Икспектроскопия в анализе бав доц. Охи дорожко Е. В

• Название: Икспектроскопия в анализе бав доц. Охи дорожко Е. В
• Дата: 09.03.2023
• Размер: 1.41 Mb.
• Имя файла: IK_spektroskopia.pptx
• Тип: Документы; #977150

ИК-спектроскопия в анализе БАВ

Доц. ОХИ Дорожко Е.В.

• 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 1938 г. А.Н. Терениным и его аспирантом К.Я. Каспаровым.

Теренин

Александр Николаевич

(1896 - 1967)

Достоинством методов колебательной спектроскопии является то, что они допускают исследование практически любого неорганического или органического вещества в любом агрегатном состоянии - газе, жидкости, растворах, кристаллах или аморфной фазе. Т.о., в настоящие время ИК-спектрофотометрия стала одним из основных методов исследования веществ различной химической природы.

• Впервые метод стал фармакопейным с 1968 г (ГФ X), где он рекомендовался для контроля качества трех лекарственных веществ: фторотана, оксациллина и метициллина натриевых солей.
• Наряду с ультрафиолетовой ИК -спектрофотометрия включена во все современные фармакопеи. Так, Международная фармакопея (Женева, 1990 г) рекомендует этот метод практически в анализе половины описанных в ней лекарственных веществ.

• ИК-спектроскопия используется:
• при установлении структуры новых БАВ получаемых путем химического синтеза или выделяемых из природных объектов (животное или растительное сырье, продукты жизнедеятельности микроорганизмов); изучении строения метаболитов;
• при испытании на подлинность лекарственных веществ;
• определении доброкачественности лекарственных соединений;
• количественном анализе;
• контроле технологического процесса в промышленном про-изводстве фармпрепаратов (полнота протекания).

• ИК-спектрофотометрия - 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 (или молекулярными).

Общие теоретические положения метода ИК-спектроскопии

Ультрафиолетовая , УФ-спектроскопия

 = 180 - 400 нм

Спектроскопия видимой области ( = 400 - 760 нм)

Инфракрасная, ИК-спектроскопия ( = 760 - 103 нм); от 4000 см-1 до 400 см-1

Атомы в молекулах никогда не находятся в состоянии покоя, а колеблются относительно каких-то средних положений, отчего расположение их относительно друг друга периодически изменяется.

ИК-излучение усиливает эти колебания, при этом часть энергии излучения теряется. Фиксируется ослабление прошедшего ИК-излучения.

• 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 12500-4000 см-1 и дальней инфракрасной от 625-50 см-1. Слова ближний и дальний характеризуют близость к области видимого света.

• Фундаментальная ИК-область начинается примерно с 3600 см-1 и распространяется до 300 см-1.
• Это средняя ИК-область, которая широко используется для анализа органических молекул, т.к. в ней проявляется большое число полос поглощения функциональных групп.
• Полосы, наблюдаемые в интервале от 700 см-1 и менее, обусловлены деформационными колебаниями тяжелых атомов или циклических группировок. Этот интервал приобретает аналитическую значимость при исследовании неорганических веществ.

• Колебательные уровни молекул квантованы, энергия переходов между ними и, следовательно, частоты колебаний могут иметь только строго определенные значения. Поглощая квант света, молекула может переходить на более высокий колебательный уровень, обычно из основного колебательного состояния в возбужденное.

• Поглощение инфракрасного излучения вызывают колебания связанные с изменением либо длин связи, либо углов между связями. Это означает, что в зависимости от частоты поглощенного излучения начинает периодически растягиваться определенная связь или искажаться определенный угол между связями в молекуле.
• 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, т.о. валентными колебаниями называются колебания ядер атомов вдоль линии связи, они обозначаются буквой ν (ν С=С, ν С=О).
• Валентные колебания располагаются в области больших частот 4000-1400 см-1, деформационные - в области низких < 1400 см-1. Деформационные колебания связаны с изменением угла связей между атомами.
• В зависимости от природы колебания подразделяются на скелетные (800-1500 см-1) и колебания групп (>1500 см-1).

• Колебательными спектрами обладают не все молекулы, а только те, у которых при колебании происходит изменение ее дипольного момента. Например, HCI, H2O, но не Cl2, N2, O2, и т.д.
• Приближенной механической моделью валентных колебаний может служить система из двух шаров, связанных пружиной (шары изображают атомы, а пружина - химическую связь). При растяжении или сжатии пружины шары начнут колебаться вокруг положения равновесия, т.е. будет осуществляться гармоническое колебание.

