1.3.2 Инфракрасная спектроскопия
ИК-спектр представляет собой спектр поглощения в инфракрасной области 4000-400 см-1, которое появляется в процессе поглощения колебательной энергии молекулами.
При обычной температуре химические связи в любой молекуле в силу её взаимодействий с соседними молекулами испытывают колебания. Поглощение молекулами энергии ИК-излучения, которое происходит ступенчато, увеличивает амплитуду этих колебаний. Это отражается на спектре в виде пиков. В них активны те нормальные колебания, которые вызывают изменение дипольного момента молекулы. Интенсивность полосы в ИК-спектре тем больше, чем сильнее меняется дипольный момент при данном нормальном колебании. У молекулы с ионными связями интенсивность полос поглощения будет максимальной.
Молекула с N атомами должна иметь столько же степеней свободы, сколько их имеют все атомы вместе. Тогда общее число степеней свободы, которыми располагает молекула равно 3N, а оставшиеся степени свободы 3N – 6 относятся к колебательному движению. В линейных молекулах вращение происходит только совместно с определёнными колебаниями, поэтому для колебательного движения остаётся 3N – 5 степеней свободы. Таким образом, можно рассчитать количество основных пиков в спектре.
Нормальные колебания подразделяют на валентные, характеризующие движение атомов по осям связей, и деформационные, при которых изменяются валентные углы . Частоты валентных колебаний значительно выше частот деформационных. В свою очередь валентные колебания бывают симметричные и асимметричные, а деформационные – ножничные, веерные, симметричные, маятниковые плоские, крутильные неплоские, асимметричные в зависимости от направления смещения ядер[5].
Кроме основных частот в спектрах наблюдаются обертоны и составные частоты, но они проявляются в виде слабых полос. Обертоны соответствуют частотам, кратным какой-либо основной частоте, а составные частоты являются суммой или разностью двух различных фундаментальных частот. Иногда в спектрах могут проявляться интенсивные полосы, которые возникают в результате резонанса Ферми – это явление, которое наблюдается как кажущееся расщепление основной полосы, например С=О, на два пика, возникает вследствие распределение интенсивности между основной полосой и обертоном.
Подготовку твердого образца осуществляют прессованием таблетки из галогенида щелочного метала(KBr), в которой содержится тонкодисперсионный образец(около 1 мг в 300 мг). Получается почти бесцветная таблетка. Захваченная вода часто дает в спектре полосы вблизи 3400 и 1600 см-1, в остальном полученный спектр является спектром самого вещества[6,7].
ИК-спектры веществ регистрируются в виде кривых, по оси абцисс которых отложены волновые числа, а по оси ординат – пропускание Т,%.
Валентное карбонильное поглощение С=О применяется наиболее часто из всех характеристических частот групп, которые используются в работах по определению структуры соединений. Поглощение карбонила почти всегда интенсивно (ε: 300-2000) и лежит в пределах области 1820-1620 см-1. На положение и интенсивность полос поглощения С=О в первую очередь влияет структура молекулы (её геометрия, масса атомов, связанных с карбонилом и т.д.)[6]. Высокая чувствительность карбонила к изменению ближайшего окружения связана с тем, что характеристическое колебание этой группы происходит не только с растяжением связи С=О, это групповое колебание, в котором принимают весьма существенное участие прилежащие углы и связи.
В кетонах диапазон сокращается до 1775-1650 см-1, притом волновое число уменьшается с увеличением размере цикла в циклических соединениях. Например, у циклогексанона колебания карбонила лежит в области 1715см-1. При сопряжении с двойной связью полоса смещается до 1675 см-1 для α,β-ненасыщенных карбонильных соединений, при этом резко растёт её интенсивность вследствие резонанса Ферми из-за сопряжения с С=С (1650-1600см-1). Под влиянием карбонильной группы положение и интенсивность полос поглощения двойной связи также изменяются: частоты снижаются, интенсивность растёт и становиться немногим меньше интенсивности полосы карбонила[9].
В ИК-спектре 2-циклогексилиденциклогексанона обнаруживается один из основных максимумов при 1670-1680 см-1 [10,11], отвечающий α,β-ненасыщенной структуре, и при 1610-1630 см-1, соответствующий колебанию двойной связи С=С.
