Полоса Амид III

Электромагнитные колебания
Длина волны
λ
E
E=hν
H
E=hc/λ
H
E
Направление
распространения
Длина волны в Å
1
10
Рентгеновское
излучение
102
103
104
УФ- и видимое
излучение
105
Инфракрасное
излучение
106
107
Микроволновое Радиоволны
излучение
Уменьшение энергии падающего излучения
Электронные переходы
Абсорбционная спектроскопия в
видимой и УФ-области спелтра
Колебательные и вращательные
Инфракрасная
спектроскопия и рассеяние
Мандельштама-Рамана
Ядерные
ЯМР
1800
Астроном Вильям Гершель открыл инфракрасное излучение.
1835
Первый спектрометр, работающий в инфракрасном диапазоне был создан через 35 лет
после открытия ИК-излучения и на протяжении 90 лет ИК-спектроскопия широко
применялась в астрономии, органической химии и химии атмосферы.
1892
A. A. Майкельсон сконструировал интерферометр, позже названный его именем, и в
том же году Лорд Релей установил, что получаемая на выходе интерферограмма связана
со спектром математической операцией, известной как фурье-преообразование.
1949
Е. К. Блаут и Р. К. Меллорс показали, что инфракрасные спектры позволяют получить
информацию о строении молекулярной структуры человеческой ткани. Однако
исследования в этом направлении продолжались недостаточно интенсивно из-за
ограничений, накладываемых как инструментом, так и сложностью исследуемых систем
и интерпретацией полученных спектров.
1969
Появились первые коммерческие инструменты низкого разрешения в средней
инфракрасной области (4000–400 см-1) полностью управляемые компьютером и
содержащие программы преобразования интерферограмм в спектр с помощью Фурьепреобразования. В настоящее время доступны приборы с разрешением около 0.1 см-1.
Фурье-преобразование занимает доли секунды.
В ол ь ф ра м ова я л ам па
К ач а ю щ а яс я во гн у та я
д иф р ак ци он на я ре ш етк а
Накаленное тело
Д ей те ри ева я л ам па
К ач а ю щ е ес я в о гн у то е
с ф е ри ч ес к ое з ер ка л о
Ра с щ еп ите ль п у ч ка
Д ете кт ор с р ав нен ия
О бр аз ец
Детектор ИФ-излучения
Д ете кт ор
Около 30 лет назад конструкция приборов для инфракрасной
спектроскопии претерпела большие изменения. В основе современных
инструментов для средней и дальней ИК-областей лежит
усовершенствованный интерферометр Майкельсона, a преобразование
интерферограммы в спектр осуществляется с помощью
преобразования Фурье. Сам метод получил название ИКспектроскопии с фурье-преобразованием (ИК-ФП).
Неподвижное зеркало
Интерферометр
Майкельсона
+
Фурье
преобразование
Подвижное зеркало
Разделитель луча
Лазер
Образец
δ=0 Δ=λ/2
Δ=λ Δ=3λ/2
Интерферограмма
Детектор
Спектр
B(ν)
I(δ)
ν0=1/λ
Фурье
0
λ/2
λ
3λ/2
δ
Если источник света имеет более одной частоты, например две, то
интерферограмма будет содержать две косинусоиды, и так далее.
Реальная
интерферограмма
источника
Математически интерферограмма есть сумма всех косинусоид,
содержащихся в источнике.
n
I ( )   B( i ) cos( 2)
1
δ=0
Источником света в инфракрасной спектроскопии является тело, нагретое до такой
температуры (1000-1200оC), чтобы иметь максимум в интервале 4000-400 см-1.
Помещение образца в в интерферометр Майкельсона приводит к к появлению новых
частот в спектре
Второй интерферометр
(а) Схема ИК-ФП спектрометра. Непрерывное излучение широкополосного ИКисточника модулируется интерферометром Майкельсона. Исходный луч расщепляется,
попадая на два зеркала. Свет, отраженный от подвижного и неподвижного зеркал, снова
собирается и, пройдя через образец, падает на ИК-детектор. Разность длины оптических
путей очень точно измеряется с помощью гелий-неонового лазера (не показан). (б)
Компьютер преобразует оцифрованную интерферограмму в ИК-спектр с помощью
преобразований Фурье.