• валентные колебания могут быть симметричными (νs ), если обе связи одновременно удлиняются или укорачиваются и пары атомов одновременно приближаются и отделяются;
• и антисимметричными, если одна из связей укорачивается, а другая - удлиняется (νаs ), этом случае приближение и отдаление разных пар атомов происходит не одновременно.

• Следующим типом колебаний являются деформационные, которые связаны с изменением валентного угла, образованного связями у общего атома, т.е. колебания, при которых атомы смещаются с межъядерной оси, они обозначаются буквой δ.
• Для возбуждения деформационных колебаний требуется меньшая энергия, чем в случае валентных колебаний и, следовательно, они имеют меньшую частоту. С увеличением числа атомов в молекуле число возможных колебаний быстро растет. В реальной молекуле колебания атомов тесно связаны друг с другом и взаимодействуют между собой.

• Спектры молекул представляют собой сложный набор различных колебаний, каждое из которых проявляется в узком интервале частот. Общее число линий (полос поглощения) в спектре, связанных с колебаниями атомов, определяется для нелинейной молекулы формулой 3N - 6 основных колебаний и 3N - 5 для линейной молекулы, где N- число атомов в молекуле.

Фактически число полос в спектре не всегда равно этому числу. Оно может уменьшаться вследствие того, что часть полос не проявляется в ИК-спектре, что связано со степенью симметрии молекулы.

Уменьшение числа полос происходит из-за того, что для достаточно симметричных молекул различные колебания могут иметь одинаковые частоты и в результате этого в спектре проявляется вместо 2-3 лишь одна полоса.

• Интенсивность поглощения в ИК-спектрофотометрии обычно выражают как поглощение (A,D) или чаще как пропускание (Т) светового потока в процентах 100 ,%
• Полосы также оцениваются ориентировочно как сильные (с), средние (ср) и слабые (сл).

При изучении взаимодействия с ИК- излучением веществ различного химического строения (модельные соединения) было установлено, что многие атомные группы такие как -ОН, - NH2, -NO, >СО, а также определенные связи, такие как С-Н, С-С, С=С, С=О, характеризуются определенными частотами, мало отличающимися в различных соединениях.

Такие частоты получили название характеристических или групповых частот. Они обозначаются греческой буквой ν и для основных классов органических соединений приведены в таблицах.

Характеристические частоты поглощения различных групп атомов в ИК-области

Характеристика ИК-спектров, используемых при идентификации некоторых лекарственных веществ

в фармакопейном анализе

• Частота валентных колебаний определяется массой атомов и прочностью (энергией) связи. Чем больше масса, тем меньше частота, например
• νС-С 1000 см-1
• νС-Н 3000 см-1
• Чем прочнее, тем выше частота колебаний
• νС-С- 1000 см-1
• ν С=С 1600 см-1

Оказывается возможным установить соответствие между различными функциональными группами и свойственными им групповыми частотами. Именно по этой причине ИК-спектрофотометрия используется главным образом для определения функциональных групп молекулы.

Говорить об однозначной идентификации вещества с помощью метода ИК-спектроскопии не вполне правильно, так как метод скорее позволяет выявить определённые функциональные группы, а не их количество в соединении и их способ связи друг с другом.

Колебательная спектроскопия является:

• молекулярно – специфичной, что позволяет получать информацию о функциональных группах в молекуле – их типе, взаимодействиях и ориентациях;
• селективной по отношению к изомерам, благодаря области «отпечатков пальцев»;
• методом количественного и недеструктивного анализа, даже по отношению к неустойчивым соединениям;
• методом, работающим в области концентраций от 0,1% до 100%, но также пригодным и для определения микроколичеств после соответствующего концентрирования.

• В основе получения ИК-спектра лежит облучение исследуемого образца ИК-светом с постепенно изменяющейся частотой с помощью прибора - ИК-спектрофотометра.

Схема ИК-спектрофотометра

• ИК-излучение является тепловым; его источником обычно служит керамический стержень (SiС- карборунд), раскаляемый проходящим электрическим током. С помощью системы зеркал световой поток разделяется на два одинаковых луча, один из которых пропускается через кювету с веществом, другой - через кювету сравнения.
• Прошедшие через кюветы излучение поступает в монохроматор, состоящий из вращающейся призмы, зеркала и щели, позволяющий выделять излучение со строго определенной частотой и плавно изменять эту частоту. Учитывая, что в ИК-области большинство веществ непрозрачно, призмы изготовляются из монокристаллов солей. В приборах высокого класса применяют три призмы: из LiF (2000-3800 см-1), NaCl (700-2000 см-1) и KBr (400-700 см-1). Каждая из призм в другом интервале волновых чисел дает значительно меньшее разрежение.

