SoSe 19 Infrarot-Spektroskopie E = h v = h c ሚθ E = Energie; h = Planck sches Wirkungsquantum; v = Frequenz; c = Lichtgeschwindigkeit, ሚθ = Wellenzahl 1
3.1 Schwingungsmodi T / % Moleküle werden mit Licht im Infrarot-Bereich (400-4000 cm -1 ) bestrahlt Durch Absorption werden Schwingungen im Molekül angeregt Im IR-Spektrum werden die absorbierten Wellenlängen in Form von Banden sichtbar ሚθ / cm 1 Wellenzahl ሚθ: ሚθ = 1 λ = f c l = Wellenlänge, f = Frequenz, c = Lichtgeschwindigkeit Schwingungsmodi: Symmetrische Asymmetrisch Deformationsschwingung (d) Valenzschwingung (n) -> Bindungslängen -> Bindungswinkel 2
3.1 Schwingungsmodi Bindungen zwischen Atomen können als Federn betrachtet werden (harmonischer Oszillator) Je stärker die Feder, desto mehr Energie ist nötig, um Schwingungen anzuregen umso größer sind Frequenz und Wellenzahl ሚθ = 1 λ = f c ሚθ = 1 2πc K μ K = Kraftkonstante µ = reduzierte Masse IR-aktiv sind nur solche Schwingungen, bei denen sich das Dipolmoment ändert 3
3.2 Absorptionsbanden allgemein Charakteristischer Bereich für funktionelle Gruppen Fingerprint-Bereich Stärkere Bindung höhere Wellenzahl da: E~ ሚθ Leichtere Atome u. Gruppen höhere Wellenzahl da: μ ~ 1 θ² Valenzschwingungen: 4000-1500 cm -1 Deformationsschwingungen: ca. <1500 cm -1 X-H-Bereich C-H-Bereich Dreifachbindungs- Bereich Doppelbindungsbereich 4
3.3 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Schwingung θ cm 1 Bemerkung C-O-C Valenz 1150-1020 Scharfe Bande C-O Valenz, primäre Alkohole 1050-1010 C-O Valenz, sekundäre+tertiäre Alkohole 1200-1100 5
Valenzschwingung der C-H Bindung liegt zwischen: 3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente CH-Bindungen 3300 cm -1 >3000 cm -1 <3000 cm -1 2850 cm -1 sp-ch sp 2 -CH sp 3 -CH Je höher der s-anteil der Bindung, desto stärker und somit kürzer die Bindung und desto höher die Wellenzahl (mehr Energie zur Anregung nötig) sp 2 sp 3 sp 6
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Beispiel Octadiin 7
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Beispiel Heteroatom-H Bindungen 8
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Carbonyl-Verbindungen Wellenzahl zwischen: 1700 cm -1 1800 cm -1 1550 cm -1 Säurehalogenide Ester Aldehyde Ketone Amide Carboxylate kurze CO-Bindung lange CO-Bindung Je stärker die Mesomerie (+M) und der positive induktive Effekt (+I), desto kleiner die Wellenzahl! -I-Effekt führt zu größeren Wellenzahlen (siehe Säurehalogenide) 9
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Beispiele für Carbonylbanden 10
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente C=C-Doppelbindungen 11
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Aromaten CH-Schwingungen an unterschiedlich substituierten Aromaten: sp 2 ortho para meta (sehr klein) Ringschwingung (C=C-Valenzschwingungen, mittelstark): 1610-1590 cm -1, 1500-1480 cm -1 12
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente Aromaten 13
3.4 Schwingungsdaten wichtiger Strukturelemente CO 2 Das IR-Spektrum von Luft zeigt zwei intensive Banden zwischen 2400 und 2300 cm -1 (O=C=O-Valenzschwingungen) Sind sehr oft in selbstgemessenen Spektren noch zu sehen Gehören nicht zur Probe! 14
3.5 Anwendung Strukturaufklärung Funktionelle Gruppen erzeugen charakteristische Banden Unterscheidung von Substanzen mit ähnlichen NMR-Spektren Beispiel: Sulfon- und Sulfid-Gruppe IR-Spektrum = Fingerabdruck eines Moleküls (vor allem Fingerprint Bereich) ABER! Aussehen des Spektrums ist abhängig von Messform (also: Lösung, KBr-Pressling) Anzahl der Banden kann Aufschluss über die Symmetrie (Punktgruppe) von Komplexen liefern 15
3.6 Literaturverweise Kurze Einführung und ausführliche Tabellen, im hinteren Teil des Organikums sind repräsentative Spektren für verschiedene Verbindungsklassen abgebildet: Organikum, 22. Aufl., S. 90 ff. und Kapitel E. Identifizierung Ausführliches Standardwerk über Spektroskopie: Hesse Meier Zeeh, Spektroskopische Methoden in der organischen Chemie, 6. Aufl., S. 31 ff Gutes Handout der Uni Stuttgart http://www.uni-stuttgart.de/ochem/lehre/praktika/2011/2011wise/2011wise-umwa/handout_ir_6.pdf Umfangreiche Datenbank mit einer Vielzahl von Spektren: http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi Gute Übung zur Auswertung von IR-Spektren finden sich auf Youtube, z. B.: https://www.youtube.com/watch?v=mjt1qi-ydg4 16
3.7 Übungen 17
3.7 Übungen 18
1. Nennen Sie 2 bis 3 charakteristische Banden folgender Verbindungen. - Essigsäure 3.7 Übungen 19
1. Nennen Sie 2 bis 3 charakteristische Banden folgender Verbindungen. - p-methoxybenzaldehyd 3.7 Übungen 20
1. Nennen Sie 2 bis 3 charakteristische Banden folgender Verbindungen. - Diethylether 3.7 Übungen 21
1. Nennen Sie 2 bis 3 charakteristische Banden folgender Verbindungen. - Isopropylalkohol = Isopropanol = 2-Propanol 3.7 Übungen 22
1. Nennen Sie 2 bis 3 charakteristische Banden folgender Verbindungen. - Styrol 3.7 Übungen 23
3.7 Übungen 2. Welche charakteristischen Banden zeigt folgendes Spektrum? 24
3.7 Übungen 2. Welche charakteristischen Banden zeigen diese Spektren? 25
3.7 Übungen 2. Welche charakteristischen Banden zeigen diese Spektren? 26
3.7 Übungen Vergleiche die Spektren folgender Isomere mit der Summenformel C 2 H 6 O. 27
3.7 Übungen Vergleiche die Spektren folgender Isomere mit der Summenformel C 3 H 6 O. 28
3.7 Übungen Vergleiche die Spektren folgender Isomere mit der Summenformel C 3 H 6 O. 29
3.7 Übungen 30
3.7 Übungen 31