Глава 3. Проведение структурного анализа

ПО ИК-СПЕКТРАМ

 

Структурный анализ по ИК-спектрам сводится к отысканию характеристических полос поглощения и их отнесению к соответствующим структурным элементам. Отнесение проводится с учетом численных значений частот максимумов поглощения, контура (формы) и интенсивности полос.

В тех случаях, когда нет определенных сведений о присутствии в исследуемом веществе каких-либо групп и брутто-формула неизвестна, интерпретацию ИК-спектра целесообразно начинать с его коротковолновой части (n^/ > 1500 см ^{– 1}), где располагается большинство важнейших характеристических полос поглощения, а нехарактеристические колебания скелета проявляются лишь в виде слабых обертонов и составных частот.

В качестве полезного репера (опорного знака) для первоначальной ориентировки следует использовать имеющуюся в спектрах подавляющего большинства органических веществ на участке от 2800 до 3000 см ^–1 группу интенсивных полос валентных колебаний С – Н алкильных радикалов.

Сопоставление этих частот позволяет установить наличие СН₃ и СН₂ групп, но более детальной информации нет. Отсутствие полос на указанном участке свидетельствует об отсутствии в молекуле атомов водорода, связанных с углеродом в sp³-гибридизации.

Далее следует рассмотреть участок 3000 - 3100 см ^{– 1}, примыкающий к реперной полосе слева. Здесь могут быть полосы валентных колебаний водорода, находящегося во фрагментах = СН₂ и = СН–, у ароматических и гетероароматических колец, а также у циклопропановых колец. У гетероароматических соединений частота этих колебаний иногда превышает 3100 см ^–1. Если подобные структурные фрагменты составляют небольшую часть скелета, полосы в диапазоне 3000 - 3100 см ^–1 слабы и образуют лишь плечо на коротковолновой стороне соседней интенсивной полосы валентных колебаний С_sp³– Н.

Соотношение интенсивности полос валентных колебаний в со-седних участках, 3000-3100 см ^-1 с одной стороны и 3000-2800 см ^-1 – с другой, может служить приближенным критерием отношения числа "олефиновых" и "ароматических" водородных атомов к числу "парафиновых" атомов водорода.

В области 3100 - 3700 см ^-1 могут находиться полосы валентных колебаний ацетиленового водорода С_sp–H (» 3300 см ^-1), гидроксила, первичных и вторичных аминогрупп (– NH₂, – NH –).

Эти полосы обычно интенсивны, причем контур и положение полос ОН и NH группировок зависят от их участия в образовании водородных связей, возникновение которых приводит к снижению максимумов поглощения в сторону меньших частот и значительному увеличению ширины полос, образующих иногда широкие зоны поглощения сложного контура, с несколькими плечами и плоскими максимумами.

Слабые широкие полосы поглощения, наблюдаемые иногда в коротковолновой части ИК-спектра веществ, не содержащих гидроксильных групп, обычно можно объяснить примесью влаги.

Далее следует рассмотреть длинноволновую часть спектра (2800 - 2500 см ^{– 1}), где могут проявляться валентные колебания водородсодержащих групп (OCH₃, метил- и диметиламиногрупп, альдегидного водорода (~ 2700 см ^{– 1}) и меркаптанов (n_sh ~ 2500 см ^{– 1})). Полосы этих групп обычно слабые, но легко обнаруживаются.

Большое значение имеет участок спектра 2500 - 3000 см ^–1, который позволяет определить наличие тройных связей С º С и С º N. Полосы валентных колебаний этих групп имеют переменную интенсивность, а в симметричных алкинах и нитрилах окси- и алкоксикислот очень слабы. Может наблюдаться расщепление полос с образованием двух максимумов. Но их наличие не обязательно свидетельствует о наличии двух типов связи.

В этой области сильно поглощают также цианиды, цианаты, тиоцианаты, а также группы Si –H.

В области 1500 - 2000 см ^–1 могут наблюдаться валентные колебания олефиновых, циклоолефиновых и ароматических соединений, имеющих двойные связи. Здесь же проявляются карбонильные соединения и их азотистые аналоги (имины, гидразоны, оксимы), карбоновые кислоты и все их производные (эфиры, амиды, гидразиды, ангидриды, галогенангидриды, циклические производные – лактоны, лактамы и др.), гетероциклы, включающие связи С = С, С = N или N = N. Здесь же можно обнаружить сильные полосы асимметричных валентных колебаний нитрогрупп и полосы N = O нитрозосоединений и нитрозаминов.

