12.5.2020
1
Ústav chemických léčiv, Farmaceutická fakulta VFU,
Palackého 1/3, 642 12 Brno
Doc. Ing. Pavel Bobáľ, CSc.
Organická chemie
10. Určování struktury:
přehled spektrálních metod
2
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Hmotnostní spektrometrie – Jaká je velikost a složení molekuly?
(MS, mass spectrometry)
Infračervená spektroskopie – Jaké jsou v molekule funkční skupiny?
(IČ, IR, infrared spectroscopy)
Ultrafialová spektroskopie – Je v molekule konjugovaný –elektronový systém?
(UF, UV, ultraviolet spectroscopy)
Nukleární magnetická rezonance – Jaký je skelet molekuly a jaké typy atomů
uhlíku a vodíku molekula obsahuje?
(NMR, nuclear magnetic resonance)
2
Určování struktury – jak na to ?
3
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Elektromagnetické záření – elektromagnetické spektrum
- absorpční spektrum látky – ozáření látky zářením různých vlnových délek – část
pohlcena (absorbována) část prochází
3
Infračervená spektroskopie
4
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Vlnočet = 1/λ (cm-1)
4
Infračervená spektroskopie
~
Infračervená oblast
12.5.2020
2
5
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Infračervené spektrum → molekulové vibrace → funkční skupiny
5
Infračervená spektroskopie
symetrická
valenční vibrace
antisymetrická
valenční vibrace
rovinná
deformační vibrace
mimorovinná
deformační vibrace
- různé typy vibrací,
- při ozáření elektromagnetickým zářením molekula pohltí energii tehdy, když se
frekvence záření shoduje s frekvencí vibrace,
- výsledkem absorpce energie je zvýšená amplituda vibrace,
6
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
6
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
- oblast otisku prstu (fingerprint region),
- oblast funkčních skupin (functional group region)
7
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
7
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
8
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
8
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
12.5.2020
3
9
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
9
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
10
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
10
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
11
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
11
Infračervená spektroskopie
12
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
12
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
12.5.2020
4
13
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
13
Infračervená spektroskopie
Infračervené spektrum
14
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Hmotnostní spektrometrie (MS mass spectromery) je fyzikálně-chemická metoda,
která určuje hmotnosti atomů, molekul a molekulových fragmentů po jejich převedení
na ionty,
- technika umožňující stanovit relativní molekulovou hmotnost (Mr),
- hmotnosti fragmentů, na které se molekula rozpadá
Hmotnostní spektrometrie je nejrychleji se rozvíjející technika analytické chemie
Přístroj se nazývá hmotnostní spektrometr
Základní vlastnosti hmotnostní spektrometrie
• citlivá
• specifická
• rychlá
• jednoduchá interpretace dat
14
Hmotnostní spektrometrie
15
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
EI (electron impact) ionizace – nejstarší metoda ionizace – s magnetickým
analyzátorem
- vzorek se vypaří,
- páry bombardovány es
vysokou energií,
- standardně 70 eV
(6 700 kJ.mol-1),
- vzniká kationradikál,
- fragmentace,
- urychlení,
- průlet magnetickým
polem (zakřiveným),
- kladně nabité fragmenty zakřivení
drah,
- dopad na detektor
15
Hmotnostní spektrometrie
RHRH
e-
e+
e-
16
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Součásti MS systému:
16
Hmotnostní spektrometrie
Popis přístroje
1. Iontový zdroj
2. Hmotnostní analyzátor
3. Detektor
4. Řídící počítač
Hmotnostní spektrum:
čárový graf
12.5.2020
5
17
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
17
Hmotnostní spektrum hexanu
hexan
e-
2 emolekulový
ion, M
(m/z = 86)
CH3CH2CH2CH2
+
- CH3
CH3CH2CH2
+
CH3CH2CH2CH2CH2
+
CH3CH2
+
- CH2CH3
- CH2CH2CH2CH3
- CH2CH2CH3
m/z 71 57 43 29
relativní
četnost (%) 10 100 (základní pík) 75 40
EI (electron impact) ionizace – spektrum
- základní pík (base peak) – 100 % intenzita
(četnost)
- molekulový ion (M+·)
18
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
18
Hmotnostní spektrum – zastoupení izotopů
Zastoupení izotopů:
Chlor: 75,77 % 35Cl and 24,23% 37Cl
Brom: 50,50 % 79Br and 49,50% 81Br
19
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Ionizace
1. Měkké techniky ionizace
Energetický přebytek dodaný molekule je malý a fragmentace primárně vzniklého
iontu je malá,
2. Tvrdé techniky ionizace
Dodaná energie postačuje k rozsáhlejší fragmentaci primárně vzniklého iontu,
Typy ionizace
• nárazem elektronů (EI)
• působením elektrostatického pole (FI, FD)
• chemickou ionizací (CI)
• nárazem rychlými atomy nebo ionty (FAB)
• ionizací fotony
• elektrosprejem, termosprejem (ESI)
• ionizace laserem za přítomnosti matrice (MALDI)
19
Hmotnostní spektrometrie
20
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Hmotnostní analyzátory
Umožňují rozdělit v čase nebo prostoru směs iontů o různých hmotnostech
Typy analyzátorů:
• magnetický
• kvadrupolový analyzátor (jednoduché, trojnásobné)
• iontová past
• průletový analyzátor (TOF)
• hybridní (Q-TOF, Q-trap, TOF-TOF, trap-TOF, trap-ICR, …)
• FT-MS (ICR-MS)
Detektor
Poskytuje analogový signál úměrný počtu dopadajících iontů
20
Hmotnostní spektrometrie
12.5.2020
6
21
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
21
Hmotnostní spektrometrie
22
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
