408 Глава 14

Инфракрасная спектроскопия

В результате поглощения света в ИК-области (от 10³ до 10⁵ нм (рис. 14-3) происходят переходы между колебательными уровня­ми основного состояния молекулы. Колебательные уровни и, сле­довательно, ИК-спектры возникают за счет характеристических движений (растягивания связей, изменения величины углов между связями и более сложных типов движений) различных функциональных групп (наприме'р, метильной, карбонильной, амидной и т. д.). Ценность спектрального анализа в ИК-области обусловлена тем, что вид колебаний каждой группы очень чув­ствителен к изменениям химической структуры, конформации и окружения, и в этом смысле ИК-спектроскопия не отличается от спектроскопии в видимом и ультрафиолетовом свете. Этот ме­тод рассматривают отдельно, главным образом ввиду некоторых отличий в методологии и ввиду того, что он может быть исполь­зован для изучения химических групп, которые нельзя исследо­вать с помощью абсорбционной спектроскопии в ультрафиоле­товом и видимом свете.

Техника измерения ИК-спектров

Инфракрасные спектрофотометры в принципе не отличаются от спектрофотометров, работающих в ультрафиолетовом и видимом свете. Источником излучения является тело, нагреваемое до 1500—1800 К, для выделения длин волн используется монохро­матор, но в качестве детектора применяется термопара (вместо фотоэлемента).

Главная трудность ИК-спектроскопии состоит в том, что нельзя использовать водные растворы из-за очень сильного по­глощения воды в ИК-области (так как она имеет высокий коэф­фициент погашения и ее концентрация составляет 55 моль/л). Эту трудность можно частично обойти, используя D₂0 или смеси Н₂0—D₂0. Иногда также используют хлороформ, потому что в нем растворяются многие полярные молекулы, но хлороформ ин­дуцирует конформационные изменения. Наиболее общим прие­мом, позволяющим изучать макромолекулы, является использо­вание тонких, достаточно сухих пленок. Их готовят растворением вещества в летучем растворителе, затем раствор помещают на плоскую пластинку и дают возможность растворителю испа­риться; образовавшуюся пленку снимают с пластинки. Если необходимо приготовить пленки, в которых все молекулы ориен­тированы в одном и том же направлении, их растягивают. Такие пленки пригодны для работ в поляризованном свете, с помощью которого можно определять ориентацию отдельных групп по от­

ношению к оси молекулы. Конечно, всегда необходимо прини­мать во внимание, что структура макромолекулы в сухой плен­ке отличается от таковой в растворе.

Информация, содержащаяся

в инфракрасных спектрах

Во-первых, необходимо отметить, что при изображении инфра­красных спектров традиционно используются волновые числа 1/А, или частоты v, а не длины волн. В терминах частот каждая полоса в ИК-спектре может быть охарактеризована частотой максимума поглощения г_Макс, шириной полосы на половине вы­соты AVi/2, оптической ПЛОТНОСТЬЮ при VM3KC (Амане) И формой полосы *. Для ориентированных пленок измеряется дихроичное отношение (R), т. е. отношение площадей полос, полученных, когда электрический векто’р световой волны параллелен и перпендикулярен оси молекулы. В результате многочисленных исследований мономеров известной структуры теперь достовер­но установлено, какой группе и какому типу колебаний соответ­ствует каждая полоса в спектре. В случае простых соединений ИК-спектры отличаются от спектров в видимом и ультрафиоле­товом свете тем, что они обычно состоят из довольно узких ли­ний (рис. 14-22). Однако в случае макромолекул так велико чис­ло типов связей и так много различных конформаций, что каж­дая полоса смещается в той или иной степени в зависимости от

• Волновое число 1 lk=vjc, где с — скорость света в вакууме. Единицы, в которых выражаются v и 1/Л,, — это с^-1 и см^-1 соответственно.

РИС. 14-22.

Инфракрасные спектры ДНК 0) и стеариновой кислоты (2). Отметим наличие широких полос в спектре ДНК-