大学 · 20分

赤外スペクトルから未知試料を同定する

よくある溶媒5種のラベルなしスペクトル。診断的な吸収帯を見つけ、官能基を推定して化合物名を答える。

目的

3300（O–H）、約3000（C–H）、1650–1750（C=O）、1050–1250（C–O）、900 以下（フィンガープリント/面外変角）の帯を割り当て、各試料を同定する。

器具と試薬

ATR 付き FTIR 分光計と、エタノール・アセトン・酢酸エチル・酢酸・トルエンの滴瓶。

手順

試料 A は 3340 cm⁻¹ 付近の非常に広い帯と 1050 cm⁻¹ 付近の強い帯を示し、カルボニルはない。官能基を推定せよ。
試料 B と C はともに C=O を示す。カルボニル位置（約1715 対約1740 cm⁻¹）を比べ、強い C–O 帯を探す。
試料 D は 3300–2400 cm⁻¹ にまたがる極めて広い O–H と 1710 cm⁻¹ 付近の C=O を併せもつ — カルボン酸二量体の特徴。
試料 E は 3000 cm⁻¹ をわずかに超える C–H 伸縮、1605/1495 cm⁻¹ の環の帯、728/694 cm⁻¹ の強い面外変角を示す — 芳香族化合物。

観察すること

C=O を伴わない幅広い O–H はアルコール、O–H と C=O の組はカルボン酸、C=O と強い C–O はエステルを示す。
カルボニル周波数は環境を反映する。これらの試料ではケトン ≈1715、カルボン酸 ≈1710、エステル ≈1740 cm⁻¹。

解説

振動周波数はフックの法則に従う。ν̃ ∝ √(k/μ) — 強い結合と軽い原子ほど高い波数。答え：A = エタノール（広い O–H、C–O 1050）、B = アセトン（C=O 1715、O–H なし）、C = 酢酸エチル（C=O 1742、強い C–O 1240/1048）、D = 酢酸（極めて広い O–H + C=O 1712）、E = トルエン（芳香族 C–H >3000、環振動、728/694 の変角）。

実験の歴史

1859–60 年、ブンゼンとキルヒホッフは全元素がスペクトル線の独自の「バーコード」を書くことを示し、数か月で鉱泉水からセシウムとルビジウムを読み取った。ラムゼイは同じ手法で 1894–98 年に希ガス族 — アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノン — を完成させた。この実験で照合する現代の IR・NMR スペクトルも分子レベルでの同じ発想で、化合物の振動と核環境が同様に固有の指紋を残す。

ゆかりの化学者

ローベルト・ブンゼンウィリアム・ラムゼー