Колебательные спектры обладают высокой специфичностью и широко используются для идентификации веществ. Каждому веществу присущ только ему свойственный набор полос, с помощью которого можно установить структуру вещества.
Колебательную спектроскопию используют и для количественного определения органических веществ. Определение одного вещества базируется на основном законе светопоглощения закон Бугера-Ламберта-Бера. Величины молярных коэффициентов здесь не велики 103, пределы обнаружения веществ достаточно высоки 10-1-10%масс[5]
1.3.3 Тонкослойная хроматография
Хроматография – физический метод анализа, основанный на разделении веществ за счёт различных скоростей перемещения молекул. В основе хроматографических процессов лежат явления сорбции и десорбции.
Тонкослойная хроматография (ТСХ) является разновидностью жидкостной хроматографии, в которой разделение веществ происходит на открытом слое адсорбента, а подвижной фазой является жидкость.
Метод хроматографии в тонких слоях имеет ряд своих преимуществ: быстрота выполнения анализа, относительная простота метода, экономичность и универсальность. Метод используется для разделения и анализа микроколичеств веществ, качественной и количественной оценки примесей в продуктах пищевой и химической промышленности.
Хроматографический процесс в тонком слое адсорбента обеспечивается динамическим передвижением подвижной фазы (растворитель) через стационарную неподвижную фазу (адсорбент) за счёт капиллярных сил. В результате передвижения смеси элюента и исследуемых веществ происходит разделение анализируемой смеси на компоненты, основанное на различной скорости их перемещения в слое адсорбента.[12]
Основным в ТСХ является элютивный процесс независимого движения компонентов по пластине с постепенным размыванием хроматографических зон. Скорость определяется соотношением времен движения в токе элюента и удерживания за счёт сорбции. В конце процесса каждая зона проходит характерное расстояние.
Пластины для ТСХ состоят из трёх элементов: подложка (стеклянные пластины, алюминиевая фольга), слой адсорбента и связующее (гипс, крахмал, силикаты щелочных металлов). Универсальным и наиболее распространённым адсорбентом для ТСХ является силикагель.
К растворителю-элюенту предъявляют следующие требования: полная растворимость в нём всех компонентов пробы, относительная летучесть, низкое значение Rf, хорошая смачиваемость.
Для нанесения проб используют различные тонкие капилляры. Пробу наносят на стартовую линию приблизительно в 1-1,5 см от края. Пластину помещают вертикально в хроматографическую камеру, на дно которой налит элюент. В качестве камеры можно использовать любой сосуд прямоугольной или цилиндрической формы. Через некоторое время, когда элюент достаточно высоко поднимется по пластине, но не дойдет до её верхнего края, пластину вынимают и дают ей высохнуть, отметив границу, до которой поднялся растворитель.
Для проявления пластин используют следующую классификацию способов: 1) без применения химических реагентов, регистрация поглощения в области УФ и собственной флуоресценции веществ (с помощью введения в слой адсорбента индикаторов); 2) с применением химических реагентов – универсальные(концентрированные кислоты – серная, к которой можно добавить азотную кислоту или окислители(перманганат, дихромат калия), фосфорная, хлорная), специфические.
Пары йода относят к универсальным реагентам. Пластину, после просушивания, ставят в йодную камеру, в которой находиться кристаллический йод и на 1-2 минуты оставляют там. После этого на пластине появляются коричневые пятна на бледно-жёлтом фоне. Количество пятен соответствует компонентам исследуемой смеси. Если пятно одно, значит вещество чистое. [13].
В ТСХ важной характеристикой степени разделения веществ является величина Rf - отношение длины пробега вещества к длине пробега растворителя. Для того чтобы определить коэффициент удерживания Rf , нужно измерить расстояние от стартовой линии до центра пятна и до финишной линии, и подсчитать их отношение. Но Rf в ТСХ является относительной величиной и сильно зависит от условий эксперимента. Оно весьма просто характеризует положение пятна на пластине. Этот параметр не несёт никакой информации о хроматографическом процессе и о других «ограничивающих условиях», которые привели к полученному результату.
В данной работе метод тонкослойной хроматографии использовали для оценки чистоты вещества и проверки его на наличие примесей.