Органикалық қосылыстардың құрылысын анықтайтын қазіргі физика химиялық әдістер

Қазақстан Республикасының денсаулық сақтау министрлігі

Оңтүстік Қазақстан мемлекеттік фармацевтика академиясы

                  

 

 

Фармакогнозия және химия кафедрасы

 

 

СӨЖ

 

Тақырыбы: Органикалық қосылыстардың құрылысын анықтайтын қазіргі физика химиялық әдістер. (ИҚ-, УК-, ЯМР- спектроскопиялары).

 

 

                                                                   

                                                              

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                              

    Жоспар:

     I. Кіріспе.

II. Негізгі бөлім:

1. Органик қосылыстардың құрылысын анықтаy әдістері.

2. Органикалық заттарды талдаудағы ИҚ-, УК-, көрінетін-, ЯМР-спектроскопияның маңызы.

3. Масс-спектрометрия  және ЯМР-спектрометрия    әдісі.

4. Газ-сұйық хроматографиясы.

      III. Қорытынды. 

    VI. Пайдаланылған  әдебиеттер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кіріспе:

Ежелден адамзатты әр түрлі заттар арасында қандай өзгерістер болатыны, реагенттердің құрамы, құрылысы, қасиеті, берілген жағдайдың реакцияның жүруіне әсері, химиялық өзгерістер жылдамдығы қызықтырған еді. Бұны анықтау үшін заттарға қарапайым және күрделі химиялық әдістерге жататын – сандық және сапалық талдау жасалды. Бірақ, таза химиялық әдіспен элементтің құрамын, функционалдық тобын, зат бөлшектерінің геометриялық құрылымын және оның өзгеру динамикасын анықтау мүмкін болмады. 

Бірте-бірте белгілі агрегаттық күйдегі зерттелетін қосылыстар жиілігі және энергиясы әр түрлі бөлшектер шоғымен немесе электр магниттік сәулемен зондталып, нәтижесінде шағылысқан сәулелердің сипаттамасынан алынатын әдістер дами бастады. Бұл сипаттамалар:

 

1. электрон тығыздығының бөлшекте таралуына;

2. электронның конфигурациясына;

3. электронды-тербелмелі-айнымалы деңгейлердің таралуына;

4. атом ядросының құрамына 

тәуелді болғандықтан, бұл сипаттамалар атом мен молекуланың физикалық қасиетіне сай келеді, сондықтан да зерттеудің физикалық қасиеті деп аталады. 

Физико-химиялық зерттеу әдісінің мақсаты –затты және оны құраушы бөлшектердің қасиеттерін анықтау болып табылады. 

 Физико-химиялық зерттеу үлкен мүмкіндігіне, жоғары сезімталдығына және жоғары дәлдігіне байланысты – молекуланың химиялық құрылымын идентификациялауға, яғни анықтауға кеңінен қолданылады. Затты идентификациялау үшін мынадай сапалық талдау жасалады: 

1. элементтік талдау;

2. заттың негізгі функционалдық тобын және көміртегі қаңқасының фрагментін анықтау арқылы жіктеу;

3. құрылымдық формуласын анықтау;

4. сандық талдау жасау;

5. молекуланың конфигурациясы туралы мағұлмат алу.

 
Тереңдетілген деңгейде идентификациялау химиялық құрылым теориясының негізгі сұрақтарын:

 

1. химиялық байланыс реттілігі;
2. химиялық байланыс ұзындығы;
3. құрылымдық және оптикалық изомерия;
4. атомның координациялық саны;
5. молекуладағы атом мен атом тобының өзара әрекеттесуін анықтауға негізделеді.

Идентификацияны терең жүргізбегеннің өзінде, реакциялық қоспаның сапалық құрамын және сандық сипаттамасын анықтау арқылы химиялық реакцияның әр түрлі тепе-теңдігін, кинетикасы мен механизмін білуге болады. 

Заттың сандық және сапалық анализі электромагниттік сәулелену спектрі бойынша іске асса  спектроскопия әдісі деп аталады. Органикалық қосылыстарды талдау үшін әр түрлі оптикалық (УК-, көрінетін-, ИҚ-, Қ-) және резонанстық (ЯМР) спектроскопияның аспаптық әдістері, газ-сұйықтық хромотографиясы, массспектрометрия және олардың түрліше құрастырылған түрлері пайдаланылады. Химияда қолданылатын физикалық-химиялық әдістердің ішінде ИҚ-спектроскопия әдісі органикалық заттарды талдауда аса маңызды орын алады.

Инфрақызыл  спектроскопия әдісі - аналитикалық химия мәселелерін шешуде ыңғайлы әдіс. Сіңірудің тербелмелі ИҚ-спектрлері арқылы сапалық талдаудың мына мәселелерін шешуге болады:

• жеке заттарды анықтау (заттарды теңестіру спектрлерінің ұқсастығы бойынша салыстыру);

• заттар қоспасынан зат ерітіндісіңің құрамын анықтау; функңионалды топтарды анықтау;

• қоспаға және жеке заттарға тән құрылымдық бөліктерді (атомдар тобы, еселік қатынастар, олардың молекуладағы өзара орналасуы және т.т.) анықтау.

