ИК-спектральное проявление водородных связей

Оглавление

Введение

Литературный обзор

Сущность и природа водородной связи

Водородные связи и свойства органических соединений

Метод инфракрасной спектроскопии

Инфракрасное излучение и колебания молекул

Основные частоты колебаний в ИК-спектрах.

Практическая часть

Объекты и методы исследования

Обсуждение результатов

Заключение

Список использованной литературы

Введение

 

Кроме сил химического взаимодействия, приводящих к образованию валентных химических связей между атомами, в жидкой фазе и кристаллах существуют дополнительные силы притяжения между молекулами. Энергия таких межмолекулярных взаимодействий на несколько порядков ниже энергии ковалентной связи. Наличие таких взаимодействий принципиально не меняет свойств молекул. Между этими двумя случаями существуют взаимодействия, промежуточные по энергии, которые приводят к образованию ассоциатов. К числу таких ассоциативных взаимодействий и принадлежит водородная связь. Нефть – это коллоидная система, то есть гетерогенная система, состоящая из множества мелких частиц, находящихся во взвешенном состоянии в однородной среде, в которой также происходят процессы ассоциирования.

Целью работы является изучение процесса ассоциирования на примере модельных растворов.

В ходе данной работы проводилось изучение водородной связи в модельных растворах ионола, бисфенола, в различных растворителях.

Литературный обзор

  Сущность и природа водородной связи

Первую научную трактовку водородной связи дали в 1920 году В. Латимер и В. Родебуш, работавшие в лаборатории Г. Льюиса, основоположника учения о ковалентной связи, автора теории кислот и оснований и плодотворной в органической химии концепции обобщенной электронной пары. Причину особых физических и химических свойств воды авторы объясняли наличием водородной связи, сущность которой состоит во взаимодействии атома водорода одной молекулы с электронной парой атома кислорода другой молекулы. При этом атом водорода становится одновременно связанным с двумя атомами кислорода ковалентной и водородной связью(2).

За все последующее время вплоть до наших дней не изменился принципиальный подход к трактовке водородной связи, концепция неподеленного протона осталась незыблемой. Длительные и интенсивные исследования позволили уточнить влияние структуры соединений на склонность к образованию Н-связей, внесена определенная ясность в электронную природу последних, найдены надежные методы их идентификации. А главное – сделаны широкие обобщения по оценке влияния Н-связей на физические и химические свойства веществ. Бутлеровский тезис “структура определяет свойства” раскрывается с учетом возможности образования Н-связи и ее вклада в конкретные свойства.

По современной терминологии, образование водородной связи наступает при взаимодействии протонодонора (кислоты Бренстеда, электроноакцептора) с протоноакцептором (основанием, электронодонором). Водородную связь можно представить как невалентное взаимодействие между группой А – Н одной молекулы и атомом В другой, в результате которого образуется устойчивый комплекс А – Н….В с межмолекулярной водородной связью, в котором атом водорода играет роль мостика, соединяющего фрагменты А и В. Но нужно заметить , что до настоящего времени нет однозначного подхода , какую конкретно связь называть водородной. Большинство авторов к понятию водородной связи относят дополнительное взаимодействие, которое возникает между атомом водорода и электронодонором В, то есть связь Н….В. Другие авторы к понятию водородной связи относят всю цепочку Х – Н….В, то есть связь между атомами Х и В через водородный мостик. Образование водородной связи может быть представлено как кислотно – основное взаимодействие, определяющее первую стадию переноса протона при протолитических реакциях

Экспериментальные факты, сопровождающие процесс образования водородной связи:

1.         При образовании водородных связей выделяется теплота – термохимическая мера энергии Н-связи. Эту характеристику используют для калибровки спектральных методов изучения водородных связей.

2.         Расстояние между соседними атомами, участвующими в образовании водородной связи, значительно меньше суммы их ванн-дер-ваальсрвых радиусов. Последнее обстоятельство является одним из критериев, указывающих на образование между молекулами водородных связей.

