赤外分光法 (IR):原理、応用、構造解明

中心的なコンセプト

赤外分光法 (IR 分光法) は、有機分子を分析するための有用な分析手法です。この記事では、IR スペクトルの背後にある科学、装置、および赤外線スペクトルを使用して有機分子の構造を解明するためのいくつかの手法について探っていきます。

他の記事で取り上げられているトピック

• NMR と IR を使用した有機構造の解明
• 分光光度計
• 共有結合
• 有機官能基
• 科学的手法

IR 分光法の原理

赤外線とは

光は光子と呼ばれる個々の粒子で構成され、波のようなパターンで移動します。これらの波の長さによって、私たちが見る色が決まります。

人間はこれらの波長のうち、400 ～ 700 ナノメートルのごく一部しか見ることができません。ただし、赤色光のすぐ先には赤外線 (>700nm) があります。人間の目は赤外線を見ることができませんが、赤外線は私たちが見る色と同じくらい存在します。

吸収

相互作用すると、物体は入射光を吸収します。これは、私たちが見る（または見えない）色に影響を与えます。植物が緑に見えるのは、赤と青の光を吸収し、その緑を私たちの目に向かって反射するためです。黒く見える物体はすべての可視光を吸収し、同様に、白く見える物体はすべての可視光を反射します。存在する分子と特性についての洞察を得るために、物体によって吸収および反射される光の量を分析することは非常に役立ちます。有機分子は赤外光を多く吸収するため (ただし、ほとんどの有機化合物は白色固体であるため、通常は可視光はあまり吸収しません)、特に UV スペクトルでの分析に適しています。

赤外分光光度計

赤外光はエミッターから放射され、分割されます。次に、ビームはサンプルとブランクリファレンスを通過します。光の違いは検出器によって比較され、その結果はコンピュータによってよく知られた IR スペクトルに解釈されます。

フーリエ変換赤外分光法

フーリエ変換赤外分光法 (FT-IR) は、従来の赤外分光計と同じデータを測定する分析手法です。ただし、楽器構成は全く異なります。一連の光学系が、赤外線周波数全体にわたってビームをほぼ均等にコリメートし、分割します。これらの分割されたビームは再結合して、サンプルを通過する固有の IR 光スペクトルを形成します。重要なのは、FT-IR 装置はビーム分割に関与するミラーをシフトさせて光の経路長を変更し、それによって各ミラー位置で IR 光の固有のスペクトルが生成されることです。コンピューター化により、フーリエ変換として知られる関数を使用して、経路長と干渉データから標準 IR スペクトルを生成できます。

FT-IR には、ハイスループットのアプリケーション (液体クロマトグラフィー (LC-IR) からのサンプルの検出など) に対してはるかに高速であるという利点がありますが、通常、従来の機器に比べて分解能がある程度犠牲になります。

IR スペクトル

コンピュータモジュールが基準経路とサンプルの両方の光検出器からデータを受信した後、コンピュータは検出器に沿った光子の各周波数の量を計算します。サンプルの特定の周波数の光子の量を基​​準からの光子の量で割ることにより、吸収パーセントを計算できます。このデータは伝統的に、縦軸に吸収パーセント、横軸に周波数 (cm-1 (1 センチメートル内の光子の振動数) として記録される) が左から右に減少する形でグラフ化されます。

赤外線吸収

共有結合による化学結合がこのエネルギーを吸収し、それに応じて特定の動きを生み出すため、赤外線は有機分子の分析に最適です。 IR 分光法では、伸びと曲げという 2 つの主要な振動モードを研究します。

IR 分光法:ストレッチ

赤外線吸収の最も一般的な形態はストレッチです。各結合には、原子が互いに近づいたり離れたりする特定の周波数があります。この正確な周波数の赤外線にさらされると、原子間の結合が光を吸収し、そのエネルギーを利用して伸縮の振幅が増加します。すべての共有結合は IR 領域で伸縮を示しますが、一部の共有結合は検出がはるかに簡単です。 O-H ストレッチ、C-H ストレッチ、および C=O ストレッチは、スペクトル上で検出するのが最も簡単なピークの 1 つです。結合の伸張には通常、多くのエネルギーが必要となるため、スペクトル上でより高い周波数 (波数) のピークが生成されます。 IR 伸縮の重要な原理は、原子が伸縮中に質量中心を維持するために移動するということです。

2 つのジェミナル結合の伸張は通常、鋭いピークをもたらし、2 つの異なる振動モードで発生する可能性があります。対称ストレッチは、通常、非対称ストレッチよりも高い頻度で観察されます。

IR 分光法:曲げ

分子はまた、曲げによって結合にエネルギーを吸収します。結合の曲げは通常、伸長よりも少ないエネルギーを必要とするため、通常は IR スペクトルのより低い周波数で発生します。この曲がりはさまざまなモードで発生する可能性があり、IR スペクトルの低周波数の多くの信号に寄与します。多くの場合、これらの低い周波数を割り当てるのは難しく、1300 cm-1 未満の周波数で「指紋領域」が作成されます。

指紋領域

1300 cm-1 未満の周波数では、IR スペクトルに鋭いピークが多くなる傾向があります。これらのピークに特定の官能基を割り当てることは、各値またはその付近のシグナルの数のため、多くの場合困難です。ただし、スペクトルのより読みやすい部分からの情報を裏付けることができる、簡単に識別できるピーク (975 付近の屈曲アルケンなど) がいくつか存在する傾向があります。フィンガープリント領域は各分子に固有であり、ソフトウェアはそれを使用して 2 つの物質のスペクトルから化学的同一性を比較します。

IR 吸収に影響を与える要因

吸収の周波数はよく研究されていますが、スペクトル上で観察される周波数を変える影響がいくつかあります。分子構造を解明するために IR 分光分析を行う際には、この点に留意することが重要です。

共役は、ある官能基のパイ電子が別の官能基のパイ電子と重なり、非局在化パイ系（ベンゼンのような）を形成するときに発生します。これにより、周波数が約 10 ～ 50 cm-1 低下します。単結合で区切られた 2 つの二重結合は共役の特徴です。これは通常、共役系であり、典型的な IR 吸収を示しません。例として、安息香酸を以下に示します。

ハイブリッド化により頻度も低下します。 sp3 原子は、sp2 または sp 原子よりも高い周波数の IR 光を吸収する傾向があります。ただし、共役傾向はより一貫しており、異なるようにハイブリダイズした官能基の存在については、スペクトルの他の情報との裏付けが必要です。

IR 分光分析テーブル

IR 分光分析の例:プロパ-2-イン酸エチル

• 3275:アルキン C-H 伸縮、末端アルキンを示す
• 2990:アルケン C-H ストレッチング
• 2130:CΞC ストレッチ:アルキンパイ電子とカルボニルパイ電子の共役により周波数が低下
• 1225:C-O ストレッチ:エステル
• 1030:C-O ストレッチ
• 760:C-H 曲げ:アルカン

赤外分光法の練習問題

次の分子をスペクトルと一致させます: