IR-Spektroskopie

(http://www-ang.kfunigraz.ac.at/~zanggerk/ir.html)

 

 

 

 

zur weiteren Information:

 

Bücher:        M.Hesse, H.Meier und B.Zeeh, Spektroskopische Methoden in der

organischen Chemie. Georg Thieme Verlag Stuttgart.

 

C.N.Banwell, Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill Book Company, London.

 

 

 

WWW:         http://www.dq.fct.unl.pt/qoa/jas/ir.html (IR Spektroskopie links)

 

 

 

 

 

 

 

Inhalt:

 

 

 

1)    Grundlagen

 

 

2)    Apparativer Aufbau und Probenvorbereitung

 

 

3)    Was sieht man im IR Spektrum

 

 

4)    Zuordnung der Signale

 

 

5)  Beispiele

 

 

 

 

 

 

 

 

1)  Grundlagen:

 

Infrarotes Licht stellt einen Teil des elektromagnetischen Spektrums jenseits des sichtbaren Bereichs dar:


 

 


Die Frequenz kann aus der Wellenlänge mit Hilfe von


berechnet werden. In der IR-Spektroskopie ist heute die Verwendung von Wellenzahlen gebräuchlicher:


Definitionsgemäß wird der Infrarotbereich in drei Bereiche unterteilt:

Nahes IR..........(l= 0.78-3.0 mm, n~=12820-3333 cm-1)

Mittleres IR.......(l= 3.0-30 mm, n~=3333-333 cm-1)

Fernes IR..........(l= 30-300 mm, n~=333-33 cm-1)

Die Strahlung im mittleren Infrarot entspricht Energien zwischen 4-40 kJ/mol (E=hn) und das entspricht den Übergängen zwischen Schwingungszuständen wie sie häufig in organischen Molekülen anzutreffen sind.

Für die Schwingung eines zweiatomigen Moleküls sieht das Energiediagram wie folgt aus:


Potentialkurve eines anharmonischen Oszillators

E0...Nullpunktsenergie

r0....Nullpunktsatomabstand

ED...Dissoziationsenergie

 

 

2)  Apparativer Aufbau und Probenvorbereitung:


 


Schematischer Aufbau eines Doppelstrahl-IR Spektrometers.

 

Lichtquelle:   weißglühender Nernst Stift (Zirkonoxid) oder

                    Globar (Siliciumcarbid) bei 1500 K

 

Monochromator: Prisma oder Beugungsgitter

 

 

Probe:        

fest:   a) als Suspension in Nujol (zwischen zwei NaCl Plättchen)    

          b) als KBr Preßling

 

flüßig: a) die wasserfreie Probe wird zwischen zwei NaCl Plättchen  

    gepreßt

b) ein Tropfen wird auf einen speziellen Kunststofffilm 

    aufgebracht

 

gasförmig: a) das Gas wird in einer etwa 10 cm langen Zelle deren

Enden mit NaCl Platten verschlossen sind eingefüllt

 

 

3)  Was sieht man im IR Spektrum:

 

Während einer Molekülschwingung ändert sich das Dipolmoment der Verbindung. Dieses zeitlich veränderte Dipolmoment tritt mit der elektrischen Komponente des elektromagnetischen IR Lichtes in Wechselwirkung und absorbiert dieses.

 

Beispiel H2O:


 


Alle diese Schwingungen führen zu einem sich verändernten Dipolmoment und können daher im IR beobachtet werden.

 

Molekülschwingungen führen entweder zu

Veränderungen der Bindungslängen: Streckschwingung

oder

Veränderungen der Bindungswinkel: Deformationsschwingungen

 

je komplexer das Molekül desto mehr IR-beobachtbare Schwingungen gibt es:

Beispiel Methylengruppe:


 


Manche Phenomäne der Molekülschwingung können mit einem mechanischen Modell einer Schwingung (Kugeln über Feder verbunden) erklärt werden:

·) Je stärker die Feder (>Bindungsstärke) ist desto schneller die Schwingung

    (höhere Frequenz).        => n(CºC)>n(C=C)>n(C-C)

·) Je höher die Gewichte der Kugeln (höheres Atomgewicht) desto niedriger die

    Schwingungsfrequenz.

 

Im IR-Spektrum wird meist die Wellenzahl als Abszisse und die Transmission

(% Durchlässigkeit) als Ordinate angegeben.

