCHT Praha, 2006, (dodatek)
-31-
Příloha Tabulka I Vlnočty charakteristických vibrací některých vazeb a skupin Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
3760-3580
w-m
νas(H2O)
H2O v rozpouštědle
3620-3500
3670-3580
v
ν(OH)
-OH (izolované, neinteragující)
1420-1260
3650-3500
v
ν(OH)
C=N-OH 1690-1650
+
m-s,br
ν(OH)
-OH (pevné či kapal. látky)
1440-1290
3620-3500
s, br
ν as (H2O)
H2O v rozpouštědle
1645-1615
+
s,br
ν(OH)
H2O, krystalová voda
1645-1615
3590-3400
v,br
ν(OH)
-OH, intramol. H-vazba 1440-1300 vlnočet koncentračně nezávislý
3550-3500
w-m
ν(OH)
-COOH, monomer, neasociované molekuly
1800-1740
3550-3330
m-w
νas(NH2)
-NH2, vliv asociace menší než u -OH
3450-3250
3550-3230
m-s, br
ν(OH)
-OH, dimerní a polymerní 1440-1290 intermol. H-vazba, konc.závislé
3550-3200
w-m
2x ν(C=O)
>C=O, 1.svrchní tón, obvykle úzký pás
1720±60
3540-3480
m-s
ν as(NH2)
-CO-NH2
3420-3380
3500-3300
w
ν(NH)
-NH-
1580-1490
3460-3420
m-s
ν(NH)
-CO-NH-, trans
1700-1665
3450-3250
w-m
νs(NH2)
-NH2
1650-1580
+
w-m,br
νas(NH2)
-NH2
3400-3250
3440-3300
m
ν(NH)
-CO-NH, cis
1700-1665
3420-3380
m-s
νs(NH2)
-CO-NH2
1690-1670
+
w-m,br
ν s(NH2)
-NH2
3210-3160
+
m
ν(NH)
-CO-NH-, trans
3100-3070
3640-3150
3600-3100
3450-3300
3400-3250 3370-3270
-32-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
+
m-s
ν as(NH2)
-CONH2
3220-3180
3340-3300
m
ν(CH)
-C≡C-H
2140-2100
+
m,br
ν(OH)+ komb.p.
-COOH, charakteristická skupina pásů 2500-2700
1740-1680
+
v
ν(OH)
-C=N-OH
1690-1650
+
m-s
νs(NH2)
-CONH2
1670-1650
+
w-m,sh
2xδ(NH2)
-NH2, 1.svrchní tón, zesílený Fermiho rezonancí, pozorovatelný u kapalin
1650-1580
3200-2500
v,br
ν(OH)
-OH, intramol. chelatační H-vazba
1420-1260
+
m
ν(NH)
-CO-NH-, cis
okolo 3080
+
w
svrchní tón amid.p.II
-CO-NH-, trans
1570-1515
3095-3075
m
ν as(CH2)
>C=CH2
1985-1780
3100-3000
m
ν(CH)+ komb.p.
Ar, několik pásů, počet klesá s růstem substituce jádra, pro Ar-NO2 deriváty 1. maximum i okolo 3100
2000-1650
+
w
komb.p.?
-CO-NH-, cis
1680-1630
3050-2995
m
ν(CH)
=CH-
izolované: 1685-1620 konjugované: 1650-1590
2995-2940
m-s
νas(CH3)(1)
-(C)-CH3, -(O)-CH3
2895-2840
2955-2915
m
ν as(CH2)
-(C)-CH2-, -(O)-CH2
2880-2835
2890-2880
w
ν(CH)
C-H, nasyc.
1340
2895-2840
m-s
νs(CH3)
-(C)-CH3, -(O)-CH3
1470-1385
3360-3320
3300-2500
3300-3130 3220-3180 3210-3160
3180-3140 3100-3070
3080
-33-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
2880-2830
m
νs(CH2)
-(C)-CH2-, -(O)-CH2
1480-1385
2830-2810 2745-2650
w-m w
ν(CH) ν(CH)+ svrchní tón
-CHO -CHO, obvykle okolo 2720
g
s
ν(CO2)
oxid uhličitý, obvykle ruší ve spektru dublet 2360, 2335
2285-2250
vs
ν as(N=C=O) -N=C=O, isokyanát
1460-1340
2270-2200
v
ν(C≡N)
-C≡N
-
2260-2190
w
ν(C≡C)
-C≡C-, u sym. molekuly chybí
-
2140-2100
w-m
ν(C≡C)
-C≡C-H
1375-1225
2000-1650
w
svrchní tón a komb.p.
