Презентация "Теоретические основы ИК-спектроскопии и применение в фармации" по физике – проект, доклад

Лекция № 3 Тема: Теоретические основы ИК-спектроскопии и применение в фармации

План лекции: Теоретические основы метода. ИК-спектр. Аппаратура ИК–спектроскопии. Применение в фармации.

Теоретические основы метода Явление взаимодействия веществ с ИК-излучением было открыто У.Эбни и И.Фестингом в 1861 г. В России впервые ИК-спектры адсорбированных молекул были получены в 1938г. А.Н. Терениным и К.Я. Каспаровым. Уже в 1948 г., за шесть лет до появления первой зарубежной публикации, Н.Г.Ярославским были обобщены результаты первых исследований поверхности пористого стекла с помощью ИК-спектроскопии.

Впервые метод стал фармакопейным с 1968г. (ГФ X), где он рекомендовался для контроля качества трех лекарственных веществ: фторотана, оксациллина и метициллина натриевых солей. ИК-спектроскопия включена во все современные фармакопеи, в том числе и в ГФ XII (2007 г.).

ИК-спектроскопия - метод исследования веществ, основанный на поглощении ИК-излучения, в результате чего происходит усиление колебательных и вращательных движений молекул. Большее проявление имеют колебательные движения, поэтому ИК-спектры, называются колебательными.

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. электромагнитному излучению средней инфракрасной области. Области, примыкающие к ней, называются ближней инфракрасной от 10000-4000 см-1 и дальней инфракрасной от 625-50 см–1. Слова «ближний и дальний» характеризуют близость к области видимого света.

В свою очередь средняя область подразделяется на область «отпечатков пальцев» (600-1500 см–1) и область характеристических полос (1500-4000 см–1). В области «отпечатков пальцев» лежат полосы поглощения скелета органической молекулы, содержащей связи С-С, С-О, С-N (для этой области не характерны колебания, принадлежащие отдельным связям). По ИК спектрам в области «отпечатков пальцев» можно идентифицировать изомерные алканы.

Поглощая квант света, молекула может переходить на более высокий колебательный уровень, обычно из основного колебательного состояния в возбужденное. Поглощение ИК-излучения вызывают колебания связанные с изменением либо длин связи, либо углов 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. Валентные колебания располагаются в области больших частот 4000-1400 см–1, деформационные - в области низких. В зависимости от природы колебания подразделяются на скелетные (600-1500 см–1) и колебания групп (>1500 см–1).

Наряду с указанными основными в спектре наблюдаются обертоны, полосы резонансного взаимодействия, составные полосы, возникающие в результате взаимодействия полос поглощения отдельных атомов. Колебательными спектрами обладают не все молекулы, а только те, у которых при колебании происходит изменение ее дипольного момента, т.е. вещества с полярной ковалентной связью.

Области ИК-излучения

ω (см-1) λ (нм)

Область обертона. Водородная связь. Составные частоты основных колебаний.

Область характеристических полос. Область «отпечатков пальцев»

Связи M-X Вращательные переходы

600 1300 1500 1800 2000 2300 2800 4000

Область колебаний функциональных групп

Отпечатки пальцев

Деформационные колебания

Скелетн. Валентн. Колебания С-С, С-О, C-N,…

Колебания С=С, С=O, C=N,…

Колебания СС, C  N,…

Колебания C-H, O-H, N-H,…

Частоты колебаний

Валентное симметричное колебание

Деформационное колебание

ИК-спектроскопия является: молекулярно – специфичной, что позволяет получать информацию о функциональных группах; селективной по отношению к изомерам, благодаря области «отпечатков пальцев»; методом количественного и недеструктивного анализа; методом, работающим в области концентраций от 0,1% до 100%, но также пригодным и для определения микроколичеств.