- atomová jádra mnoha prvků rotují kolem své osy,
- mají vnitřní moment hybnosti – spin,
- nesou kladný náboj – miniaturní magnety – interakce s vnějším magnetickým
polem (magnetická indukce B0),
- jenom některá jádra (1H, 13C, 19F, 31P, ….),
- magnetické vlastnosti jader – jádra s lichým počtem protonů a lichým počtem
neutronů,
- v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole – náhodná orientace
- v přítomnosti vnějšího magnetického pole – orientace spinů v určitém směru -
ve směru (paralelně) nebo proti směru (antiparalelně) vnějšího magnetického
pole,
- rozdílná energie jednotlivých orientací,
- paralelní orientace má nepatrně nižší energii než antiparalelní,
- rozdíl energie ∆E závisí na síle vnějšího magnetického pole,
- při ozáření elektromagnetickým záření vhodné frekvence dojde k absorpci energie
a k překlopení spinu, s nižší energii na vyšší – jsou v rezonanci s použitým
zářením,
22
Nukleární magnetická rezonance
23
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
- frekvence elektromagnetického záření – oblast rádiových vln – je úměrná
magnetické indukci pole B0 a závisí na druhu jádra,
- při silném magnetickém poli – energetický rozdíl mezi dvěma spinovými stavy je
větší – k překlopení je potřebné záření o vyšší frekvenci,
23
Nukleární magnetická rezonance
24
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
- používané supravodivé magnety – indukce až do 21,6 T, běžně 4,7 – 7,0 T,
- při 4,7 T – dosažení rezonance – frekvence 200 MHz (1H) nebo 50 MHz (13C),
24
Nukleární magnetická rezonance
- frekvence elektromagnetického záření – oblast rádiových vln – je úměrná
magnetické indukci pole B0 a závisí na druhu jádra,
- při silném magnetickém poli – energetický rozdíl mezi dvěma spinovými stavy je
větší – k překlopení je potřebné záření o vyšší frekvenci,
12.5.2020
7
25
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
25
Nukleární magnetická rezonance
- při návratu jader zpět do základního stavu – vyzáření – nepravděpodobné,
- nezářivé, tzv. relaxační přechody
26
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
26
Nukleární magnetická rezonance
Co vlastně měříme?
- pulsní NMR spektrometr,
- excitace jader probíhá pomocí silného a velmi krátkého radiofrekvenčního
pulsu (1–10 μs),
- po jeho odeznění, při návratu jader zpět do základního stavu, se v cívce
přijímače spektrometru registruje pokles odezvy indukovaného střídavého
napětí v čase, který označujeme jako volné vyhasínání indukce,
tzv. FID (free induction decay).
27
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
27
Nukleární magnetická rezonance
Fourierova transformace
záznam závislosti indukovaného
střídavého napětí na čase
záznam závislosti intenzity signálu
na frekvenci
28
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
- rezonanční frekvence není stejná pro všechna jádra 1H a 13C,
- jádra – obklopeny elektronovými oblaky – cirkulace elektronů vlivem magnetického
pole – vytváří se slabé lokální magnetické pole s indukcí Blokální proti vnějšímu,
- ve skutečnosti na jádro působí pole slabší o indukci Befektivní:
Befektivní = B0 - Blokální
- říkáme, že jádra jsou proti vloženému magnetickému poli stíněna (shielded)
elektrony, které jádro obklopují – rozdílné signály různých skupin (jader),
28
Nukleární magnetická rezonance
12.5.2020
8
29
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Příklady: methylacetát x – osa: síla efektivního magnetického pole
y – osa: intenzita absorpce radiofrekvenční energie
29
Nukleární magnetická rezonance
30
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
30
Nukleární magnetická rezonance
x – osa: chemický posun (δ)
y – osa: intenzita
- chemicky ekvivalentní jádra dávají vždy jediný signál,
- chemický posun – poloha v spektru, kde se objevuje signál určitého jádra
nižší pole (odstínění)
signál standardu
vyšší pole (stínění)
intenzita
←nízké pole směr rostoucí magnetické indukce → vysoké pole→
MHzvruspektrometfrekvence
Hzvposunchemickýpozorovaný
___
____

31
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
Schéma NMR - spektrometru
31
Nukleární magnetická rezonance
32
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
13C NMR – 12C – nemá jaderný spin – 13C – má jaderný spin, ale přirozené
zastoupení je jenom 1,1 %,
- akumulace spekter – sčítání stovek – tisíců naměřených spekter,
- složité matematické zpracování – Fourierova transformace,
- základní rysy: - počet atomů uhlíku,
- charakter atomů uhlíku,
32
Nukleární magnetická rezonance
12.5.2020
9
33
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
33
Nukleární magnetická rezonance
34
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
1H NMR – 1H – má jaderný spin,
- štěpení signálů na multiplety – spin – spinová interakce (spin – spin coupling)
sousedících atomových jader,
- slabé magnetické pole jednoho jádra ovlivňuje vložené magnetické pole
na sousedním jádru,
34
Nukleární magnetická rezonance
35
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
35
Nukleární magnetická rezonance
36
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
36
Nukleární magnetická rezonance
12.5.2020
10
37
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
37
Nukleární magnetická rezonance
38
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
38
Nukleární magnetická rezonance
- štěpení signálů na multiplety – spin – spinová interakce – příklad,
- n = počet sousedních atomů vodíku, štěpení = n + 1 (počet linií)
chemický posun (δ)
kvartet triplet
39
1O. Určování struktury: přehled spektrálních metod
Organická chemie
39
Nukleární magnetická rezonance
- interakční konstanta (coupling constant) J - příklad