3.         Водородная связь увеличивает длину связи Х-Н, что приводит к смещению соответствующей полосы валентных колебаний в ИК-спектре в сторону более низких частот. Метод ИК-спектроскопии является главным методом изучения водородной связи.

Современная ИК-спектроскопия представляет собой экспресс-метод установления структурных особенностей органических соединений. С помощью ИК-спектроскопии быстро и надёжно идентифицируются разнообразные функциональные группы: карбонильная, гидроксильная, карбоксильная, амидная, амино, циано и др.; а также различные непредельные фрагменты: двойные и тройные углерод-углеродные связи, ароматические или гетероароматические системы. Методами ИК-спектроскопии изучают внутри- и межмолекулярные взаимодействия, например, образование водородных связей. В химии древесины и химии природных соединений с помощью ИК-спектроскопии исследуют структуры углеводов, лигнинов, аминокислот, терпенов, стероидов и многих других веществ.

4.         При образовании водородной связи полярность связи Х-Н возрастает, что приводит кс повышению дипольного момента молекулярного комплекса в сравнении с расчетными данными, полученными путем векторного сложения диполей молекул R-X-H и B-Y.

5.         Протоны, участвующие в водородной связи, характеризуются более низкой электронной плотностью, поэтому они деэкранируются, что приводит к существенному смещению соответствующих резонансных сигналов в спектрах ЯМР водорода в слабое поле. ПМР наряду с ИК-спектрами является наиболее чувствительным к образованию водородной связи.

6.         Для межмолекулярных водородных связей обнпружено смещение кислотно-основного равновесия молекулярный комплекс=ионная пара вправо при повышении полярности растворителя(3).

Водородные связи и свойства органических соединений

Водородная связь возникает при взаимодействии кислотных Х-Н групп и основных В-групп, принадлежащих одной или разным молекулам. При объединении одинаковых молекул образуются ассоциаты, объединение разных молекул принято называть молекулярными комплексами. Такие взаимодействия составляют самый обширный класс водородных связей, называемых межмолекулярными водородными связями. Межмолекулярные взаимодействия не ограничиваются образованием бинарных комплексов, а могут приводить к структурам со множественными связями. Межмолекулярные водородные связи могут приводить к образованию цепей, колец или пространственных сеток. Аналогичные образования сохраняются и в кристаллах.

Если Н-связывание наступает в результате взаимодействия кислотного и основного фрагментов внутри одной молекулы, то образующиеся связи называют внутримолекулярными. Соединения с такими связями другую большую группу соединений с водородной связью. Образование внутримолекулярных водородных связей возможно, если структура молекулы допускает пространственное сближение фрагментов Х-Н и В до длины водородной связи. Возможность образования внутримолекулярной водородной связи не является препятствием для образования и межмолекулярных водородных связей.

Экспериментально довольно легко отличить внутримолекулярную водородную связь от межмолекулярной. Если спектрально фиксируется образование Н-связей, а признаков ассоциации нет, это верное указание на внутримолекулярный характер водородной связи. Кроме того, межмолекулярная Н-связь исчезает при низкой концентрации вещества в нейтральном растворителе, тогда как внутримолекулярная Н-связь в этих условиях сохраняется

Экспериментально довольно легко отличить внутримолекулярную водородную связь от межмолекулярной. Если спектрально фиксируется образование Н-связей, а признаков ассоциации нет, это верное указание на внутримолекулярный характер водородной связи. Кроме того, межмолекулярная Н-связь (и ее спектральное проявление) исчезает при низкой концентрации вещества в нейтральном растворителе, тогда как внутримолекулярная Н-связь в этих условиях сохраняется.