Колебания молекул
При выяснении пространственной структуры молекул
необходимо знать длины химических связей и углы между ними.
Для большего числа молекул численные значения этих величин
известны из рентгеновских дифракционных исследований и
данных ядерного магнитного резонанса. Так, длина связей О–H в
молекулах воды равна 0,9572 Å, а угол между ними составляет
104,523°. Эти значения соответствуют гипотетическим
равновесным состояниям, в которых отсутствуют колебательные
и вращательные движения.
Относительные положения атомов в молекулах постоянно
меняются вследствие различных типов колебаний и вращений
вокруг своих связей. При физиологических температурах
колебания в них сопровождаются изменениями длин связей
приблизительно на ±0,05 Å, а угла между связями – на ±5°.
Все колебания делятся на две основные категории:
валентные и деформационные
Симметричные
Асимметричные
(a) Эластичные растяжения
Валентные колебания
заключаются в постоянном
изменении межатомных
расстояний вдоль оси связи
двух атомов.
Качания
В одном направлении


В разных направлениях


Изгибы
В одном направлении
В разных направлениях
(б) Колебания в плоскости
Деформационные колебания
характеризуются изменением
угла между двумя связями и
бывают четырех типов, как
показано на рисунке.
Активные и неактивные моды колебаний в ИК-спектрах
В качестве примера рассмотрим молекулу двуокиси углерода (О=С=О),
имеющую четыре нормальные колебательные моды (см. ниже). Исходя из
соображений симметрии, две из них должны быть валентными модами и две
– деформационными
С им м етрич ны е кол ебани я
О  C  O
Неактивные
моды
О  C 
O
Ас им м етрич ны е кол ебани я
О  C  O
О  C  O
Активные
моды
О  C  O
Симметричные и
асимметричные колебания в
молекуле О=С=О.
Симметричные колебания
атомов не приводят к изменению
дипольного момента молекулы
CO2, поэтому они не
проявляются в ИК-спектрах.
Напротив, асимметричные
колебания атомов вызывают
изменения дипольного момента
молекулы и поэтому
проявляются в ИК-спектрах
Колебательные моды полиатомных молекул.
Нормальные моды колебаний
CH3
C
O
H
N
CH3
N - м ети ла цет ам и д
N-метилацетамид имеет
30 нормальных
колебательных мод Если
не принимать во
внимание шесть атомов
водорода метильных
групп, то останется 12
нормальных мод,
связанных с шестью
скелетными атомами
(CCONHC).
Молекула, состоящая из N атомов имеет 3N
степеней свободы: три трансляционные (вдоль осей
x, y, z), две вращательные (вокруг осей y, z) , и одна
колебательная (растяжение вдоль оси, соединяющей
молекулы).
Число колебательных степеней свободы для
молекулы, состоящей из N атомов равно 3N - 5, если
молекула линейна, и 3N - 6, если молекула не
линейна. Этот набор
колебаний называется
молекулярной модой вибрации. Если в молекуле все
атомы движутся в фазе, то есть все атомы
достигают одновременно положений максимумов и
минимумов и одновременно достигают положений
равновесия, то такая мода называется нормальной
модой колебаний.
Строго показано, что только нормальные моды
колебаний вносят вклад в инфракрасные спектры.
CH3
H
C
N
O
CH3
N - м ети ла цет ам и д
Изолированная плоская CONH-группа может иметь пять мод колебаний в
плоскости (растяжение связи С=О, растяжение связи С-N, изгибание связи
OCN, изгибание связи CNH) и одну неплоскую моду колебания (кручение связи
C-N). Диапазоны частот различных амидных полос в модельных структурах
приведены на рисунке (внизу).
