Метод ИК-спектроскопии

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

Метод ИК-спектроскопии, применение метода ИК- спектроскопии в фармацевтическом анализе



Содержание

Введение

1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии

2. Характеристика колебаний

3. Использование инфракрасной спектроскопии для качественного обнаружения и определения структуры

4. Приборы для инфракрасной спектроскопии

5. Подготовка образца

6. Идентификация

6.1 Идентификация с использованием стандартных образцов

6.2 Идентификация с использованием эталонных спектров

Заключение

Список литературы

Приложение



Введение

Фармацевтическая химия - наука, которая, базируясь на общих законах химических наук, исследует способы получения, строения, физических и химических свойств лекарственных веществ, взаимосвязь между их химической структурой и действием на организм, методы контроля качества и изменения, происходящие при хранении.

Основными методами исследования лекарственных веществ в фармацевтической химии являются анализ и синтез.

Задачи, стоящие перед фармацевтической химией, решаются с помощью классических физических, химических и физико-химических методов, которые используются как для синтеза, так и для анализа лекарственных веществ.

Но способы фармацевтического анализа нуждаются в систематическом совершенствовании в связи с созданием новых ЛС и непрерывным повышением требований к их качеству. Причем растут требования как к степени чистоты ЛВ, так и к количественному содержанию. Поэтому необходимо широкое использование для оценки качества ЛС не только химических, но и более чувствительных физико-химических методов.

Физико-химические методы анализа (ФХМА) основаны на использовании зависимости физических свойств веществ (например, светопоглощения, электрической проводимости и т.д.) от их химического состава.

К данным методам анализа относятся: оптические методы; методы, основанные на поглощении излучения; методы, основанные на испускании излучения; методы, основанные на использовании магнитного поля; электрохимические методы; методы разделения; термические методы.

Спектроскопия -- раздел физики и аналитической химии, посвящённые изучению спектров взаимодействия излучения (в том числе, электромагнитного излучения, акустических волн и др.) с веществом. ( Спектральные методы основаны на поглощении электромагнитного излучения определяемым веществом).

Области применения спектроскопии разделяют по объектам исследования: атомная спектроскопия, молекулярная спектроскопия, масс-спектроскопия, ядерная спектроскопия, инфракрасная спектроскопия и другие.

Инфракрасные спектры (колебательные спектры) (ИК-спектры) возникают вследствие поглощения энергии электромагнитного излучения при колебаниях ядер атомов в молекулах или ионах, которые сопровождаются изменением дипольных моментов, и представляют собой зависимость пропускания или поглощения от длины волны (л) или частоты колебаний (н).

Метод ИК- спектроскопии играет важную роль в идентификации химических и органических веществ, благодаря тому, что каждое химическое соединение имеет неповторимый ИК- спектр.



1. Сущность метода инфракрасной спектроскопии

Под инфракрасной областью (ИК-область) подразумевают электромагнитное излучение в области длин волн от 0,78 до 400 мкм. Область от 780 до 2500 нм (от 0,78 до 2,5 мкм) рассматривается как ближняя ИК-область, область от 2,5 до 25 мкм (от 4000 до 400 см^-1) относится к средней ИК-области спектра и область от 25 до 400 мкм относится к дальней ИК-области. Наиболее часто используется средняя ИК-область.

Длину волны (л) в ИК-спектрах обычно измеряют в микрометрах (микронах), мкм.

Поскольку частота колебаний в ИК-спектрах имеет большие числовые значения, обычно используют не частоты (н), а волновые числа (), которые измеряются в см^-1 и связаны с частотой (н) уравнением:

= н /с ,

где н - частота, Гц (с^-1);

с - скорость света в вакууме, см•с^-1.

Волновое число () связано с длиной волны (л, мкм) соотношением:

= 10⁴/л.

Полосы поглощения появляются в результате переходов между колебательными уровнями основного электронного состояния изучаемой системы. Спектральные характеристики индивидуальной молекулы зависят от масс составляющих ее атомов, геометрии строения, особенностей межатомных сил, распределения заряда и др. Поэтому инфракрасные спектры отличаются большой индивидуальностью, что и определяет их ценность при идентификации и изучении строения соединений.

