Infrarot-Spektroskopie

Antwort B ist korrekt.

1. Bei der NIR-Spektroskopie kommt es zur Anregung von Oberschwingungen.
2. Polymorphe Substanzen unterscheiden sich untereinander deutlich im Fingerprintbereich. Dies kann wie eine Verunreinigung aussehen.
3. Bei der NIR-Spektroskopie misst man unter anderem die Transflexion, während bei der MIR-Spektroskopie die Transmission gemessen wird.
4. Durch Wasser in der Probe entstehen sogenannte Wasserbanden, die andere wichtige Banden überdecken können.
5. Stoffe sind bei einer Änderung der Polarisierbarkeit Raman-aktiv und bei einer Änderung des Dipolmoments IR-aktiv.

^{1 2 3}

Antwort C ist korrekt.

Das Hook`sche Gesetz lautet: K = -k * x

K = rücktreibende Kraft

k = Kraftkonstante

x = Auslenkung zur Zeit t

Die Schwingungsfrequenz lässt sich durch folgenden Zusammenhang beschreiben:

Abbildung 01: Beschreibung der Schwingungsfrequenz ⁴

Die Schwingungsfrequenz ist also umso kleiner, je größer die Massen der schwingenden Atome sind. Sie führen also zu Absorptionsbanden bei kleinen Wellenzahlen.
^{5 6}

Antwort E ist korrekt.

Zyklische Ester zeigen sich im IR-Spektrum meist als intensive Bande bei ca. 1760 cm^-1 (Bande 7). Hydroxylgruppen hingegen sind in einem Bereich von 3600 cm^-1 bis 2800 cm^-1 zu finden (Bande 1 bis 5). Ascorbinsäure besitzt vier Hydroxylgruppen, nicht fünf (siehe Abbildung 03), die sich in den Banden 1 bis 5 wiederfinden. Bande 8 ist auf die C=C-Valenzschwingung einer Alkenstruktur zurückzuführen, Bande 6 resultiert aus einer C-H-Valenzschwingung eines gesättigten Kohlenwasserstoffs.

Abbildung 03: Struktur von Ascorbinsäure ⁸

^{9 10}

Antwort B ist korrekt.

1. Im MIR-Bereich kann als Lichtquelle der Nernst-Stift (Glühkörper aus Zirkoniumoxid und Yttriumoxid) verwendet werden.
2. Wolfram-Lampen können nur im NIR- und VIS-Bereich angewendet werden, nicht im MIR-Bereich.
3. Quarzglasküvetten können hier nicht verwendet werden, da Quarzglas für IR-Strahlung undurchlässig ist.
4. Prisma- und Gitter-Monochromatoren können verwendet werden, da sie zur Aufspaltung elektromagnetischer Strahlung in einzelne Wellenlängen geeignet sind.
5. Das Michelson-Interferometer kann alle Wellenlängen gleichzeitig analysieren und wird nur für Fourier-Transform-Geräte verwendet, nicht für dispersive Geräte.

¹¹

Abbildung 04: Schematischer Aufbau eines dispersiven IR-Gerätes ¹²

Antwort C ist korrekt.

1. Die Banden entstehen durch Gerüstschwingungen, an denen fast alle Atome beteiligt sind.
2. Der Fingerprint-Bereich erstreckt sich von 1500 cm^-1 bis 500 cm^-1.
3. Es können meist keine funktionellen Gruppen zugeordnet werden. Dies geschieht anhand eines charakteristischen Bereiches bei 5000 cm^-1 bis 1500 cm^-1, bei dem Banden bestimmte Bindungsstrukturen zugeordnet werden können.
4. Epimere lassen sich durch kleine Abweichungen im Fingerprint-Bereich unterscheiden.
5. Im Bereich von 900 cm^-1 bis 650 cm^-1 kann es zu C-H-Deformationschwingungen durch disubstituierte Alkene kommen.