Водородные связи влияют на перераспределение электронной плотности в молекулах, что не может не отразиться на свойствах веществ. В случае слабых водородных связей изменение электронной плотности протекает в основном в пределах фрагмента Х–Н…В. С увеличением энергии водородной связи перераспределение электронной плотности затрагивает все атомы молекул, входящих в молекулярный комплекс, что в конечном итоге приводит к глубоким изменениям физических и химических свойств веществ. На свойства органических соединений оказывают значительное влияние как внутри-, так и межмолекулярные водородные связи. Влияние последних, особенно на физические свойства, является более существенным, так как межмолекулярные взаимодействия приводят к увеличению молекулярной массы со всеми вытекающими последствиями.

Теперь попытаемся ориентировочно оценить, насколько широко представлены водородные связи в органической химии. Все органические соединения за самым редким исключением содержат водород, то есть являются кислотами Бренстеда, а наиболее часто входящие в их состав элементы-органогены (O, N, S, галогены) содержат неподеленные пары электронов и могут выступать в качестве основных центров. Учитывая отмеченное, можно сказать, что большинство органических соединений потенциально способно к образованию водородных связей. По структурной формуле (природа взаимодействующих групп и их взаимное расположение) можно предсказать силу водородных связей и их характер (внутри- или межмолекулярные). При оценке взаимного влияния атомов в молекулах обязательно учитываются возможность образования водородных связей и их последующее влияние на скорость, механизм и направление реакций. Оценить влияние среды (растворителя) на ход химического процесса часто становится возможным лишь с учетом образования водородных связей. Таким образом, подготовка грамотного химика невозможна без овладения всем комплексом вопросов, связанных с водородной связью.

Рассмотрим несколько наиболее характерных примеров влияния водородных связей на свойства органических соединений. Прежде всего это так называемые прототропные процессы – превращения, связанные с переносом протона. Известно, что енольные структуры (гидроксильная группа находится при углероде с кратной связью =С–ОН) являются неустойчивыми и в органической химии часто такие формулы берут в квадратные скобки как указание на их нереальность, гипотетичность. В то же время b -дикетоны и другие 1,3-дикарбонильные соединения способны существовать в двух формах: кетонной и енольной. Для ацетоуксусного эфира эти превращения могут быть представлены схемой.

Образование энергетически менее выгодной енольной формы объясняется как формированием системы сопряженных связей С=С–С=О, что всегда является стабилизирующим фактором, так и тем обстоятельством, что между енольным гидрокси-лом и карбонильным кислородом образуется внутримолекулярная водородная связь, понижающая свободную энергию енольной формы как путем “закрепления” атома водорода у более электроотрицательного элемента, так и в результате удлинения цепи сопряжения (Н-связь включена в круговую цепь сопряжения). С учетом водородных связей не только объясняют реальность енольной структуры, но и количество этой формы в таутомерной системе. На состояние кето-енольного равновесия большое влияние оказывает природа растворителя. Максимальное количество енольной формы отмечается в нейтральных неполярных растворителях (углеводороды). В водных растворах количество енольной формы незначительно, так как вода конкурентно образует с карбонильным кислородом межмолекулярные водородные связи, разрушая стабилизирующие енольную форму внутримолекулярные водородные связи.

Карбоновые кислоты, как и спирты, могут участвовать в образовании Н-связей как в роли Н-доноров, так и Н-акцепторов. В первом случае кислотность снижается, во втором возрастает. Это ярко проявляется при ионизации двухосновных кислот: первая константа диссоциации (K ₁) аномально велика, а вторая (K₂) аномально мала. Для объяснения наблюдаемых экспериментальных результатов кроме электронных эффектов большая роль придается вкладу Н-связей. В исходной структуре Н-связь сильно активирует карбоксильную группу, выступающую в роли Н-акцептора. В образовавшемся на первой стадии диссоциации моноанионе образуется прочная внутримолекулярная Н-связь, резко снижающая кислотность второго карбоксила.

