[スポンサーリンク]

一般的な話題

IRの基礎知識

[スポンサーリンク]

 

赤外吸収分光法(infrared absorption spectrometry, IR)とは、試料に赤外線をあてて得られる吸収スペクトルを測定する分析法である。とりわけ、有機化合物にどのような官能基が含まれるかを決定したい時に威力を発揮する。
今回はIRの原理から実例までを紹介しよう。

原理

原子同士の結合は硬く固定されているわけではなく、バネでつながれるかのように、ある程度の柔軟性をもっている。分子に赤外領域のエネルギーを与えると、化学結合(長さ・角度)の振動が生じる。このとき、吸収された赤外線エネルギー量を測定することで、化学結合の種類(官能基)を知ることができる。このため、およそ有機化合物と呼べるものは、すべからく赤外領域に固有の吸収スペクトルを持っている。

結合振動は、伸縮振動変角振動の二つに大別される。

IR_1

伸縮振動(左:対称振動 右:逆対称振動)

変角振動(左:横揺れ 中央左:はさみ 中央右:縦ゆれ 右:ひねり)

変角振動(左:横揺れ 中央左:はさみ 中央右:縦ゆれ 右:ひねり)  二重矢印は画面に対して垂直方向を示す。

この伸縮振動と変角振動のエネルギーはそれぞれ異なっている。つまり、一つの化学結合に対して、二種類のスペクトルが現れることになる。

測定装置

IR測定装置には原理毎に様々な種類があるが、現代の主流はフーリエ変換赤外分光分析(FT-IR)である。

日本分光製FT-IR装置(ホームページより引用)

日本分光製FT-IR装置(ホームページより引用)

FT-IRの装置は大まかに①光源、②干渉計、③試料室、④検出器、⑤解析用PCから構成される。

光源から出た赤外線は、半透鏡を用いて、2つの経路(反射光と透過光)に分離される。移動鏡を動かすことで一方の光路長が変わり、これが再合成されることで異なる干渉波(インターフェログラム)が得られる。この干渉波の向かう先に試料室を置き、サンプルを透過した光を検出し、PCで波数成分毎に分離(フーリエ解析)することによって、吸収スペクトルが得られる。

スリットを使わないため、光源エネルギーを有効活用でき、高感度に測定できるという特徴がある。また多数の波長を同時に測定できることも利点である。

 

解析方法

赤外吸収スペクトルの吸収は4000〜650 cm-1まで目盛られ、波数の大きいほうが高エネルギー側である。また、赤外吸収スペクトルでは吸光率を求めることはせず、相対的な強弱で表すのが一般的である。

強度 記号
very strong vs
strong s
mediam m
weak w
variable v
broad br

チャートの読み解きは、まずスペクトル全体を4000〜1500 cm-1と1500〜650 cm-1の二つの領域に分けて考える。

前者には伸縮振動による吸収のみが現れるので、比較的簡単なスペクトルとなる。官能基毎に決まった位置にピークが現れるため構造決定に有用である。大まかには高波数側から水素含有単結合→三重結合→二重結合の順に並んでいる。

後者には変角振動と単結合伸縮振動に由来する複雑な吸収スペクトルが現れ、概ね化合物固有のスペクトルが得られる。この領域は指紋領域と呼ばれる。

もう少し細かい手順を踏んで解析したい方は、以下のインストラクション画像に従ってみるといいだろう。

解析の実例

 

それでは実際に、以下の簡単な分子についてIRスペクトル解析をしてみよう。

IR_7

オクタン(脂肪族炭化水素)

オクタンのIRスペクトル(SDBSより引用)

オクタンは直鎖状炭化水素であるため、分子中には-CH3と-CH2-の二種類の官能基しか存在しない。吸収帯の数も少なく、はっきりしているため解析は簡単である。

 

トルエン(芳香族炭化水素)

トルエンのIRスペクトル(SDBSより引用)

トルエンはオクタンと比べると、少し複雑なスペクトルである。しかしピークははっきりしているため解析しやすい。このスペクトルでは1625〜1575 cm-1、1525〜1475 cm-1の2本の吸収より、芳香族C=Cが含まれている事がわかる。また729、696 cm-1の2本の吸収は芳香族一置換体を示している。2920 cm-1の存在から、トルエンのメチル基が判別できる。

3−メチル−2−ブタノン(カルボニル化合物)

3−メチル−2−ブタノンのIRスペクトル(SDBSより引用)

分子にカルボニル基が含まれていると、1700 cm-1付近に鋭く強い吸収が現れる(水色でハイライト)。カルボニル基隣接位の構造によってこの位置は微妙にシフトするため、カルボニル付近の構造決定も行うことができる。共役型であればケト-エノール平衡のエノール型の存在比が大きくなり、それによって低波数側へシフトする。逆に隣接位に電子求引性基が存在すると高波数側へシフトする。

フェノール(アルコール、フェノール類)

フェノールのIRスペクトル(SDBSより引用)

このスペクトルの特徴は、3200 cm-1付近にある水酸基の幅広い吸収である(水色でハイライト)。フェノールの水酸基は元来鋭い吸収を示すが、分子間で複雑に水素結合をしている事情から幅広い吸収スペクトルを示している。希薄溶液にすることで鋭い吸収スペクトルを得ることができる。

おわりに

今回の話は、有機化学の実験を行おうとする学生の方々にとっては大変重要な話の一つだと思います。是非実験現場で、自分で作った分子・物質をいろいろ解析してみてください。やってみると面白いですよ!