Для того что бы понять принципы, на которых основана ИК-спектроскопия, необходимо познакомиться с внутренним движением атомов в молекуле. Молекулы представляют собой динамические системы. Ковалентно связанные атомы не остаются неподвижными друг относительно друга, а непрерывно совершают колебания различного типа, важнейшие из которых - валентные и деформационные.



2. Характеристика колебаний

Валентными колебаниями называются колебания двух атомов вдоль линии связи и приводящих к изменению расстояния между атомами (расстояние между двумя атомами уменьшается или увеличивается, но атомы сохраняются на своей оси валентной связи).

Они обозначаются «н».

Валентные колебания могут быть:

симметричными(нsim O-H)
ассиметричными (н аs O-H)

Деформационными колебаниями называют колебания сопровождающиеся изменением валентного угла между связями у одного общего атома.

Такие колебания обозначаются «д».

Существует большое количество деформационных колебаний, однако наиболее распространённые следующие виды:

маятниковые
веерные
ножничные
крутиьные

Деформационные колебания требуют меньше энергии по сравнению с валентными, а значит, полосы соответствующие этим колебаниям имеют меньшие волновые числа.

При действии на молекулу излучением соответствующему ИК- области происходит изменение колебаний. При этом возникают полосы поглощения.

Графически их изображают в виде зависимости величины поглощения от частоты.



3. Использование инфракрасной спектроскопии для качественного обнаружения и определения структуры

инфракрасный спектроскопия фармацевтический лекарственный

Метод инфракрасной спектроскопии является универсальным физико-химическим методом, который применяется в исследовании структурных особенностей различных органических и неорганических соединений.

При инфракрасной спектроскопии в диапазоне каждой химической группировке органической молекулы соответствует определенный набор полос поглощения, которые хорошо изучены и приведены в соответствующих справочниках.



Особенностью метода инфракрасной спектроскопии является то, что полосы поглощения одного и того же вида колебаний атомной группы различных веществ располагаются в определенном диапазоне инфракрасного спектра (например, 3720-3550 см-1- диапазон валентных колебаний групп -ОН; 3050-2850 см-1 - групп -СН, -СН2, -СН3 органических веществ). Точное положение максимума полосы поглощения атомной группы в пределах этого диапазона указывает на природу вещества (так, максимум 3710 см-1 свидетельствует о наличии групп -ОН, а максимум 3030 см-1 - о присутствии групп =С-Н ароматических структур).

При анализе условно выделяют 4 области:

3700-2500 см^-1 - область одинарных связей ( «водородных»);

2500- 1900 см^-1 - область тройных связей;

1900- 1300 см^-1 - область двойных связей;

Менее 1300 см^-1 - область отпечатков пальцев ( специфическая для каждого вещества).

Число характеристических полос поглощения атомных групп, их интенсивность и положение максимумов, наблюдаемых на инфракрасных спектрах, дают представление о строении индивидуального соединения или о компонентном составе сложных веществ. Интенсивность полосы поглощения определяется величиной, численно равной энергии, которую поглощают атомные или функциональные группы образца при прохождении через них инфракрасных лучей. Важным диагностическим показателем полос поглощения является величина пропускания. Данный показатель и концентрация вещества в снимаемом объекте связаны обратной пропорциональной зависимостью, что используется для количественных определений содержания отдельных компонентов.

Метод инфракрасной спектроскопии позволяет исследовать твердую, жидкую фазы биологической массы. Этот метод позволяет изучать образец в целом, без его расчленения и предварительных химических обработок, а также использовать малые навески.



4. Приборы для инфракрасной спектроскопии

Могут быть использованы инфракрасные спектрофотометры, снабженные оптической системой (призмы или дифракционные решетки), выделяющей монохроматическое излучение в измеряемой области, или спектрофотометры с Фурье-преобразованием. В последних используется полихроматическое излучение и рассчитывается спектр в заданной области частот путем Фурье-преобразования исходных данных. В таких приборах вместо диспергирующего прибора используется интерферометр, а обработка спектральных данных производится с помощью компьютера.