¹³

Die Auswertung des Spektrums 1 wird durch eine Wasserbande erschwert. Das dazugehörige IR-Spektrum von Wasser ist in Abbildung 07 zu sehen. Es ist zu erkennen, dass eine breite und eine spitze Bande im Bereich von 3400 cm^-1 bis 1650 cm^-1 auftreten. Da Kaliumbromid hygroskopisch ist, wird es am in einem Trockenschrank oder Exsikkator aufbewahr und erst direkt vor der Verwendung aus diesem entnommen. Zudem kann Wasser in der Probensubstanz zu einer Wasserbande führen. Hier könnte dementsprechend das Kaliumbromid oder der Arzneistoff feucht geworden sein, sodass es zu einer Wasserbande im IR-Spektrum kam.
¹⁶

Abbildung 07: IR-Spektrum von Wasser ¹⁷

1. OH- und NH-Valenzschwingungen
2. C=O-Valenzschwingungen
3. C-H-Valenzschwingungen
4. C=N-Valenzschwingungen
5. C≡C- und C≡N-Valenzschwingungen
6. C=C-Valenzschwingungen

¹⁹

Abbildung 09: Struktur von Spironolacton ²⁰

1. C-H-Valenzschwingung eines Alkens
2. C-H-Valenzschwingung eines Alkans
3. C=O-Valenzschwingung des Lactonrings
4. C=O-Valenzschwingung der Thioacetyl-Gruppe (1691 cm^-1) und der Carbonylfunktion (1673 cm^-1)
5. C=C-Valenzschwingung eines Alkens

^{21 22}

Die Probensubstanz muss in Pulverform vorliegen. Es werden dabei circa 1 bis 2 mg der Probe in einem Achat-Mörser mit 300 bis 400 mg Kaliumbromid sorgfältig verrieben und anschließend in die Pressform gefüllt. Das Pulver wird mit Hilfe des Presswerkzeugs bei Drücken von 800 MPa bzw. 8000 bar einige Minuten lang gepresst. Ist der Pressling frei von Rissen, homogen und transparent, so kann er verwendet werden. Das Arzneibuch schreibt zudem vor, dass die Transmission bei 2000 cm ^-1 mindestens 75 % betragen muss.
^{23 24}

Die Messung von IR-intransparenten Proben erfolgt durch diffuse Reflexion. Dabei wird die Probe ohne Vorbereitung mit polychromatischer Infrarot-Strahlung bestrahlt. Es kommt sowohl zur Reflexion der Strahlen als auch zur Absorption eines gewissen Anteils, sodass es zu Molekülschwingungen in der Probe kommt. Die nicht absorbierten Strahlen werden reflektiert und registriert. Nach mathematischer Umformung wird dieses Reflexionsspektrum in ein Absorptionsspektrum umgewandelt.

Die ATR-Technik (abgeschwächte Totalreflexion) basiert auf dem Prinzip der Totalreflexion und wird für Kunststoffe und viskose Substanzen verwendet. Die IR-intransparente Probe wird ober- und unterhalb einer Scheibe, dem Internen Reflexionselement aufgetragen, welches aus einem Material mit höherem Brechungsindex, wie z.B. Diamant besteht. Die IR-Strahlung wird durch die Probe als optisch dünneres Medium total reflektiert, wobei der Lichtstrahl zu einem geringen Anteil auch absorbiert wird. Dieser Lichtstrahl dringt durch die optisch dichtere Diamantscheibe erneut zur Probe durch und wird wieder total reflektiert. Durch das abgeschwächte total reflektierte Licht kann ein Absorptionsspektrum erstellt werden.
²⁵

Abbildung 10: Schematische Darstellung der ATR-Technik ²⁶

^{27 28}

Hierbei handelt es sich um Acetylsalicylsäure (Struktur 2).
Es treten von 3300 cm^-1 bis 2500 cm^-1 O-H- und C-H-Valenzschwingungen auf, bei ca. 1760 cm^-1 tritt die C=O-Valenzschwingung des Esters auf. Zusätzlich ist bei 1700 cm^-1 die C=O-Valenzschwingung der Carbonsäure sichtbar. Die C=C-Valenzschwingungen des Aromaten lassen sich bei 1600 cm^-1 ausmachen.