Қазіргі кезде әр түрлі заттардың түрліше агрегаттық күйдегі тербелмелі спектрлері туралы үлкен тәжірибелік материал жинақталған. Бұлар жеке қосылыстар ИҚ-спектрлерінің атласы ретінде жарыққа шықты. Мұнда көптеген органикалық, элементорганикалық, бейорганикалық қосылыстардың, минералдардың, полимерлердің, т.б. спектрлері берілген.

Құрамында бірдей химиялық топтары бар молекулаларды эксперименттік және теориялық тұрғыдан зерттеу, молекуланың басқа бір бөлігінде өзгерістің болуына байланыссыз осы топтардың айтарлықтай тар аралықта жиілікті сіңіретіндігін көрсетті. Бұл тербелістердің жиілігі көптеген әр түрлі қосылыстардын спектрлерінде байқалады және ол "сипаттауыш" деп аталады. Олар молекуланың басқа тербелістерімен аз әрекеттеседі. Мұндай тербелістерге, мысалы, ЭХ топтарының тербелісі жатады, мұндағы Э =С, N, Р, 0, S, В; X = Н1, Н2, Н3, Н04 және т. б. Валенттік және кейбір деформациялық тербелістерді құрайтын атомдар, масса айырмашылығы неғұрлым көп болса, соғұрлым осы атомдар тербелістерінің өзара әсері де аз болады. Массалары бойынша шамалас атомдар және күш тұрақтылығына жақын байланыстармен қосылған жағдайда, жеке байланыстарға жататын тербелістерді жеке бөліп алуға болмайды.

Химиялық косылыстардың әр түрлі топтарының түрліше ИҚ-спектрлерін сан рет өлшеу кезінде сіңіру жолақтары интенсивтігінің өзгеруін әрі оның қалпының ығысуын туғызатын ішкі факторлардың болатынын анықтады. Олар сипаттауыш тербеліс жиілігімен байланысты. Сыртқы факторларға өлшеу шарттары (агрегаттық күйі - газ, сұйық ерітінді, қатты) жатады. Ішкі (құрылымдық) факторлар негізінен белгісіз құрылымды анықтау үшін маңызды. Бұл жағдайда сыртқы фактордың ыкпалын азайту үшін, мүмкіндігінше. өлшеуді полюссіз еріткіштерде өткізу ұсынылады.

Жеке косылыстардың, оптикалық материалдар мен қолданатын еріткіштердің ИҚ-спектрлерінің атласын, сондай-ақ сипаттауыш топтық жиіліктердің (әр түрлі атомдар тобы) реттеуші диаграммалары мен кестелерін, жалпы және арнаулы білімдерді пайдаланып, зерттеуші химик-аналитик сапалық спектрофотометрлік талдаудын мәселелерін ойдағыдай шеше алады:

• талданатын қосылыстағы құрылымды элементтерге тән қасиеттерді (функңионалдық талдау), олардың молекулада салыстырмалы орналасуын анықтау;

• зат ерітіндісінің немесе қоспаларының сапалық, кейде жартылай сандық құрамын анықтау;

• белгісіз заттарды салыстыру арқылы анықтау.

ИҚ-спектроскопияның көмегімен, сондай-ақ химиялық және әр түрлі, оның ішінде өнеркәсіптік өндіріс өнімдерін алу үшін технологияның тиімділігін жақсарту мақсатымен химиялық және технологиялық процестердің жүру жылдамдығын аныктау да мүмкін. Сапалық және сандық ИҚ-талдау заттар сынамасын таңдап алумен немесе газдар, ерітінділер не сұйық өнімдердің реакциялық ағымында орындала алады.

Сандық ИҚ-спектроскопияны әр түрлі мәселелерді шешуге қолданады, мысалы, кварц бөлшектерімен ауаның ластануын, сүттегі майдың, белоктың және қанттыңмөлшерін, қандағы және жүрек бұлшық етіндегі көміртегін, қатты тасымалдауыштардағы сорбенттерді анықтау. Көптеген жағдайларда ИҚ-талдау кезінде көп жұмысты талап ететін үлгіні даярлаудың кажеті жоқ. Ал қазіргі ЭВМ бар ИҚ-спектрофотометрлер мысалы, су ерітінділерінде биологиялық заттардың аз мөлшерін талдау кезінде оптикалық тығыздықтың кең диапозонында сандық анықтаудың дәлдігін, сезгіштігін әрі жылдамдығын едәуір арттыруға мүмкіндік береді.