Межмолекулярные связи, возникающие между молекулами карбоновых кислот, настолько прочны, что даже в газообразном состоянии димерные структуры частично сохраняются.

Кстати, образование димера карбоновой кислоты помогает дать ответ на давний вопрос, что в большей степени определяет прочность водородной связи – кислотность группы Х–Н или основность фрагмента В.

Уксусная кислота (pK_a = 4,7) по кислотности на несколько порядков уступая трихлоруксусной (pK_a = 0,6), тем не менее образует более прочный димер. Основность протоноакцептора имеет приоритет перед кислотностью протонодонора.

Известно, что геминальные дигидроксипроиз-водные являются нестабильными соединениями – дегидратируясь легко превращаются в соответствующие альдегиды или кетоны. Хлоральгидрат является одним из немногих примеров, когда структура гем-диола является стабильной. И причину этого объясняют как сильным отрицательным индукционным эффектом (-I-эффект) трихлорметильной группы, так и наличием внутримолекулярных Н-связей:

Образование внутри- и межмолекулярных водородных связей может существенно влиять на ход и скорость химических реакций. К сожалению, несмотря на значительное количество работ, посвященных этому вопросу, широких обобщений, которые имели бы предсказательную силу, не последовало. В самых общих чертах показано, что скорость реакций может уменьшаться или увеличиваться в зависимости от того, как при образовании Н-связи будет перераспределяться электронная плотность в реакционных центрах молекулы. Такие вопросы, как природа промежуточных продуктов или активированного комплекса, изменение термодинамических функций, влияние соседних групп, не получили должного развития. Более определенно дана оценка роли растворителя.

Известно много эмпирических подходов. Так, в реакциях алкилирования соединений, содержащих связи О–Н, S–H, N–H, введение в реакционную среду фторида калия (фторид-анион F^- является самым эффективным протоноакцептором) значительно увеличивает скорости реакций и выходы продуктов алкилирования. Большая роль водородным связям отводится в реакциях, проводимых в растворителях, способных образовывать Н-связи как с исходными соединениями, так и с продуктами их взаимодействия.

Представленная информация о водородной связи указывает на ее широкую распространенность и многообразие условий, в которых она может возникать. Описание природы Н-связей является менее строгим, чем, например, трактовка валентных химических связей. Не существует даже общепринятого определения Н-связей. В то же время реальное существование водородных связей и их способность влиять на структуру и свойства веществ общепризнаны и давно приняты на вооружение химиками-практиками.

Роль водородных связей в живой материи определяется не только тем, что без Н-связей нельзя себе представить структуру белков (носителей жизни) или двойную спираль нуклеиновых кислот. Без водородных связей совершенно иными были бы физические и химические свойства самого распространенного вещества на Земле – воды, в которой и зародилась жизнь.

Метод инфракрасной спектроскопии   Инфракрасное излучение и колебания молекул

Инфракрасным излучением называют излучение с длинами волн от 0.5 до 1000 мкм. В ИК-диапазоне проявляются переходы между колебательными и вращательными уровнями энергии молекул. Химические связи в молекулах испытывают колебательные движения. Колебательная энергия молекул квантована, т.е. поглощаемая энергия изменяется не непрерывно, а скачкообразно. В результате колебательный (инфракрасный) спектр молекулы представляет собой ряд пиков (полос поглощения), отвечающих разным колебательным энергетическим переходам. Большинство колебательных переходов в молекулах органических соединений реализуется в диапазоне длин волн λ от 2.5 до 25 мкм. В единицах волновых чисел ν = 1/λ (cм-1), величин обратных длинам волн, этот интервал составляет 4000-400 cм-1 . Именно в этом диапазоне волновых чисел осуществляют регистрацию ИК-спектров органических и природных соединений(1).

Основные частоты колебаний в ИК-спектрах.