Ar, skupina 2-6 pásů charakt. pro typ substiuce
1625-1585
1985-1775
w
2xγ(CH)
R-CH=CH2, RR'-C=CH2
1690-1620
1870-1780
vs
ν as(C=O)
-CO-O-CO-
1800-1710
1840-1770
s
ν(C=O)
β,γ- laktony
1370-1160
1800-1710
s
ν s(C=O)
-CO-O-CO-, separace obou (C=O) pásů obvykle 60 cm 1
-
1800-1750
vs
ν(C=O)
vinyl a fenylestery
1310-1250
1800-1740
s
ν(C=O)
-COOH, monomerní
1380-1280
1750-1720
s
ν(C=O)
-CO-O-, nasycené estery
1300-1150
1750-1690
s
ν(C=O)
R-CO-R,' nasycené ketony
1325-1175
1745-1650
vs
ν(C=O)
-CHO, POZOR ! předchozí char. pásy 2830-2650
1440-1325
1740-1705
s
ν(C=O)
-CO-O-, α,β-nenas. estery
1345-1250
1730-1705
s
ν(C=O)
Ar-CO-O-R, estery aromátů
1330-1250
2350
-34-
}
1740-1685
670
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
1725-1720
vs
ν(C=O)
H-CO-O-R
1195-1180
1725-1700
vs
ν(C=O)
-COOH, dimerní forma
1440-1395
1715-1680
vs
ν(C=O)
Ar-COOH, dimerní forma
1440-1395
1705-1650
vs
ν(C=O)
ArCO-, α,β-nenas. ketony
okolo 1300
1700-1665
s
ν(C=O) amid.p.I
-CO-NH-
1550-1510
1690-1670
s
ν(C=O)
-CO-NH2
1620-1590
1690-1650
w
ν(C=N)
C=N-OH
1475-1315
1685-1620
w-m
ν(C=C)
>C=C<, >C=CH2
1440-1290 a/nebo 1000-650
+
s
ν(C=O) amid.p.I
-CO-NH-
1570-1515
+
s
ν(C=O) amid.p.I
-CO-NH2
1650-1620
+
s
ν(C=O)
-CO-N<, stejný vlnočet i v roztocích
-
+
w-m
δ(NH2) amid.p.II
-CO-NH2
1420-1400
1650-1580
s-m
δ(NH2)
-NH2
Ar:1360-1200 R :1100-1000
1650-1590
m
ν(C=C)
-C=C-C=C-, často dva pásy: slabší u cca 1650, silnější 1605
1640-1580
vs
ν(C=O)
enol forma β-diketonů
-
+
v
δ(H2O)
H2O, krystalová v., v. v rozpouštědle
-
1625-1585
v
ν(C=C)
Ar, obvykle 1600
1590-1570
1620-1590
w-m
δ(NH2)
-CO-NH2
1420-1400
1680-1630
1670-1650
1670-1630
1650-1620
1645-1615
-35-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
+
s
νas(COO- )
-COO-
1420-1335
1590-1570
v
ν(C=C)(2)
Ar, intenzivní pouze při konjugaci, obvykle 1580
1525-1470
1580-1490
w
δ(NH)
-NH-
1190-1170
+
s
δ(NH) amid.p.II
-CO-NH-, trans
1305-1200
1570-1485
vs
νas(NO2)
-NO2
1385-1315
1550-1510
s
δ(NH) amid.p.II
-CO-NH-, trans
1350-1200
1525-1470
v
ν(C=C)
Ar, obvykle 1490 a silnější než 1600 cm 1
1465-1415
1480-1440
m
δd(CH3)
-(C)-CH3, -(O)-CH3 1395-1345 (může se překrývat s pásem Ar)
1470-1440
m
δ(CH2)
-(C)-CH2, -(O)-CH2785- 720 (může se překrývat s pásem Ar)
1475-1315
m
δ(OH)
C=N-OH
960- 930
1465-1415
v
ν(C=C)
Ar
900- 670
1460-1340
w
νs(NCO)
-N=C=O
-
1450-1390
s
δd(CH3)
CH3-(C=O)-O-, CH3-N<, CH3-(C=O)-C-, CH3-(S=O)-C-
1385-1300
1445-1385
m-s
δ(CH2)
-CH2-(X), X:-(C=O)-, -COOR, -C=C-, -C≡C-, Ar, -CN, NO2, Cl, Br
785-720
1440-1395
w
δ(OH)+ ν(CO)
-COOH, dimerní forma
1320-1210
1440-1325
m
δ(CH)
-CHO
975-780
1440-1390
m
δ(CH2)
-HC=CH2
1300-1290
1610-1550
1570-1515
-36-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
1440-1310
m-s
δ(COH)
terc.-OH, Ar-OH (pozor na překryv pásů)
1260-1100
1420-1400
m
ν(CN) amid.p.III
-CO-NH2
1150
+
m
νs(COO- )
-COO-
-
1415-1350
w
δ(CH)
-CH=CH-, cis
1000- 665
1395-1345
m-s
δs(CH3)
CH3-(C)-,CH3-(O)-,
1255-1125
1420-1335
(odkaz platí pouze pro dublet) v případě výskytu dubletu, jehož obě složky jsou zhruba stejně intenzivní, je ve struktuře látky přítomno rozvětvení >C(CH3)2; v případě dubletu, jehož složka o nižším vlnočtu je zhruba 2x intenzivnější, je ve struktuře látky přítomna skupina -C(CH3)3. Pokud ve spektru studované látky není přítomen dublet, ale pouze singlet, je tím potvrzena přítomnost skupiny CH3-(C)- či CH3-(O)- a zároveň vyloučeno možné výše uvedené rozvětvení.
