IR-Spektroskopie
n * l = c
E = h * n
c~ n
ln
1n~
l = Wellenlänge
n = Frequenz
= Wellenzahl
c = Lichtgeschwindigkeit (3*1010cm/s)
h = Plank‘sche Konstante (6,63*10-34Js)
10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102
Wellenlänge (cm)
g-rays x-rays UV VIS IR m-wave radio
IR-Spektroskopie
• Absorption von Licht geeigneter Frequenz:
– Übergang vom Grundzustand in den angeregten
Zustand Übergang
• Emission:
– Rückkehr in den Grundzustand
– spontan oder stimuliert
DE=E(y1)-E(y0)
IR-Spektroskopie
• Prinzip:
– Durch Absorption von Infrarot-Strahlung (IR) werden Schwingungen im Molekül angeregt
• Ziel:
– Erkennung funktioneller Gruppen durch charakteristische Schwingungsfrequenzen
• Bereich:
– Wellenlänge l: 2,5-50 mm
– Wellenzahl ν: 4000-200 cm-1
• Meßgrösse
– Wellenzahl
– Energie ist proportional zur Wellenzahl
IR-Spektroskopie
• Harmonischer Oszillator– Diskrete Schwingungsniveaus
– Symmetrischer Potentialverlauf
– Gleicher Abstand zwischen Schwingungsniveaus
– Harmonischer Oszillator schwingt um die Gleichgewichtslage auch bei hoher Energie
• Reales Zweiatomiges Molekül– Diskrete Schwingungsniveaus
– Assymetischer Verlauf der Potentialkurve
– Ungleiche Abstände der Schwingungsniveaus
– Dissoziation des Moleküls bei hoher Energie
IR-Spektroskopie
• Anharmonischer Oszillator als bessere
Beschreibung:
– Morse Potential
– nicht äquidistante Energieniveaus
– Dissoziationsgrenze vorhanden
– bei RT v=0 hauptsächlich besetzt
• deshalb praktisch alle IR-
Übergänge von v=0
IR-Spektroskopie
m
kosc
2
1
m1m2
m1m2
r0
k
r
)rr(kF 0
2222
21 2 xkx)r(V oscmn
Rücktreibende Kraft F:
Energie der Schwingung V(r):
Schwingungsfrequenz nosc
Reduzierte Masse m:
21
21
mm
mm
m
IR-Spektroskopie
• Schwingungsformen
– Valenzschwingungen (Bindungslänge)
– Deformationsschwingungen (Bindungswinkel)
• Symmetrie
– symmetrisch (Molekülsymmetrie bleibt erhalten)
– antisymmetrisch (Molekülsymmetrie bleibt nicht erhalten)
Starke Bindung
Leichte Atome
Schwache Bindung
Schwere Atome
Schnelle
Schwingung
Langsame
Schwingung
IR-Spektroskopie
• nicht jede Schwingung ist IR-aktiv
• Kriterium: Dipolmoment des Moleküls muss sich im Verlauf der
Schwingung ändern
– meist der Fall, wenn keine Symmetrie im Molekül vorliegt
• Schwingungen, mit denen keine Dipolmomentänderung verbunden ist,
sind nicht anregbar:
– IR-inaktiv.
• Dipolmoment:
– Fähigkeit eines Moleküls mit elektrischen Feldern wechselwirken zu
können
IR-Spektroskopie
Probenvorbereitung:
• Flüssigkeit
– 1 Tropfen der Reinsubstanz wird zwischen 2 NaCl Platten gepresst.
– NaCl-Platten vertragen keine Feuchtigkeit !!!
• Festkörper
– Die Substanz wird mit der 10-100 fachen Menge KBr verrieben und
anschliessend unter Vakuum gepresst, dabei entsteht ein
durchsichtige, einkristallähnliche Tablette.
IR-Spektroskopie
Probenvorbereitung:
• Flüssigkeit
– 1 Tropfen der Reinsubstanz wird zwischen 2 NaCl Platten gepresst.
– NaCl-Platten vertragen keine Feuchtigkeit !!!
• Festkörper
– Die Substanz wird mit der 10-100 fachen Menge KBr verrieben und
anschliessend unter Vakuum gepresst, dabei entsteht ein
durchsichtige, einkristallähnliche Tablette.
IR-Spektroskopie
Aufbau und Funktion
• ATR-Kristall (Diamant) ermöglicht
Mehrfachreflexionen des IR-Strahls.
• Oberhalb des Diamanten bilden sich
evaneszente Wellen mit einer
Reichweite von ungefähr einer
Wellenlänge.
• Probe wechselwirkt mit der Welle und
dadurch kann eine Absorption
stattfinden.
IR-Spektroskopie
Einschalten
1. Spektrometer am Schalter auf der Gehäuseoberseite einschalten.
2. Piepstöne abwarten!
3. Computer einschalten. Login: prakti – Passwort: prakti
4. Drucker einschalten
(falls gebraucht).
IR-Spektroskopie
Messung
1. Programm „Spectra Measurement“ starten.
2. „Parameters+background measurement“ öffnen und Energielevel prüfen (im
Previewfenster unten links): >5400
(Gerät brauch ca. 10 Minuten zum warmlaufen)
3. Background an Luft und ohne Stempel aufnehmen durch „OK“ drücken.
4. „Parameters+Sample measurement“ öffnen und Probe auftragen:
1) Flüssigkeiten: kleiner Tropfen, der den Diamanten ganz bedeckt.
