3 курс / Фармакология / ИК_спектроскопия_в_фармацевтическом_анализе_Мельникова_Н_Б_,_Зимнякова

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Российского федерального агентства здравоохранения и социального развития

Фармацевтический факультет

__________________________

Кафедра фармацевтической химии и фармакогнозии

Учебно–методическое пособие для студентов 5 курса фармацевтического факультета

Нижний Новгород

2006

УДК 615.1

ИК–спектроскопия в фармацевтическом анализе: Учебно-методическое пособие для студентов 5 курса фармацевтического факультета. – Нижний Новгород: Изд-во Нижегородской государственной медицинской академии, 2006.

Учебно–методическое пособие составлено для студентов 5 курса фармацевтического факультета в соответствии с программой по фармацевтической химии (Москва, 2002 г.). В пособии рассмотрены общие теоретические положения инфракрасной (ИК) спектроскопии и методы установления подлинности, доброкачественности лекарственных средств.

Рекомендовано к изданию Центральным методическим советом Нижегородской государственной медицинской академии. Протокол № 3 от 28 ноября 2005 года.

Составители: Н.Б. Мельникова, О.Е. Зимнякова, В.М. Пожидаев,

Т.В. Саликова, М.С. Гусихина.

Рецензент: профессор кафедры «Биотехнологии, физической и аналитической химии» Нижегородского государственного технического университета, д.х.н. Арбатский А.П.

© Н.Б. Мельникова, О.Е. Зимнякова, В.М. Пожидаев, Т.В. Саликова,

М.С. Гусихина, 2006.

2

СОДЕРЖАНИЕ

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

Теоретические положения метода . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Лабораторная работа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Перечень приобретаемых навыков и умений . . . . . . . . . . . . . .25

Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26

Приложение 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Приложение 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3

ВВЕДЕНИЕ

Явление взаимодействия веществ с ИК -излучением было от-

крыто У.Эбни и И.Фестингом в 1861 г. В настоящие время ИК -

спектрофотометрия стала одним из основных методов исследова-

ния веществ различной химической природы, в том число и ле-

карственных соединений.

Впервые метод стал фармакопейным с 1968 г (ГФ X), где он рекомендовался для контроля качества трех лекарственных ве-

ществ: фторотана, оксациллина и метициллина натриевых солей,

а в разделе "Общие методы физико-химического, химического и биологического исследования" фармакопеи помещен материал,

касающийся некоторых практических вопросов ИК-

спектрофотометрии. Со времени выхода 10-го издания фармако-

пеи число препаратов, при исследовании которых рекомендуется метод, значительно выросло, что можно проследить на примере дополнений к фармакопее, издаваемых ежегодно, и отдельно вы-

пускаемых фармакопейных статьях. Наряду с ультрафиолетовой ИК -спектрофотометрия включена во все современные фармако-

пеи. Так, Международная фармакопея (Женева, 1990 г) рекомен-

дует этот метод практически в анализе половины описанных в ней лекарственных веществ. Получать ИК-спектры можно не только для субстанций, но и в ряде случаев для готовых препара-

тов. Для этого необходимо, чтобы вспомогательные вещества,

входящие в состав препарата (например, таблеток), не подавляли спектр действующего вещества. Это условие обычно выполняет-

ся, если процентное содержание вспомогательных веществ не

4

слишком велико - обычно менее 60—70%. ИК-

спектрофотометрия является обязательным методом контроля веществ - стандартных образцов, кроме того, она в настоящее время включается в ФС на многие лекарственные вещества.

Метод используется в фармакопейном анализе для доказа-

тельства отличия лекарственных веществ близкого химического строения (одного ряда). Например, в ФС на эстоцин-препарат из группы эфиров арилалифатических кислот требуется, чтобы в ИК-спектре, снятом в вазелиновом масле, отсутствовала характе-

ристическая полоса поглощения свободной гидроксильной груп-

пы в области 3300-3500 см-1 (отличие от амизила и метацина).

Примеси проявляются в появлении "лишних" полос, измене-

ние формы, интенсивности и резкости отдельных полос.

Направления практического применения

ИК-спектрофотометрии в фармацевтическом анализе

ИК-спектрофотометрия используется:

при установлении структуры новых БАВ получаемых путем химического синтеза или выделяемых из природных объектов

(животное или растительное сырье, продукты жизнедеятельности микроорганизмов); изучении строения метаболитов;

при испытании на подлинность лекарственных веществ;

определении доброкачественности лекарственных соединений;

количественном анализе;

контроле технологического процесса в промышленном про-

изводстве фармпрепаратов (полнота протекания).