Ам и д I
Ам и д A
CH3
H
C
N
O
~3300 см-1
-1
CH3
H
H
C
N
O
34 00 - 35 00 с м
CH3
CH3
CH3
H
C
Ам и д III
Ам и д II
C
N
O
O
16 00 - 17 00 с м
-1
CH3
1597-1672 см-1
N
15 10 1 570
см
-1
CH3
1480-1575 см-1
13 50 - 15 70 с м
-1
1229-1301 см-1
CH3
Инфракрасные спектры полипептидов и белков
N-methylacetamide
In-plane modes
Out-of-plane modes
cm-1
Amide A
~ 3300
Amide B
~ 3100 cm-1
Amide V
Amide I
1597-1672 cm-1
Amide VI
Amide II
1480-1575 cm-1
Amide III
1229-1301 cm-1
Amide IV
625-767 cm-1
640-800 cm-1
537-606 cm-1
Полосы Амид A and амид B
Полоса амид II
В разбавленных растворах в отсутствии водородных
связей наблюдаются резкая полоса при 3400-3460 cm-1,
которая интерпретируется растяжение между N–H
связью. При образовании водородных связей полоса
смещается к 3120-3320 cm-1 и появляется новая слабая
полоса в районе 3100 cm-1.
Полоса в районе 1510 and 1570 cm-1 также
ассоциируется со вторичной структурой, однако
количественно эту полосу очень трудно
интерпретировать..
Наиболее часто
Полоса Амид III
используемые полосы
Все вторичные структуры амидов и
Полоса амид III занимает спектральную
пептидов показывают сильную полосу
полосу (1350-1200) и обусловлена изгибами в
в районе 1600-1700 cm-1, которая
N–H связи и растяжениями в C–N связи.
интерпретируется как растягивающие
Очень чувствительна к деталям вторичной
колебания между C=O связью.
структуры.
Полоса Амид I
Амидные полосы А, B
Поглощение воды
Измерения амидной
полосы I в пленках,
тонких кюветах, в D20
Поглощение воды
накладывает ограничения на
практическое использование
амидных полос
I II
III
1640-1650 cm-1
Полоса Амид III (1350-1200 см-1) в 5-10 раз менее
чувствительна, чем полоса Амид I. Однако,
отсутствие поглощения воды в этой области,
чувствительность к вторичной структуре делают эту
полосу незаменимой для измерения ее деталей
Соотнесение полос :
1330–1295 cm-1, (α-спираль); 1295–1270 cm-1 (βповорот); 1270–1250 cm-1 (клубок) и 1250–1220 cm-1
(β-структура).
Protein
α-Helix
β-Sheet
β-Turn
Random coil
Method
α-Chymotrypsin
15
8
9
8-15
47
50
47
10-53
20
27
30
2-12
18
15
14
38-70
Amid III
X-ray
Amid I
CD
18
3
8
3-25
49
60
58
41-49
25
22
26
15-27
8
15
8
9-36
Amid III
X-ray
Amid I
CD
Cytochrome c
43
48
42
27-46
15
10
21
0-9
26
17
25
15-28
15
25
12
28-41
Amid III
X-ray
Amid I
CD
Hemoglobin
65
87
78
68-75
4
0
12
1-4
11
7
10
15-20
20
6
9-16
Amid III
X-ray
Amid I
CD
IgG
10
3
3
60
67
64
17
18
28
13
12
5
Amid III
X-ray
Amid I
Lysozyme
43
45
40
16
19
19
18
23
27
23
13
14
Amid III
X-ray
Amid I
Myoglobin
61
85
85
67-86
11
0
0
0-13
7
8
8
0-6
21
7
7
11-30
Amid III
X-ray
Amid I
CD
Ribоnuclease A
21
23
15
13-30
41
46
40
21-44
25
21
36
11-22
12
10
9
19-50
Amid III
X-ray
Amid I
CD
14
9
9
49
56
44
23
24
38
13
11
9
Amid III
X-ray
Amid I
Concanavalin A
Trypsin