(執筆 by ボンビコール, 2016/4/17 加筆修正 by cosine)
※本記事は以前より公開されていたものを加筆修正の上、ブログに移行したものです

関連書籍

有機化合物のスペクトルによる同定法 (第8版): MS,IR,NMRの併用

有機化合物のスペクトルによる同定法 (第8版): MS,IR,NMRの併用

Silverstein,Robert M., Webster,Francis X., Kiemle,David J.
Amazon product information
有機化合物のスペクトルによる同定法演習編 (第8版)

有機化合物のスペクトルによる同定法演習編 (第8版)

岩澤 伸治, 豊田 真司, 村田 滋
Amazon product information

 

関連リンク

Avatar photo

cosine

投稿者の記事一覧

博士(薬学)。Chem-Station副代表。国立大学教員→国研研究員にクラスチェンジ。専門は有機合成化学、触媒化学、医薬化学、ペプチド/タンパク質化学。
関心ある学問領域は三つ。すなわち、世界を創造する化学、世界を拡張させる情報科学、世界を世界たらしめる認知科学。
素晴らしければ何でも良い。どうでも良いことは心底どうでも良い。興味・趣味は様々だが、そのほとんどがメジャー地位を獲得してなさそうなのは仕様。

関連記事

  1. もっとも単純な触媒「プロリン」
  2. 開発者が語る試薬の使い方セミナー 2022 主催:同仁化学研究所…
  3. アメリカ大学院留学:卒業まであと一歩!プロポーザル試験
  4. 第11回 慶應有機化学若手シンポジウム
  5. 栄養素取込、ミトコンドリア、菌学術セミナー 主催:同仁化学研究所…
  6. 常温常圧アンモニア合成~20年かけて性能が約10000倍に!!!…
  7. 第3の生命鎖、糖鎖の意味を解明する!【ケムステ×Hey!Labo…
  8. ポンコツ博士の海外奮闘録⑦〜博士,鍵反応を仕込む〜

注目情報

ピックアップ記事

  1. 新規化合物データチェックリストとWord整形プログラムver2
  2. アメリカ企業研究員の生活①:1日の仕事の流れ
  3. 有機合成化学協会誌2024年11月号:英文特集号
  4. 河村奈緒子 Naoko Komura
  5. アルツハイマー病患者の脳内から0価の鉄と銅が発見される
  6. 第42回―「ナノスケールの自己集積化学」David K. Smith教授
  7. トリフルオロメタンスルホン酸2-(トリメチルシリル)フェニル : 2-(Trimethylsilyl)phenyl Trifluoromethanesulfonate
  8. 離れた場所で互いを認識:新たなタイプの人工塩基対の開発
  9. 第23回 医療、工業、軍事、広がるスマートマテリアル活躍の場ーPavel Anzenbacher教授
  10. ストラディバリウスの音色の秘密は「ニス」にあらず

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2005年5月
 1
2345678
9101112131415
16171819202122
23242526272829
3031  

注目情報

最新記事

CIPイノベーション共創プログラム「有機電解合成の今:最新技術動向と化学品製造への応用の可能性」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「有機電解合…

CIPイノベーション共創プログラム「世界を変えるバイオベンチャーの新たな戦略」

日本化学会第106春季年会(2026)で開催されるシンポジウムの一つに、CIPセッション「世界を変え…

年会特別企画「XAFSと化学:錯体, 触媒からリュウグウまで –放射光ことはじめ」

放射光施設を利用したX線吸収分光法(XAFS)は、物質の電子状態や局所構造を元素選択的に明らかにでき…

超公聴会 2026 で発表します!!【YouTube 配信】

超公聴会は、今年度博士号を取得する大学院生が公聴会の内容を持ち寄ってオンライン上で発表する会です。主…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part II

さて、Part Iに引き続きPart II!年会をさらに盛り上げる企画として、2011年より…

凍結乾燥の常識を覆す!マイクロ波導入による乾燥時間短縮と効率化

「凍結乾燥は時間がかかるもの」と諦めていませんか?医薬品や食品、新素材開発において、品質を維…

日本化学会 第104春季年会 付設展示会ケムステキャンペーン Part I

まだ寒い日が続いておりますが、あっという間に3月になりました。今年も日本化学会春季年会の季節です。…

アムホテリシンBのはなし 70年前に開発された奇跡の抗真菌薬

Tshozoです。以前から自身の体調不良を記事にしているのですが、昨今流行りのAIには産み出せな…

反応操作をしなくても、化合物は変化する【プロセス化学者のつぶやき】

前回まで1. 設定温度と系内の実温度のお話2. 温度値をどう判断するか温度を測ること…

ジチオカーバメートラジカル触媒のデザイン〜三重項ビラジカルの新たな触媒機能を発見〜

第698回のスポットライトリサーチは、名古屋大学大学院工学研究科(大井研究室)博士後期課程1年の川口…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP