prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 1 MOLEKULOVÁ SPEKTROMETRIE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 2 Optické analytické metody studium využití interakce elektromagnetické záření látka změna energie záření emise, absorpce (kvantovaná) jiné vlastnosti záření (rychlost šíření, stáčení roviny kmitu polarizovaného záření) OPTICKÉ METODY SPEKTROSKOPICKÉ spektrum E = f (λ) elmag. záření NESPEKTROSKOPICKÉ (index lomu, úhel) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 3 Optické analytické metody SPEKTROSKOPIE OPTICKÁ HMOTNOSTNÍ S = f (vlnová délka) S ≈ tok fotonů S = f (m.z-1) S ≈ tok iontů analogie opt. spektra ionizace absorpcí energie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 4 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody noblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda n E-8 E12 E22 E8 n kosmické z. n E-6 E10 E20 E6 n gama z. at. jádra Mössbauerova s. n E-5 E9 E19 E5 n RTG z. vnitřní el. RTG spektrosk. n E-2 E6 E16 E2 poznámka E12 = 1012 atd prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 5 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody – MOLEKULOVÁ S. noblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda n E-2 E6 E16 E2 nUV vzdálená valenční el. AAS, AES, n 0,2 E4 E15 6,2 AF, MAS nUV blízká valenční el. molekulová n 0,4 E4 E14 3,1 luminiscence nviditelná valenční el. n 0,8 E4 E14 1,5 nIR blízká vibrace a Infračervená n 2 E3 E14 0,6 rotace a Ramanova nIR střední molekul spektroskopie n 20 500 E13 0,06 nIR vzdálená rotace mol. Mikrovlnná n 100 100 E12 E-2 nmikrovlnná rotace mol. spektroskopie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 6 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody noblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda n 100 100 E12 E-2 nmikrovlnná rotace mol. n E4 1 E10 E-4 nradar spiny elektr. Paramagnetická n E6 E-2 E8 E-6 reson. sp. (ESR) ntelevize jaderné spiny Nukleární n E8 E-4 E6 E-8 magnetická nradiové vlny resonanční n E10 E-6 E4 E-10 sp. (NMR) n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 7 elektromag Elektromagnetické záření nhmota qlátka qpole nelektrické nmagnetické POLARIZOVANÉ ZÁŘENÍ NEPOLARIZOVANÉ ZÁŘENÍ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 8 Elektromagnetické záření ncharakter qvlnový qkorpuskulární (fotoelektrický jev) nPlanckův zákon n - kmitočet, λ - vlnová délka, c - rychlost světla (ve vakuu), f - frekvence n N - absolutní index lomu v daném prostředí n n c = 299 792 458 m.s-1 n - nezávisí na prostředí (tj. na indexu lomu) → λ n λ - závisí na indexu lomu n nvlnová délka je ve vzduchu (skle atd…) vždy kratší než ve vakuu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 9 Elektromagnetické záření nvlnočet , σ qpočet vln na jednotku délky q nenergie záření qpřímo úměrná frekvenci (kmitočtu) q vlnočtu qnepřímo úměrná vlnové délce n njednotky: λ: 1 nm = 10-3 μm = 10-6 mm = 10-9 m qnepovolená: Å (angström) = 0,1 nm = 10-10 m qrozlišení spekt. čar a šířka spekt. intervalu v atomové spektroskopii: 1 pm (pikometr) = 10-3nm n : m-1; cm-1 ≡ 1 K (KAYSER) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 10 Elektromagnetické záření nstandardy vlnových délek qvlnový normál – primární standard – oranžová sp. nčára kryptonu Kr86 605,7802106 nm qsekundární standard nčáry Fe, Ne, Kr n nfáze fázový posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 11 Elektromagnetické záření nje charakterizováno n qfrekvencí (kmitočtem) q qvlnovou délkou q qrychlostí q qenergií ≈ A2 (čtverec amplitudy) q qpolarizací q qkoherencí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 12 n KVALITA - poloha maxima n signálu na ose n λ, ṽ, n KVANTITA - velikost signálu n při dané hodnotě n λ, ṽ, npředpoklady kvality a kvantity 1)citlivost (směrnice kalibrační závislosti S = k.c + g, minimální vliv osnovy na citlivost) 2)selektivita – rozlišení signálů – interference (přesnost x správnost) 3)linearita S = k.c + g 4)přesnost → opakovatelnost → reprodukovatelnost nMĚŘENÍ SIGNÁLU - FOTOMETRIE Kvalitativní a kvantitativní aspekty záření prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 13 ppt13b Měření energie transportované zářením nvymezení prostoru transportu qsvazek paprsků, obalová plocha (kuželová) qdivergentní konvergentní q 1)ZÁŘIVÝ TOK [W] (tok záření) kosinový zářič Lamb. zákon energie vyzářená do prostoru za jednotku času dω - element prostorového úhlu [sr] dS - element plochy zářiče ɛ - úhel, který svírá normála plošky dS se směrem toku (max Φ při ɛ = 0) ppt13a prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 14 Měření energie transportované zářením 2)ZÁŘ [W.sr-1.m-2] Le - podíl Φ připadající na jednotkovou plochu povrchu zářiče, vysílaný do jednotkového prostorového úhlu ve směru paprsku, který svírá s normálou plochy dS úhel ɛ 3) 3)ZÁŘIVOST [W.sr-1] 4) 4)INTENZITA VYZÁŘENÍ [W.m-2] 5) 5)OZÁŘENÍ [W.m-2] n A – ozářená plocha 2) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 15 Fotometrie nOBJEKTIVNÍ n(objektivní měření zářivého ntoku v celém rozsahu vlnových ndélek) n nQe zářivá energie [J], [W.s] J = m2.kg.s-2 n nΦe zářivý tok, tok záření [W] = [J.s-1] n nIe zářivost [W.sr-1] n nintenzita ozařování, ozáření [W.m-2] n nzář, měrná zářivost [W.sr-1.m-2] n nexpozice, osvit [J.m-2] n SUBJEKTIVNÍ (oblast 400-760 nm – viditelné světlo – dříve subjektivní srovnání metody) Q světelné množství [lm.s] - lumensekunda ≈ [cd.s.sr] Φ tok světla, světelný tok [lm] = [cd.sr] I svítivost kandela [cd] E osvětlení [lx] = lux, [cd.m-2.sr] L jas [cd.m-2] H expozice, osvit [lx.s], luxsekunda ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 16 Fotometrie nkandela (SI) qsvítivost absolutně černého tělesa v kolmém směru k povrchu velikosti 1/600 000 m2 při teplotě tuhnutí platiny a při tlaku 101,325 kPa q nmechanický ekvivalent světla qzářivý tok světla λ = 555 nm (OKO), jehož světelný tok je 1 LUMEN nM = 0,00147 W.lm-1 nKm = 680 lm.W-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 17 Typy interakcí záření - hmota nemisi předchází excitace qsrážková - ionty (atom. metody) qzářivá (fotonové buzení) - fluorimetrie, fluorescence qproudem elektronů EMISE ABSORPCE FLUORESCENCE SPEKTROSKOPIE molekulová atomová emisní absorpční fluorescenční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 18 Schéma jednopaprskového mřížkového spektrofotometru SPEKOL n1 - světelný zdroj n2 - kondenzor n3 - zrcadlo n4 - vstupní štěrbina n5 a 7 - kolimátorový objektiv n6 - mřížka na odraz n8 - výstupní štěrbina n9 - kyveta se vzorkem n10 - barevný filtr n11 - selenový fotočlánek n12 - nastavení vlnových délek n13 - tranzistorový zesilovač n14 - indikační přístroj spekol_a prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 19 Molekulová spektroskopie nsoubor metod založený na využití těch vlastností molekul, které jsou spojeny s přítomností KOVALENTNÍCH a KOORDINAČNÍCH VAZEB nspektrum – závislost veličiny úměrné velikosti zářivého toku nebo jeho úbytku na veličině úměrné energii monochromatického záření (tj. na λ, , ṽ) nrozdělení metod qpodle interakce látka-záření qpodle spektrální oblasti qpodle signálu nemisní nabsorpční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 20 Interakce záření s hmotou MOLEKULOVÁ SPEKTROSKOPIE v UV, VIS, IR, MW OBLASTI SPEKTRA EM = ET + ER + EV + EE EE > EV > ER > ET ENERGIE MOLEKULY vnitřní pohybová energetické hladiny jader atomů energetické hladiny elektronů EE translační ET (není kvant.) rotační ER (plynné kup.) vibrační EV KVANTOVANÁ ENERGIE Energetické hladiny rotační vibrační elektronové přechody spektra rotační vibrační elektronová SPEKTROSKOPIE ppt20 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 21 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra podle typu kvantového přechodu podle spektrální oblasti UV-VIS 50 - 800 nm IR 1 - 100 μm MW 1 - 10 mm elektronická spektroskopie (vibrační přechody) 1) UV-VIS absorp. spektroskopie 2) luminiscenční spektroskopie vibrační spektroskopie (rotačně-vibrační přechody) Ramanova spektroskopie (kombinační rozptyl záření) Infračervená absorpční spektroskopie rotační spektroskopie (rotační přechody) Ramanova spektroskopie Mikrovlnná spektroskopie absorpční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 22 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra nvýběrová pravidla ndovolené přechody: změna dipólmomentu molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 23 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra spektra ROTAČNÍ SPEKTRUM (jen plyny) 50 μm - 1 mm ROTAČNÍ-VIBRAČNÍ SPEKTRUM (kapalina) 800 nm - 50 μm ELEKTRONICKÉ SPEKTRUM (50) 200 - 800 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 24 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra SPEKRÁLNÍ OBLASTI UV VIS IR (IČ) mikrovlnná oblast VUV (vakuová UV) 50 - 200 nm vzdálená blízká UV 200 - 400 nm viditelná 400 - 800 nm NIR (blízká IR) ṽ = 12500 - 5000 cm-1 střední IR ṽ = 5000 - 500 cm-1 vzdálená IR ṽ = 500 - 100 cm-1 elektronické Raman. rotačně- vibrační rotační prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 25 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra nsignál: emisní, absorpční (luminiscenční) qabsorpčně-spektrometrické veličiny qtok - dopadající Φ0 q - propuštěný Φ q qtransmitance q q qabsorptance q qabsorbance q q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 26 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra nlineární funkcí c, l je n n ndekadický logaritmus BUNSENOVA varianta n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 27 Absorpční molekulová spektroskopie v UV-VIS oblasti, podstata spekter nmolekulové orbitaly – metoda MO-LCAO n n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 28 Absorpční molekulová spektroskopie v UV-VIS oblasti, podstata spekter nsymbolika molekulových orbitalů qosové kvantové číslo λ – analogie vedlejšího (orbitálního) kvantového čísla l atomů nλ – kvantuje úhlový (orbitální) moment hybnosti elektronu na dané energetické hladině molekuly n n σ, π - vazebný; σ*, π* - antivazebný n qcelkové orbitální kvantové číslo Λ ≈ L pro atomy λ 0 1 2 3 4 orbital σ π δ φ γ Λ 0 1 2 3 4 orbital Σ Π ∆ Φ Γ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 29 Pauliho princip nhladina ≈ max. 2 elektrony (opačné spiny) ncelkové spinové kvantové číslo n q + pro elektrony paralelní; q q - pro elektrony anitparalelní; q nzaplněné hladiny S = 0 nmultiplicita 2S + 1 – štěpení hladin nsymbol energetické hladiny molekuly (term) 2S+1Λ ndublety 2Σ 2Π 2∆ triplet 3Σ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 30 Rozlišení podle symetrie funkce SUDÁ f(x) = f(-x) LICHÁ f(-x) = - f(x) funkce sudá - nemění lichá - mění při inverzi dle počátku souř. znaménko molekulové orbitaly sudé liché index g u GERADE, UNGERADE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 31 vazebné, antivazebné orbitaly symetrické podle osy spojující jádra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 32 ∆ nevazebné (zůstávají v původních atomových orbitalech) ELEKTRONY valenční subvalenční (obsazené vnitřní hladiny) vazebné orbitaly protivazebné orbitaly volné elektronové páry nevazebné molekulové orbitaly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 33 Multiplicita termů ndůsledek kombinace prostorových a spinových funkcí n2 elektrony qparalelní spin q qantiparalelní spin TRIPLET SINGLET singletové-tripletové štěpení výměnné interakce prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 34 Typy elektronických přechodů v molekulách a jejich projevy ve spektru nσ, π, n, σ*, π* energie: σ < π < n < π* < σ* CHROMOFOR oblast molekuly → lokalizace elektronických přechodů při absorpci 6 typů: σ → σ* (σσ*) σ → π* (σπ*) π → σ* (πσ*) π → π* (ππ*) n → π* (nπ*) n → σ* (nσ*) malý význam 6 typu vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 35 Typy elektronických přechodů v molekulách a jejich projevy ve spektru 1)σ → σ* qvzdálená UV oblast (< 150 nm) qjednoduché vazby v nasycených HC qnespecifické informace → malé využití 2)n → σ* qi blízká UV oblast qmolekuly s volnými el. páry (v nevazeb. orbitalech) O, S, N; qE, λ = f (ELEKTRONEGATIVITY); čím menší elektronegativita, tím delší λ q CH3Cl, CH3Br, CH3I 173 nm → 258 nm 3)π → π* qnenasycené sloučeniny VUV (C2H4 ≈ 175 nm) qkonjugace → delší λ 4)n → π* q270 – 290 nm vazby prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 36 Chemická teorie barevnosti CHROMOFORY a AUXOCHROMY n VIS 400 – 760 nm 1)CHROMOFOR – „nositel barevnosti“ – funkční skupiny, strukturní prvky 2)AUXOCHROM – vazba na chromofor – prohloubení barevnosti n (volné el. páry schopné konjugace s el. systémem chromoforu) n auxochrom → chromofor → posun a změna ɛr vazby_2 vazby_3 Posun ɛr vzrůst = HYPERCHROMNÍ posun pokles = HYPOCHROMNÍ posun k delším λ - BATHOCHROMNÍ (červený) ke kratším λ - HYPSOCHROMNÍ (modrý) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 37 Chemická teorie barevnosti nvýznamné absorpční pásy – při dlouhých vln. délkách nnejcharakterističtější pro danou látku npřechod elektronu mezi hladinami s nejmenší ∆E qz obsazeného orbitalu s největší energií HOMO q Highest Occupied Molecular Orbital qdo volného orbitalu s nejnižší energií LFMO q Lowest Free Molecular Orbital q qpoloha absorpčního pásu – řešení Schrödingerovy rovnice, aproximativní metody – π, n orbitaly, zanedbání σ qπ – elektronová aproximace (Hückel) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 38 Tvar a vibrační struktura absorpčních pásů Franck – Condonův princip Franck-codonův princip max. překryvy vlnových funkcí (max. signál) Franck-codonův princip_2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 39 Tvar a vibrační struktura absorpčních pásů Franck – Condonův princip 1)přechod elektronu ze stavu E proběhne při zachování mezijaderné vzdálenosti 2)tato vzdálenost může odpovídat stlačené konformaci vazby a proto dodatečně jádra zaujmou energeticky nejvýhodnější polohu vibrace molekuly ≈ 10-12 s přechody elektronů ≈ 10-15 s ≈ nejpravděpodobnější změna vibračního stavu maximální součin vibronických funkcí základního a excitovaného stavu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 40 Výběrová pravidla nurčují zda je určitý přechod elektronů dovolený nebo zakázaný n 1)zakázané jsou přechody, při nichž se mění multiplicita (tj. přechody mezi singletovými a tripletovými stavy) q2S + 1 S = Σ si qpodmínka abs. přechodu ∆S = 0 qvýjimka: přechody triplet (exc.) → singlet (zákl.) (FOSFORESCENCE) spinově zakázané přechody prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 41 Výběrová pravidla 2)podmínkou absorpce záření je změna dipólového momentu molekuly qmoment přechodu Rmn n - vektor dipólmomentu; - vlnové funkce stavů m,n - symetrické meze integrace; - prostorový element - podmínka absorpce INTEGRÁL LICHÁ funkce = 0 (plochy se eliminují) SUDÁ funkce ≠ 0 (plochy se sčítají) SOUČIN: sudá x sudá = lichá x lichá = SUDÁ sudá x lichá = lichá x sudá = LICHÁ je funkce lichá → aby , pak musí být také lichý → → sudá když lichá a naopak prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 42 Výběrová pravidla qjedna z vln. funkcí (excit. nebo zákl. stavu) musí být lichá, druhá pak sudá → symetricky zakázané (dovolené) přechody qanalogie u atomových orbitalů ns – sudá, p – lichá, d – sudá, f – lichá → q s → p, p → d, d → f DOVOLENÉ q s → s, p → p, d → d, f → f, s → d, p → f ZAKÁZANÉ qmolekulové orbitaly nzakázané přechody g → g n u → u qabsorpční pásy nintenzivní (dovolené přechody) nslabé (zakázané přechody) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 43 Výběrová pravidla 3)absorpce závisí na úhlu mezi a el. vektorem elektromagnetického záření n n n qstatické orientace molekul qel. vektor elmag. zář. kmitá ve všech směrech v rovině kolmé na směr šíření q ≈ MAX ≈ 0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 44 Výběrová pravidla qintenzita absorpčního pásu ≈ Rmn qsíla oscilátoru (Oscillator Strength) n pološířka pološířka = šířka v poloviční výšce symetrický pás prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 45 Elektronická spektra důležitých tříd látek 1)ALIFATICKÉ NENASYCENÉ UHLOVODÍKY ndvojné a trojné vazby, π → π* přechody N → V a)izolované dvojné vazby (< 200 nm) nC2H4 ≈ 175 nm, substituce alkyly vede k posunu 175 → 200 nm nspektrum X-(CH2)n-Y je podobné spektru směsi 50% X-(CH2)n/2-H a Y-(CH2)n/2-H, kde X, Y jsou chromofory b)konjugované násobné vazby ndelokalizované π-elektrony ninterakce chromoforů: z molekulových orbitalů samostatných chromoforů vznikají konjugací chromoforů nové molekulové orbitaly s odlišnými energiemi n C4H6 BUTADIEN butadien prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 46 Alifatické nenasycené uhlovodíky nBUTADIEN 4 atomové orbitaly 2p ≈ vlnové funkce Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4 → n → 4 molekulové orbitaly π2, π1, π1*, π2* ≈ vlnové fce Φ1, Φ2, Φ3, Φ4, lineární kombinace AO n n n n n n qdelokalizované orbitaly – vznik kombinací 2 vazebných π orbitalů a 2 protivazebných π* orbitalů skupin CH2 = CH - (shodných s etylenem) 1 2 3 4 ≈ atomy c1=c3 c2=c4 c1Ψ1 c2Ψ2 c3Ψ3 c4Ψ4 π2 Φ1 = + + + + π1 Φ2 = + + - - π1* Φ3 = + - - + π2* Φ4 = + - + - DELOKALIZOVANÉ ORBITALY prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 47 Alifatické nenasycené uhlovodíky nπ vazebné ≈ φ1 = c1Ψ1 + c2Ψ2 φ2 = c3Ψ3 + c4Ψ4 nπ* protivazebné φ3 = c1Ψ1 - c2Ψ2 φ4 = c3Ψ3 - c4Ψ4 n n DELOKALIZOVANÉ φ1, φ2 < φ3, φ4 n nπ2: Φ1 = φ1 + φ2 = c1Ψ1 + c2Ψ2 + c3Ψ3 + c4Ψ4 nπ1: Φ2 = φ1 - φ2 = c1Ψ1 + c2Ψ2 - c3Ψ3 - c4Ψ4 n nπ1*: Φ3 = φ3 - φ4 = c1Ψ1 - c2Ψ2 - c3Ψ3 + c4Ψ4 nπ2*: Φ4 = φ3 + φ4 = c1Ψ1 - c2Ψ2 + c3Ψ3 - c4Ψ4 n nπ2* > π1* > π1 > π2 π2 < π < π1 n π1* < π* < π2* VAZEBNÉ PROTIVAZEBNÉ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 48 Alifatické nenasycené uhlovodíky n→ konjugace ≈ snížení ∆E mezi HOMO π1 a LFMO π1* ve srovnání s C2H4 n n n n n n n n g → g npřechody: π1 → π1* (delší λ); π1* → π2* n π2 → π2* (kratší λ); π2* → π1* n u → u n∆E (π1 → π1*)BUTA < ∆E (π → π*)ETHYL → λmax = 217 nm BUTA n Homo a Lfmo homo, lfmo ethylen ZAKÁZANÉ SYMET. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 49 Alifatické nenasycené uhlovodíky nnejdlouhovlnější pás ≈ největší význam, N → V1 přechod nsérie lineárních polyenů polyeny nenasycené alternující uhlovodíky n – počet nenasycených konjugovaných vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 50 Alifatické nenasycené uhlovodíky nalternující uhlovodíky qpočet dvojných vazeb roste q∆E přechodu N → V1 klesá qλmax roste (Bathochromní posun) → barevnost qɛ roste (intenzita absorpce) q q qA, B konstanty = f (R1, R2), kde R1-(CH=CH)n-R2 q nR1, R2 ≈ také n nn BARVA: 4-5 žlutá 8 oranžová 15 fialová nvysoké hodnoty n → konvergence bathochromního posunu konst. hodnotě q alternující uhlovodíky vazby_4 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 51 Alifatické nenasycené uhlovodíky nizomery qTRANS - q qCIS - q q qtrans nlepší dipolární struktura, vyšší stabilizace excitovaného stavu nvětší snížení ∆E mezi excitovaným a základním stavem ve srovnání s cis → absorpční pás k vyšším λ trans, cis prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 52 Alifatické nenasycené uhlovodíky nacetylen + polyiny ntrojná vazba qkratší, π el. silněji poutány, σ (hybridizace sp), πx, πy, πx*, πx*, σ* → acetylen ≈ 2 absorpční pásy pro π → π* přechody nC2H2 ≈ 173 nm qmaxima intenzivních nejdlouhovlnějších pásů polyinů jsou posunuta o 50 nm ke kratším λ ve srovnání s polyeny (stejné M) qs rostoucí konjugací roste proto λmax přechodu π → π* rychleji než λmax přechodu n → π* → překrytí pásu n → π* (N → Q) intenzivnějším pásem π → π* (N → V1) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 53 Alifatické nenasycené uhlovodíky npříklad: n → π* π → π* nasyc. 280 – 290 nm ɛmax ≈ 15 170 nm konjug. s. 320 → 330 nm ɛmax = 15-30 210 – 240 nm ɛmax 6000 – 20 000 konjug. s. 270 nm ɛmax ≈ 25 000 priklad nasyc priklad konjug_2 priklad konjug_1 příklad nnenasycené ketony a aldehydy nnenasycené kyseliny a jejich deriváty absorbují při kratších λ než vazby_5 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 54 Alifatické nenasycené uhlovodíky npolyiny qvýrazná vibrační struktura qpři konjugaci více než 2 trojných vazeb ɛmax → 100 000 - 500 000 qjedny z nejvyšších hodnot ɛ v org. sloučenin, příčina: nlineární struktura sp hybridizace nvětší počet π-elektronů POLÁRNĚJŠÍ STRUKTURA EXCITOVANÉHO STAVU LEPŠÍ ROZDĚLENÍ NÁBOJŮ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 55 Elektronická spektra důležitých tříd látek 2)DERIVÁTY ALIFATICKÝCH UHLOVODÍKŮ qpřechody nn → σ* (VUV) nasycené ethery, alkoholy, thioly, aminy, alkylhalogenidy nπ → π* nn → π* vazby_6 deriváty alifatických uhlovodíků přechody_2)a C ≈ He 2s22p2 O ≈ He 2s22px2py1pz1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 56 Deriváty alifatických uhlovodíků nFORMALDEHYD n vazby_7 PŘECHODY n1 (2py) → π* n2 (2sp) → π* π → π* symetricky zakázané symetricky dovolené slabé pásy (ɛmax=10-60) vzdálená UV oblast nasycené sloučeniny: aldehydy ketony zakázané přechody jsou umožněny org. kyseliny v důsledku vibračního porušení estery symetrie molekulových orbitalů amidy kyslík kyslík 270 - 290 nm 200 - 220 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 57 Deriváty alifatických uhlovodíků qnejdelší vln. délka ≈ n1 → π* qdalší přechody: n2 → π*, π → π*; vliv CIS-TRANS qnapř. diazomethan, ɛmax = 1200, λmax = 410 nm nchromofory s nevazebnými páry – konjugace s násobnými vazbami – snižování ∆E mezi: §n a π* (N → Q) §π a π* (N → V1) ns rostoucím počtem n´ konjugovaných dvojných vazeb se snižuje více rozdíl mezi π a π* než rozdíl n a π* § azoskupina azoskupina_2 n AZOSKUPINA - N = N - prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 58 Elektronická spektra důležitých tříd látek 3)AROMATICKÉ UHLOVODÍKY, JEJICH HETEROANALOGA A SUBSTITUČNÍ DERIVÁTY nalternující uhlovodíky n n n qkaždý atom jednoho druhu je obklopen pouze atomy opačného druhu nnealternující uhlovodíky n n n qA.U. ,mají molekulové orbitaly s energetickými hladinami symetricky rozloženými kolem střední hodnoty aromatické uhlovodíky nealternující uhlovodík prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 59 3a) benzen Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty a)benzen a kondenzované aromatické uhlovodíky n6x pz orbital → 3x π + 3x π* n∆E (1 → 2´) = ∆E (1´ → 2) n n degenerace přechodů 1 → 2´ a 2 → 1´ se ruší díky konfigurační interakci (interakce excitovaných stavů) – vyjádření ≈ lineární kombinace prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 60 Benzen a kondenzované aromatické uhlovodíky n1→1´≈p-PÁS (1La) 1→2´≈α-PÁS (1Lb) 2→1´≈β-PÁS (1Ba,b) n → 3 přechody ≈ 3 absorpční pásy 28-prechody_2 28-prechody BATHOCHROMNÍ POSUN S ROSTOUCÍ N (JADER BENZ.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 61 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty b)substituční deriváty benzenu ntří pásový systém benzenu zachován nbathochromní posun vlivem substituentů nintenzita abs. pásů roste vlivem substituce (porušení symetrie π-el. systému) npotlačení vibrační struktury nvelikost bath. posunu: P-PÁS: 200 → 210 až 240 nm n q- R, - X (alkyly halogenidy) – INDUKTIVNÍ EFEKT stejný vliv na G i E stav → mírný bath. posun α, p pásů q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 62 Substituční deriváty benzenu q- OH, - OR, - NH2, - NR2 ≈ auxochrómy +M EFEKT interakce n elektronů s π systémem benz. jádra → zvýšení el. hustoty → bathochromní posun α pásů a vzrůst abs. koef. (λmax = 270 – 290 nm) q q q q q q q- NO2, - COOH, - COR, -CHO, C ≡ N v konjugaci s benzen. jádrem, bathochrom. posun, vzrůst ɛ α, p pásů, současně -M EFEKT 29-OH,OR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 63 Substituční deriváty benzenu 1)největší vliv na polohu absorpčních pásů mají chromoforní substituenty s nenasycenými vazbami (π-elektrony v konjugaci s π-el. benzenového jádra) q→ výrazný bathochromní posun a hyperchromní posun (ɛmax) qdůvod: nový molekulový orbital = možnost přechodu qobsahují-li chromofory volné el. páry → přechod n → π* → další pás 2)chromoforní subtituent je oddělen od skupinou (např. - CH2 -), která brání konjugaci → spektrum má aditivní charakter směsi a chromoforu 3) n SUBSTITUCE → POTLAČENÍ VIBRAČN STRUKTURY n n omezí se možnost vibrace n PŘÍČINY n vzroste počet vibračních hladin a přechodů → překrytí vibračních pásů n 30-benzen 30-benzen 30-benzen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 64 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty c)heterocyklické sloučeniny nnasycené: n → σ* absorpce < 200 nm (jako alifatic.) naromatické: 6-článkové ≈ , pyridin n n n nN – porušení symetrie π systému → zvýšení absorpce 30-benzen 30-pyridin izoelektronické 30-chinolin prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 65 Heterocyklické sloučeniny n5-článkové: qelektronegativita: O > N > S qzapojení el. páru do π systému: O < N < S 31-furan n → π* π → π* přechody λmax 200 nm 210 nm 235 nm ɛmax 10 000 16 000 4 500 λmax 250 nm 340 nm π → π* ɛmax 1 300 n → π* prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 66 Elektronická spektra důležitých tříd látek 4)ORGANICKÁ BARVIVA nněkolik konjugovaných chromoforů nfunkční skupiny obsahují heteroatomy a jsou odděleny: qsoustavou lichého počtu methionových skupin se střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami - CH = q qmethionovou skupinou se dvěma s částečně chinoidní strukturou q quhlíkem se 3 s část. chinoid. strukturou n 30-benzen 30-benzen 31-chinoidní struktura prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 67 Organická barviva n trifenylmetanové barvivo: BENZAURIN – kyselé n nkoncové funkční skupiny vstupují do konjugace svými vol. el. páry → mají ionoidní charakter (náboje) n n n n n trifenylmetanové barvivo: MALACHITOVÁ ZELEŇ – bazické n ntotožné koncové skupiny → nejdokonalejší konjugace → největší bathochromní a hyperchromní posun nX nesymetrické substituenty ≈ kratší vlnové délky n n 31-benzaurin 31-malachitová zelen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 68 Elektronická spektra důležitých tříd látek 5)ANORGANICKÉ IONTY A KOMPLEXY KOVŮ nkovové ionty Mn+ n njednoduché anionty (Cl-, Br-, I-) n nanionty víceatomové (koval. vazby: n CO32-, SO42- ≈ org. chromoforům) n nkomplexy s ligandy q n ATOMOVÉ ORBITALY (přechody ≈ atomovým spektrům MOLEKULOVÉ ORBITALY TEORIE LIGANDOVÉHO POLE MOLEKULOVÉ ORBITALY prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 69 Anorganické ionty a komplexy kovů nionty přechodných prvků – hybridizace d2sp3, sp3d2 n n OKTAEDRICKÁ HYBRIDIZACE n qvnitřní orbitalové (nízkospinové) q KOMPLEXY qvněorbitalové (vysokospinové) q (d4, d5, d6, d7) CFT, ACFT, LFT q teorie ligandového pole, teorie krystalového pole n q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 70 Anorganické ionty a komplexy kovů nSPEKTRÁLNÍ PŘECHODY 1)LFT nd → d přechody v atomových orbitalech qmultiplicidně qspinově nd → π přechody mezi d orbitaly kationtů Mn+ nπ → d π orbitaly ligandů X, X- 2)MO nnestačí uvažovat jen elektrostatickou interakci kov-ligand podle LFT, ale kombinaci: qs, p, d AO kom qσ, π MO ligandu nenergie orbitalů v pořadí: n σLIGAND < πLIGAND < (n-1) dkov < nskov < npkov n zakázané → slabé absorpční pásy → MO prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 71 Anorganické ionty a komplexy kovů nnejčastěji oktaedrické uspořádání: centr. at. + 6 ligandů 1)6 σLIG + (s, p, d) orbitaly kovu 6 σ n nebo + 6x (sp3d2) hybridizované 6 σ* 2)6 πLIG + p, d orbitaly kovu → 6 π, 6 π* nmalé rozdíly mezi energiemi obsazených a neobsazených MO n → absorpce ve viditelné oblasti, mnoho pásů 34-kov, komplex, ligand max. 12e prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 72 Elektronická spektra důležitých tříd látek 6)SPEKTRA PŘENOSU NÁBOJE (CHARGE-TRANSFER) n donor n2 molekuly blízko sebe elektronu n akceptor nexcitace z obsazeného orbitalu donorového do neobsazeného orbitalu akceptoru → vzniká „charge-transfer komplex“ nnový absorpční pás = pás přenosu náboje, malý rozdíl E, delší vlnové délky – VIDITELNÁ OBLAST – BAREVNÉ LÁTKY n donory: n, π, σ akceptory: π, σ, v n n jód v organických rozpouštědlech n n uhlovodíky halogenová rozpouštědla s heteroatomem n rozp. fialová (jako páry I2) s volným el. párem kyslíkatá n přechody mezi MO jodu rozp., pyridin → hnědá n přechody el. páru O na MO jódu n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 73 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra nchromoforní systém konjugovaných nenasycených vazeb nzvýšení konjugace → bathochromní posun + hyperchromní posun nsnížení konjugace → hypsochromní + hypochromní posun n 1)zapojení dalšího strukturního prvku s π, n elektr. 2)induktivní a mezomerní efekt 3)tvorba komplexů 4)sterické efekty 5)tautomerie 6)vliv rozpouštědla 7)vliv pH n n 1.-5. vnitřní vlivy 6. a 7. vnější prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 74 35-bifenyl qBIMESITYL – absorpce při stejné vlnové délce jako mesityl, ale 2-násobná intenzita n5. TAUTOMERNÍ ROVNOVÁHY qt. formy mají odlišné konjugované systémy 35-stericke efekty Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra 4. STERICKÉ EFEKTY 35-tautomerní prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 75 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra n6. VLIV ROZPOUŠTĚDLA ninterakce: qdispersní qdipól-dipól qvodíková vazba qcharge-transfer komplexy novlivnění: quspořádání elektronů v qprostorového momentu qdipólového momentu n nvětší polarita → silnější interakce nnepolární rozpouštědla – spektra rozpouštěných látek odpovídají spektrům v parách npolární rozpouštědla – stabilizují polárnější strukturu molekuly ELEKTROSTATICKÉ INTERAKCE na větší vzdálenost na krátkou vzdálenost základním stavu excitovaném stavu poloha abs. pásů, int. abs. se mění prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 76 Vliv rozpouštědla ninterakce dipól – dipól: qexcit. stav ≈ polárnější struktura → q 1) stabilizace π* → snížení energie přechodu π → π* → bathochrom. pos. q 2) stabilizace n elektronů ≈ snížení e. nevaz. orbitalu → zvýšení e. přechodu n → π* → hypsochrom. posun q nvodíková vazba qpředevším spektra látek s , polární protická rozpouštědla (alkoholy, H2O) → vodík. vazby qv karbonyl. sloučeninách v excit. stavu dipólové struktury → π → π* stabilnější H-vazby než nepolární formy v zákl. stavu → snížení E excit. hladiny → snížení ∆E → BATHOCHROMNÍ POSUN 36-vodikova vazba 36-vodikova vazba_1 36-vodikova vazba_2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 77 Vliv rozpouštědla qH-VAZBA stabilizuje volný elektronový pár → snížení e. hladiny n – orbitalu → n → π* se zvýší ∆E → HYPSOCHROMNÍ POSUN (ke kratším λmax) qpříklad: aceton → v nepolárním C-H, λmax ≈ 279 nm q → v H2O λmax = 264,5 nm nidentifikace pásů n → π* přechodů ve spektrech nvýpočet síly H-vazby z posunu n qpodmínky pro volbu rozpouštědla pro UV-VIS spektra: nrozpustnost látky ninertnost rozpouštědla npropustnost rozpouštědla v oblasti měřená spektra nH2O, EtOH, MeOH, n-hexan, n-heptan, petroléter, cyklohexan n → π* 37-vodikova vazba prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 78 Vliv rozpouštědla nABSORPČNÍ HRANY (transparentní při λ > x) n n-pentan benzen H2O > 200 nm n n-heptan >210nm toluen aceton > 330 nm n n-hexan m-xylen > 290 nm acetonitril > 210 nm n diethyleter > 220 nm pyridin > 305 nm n cyklo-pentan n cyklo-hexan > 210nm n pentan n sirouhlík > 380 nm N,N-DMF > 310 nm n CCl4 > 265 nm MeOH n chloroform > 245 nm EtOH n > 280 nm 210 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 79 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra n7. VLIV pH nelektronická spektra látek s acidobazickými vlatsnostmi quvolnění qadice q qfenol ↔ fenolát qanilinium ↔ anilin qpyridinium - pyridin n H+ → změna konjugovaného chromoforního systému navíc el. pár pro konjug. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 80 Vliv pH nACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY qazosloučeniny, ftaleiny, sulfoftaleiny q q q q q q q qchinoidní π-el. struktura vstupuje do konjugace s 2 benzenovými jádra + přibývají volné el. páry na kyslících → vstup do interakce s π-el. systémy qdalší substituenty (thymolftalein) → BATHOCHROMNÍ POSUN λmax = 602 nm 38-acidobazické indikátory prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 81 Vliv pH nrůzně absorbující formy → stanovení disociačních (ionizačních) konstant ze spektro fotometrických měření n n n n n l-délka kyvety všude stejná, n n n n n - vliv iontové síly n - extrapolace AHA, AA- prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 82 Empirické výpočty elektronických spekter nX kvantitativní chemické výpočty nPRAVIDLA PRO VÝPOČET λmax n 1) WOOD WARD-FIESEROVA pravidla na) uhlovodíky s 2-5 konjug. dvoj. vazbami n základ: dien ≈ λmax 217 nm n příspěvek pro: + homoanulární dien + 36 nm n (2 dvojné vazby uvnitř stejného kruhu) n + další dvojná vazba v konjugaci + 30 nm n + exocyklická dvojná vazba + 5 nm n + substituenty na nenasyc. uhlících - R + 5 nm n - X + 5 nm n - OR - 6 nm nb) polyeny > 5 konjug. dvoj. vazeb nc) nenasycené konjugované aldehydy a ketony prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 83 Empirické výpočty elektronických spekter n 2) NIELSENOVA pravidla nα, β nenasycené karboxylové kyseliny a estery n n 3) SCOTTOVA pravidla ntyp substituovaného acetofenonu n R – alkyl nebo zbytek kruhu, -OH, aryl, H atd. n 39-scottovo pravidlo prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 84 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti nprincipiální schéma přístroje pro UV-VIS spektroskopii njedno paprskový přístroj n n n n ndvou paprskový přístroj n ZDROJ ZÁŘENÍ MONOCHROMÁTOR ABSORBUJÍCÍ SYSTÉM ČIDLO ZÁŘIVÉHO TOKU MĚRNÝ INDIKÁTOR ABSORPCE MĚRNÝ INDIKÁTOR ABSORPCE ČIDLO Z. TOKU ČIDLO Z. TOKU ČIDLO Z. TOKU ZDROJ ZÁŘENÍ MONOCHROMÁTOR ABS. SYSTÉM VZOREK, ST. ABS. SYSTÉM REFERENČ. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 85 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti HODNOCENÍ ABSORPCE OBJEKTIVNÍ SUBJEKTIVNÍ SPEKTRO- FOTOMETR FOTOMETR SUBJEKTIVNÍ FOTOMETR (VIZUÁLNÍ) KOLORIMETR, KOMPARÁTOR ÚZKÁ SBW, HRANOL MŘÍŽKA FILTRY, ŠIROKÁ SBW SPEKTRÁLNÍ KVALITA ZÁŘENÍ ZPŮSOB MĚŘENÍ METODOU VÝCHYLKOVOU KOMPENZAČNÍ SUBSTITUČNÍ JEDNO- I DVOU- PAPRSKOVÉ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 86 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti nzákladní prvky přístrojů qzdroje záření, monochromátory a filtry, kyvety a rozpouštědla, čidla záření, záření pro měřitelné zeslabování zářivého toku, pomocná optika n nzdroje záření qvodíková lampa: spojité spektrum 200-375 nm, U = 80-100 V, I = 1,3 A, oblouk, křemen. okénko qdeuteriová lampa: spojité spektrum od 160 nm, 3x vyšší intenzita než H-lampa qxenonová výbojka: spojité spektrum UV-VIS, pouze několik čar, U = 20-50 V, I = 3-200 A, zapálení vf 10-50 kV, oblouk-xenon v křemenné baňce qrtuťová lampa: čarový zdroj, kalibrace spektrofotometrů čáry: q VIS: 404,7 nm; 435,8 nm; 546,1 nm; 577,8 nm q UV: 365,0 nm; 334,2 nm; 302,2 nm; 253,6 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 87 Zdroje záření qspektrální lampy: výbojky s oxidovými elektrodami, intenzivní čárová spektra (jako Hg-lampa) qwolframová lampa: spojité spektrum VIS-NIR: 350-1300 nm, citlivá na napětí: emise ≈ U3-U4 (změna spektr. charakteristiky), max. emise pro barevnou teplotu vlákna 2600-3000 K rel. rozložení energie ≈ černému tělesu halogen (Br, I) halogenid wolframu qLASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation: naktivní prostředí nrezonátor nzdroj pro čerpání energie do aktivního prostředí 41-laser prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 88 LASER nstimulovaná emise = foton při interakci s atomem (molekulou) způsobí přechod at. (mol.) do zákl. stavu → vyzáří se druhý foton (stejné λ, směr, fáze → časová a prostorová koherence) qpodmínky S.E.: inverzní populace N2/N1 = 1 q Boltzmann. zákon q q q q q q Tříhladinový systém q doba života: τ21 ≈ 10-4 - 10-3 s (metastab.) q τ32 ≈ 10-8 s 42-trihladinovy system prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 89 LASER qrezonátor – mnohonásobný odraz záření (dutina) a interference. FABRY-PERROT INTERFEROMETR – dvě zrcadla (jedno polopropustné), nebo zrcadlo + rot. hranol, zrcadlo + mřížka, DÉLKA = (λ/2) * r → charakter záření: fluorescenční spektra nmonochromatické nkoherentní 1 J - 20 J nintenzivní qpulsní režim: nčerpací mechanismus nrežim rezonátoru qpulsy 10-7 – 10-12 s, 109 W/cm2 – hustota, výkony ≈ 50 MW (nanosekundy) qQ-switch – klíčované lasery qzkřížené polarizátory – periodické stáčení polariz. světla - propouštění 42-laser prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 90 LASER qLASER nplynný nkapalný npevný n qemise nkontinuální npulsní n qčerpání nel. výboj v plynech npřenos excit. energ. nlaserem nblesk. světlem nkout. zdrojem (Xe) nelektrony (svazek) nohem. energie qdruhy LASERŮ nrubín (Al2O3 – Cr) nNd: sklo nNd: YAG (Y-Al-granát) nSm: CaF2 nHe-Ne nbarvivové lasery 42-laser_2 42-laser_3 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 91 43_barvivové lasery LASER qpro MAS v UV-VIS: BARVIVOVÉ LASERY nkyveta s barvivem v roztoku mezi reflekt. mřížku a polopropustné zrcadlo – výstup nladění = větší počet barviv (Kumariny, Rhodaminy, Kresyl. violeť, fluoresceiny): 358 – 641 nm nčerpání: N2, Nd: YAG laser prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 92 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti nmonochromátory a filtry qfiltry: křivka propustnosti T = f (T), pološířka ∆λ pro Tmax/2, ∆λ pro Tmax/10 vymezuje sp. šíři propouštěného záření nvýsledný vliv na zářivý tok: - emisní spektrum zdroje n - křivka propustnosti filtru n - křivka citlivosti (spektrální charakt.) detektoru nintegrální propustnost filtru n n n Sλ – citlivost detektoru n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 93 Filtry qbarevné absorpční filtry: a)pevné qskla vybarvená oxidy kovů qskla s vrstvou želatiny s org. barvivem qpološířka (∆λ při Tmax/2) 20-80 nm q b)kapalinové qkyvety s roztoky: CuSO4.5H2O, CuCl2.5H2O, CoSO4.7H2O, KMnO4, malachitová zeleň, kys. pikrová, voda = tepelný filtr, roztok NaNO2, KNO2, propouští VIS, abs. UV q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 94 Filtry qinterferenční filtry: nprincip: Interference záření při mnohonásobném odrazu mezi dvěma polopropustnými odrazovými plochami, které ohraničují dielektrikum o vysokém indexu lomu. nmaxima propustnosti – interferenční podmínka n n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 95 Filtry qinterferenční filtry: a)jednoduché b)posuvné (klínovitá vrstva diel. → roste λ) c)pásové (5-25 vrstev) střídání malého a velkého indexu lomu mezi metaliz. vrstvami n 44_interferen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 96 Monochromátory a)kolimátorová část (vstupní štěrbina v ohnisku objektivu kolimátoru) b)disperzní systém n 1. mřížka na odraz n 2. hranol c)kamerová část – kamerový objektiv snímá vystupující monochromatické svazky → monochromatický odraz vstupní štěrbiny d) q 44_monochromátor prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 97 45-hranolové přistroje Hranolové přístroje nSNELL n n δ = lámavý úhel ϑ = deviace paprsků n n n n n n n α1 – úhel dopadu (vzduch – hranol) n β1 – úhel lomu (vzduch – hranol) n β2 – úhel dopadu (hranol – vzduch) n α2 – úhel lomu (hranol – vzduch) n úhel 1 = α1 - β1 úhel 2 = α2 - β2 n n minimální deviace nejkvalitnější obraz vstupní štěrbiny největší rozlišovací schopnost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 98 Spektrální přístroje 1)lineární disperze, úhlová disperze 2)rozlišovací schopnost 3)světelnost n nad 1) = charakteristická disperze materiálu n n = úhlová disperze hranolu (úhel mezi paprsky 2 vlnových délek, ∆λ ≈ dλ = 0,1 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 99 1) Lineární disperze, úhlová disperze nreciproká lineární disperze n n n nebo n n n co nejmenší → n n tím lepší rozlišení n n ɛ = 90°, n = f (λ) – n hyperbolická závislost 46-reciproká linearni disperze prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 100 2) Rozlišovací schopnost nRayleighovo kritérium n n n n b – základna hranolu n n n a – průmět disp. členu kolmo ke směru paprsku n nmateriál hranolů: požadované vlastnosti qpropustnost pro záření v široké oblasti spektra qisotropní, homogenní qodolný vůči vlivům atmosféry qopracovatelný do vysokého lesku q(dn/dλ) málo závislé na teplotě 46-rozlisovaci schopnost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 101 2) Rozlišovací schopnost ntuhé látky qkrystalické (křemen, kazivec, halit) qamorfní (sklo, tavený křemen) nkapaliny (duté hranoly + H2O, CS2, n nkrystal propustnost n n KI 250 nm - 31 μm 1,6634 n KBr 210 nm - 28 μm 1,5581 n LiF 120 nm - 7 μm 1,39177 n CaF2 120 nm - 9 μm 1,43385 n SiO2 185 nm - 3,5 μm 1,54426 - krystal n 1,45848 - tavený n NaCl 200 nm - 17 μm 1,54431 n KCl 200 nm - 21 μm 1,49038 n skla 360 nm - 2,2 μm 1,6634 n UV skla od 300 nm n 47-kapaliny 47-graf prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 102 2) Rozlišovací schopnost nkrystalický křemen: n 1) dvojlom X jediný směr = optická osa křemene – jeden paprsek, v jiných směrech 2 n 2) rotační polarizace (kmitová rovina lineárně polarizovaného světla se stáčí → jako kdyby se šířilo světlo stejným směrem, ale dvěma různými rychlostmi → zdvojení obrazu i ve směru optické osy n nkřemen pravo- a levotočivý → kombinace hranolů nCornnho hranol: pravotočivý + levotočivý → eliminace efektů qkombinace optických částí: nobjektiv kolimátoru + křemen nobjektiv kamery - křemen 48-hranol prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 103 48-typy hranolu Typy hranolů n 60° hranol n minimální ndeviace pro λ1 n n n Littrow Féry Broca-Pellin s konstantní deviací pro každé λ vstupní a výst. paprsek úh. 90° Runefordův hranol K – korunové sklo F – flintové sklo Amiciho přímohledný hranol λ1 – paprsek neodchýlen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 104 Mřížky ndisperze světla na základě ohybu (difrakce) nmřížka qna průchod qna odraz q q q α - úhel dopadu d - mřížková konstanta q n - počet vrypů/mm β - úhel difrakce q q qreciproká lineární disperze 49-mřízky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 105 Mřížky 1)úhlová disperze mřížky (co největší) 2) qúhlová disperze je minimální pro β → 0 tj. pro paprsky málo odlišné od normály → úhlová vzdálenost dvou svazků konstantního ∆λ je konstantní qúhlová disperze mřížky nezávisí na vlnové délce qrozdíly proti hranolu nspektrum - mřížka – lineární spektrum pro β → 0 n - hranol – nelineární n nodchýlení λ - mřížka – nejvíce dlouhé vlny (červená) n - hranol – nejvíce krátké vlny (modrá) n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 106 Mřížky 2)úhlová vzdálenost 2 sousedních spekter q (spektrum řádu m, β = 0) q q q úhlová vzdálenost q q čím je mřížka hustší, tím je úhlová vzdálenost dalšího řádu spektra větší. Max: β = 90° qpodmínka vzniku spektra alespoň 1. řádu: q α = β = 90° - krajní případ: m. λ = d(1+1) → q q prakticky α = β < 90° → q q aby 1. řád byl celý, musí být alespoň spektrum 2. řádu ve směru roviny mřížky tj. α = β = 90° a pro m = 2 → d = λ qpříklad: λ = 800 nm → d = 8.10-4 m → 1250 vrypů/mm q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 107 Mřížky 3)úhlová šíře spektra q n 4)rozlišovací schopnost mřížky q úhlová disperze q q q q q potřebný počet vrypů N pro dosažení určité rozlišovací schopnosti při určitém řádu spektra 50- rozlišovací schopnost mřížky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 108 q rozdělení int. světla v ohybovém obrazci = ohyb na štěrbině q rozdělení světla v interferenčním obrazci = interference svazků z jednotlivých štěrbin q q výsledné rozdělení Mřížka + Spektrální přístroj nN = 6 (celkový počet vrypů mřížky) S rostoucí N roste strmost hlavních max, jejich velikost ≈ N2, sekundární max se stávají zanedbatelná. d – šířka vrypu s – šířka štěrbiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 109 Typy mřížek 1)ROVINNÁ qmonochromátory: a)CZERNY-TURNER b)EBERT (jedno velké zrcadlo) q nreciproká lineární disperse monochromátoru s rovinnou mížkou n n nznaménka: q+ orientace mřížky ke vstupní štěrbině (β > α) q- orientace mřížky k výstupní štěrbině (β < α) q m – řád spektra q n – počet vrypů/mm q f – ohnisková vzdálenost zobraz. zrcadla 51_CT 51_CT_2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 110 Mřížka nrytá v rovině n (energie hlavně v 0-tém řádu) n nprofilové vrypy n soustředění energie do určitého úhlu (odleskový úhel, BLAZE EFFECT) n 52_rytá v rovine 52_profilové vrypy 52_littrowova konfigurace úhel maximální odrazivosti je LITTROWOVA KONFIGURACE λB – vlnová délka blaze-efektu lze vypočítat pro daný řád, při jaké λB bude maximum energie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 111 Luminiscenční spektroskopie npodstata luminiscence nfotoluminiscence – sekundární záření po absorpci primárního (budícího, excitačního) záření z UV, VIS qfluorescence 10-6 s – 10-9 s qfosforescence 10-6 s – 10+2 s 53_luminiscence prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 112 Luminiscenční spektroskopie 1)EXCITACE ≈ 10-15 s Franck-Condonův princip S0 → S1, S2 2)VNITŘNÍ KONVERZE ≈ 10-12 - 10-14 s S2 → S1 3)VIBRAČNÍ RELAXACE ≈ 10-12 - 10-13 s v = 4,3,2,1 → v = 0 (srážky) n n přechody S1 → S0 1)nezářivá vnitřní konverze ≈ 10-5 - 10-7 s (srážky → teplo) 2)zářivý přechod - FLUORESCENCE ≈ 10-6 - 10-9 s 3)intersystem crossing S1 → T1 ≈ 10-7 - 10-11 s 4)zářivý přechod - n FLUORESCENCE n T1 → S0 ≈ 10-6 - 102 s n n- nezářivá deaktivace - nfotochemické reakce - přeměna m. 53_luminiscence_2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 113 Luminiscenční spektroskopie n emise světla látkou, která je způsobená: qsvětlem fotoluminiscence → fluorescence, fosforescence qchemicky chemiluminiscence qteplem termoluminiscence qzvukem sonoluminiscence qmechanicky mechanoluminiscence tonik – obsahuje chinin bankovky – ochranné fluorescenční prvky fluorescenční barviva, uprostřed roztok chininsulfátu Noctiluca scintillans světluška prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 114 Fluorescenční spektroskopie nemise UV, VIS záření při přechodu z vibrační hladiny v = 0 excitovaného singletového stavu S1 do různých vibračních hladin základního stavu S0 qbeze změny multiplicity: singlet → singlet nS1 → S0 azulen S2 → S0 nfluorescenční spektrum (λmax, tvar pásů) nezávisí na vlnové délce budicího záření (to však musí mít určitou minimální energii) n nEXCITACE (ABSORPCE): S0, v = 0 → S1, v = 0,1,2,3,4,… nFLUORESCENCE (EMISE): S1, v = 0 → S0, v = 0,1,2,3,4,… n 1) fluorescenční spektrum je dlouhovlnnější než exctitační 2) přechody (S0 v = 0 → S1 v = 0) a (S1 v = 0 → S0 v = 0) (tj. přechody 0 → 0) mají teoreticky stejnou λ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 115 Fluorescenční spektroskopie nplatí FRANCK-CONDONŮV princip – fluoresc. přechod proběhne při zachování mezijaderné vzdálenosti – ta se změní dodatečně. → nejpravděpodobnější takový přechod, kdy max. překryv vlnových funkcí: vln. fce excit. stavu S1 při v = 0 s vln. funkcí zákl. stavu S0 → nejintenzivnější vibrační pás 54_benzanthron vibrační struktura Absorpčního spektra ≈ vib. podhladinám excit. stavu Fluorescenčního spektra ≈ vib. podhladinám zákl. stavu npodobné 1)vibrační podhladiny stavů S0 a S1 2)podobná geometrie stavů S0 a S1 nλF (0-0) > λA (0-0); λF bathochromní posun: interakce molekul a látky s molekulami rozpouštědla: interakce dipól – dipól, vodíková vazba → stabilizace více EXCITOVANÉHO STAVU – polárnější než stav základní ZRCADLOVĚ SYMETRICKÉ PÁSY A F prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 116 Franck-Condonův princip nv okamžiku vybuzení má molekula v excit. stavu stejnou strukturu okolí jako ve stavu základním, tato struktura má vyšší energii než rovnovážné uspořádání, do kterého molekula přejde dodatečně n nz rovnovážného uspořádání dochází k fluorescenci → při fluorescenci je vlivem rozpouštědla ∆E mezi S1 a S0 menší než při absorpci → λF(0-0) > λA(0-0) 55_Franck-Condonův princip prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 117 Stokesův posun nfluorescenční spektrum je posunuto k delším vlnovým délkám než původní absorpční spektrum a je k němu zrcadlově symetrické nrozdíl vlnových délek absorpčního (excitačního) a emisního maxima nemitované záření má větší vlnovou délku a tudíž nižší energii 55_Stokesův posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 118 Doba života fluorescence nτF – doba vyhasínání excitovaného stavu n n qki – rychlostní konstanty relaxačních procesů (fluoresc., vnitř. konverze, mezisyst. přechod, zhášení, fotochem. reakce …) qkF ≈ fmn (síla oscilátoru) ≈ ɛmax, τOF – skutečná doba trvání fluorescence: q q q 55_doba života prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 119 Kvantový výtěžek fluorescence n n n nΦF = 0,0001 – 1 n npoměr mezi počtem emitovaných a absorbovaných kvant (podíl el., které se vracejí do S0 s vyzářením fotonu) 55_kvantový výtěžek prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 120 Intenzita fluorescence nje úměrná kvantovému výtěžku a absorbovanému toku záření n qΦ0 – dopadající tok, Φ – zeslabený tok qexponenciální závislost – limita q q q - linearizace IF = f (c) q qrozvoj v řádu 56_intenzita záření prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 121 Intenzita fluorescence 1)zhášení fluorescence qmolekuly akceptoru, který odnímá energii excitované molekule qakceptor může mít vlastní fluorescenci zhášení – jeho pravděpodobnost roste s dobou τF qkyslík ( odstranění z rozpouštědla probubláváním inert. plynu) qskupina C=O (i v rozpouštědlech) qionty: stupeň zhášení roste s polárizovatelností a deformabilitou iontů (zhášejících), tj. s rostoucí kovalent. charakt. nanionty: F- < NO3- < SO42- < ac < (COO)2- < Cl- < Br- < SCN- < I- nkationty: Cu2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+ (vakantní d-orb.) n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 122 Intenzita fluorescence 2)samozhášení fluorescence n a) koncentrační zhášení (VAVILOV) n qpokles kvantového výtěžku od prahové hodnoty c0 q q n b) vnitřní konverze molekul qdisipace energie na nezářivé formy, roste s rostoucí teplotou, závisí na viskozitě roztoku a koncentraci q n c) vnitřní filtrační efekt qbudící záření Φ0 se průchodem vzorkem zeslabuje, je-li překryv excitačního (absorpčního) a fluorescenčního spektra → zeslabení IF částečnou reabsorpcí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 123 Fluorescenční spektroskopie nfluorescenční spektrum qexcitační IF = f (λex), měří se při konst. λem qemisní IF = f (λem), λex = konst. budící záření q qexcitační spektrum je totožné s absorpčním qplatí pro čistou látku – je to kritérium čistoty q qtrojrozměrné diagramy q IF = f (λem, λex) 57_fluorescenční spektrum prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 124 Fluorescence a chemická struktura npředpoklad: přítomnost systému snadno delokalizovatelných elektronů – konjugovaného systému π-elektronů KVANTOVĚ CHEMICKÉ VÝPOČTY, EMPIRICKÁ PRAVIDLA n nEMPIRICKÁ PRAVIDLA PRO FLUORESCENCI 1)není-li silná absorpce < 250 nm → není fluorescence 2)jestliže nejdlouhovlnnějsí abs. pás > 250 nm a odpovídá π → π* → molekula fluoreskuje (zpravidla několik kondenzovaných jader 3)jestliže nejdlouhovlnnější pás absorpční ≈ n → π* → velmi slabá fluorescence, neboť malá přechodová pravděpodobnost, naopak ISC → T1 → FOSFORESCENCE (aromatické aldehydy, ketony, karbonové kyseliny) 4)čím je větší ɛmax nejdlouhovlnnějšího abs. pásu π → π* S0 → S1 a čím je tento pás více posunut k delším λ, tím větší IF 58_ kondenzovaná jádra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 125 58_fft Empirická pravidla pro fluorescenci nnejčastější příklady: polykondenzované aromatické uhlovodíky qs počtem kondenzovaných jader roste konjugovaný systém → BATHOPCHROMNÍ A HYPERCHROMNÍ POSUN emisního f. spektra qANELACE jader nLINEÁRNÍ anthracen λmax = 379 nm nANGULÁRNÍ fenanthren λmax = 347 nm nzvětšení konjugace n 1) SUBSTITUCE ARYLEM → prohloubení konjugace a zvýšení fluorescence x sterické bránění n 2) STABILIZACE KOPLANÁRNÍ POLOHY vazbou nebo můstkem → zabránění volné otáčivosti n 30-benzen 30-benzen 58_bifenyl 58_difenylamin 30-benzen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 126 Empirická pravidla pro fluorescenci 5)substituce substituenty, které poskytují elektrony ke konjugaci s π-el. systémem → BATHOCHROMNÍ A HYPERCHROMNÍ POSUN potlačení vibrační struktury qtaké indukční efekt qpořadí vlivu: CR3 < CH3 < SR < SH < NH2 < OR < OH n n n 59_kumarin 30-benzen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 127 Vlivy vnější a)vliv pH – excit. stav může mít jinou kyselost než zákl. b) b)vliv fixace polohy – součástí molekuly tvorbou chelátů, molekula sama nefluoreskuje, ale fluoresk. chelát: zabrání se volné otáčivosti qkationty s 2, 8 a 18 elektrony ve vnější slupce qBe2+, Mg2+, Zn2+, Al3+, Sc3+, Ga3+ qazolátky, azomethinová barviva … analytické využití q c)vliv rozpouštědel – halogenovaná rozpouštědla (CH2Cl2, CHCl3) a rozp. s karbonyl. sk. (aceton) → snižování a zhášení fluorescence qpolarita (permitivita) rozpouštědel → energetické změny stavů S n π*, S π π* - i změna jejich pořadí → nefluoreskuje v nepolárním a fluoreskuje v polárním qCHINOLIN ≈ ne v hexanu, fluoresk. v C2H5OH n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 128 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii nfluorimetry nspekrální fluorimetry – měření spekter qexcitačních qfluorescenčních 60_instrumentace pristroj1 pristroj2 60_instrumentace2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 129 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii nzdroj qUV ≈ D2 nebo Xe výbojka, Hg výb. – čárové sp. qVIS ≈ W lampa qladitelné barvivové lasery -excitační spektrum ovlivněno emisní spekt. charakt. Xe lampy ndisperzní prvky qinterferenční filtry qskleněné filtry q (měří pouze intenzitu záření, nikoli spektra) qsady excitačních a emisních interf. filtrů qmřížkový monochromátor pro fluorescenční záření q2 mřížkové monochromátory pro excit. i fluorescenční záření ndetektory qPMT (FN) – má vlastní spekt. charakteristiku -emisní spektrum ovlivněno proměnlivou citlivostí detektoru s vlnovou délkou q jednoduché fluorimetry prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 130 Korigovaná spektra nkorekce emisního spektra ocejchováním fotonásobiče na fluorescenční standard: CHININ BISULFÁT (tabel. hodnoty) n nkorekce excitačního spektra na spektrální charakteristiky Xe lampy s použitím referenčního fotonásobiče s plochou sp. odezvou → vstupní štěrbina proměnlivé šířky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 131 Metodika měření nF – relativní veličina npevné fluorescenční standardy nebo roztoky – nastavení výchylky na 100 (maximum) např. na nejkonc. standard qbisulfát chininu, fluoresceinan Na, rhodamin B npostup: qexcitační spektrum – se registruje při pokusném nastavení λ(em) ≈ λ(em)max změnou λ excitačního monochromátoru s nalezeným λ(ex)max se registruje qemisní (fluoresc.) spektrum – změna λem emisního monochromátoru → nalezení λ(em)max qcelý postup se opakuje: λ(em)max1 → λ(ex)max1 q do dosažení konst. polohy λ(em)max2 ← λ(ex)max1 q 61_bisulfat chininu modrá časově stálá fluorescence Φ = 0,51 v 0,5 M H2SO4 BISULFÁT CHININU λ(ex)max = 355 nm λ(em)max = 445 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 132 Stanovení kvantového výtěžku fluorescence (CHBS – standard) n n n λex(st) = λex(x) n A ≈ absorbance n ∫F ≈ plochy fluoresc. sp. n n n n nfluorescenční standard musí mít aktivní aktivní absorpční maximum a fluorescenční maximum blízké látce, jejíž kvant výtěžek se určuje n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 133 Aplikace fluorimetrie nOBLAST VZORKY PŘÍKLADY nANORGAN. anionty CN-, SiO32-, SO42-, F- n kationty Al3+, Be2+, Cd2+, Fe3+, Mg2+, REM, Zn2+ nKLINICKÁ elektrolyty Ca2+, Mg2+, PO43- n(biochem.) steroidy estrogen, progesteron, testosteron n lipidy cholesterol, triglyceridy n proteiny albumin n aminokys. tryptofan, tyrosin, fenylalanin n imunologic. fluoresk. antigeny, protilátky n enzymy dehydrogenázy, transaminázy, fosfatázy n drogy barbituráty, salicyláty, LSD n metabolity krevní cukr, porfyriny n vitamíny A, B1, B2, B6, C, D, E n léčiva antibiotika, antimalovika prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 134 Aplikace fluorimetrie nOBLAST VZORKY PŘÍKLADY nZEMĚDĚL. jako ANORG. nPOTRAVINY + přír. látky chlorofyl, pigmenty n proteiny v mléce n pesticidy DDT n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 135 Aplikace fluorimetrie nOBLAST VZORKY/METODY PŘÍKLADY nPÉČE kontaminované mat. insekticidy nO ZDRAVÍ bakteriolog. vzorky počítání bakterií n(EKOLOGIE) intoxikované – TK Be, Cd, Pb n imunolog. vzorky protilátky n screening histidinemie nPRŮMYSL stopovací techniky měření rychlosti průtoku, n míchání, oběh (cirkulace) nSOUDNÍ drogy LSD, salicyláty nEXPERTIZY jedy guinacvin (atebrin) n stáří orgánů přirozená fluorescence n oleje, tuky mazací střelné zbraně, oběti prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 136 Aplikace fluorimetrie nOBLAST VZORKY/METODY PŘÍKLADY nZNEČIŠTĚNÍ kationty, anionty nVODY A pesticidy DDT nVZDUCHU stop. techniky rychlost průtoku n(ENVIRONMENT. aromáty ve spol. pyren, chrysen, benzpyren nANALÝZA) n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 137 Příklady metod 1)Stanovení prvků na bázi chelátů s org. činidly nebo ternárních komplexů qčinidla: polyhydroxyflavony, 8-hydroxychinolin, dihydroxyazobarviva, azomethiny od aromatických hydroxyaldehydů (salicylaldehyd), hydroxyarylhydrazony, rhodamin B, polyfenoly, fenolkarbonové kyseliny, benzoin qvhodné ionty prvků: el. konfigurace s2p6, s2p6d10 žádné vakantní d-orbitaly: Al3+, Ga3+, In3+, Be2+, BIII, ZrIV, HfIV, ThIV, Sc3+, GeIV, SnIV, Zn2+, Ca2+, Mg2+, La3+, Y3+, lanthanoidy qlanthanodiy (Tb, Eu) s polyfenoly, 1,10-fenanthrolinem, 1,3-enoliz. diketony, 2-thenoyltrifluoraceton qskleněné kyvety – fial. fluorescence – nelze použít qi křemenné kyvety ≈ 380 nm, když λexc ≈ 220-280 nm n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 138 1)Stanovení prvků na bázi chelátů s org. činidly nebo ternárních komplexů qzhášení fluorescence: voda z PE střiček, nečistoty qi vznik nežádoucí fluorescence FLUORESCEINAN SODNÝ CHLORID RHODAMINU B zelená, žlutozel. fluoresc. červená f. (H2O, slabě kys, alk.) zelená f. (v H2SO4) 64_fluoresceinan sodný Φ = 0,85 0,1 M NaOH; 0,05 M Na2CO3 λexc max = 495 nm λem max = 508 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 139 1)Stanovení prvků na bázi chelátů s org. činidly nebo ternárních komplexů qvýtěžek fluorescence nkvantový výtěžek n n n nenergetický výtěžek prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 140 Příklady metod 2)Fluorimetrická indikace ekvivalenčního bodu při EDTA titraci qstanovení Ca2+, Sr2+, Ba2+ v přítomnosti fluorexonu při pH = 12, fluoreskují cheláty indikátoru n 3)Fluorescenční acidobazické indikátory qα-naftalamin pH 3,4-4,8, kys.f.