ИК-спектр Инфракрасный спектр получают путем регистрации интенсивности прошедшего излучения в зависимости от волновых чисел. Спектральные данные записываются как зависимость коэффициента поглощения от длины волны или частоты в обратных сантиметрах (см-1) или в микрометрах (мкм).

Фактор интенсивности для ИК-области спектра может быть выражен как пропускание в %: где I0 - интенсивность падающего монохроматического излучения; I - интенсивность прошедшего монохроматического излучения, или поглощение в %.

Общий вид ИК - спектра

Факторы, влияющие на частоту и интенсивность характеристических полос поглощения:

Внутренние факторы, влияющие на характеристические частоты А) Геометрия молекулы оказывает заметное влияние на частоту и интенсивность колебательного спектра поглощения. 2. Влияние внешних воздействий А) Агрегатное состояние. Величина смещения полос поглощения при переходе от газа к жидкости обычно меньше 25 см-1.

Б) Растворитель. Положение и интенсивность полос поглощения, обусловленных характеристическими частотами, изменяются при переходе от одного растворителя к другому. В) Концентрация вещества. Большое влияние на ИК-спектр оказывает концентрация вещества, поэтому для таких образцов рекомендуют принимать стандартные условия (растворитель, концентрацию и толщину поглощающего слоя). Г) Температура.

Снятие ИК-спектров Объекты исследования ИК-спектроскопии могут быть жидкими, твердыми, газообразными, могут быть как органическими, так и неорганическими. Спектры газов или низкокипящих жидкостей получают введением образца в вакуумированные кюветы.

Жидкости можно исследовать чистыми или в растворах. Чистые помещают между двумя солевыми пластинками, получают пленку толщиной 0,01 мм и меньше. Пластинки удерживаются вместе капиллярными силами. Необходимо от 1 до 10 мг пробы. Летучие жидкости исследуют в герметических кюветах с очень тонкими стенками. Растворы помещают в кюветы толщиной 0,1 - 1 мм. Твердые вещества применяют в виде паст, прессованных дисков (таблеток) или в виде осажденных стекловидных пленок.

Держатель таблеток

Приставка для измерения пропускания пластин

Кювета газовая

Кювета жидкостная разборная

Для снятия ИК-спектров, как правило, используют двухлучевые спектрометры с оптическим нулем следующего типа: «Specord 75 IR», «Specord М-80», «Unicam SP-200», «Beckman IR-11», «Perkin-Elmer», «Bruker», «Shimadzu FTIR-8900», «MTIFS 01» и др. В качестве источника инфракрасного излучения используют штифты Нернста и Глобара, нагреваемые электрическим током до 1000 - 1800 °С.

ИК-спектроскопия. Приборы

Первый серийный ИК-спектрометр Perkin Elmer Model 12. 1944 г.

Внешний вид ИК-спектрометра

Принципиальная схема прибора состоит: источник излучения; кювета с образцом; монохроматор; входная и выходная щели монохроматора; фокусирующая оптика; призма или дифракционная решетка; приемник излучения; регистрирующее устройство

Приемник (детектор) - устройство, которое измеряет энергию излучения по его тепловому эффекту. Приемники подразделяются: Термические детекторы, действие которых основано на измерении тепловых эффектов. Фотонные детекторы - полупроводниковые устройства, в которых электрон может поглотить квант инфракрасного излучения и перейти в зону проводимости, внося свой вклад в электропроводность. Пироэлектрические детекторы реагируют не на саму температуру, а на изменение ее во времени и не нуждаются в дублирующей системе, за­щищающей от излучения.

Применение в фармации при установлении структуры новых БАВ (синтетических и природных); изучении строения метаболитов; при испытании на подлинность лекарственных веществ; определении доброкачественности лекарственных соединений; количественном анализе; контроле технологического процесса в промышленном производстве фармпрепаратов; для доказательства отличия лекарственных веществ близкого химического строения (одного ряда).

Например, ИК-спектр субстанции аминокислоты цистеина (Cysteine)