Для расшифровки полос в области "отпечатков пальцев" (n^/ < 1500 см ^-1) требуется дополнительная информация о наличии соответствующих группировок (сведения о происхождении, составе, структуре исследуемого вещества), поскольку в этой области происходит наложение полос таких групп как галогены, CH₂, NO₂, SO₂, атомов водорода при двойных связях и ароматических кольцах на полосы скелетных колебаний.

Так, например, наличие максимумов поглощения на участке 1500 - 1600 см ^–1 еще не доказывает, что данное вещество относится к ароматическим соединениям. Этот вывод можно сделать только при одновременном присутствии в спектре полос, принадлежащих валентным и деформационным колебаниям водородных атомов бензольных колец, а также характерного для каждого типа замещения слабого поглощения на участие 1650 - 2000 см ^–1.

Чтобы сделать заключение об отсутствии тех или иных групп, имеющих в спектре слабое поглощение, следует повторить съемку спектра с увеличенной толщиной слоя вещества. При интерпретации ИК-спектров весьма полезными могут быть сведения о происхождении вещества, способе его получения, качественном составе и характерных реакциях.

 

ГЛАВА 4. ИК-СПЕКТРЫ различных веществ

4.1. Углеводороды

4.1.1. Предельные углеводороды

ИК-спектры углеводородов характеризуются появлением полос поглощения, образованных колебаниям связей С – С и С – Н.

Их полосы поглощения находятся в трех областях: 3000-2800, 1400-1300 и около 700 см ^–1. Область 3000 - 2800 см ^–1 отражает валентные колебания группы С–Н. Это поглощение проявляется в виде сложной полосы поглощения, в которой пики при 2962 и 2872 см ^–1 принадлежат колебаниям метильной группы (n_as и n_s), а пики при 2926 и 2853 см ^–1 относятся к валентным колебаниям метиленовой группы (n_as и n_s).

Положение этих полос поглощения хорошо сохраняется у всех типов алифатических углеводородов. Интенсивности полос зависят от числа метиленовых и метильных групп в молекуле углеводорода. Группа СН имеет относительно слабую полосу поглощения (n_СН» 2890 см ^-1), которая перекрывается интенсивными полосами групп СН₂ и СН₃.

Поглощение в области 1400-1300 см ^–1 и около 700 см ^–1 обусловлено деформационными колебаниями С – Н связей. Полоса при 1460 см ^–1 отвечает d_as, а 1380 см ^–1 – d_s.

Деформационные колебания метиленовой группы наблюдаются при d = 1467 см ^–1 (ножничные) и d» 790 - 720 см ^–1 (маятниковые).

В области 1300 см ^{– 1} наблюдаются крутильные и веерные деформационные колебания. Эти полосы - малой интенсивности.

В области 1100 - 700 см ^{– 1} и ниже 500 см ^{– 1} проявляются колебания скелета (валентные и деформационные). Экспериментально доказано, что полосы при 1170 и 1145 см ^–1 соответствуют колебаниям изопропильной группы, 1255 и 1210 см ^–1 – трет-бутильной, а наличие полос поглощения при 1215 и 1195 см ^–1 указывает на присутствие четвертичного атома углерода.

Циклоалканы

Замыкание метиленовой цепи в ненапряженные циклы приводит к небольшому смещению ножничного колебания СН₂ - группы от 1462 до 1452 см ^–1.

При этом частота растет с увеличением напряженности колец, и, например, у циклопропана полосы валентных колебаний С – Н группы наблюдается при» 3040 см ^–1.

Алкены

Введение кратной связи в молекулу органического соединения приводит к появлению полос поглощения, характеризующих эту связь, и изменяет положение полос поглощения групп, непосредственно связанных с ней.

В моноолефинах в области 1680-1640 см ^–1 наблюдается полоса валентного колебания связи С = С. В табл. 4.1 приведены области спектра, в которых наблюдаются валентные колебания связи С = С в зависимости от степени замещения у связи С = С и геометрии молекул. Эта область охватывает интервал 1680 - 1640 см ^–1.

Таблица 4.1

Колебания n_{С = С} алкенов

Структура алкена	n, см ^-1	Соединения	n, см ^-1	e
– С = СН2	1648-1638	гексен-1
		пентадиен-1,4
		3,3-диметилбутен-1
R1R2C = CH2	1658-1648	2-метилпентен-1
R1CH = CHR2-цис	1662-1652	цис-пентен-2
R1CH = CHR2-транс	1678-1668	транпентен-2
R1R2C = CHR3	1675-1665
R1R2C = CR3R4

 

Частота валентных колебаний =С–Н наблюдается при 3010-3095 см ^–1, причем значение n_=С–Н определяется степенью замещения:

для = СНR (n = 3040-3010 см ^-1);

для = СН₂ (n = 3040-3075 см ^-1).