Частота,см-1	интенсивность	Природа колебаний	Тип соединения
3620-3600	с.,ср.	ОН(своб)	Разб растворы спиртов
3600-3500	с.,ср	ОН(связ)	ВМВС в спиртах
3500	с.,ср	NH2(своб)	Разб растворы амидов
3400-3350	ср.	NH(своб)	Вторичные амиды
3550-3520	с.,ср	ОН(своб)	Разб растворы кислот
3500-3400	с.,ср	NH2(своб)	Первич амины, амиды
3400	с.	NH2(своб)	Разб растворы амидов
3330-3260	ср.		Однозамещенные ацетилены
3300-3280	ср.	NH(связ)	N-однозамещенные амиды
3200-2500	ср.	OH(связ)	Димеры кислот
3100-3020	ср.,сл.	CH	Арены
3100-3000	ср.,сл.	=CH	Алкены
2962	с.	CH3	Алканы
2930-2910	ср.	CH3	СН3 при бензольном кольце
2926	сл.	CH3	Алканы
2890	сл.	C-H	Алканы
2880-2860	ср.,сл.	CH3	Алканы, СН3 при бензольном кольце
2860-2850	ср.	CH2	Алканы
2695-2830	сл.	C(O)H	Альдегиды
2250-2100	сл.		Алкины
2240-2260	ср.		Нитрилы
1850-1650	оч.с.	C=O	Карбонильные соединения, кислоты и их производные
1680-1600	ср.,сл.	C=C	Алкены
1600-1585,1500-1400	с.,ср.,сл.	C-C	Арены
1550-1580	ср.,сл.	NO2	Нитросоединения
1460	ср	CH3	Алкины
1450-1300	сл.	CH	Замещенные этилены
1410-1390	ср.,сл.	CH	Трет-бутильная группа
1420-1330	ср.	OH	Спиры, фенолы, кислоты
1385-1370	ср.	CH3	Гем-диметильная группа
1385-1375	ср.	CH3	Метилбензолы
1380-1370	сл.	CH3	Алканы
1370-1390	ср.	NO2	Нитросоединения
1280-1230	сл.	C-N	ArNHR
1280-1200	с.	COC	Сложные эфиры
1250-1180	ср.	C-N	ArNR2, (RCH2)3N
1220-1125	с.	C-O	Вторичные, третичные спирты
1200-1160,1145-1105	с.,ср.	C-O	Кетали,ацетали
1150-1050	с.	COC	Эфиры
1085-1050	с.,ср	CO	Спирты
970-950	ср.	CH	Транс-алкены
900-650	с.	CH	Арены
850-550	ср.	CCl	Алкилхлориды
750-650	ср.	=CH	Цис-диены
700-500	ср.	CBr	алкилбромиды

Современные спектрометры позволяют регистрировать ИК-спектры газообразных, жидких и твердых образцов. Для получения ИК-спектра органического или природного соединения необходимо всего от 1 до 10 мг вещества. Регистрация ИК-спектров осуществляется в кюветах изготовленных из бромида калия KBr или хлорида натрия NaCl – материалов, не поглощающих ИК-излучение в исследуемом диапазоне. ИК-спектры принято записывать в виде зависимости пропускания ИК-излучения (%) от волнового числа ν = 1/λ (cм-1).

Поэтому максимумы пиков, отвечающие наибольшему поглощению ИК- излучения, обращены вниз (см. Приложение).

В большинстве случаев ИК-спектры органических и природных соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе CHCl3, четыреххлористом углероде CCl4, сероуглероде CS2, либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием под давлением мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда используют метод съемки ИК-спектра вещества в виде мелко растертой суспензии в вазелиновом или минеральном масле.

