Лекция №1 Ведение. Ультрафиоле

Физико-химические методы исследования
биологически активных веществ
Введение
•
Цель изучения дисциплины: формирование знаний, умений, навыков и
•
Структура курса:
компетенций в области использования современных физико-химических методов для
анализа медицинских препаратов на подлинность и количественного определения
действующего вещества в препарате.
Лекции 24 ч
Лабораторные занятия 24 ч
Самостоятельная работа 84 ч
Экзамен
Методическое обеспечение курса:
•
•
•
•
•
Сильверстейн Р., Вебетер Ф., Кимл Д. Спектрометрическая идентификация органических
соединений. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, - 2011. – 520 с.
Преч Э., Бюльманн Ф., Аффольтер К. Определение строения органических соединений. М.:
Мир. -2006. -439с. (сетевые образовательные ресурсы в WebCT каф. ОХОС).
Беккер Ю. Хроматография. Инструментальная аналитика: методы хроматографии и
капиллярного электрофореза. –М.: ТЕХНОСИЛА. 2009. -470 с.
Краснокутская Е.А. Физико-химические методы анализа биологически активных веществ.
Томск: -2005. -142с.
5. Лебедев, А. Т. Масс-спектрометрия в органической химии. — М. : БИНОМ. Лаборатория
знаний, 2003. — 493 с. (сетевые образовательные ресурсы в WebCT каф. ОХОС).
Персональный сайт Е.А. Краснокутской http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/e/EAK
Лекция №1
Спектральные методы исследования БАВ
• Область применения спектральных
методов
• Электромагнитный спектр
• Электронная, или УФ-спектроскопия
– Возбуждение и релаксация
Контроль за ходом
реакции
Контроль за
чистотой продукта
Установление
структуры
Физико-химические методы исследования
Спектральные методы:
УФ-спектроскопия
ИК-спектроскопия
ЯМР-спектроскопия
Масс-спектрометрия
Комплексные методы:
ГХМС
ЖХМС
Хроматографические методы:
Тонкослойная хроматография
Газовая хроматография
Жидкостная хроматография
Электромагнитный спектр
ΔЕ = Ек – Ен
ΔЕ –
изменение энергии системы;
Ек и Ен – энергия системы в конечном
и начальном состояниях
ΔЕ > 0 поглощение энергии
Спектр поглощения
Электромагнитный спектр
ΔЕ < 0 излучение энергии
Эмиссионный спектр
Электромагнитный спектр
с=ln
с – скорость света [см/с]
l – длина волны [см],
n – частота(в циклах за
секунду [с-1],
или в герцах [Гц]).
Размерность l, n
С увеличением частоты излучения длина волны уменьшается
Е=hn
h – постоянная Планка, (9.534∙10-14 ккал·с/моль),
n – частота [Гц].
С увеличением частоты излучения возрастает и его энергия, с
увеличением длины волны излучения его энергия падает
Электромагнитный спектр
Излучение
λ, см
Е, эв
Процессы,
происходящие
поглощении или излучении
при
γ-Лучи
10-11- 10-8
~ 107
Изменения в энергетическом состоянии
ядер (спектроскопия γ-резонанса)
Рентгеновские лучи
10-8- 10-6
~ 105
Изменения в энергетическом состоянии
внутренних электронов атомов
(рентгеноспектроскопия)
Ультрафиолетовое и
видимое
10-6- 10-4
~ 10
Изменение энергетического состояния
внешних электронов (электронная
спектроскопия)
Инфракрасное
10-4- 10-2
~ 10-1
Колебание атомов в молекуле (ИКспектроскопия)
Микроволновое
10-1- 10
~ 10-3
Колебание атомов в кристаллической
решетке; изменение вращательного
энергетического состояния
Радиоволны
> 10
~ 10-6
Изменение энергетического состояния
спинов ядер и электронов
(спектроскопия ЯМР и ЭПР)
Электронная, или УФ-спектроскопия
«Видимая» часть спектра 400 - 800 нм
Ультрафиолетовая часть спектра 1- 400 нм
Область вакуумного УФ-излучения
(дальняя ультрафиолетовая область )
1 – 200 нм
Ближняя УФ-область
(ультрафиолетовые лучи)
200 – 400 нм
Возбуждение и релаксация
Электронные спектры
поглощения наблюдаются в
результате поглощения
ультрафиолетового и
видимого излучения

E n

Энергия

E 
E
n

n


E 

В результате происходит переход
(возбуждение) валентного электрона
с занимаемого им уровня на уровень
с более высокой энергией

Молекула, переведенная в возбужденное электронное состояние, может
потерять избыток энергии путем:
Разрыва связи;
Испускания;
Флуоресценции;
Фосфоресценции;
Безызлучательно
Закон Бера-Бугера-Ламберта
Экспериментально открыт П. Бугером (1729),
теоретически выведен И.Г. Ламбертом (1760),
для растворов исследован А. Бером (1852)
lg (I0/I) = alc
А = lc
П. Бугер
И.Г. Ламберт
а - коэффициент поглощения, константа, зависящая от
l, но не зависящая от концентрации;
l - длина оптического пути;
c - концентрация
При с [моль/л], b[см] , a = 
 - молярный коэффициент поглощения
Величина молярного коэффициента поглощения пропорциональна
вероятности определенного перехода
А = lg (I0/ I)
Т = I/I0
А = - lgТ
А – погашение
(оптическая плотность D)
Т - пропускание
Способы изображения электронных спектров
Электронные спектры поглощения записываются в виде зависимости
поглощения от длины волны (Ǻ , нм) или частоты (см-1)
Величина поглощения может быть выражена:
процентом поглощения [(I0 – I)/ I0 · 100% ],
процентом пропускания [(I/I0) · 100%],
оптической плотностью D ,
коэффициентом молярного поглощения (ε)
или его логарифмом (lgε)
lмаксгексан = 235 нм ( 5400).
Области поглощения растворителей,
наиболее часто используемых в
УФ-спектроскопии
А = 0,2 до 0,7.
сведения о концентрации раствора
и толщине кюветы всегда должны
сопровождать выдаваемый
прибором спектр А = f(λ)
Водный раствор комплекса
мальтола и железа (III)
(FeMa3 (III), 12.8 мг/л)
O
OH
3-гидрокси-2-метил-4Н-пиран-4-он
(мальтол)
O
Взаимосвязь электронных спектров и
структуры органических молекул
Для характеристики спектральных изменений,
вызванных модификацией структуры, введены
специальные термины:
гипсохромный сдвиг (синий сдвиг) – для смещения полос
поглощения в коротковолновую область спектра;
батохромный сдвиг (красный сдвиг) – для смещения полос
поглощения в область длинных волн;
гиперхромный эффект – увеличение интенсивности поглощения;
гипохромный эффект – уменьшение интенсивности поглощения.
Гиперхромный эффект
Оптическая плотность
Гипохромный эффект
Гипсохромный сдвиг
Батохромный сдвиг
Длинна волны, нм
диэтиловый
гексан эфир
вода
метанол
этанол
Гипсохромный сдвиг полосы
n ->  при увеличении
полярности растворителя
305
312
315
326
l, нм
327
Батохромный сдвиг полосы
 ->  при увеличении
полярности растворителя
230
237
238
244
l, нм
Взаимосвязь электронных спектров и
структуры органических молекул
Хромофоры
Хромофор -простая функциональная группа, ответственная за
поглощение с характеристическими величинами  и l
X--Y
спектр соединения - сумма спектральных
характеристик индивидуальных хромофоров X и Y
X-Y
новый, хромофор с новыми спектральными
характеристиками
Ауксохром – функциональная группа, которая сама по себе не
поглощает в близком ультрафиолете, но может влиять на поведение
сопряженного с ней хромофора
Типичные ауксохромы: -SH, -NH2 , -OH
Основные хромофорные группы
Хромофор