Полосы плоских деформационных колебаний связей = С – Н мало интенсивны, расположены в области деформационных колебаний метиленовых и метильных групп и для целей структурного анализа обычно не используются. А полосы неплоских деформационных колебаний Н – С = С – Н в спектрах алкенов являются весьма характерными, достаточно интенсивными и располагаются в области 1000 - 800 см ^–1. Поглощения при 970 - 965 см ^–1 характерны для транс-изомера.

По поглощению в области 1000 - 800 см^–1 можно с хорошей степенью достоверности определить концевые винильную R – CH = CH₂ и метиленовую R₂C = CH₂ группы. На колебание остальной части молекулы алкена кратная связь не оказывает существенного влияния.

Сопряженные углеводороды

Сопряжение двух связей С = С приводит к появлению двух полос поглощения с повышенной интенсивностью в области 1650 - 1600 см ^–1. У полиенов в этой области появляется несколько полос, сливающихся в одну широкую и со смещением в сторону меньших частот.

При сопряжении двойных связей с ароматическим кольцом смещение полосы С = С обычно меньше, чем при сопряжении алифатических связей.

Интенсивность полосы несколько увеличивается наряду с увеличением интенсивности полос поглощения скелетных колебаний ароматического кольца в области 1600 - 1500 см ^–1. Особенно сильное взаимодействие колебаний происходит в случае кумулированных связей; в колебании участвуют все три атома углерода алленовой группировки, давая две полосы поглощения:

интенсивную полосу около 1950 см ^–1 (n_as) и

слабую вблизи 1050 см ^–1 (n_s).

 

Алкины

С введением в молекулу углеводорода тройной связи в колебательных спектрах появляется характерное поглощение в области 2300 - 2100 см ^–1. В ИК-спектрах полоса валентного колебания С = С слаба. В ацетилене и его симметричных гомологах она запрещена по симметрии. Как и в олефиновых соединениях, интенсивность полосы наибольшая при расположении С = С на краю молекулы и быстро уменьшается при перемещении ее в середину. Полоса n_{С º С} расположена в моноалкильных производных при 2140 - 2100 см ^–1, в диалкильных – между 2260 и 2190 см ^–1.

Для концевой ацетиленовой группы наблюдается узкая полоса поглощения n_{С – Н} в области 3300 см ^–1.

Ароматические углеводороды

Ароматические соединения могут быть обнаружены по поглощению в трех областях: по валентным колебаниям С – Н (n_СН > 3000 см ^–1), скелетным колебаниям ароматических углерод-углеродных связей и по интенсивному поглощению ниже 900 см ^–1, обусловленному деформационными колебаниями С – Н.

Полосы валентных колебаний связей С – Н имеют среднюю интенсивность и обычно представляют собой группу полос. В присутствии алкильных групп полосы поглощения ароматических С – Н появляются как плечи на основной полосе алифатических фрагментов n_{С – Н}.

Поглощение в области 1600 - 1500 см ^{– 1} в спектрах ароматических соединений может проявиться в виде четырех полос: при 1600, 1580, 1500 и 1450 см ^–1, интенсивность этих полос меняется в очень широких пределах. Как правило, полоса в области 1500 см ^–1 интенсивнее полосы при 1600 см ^–1. Поглощение при 1580 см ^–1 проявляется только в том случае, когда бензольное кольцо сопряжено с ненасыщенной группировкой. Сопряжение повышает интенсивность всех полос и мало влияет на их положение.

Интенсивное поглощение в спектрах ароматических углеводородов, находящееся ниже 900 см ^–1, относится к неплоским деформационным колебаниям С – Н ароматического кольца. Для самого бензола этому колебанию соответствует полоса при 671 см ^–1. Для замещенных бензола частоты деформационных колебаний С ‑ Н зависят от числа и положения заместителей. По количеству и положению полос в этой области спектра определяется тип замещения бензольного кольца.

Тип замещения ароматических соединений можно определить и по поглощению в области 2000 - 1600 см ^–1, где проявляются обертоны деформационных колебаний С – Н. Эти полосы мало интенсивны (e около 5) и могут быть зафиксированы в спектре при концентрации образца, в десять раз больше обычной.

 

Введение функциональных групп приводит к существенному изменению ИК-спектра соответствующего углеводорода. Так же, как и для углеводородов, набор полос в области 1400 - 700 см ^–1 является индивидуальной характеристикой каждого вещества. Кроме того, в спектре появляются полосы, специфические для каждой функциональной группы.