Spektriniai analizės metodai

Mokymosi tikslai

Baigę pamoką gebėsite nusakyti IR, $^1$ H BMR ir MS teikiamą informaciją, skaityti pateiktą spektrų lentelę ir iš kelių nepriklausomų įrodymų nustatyti nedidelio organinio junginio sandarą.

Sąvokos

Spektras – signalo intensyvumo priklausomybė nuo energijos, dažnio, poslinkio ar $m/z$ .
Cheminis poslinkis – BMR branduolio aplinką apibūdinanti $\delta$ reikšmė.
Integralas – BMR signalo plotas, proporcingas tos aplinkos protonų skaičiui.
Molekulinis jonas – jonizuota nesuskaidyta molekulė, galinti parodyti molekulinę masę.

Prisimink

Spektre smailė yra instrumento signalas, o ne tiesioginis molekulės paveikslas. Viena smailė retai įrodo visą struktūrą. Pirmiausia nustatome molekulinę formulę ar molinę masę, tada funkcines grupes ir skirtingas H aplinkas.

Infraraudonoji spektroskopija

Supaprastintas etanolio IR spektras su plačia O–H ir C–O sugerties sritimis

IR spinduliuotė sužadina ryšių virpesius. Sugerties padėtis paprastai pateikiama bangos skaičiumi $\tilde\nu$ vienetais $\mathrm{cm^{-1}}$ . Naudokitės prie užduoties pateikta lentele. Tipiniai diagnostiniai požymiai: plati O–H sritis, ryški C=O smailė ir C–H sričių skirtumai. Smailės nebuvimas taip pat yra įrodymas: jei nėra C=O sugerties, aldehidas, ketonas, rūgštis ar esteris mažai tikėtini.

Protonų BMR

$^1$ H BMR signalų skaičius rodo chemiškai skirtingas protonų aplinkas. Integralas rodo santykinį protonų skaičių, cheminis poslinkis $\delta$ – aplinkos ekranavimą. Paprastame pirmos eilės spektre kaimyninių lygiaverčių H skaičius $n$ dažnai duoda $n+1$ signalų skaidymą.

Etanolio $\ce{CH3CH2OH}$ spektre tikimės trijų aplinkų: $\ce{CH3}$ , $\ce{CH2}$ ir OH. $\ce{CH3}$ greta dviejų H dažnai yra tripletas, $\ce{CH2}$ greta trijų H – kvartetas; OH skaidymas gali būti nepastovus ir užduotyje vertinamas pagal pateiktus duomenis.

Masių spektrometrija

MS junginys jonizuojamas ir fragmentai atskiriami pagal masės bei krūvio santykį $m/z$ . Molekulinio jono smailė gali parodyti molekulinę masę, bazinė smailė yra intensyviausia (100 %), bet nebūtinai molekulinis jonas. Izotopų smailės padeda atpažinti kai kuriuos halogenus pagal pateiktą santykį.

Išspręstas pavyzdys

Užduotis. Molekulinis jonas atitinka $M_r=60$ , formulė $\ce{C3H8O}$ , IR yra plati O–H sugertis, o BMR rodo anglies vandenilių protonų signalus santykiu 6:1 ir OH signalą. Nustatykite junginį.

$M_r=60$ dera su pateikta formule, todėl neatmetame molekulinio jono.
Plati O–H sugertis rodo alkoholį, ne eterį.
Šeši lygiaverčiai H reiškia dvi vienodas $\ce{CH3}$ grupes; vienas likęs C–H yra tarp jų.
Vienintelė šiuos duomenis atitinkanti sandara yra $\ce{(CH3)2CHOH}$ .

Atsakymas: propan-2-olis. Vien IR jo nuo propan-1-olio neatskirtų.

Dažnos klaidos

Bazinę MS smailę visada laikyti molekuliniu jonu.
BMR smailių skaičių prilyginti bendram H atomų skaičiui.
IR „piršto atspaudo“ sritį interpretuoti be etaloninio spektro.
Iš vieno požymio paskelbti vienintelę struktūrą, nepatikrinus formulės ir kitų spektrų.

Duomenų tyrimas

Kiekvienam siūlomam izomerui sudarykite prognozių lentelę: molekulinė masė, būtinos IR grupės, BMR aplinkų skaičius ir integralai. Atmeskite kandidatą tik nurodydami konkretų nesutapimą. Spektrometrai naudojami pagal laboratorijos instrukcijas; mėginių tirpikliai vertinami kaip potencialiai lakūs ir degūs.

Kraunama pamokos praktika…

Santrauka

IR pirmiausia atpažįsta ryšių ir funkcinių grupių požymius.
$^1$ H BMR atskleidžia protonų aplinkų skaičių, santykį ir kaimynystę.
MS teikia molekulinės masės, izotopų ir fragmentacijos informaciją.
Patikima struktūra turi paaiškinti visus pateiktus duomenis.

Oficialūs šaltiniai

SRC-BP-V1269 – III gimnazijos klasės IR, $^1$ H BMR ir MS turinio ribos.
SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus programos atvaizdavimas.
SRC-IR-2025 – spektrų interpretavimo mokymosi seka ir pavyzdžiai.
SRC-IUPAC-GOLD-BOOK – spektroskopijos ir masių spektrometrijos terminų apibrėžtys.
SRC-NIST-WEBBOOK – etaloninių IR ir masių spektrų duomenų bazė.