• Интенсивности двух световых потоков (основного и луча сравнения), прошедших через монохроматор, автоматически вычитаются одна из другой.
• Электрический импульс, образующийся при попадании результирующего светового потока на детектор типа термопары, усиливается и регистрируется.
• Запись представляет собой ИК-спектр в виде зависимости поглощения или пропускания (в %) от частоты (в см-1) или длины волны (в мкм).

Фурье-ИК-спектрометры

Основным элементом инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье является интерферометр Майкельсона, который работает следующим образом.

Луч когерентного света падает на светоделитель, в результате чего получаются два луча примерно одинаковой интенсивности. Далее каждый из этих лучей отражается от своего зеркала и возвращается на светоделитель, где лучи объединяются, создают интерференцию и попадают на детектор. Одно из зеркал в интерферометре является подвижным: его положение постоянно изменяется, за счёт чего возникает меняющаяся разность хода.

В зависимости от величины разности хода лучи соединяются в фазе или противофазе, что приводит к положительной или отрицательной интерференции.

При прохождении через интерферометр монохроматического излучения сигнал имеет вид синусоиды, частота которой пропорциональна волновому числу. Однако в ИК-спектрометрах используется полихроматическое инфракрасное излучение, поэтому синусоиды разных частот накладываются, образуя сложную картину, называемую интерферограммой. Интерферограмму можно превратить в инфракрасный спектр при помощи преобразования Фурье.

Образец в этих приборах располагается между интерферометром и детектором, в отличие от дисперсионных спектрометров, где образец помещают между источником и монохроматором. Кроме того, Фурье-ИК-спектрометры обычно работают в однолучевом режиме: поочерёдно записываются два спектра (с образцом и без него), а их разность и даёт спектр поглощения образца

• ИК-спектрофотометрия включает следующие стадии:
• 1. Подготовка исследуемого образца
• 2. Регистрация (снятие) спектра с помощью прибора
• 3. Интерпретация (анализ спектра, отнесение полос поглощения к определенным связям, фрагментам структур)
• 4. Решение аналитической задачи.

Подготовка проб

• Подготовка проб
• Существуют различные способы подготовки исследуемого образца в ИК-спектрофотометрии:
• 1. Растворы веществ наиболее удобны для получения спектров, так как в этом случае отсутствуют межмолекулярные взаимодействия. В связи с тем, что в ИК-области поглощает любое вещество, в качестве растворителей используют соединения простейшей структуры, спектры которых состоят из минимального числа полос, и наиболее часто – CCl4 и CS2. Для растворов применяют цилиндрические кюветы толщиной 0,1-1 мм с окнами из солевых пластин. Необходимый для заполнения кюветы объем раствора 0,1-1,0 мл при концентрации 0,05-10%.

• 2. Тонкие пленки (< 0,01 мм) жидкого вещества, помещенные между солевыми пластинами, удерживаемыми капиллярными силами.
• 3. Пасты, приготовляемые тщательным растиранием твердого образца с вазелиновым маслом и помещаемые в виде тонкого слоя между солевыми пластинами. Само вазелиновое масло поглощает в области 2900 и 1400 см-1 Методика получения пасты с вазелиновым маслом более проста и экспрессна.
• 4. Твердые вещества в виде тонкого порошка 0,5-1 г тщательно перемешанные с порошком бромида калия ≈100 мг и затем спрессованные в специальном устройстве под давлением в тонкую пластину.

• Важным условием получения ИК-спектров является отсутствие влаги в анализируемом образце.
• Испытуемое вещество или препарат тщательно измельчают в агатовой ступке. Обычную ступку нельзя использовать, поскольку в ней имеются поры, в которых содержится вода. Затем полученный порошок необходимо поместить в среду, хорошо пропускающую ИК-излучение.

• Если анализируется лекарственная субстанция, для анализа берут испытуемую навеску массой около 15 мг (0,015 г).
• При анализе таблеток содержание действующего вещества в пробе должно быть около 5 мг (0,005 г). Остальная часть — это 15 вспомогательные вещества. При таком соотношении на спектре прослеживаются полосы лекарственного вещества, а полосы вспомогательных веществ либо отсутствуют, либо немногочисленны и имеют небольшую интенсивность.

