А.В. Мазепа

Физико-химические методы исследования лекарственных препаратов

Одесса

2009

Содержание:

1. Спектральные методы анализа

2. УФ – спектроскопия (электронная)

3. Сущность поглощения

4. Предельные углеводороды

5. Инфракрасная спектроскопия

6. Виды колебаний

7. Анализ ИК спектра

8. Спектроскопия координационного рассеяния

9. ЯМР – спектроскопия

10. Процессы релаксации

11. Химический сдвиг

12. Спин-спиновое взаимодействие

13. Константы спин-спинового взаимодействия

14. Методы упрощения спектров

Спектральные методы анализа

В основе всех спектральных методов лежит воздействие на вещество каким-либо физическим фактором и и регистрация реакции вещества на это воздействие. Чаще всего в качестве такого физического фактора выступает электромагнитное излучение.

При взаимодействии вещества с излучателем происходит частичное поглощение энергии излучения в результате чего внутренняя энергия вещества увеличивается.

ΔЕ = Е₁ – Е₀ = hν;

;

где h- постоянная Планка; ν- частота излучений; λ – длина волны.

Чем больше длина волны, тем меньше излучение.

Важно отметить , что поглощение веществом энергии происходит только в том случае, если энергия соответствует разнице в энергии энергетических уровней вещества, которые в свою очередь определяются структурной. Таким образом, отсюда следует, что в зависимости от строения каждое вещество будет поглощать излучение строго определенной частоты или длины волны. Вещество поглощает определенные частоты излучения во всем диапазоне частот электромагнитных волн. При этом в зависимости от длины волны, а значит и энергии излучения в веществе происходят различные процессы, что позволяет классифицировать виды спектроскопии.

При поглощении веществом энергии с такой длиной волны

λ= 10^-11-10^-8 см происходит изменении энергетических уровней нуклонов ядра. Эти переходы изучаю γ-резонансное или мёссбауэровская спектроскопия.

Поглощение энергии в диапазоне λ= 10^-8 - 10^-6 см вызывает переходы внутренних электронов атомов. Область рентиновской спектроскопии изучает эти переходы. Поглощение энергии в диапазоне λ= 10^-6 - 10^-4 см приводит к возбуждению внешних валентных электронов в атомах и молекулах. Это область УФ - спектроскопии.

Поглощении энергии в диапазоне λ= 10^-4 -10^-2 см сопровождается изменением колебательного состояния атомов в молекуле. Это ИК- спектроскопия λ= 10^-1 - 10 - это область микроволновой спектроскопии,поглощение энергии в этом диапазоне изменяет колебательное состояние атомов в узлах кристаллической решетки.

Область выше 100 см - это область радиоволн. Поглощение энергии в этом диапазоне сопровождается изменением спинового состояния ядер этой области ЯМР-спектроскопии.

УФ – спектроскопия (электронная)

УФ – спектроскопия связана с областью поглащения 10^-6- 10^-4 см (195-1000нм).

I₀ I

d

Для оптических спектров имеются общие законы поглощения из­лучения, дающие соотношение между величиной поглощения и коли­чеством поглощающего вещества.

Первый из них, обычно приписываемый Ламберту, сформулиро­ван Бугером в 1729 г. Этот закон выражает зависимость между поглощательной способностью и толщиной слоя вещества.

Поток параллельных лучей монохроматического света при про­хождении через гомогенную поглощающую среду ослабляется по экспоненциальному закону

где Iо — интенсивность падающего монохроматического излучения; I — интенсивность прошедшего монохроматического излучения; d — толщина поглощающего слоя; k — коэффициент поглощения, является индивидуальной характеристикой вещества для каждой длины волны.

Обычно пользуются логарифмической формой записи закона Бугера — Ламберта

где k₁ =0,4343 т. е. поглощающая способность вещества D (опти­ческая плотность) пропорциональна толщине поглощающего слоя d.

Закону Бугера подчиняются все вещества.