Тип перехода
λmax
log(ε)
нитрилы
n → π*
160
<1.0
алкины
π→ π*
170
3.0
алкены
π→ π*
175
3.0
спирты
n→σ*
180
2.5
простые эфиры
n→σ*
180
3.5
π→ π*
180
3.0
n → π*
280
1.5
π→ π*
190
2.0
n → π*
290
1.0
n→σ*
190
3.5
кислоты
n → π*
205
1.5
сложные эфиры
n → π*
205
1.5
амиды
n → π*
210
1.5
тиоспирты
n → π*
210
3.0
нитросоединения
n → π*
271
<1.0
азосоединения
n → π*
340
<1.0
кетоны
альдегиды
амины
Электронные спектры поглощения основных
классов органических соединений
Предельные углеводороды
 → * переходы
Соответствующие им полосы поглощения лежат в далеком ультрафиолете:
·
метан – 122 нм
·
этан – 135 нм
·
алканы - < 150 нм
Насыщенные углеводороды с гетероатомами (О, S, N, галогены)
 → * и n → * переходы
соединение
l → *, нм
ln→ ,
нм
CH3OH
150
177
CH3NH2
170
215
CH3Cl
150
173
В области 200 – 800 нм большинство углеводородов и их производных «прозрачны»,
что позволяет использовать их в качестве растворителей.
Для функциональных производных эта область чуть уже: 250 – 800 нм.
Электронные спектры поглощения основных
классов органических соединений
Этилены
 →   →  (lmax =165 нм, max > 104) переходы
Алкильные заместители в этилене смещают  →  полосу поглощения в красную
область, и с ростом числа алкильных заместителей величина батохромного сдвига
увеличивается.
Соединения с сопряженными двойными связями
Сопряжение проявляется в УФ-спектрах батохромным сдвигом для полосы  →
перехода
Структура Фрагмента
Величина инкремента, нм
Диеновая система в одном кольце
36
Дополнительное сопряжение,
двойная связь
30
Экзоциклическая двойная связь
(двойная связь вне цикла)
5
Заместители:
·
алкил
·
-OR
·
-OCOR
·
SR
·
-NR2
·
-Cl, -Br
5
6
0
30
60
5
d
2 двойные связи (1,4) в
сопряжении (+2*30)
CH3
b
CH3
e
C 4H9
c
3 экзоциклические
двойные связи (1,4,
С=О: 3*5)
4
a
2
1
5 алкильных
радикалов
(a,b,c,d,e: 5*5)
3
CH
O
CH33C
OCO
O
Диеновый фрагмент
(2,3 – диен в цикле: 217 + 36)
lmax  217  36  2 * 30  3 * 5  5 * 5  353нм
l
exp
max
 356 нм
Электронные спектры поглощения основных
классов органических соединений
Карбонилсодержащие соединения
O
R
C
R
n →  n →   →  переходы
Обнаруживается в УФ-спектре по полосе n →  перехода.
Положение чувствительно к полярности растворителя и
характеру заместителей X, Y.
В полярных растворителях (особенно склонных к
образованию водородных связей) эта полоса смещается
гипсохромно.
Замена Н-атома другими заместителями X, Y также приводит
к гипсохромному сдвигу.
Электронные спектры поглощения основных
классов органических соединений
Ароматические соединения
λ, нм
ε, л/моль
см
180
6104
203
8103
230-260
200
В бензоле  →  * переходы
Полоса бензольного поглощения
На положение полосы в области 200 – 300 нм
значительное влияние оказывают заместители и
растворители
Влияния заместителей на положение полосы
поглощения ароматическим кольцом определяется
характером заместителя.
Заместители с I-эффектом практически не меняют вид
спектра
> C=C - связь
> C=O - связь
Сопряжение > C=C-C=O
 - 

 -> 
n -> 

  
 -> 
n -> 
np

-
 -> 


H 3
CH
C=O
C2NH2
HH5O
CH
Cl
3
204
204
214
214
235
235
275
275
290
290
295
295
l, нм