(leichtflüchtige Substanzen mit Deckel abdecken)
2) Feststoffe: kleiner Krümmel mit Stempel auf Diamant fixieren.
(Schraube nur einen Klick überdrehen!!!)
5. 4 bis 16 Scans einstellen (je nach Probe).
6. Messung durch „OK“-Drücken starten.
IR-Spektroskopie
Reinigung
– Wischtuch mit Isopropanol verwenden (kein Draufspritzen auf ATR!!!)
Ausschalten
– Alle Anwendungen schließen (incl. Spectra-Manager)!
– Computer herunterfahren und ausschalten.
– Drucker ausschalten.
– Spektrometer mit dem Schalter auf der Gehäuseoberseite ausschalten.
IR-Spektroskopie
• Skala von rechts nach links Aufsteigend
• Änderung der Skalierung bei 2000 cm-1:
– Bereich von 2000 – 500 cm-1 detaillierter als der Bereich von 4000 bis 2000
cm-1.
• Abhängigkeit von der Atommasse:
– Je leichter die Atome, um so höher die Frequenz
• Abhängigkeit von der Bindungstärke:
– Je stärker die Bindung, um so höher die Frequenz
C-H C-D C-O C-Cl
3000 cm-1 2200 cm-1 1100 cm-1 700 cm-1
CΞO C=O C-O
2143 cm-1 1715 cm-1 1100 cm-1
Abnehmende Bindungsstärke
Zunehmende Reduzierte Masse
IR-Spektroskopie
Bindungen zu
Wasserstoff
Dreifach-
bindungen
Doppel-
bindungen
Einfach-
Bindung
O - H
N - H
C - H
C Ξ C
C Ξ N
C = C
C = O
C – O
C – F
C – Cl
4000 3000 2000 1500 1000
Änderung der
Skala
zunehmende Energie/ Wellenzahl
Kleine Reduzierte Massen
Zunehmende Bindungsstärke
IR-Spektroskopie
• Reduzierte Massen nicht signifikant unterschiedlich
• IR detektiert Unterschiede in der Bindungsstärke!
Bindung Red. Masse IR Frequenz, cm-1 Bindungsstärke, kJ/mol
C-H 12/13=0,92 2900-3200 CH4: 440
N-H 14/15=0,93 3300-3400 NH3:450
O-Hnicht in
Wasserstoff-
brücke
16/17=0,94 3500-3600 H2O:500
Zunehmende
Bindungsstärke
IR-Spektroskopie
• NH Gruppe
– Einzelnes scharfes Signal bei ca 3300 cm-1
• NH2 Gruppe
– Zwei Signale
Antisymmetrisch:
3400 cm-1
Symmetrisch: 3300 cm-1
IR-Spektroskopie
• Schwächung der OH-Bindung in einer Wasserstoffbrücke
– Breite Bande zwischen 3500
und 2900 cm-1
– Beispiel Paracetamol
• „Freie“ OH-Gruppe:
– Scharfe Bande bei 3600 cm-1
– Beispiel
BHT
IR-Spektroskopie
• Scharfe Banden
Gruppe Anzahl der
Banden
Intensität IR Frequnenz in
cm-1
C = O 1 Stark 1900-1500
C = C 1 Schwach ~1640
NO2 2 Stark ~1550 antisym
~1350 sym
IR-Spektroskopie
• Säurederivate
• Konjugierte Doppelbindung: C=O 1675 cm-1, C=C 1615 cm-1
– Schwächung beider Doppelbindungen durch die Konjugation
IR-Spektroskopie
„Fingerprint“-Bereich
• C – C, C – O, C – N
– Ähnliche Bindungsstärke, reduzierte Massen
– Keine unabhängigen Schwingungen
– Ausnahme: C - O ~1100 cm-1
C – Cl ~700 cm -1
• Fingerprint eines Moleküls, schwierig zu
interpretieren
• Zusätzlich zu den Valenzschwingungen:
Deformationsschwingungen
Bindung m Bindungs-
stärke
C – C 6,0 350 kJ/mol
C – N 6,5 305 kJ/mol
C – O 6,9 360 kJ/mol
IR-Spektroskopie
Frequenz [cm-1] Intensität Gruppe Kommentar
1440-1470 Mittel CH2 Deformation
~1380 Mittel CH3 Deformation
~1350 Stark NO2 Sym. N=O Valenz
1250-1300 Stark P=O Valenz
1310-1350 Stark SO2 Antisym. S=O Valenz
1120-1160 Stark SO2 Sym. S=O Valenz
~1100 Stark C-O Valenz
950-1000 Stark C=CH Deformation
~690 und ~750 Stark Ar-H Fünf benachbarkte Ar-H –
out of plane
~750 Stark Ar-H Vier benachbarkte Ar-H –
out of plane
~700 Stark C-Cl Valenz
IR-Spektroskopie
Literatur
M. Hesse, H. Meier, B. Zeeh; Spektroskopische Methoden in der
organsichen Chemie; 2002, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York
Clayden, Greeves, Warren and Wothers; Organic Chemistry; 2001, Oxford
University Press, Oxford, New York
IR-Spektroskopie
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