T=I/I0

für die Extinktion gilt folgende Beziehung:

E=log(I/I0)

Maximale Durchlässigkeit (keine Absorption) ist im IR-Spektrum oben. Absorptionen zeigen sich durch negative Peaks:


IR-Spektrum von i-butanol

 

 


4)  Zuordnung der Signale:

 

Diverse Bereiche im IR-Spektrum sind charakteristisch für bestimmte Molekülgruppen:


 


Beispiel Aceton:


 

 


Einfluss der Atommassen:

Chlorofom (CHCl3)

Deuterochloroform (CDCl3)


 

 

 


Einfluss von H-Brückenbildung in Alkoholen:

verdünntes t-butanol

konzentriertes t-butanol

 


 

 

 


5)  Beispiele:

5.1:    Summenformel: C5H10O


          Interpretation:

3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: kein Peak der auf ungesättigte CH hindeutet

2900 cm-1: starker Peak deutet auf gesättigtes CH

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1710 cm-1: starke C=O Absorption

1610 cm-1: keine Absorption die auf C=C Bindungen hindeutet

Auflösung:

       

5.2:    Summenformel: C8H8O


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: moderater Peak von ungesättigten CH

2900 cm-1: schwacher Peak für gesättigte CH

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1690 cm-1: starke C=O Absorption

1610 cm-1: schwache Absorption die auf C=C Bindungen hindeutet

Auflösung:

5.3:    Summenformel: C7H8O


 

 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: starker Peak deutet auf OH hin

3100 cm-1: schwacher peak deutet auf ungesättigte CH

2900 cm-1: schwacher peak deutet auf gesättigte CH

2200 cm-1: keine unsymmetrische Dreifachbindung

1720 cm-1: keine C=O Gruppe

 

Auflösung:

 

 

5.4:    Summenformel: C8H7N


 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: starker Peak deutet auf ungesättigtes CH

2900 cm-1: moderater Peak deutet auf gesättigte CH

2250 cm-1: starke Absorption für unsymmetrische Dreifachbindung

1720 cm-1: keine C=O Gruppe

 

Auflösung:

                             

 

 

 

5.5:    Summenformel: C7H6O


 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: moderater Peak deutet auf ungesättigtes CH

2900 cm-1: keine Peak der auf gesättigtes CH deutet

2750-2600 cm-1: moderate Peaks deuten auf aldehydisches CH

2250 cm-1: keine unsymmetrische Dreifachbindung

1700 cm-1: starke C=O Absorption

1450-1600 cm-1: moderate Absorption typisch fuer aromatische C=C

 

Auflösung:

                   

 

5.6: Summenformel: C3H7NO


 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: starker Peak von OH oder NH

3100 cm-1: kleiner Peak für mögliches ungesättigtes CH

2900 cm-1: kleiner Peak für mögliches gesättigtes CH

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1650 cm-1: starke C=O Absorption

1550 cm-1: moderate Absorption typisch für "N-H bending"

Auflösung:

                             

5.7:    Summenformel: C4H8O2


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: kein Peak der auf ungesättigtes CH deutet

2900 cm-1: kleiner Peak deutet auf gesättigte CH

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1760 cm-1: starke C=O Absorption

1600 cm-1: kein Peak der auf C=C deutet

1250 cm-1: starker, breiter Peak deutet  auf C-O

 

Auflösung:

                   

 

5.8:    Summenformel: C7H5OCl


 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: scharfer Peak deutet auf ungesättigtes CH

2900 cm-1: kein peak der auf gesättigte CHs deutet

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1780 cm-1: starke C=O Bande

1450-1600 cm-1: scharfe Peaks deuten auf aromatische C=C

 

Auflösung:

                   

 

5.9: Summenformel: C6H6S


 


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: scharfer Peak deutet auf ungesättigte CH

2900 cm-1: kein Peak der auf gesättigte CHs deutet

2550 cm-1: starker peak deutet auf S-H Gruppe

2200 cm-1: keine unsymmetrischen Dreifachbindungen

1710 cm-1: keine Carbonyl Absorption

1450-1600 cm-1: scharfe Peaks deuten auf aromatische C=C

 

Auflösung:

                   

 

5.10:  Summenformel: C4H6


          Interpretation:

                    3400-3200 cm-1: kein OH oder NH

3100 cm-1: starker peak deutet auf ungesättigtes CH

2900 cm-1: kein Peak der auf gesättigte CHs deutet

2200 cm-1: keine unsymmetrsichen Dreifachbindungen

1710 cm-1: keine C=O Absorption

1590 cm-1: starker Peak deutet auf C=C

 

Auflösung: