Инфракрасная спектроскопия

Инфракрасная (ИК) спектроскопия представляет собой аналитический метод, основанный на изучении взаимодействия молекул с электромагнитным излучением в инфракрасной области спектра (обычно 4000–400 см⁻¹). Энергия ИК-излучения соответствует колебательным и вращательным переходам молекул, что позволяет идентифицировать функциональные группы и строение органических и неорганических соединений.

ИК-спектры отражают молекулярные вибрации, которые делятся на:

  • Растяжения (stretching) — изменение длины химических связей;
  • Изгибы (bending) — изменение углов между связями.

Каждая функциональная группа имеет характерные частоты колебаний, что делает ИК-спектроскопию мощным инструментом для структурного анализа.

Виды колебаний и их особенности

  1. Симметричное растяжение (ν_sym) — все атомы в группе движутся синхронно вдоль линии связи.

  2. Ассиметричное растяжение (ν_as) — атомы движутся в противоположных направлениях, создавая колебательные диполи.

  3. Внутримолекулярные изгибы — включая:

    • деформации угла (δ),
    • качания (γ),
    • вращательные колебания (τ).

Для эффективного наблюдения колебаний необходимо, чтобы изменялся дипольный момент молекулы. Неполярные связи, такие как C–C в алканах, практически не проявляются в ИК-спектре.

ИК-спектры и их интерпретация

ИК-спектр представлен зависимостью поглощения или пропускания от волнового числа (см⁻¹). Основные зоны:

  • 4000–2500 см⁻¹ — область высокочастотных растяжений X–H (O–H, N–H, C–H).
  • 2500–2000 см⁻¹ — тройные связи (C≡C, C≡N).
  • 2000–1500 см⁻¹ — двойные связи (C=O, C=C, C=N).
  • 1500–400 см⁻¹ — так называемая “фингерпринт-зона”, характерная для конкретной молекулы и сложной комбинации колебаний.

Характерные полосы:

  • O–H: широкая полоса около 3200–3600 см⁻¹;
  • N–H: 3300–3500 см⁻¹, более узкая и резкая;
  • C=O: интенсивная полоса 1650–1750 см⁻¹, зависит от конъюгации и водородных связей;
  • C–H: 2850–3000 см⁻¹ для алканов, 3020–3100 см⁻¹ для алкенов.

Методы регистрации ИК-спектров

  1. Непрерывная спектроскопия с использованием призмы или дифракционной решетки — классический способ.

  2. Фурье-ИК-спектроскопия (FT-IR) — основана на преобразовании Фурье интерферограмм, получаемых через интерферометр Михеля. FT-IR обеспечивает:

    • более высокую чувствительность;
    • лучшее разрешение спектра;
    • быстрый сбор данных.

Приготовление образцов

  • Твердые вещества: прессование с KBr в виде прозрачных таблеток или метод сцепления с NaCl-окном.
  • Жидкости: капля между двумя окнами из NaCl или KBr.
  • Растворы: растворение в инертных растворителях (CCl₄, CS₂) для уменьшения интерференции.

Применение в фармацевтической химии

  1. Идентификация лекарственных веществ — определение функциональных групп и проверка структурных аналогов.
  2. Контроль чистоты препаратов — обнаружение примесей и разложений.
  3. Анализ полимеров и вспомогательных веществ — оценка совместимости активных веществ с носителями и покрытиями.
  4. Кристаллическая форма и гидраты — различение полиморфов, гидратных и безводных форм.

ИК-спектроскопия является неотъемлемым инструментом фармацевтической аналитики благодаря способности быстро, точно и без разрушения пробы выявлять структурные особенности молекул.

Ключевые факторы, влияющие на спектры

  • Водородные связи — смещают полосы O–H и N–H в сторону низких частот;
  • Конъюгация — снижает частоту колебаний C=O и C=C;
  • Изотопный эффект — замена H на D сдвигает полосы растяжений на ~30% к низким частотам;
  • Температура и физическое состояние — твердые, жидкие и газовые фазы имеют различную интенсивность и форму полос.

Фингерпринт-зона

Область 1500–400 см⁻¹ содержит уникальные сочетания колебаний, характерные для конкретной молекулы. Несмотря на сложность интерпретации, она позволяет точную идентификацию вещества, особенно при сравнении с эталонными спектрами.

Современные тенденции

  • ИК-микроскопия — позволяет анализировать малые объемы и отдельные кристаллы.
  • Временная ИК-спектроскопия — изучение кинетики реакций и процессов деградации.
  • Комбинирование с другими методами (РМР, масс-спектрометрия, рентгенография) — для комплексного структурного анализа.

ИК-спектроскопия сочетает высокую информативность с минимальной подготовкой проб, что делает её ключевым методом в лабораторной практике фармацевтической химии.

Оглавление