 

Талдау нәтижелерін басқа да физикалық-химиялық әдістермен, атап айтканда, К-, УК-, ЯМР- және масс-спектрлермен алу орынды. Үлгінің жеткілікті дәрежеде тазалығын (95 %-тен кем емес) немесе оның құрамында екі не одан да көп негізгі құрылымның (бөлікгің) бар екендігін білген жөн. Белгісіз зат басты реакцияның өнімсіз немесе әуелгі заттағы қоспа болуы мүмкін. Мұндай жағдайда сол әуелгі өнімдер мен шамаланған қоспалардың ИҚ-спектрлерін алу қажет. Осыдан кейін алынған спектрлерді көбіне 4000 - 400 см−1 аймағындағы талдауға кіріседі. Ондағы СН тобының сіңіру жолақтарының қалпы мен интенсивтігіне байланысты молекула алифатты ма, ароматты ма, жоқ екеуі де емес пе, соны анықтайды, сондай-ақ әрбір ерекше түрдің құрылым шамасын бағалайды. Мұндай бағалауға кестеде көрсетілген ИҚ-сіңірудің сипаттауыш жолақтары мүмкіндік береді. Осындай тұжырымдамалар өзге байланыстарға да тән. Егер талданатын белгісіз органикалық қосылыс кестеден, құрылыстары әр түрлі физикалық-химиялық әдістер спектрлерімен дәлелденген жеке Үлгі ретіндегі косылыстардың спектр жиынтығынан табылмаса, онда мүмкіндігінше ЭВМ қорындағы мәліметті іздеу жүйесін қолданып, ИҚ-спектрлерді қарастырып шығу керек. Егер белгісіз қосылыс табылмаса, онда оған құрылысы ұқсас қосылыстар спектрлері, газ электронографиясы, К-, УК-, ЯМР-, масс-спектроскопиясы сияқты құрылымдары тәуелсіз әдістермен анықталған, ұқсас әрі қосылыстардың спектрлері негізінде, әйтеуір бір болжамды құрылымды алып спектрлерімен салыстыру керек. 

Атомды-эмиссиялық спектроскопия деп – атомның (ион, молекула, радикал) сыртқы валенттік электрондарын қоздырып, олардың төмен орбитальдарға артық энергияны бөлу, яғни эмиссиялау арқылы көшіп, электромагниттік сәулеленудің өздеріне тән көрінетін және ультракүлгін спектрін түзуін атайды.

1. плазмадағы элемент атомының концентрациясына;
2. элемент атомындағы валентті электрон санына;
3. электрондық қабат құрылысына (s, p, d-элементтері);
4. плазма температурасына тәуелді. 

Инфрақызыл абсорбциялық спектроскопия әдісі – аналитикалық химия мәселелерін шешуде ыңғайлы әдіс. Сіңірудің тербелмелі ИҚ спектрлері арқылы: жеке заттарды анықтау, заттар қоспасынан зат ерітіндісінің құрамын анықтау, функционалды топтарды анықтау, қоспаға және жеке заттарға тән құрылымдық бөліктерді (атомдар тобы, еселік қатынастар, олардың молекуладағы өзара орналасуы және т.т.) анықтауға болады. 

Масс-спектрометрия (масс-спектроскопия, масс-спектрлік талдау) – газ күйіндегі иондардың электромагнитті өрісте өздерінің массасының зарядқа қатынасына   қарай бөлу қабілетіне негізделген. Осылайша ион массаларын, зерттелетін заттың фрагменттерін және иондар санын анықтайды. Ион салмағының зарядқа қатынасы және осы иондардың салыстырмалы ток шамасының қосынды мәндері заттың масс-спектрін құрайды. 

Масс-спектрометрияның дамуы 1910 жылғы Дж. Томсонның зарядталған бөлшектер шоғын электрлік және магниттік өріс көмегімен бөліп, оны фотопластинкаға түсіре тіркеп, жүргізген зерттеуінен басталады. Алғашқы масс-спектрометрді 1918 жылы А.Демпстер көптеген элеметтердің изотопты құрамын зерттеу кезінде құрастырған еді. Бертін келе 1940 жылы А.Нир масс-спектрометрді өндірістік жағдайда көптеп шығаруды жолға қойды. Масс-спектрометрді газ-сұйықтықтық хроматографиялық әдіспен бірігуі ұшқыш күрделі қосылыстарды дәл анализдеуге мүмкіндік берді. 

Масс-спектрометрдегі иондардың бөлінуі және оны танып білу, олардың электрлік және магниттік өрістерде салмаққа, зарядқа және жылдамдыққа тәуелді қозғалуына негізделген  
потенциал.

Масс-спектрлік аспаптар зерттелетін заттың әр түрлі иондарының шамасын   бөлу үшін, осы мәндерді өлшеу мен бөлінетін иондардың тогын пайдаланады. Егер тіркеу электрондық әдіс бойынша жүргізілсе, онда мұндай аспаптарды масс-спектрометр деп атайды. Ал, масс-спектрографтар спектрлерді тіркеу фотопластинкаға түсіру арқылы іске асады.