В случае регистрации ИК-спектров соединений в растворах или суспензиях необходимо вычитать полосы поглощения растворителей или суспендирующей среды. При интерпретации ИК-спектров веществ, полученных в растворах в CHCl3 и CCl4, нужно учитывать, что в зонах собственного поглощения этих растворителей отнесение линий спектра может быть неоднозначным. На рис. 5 а,б приведены ИК-спектры CHCl3 и CCl4. Для CHCl3 характерно интенсивное собственное поглощение в диапазонах: 3100-3000, 1250-1200, 800-650 см-1. CCl4 имеет поглощение в интервалах: 1560-1540, 800-700 см-1. В указанных областях поглощение растворителей может маскировать полосы анализируемых веществ. На рис. 5в также приведен ИК-спектр таблетки KBr. Поглощение ИК-излучения бромидом калия начинается ниже 450 см-1 и не маскирует поглощение органических соединений.

При регистрации ИК-спектров органических и природных соединений часто наблюдаются линии поглощения примесей в образцах. Обычно это сигнал воды около 3450 см-1, колебания диоксида углерода (как примеси из атмосферы) при 2360-2325 см-1. Иногда образцы загрязнены силиконовыми смазками, имеющими полосы при 1625 см-1 и 1100-1000 см-1, или фталатами,13 проявляющимися в виде пика 1725 см-1. Следует помнить, что кюветы для ИК-спектроскопии, изготовленные из KBr и NaCl, чувствительны к воздействию следов воды и со временем мутнеют и выходят из строя. Поэтому, необходимо тщательно сушить образцы и растворители перед съёмкой ИК-спектров.

Практическая часть

Объекты и методы исследования: В качестве объектов исследования выбраны 2,6-ди-трет-бутил-4-метил-фенол (ионол) – соединение, в котором содержится одна реакционноспособная гидроксильная группа, экранированная с двух сторон трет-бутильными заместителями, и 2,2’-метилен-бис-(4-метил-6-трет-бутил-фенол) (БФ) – соединение, в котором содержатся две реакционноспособные гидроксильные группы, экранированные с двух сторон трет-бутильными заместителями.

ИК cпектры поглощения растворов ПЗФ регистрировали на ИК-Фурье спектрометре Nicolet 5700 (разрешение 4 см^-1, число сканов пробы 64) в диапазоне 3700-3200 см^-1, в кюветах из NaCl c толщиной поглощающего слоя 0.216 мм.В работе использовали две группы растворителей: хлорсодержащие (четыреххлористый углерод (CCl₄), хлороформ (CHCl₃), хлористый метилен (CH₂Cl₂)) и ароматические углеводороды (бензол, толуол, кумол). Растворители подвергали очистке по общепринятым методикам [3]. Используемые в работе концентрации фенолов составили 1,8·10^-3 моль/л.

Обсуждение результатов

Способность ионола и БФ образовывать водородные связи.

 

Ионол

 

Димер

Цис-БФ

Ионол – это фенол, который в орто-положениях имеет трет-бутильные заместители и в пара-положении находится метил. Он способен к образованию внутримолекулярных и межмолекулярных водородных связей, так как он обладает таким свойством, как компланарность. Группа ОН (если рассматривать в трехмерном пространстве) находится в плоскости кольца и прикрыта трет-бутильными заместителями, которые затрудняют образование водородной связи. За счет того, что ОН-группа способна отклоняться от плоскости кольца, она может образовывать водородные связи.

Молекула БФ может находиться в цис-,транс-форме и в форме димера. В этой молекуле образование водородной связи осуществляется за счет возможности перехода одной конформации в другую, то есть за счет вращения относительно оси – СН₂ – Цис-форма БФ образует внутримолекулярные водородные связи (как показано на рисунке). Если молекула цис-БФ перейдет в транс-форму, то ОН-группы окажутся по разные стороны относительно оси – СН₂ – и становиться возможным образование межмолекулярной водородной связи, то есть образования димера БФ. В молекуле БФ, также как и в молекуле ионола в орто-положениях находятся трет-бутильные заместители, которые также затрудняют взаимодействие ОН-групп, но благодаря тому, что БФ может находиться в транс-форме, возможно образование межмолекулярной водородной связи.