Второй закон, сформулированный Бером в 1862 г., выражает связь между поглощающей способностью и концентрацией погло­щающего вещества в растворе: поток параллельных лучей моно­хроматического излучения при прохождении через рас­твор поглощающего вещества концентрации с ослабляется по за­кону:

где k и k₂ — коэффициенты поглощения, характеризующие ве­щество. В отличие от закона Бугера — Ламберта закон Бера не универсален. Отклонения от закона Бера связаны с межмолекулярными взаимодействиями в растворах.

Чем толще слой вещества, тем больше оптическая плотность и тем интенсивнее проходящее излучение будет уменьшатся.

Оптическая плотность (D) прямопропорциональна длине кюветы, толщине слоя и концентрации вещества в растворе.

Оптическая плотность (D) раствора зависит от длины волны (λ).

Если d=1см,а С=1моль/л, то D=k,который называется молярным коэффициентом поглощения и обозначается (E) .

УФ- спектры представляют собой графическое отображение зависимости оптической плотности (D,E или lgE )от длины волны падающего излучения, которое обозначается λ (нм).Эти спектры записываются на спектрофотометрах.

Все детали оптики спектрофотометра изготовлены из кварца, так как обычное стекло УФ- излучение поглощает.

Схема спектрального прибора

( ☼

2 1 3

4

5

6

7 8

9

Источником излучения ( 1) служит водородная лампа или обычная лампа накаливания. Испускаемый источник излучения с помощью сферического зеркала (2) фокусируется на выходную щель (3) и попадает на монохроматор (4) (в качестве монохроматора выступает кварцевая призма).

Прошедшее через монохроматор излучение попадает на щель (5) и на полупрозрачное зеркало (6),где происходит разделение потока излучения на две части. Одна часть излучения попадает на кювету с раствором вещества(7), а другая на кювету с чистым растворителем (8) (кювета сравнения). Пройдя через кюветы излучение поступает на детекторы (9) (фотоэлектронные умножители).

Для регестрации спектра объект растворяют в растворителе (предел чувствительности 10^-6).В качестве растворителей используются : диоксан, спирт, циклогексан.

Изменение угла поворота монохроматора приводит к изменению длины волны падающего на кюветы излучения. Если это излучение не поглощается в кювете с раствором вещества, то электрические сигналы от обоих детекторов будут одинаковы и их взаимное вычитание дает на спектре ровную нулевую линию.

При определенном угле поворота призмы на кюветы поступает излучение поглощаемое веществом, что приводит к различию величины сигналов от двух детекторов. Эта разница фиксируется системой регистрации в виде пика(полосы) поглощения, которая представляет собой УФ- спектр.

Полоса поглощения в спектре характеризуется двумя величинами:

1. Оптическая плотность в максимумах поглощения;

2. Длина волны соответствующая максимуму поглощения λmax.

Давно было замечено, что разные вещества имея различную структуру дают одинакокые УФ- спектры.

1. Тестостерон 2. Окись мезитила

Оказывается, что вид УФ-спектра не определяется структурой молекулы целиком, а зависит от наличия в молекуле определенных ковалентно-ненасыщенных структурных фрагментов, которые называются хромофорами. Таким образом наличие одного и тог же хромофора в молекуле с различной структурой будет приводить к одним и тем же УФ-спектрам.

Следовательно, УФ- спектроскопия не отражает строение молекулы целиком, а позволяет установить наличие в ней той или иной хромофорной группировки.

Кроме хромофоров в молекуле могут быть и ауксохромные группировки не поглащающие излучений,но оказывающие влияние на величину λmax

( -OH, -NH₂, -Hal).

Сдвиг максимального поглащения в область больших длин волн под воздействием ауксохромных группировок или растворителя называется батохромным (красным) сдвигом (сопровождаетя увеличением λmax).

Сдвиг максимального поглащения в область меньших длин волн называется гипсохромным (синим) сдвигом.

Ауксохромные группировки и растворитель могут также приводить к увеличению интенсивности поглощения, что называется гиперхромным эффектом. Уменьшение интенсивность поглощения называется гипохромным эффектом.