Weitere Analgetika wären Paracetamol (Struktur 1) und Ibuprofen (Struktur 3). Paracetamol hat eine markante, spitze Bande bei ca. 3400 cm^-1, die auf die N-H-Valenzschwingung zurückzuführen ist. Ibuprofen hat bei ca. 3000 cm^-1 eine spitz zulaufende O-H-Bande. Diese Banden sind im gegebenen Spektrum nicht sichtbar.
^{33 34}

Es treten von 3500 cm^-1 bis 3300 cm^-1 N-H-Valenzschwingungen auf und bei knapp unter 3000 cm^-1 sind C-H-Valenzschwingungen zu erkennen. Bei ca. 1650cm^-1 tritt die C=O-Valenzschwingung des Esters auf. Die C=C-Valenzschwingungen des Aromaten lassen sich bei 1600 cm^-1 bis 1500 cm^-1 ausmachen.
³⁶

Abbildung 16: IR-Spektrum von Benzocain ³⁷

Abbildung 18: Beschrifteter schematischer Aufbau eines Fourier-Transform-Gerätes ³⁹

In Fourier-Transform-Spektrometern wird die Probe mit der gesamten Strahlung des MIR-Bereiches bestrahlt, sodass die Absorption bei allen für die Probe charakteristischen Wellenlängen gleichzeitig erfolgt. Hierfür verwendet man Interferometer, meist das Michelson-Interferometer, dessen schematischer Aufbau in Abbildung 19 zu sehen ist. Zunächst wirft eine Lichtquelle polychromatisches Licht auf einen Strahlungsteiler, hier ein halbdurchlässiger Spiegel und wird in zwei gleich intensive Strahlen aufgeteilt. Die eine Hälfte des Strahls wird auf einen festen Spiegel um 90° reflektiert. Die andere Hälfte durchdringt den Strahlungsteiler, trifft auf einen beweglichen Spiegel und wird ebenfalls reflektiert. Die gesamte reflektiert Strahlung wird nun wieder auf den halbdurchlässigen Spiegel zurückgeworfen, sodass wieder ein Teil reflektiert und ein Teil durchgelassen wird. Nach dieser Reflexion überlagern sich die zwei Wellen und es kommt zur Interferenz. Wie die Strahlen interferieren hängt von ihrer Phasendifferenz ab. Die Strahlen werden nun auf die Probe geworfen. Die aus der Probe austretende Lichtintensität wird als Funktion der Zeit registriert. Man erhält ein Interferogramm, welches in ein normales Spektrum umgewandelt werden kann.
^{40 41}

Abbildung 19: Aufbau eines Michelson-Interferometers ⁴²

⁴³

Weitere Vorteile die nicht im Skript erwähnt, aber zum weiteren Verständnis noch hinzugefügt wurden:

• Die Lichtausbeute wird durch die im FT-Gerät verwendeten kreisförmigen Apparaturen deutlich verbessert und somit auch das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Durch Verwendung des Interferometers wird das Spektrum nicht kontinuierlich in Abhängigkeit von der Wellenlänge aufgenommen. Es werden alle Wellenlängen gleichzeitig als Momentaufnahme erfasst, dadurch erhöht sich das Signal-Rausch-Verhältnis.
• Durch die Verwendung eines Helium-Neon-Lasers als Referenz ist eine höhere Frequenzgenauigkeit erreichbar. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, geringfügige Unterschiede zwischen zwei Spektren durch Differenzbildung sehr präzise zu ermitteln.

⁴⁴