(-) → alk.f. fialová qchininbisulfát pH 3,0-5,0, kys.f. modrá → alk.f. fialová qakridin pH 4,8-6,6, kys.f.zelená → alk.f. modrá prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 141 Příklady metod 4)Redukční fluorescence qněkteré ionty přechod. prvků po redukci NH2OH nebo amalg Zn (Cu+, Fe2+, V2+) redukují aromatické karbonové kyseliny (kys. ftalová, benzoová, 1,3-benzendikarbonová) na radikál → peroxokyselina (modrá f.) stanovení paramagnetických iontů q 5)Oxidační fluorescence qHg2+ oxiduje Thiomin (pH = 7-8) → Thiochrom (fluor.) q 6)Stanovení organických sloučenin qxanthenové deriváty (fluorescein, rhodamin) qporfyrin, alkaloidy, hormody, vitamíny, anthracen, fenanthren, salicylan, acetylsalicylová kyselina … prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 142 Kvazičarová molekulová fluorescence (efekt Špolského) nnízké teploty (77 K, 10-15 K) – jemná struktura emisních (fluorescenčních) maxim na pozadí emisního pásu naromáty, polykondenzáty n nměření ve ztuženém stavu rozpouštědel (N-alkany) n šířka maxim 10 cm-1, měří se: n naftalen v N-pentanu n benzpyren, antracen v N-heptanu n naftacen v N-nonanu n pyren v N-hexanu n koronen v N-oktanu n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 143 Kvazičarová molekulová fluorescence (efekt Špolského) nPolykondenzované kancerogenní uhlovodíky qCD = 10-11 g org. sloučeniny q qexperimentální uspořádání: nexcitační zdroj: laser ndispersní záření: mřížkové monochromátory nkyveta: Ø 3 mm křemenná trubička (do Dewar. nádoby) n qvhodné jako detekce k separačním metodám: nTLC, GC, HPLC prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 144 Fluorescence v pevné fázi a)TAVENINY qintenzivní zelenožlutá fluorescence UO22+ v taveninách 30% NaF + 70% (Na-K)CO3; 98% NaF + 2% LiF; 10% NaF + 45% K2CO3; roztavená směs se zahřívá 10 minut při 650°C a nechá se pomalu vychladnout qexcitace 300 nm, emise 538, 555, 576, 601 nm qCD = 10-8 g U v 50 mg taveniny, ruší některé kovy qgeologie, biologické tekutiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 145 Fluorescence v pevné fázi b)NOSIČE POLOVODIČOVÉHO TYPU V PŘÍTOMNOSTI STOPOVÝCH AKTIVÁTORŮ (IONTY PŘECHODNÝCH PRVKŮ) qvznik luminiscence po vpravení malého množství analytu jako aktivátoru do nosiče polovodičového typu a po jeho vyžíhání při zvýšené nebo vysoké teplotě qnosiče: CaO, CaSO4, NaF, Na2B4O7, BaSO4, CaCO3 qpříklad: vyžíhaný rozetřený CaO s malým množstvím H2O, pokropen roztokem vzorku, po excitaci UV → emise žlutozelená pro SbIII modrofialová pro BiIII, po vyžíhání na 900°C qaktivátory (analyty): Tl, Sn, Sb, Bi, lanthanoidy q např. vanadát Ca aktivovaný po 60 min žíhání při 1000°C lantanoidy → emise: červenooranžová - Sm, Eu q žlutá - Dy 10-4 % prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 146 b)Nosiče polovodičového typu v přítomnosti stopových aktivátorů nvýklad jevu: aktivátor v polovodičovém nosiči umožní lokalizaci energetických hladin v zakázaném pásmu n nluminiscenční centra (L) – donory elektronů nmetastabilní hladiny (M) – akceptory elektronů n qpři excitaci el. z valenčního do vodivostního pásu (UV zář.) zůstává kladná díra ve val. pásmu, která postupuje vzhůru a přitom rekombinuje s elektronem z (L) v zakázaném pásmu qtím umožní fluorescenci, tj. přechod původního elektronu z vodivostního pásmu do (L) qjestliže přejde elektron do (M), pak umožní fosforescenci při zpětním přechodu přes vodivotní pásmo do (L) n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 147 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) nemise UV-VIS záření při přechodu z nulové vibrační hladiny excitovaného tripletového stavu T1 do různých vibračních hladin základního singletového stavu S0 nzměna multiplicity – zakázaný přechod x spinorbitální interakce → každá vln. funkce s určitým spinem získá složku jiné multiplicity → singletové a tripletové stavy se smísí n qfluorescenční (ani fosforescenční) spektrum nezávisí na vlnové délce budícího záření qfosforescenční spektrum posunuto k vyšším λ (tripletové stavy mají nižší energii než singletové) qfosfor. spektrum má vibrační strukturu (jako fluor.) qdoba života 10-6 s až 102 s → velká pravděpodobnost ztráty energie nezářivým přechodem nvnitřní konverzí nsrážkami s molekulami nfotochemickou reakcí q nelze měřit při laboratorní teplotě prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 148 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) nzhášení – paramagnetickými látkami (kyslík) → je nutné roztoky dokonale odvzdušnit qměření: při 77 K (kapalný N2) → tuhý sklovitý průsvitný roztok. směs rozp.: (C2H5)2O : isopentan : EtOH q 5 : 5 : 2 ninstrumentace – fosforoskopy a fluorimetry s nástavcem qvzorek v úzké křemenné kyvetě uložené v Dewarové nádobě (N2 kapalný) q nvyužití dlouhého trvání fosforescence vzorek se střídavě excituje a pak emituje: qbecquerelův fosforimetr – mechanický rotující přerušovač ≈ 1000 ot/min kontinuální zdroj = vysokotlaká Hg lampa qpulsní zdroj (Xe lampa) μs - pulsy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 149 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie) nAPLIKACE qalkaloidy, pesticidy, léčiva, aminokyseliny, proteiny qkinetika: 1. řádu: q q η – střední doba trvání dosvitu (fosforescence) q η = t při Ft = F0/e qzávislost na době ozařování: q q qfosforescence směsi analytů-metoda časového rozlišení prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 150 Infračervená spektroskopie nabsorpce elmagnetického záření: 12 500 – 100 cm-1 nzměny vibračních, rotačně-vibračních a rotačních stavů nIČ (IR) qblízká 12 500 – 5 000 cm-1 qstřední 5 000 – 500 cm-1 qvzdálená 500 – 100 cm-1 q q 70_IR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 151 Infračervená spektroskopie 1)VIBRACE MOLEKUL 100 – 4 000 cm-1 nlineární harmonický oscilátor n n n pohyb. rovnice n φ – fáz. posun – počát. vých. v t = 0 n nII. Newtonův zákon n n dif. rce: n n řešení dif. rce n npro vlnočet 2-atom. mol. n n redukovaná hmotnost n n 70_vibrace - frekvence t - čas x - výchylka F - síla m - hmotnost prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 152 Vibrace molekul nPotenciální energie n qklasická mechanika – libovolné změny qkvantová mechanika – diskrétní hodnot q qcelistvé násobky h. qmožné hodnoty energie oscilátoru dány Schrödinger. rcí – vibrační stavy – vibrační kvantové číslo v q q qenergie 2-atomové molekuly ze Schrödingerovy rovnice q q energie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 153 Vibrace molekul nvibrační vlnová funkce – vln. funkce liner. harm. oscilátoru n n nNv – vibrační konstanta (závisí na v) n n nHv(y) závisí na hodnotě v: n v = 0 H0 = 1 n v = 1 H1 = 2y n v = 2 H2 = 4y2 - 2 n v = 3 H3 = 8y3 - 12 Hermitův polynom Hv(y) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 154 Vibrace molekul nvibrační kvant. číslo = počet uzlů vln. funkce n (body, v nichž Ψv mění své znaménko) 71_lichá x sudá pravděpodobnost nalezení molekuly ve vzdálenosti (v intervalu) klasický oscilátor 71_klasický oscilátor n čím vyšší v, tím větší přiblížení klasické a kvantové mechaniky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 155 Vibrace molekul nprostorové rozdělení pravděpodobnostní vlnové funkce pro jednotlivé vibrační hladiny + velikost překryvu funkcí v zákl. a excit. stavu → kvantově mechan. výpočty pravděpodobnosti přechodu mezi různými vib. hladinami těchto stavů → předpověď tvaru absorpčních i emisních (fluorescenčních) pásů n n n n n n n n 72_harmonický HARMONICKÝ ANHARMONICKÝ konstanta anharmonicity fundament. normální prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 156 Vibrace molekul nharmonický oscilátor qvýběrové pravidlo ∆v = +1 při absorpci za normální teploty v = 0 qfundamentální vibrace q nanharmonický oscilátor q∆v = ± 1, ± 2, ± 3, … vyšší harmonic. overtone ∆v > 1 – větší excit. energie: ∆v = 2; E2 = 2E1; ∆v = 3; E3 = 3E1 … → absorpční pásy vyšších harmonických vibrací jsou posunuty k vyšším vlnočtům (kratším vln. délkám) → NIR, ṽ > 5 000 cm-1 qintenzita absorpce klesá o 1 až 2 řády s přechodem od zákl. vibrace k vyšším harmonickým n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 157 Vibrace molekul nvibrace probíhají v prostoru x, y, z qrovina xy ≈ LISSAJAVSOVY OBRAZCE qsilové konstanty kx, ky, kz → různé frekvence každé ze 3 fundamentálních vibrací N-atomové molekuly q lineární nelineární q stupeň volnosti: 3N – 5 3N – 6 qpočet stupňů volnosti určuje počet zákl. vibrací q nvýpočty frekvencí vibrací – teoretické předpovědi qvstupní data: 1) hmotnosti atomů q 2) valenční úhly q 3) délky vazeb q 4) silové konstanty 73_Lissajavsovy obrazce prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 158 Vibrace molekul nenergie a frekvence vibrací omezeny řešením Schrödingerovy rovnice n npři harmonickém pohybu (model) lze považovat E vibrací N-atomové molekuly pro jednotlivé stupně volnosti za navzájem nezávislé n ncelková vibrační energie n = 3N – 5 (lin. mol) n = 3N – 6 (nelin. mol) nteoreticky zajímavé, praktická analýza – empirické souvislosti s počtem atomů roste počet abs. pásů – složitá spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 159 Infračervená spektroskopie 2)ROTACE MOLEKUL 100 – 10 cm-1 nrotační hladiny, rotační spektra ntuhý rotor. (rotátor) – vzdálenost r se nemění qklasická mechanika q moment setrvačnosti I = mr2 1)vzhledem k y; Jy = 0 2)vzhledem k x, z; Jx = Jz 3) q platí: q q pak M – redukovaná hmotnost q qSteinerova věta – aplikace: moment setrvačnosti lze vyjádřit pomocí jediného hm. bodu M ve vzdálenosti r od počátku souřadnic, kolem nějž se rotace pak uvažuje 74_tuhý rotor prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 160 Rotace molekul qvlnová mechanika – rotační pohyb popsán vlnovou funkcí q Schrödingerova rovnice → hodnoty diskrétních energií q J – rotační kvantové číslo q I – moment setrvačnosti q pro tuhý 2-atomový rotor úprava: q q q B – rotační konstanta (charakteristická pro každou molekulu) q spektroskopické termy: prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 161 Rotace molekul nVÝBĚROVÉ PRAVIDLO: ∆J = J2 – J1 = ± 1 n → vlnočet abs. nebo emit. záření ṽ = 2B (J+1) n J = 0, 1, 2, 3 … qE roste s J kvadraticky qṽ roste s J lineárně ṽ = 2B (J+1) q∆E roste lineárně q∆ṽ je konstantní q q q qplatí pro TUHÝ rotor qrealně: k roste s J (vyšší E, rychlost) → qvětší I → menší B qrelativní intenzity linií závisí na teplotě dle qBoltzmannova vztahu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 162 Rotace molekul nštěpení rotačních hladin v důsledku: qinterakce momentů hybnosti atomů s celkovým momentem hybnosti molekuly qinterakce s jadernými spiny qinterakce s vnějším el. a mag. polem q→ jemná struktura rotačních čar q nnelineární molekuly – nižší symetrie n → energie rotací kolem 3 prostorových os se vzájemně liší n → další kvantové číslo K n nvýběrová pravidla pro nelineární molekuly n ∆J = 0; ∆J = ± 1; ∆K = 0 n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 163 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra nsoučasná změna rotačních i vibračních stavů molekuly nvibrační přechod + řada přechodů rotačních ndvouatomová molekula = harmonický oscilátor + tuhý rotor n n n energie přechodu ∆E n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 164 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra nVÝBĚROVÁ PRAVIDLA: q∆J = ± 1 (lineární molekuly) q∆J = 0, ± 1 (nelineární molekuly) qlineární harmonický osc.: v: 0 → 1 (fundamentální vibrace) qlineární anharmonický osc.: v: 0 → 2, 3, … (overtony) q nvibrační přechod: absorpční pás s řadou rotačních linií n q 77_vibrační přechod ∆J = - 1 P – větev nižší vlnočty ∆J = + 1 P – větev vyšší vlnočty ∆J = 0 Q – větev (nelineární mol.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 165 77_pás Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra nčáry odpovídající přechodům mezi rotačními hladinami náležejícími dvěma různým vibračním stavům tvoří pás qhlava pásu – band head q qFortratova parabola q P: m = -j q R: m = j + 1 q ṽ0 – vlnočet nulové linie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 166 Rotačně-vibrační spektrum oxidu uhelnatého nrotační struktura je pozorována jen v plynné fázi nrotační linie – rozšířené: qsrážky molekul qskupenství nkapalné vymizení rotační npevné struktury 78_oxid uhelnatý prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 167 Výběrová pravidla a intenzita absorpčních pásů v IR spektrech 1) podmínka: nenulová změna dipólmomentu 2) intenzita pásu ≈ pravděpodobnost interakce příslušné vibrace n s elmag. zářením; x0 = rovnovážná poloha n nvysoká hodnota permanentního dipólu nepostačuje k vysoké intenzitě absorpce, naopak absorbují intenzivně i molekuly s malým dipólmomentem, je-li jeho změna velká, např. CO n qmolekuly H2, N2, O2 … dva stejné atomy → dipólmoment = 0 q a současně se také nemění → neabsorbují qvíceatomové molekuly: absorbují intenzivně polární části tj. q -NH2, -OH, -C=O, -C-F, -Si-O, atd q vibrace nepolárních částí – uhlíkový skelet – málo intenzivní qvíceatomové symetrické nepolární molekuly q CS2, CH4, CCl4, absorbují i když dipólmoment = 0 q qmohou probíhat vibrace, při nichž se oddělují těžiště + a – nábojů q→ vznik a změna dipólmomentu q q n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 168 Výběrová pravidla a intenzita absorpčních pásů v IR spektrech nintenzita absorpce – vyjádření qtransmitance T qabsorptance (1-T) jako UV-VIS qabsorbance nɛ - molární absorpční koeficient – nemá povahu konstanty závisí na: qtypu a kvalitě přístroje méně závisí na přístroji a qšířce štěrbiny prac. podmínkách: qztrátě záření rozptylem INTEGROVANÁ ABSORPČNÍ qpozadí spektra INTENZITA q A – plocha pásu q c – koncentrace; l – délka kyvety qudává se také pološířka ∆ṽ1/2 = šířka pásu v polovině výšky, tj. při A=Amax/2 q ntabulky IR spekter – kvalitní vyjádření intenzity: s (strong) – silná; m (medium) – střední; w (weak) – slabá; vs (very strong); vw (vey weak) q q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 169 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul nvibrace qvalenční - mění se vzdálenost mezi atomy q - nemění se valenční úhly qdeformační - nemění se vzdálenost mezi atomy q - mění se valenční úhly q nvibrace qfundamentální: 2,5-15 μm qsvrchní (vyšší harmonické) 2ṽ, 3ṽ …. qkombinační (součty a rozdíly zákl. vibrací) n viditelná blízká IR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 170 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul nN atomů ≈ 3N stupňů volnosti (souřadnice x, y, z) ntranslace x, y, z → 3 stupně volnosti nrotace qnelineární molekuly podle x, y, z → 3 stupně volnosti qlineární molekuly podle x, y z → 2 stupně volnosti n n→ lineární molekula 3N – 5 n→ nelineární molekula 3N – 6 n n3N – 5, 3N – 6 = počty fundamentálních frekvencí st. volnosti pro vibraci prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 171 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul n LINEÁRNÍ MOLEKULA NELINEÁRNÍ MOLEKULA n CO2 ∂ μ H2O ∂ μ n n n n n n n n - valenční vibrace - s symetrická stretching n - as antisymetrická nδ - deformační vibrace neaktivní symetrické antisymetrické nůžkové nůžkové 80_nůžkové nůžkové scissoring kolébavé rocking kývavé wagging kroutivé twisting prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 172 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul nfrekvence základních vibrací molekuly XY2 (CO2) (lineární) n symetrická valenční vibrace n n n asymetrická valenční vibrace n n deformační vibrace – degenerované n n nl - délka vazby X - Y (C-O) na11 - silová konstanta vazby X - Y na12 - vliv změny délky jedné vazby na sílu vazby druhé na33 - odpor molekuly proti změně valenčního úhlu nmx, my - hmotnosti atomů X a Y prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 173 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul nn vibrací jediný abs. pás → n x degenerované nIR spektrum CO2: 2 pásy: qasymetrická valenční q2x degener. deformační nvysoce symetrické molekuly – max. 3x degenerované nsymetrie molekuly a její vibrace qaktivita vibrací v IR spektru, počet absorpčních pásů nprvky symetrie bodové grupy symetrie qrovina qzrcadlová rovina qosy s různou četností nrotační nrotačně reflexní qstřed qidentita tabulka neredukovatelných reprezentací typy vibrací a jejich symetrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 174 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul nurčitá seskupení atomů (funkční skupiny atd.) – dávají abs. pásy v úzkém rozmezí → charakteristické pásy, char. frekvence, char. vibrace n nfrekvence vibrace určité vazby se musí výrazně lišit od frekv. sousedních vazeb, jinak spřažení vibrací → molekula kmitá jako celek n npodmínky rozlišení n 1) rozdíl hmotnosti atomů ≥ 100 % n 2) rozdíl silových konstant ≥ 25 % n npříklad: X-X, X=X, X≡X ≈ 1 : 2 : 3 → násobné vazby mají odlišné vibrace npříklad: C-H, N-H, O-H, S-H, C-Cl, C-Br, C-I, C-S npříklad: C ≈ O ≈ N → nelze C-N, C-O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 175 Charakteristické vibrace nfrekvence rostou qs klesající hmotností atomů, které se podílejí na vazbě q q qs rostoucí silovou konstantou vazby q vazba ṽ (cm-1) CH, NH, OH 3700-2400 oblast trojná vazba 2400-1900 valenční vibrace charakterist. dvojná vazba 1900-1500 frekvencí > 3700 cm-1 vyšší harmonické < 1500 cm-1 - valenční vibrace těžších atomů - deformační vibrace (nižší sil. konst. než val. vib.) - skeletální vibrace (vib. zbytku – skeletu) - kombinační (součty a rozdíly zákl. frekvencí) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 176 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS noblast otisku prstu – vhodné pro identifikaci organických látek nneexistují 2 molekuly (látky) se stejným spektrem n 83_fingerprints prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 177 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS n 3700 2400 1900 1500 (cm-1) n nvalenční valenční valenční deformační nvibrace vibrace vibrace val. vib. těžších atomů nC-H, O-H, C≡C, C=C, C=O skeletální nN-H C≡N C=N, N=N kombinační n N=O neidentifikovatelná n oblast otisku prstu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 178 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace nrozmezí vlnočtů – vliv zbytku molekuly → informace o konstituci molekuly n ndalší vlivy qskupenství a rozpouštědla qvodíkové vazby qhmotnosti atomů qelektrické v. qsterické v., pnutí kruhu, konformace qvibrační interakce (vibrační spřažení) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 179 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 1)VLIV SKUPENSTVÍ A ROZPOUŠTĚDLA qtuhé kryst. látky: vzáj. interakce mezi polárními skup. sousedních molekul → OMEZENÁ POHYBLIVOST → nové abs. pásy, chybí jiné abs. pásy X kapalné a plynné skup. CHYBÍ ROTAČNÍ STRUKTURA qtaveniny, roztoky: větší pohyblivost než v tuhých látkách mezimolekulární interakce CHYBÍ ROTAČNÍ STRUKTURA q qskupenská změna: G → L → S npotlačení rotační struktury nzúžení absorpčních pásů nposun abs. maxim ke kratším vlnočtům qintermolek. působení dipólů → snížení síly vazby → sníž. E q n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 180 1) Vliv skupenství a rozpouštědla qpříklad: (C=O), G, ṽ = 1742 cm-1 q (C=O), L, ṽ = 1718 cm-1 qpolarita rozpouštědla roste qṽ charakter. vibrace klesá q (dipól-dipól. interakce, vodíková vazba) q q (C=O) aceton prostředí q 1728 cm-1 cyklohexan q 1724 cm-1 CCl4 q 1720 cm-1 dioxan q 1717 cm-1 HCCl3 q ACETON vliv rozpouštědla na nepolární v. C-C malý polární v. C=O O-H malý prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 181 1) Vliv skupenství a rozpouštědla nproton-donorová tvoří střední a silné asociáty (CHCl3, CH3NO2) pokles ṽmax, rozšíření pásů nproton-akceptorová nedochází k asociaci (CH3CH2)2O, C6H5N, THF ṽmax, stejné jako v CCl4 n nproton-donorová slabé asociáty pokles ṽmax nproton-akceptorová silnější asociáty – roste šířka pásů, intenz., výraznější pokles ṽmax n POLÁRNÍ SKUPINY ROZPOUŠTĚDLA C=O, C=N, N=O, NO2, S=O -OH, -NH2, -NH, -SH prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 182 1) Vliv skupenství a rozpouštědla qvýpočet ṽ pásů valenčních vibrací polárních skupin ve slabě polárních rozpouštědlech q qKIRKWOOD-BAUER-MAGATOVA rovnice q ṽg, ṽsl vlnočty maxim v plynné f. a v. roztoku q ɛ permitivita rozp. q n index lomu rozp. q K, K1, K2 konst. závislé na rozpouštědle prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 183 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 2)VLIV VODÍKOVÉ VAZBY qsilná interakce mezi kyselými skupinami (donory H+) q zásaditými centry (elekronegativní atomy O, N, X) q intra- inter- q molekulární qH-vazba → oslabení původní vazby v proton-donor. skup. např. O-H, X-H → pokles ṽ valenční vibrace nejsilnější H-vazba – skupina –OH q volná skupina ṽ = 3640 cm-1 qpříklad: CH3-OH q intermolekulární v.v. ṽ = 3300 cm-1 qtaké rozšíření pásů asociovaných skupin ≈ řada asociátů s různě silnými H-vazbami qpříklad: karbonové kyseliny – dimery → široký pás -OH: 2400-3300 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 184 2) Vliv vodíkové vazby qrozlišení intra- a intermolekulárních H-vazeb qředění roztoku → poměr abs. pásů monomeru a asociátu q qintramolekulární v. → KONSTANTNÍ qintermolekulární v. → ROSTE (rozpad asociátu) q qH-vazba → pokles ṽmax (C=O) akceptoru protonu cca jen 5-50 cm-1 q qu proton-donorové skupiny (X-H): deformační vibrace růst ṽ při vzniku H-vazby prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 185 2) Vliv vodíkové vazby npokles ṽ ν (O-H) s rostoucí koncentrací ≈ pokles konc. monomeru; pokles signálu v (O-H) 3638 nnárůst signálu di-, tri-, polymeru s rost. koncentrací a pokles ṽ v (O-H) polymeru 87_proton-donorové skupiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 186 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 3)VLIV HMOTNOSTI ATOMŮ qzměna vlnočtu při náhradě izotopem: největší při náhradě H za D qv (OH) ≈ ṽ = 3600 cm-1 v (OD) ≈ ṽ = 2650 cm-1 qCl, Br, I ≈ snížení vlnočtu při substituci těžším X qizotopové záměny O, N, C – méně výrazné qpříklad: valenční vibrace v (C=O) v diisopropylketonu qvyužití: přiřazování charakt. frekvencí určitým skupinám na základě měření s izotopovými záměnami q q izotopy ṽ (cm-1) q 12C = 16O 1712 q 13C = 16O 1675 q 12C = 18O 1681 q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 187 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 4)ELEKTRICKÉ VLIVY qefekty: nmezomerní nkonjugační ninduktivní nelektrostatický a)mezomerní efekt + M → zvýšení elektronové hustoty → q - M → snížení q → změna charakteru vazby → změna silové konst. → změna ṽ npříklad: acetofenon X p-aminoacetofenon n + M n n n v (C=O) ≈ ṽ = 1691 cm-1 v (C=O) ≈ ṽ = 1677 cm-1 n+M → zvýšení polarizace C=O vazby ≈ zeslabení charakt. dvoj. vazby → snížení silové konst. → snížení vlnočtu 88_acetofenon prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 188 4) Elektrické vlivy n- M p-nitroacetofenon – snížení el. hustoty na benz. jádře → snížení polarity vazby C=O ≈ posílení char. dvoj, vazby → zvýšení silové konstanty → v (C=O) ≈ ṽ = 1700 cm-1 n b)konjugační efekt nkonjugace roste → dvojný charakter konjug. vazby klesá → sil. konstanta klesá → posun k nižším ṽ n n n n n aceton < acetofenon < benzofenon n konjugace n 1720 cm-1 > 1691 cm-1 > 1650 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 189 4) Elektrické vlivy c)induktivní efekt n n n n n + I podporuje polarizační - I snižuje polarizaci n vazby C=O vazby C=O n (zeslabení v.) (zesílení v.) n 1720 cm-1 1806 cm-1 n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 190 4) Elektrické vlivy d)elektrostatický efekt npůsobení silně elektronegat. atomů a elektronodorních atomů ELEKTRICKÝM POLEM n≈ jako interakce polárních skupin s rozpouštědlem npříklad: α-halogen ketony n volná rotace kolem C-C vazby n n n n 1740 cm-1 1720 cm-1 n Br odpuzuje el. O n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 191 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 5)STERICKÉ VLIVY, pnutí kruhu, konformace q3-, 4-, 5- článkové cykly – změna valenčních úhlů ve srovnání s acyklickými systémy a 6- a více četnými cykly qhybridizace sp3 nendocyklické vaz. – více char. p nexocyklické vaz. – více char. s qvětší podíl ns → zkrácení vazby → zvýšení np → prodloužení vazby → snížení q→ při poklesu počtu článků kruhu nexo-vazby – vyšší ṽ nendo-vazby – nižší ṽ q n sil. kons. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 192 5) Sterické vlivy qpříklad: v (C=O) v cykl. ketonech a v (C=C) v cykloalkenech q q cykloalekny v (C=C) cykl. ketony v (C=O) (exocykl.) q cyklohexen 1646 cyklohexanon 1718 q cyklopenten 1611 cyklopentanon 1742 q cyklobuten 1566 cyklobutanon 1784 q nvyužití: určování velikosti kruhu z infračerveného spektra q qkonformační izomery: q ekvatoriální smršť. a roztah. kruhu → větší E q axiální menší E → nižší ṽ q nvyužití: určování konstituce, např. steroidy q vazby prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 193 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 6)VIBRAČNÍ INTERAKCE (VIBRAČNÍ SPŘAŽENÍ) qpodmínka charakteristické vibrace vazby – nezávislé vibrace na zbytku molekuly: q 1) odlišné hmotnosti atomů od zbytku molekuly (C-H) q 2) odlišná silová konstanta atomů od zbytku molekuly (C=C, C=O) q qspřažené vibrace: např. amid: v (C=O), δ (N-H), v (C-N) q q q q q AMID I AMID II AMID III q 1630 – 1690 cm-1 1520 – 1570 cm-1 1200 – 1310 cm-1 q q převažuje převažuje prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 194 6) Vibrační interakce (vibrační spřažení) qFermiho rezonance nspřažení - zákl. vibrace skupiny n - harmon. vibrace jiné skupiny n nkombinace energetických hladin → z nové hladiny oba přechody mají podobnou intenzitu x harmonické v. nespř. q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 195 Infračervená spektra organických sloučenin nalkany qvalenční vibrace C-H: q v (CH3): 2960 cm-1 vas v (CH2): 2925 cm-1 vas q v (CH3): 2870 cm-1 vs v (CH2): 2850 cm-1 vas q v (CH): 2890 cm-1 v (CH) cyklopropan > 3000 cm-1 q qdeformační vibrace C-H: q δ (CH3): 1460 cm-1 δas δ (CH3) : 1365 + 1385 q δ (CH3): 1370 - 1380 δs dublet dimethylu q δ (CH2): 1470 cm-1 δ (CH2)n: 720 - 790 cm-1 q δ (CH): 1340 cm-1 q qskeletální vibrace C-H: q (CH3)3-C: 1255 + 1210 cm-1 q (CH3)2-CH: 1170 + 1140 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 196 Infračervená spektra organických sloučenin nalkeny qvalenční vibrace C-H: q v (=CH2): 3080 cm-1 v (=CH-): 3020 cm-1 q 2975 cm-1 qvalenční vibrace C=C: q v (C=C) nekonjug.: 1620 - 1680 cm-1 q v (C=C) konjug. s arom. syst.: ≈ 1625 cm-1 q v (C=C) konjug. s C=C, C=O: 1600 cm-1 qdeformační vibrace C-H: q γ (C-H), RCH=CH2: ≈ 990 cm-1 γ (C-H), RCH=CH2: ≈ 910 cm-1 q γ (C-H), RR´C=CH2: 890 cm-1 q γ (C-H), RCH=CHR´ trans: 960 - 980 cm-1 q γ (C-H), RR´C=CHR cis: 675 - 730 cm-1 q γ (C-H), RR´C=CHR´´: 800 - 840 cm-1 q δ (CH): 1410 - 1420 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 197 Infračervená spektra organických sloučenin nalkyny q v (≡C-H): ≈ 3300 cm-1 q v (C≡C) R-C≡C-H: 2100 - 2400 cm-1 q v (C≡C) R1-C=C-R2: 2190 - 2260 cm-1 q γ (≡C-H): 600 - 700 cm-1 q q nje-li více stejných atomů ze společného atomu (N-H v -NH2, -NH3, C-H v CH2, CH3, CH4) → rezonance vibrací – vibrační spražení → vibrace skupiny jako celku: - ve fázi - mimo fázi n 2 pásy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 198 Infračervená spektra organických sloučenin nsymetrická vibrace nasymetrická vibrace n n s (CH3) as (CH3) n 2872 cm-1 2953 cm-1 n -CH3 nvalenční vibrace n n n n s (CH2) as (CH2) s (NH2) as (NH2) n 2850 cm-1 2930 cm-1 3400 cm-1 3500 cm-1 n >CH2 -NH2 n n 93_symetrická vibrace 93_valenční vibrace CH 93_valenční vibrace NH prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 199 Infračervená spektra organických sloučenin ndeformační vibrace n n n n nůžkové kolébavé kývavé kroutivé n (scissoring) (rocking) (wagging) (twisting) n α = konst. α = konst. α = konst. n n nvazba v rovině uspořádaného okolí ≈ δ (C-H) inplane mimorovinné okolí γ (C-H) out of plane nvibrační spřažení 2 dvojných vazeb: 1,3-butadien vas = 1630 cm-1 vs = 1590 cm-1 n 93_deformační vibrace 30-benzen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 200 94_instrumentace IR Instrumentace IR spektroskopie ndvoupaprskové přístroje s optickou kompenzací nautomatická registrace spektra nhranolové nebo mřížkové monochromátory qhranol q q q q qmřížka 40-200 vrypů/cm q Z- zdroj, C1 – cela se vzorkem, C2 – srovnávací (rozpoušť.), SZ – rotující sektorové zrcadlo – 10-12 Hz, Š1 – vstupní štěrbina, M – monochromátor, M1, M2 – zrcadla, Š2 – výstupní štěrbina, D – detektor, E – elektronika, SM – servomotor, H – hřebenová clona, R – zapisovač, MM – motor monochromátoru prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 201 Instrumentace IR spektroskopie npřístroj pracuje v optické rovnováze nmonochromátor qmřížky na odraz – lepší disperze a rozlišení než hranol nrovinné nkonkávní qLittrow (zrcadlo za hranolem) nmateriál hranolů: LiF 1800 cm-1, CaF2 1100 cm-1, NaCl 650 cm-1, KBr 380 cm-1, C5Br 250 cm-1, CaI 200-1 (klesá rozlišovací schopnost) nzdroj – keramická tyčinka - globar (1500°C) SiC n - Nernst. tyč REM oxidy ndetektory qbolometr – odporový teploměr qGolayova cela – pneumaticky, zrcadlo + fotočlánek qtermočlánek n 95_bolometr prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 202 Technika snímání spekter nvšechna skupenství 1)PLYNY (10 cm kyvety), páry těkavých kapalin, nastavení tlaku → nastavení propustnosti (optimální), násobný průchod 2)KAPALINY – kyvety, 2 okénka distanční kroužek n KRS, AgCl qokénka NaCl, chráněné polymery qdistanční folie (kroužek Pb, Al, Ag 0,01-0,1 mm) také Au qrozpouštědla: a) nesmí narušovat materiál okének q b) nesmí reagovat se vzorkem q c) musí mít dostatečnou propustnost ve zvoleném intervalu vlnočtů q d) nesmí ovlivňovat spektra látek q e) musí dobře rozpouštět vzorek q nejlepší rozpouštědla: malá symetrická molekula ≈ CCl4, CS2 → malý počet absorpčních pásů qspektra látek ve více rozpouštědlech 95_kapaliny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 203 Technika snímání spekter qkoncentrace roztoků 5-10% při tloušťce 0,1 mm qvoda – narušuje okénka z halogenidů alkal. kovů, kyvety pro práci ve vodě: AgCl, BaF2, CaF2, slída q H2O + D2O ≈ 500 – 4000 cm-1 q srovnávací roztok – čisté rozpouštědlo qdvoupaprskový přístroj – absorpce < 30 % pro kvantitativní měření q < 70 % pro kompenzaci q 3)PEVNÉ LÁTKY x rozptyl záření na prach. částicích → n a) Nujová technika: suspenze vz. + parafin. olej (nujol) cca 5 mg vzorku, také hexachlorbutadien, 2 destičky z NaCl n absorpce NUJOLU: 3030 – 2860 cm-1 (valenční vib.) CH n 1460 + 1374 cm-1 (deformační vib.