Снятие ИК- спектра проводят в области 4000-400 см^-1 . Источник ИК излучения 1 испускает излучение, которое с помощью сферических зеркал 2 фокусируется на кювету с веществом 3 и кювету сравнения 4 . Прошедшее через кювету излучение через систему зеркал 5, поступает на монохроматор. В качестве монохроматора используется призма или две дифракционные решетки. Призма медленно вращается вокруг своей оси , при каждом угле поворота через выходные щели 7 на детекторы 8 поступает излучение какой-то строго определенной длины волны. Если в какой-то момент времени на детекторы поступают излучения, которые в кювете с веществом не поглотилось, то интенсивность излучения падающего на оба детектора будет одинаково, а значит, электрический сигнал от них будет взаимовычитаться и давать нулевую линию на спектре. Если при следующем повороте призмы она начинает пропускать излучение, которое поглощается исследуемым веществом, то интенсивность излучения падающего на оба детектора будет разные. В результате вычитания сигналов детектора приведет к появлению полосы поглощения на графике.

В качестве источника излучения используют цилиндр длиной 2см , толщиной 1мм, изготовленный из оксидов редкоземельных элементов, нагретый до t=15000⁰С (силитовые стержни), с проходящим через него электрический ток . Вся оптика в ИК - спектроскопии (кюветы, зеркала, монохроматор) изготовлены из солей KBr, NaCl, CaCl_2. Поскольку обычное стекло и кварц ИК излучение поглощают. В качестве детекторов используется термобар.



5. Подготовка образца

Для записи спектра пропускания или поглощения готовят образец субстанции по одной из следующих методик.

Жидкости. Жидкости исследуют в форме пленки между двумя пластинками, прозрачными для инфракрасного излучения, или в кювете с малой (обычно 0,01 - 0,05 мм) толщиной слоя, также прозрачной для инфракрасного излучения.

Жидкости или твердые вещества в растворе. Готовят раствор испытуемой субстанции в подходящем растворителе. Выбирают концентрацию вещества и толщину слоя кюветы, позволяющие получить удовлетворительный спектр.

Обычно хорошие результаты получают при концентрациях от 10 до 100 г/л при толщине слоя от 0,5 до 0,1 мм.

Поглощение растворителя компенсируют путем помещения в канал сравнения аналогичной кюветы, содержащей выбранный растворитель.

Кюветы. Если кюветы, заполненные растворителем, обладают разным поглощением при выбранной длине волны, то вносят поправку на измеренное поглощение испытуемого раствора. При использовании спектрофотометров с Фурье-преобразованием коррекция кювет не требуется, поскольку одна и та же кювета может быть использована и для растворителя и для испытуемого раствора. Область прозрачности кюветы в ИК-области зависит от использованного материала.

Растворители. Не существует растворителей, которые при значительной толщине слоя были бы полностью прозрачными для ИК-спектров. Четыреххлористый углерод (при толщине слоя до 5 мм) практически прозрачен до 6 мкм (1666 см^-1). Углерода дисульфид (толщиной 1 мм) подходит как растворитель до 40 мкм (250 см^-1) за исключением областей от 4,2 до 5,0 мкм (от 2381 до 2000 см^-1) и от 5,5 до 7,5 мкм (от 1819 до 1333 см^-1), где он имеет сильное поглощение. Другие растворители прозрачны в относительно узкой области. Растворители, применяемые в спектрометрии в инфракрасной области, должны быть инертны к материалу, из которого сделана кювета.

Твердые вещества. Твердые вещества исследуют в твердом состоянии (диски из галогенидов щелочных металлов), диспергированными в подходящей жидкости в виде суспензии или формируют пленку из расплавленной массы между двумя пластинами, прозрачными для инфракрасного излучения. Подготовку образца описывают в фармакопейной статье.