1385-1330
m-s
δs(CH3)
CH3-(C=O)-, CH3-(C=O)-O-
-
1385-1315
vs
νs(NO2)
-NO2
-
1380-1280
m-s
δ(OH)
-COOH, monomerní forma
1190-1075
1375-1225
w-m
δ(CH)
-C≡C-H
695-575
1370-1310
m
δs(CH3)
CH3-(N<)
-
1370-1160
s
ν(CO)
β,γ-laktony
-
1360-1250
s
ν(CN)
Ar2NH, Ar-NH-R
1280-1180
1360-1200
s
ν(CN)
ArNH2
-
1350-1340
m
δ(CH)
>C=CH-
850-790
1350-1300
m
δ(CH)
-HC=CH-, trans
980-955
1350-1300
w-m
ν(CN) amid.p.III
-NH-CO-
800
1350-1260
s
δ(COH)
ROH, R2OH, (prim. a sekund.)
1130-1020
1345-1250
s
ν(C-O) + ν(C-C)
-CO-O-, α,β-nenas. estery, pás širší než u ketonů
1200-1150
-37-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
cca 1340
w
δ(CH)
-C-H, nasyc.
-
1340-1300
m-s
δs(CH3)
CH3-(S=O)-C-
-
1330-1250
vs
νas(COC)
Ar-CO-O-R, širší než u ketonů
1150-1080
1325-1290
w
ν(CH)
-CH=
1000- 665
1325-1175
m-s
ν(CC)
R-CO-R' (často obtížně rozpoznatelný)
1100
1320-1310
m-s
ν(CO)
-COOH, dimerní forma, někdy dublet
955-915
1305-1200
w
amid.p.III
-CO-NH-, trans, obvykle 1260
770- 620
okolo 1300
m
δ(C-CO-C)
Ar-CO-Ar(-R), obecně několik pásů
1225-1075
1300-1290
w
δ(CH)
-CH=CH2
995-900
1300-1150
vs
νas(COC)
R-CO-O-R, nasyc. (obvykle širší než u ketonů)
1160-1050
1280-1180
s
ν(CRN)
Ar-NH-R
-
1275-1230
vs
νas(COC)
=C-O-C
1120-1020
1260-1150
s
ν(CO)
Ar-OH
-
1255-1245
m
ν(CC)
-C(CH3)3
1225-1165
1225-1165
m
ν(CC)
-C(CH3)3
930- 925
1225-1075
s
ν(CArC)
Ar-CO-
-
1220-1190
w
>C(CH3)2
-
1215-1100
s
ν(CO)
R3C-OH, (terc.)
-
1200-1150
s
νs(COC)
R-CO-O-R', α,β-nenasyc.
-
1195-1180
vs
νas(COC)
HCOOR
1160-1050
-38-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
1190-1170
m
ν(CN)
R2NH
750- 700
1190-1075
s
ν(CO)
-COOH, monomerní forma
-
1175-1165
m
ν(CC)
-CH(CH3)2
1150-1130
1160-1050
s
νs(COC)
R-CO-O-R', nasyc.
-
1155-1060
s
νas(COC)
-O-, alifat.ethery
1140- 900
1150-1130
w-m
-CH(CH3)2
840- 790
1140- 900
s
νs(COC)
-O-, =C-O-C, alifat.ethery
-
1130-1065
s
ν(CO)
R2CH-OH, (sekund.)
-
okolo 1100
m
ν(CCC)
R-CO-R', několik pásů při delších řetězcích
-
1100-1000
w-m
ν(CN)
RNH2, často překryt ostat. pásy 900- 650
1085-1020
s
ν(CO)
R-OH, (primar.)
-
995- 980
s
γ(CH)
-CH=CH2
915- 905
980- 955
s
γ(CH)
R-CH=CH-R, trans
-
975- 780
w
γ(CH)
-CHO
-
960- 930
m
ν(NO)
-C=N-OH
-
955- 915
m,br
γ(OH)
-COOH, dimerní forma
-
930- 925
m
-C(CH3)3
-
915- 905
s
γ(CH)
R-CH=CH2
-
900- 650
s,br
γ(NH)
-NH2
-
900- 830
m-s
γ(CH)
Ar, izolovaný H: subst. 1,3-, 1,2,3,5-, 1,2,4,5-, 1,2,3,4,5-
-
895- 885
s
γ(CH)
RR,, C=CH2
-
-39-
Tabulka I – pokračování Vlnočet, cm−1
Intenzita
Přiřazení
Funkční skupina
Další charakteristický pás
860- 800
s
γ(CH)
Ar, 2 soused. H-atomy: subst. 1,4-, 1,2,3,4-
-
850- 790
s
γ(CH)
RR'C=CHR''
-
840- 790
w
-CH(CH3)2
-
820- 760
m
γ(CH)
Ar, 3 soused. H-atomy: subst. 1,3-, 1,2,3-
730- 680
cca 800
m-s,br
γ(NH)
-NH-CO-, cis
-
785- 750
w-m
ρ(CH2)
-CH2-CHx, x≠2
-
770- 735
s
γ(CH)
Ar, 4 soused. H-atomy: 1,2-
-
770- 735
s
γ(CH)
Ar, 5 soused. H-atomů: monosubstit.
730- 680
770- 620
m,br
γ(NH)
-NH-CO-, trans
-
750- 700
s,br
ω(NH)
-NH-
-
750- 600
m,br
γ(NH2)
-CO-NH2
-
750- 735
w-m
ρ(CH2)
propyl, (CH2)n-(O)-, n>4
-
735- 720
w-m
ρ(CH2)
(CH2)n-(C)-, n>3
-
730- 665
m
γ(CH)
R-CH=CH-R', cis
-
730- 680
s
γ(CH)
Ar, monosubstit., 1,3-, 1,2,3-, 1,2,4-
-
695- 575
m-s
δ(CH)
-C≡C-H
-
okolo 670
s
γ(CH)
Ar, 6 soused. H-atomů, benzen
-
δ(CO2)
CO2, oxid uhličitý
-
g
670
Poznámka:
w (1)
Valenční vibrace νas(CH3) by měla být správně označena νd(CH3). Označení νas se však běžně používá, a bylo proto zachováno i v této tabulce. -40-
(2)
Konjugace benzenového jádra s další funkční skupinou.
Použité zkratky: Intenzita: s - silná, m - střední, w - slabá, v - proměnná, br - široký pás, sh - raménko (anglicky shoulder). Popis vibračních kmitů: ν - valenční, δ - deformační, γ - mimorovinný, ω - kývavý (anglicky wagging), ρ - kolébavý (angl. rocking), as - antisymetrický, s - symetrický, d - degenerovaný, amid.p. I - III - označení amidických pásů I - III, vystihující silné spřažení vibrací v amidech, komb.p. - kombinační pásy. R - alkyl, Ar - aryl. Vysvětlivky: Běžně jsou uvedeny vlnočty získané ze spekter roztoků látek v organickém rozpouštědle. Odlišují-li se charakteristické vlnočty ze spekter pevných, kapalných či silně asociovaných vzorků, pak jsou označeny symbolem +; charakteristiky plynných látek symbolem g. Absorpční pás je charakteristický pro uvedenou funkční skupinu. V případech, kdy poloha absorpčního pásu závisí na zbytku molekuly, absorpční pás charakterizuje podtrženou část molekuly. Zbytek (alkylovou skupinu, aromát, atd.) je nutno prokázat nalezením jemu odpovídajících absorpčních pásů. Při hledání v tabulce se předpokládá postup od vyšších vlnočtů k nižším. V rubrice "Další charakteristický absorpční pás" je uvedena oblast, ve které se musí vyskytovat absorpční pás (či více pásů) charakteristický pro danou funkční skupinu. Pokud další vlnočet uveden není, je tím seznam absorpčních pásů významných pro charakterizaci dané funkční skupiny vyčerpán. V případech, kdy se v dané oblasti překrývá absorpce funkčních skupin, je samozřejmě nutné zkoumat všechny možnosti, které pro přiřazení přicházejí v úvahu.
Tabulka I byla sestavena z údajů uvedených v publikacích: 1) G. Sokrates, Infrared Characteristic Group Frequencies, J.Wiley, Chichester, 1980 2) N. P. G. Roeges, A Guide to the Complete Interpretation of Infrared Spectra of Organic Structures, J.Wiley, Chichester 1993 3) Spectool for Windows 2.1, A Hypermedia Book for Structure Elucidation of Organic Compounds with Spectroscopic Methods, Chemical Concepts, Weinheim 1994.
-41-