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ МЕТОДА

ИК-спектрофотометрия - метод исследования веществ, ос-

нованный на поглощении ИКизлучения, в результате чего про-

исходит усиление колебательных и вращательных движений мо-

лекул. Большее проявление имеют колебательные движения, по-

этому ИКспектры, называются колебательными (или молеку-

лярными).

Атомы в молекулах никогда не находятся в состоянии покоя,

а колеблются относительно каких-то средних положений, отчего расположение их относительно друг друга периодически изменя-

ется. ИК-излучение усиливает эти колебания, при этом часть энергии излучения теряется. Фиксируется ослабление прошедшего ИК-излучения. (J)=J0-Jпотери как функция длины волны (так же, как в электронных спектрах).

Энергия, необходимая для возбуждения колебаний атомов в молекуле, соответствует энергии квантов света с длиной волны 1-

15 мкм или волновым числом 400-4000 см-1, т.е. электромагнит-

ному излучению средней инфракрасной области. Области примы-

кающие к ней называются ближней инфракрасной от 12500-4000

см-1 и дальней инфракрасной от 625-50 см-1. Слова ближний и дальний характеризуют близость к области видимого света.

Колебательные уровни молекул квантованы, энергия перехо-

дов между ними и, следовательно, частоты колебаний могут иметь только строго определенные значения. Поглощая квант света, молекула может переходить на более высокий колебатель-

6

ный уровень, обычно из основного колебательного состояния в возбужденное.

Поглощение инфракрасного излучения вызывают колебания связанные с изменением либо длин связи, либо углов между свя-

зями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает периодически растягиваться определенная связь или искажаться определенный угол между связями.

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

Колебания, заключающиеся в изменении длины связи между связанными атомами и не сопровождающиеся отклонением от межъядерной оси, называются валентными, т.о. валентными ко-

лебаниями называются колебания ядер атомов вдоль линии связи,

они обозначаются буквой ν (ν С=С, ν С=О).

Валентные колебания располагаются в области больших час-

тот 4000-1400 см-1, деформационные - в области низких < 1400

см-1. В зависимости от природы колебания подразделяются на скелетные (800-1500 см-1) и колебания групп (>1500 см-1).

Наряду с указанными основными в спектре наблюдаются обертоны, полосы резонансного взаимодействия, составные поло-

сы, возникающие в результате взаимодействия полос поглощения отдельных атомов.

Колебательными спектрами обладают не все молекулы, а

только те, у которых при колебании происходит изменение ее ди-

польного момента. Например, HCI, H2O, но не Cl2, N2, O2, и т.д.

7

Приближенной механической моделью валентных колебаний может служить система из двух шаров, связанных пружиной (ша-

ры изображают атомы, а пружина - химическую связь). При рас-

тяжении или сжатии пружины шары начнут колебаться вокруг положения равновесия, т.е. будет осуществляться гармоническое колебание, описываемое уравнением

ν- частота колебания;

F - силовая постоянная; характеризующая прочность связи,

или силу, возвращающую шары в положение равновесия;

mr - приведенная масса атомов, вычисляемая по формулам:

m m

mr m1 m2 , где

1 2

m1 и m2 – массы атомов.

валентные колебания могут быть симметричными (νs ), если обе связи одновременно удлиняются или укорачиваются и пары

атомов одновременно приближаются и отделяются;

m1 m2 m1 m2

и антисимметричными, если одна из связей укорачивается, а

другая - удлиняется (νаs ), этом случае приближение и отдаление разных пар атомов происходит не одновременно

8

число полос в спектре не всегда равно этому числу. Оно может уменьшаться вследствие того, что часть полос не проявляется в ИК-спектре, что связано со степенью симметрии молекулы.

Уменьшение числа полос происходит из-за того, что для доста-

точно симметричных молекул различные колебания могут иметь одинаковые частоты и в результате этого в спектре проявляется вместо 2-3 лишь одна полоса.

Интенсивность поглощения в ИК-спектрофотометрии обычно выражают как поглощение (Д) или чаще как пропускание (Т) све-

тового потока в процентах

T ,% J 100

J 0

Полосы также оцениваются ориентировочно как сильные (с),

средние (ср) и слабые (сл).

При изучении взаимодействия с ИКизлучением веществ различного химического строения (модельные соединения) было установлено, что многие атомные группы такие как -ОН, - NH2, -NO, >СО, а также определенные связи, такие как С-Н, С-С, С=С,

С=О, характеризуются определенными частотами, мало отли-

чающимися в различных соединениях. Такие частоты получили название характеристических или групповых частот. Они обозна-

чаются греческой буквой ν и для основных классов органических соединений приведены в табл.1-5.(приложение 2)

Частота валентных колебаний определяется массой атомов и прочностью (энергией) связи. Чем больше масса, тем меньше час-

тота, например

10