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 204 Technika snímání spekter n b) Technika výlisků: 1-2 mg vzorku + KBr (spektr. čistá) cca 100-200 mg n lisování za vakua – transparentní tableta, 500 MPa n měření proti referenční tabletě KBr n LISOVÁNÍ → DEFORMACE x PŮVODNÍ STRUKTURA n odstranění vlhkosti 300°C, infralampa n n c) Roztavené tuhé látky: vyhřívané kyvety, stanovení, analýza POLYMERŮ n n d) Reflexní technika: pasty, pěny, laky, lepidla (nelze rozpustit, lisovat, tavit) n - ATR (Attenuated Total Reflection) n úhel dopadu > mezní úhel → TOTÁLNÍ n REFLEXE = f (ṽ) spektrum n n - MIR (Multiple Internal Reflection) n násobné odrazy 96_ATR 96_ATR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 205 IR spektroskopie nkalibrace 1)vlnočtů (pára H2O, NH3, CH4, CO2, polystyren, inden, HCl) 2)intenzit – definovaná změna intenzity paprsku 3)tloušťky kyvety – měření vzdálenosti mezi interferenčními pásy při průchodu záření prázdnou kyvetou 4) nvzdálená IR oblast (ṽ < 200 cm-1, λ > 50 μm) qvliv absorpce par H2O a CO2 (sušení, evakuování) qněkolik mřížek, malé vlnočty ≈ malé rozlišení prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 206 Interferometrické spektrometry nlepší rozlišení ve spektru nvětší zářivá energie na detektoru n zrcadla: n Z1, Z5, Z6 – parabolické n Z2 – polopropustné n Z3 – pohyblivé n Z4 – fixní n K – kyveta + vzorek n nMICHELSONŮV INTERFEROMETR – fázový posun, dobrý poměr S/N nspektrum = zářivá energie obou paprsků po interferenci v závislosti na poloze pohyblivého zrcadla nFTS, FTIR spektrometry s Fourirovou transformací nzdroj záření – vysokotlaká Hg výbojka ndetektor: Golayova cela, TGS = triglycinsulfátový pyroelektrický bolometr nkyveta: polyethylen, polypropylen než mřížkový přístroj 97_ineterferometrické spektrometry prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 207 Vyhodnocování spekter, aplikace nidentifikace nurčování struktury organických látek nkvantitativní stanovení n nIDENTIFIKACE – porovnání spekter, knihovny, výpoč. tech. npravidlo: je-li ve spektru čistého standardu více absorpčních pásů než ve vzorku, jedná se o RŮZNÉ LÁTKY nidentifikace se směsích je obtížná bez předchozího dělení n„Spektrometrická neutralizace“ – do srovnávací kyvety roztok se složkou ve vzorku již identifikovanou – pokusné nastavení koncentrace → diferenční spektrum postupné zjednodušení spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 208 Vyhodnocování spekter, aplikace nurčování struktury – tabulky charakteristických frekvencí, určitá třída látek ncharakt. abs. pásy na několika místech ve spektru n„finger print“ – jen intenzivní pásy qvýrazně se projevují funkční skupiny a strukturní jedn.: q , -C≡C-, >C=C<, -C=O, -C=N, -NO2, -NH2, -OH, - COH, -COOH, -CONH2 qjemnější údaje: ntyp substituce na aromat. kruhu nvelikost kruhu v cykl. syst. nkoncové rozvětvení alkylu npravidlo: qnepřítomnost pásu chasakt. vib. pro určitou strukturní jednotkou = důkaz nepřítomnosti této jednotky v molekule qvýskyt pásu char. vib. pro určitou strukturní jednotku v určité oblasti spektra – nutné prokázat dále 30-benzen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 209 Intenzivní spektroskopie nabsorpční pás je charakterizován: qvlnočtem qintenzitou absorpce (A – integrovaná abs. intenzita) nkarboxylové sloučeniny n n n n n n nurčování čistoty látek qpouze nečistoty s velmi intenzivními absorpčními pásy npravidlo: ze 2 vzorků čistší ten, který má méně absorpčních pásů 99_karboxylové sloučeniny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 210 Kvantitativní analýza nnízká stabilita nvysoká hodnota nulové linie nvelké odchylky od Lambert-Beerova zákona nzávislost molárního abs. koeficientu na přístroji a podmínkách n nmetoda kalibrační křivky nseparační metody: GC a LC (jednoduchá rozpouštědla) nstanovení: v rozvětvení polymerů v koncových skupin nstudium: qkinetiky reakcí qkonformací qH-vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 211 Ramanova spektroskopie nzáření rozptýlené při průchodu zkoumanou látkou nRaman, Krishnan, Landsberg, Mandelštam nrozptyl qna malých částečkách ≈ Tyndalův qna molekulách - Rayleighův (λ se nemění) elastický rozptyl 99 % q - Ramanův (λ se změní) neelastický (kombinační) rozptyl 1 % n nRamanovo spektrum = intenzita rozptýleného záření ≈ na vlnové délce vlnočtu nelastický rozptyl ≈ pružná srážka fotonu s molekulou nneelastický rozptyl ≈ nepružná srážka fotonu s molekulou: qkinetická energie molekuly zachována → mění se vnitřní energie molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 212 Ramanova spektroskopie nbudící záření pro Ramanovu spektroskopii nepostačuje k excitaci elektronických přechodů → pouze změny vibračních a rotačních stavů n nenergie přechodů je kvantována → je kvant, i výměna mezi fotonem a molekulou při neelastické srážce n n n v0 – frekvence budícího záření n v – frekvence Ramanova záření n ∆v – Ramanův posun n E1, E2 – energie rotačně-vibračních nebo rotačních hladin prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 213 Podmínky vzniku Ramanova spektra nteorie elektrodynamiky: pohyb molekuly spojený se změnou ELEKTRICKÉHO MOMENTU DIPÓLU vede k EMISI nebo ABSORPCI záření n IR: qelektrický dipólový moment: q q - el. moment dipólu v rovnovážné poloze x0 q q - efektivní náboj q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 214 Podmínky vzniku Ramanova spektra qRAMAN qsvětlo: E – intenzita elektric. pole q v – frekvence záření qindukovaný dipólový moment: q ; α – polarizovatelnost q q x – výchylka vibrace q q q q q q q → molekula je zdrojem záření n Rayleigh Rayleigh Raman Raman prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 215 Podmínky vzniku Ramanova spektra q qpodmínka q qRamanovy linie jsou pozorovány mění-li se polarizovatelnost, tj. je-li q qintenzita Ramanových linií je úměrná čtverci polarizovatelnosti q Ramanův posun ∆ṽ spektrum = závislost intenzity Stokes. linií na stupnici Ramanových posunů budicí = základní linie (linie Rayleighova rozptylu) má vlnočet 0 cm-1 qinfračervevé vibrační spektrum ≈ absorpce záření qRamanovo spektrum ≈ deformace molekul. orbitalů qrozptyl x fluorescence přechody q současně postupně q Rayleigh Raman Antistokes Stokes prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 216 Rayleighův rozptyl x Ramanův rozptyl 102_rozptyl prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 217 Podmínky vzniku Ramanova spektra nSTOKESOY LINIE – nižší vlnočet ≈ ∆ṽ - energie potřebná na vyvolání vibrace (shoda s vlnočtem abs. pásů) nANTI-STOKESOVY LINIE – vyšší vlnočet ≈ ∆ṽ - energie, kterou předá excitovná molekula (vibr. přechod) rozptylovému záření při přechodu do zákl. stavu qpodstatně slabší zrcadlový obraz n nintenzita Raman. spekter ≈ (platí pro rozptyl obecně) npoměr intenzit anti.stokesových a stokesových linií n n nanti-stokesovy za normální teploty jen ≈ 700 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 218 Výběrová pravidla nintenzita IR čar n x nintenzita Raman. čar n npříklad: symetrická a antisymetrická vibrace lineární molekuly Y - X – 1)symetrická vibrace molekuly s centrem symetrie 2) 2) 2) 2) n n x0 – amplituda vibrace qvibrace aktivní v Ramanově spektru x dipólmoment celé molekuly se nemění → v IR spektru je tato vib. linie zakázaná prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 219 Výběrová pravidla 2)antisymetrická vibrace q q q q q q q qv krajních bodech stejné stavy mol. orb. q x mění se dipólmoment q nv IR spektru je tato linie dovolená v Ramanově spektru je zakázaná prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 220 Výběrová pravidla naktivita vibrací v Ramanově spektru (a v IR) souvisí tedy se symetrií molekul nRAMAN ≈ symetrické vibrace nmolekula se středem symetrie ≈ alternativní zákaz nRamanova spektra ≈ doplněk IR spektra nvyužití: studium symetrie molekul npříklad: CO2 Ram. IR n ≠ 0 + 0 - n 0 - ≠ 0 + n 0 - ≠ 0 + n 0 - ≠ 0 + n nintenzita Ramanových pásů (čar) ≈ výška, plocha nrelativní vyjádření – standard CCl4 ntzv. koeficient rozptylu ρn n 105_příklad prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 221 Plynné skupenství 1)ROTAČNÍ STRUKTURA VIBRAČNÍCH PÁSŮ 2)ČISTĚ ROTAČNÍ RAMANOVA SPEKTRA 3) nvýběrová pravidla pro rotační přechody qdovolené přechody qRAMAN IR RAMAN ≈ 3 větve rot. q∆ J = 0 ∆ J = 0 0 ≈ ∆ J = + 2 λ kratší q∆ J = ± 2 ∆ J = ± 1 Q ≈ ∆ J = 0 q S ≈ ∆ J = - 2 delší q ∆ ṽ = 4 B n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 222 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii 1)zdroj – laser, Hg vysokotlaká výbojka: 253,7; 365,0; 404,7; 435,8; 541,6 nm 2)vzorek (kyveta) – křemenná 3)monochromátor (často 2) 4)detektor – fotonásobič (dříve fotografická deska) n nPLYNOVÝ LASER He-Ne (5:1) qλ = 632,8 nm q q přechod μm q 2s2 → 3p4 3,39 q 3s2 → 2p4 0,63 q 2s2 → 2p4 1,15 n 106_laser plynový prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 223 Plynový laser He-Ne nHe – pomocný plyn qsrážková excitace elektrony – výboj v plynu excitace na hladiny metastabilní 21s a 23s (1 ms) qpřenos energie z He na Ne nepružnými srážkami atomů atomy He pak do základního stavu nNe qblízké excit. hladiny 3s2 a 2s2, které mají proti hladinám 3p4, 2p4 inverzní populaci ty mají krátkou dobu života 10-8s – rychle se vyprazdňují ba hladinu 1s spontánním zářením n n n n 106_He-Ne prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 224 Plynové lasery npřednost plynového laseru – vysoká směrovost záření, neexistuje rozptyl v aktivním prostředí x pevné lasery n nplynové lasery n He-Ne 632,8 nm 80 mW n Ar+ 488,0 nm 1110 mW n Ar+ 514,5 nm 1000 mW n Kr+ 568,2 nm 240 mW n Kr+ 647,1 nm 400 mW n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 225 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii nlasery qpulsní → 106 W; 10-8 s → stimulovaná Ramanův efekt q → inverzní Ramanova spektra q → hyper-Raman. efekt → kvantová chemie q 1) abnormální intenzity q 2) zakázané přechody qkontinuální → analýzy 1) chemická q 2) strukturní n nzáření laseru: qpolarizované (měření depolarizačního faktoru) qfokusovatelné na malou plochu (malé vzorky 0,05 μl) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 226 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii nexcitační jednotka: zdroj + vzorek + zrcadla n n n n n qzesílení záření - laseru q - Ramanova npevné vzorky qtransmisní měření reflexní měření q lisované tablety 107_excitacni jednotka pomocí zrcadel Z1, Z2 108_pevné vzorky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 227 Mikrovlnná spektroskopie npouze rotační spektra npouze plynné látky, velké zředění nabsorpce VF mikrovlnného záření n qλ (mm) 0,1-10 qṽ (cm-1) 100-1 qv (GHz) 3000-30 qE (eV) 0,01-10-4 q qzdroj: vysokofrekvenční oscilátor (klystron) – emituje záření monochromatické → odpadá monochromátor, je laditelný qvedení záření: dutý vlnovod obdélník. průřezu (l=2-10 m) současně slouží jako kyveta se vzorkem qdetektor: Si nebo Ge detektor qosciloskop: nhorizontální vychylovací destičky ≈ zesílený signál z detektoru nvertikální vychylovací destičky ≈ časový signál synchronizovaný s frekvencí Klystronu q 109_instrumentace prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 228 Mikrovlnná spektroskopie nvysoká přesnost nastavení frekvence (10-4 %) nvysoké rozlišení (105 x vyšší než u IR spektroskopie) nvkládání el. napětí na kyvetu (2000 V) → STARKŮV EFEKT = štěpení rotačních linií → měření dipólmomentů nvyužití: qkvantitativní analýza: molekula rotuje jako celek → λ, ṽ, v rotačních linií je charakteristická pro d. látku; vysoké rozlišení → identifikace neznámé látky (spektra standardních látek, analýza směsí) qrozlišení molekul s různými izotopy (35Cl, 37Cl) qměření dipólmomentů Starkovým efektem (t 1% přesnost) qurčení momentu setrvačnosti molekuly → urč. mezijaderných vzdáleností (až ± 0,2 pm = přesnost) a vazebných úhlů qrozlišení rotačních izomerů a studium konformace npodmínky: qplynné skupenství qpermanentí dipólový moment (změna dipólm. při rotaci = výběrové pravidlo) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 229 Magnetická rezonanční spektroskopie nabsorpce záření z radiofrekvenční, resp. mikrovlnné oblasti spektra vzorkem ve vnějším silném homogenním magnetickém poli n nvybuzení - jader do vyšších energetických stavů, které se liší n - elektronů od nižších stavů ORIENTACÍ SPINU n n 1)Jaderná (nukleární) magnetická rezonanční spektroskopie (NMR) 2) 2)Elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie (EPR, ESR = Elektron spinová rezonanční spektroskopie) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 230 NMR spektroskopie 1)PODSTATA NMR SPEKTRA nvyužívá se magnetických vlastností jader atomů nrotace jádra je charakterizována momentem hybnosti (spin, spinový moment hybnosti) n n qI – jaderné spinové kvantové číslo, které závisí na počtu neutronů a protonů v jádře a jejich kombinací qI ≈ (0 → 6), násobky ½ nebo nula q0, ½, 1, 3/2, 2, 5/2, 3, 7/2, 4, 9/2, 5, 11/2, 6 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 231 1) Podstata NMR spektra npravidla (A = Z + N) n 1) A = sudé, Z = sudé → I = 0; = 0; nemagnetická j. n nelze měřit NMR spektra n 2) A = liché → I = ½, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 jsou magnetická n 3) A = sudé, Z = liché → I = 1, (2), 3, (4, 5), 6 jsou magnetická n nI = ½: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P kulově symetrické rozlož. nábojů nI 1: nesymetricky rozlož. náboje → elektrický kvadrupólový moment n je mechanický moment nrotace elektricky nabité částice → magnetické pole → magnetický moment qMAGNETICKÝ MOMENT JÁDRA nγ = Gyromagnetický poměr – charakteristický pro jádro urč. izotopu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 232 1) Podstata NMR spektra n pro 114 stálých izotopů n většina z nich má I = lichý násobek ½ npříklady: qI = ½: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P