Методы исследования органических соединений

Электронные спектры  поглощения ( и эмиссии) используются для характеристики энергетических уровней электронов в органических соединениях. При увеличении числа π-электронов в сопряженной системе появляется поглощение в видимой области спектра, соединения становятся цветными. Например: при длине волны 430-480 нм цвет поглощенной спектральной области  - синий, а наблюдаемый цвет – желтый или желто-оранжевый; при 490-500 нм цвет поглощенной спектральной области – сине-зеленый, а наблюдаемый цвет – красный; при 580-595 нм цвет поглощенной спектральной области – желтый, а наблюдаемый цвет – синий и т.д.

Электронные спектры  поглощения незаменимы для исследования структуры органических веществ, т.к. для многих группировок химических связей характерны определенные длины  волн максимумов поглощения и интенсивности  поглощения. Эти спектры незаменимы для изучения межмолекулярного взаимодействия – образования комплексов с переносом заряда (π-комплексов). Они могут быть использованы при количественных определениях органических соединений в растворах.

Инфракрасная  спектроскопия

Атомы в молекуле, даже при отсутствии внешнего воздействия, совершают определенные колебания. Эти колебания подразделяются на валентные (обозначаются ν), при которых изменяется расстояние между атомами вдоль оси связи, т.е. происходит растяжение и сжатие связи, и деформационные (обозначаются δ), когда изменяется угол между связями.

При воздействии  на вещество относительно слабого электромагнитного  излучения, каким являются тепловые инфракрасные лучи с длиной волн 2-20 мкм, поглощается часть энергии, соответствующая частоте, с которой  колеблются те или иные связи в молекуле. В ИК-спектрах чаще указывают не значения для волн, а их обратную величину – частоту, или волновое число.

Для ИК-спектров органических соединений характерно то, что колебания атомов или групп  атомов весьма специфичны. Это дает возможность сделать вывод о присутствии тех или иных групп в молекуле по появлению в спектре определенных максимумов поглощения, называемых часто полосами, так как они имеют довольно узкие диапазоны для каждого соединения.  Например, поглощение оксогруппы в альдегидах и кетонах лежит в области 1700-1740 см^-1. Свои характеристические частоты имеют связи C-H в алканах (2850-2960 см^-1), алкенах (3010-3100 см^-1) и алкинах (≈3300 см^-1). Валентные колебания группы С=O проявляются не только в оксосоединениях, о и в карбоновых кислотах и их производных (сложных эфирах, амидах, ангидридах, галогенангидридах и др.), и это поглощение также приходится на достаточно узкую часть спектра (1600-1820 см^-1). Из ИК-спектров можно получить сведения о наличии кратных связей не только по различным полосам связей C-H, но и связей С=С (1500-1680 см^-1) и С≡С (2100-2300 см^-1). Важно подчеркнуть, что характеристические частоты мало изменяются при переходе от одного соединения к другому. Лишь поглощение группы ОН может проявляться в довольно широком диапазоне ИК-спектра (2500-3700 см^-1) в зависимости от того, является ли эта группа спиртовой, фенольной или входит в состав карбоксильной группы, участвует ли она в образовании водородных связей.

ИК-спектр записывается аналогично электронному спектру с той разницей, что вместо интенсивности поглощения обычно регистрируется интенсивность пропускания образцом ИК-излучения, и спектр получается как бы перевернутым.

Ик-спектроскопия  позволяет подтверждать идентичность 2-х образцов, например известного соединения с заведомым стандартом; проводить количественный анализ, поскольку интенсивность поглощения в определенных областях спектра пропорциональна концентрации вещества; подтверждать структуру синтезированного соединения или устанавливать фрагменты неизвестной структуры по характеристическим частотам функциональных групп и связей.

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный Магнитный  резонанс (ЯМР) является радиоспектроскопическим  методом. Он основан на измерении  поглощения веществом радиоизлучения определенной частоты вследствие энергетических переходов атомных ядер в сильном магнитном поле с одного магнитного энергетического уровня на другой. Сигнал ЯМР могут вызвать только ядра со спиновым квантовым числом, отличным от нуля. Ядра, не имеющие магнитного момента спина, например не пригодны для экспериментов по ЯМР. Наиболее удобны для ЯМР-спектроскопии ядра, имеющие полуцелый спин, например

Ядра с целым  спином ( тоже активны в ЯМР-спектрах, но дают малоинтенсивные по сравнению с ядрами сигналы.

 

Примеры ЯМР

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 58 приведена  для примера спектрограмма ЯМР для N-этилэтиленимина. Эта спектрограмма привела к интересным выводам, что в молекуле N-этилэтиленимина атом азота и непосредственно с ним связанные три атома углерода не лежат в одной плоскости и взаимные превращения (инверсии) типа

происходят  не чаще чем 80 раз в секунду.

 

Метод ЯМР является самым эффективным для определения структуры органического соединения, особенно при применении всей гаммы ядер ( и др.). Этим методом изучают не только структуру, но и межмолекулярное взаимодействие, таутомерные равновесия, кинетику реакций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Методов исследования органических веществ очень много и у всех свой принцип действия, свои характеристики и возможности. Из огромного числа методов стоит думаю выделить все же физико-химические методы исследования, т.к. они основаны в основном на измерении физических величин какого-либо соединения и идентификации этого вещества по стандартным значениям физических величин. Физические величины (длина волны спектра, сила тока, тепловой эффект реакции и др.) присущи индивидуально  каждому элементу и у всех они имеют свое значение, которое может отличаться и на десятую, а то и сотую долю, но главное это различие есть. И вдобавок к этому, физико-химические методы исследования основаны на использовании высокотехнологического оборудования, что уже является гарантией точного результата. Отсюда вывод, что физико-химические методы являются наиболее точными, нежели другие методы (возгонка, кристаллизации и др.), при которых не мала вероятность допущения ошибки во время эксперимента и вследствие - возникновение погрешностей, что очень повлияет на конечный результат. В целом все методы имеют свои достоинства и недостатки, главное умение правильно подобрать метод для исследования определенного органического соединения, учитывать возможности метода и характеристики элемента, их соответствие требованиям метода исследования. 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. О.Я. Нейланд. Органическая химия, Москва. «Высшая школа», 1990.
2. Органическая химия под ред.Н.А. Тюкавкиной, Москва. «Медицина», 1998.
3. В.П. Васильев. Аналитическая химия. 2 часть. Физико-химические методы анализа, Москва. «Высшая школа», 1989.