Диски. 1 - 3 мг вещества, предназначенного для испытания, растирают с 150 - 200 мг (если не указано иначе в фармакопейной статье) тщательно измельченного и высушенного калия бромида или калия хлорида (обычно используют калия бромид). Типичные условия высушивания калия бромида: при 105 °С в вакууме, в течение 12 ч. Обычно такого количества достаточно для приготовления диска диаметром 13 мм и получения спектра подходящей интенсивности. Смесь тщательно перетирают, добиваясь необходимой однородности, и прессуют диск при давлении около 800 МПа (8 т/см²) в вакууме (2 - 3 мм рт. ст.) в течение 2 - 5 мин.

Причиной образования некачественных дисков могут быть такие факторы, как недостаточное или чрезмерное растирание, влага или иные примеси в дисперсионной среде. Диск не пригоден для испытания, если в области прохождения луча на диске имеются трещины, или при визуальном осмотре он неоднороден по прозрачности, или его пропускание при 2000 см^-1 (5 мкм) составляет менее 60 % без компенсации при отсутствии специфической полосы поглощения.

Суспензии. Небольшое количество вещества, предназначенного для испытания, растирают с минимальным количеством вазелинового масла или другой подходящей жидкости (смешивают 5 - 20 мг твердого вещества с 1 - 2 каплями иммерсионной жидкости). Полученную суспензию сжимают между двумя пластинками (NaCl или KBr), прозрачными для инфракрасного излучения.

Газы. Газы исследуют в кювете, прозрачной для инфракрасного излучения, с длиной оптического пути около 100 мм. Откачивают воздух из кюветы и заполняют анализируемым газом через кран или при помощи игольчатого клапана.

Если необходимо, доводят давление в кювете до атмосферного, используя газ, прозрачный для инфракрасного излучения (например, азот или аргон). Для исключения помех, связанных с поглощением воды, углерода диоксида или других атмосферных газов, в канал сравнения помещают идентичную кювету, которая либо вакуумирована, либо заполнена газом, прозрачным для инфракрасного излучения.

Для записи спектра по методу нарушенного полного внутреннего отражения подготовку образца проводят одним из способов.

Растворы. Вещество растворяют в соответствующем растворителе, соблюдая условия, приведенные в фармакопейной статье. Раствор испаряют на поверхности внутреннего элемента отражения, который обычно изготавливают из кристалла бромида йодида таллия (KRS-5), германия или другого минерала с большим показателем преломления.

Твердые вещества. Вещество помещают на поверхность внутреннего элемента отражения таким образом, чтобы достичь как можно более плотного и полного контакта со всей поверхностью кристалла (обычно подготовку таких образцов проводят под давлением).

Подготовка образцов для спектрометрии в инфракрасной области диффузного отражения: испытуемое вещество растирают с тщательно измельченным и высушенным калия бромидом или калия хлоридом. Если не указано иначе в фармакопейной статье, содержание испытуемого вещества в полученной смеси должно составлять около 5 %. Смесь тщательно перетирают и регистрируют спектр.

Примеси в газах. Для анализа примесей в газах используют кювету, прозрачную для инфракрасного излучения и имеющую соответствующую длину оптического пути. Кювету заполняют так, как указано в разделе «Газы». Для обнаружения и количественной оценки примесей используют методики, указанные в фармакопейных статьях.



6.Идентификация

6.1 Идентификация с использованием стандартных образцов

Образец испытуемого вещества и стандартный образец готовят по одной и той же методике и записывают спектры, если не указано иначе в фармакопейной статье, в области от 4000 до 650 см^-1, в некоторых случаях до 200 см^-1, в одних и тех же условиях. Полосы поглощения в спектре испытуемого образца должны соответствовать по положению полосам поглощения в спектре стандартного образца.

ИК- спектры стандартного образца ( А) и исследуемого вещества (Б).

Если спектры, полученные в твердом состоянии, показывают различия в положении полос поглощения, то испытуемую субстанцию и стандартный образец обрабатывают одним и тем же способом так, чтобы они кристаллизовались или получались в одной и той же форме, или обрабатывают способом, указанным в фармакопейной статье, а затем снимают спектры.