• Для получения надежных результатов рекомендуется снимать фоновый спектр (спектр воздуха) непосредственно перед каждым измерением.
• Это, во-первых, связано с колебаниями влажности, во-вторых, с изменением газового состава в измерительном отсеке (двухатомные молекулы N2, О2 не имеют ИК-спектров, однако СО2 поглощает ИК-изучение) и, в третьих, с постепенным «прогревом» прибора после его включения.

Интерпретация спектров

• Интерпретация спектров
• Инфракрасный спектр испытуемого образца должен иметь полное совпадение полос поглощения с полосами поглощения прилагаемого спектра сравнения по положению и относительным интенсивностям.
• Поэтому при интерпретации спектров важно чтобы все полосы большой, средней и малой интенсивности имели полное совпадение с соответствующими полосами стандартного спектра.
• Исчезновение или появление полос очень малой интенсивности (1—2 % по шкале пропускания), а также слияние полос, находящихся друг от друга на расстоянии менее 6—8 см-1, не свидетельствует о факте подделки.

• В случае исследования новых химических соединений проводят анализ спектра (интерпретацию, расшифровку, объяснение нахождения в спектре определенных полос).
• Имеющееся полосы поглощения относят к определенным функциональным группам, связям, фрагментам структур, используя таблицы характеристических частот, имеющиеся в руководствах по ИК-спектрофотометрии.
• На основании подобного анализа спектра делают выводы (заключение) о строении исследуемого вещества.

• При расшифровке спектров необходимо учитывать следующие моменты:
• а) отсутствие характеристической полосы поглощения является более надежным доказательством отсутствия структурной группы, чем доказательство ее наличия на основании появления полосы поглощения;
• б) не все полосы можно интерпретировать;
• в) выводы, получаемые из спектров, часто остаются более или менее обоснованными предположениями; точным доказательством спектры становятся тогда, когда имеются надежные данные для сравнения и спектр идентифицируемого вещества во всех деталях совпадают со спектром проанализированного соединения.

• Определение подлинности ЛВ:
• При определении подлинности ИК-спектр лекарственного вещества является такой же константой как , t пл., t кип. , [α].
• а) рекомендуется получить ("снять") спектр анализируемого вещества и стандартного образца этого же соединения в одинаковых условиях (агрегатное состояние, растворитель, толщина слоя и др.) - при этом картина спектров должна совпадать (число полос, их частота, форма контура). Способ рекомендован для гормонов стероидной структуры, антибиотиков: ампициллин-стандарт, метациклин-стандарт; тестостерона пропионат- стандарт.

• б) если стандартный образец отсутствует, то рекомендуется сравнивать полученный спектр анализируемого вещества со спектром приведенным в фармакопейной статье: в этом случае в статье также приведены условия получения спектра анализируемого вещества (например, для рибоксина, фепромарона, рифампицина, эстрадиола-дипропионата.
• в) в некоторых случаях рекомендуется снимать не весь спектр, а наиболее характерные его фрагменты. Например, для фуразо-лидона-стандарта ФС рекомендует снять спектр в области 1900-700 см (область "отпечатков пальцев").

• Для структурного анализа часто рекомендуют следующую схему:
• - определение класса соединения (для алифатических соединений частота валентных колебаний группы ≡СН < 3000 см-1, для ненасыщенных и ароматических соединений частота валентных колебаний группы >СН > 3000 см-1);
• - обнаружение функциональных групп (-ОН, -NH2, >NH, - СN, >С=O) целесообразно начинать с области высоких частот;
• - установление типа заместителей в ароматических соединениях, положения и характера двойных связей, влияния стерических факторов.

Количественный анализ по ИК-спектрам

В случае ИК- спектров, также как и в случае ультрафиолетовых и видимых спектров поглощения, соотношение между пропусканием света системой и концентрацией поглощающих веществ выражается законом Ламберта-Бугера-Бера:

D= lg I0/I = K·c·l

где: D — оптическая плотность;

I0 — интенсивность падающего света;

I — интенсивность прошедшего света;

с — молярная концентрация;

l — толщина поглощающего слоя;

K — молярный коэффициент поглощения для данного волнового числа и температуры.

Применение ИК-спектроскопии в анализе лекарственных средств



ИК-спектроскопия используется:

- при установлении структуры новых БАВ получаемых путем химического синтеза или выделяемых из природных объектов (животное или растительное сырье, продукты жизнедеятельности микроорганизмов); изучении строения метаболитов;

- при испытании на подлинность лекарственных веществ; - определении доброкачественности лекарственных соединений;

- количественном анализе;

- контроле технологического процесса в промышленном производстве фармпрепаратов (полнота протекания).

Спасибо за внимание!

Практическая работа