6.2 Идентификация с использованием эталонных спектров

Контроль разрешающей способности. Записывают спектр пленки полистирола толщиной 0,04 мм. Разность х (рисунок) между процентом пропускания при максимуме пропускания А при 2870 см^-1 (3,48 мкм) и минимуме пропускания В при 2849,5 см^-1 (3,51 мкм) должна быть больше 18. Разность y между процентом пропускания при максимуме пропускания С при 1589 см^-1 (6,29 мкм) и минимуме пропускания D при 1583 см^-1 (6,32 мкм) должна быть больше 10.

Контроль разрешающей способности ИК-спектрометров с Фурье-преобразованием проводят в соответствии с рекомендациями производителя прибора.

Проверка шкалы волновых чисел. Шкала волновых чисел может быть проверена с помощью пленки полистирола, которая имеет минимум пропускания (максимум поглощения) при волновых числах (в см^-1), приведенных в таблице.

Методика. Субстанцию готовят к испытанию в соответствии с инструкцией, прилагаемой к эталонному спектру. Используя условия, при которых проводилась проверка разрешающей способности, записывают спектр испытуемого образца и на него накладывают полосы полистирола при 2849,5 см^-1 (3,51 мкм), 1601,2 см^-1 (6,25 мкм) и 1028,3 см^-1 (9,72 мкм). Сравнивают два спектра (эталонный и спектр испытуемой субстанции) и полосы полистирола, указанные выше. При использовании положения полос полистирола в качестве стандартных величин, положения значимых полос в спектре испытуемой субстанции и в эталонном спектре должны соответствовать друг другу в пределах 0,5 % от шкалы волновых чисел. Относительная величина полос обоих спектров должна согласовываться между собой.



Рисунок - Типичный спектр полистирола, используемый для проверки разрешающей способности

Таблица 1 - Минимумы пропускания и допустимые пределы для пленки полистирола

Минимумы пропускания, см-1	Допустимые пределы, см-1
	ИК-спектрометр с монохроматором	ИК-спектрометр с Фурье-преобразованием
3060,0	± 1,5	± 1,0
2849,5	± 1,5	± 1,0
1942,9	± 1,5	± 1,0
1601,2	± 1,0	± 1,0
1583,0	± 1,0	± 1,0
1154,5	± 1,0	± 1,0
1028,3	± 1,0	± 1,0



Заключение

Инфракрасная спектроскопия находит применение в исследовании строения полупроводниковых материалов, полимеров, биологических объектов и непосредственно живых клеток, как метод изучения строения молекул получила наибольшее распространение в органической и элементоорганической химии. В отдельных случаях для газов в инфракрасной области удается наблюдать вращательную структуру колебательных полос.

ИК- спектроскопия с каждым годом получает всё более широкое распространение как весьма ценный физический метод исследования строения молекул и мощный аналитический метод.

Внедрение спектроскопии в сферу фармацевтического анализа ЛС послужило мощным толчком для её развития и совершенствования. Благодаря многообразию возможностей применения, высокой точности результатов и чувствительности обнаружения, существенном сокращении времени проведения анализа.



Список литературы

Лекционный материал.

Т. Х. Вергейчик, Токсикологическая химия .

В. Г. Беликов, Фармацевтическая химия.

Государственная фармакопея РФ XIII издание.

Государственная фармакопея РФ XI издание.

А.В. Васильев, Е.В. Гриненко «Инфракрасные спектры органических и природных соединений», Санкт-Петербург, 2007г.,30с.

Беллами Л., Инфракрасные спектры молекул, пер. с англ., М., 1957;

Кросс А., Введение в практическую инфракрасную спектроскопию, пер. с англ., М., 1961;

. Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979, 240 с.;

Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М. 1973.

Казицына Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ, ИК, ЯМР и масс-спектроскопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.

Ярославский Н. Г., Методика и аппаратура длинноволновой инфракрасной спектроскопии, «Успехи физических наук», 1957, т. 2.

Размещено на Allbest.ru

...