qI = 3/2: 7Li, 11B, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br qI = 5/2: 17O, 27Al, 127I g – faktor spin-orbitální interakce (100) qI = 7/2: 51V, 59Co m – hmotnost jádra qI = 9/2: 93Nb, 209Bi e – náboj jádra q npouze 6 izotopů má I = celému číslu ≠ 0: qI = 1: 2H, 6Li, 14N qI = 3: 10B, 105Eu qI = 6: 50V q nizotopy 12C, 16O, 32S magnetický moment NEMAJÍ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 233 1) Podstata NMR spektra nv nepřítomnosti vnějšího magnetického pole – nahodila orientace magnetických momentů jednotlivých jader naplikace statického magnetického pole: n precesní pohyb n Larmorova precesní frekvence n n štěpení hladin energie n (energie interakce) n (- minus odpovídá n snížení energie při n souhlasné orientaci n a ) n qδ není libovolný, Em je kvantována q - počet možných orientací je dán magnetickým kvantovým číslem mI qmI nabývá hodnot v rozmezí – I, (- I + 1), … (I – 1), I, celkem (2I + 1) hodnot 113_precesní pohyb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 234 1) Podstata NMR spektra n(2I + 1) = počet možných orientací a počet hladin Em nštěpení hladin je analogické Zeemanovu efektu npříklad: qI = ½; → 2 hodnoty mI: mI = + ½, mI = - ½ qI = 1; → 3 hodnoty mI: 1, 0, -1 q složky ve směru z ( = ) q q q q q 1)pro: mI = + ½ (paralelní orientace a ) je nižší hodnota 2) 2)pro: mI = - ½ (antiparalelní orientace a ) je vyšší hodnota 3) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 235 1) Podstata NMR spektra nvýběrové pravidlo: ∆mI = ± 1 qpřechody mezi - ½ a + ½ jsou přípustné qpřechody mezi -1 a 0, 0 a +1 jsou přípustné qpřechod mezi -1 a +1 není přípustný q nenergie nutná k přechodu do stavu s vyšší magnetickou energií se získá absorpcí kvanta elmag. záření s energií rovnou energet. rozdílu mezi dvěma stavy n npro n n srovnáme s qtj. jádro v magnetickém poli absorbuje elektromagnetické záření o přesně stejné frekvenci, jako je LARMOROVA frekvence precesního pohybu qobě frekvence musí být v rezonanci prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 236 1) Podstata NMR spektra nelektromagnetické záření – radiofrekvenční (vysokofrekvenční) magnetické pole B1 nvektor magnetické indukce B1 kolmé na vektor B0 elmag. ind. stat. pole n→ nastává nukleární magnetická rezonance 115_graf prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 237 1) Podstata NMR spektra 115_NMR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 238 Magnetické vlastnosti jader atomů B0→1T nIZOTOP PŘÍRODNÍ I MAGNET. REZONANČNÍ REL. ZASTOUPENÍ MOMENT FREKVENCE CITLIVOST n (%) (A.m2.1027) (MHz) vztaž. na 1H n n 1H 99,99 ½ 14,11 42,58 1 n 2H 0,01 1 4,33 6,54 1,5.10-6 n 10B 18,83 3 9,09 4,58 n 11B 81,17 3/2 13,58 13,66 0,13 n 12C 98,89 0 0 - - n 13C 1,11 ½ 3,55 10,70 1,8.10-4 n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 239 Měření NMR npři splnění podmínky rezonance je vzorkem absorbována energie oscilujícího magnet. pole B1 nvelikost absorpce se registruje jako změna napětí v další přijímací cívce kolmé na osu magnetu i na osu cívky s RF polem nspektrum: signál = f (B0) [T] – v závislosti na čase 116_mereni NMR npóly supravodivého magnetu n. elektromagnetu ≈ B0 se mění kolem rez. podmínky při konstantní frekvenci vL pole B1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 240 Měření NMR n→ v silnějších polích je třeba vyšších frekvencí → lepší rozlišení nv praxi se zpravidla neměří signály jader všech izotopů, ale jen jednoho – sledují se změny rezonanční frekvence daného jádra v závislosti na struktuře molekul, seskupení atomů… n→ trendy výrobců k vyšším frekvencím npro měření 1H: n MHz, v 40 60 80 100 220 n T, B0 0,94 1,41 1,88 2,35 5,17 117_graf nzávislost rezonanční frekvence vR některých jader na indukci vnějšího mg. pole B0 n nγ – gyromagnetický poměr = směrnice prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 241 Měření NMR nnízká energie kvantovaných stavů a přechodů mezi nimi → absorpce v energeticky chudé – RF oblasti nrozdělení počtu jader mezi různé energ. hladiny nBOLTZMANN n n n nlaboratorní teplota – molekuly a atomy v základním stavu vibračním i elektronickém X jádra – přibližně stejný počet v základním i excitovaném stavu N1 N2 1000008 jader 1H v zákl. stavu ≈ 1000000 1H v excit. stavu npravděpodobnost přechodu ≈ B1 qs rostoucí B1 klesá ∆N = N2 – N1 qpo překročení určité hodnoty B1 → N2 = N1 = nasycení →vymizení signálu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 242 Měření NMR ndlouhá doba života excit. stavu → úzké linie npříčina: malá přechodová pravděpodobnost do zákl. stavu při vyzáření h.v HEISENBERGŮV PRINCIP nteoretická pološířka = 0,0X Hz, praktická = 0,X Hz je limitována homogenitou magnetického pole B0 n nživotnost = relaxační čas, nezářivé přechody do zákl. stavu = relaxační přechody q 1)SPIN – MŘÍŽKOVÁ RELAXACE 2)SPIN – SPINOVÁ RELAXACE n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 243 Spin - mřížková relaxace nMŘÍŽKA = okolí pozorovaného jádra (atomy, molekuly) → místní proměnlivá fluktuující magnetická pole (důsledek pohybu náboje) n nEXCITOVANÉ JÁDRO předává energii mřížce v případě, že „v“ místního pole ≈ LARMOVĚ frekvenci n nodevzdaná energie → teplo n ndoba trvání = spin-mřížkový relaxační čas T1 (v sekundách) qpřevrácená hodnota rychlostní konstanty q nviskozita kapaliny (rozpouštědla) qnízká → T1 (sekundy) → úzké čáry qvysoká → T1 (zkrácení) → rozšíření čar q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 244 Spin - mřížková relaxace nPARAMAGNETICKÉ LÁTKY (nepárové elektrony), např. O2 – diradikálová molekula, pokles T1 qevakuování vzorků q odstranění O2 qprobublávání inertním plynem q ndalší příčiny zkracování T1: qinterakce jad. spinů s jádry, která mají kvadrupólový moment (I 1) 14N → rozšíření linií 1H vázaných na 14N prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 245 Spin - spinová relaxace njádro v excitovaném stavu předá energii jádru stejného druhu v základním stavu („vymění“ si orientaci spinu), nemění se N1/N2, zkracuje se doba života excitovaného stavu n nspin – spinový relaxační čas T2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 246 2) Chemický posun nměření spekter NMR za podmínek, kdy rezonance a absorpce JEDNOHO DRUHU JADER n1H-NMR 13C-NMR 19F-NMR spektra nvýhoda – neprojeví se signály jiných jader → snadnější interpretace n nměníme podmínky v úzkém rozmezí q1H-NMR spektra ≈ 100 MHz ± 1 kHz q19F-NMR spektra ≈ 94,08 MHz n nrezonanční frekvence jader týchž izotopů se při stejných podmínkách měření liší podle typu sloučeniny (způsob vazby, povaha sousedních atom. skupin) → možnosti strukturní analýzy n nzávislost vR na struktuře okolí jader = chemický posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 247 2) Chemický posun npříčina: místo působí místní pole elektrony v obalu – v magnetickém poli → proudy → sekundární slabá mag. pole → stíní jádro n qσ = stínící konstanta - nezávisí na B0 q - závisí na struktuře molekuly n n n npro vyvolání rezonance je proto třeba působit polem s indukcí , aby se překonal vliv stínění nvětší el. hustota → větší stínění qtím větší B0 (v = konst.) qtím větší v (B0 = konst.) nel. hustota v okolí jádra je snižována elektronegativními skupinami v sousedství jádra q-SO3H, -COOH, -COR, -COOR, -OR, -OH, halogeny 120_chemický posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 248 2) Chemický posun n→ elektronegativní skupina snižuje stínění = ODSTIŇUJĚ jádro q→ snižuje B0´ potřebnou k vyvolání rezonance q→ snižuje v potřebnou k vyvolání rezonance n 1)tzv. DIAMAGNETICKÝ EFEKT 2) n 121_diamagnetický efekt prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 249 2) Chemický posun 2)STÍNĚNÍ MAGNETICKY ANIZOTROPNÍMI SKUPINAMI nzeslabování nebo zesilování B0 místními sek. poli tvořenými indukovanými proudy π-el. systému nbenzen, aromáty – nejsilnější efekt nprotony přímo vázané na aromatické jádro – souhlasný směr B0 a induk. sek. pole → ODSTÍNĚNÍ → rez. při nižší B0, v n qBENZEN ≈ 1H signály při nižších B0, v než v nasycených, olefinických a acetylenických sloučeninách q X je-li 1H nad středem benzenového jádra → zde B0 a sek. pole → zvýšené stínění → zvýšení vR, B0 q qACETYLEN – orientace v magnet. poli: osa C≡C je paralelní s B0 → cirkulace elektronů mezi π orbitaly → sek. mag. pole v okolí 1H je orientováno B0 → vysoké stínění → zvýšení vR, B0 > než u olefinických protonů q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 250 2) Chemický posun qIZOLOVANÁ DVOJNÁ VAZBA – indukuje se cirkulace elektronů uvnitř π orbitalu, dvoj. vazba je kolmá na , sek. magent. pole působí v místě olefin. 1H souhlasně s → odstínění 1H → snížení vR, B0 q q q q q q q q qrozdíly rezonančních frekvencí velmi malé (σ ≈ 10-5) qabsolutní měření 1:109 – není možné u , v qrelativní měření – proveditelné u frekvence q nstandard chemického posunu – TETRAMETHYLSILAN q12 ekvivalentních 1H silně stíněno elektrony → jediný ostrý signál při vysoké hodnotě frekvence 122_TMS prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 251 2) Chemický posun nδ (ppm) – pars per million 10-6 npříklad: 60 MHz spektrometr, signál 1H -CH3, vázané na karbonylu methylethylketonu je při frekvenci o 130 kHz nižší než u TMS: n n n n qzvýšení frekvence na 100 MHz → ∆v = 217 kHz → δppm = 2,17 ppm qδTMS = 0, méně stíněné protony ≈ δ > TMS q více stíněné protony ≈ δ < TMS qstupnice τ = 10 – δ (dříve používaná) CH3 - C - C2H5 O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 252 3) Intenzita rezonančních signálů nje úměrná počtu jader a nezávisí na chemickém okolí → poměr intenzit signálů s různým chemickým posunem udává poměr počtu jader daného atomu (izotopu) v různém chemickém okolí n n n n intenzita ≈ plocha píku n Integrální křivky n n 1H spektrum n nízké rozlišení n n odlišnost NMR od UV, VIS: intenzita signálu ne jako propustnost nebo absorbance, jen poměrné číslo n 123_intenzita signalu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 253 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu n n n MULTIPLETY n SPIN-SPINOVÁ n INTERAKCE n n n n n n nefektivní magnetické pole v místě jádra je ovlivněno: q1) stíněním elektrony → chemický posun q2) nepřímou spin-spinovou interakcí 124_stepeni signalu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 254 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu nspin-spinová interakce = interakce jaderných spinů sousedních jader prostřednictvím valenčních elektronů qslabá polarizace el. orbitalů q q opačná orientace → efektiv. mag. pole oslabeno (-Bm) → absorpce při vyšší B q souhlas. orientace → ef. mag. pole zesíleno (+Bm) → absorpce při nižší B q qobě orientace sousedního jádra (I = ½) jsou stejně pravděpodobné – abs. signál rozštěpen na 2 píky qDUBLET – symetrický podle qJA-X – interakční konstanta (Hz) – nezávisí na B0 a v npodmínka štěpení: 1)různé atomy – např. H, F 2)stejné izotopy v různém chemickém strukturním okolí tzv. neekvivalentní jádra q 124_spin-spinova interakce prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 255 125_2 neekvivalentní 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu njsou-li pozorované a sousední jádro ekvivalentní → SINGLET n n1 jádro + 2 neekvivalentní sousední jádra → ± Bm1, ± Bm2 qn jader r → 2n multiplet qpíky o stejné intenzitě q q ovlivnění jaderných spinů je NEPŘÍMÉ = přes valenční elektrony a jejich spiny q q q počet vazeb, které z prostředkují spin- spinovou interakci se udává n n n n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 256 126_3 ekvivalentní 125_2 ekvivalentní 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu n1 jádro a 2 ekvivalentní sousední jádra → ± Bm n n n n n n n1 jádro a 3 ekvivalentní sousední jádra příklad: methylové protony vliv 2 methylenových v CH3CH2OH stav s nulovým příspěvkem je 2x významnější (pravděpodobnost) příklad: methylenové protony vliv 3 methylových v CH3CH2OH prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 257 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu npravidla: 1)0 multiplicitách - N ekvivalentních protonů působí na daný proton; mají odlišný chemický posun od ovliv. jádra; ovlivněný proton dává N+1 linií multipletu (I = ½); obecně pro I je počet linií 2NI+1 2) 2)0 poměru intenzit - relativní intenzity v multipletu ≈ poměru koeficientů binomického rozvoje: (x+1)N q 1 : 1 DUBLET N = 1 q 1 : 2 : 1 TRIPLET N = 2 q 1 : 3 : 3 : 1 KVARTET N = 3 q 1 : 4 : 6 : 4 : 1 KVINTET N = 4 q 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 SEXTET N = 5 q 3)vzdálenosti sousedních linií uvnitř daného multipletu jsou shodné a ≈ J - interakční konstanta 4) 4)chemický posun - odpovídá středu multipletu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 258 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu npodmínky platnosti pravidel o multiplicitě a intenzitě linií: a)rozdíly chemických posunů signálů vzáj. ovliv. jader >> interakční konstanta b) b) b)ovlivňují-li se vzájemně 2 skupiny spinů (A, X), musí všechny spiny skupiny A reagovat stejným způsobem se spiny skupiny X → interakční konstanta JA-X musí být stejná pro všechny dvojice jader A a X c) nje-li splněno a) i b) → SPINOVÉ SYSTÉMY 1. ŘÁDU → NMR spektra 1. řádu qspinový systém = soubor magneticky aktivních jader v molekule, izolovaný od mag. akt. jader ve zbytku molekuly qpopis spinových systémů A … Z; vzdálenost jader ≈ vzdálenost v abecedě nsousední A, B, C, … K, L, M … X, Y, Z nvzdálené A, M … A, M, X, … prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 259 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu npříklad: 3 skupiny jader, v rámci jedné skupiny jsou jádra IZOCHRONNÍ, tj. mají stejný chemický posun q3 protony AMX → JA-M, JA-X, JM-X q q ETHANOL CH3CH2OH q AM2X3 q q JAM = 5,0 Hz q JMX = 7,2 Hz q JAX = 0 Hz q 127_izochrinní jadra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 260 Spinové systémy vyšších řádů nnejsou splněny podmínky: 1)dostatečný rozdíl chemických posunů 2)rovnost interakčních konstant 3) nspektra: 1)větší počet linií než 2NI+1 2)linie nejsou rovnoměrně rozmístěny 3)poměry intenzit se neřídí koeficientem binomického rozvoje 4)chemický posun nemusí odpovídat středu multipletu 5)nelze odečítat přímo chemické posuny ani interakční konstanty (nutné kvantově chemické výpočty) 6) n - neplatí pravidlo o intenzitě linií (zcela přesně) n n - přestává platit pravidlo o počtu linií prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 261 Zjednodušování spekter vyšších řádů 1)měření při vyšší nebo v qprincip: s rostoucí se J nemění ∆δ → roste q 2)odstranění spin-spinových interakcí SPINDECOUPLING dvojnásobnou rezonancí qprincip: působením dodatkového magnetického pole radiofrekvenčního, s frekvencí rovnou vR jádra (A) nebo skupiny jader A, jejichž interakce s ostatními studovanými jádry (X) chceme odstranit qdodatkové pole → rychlé přechody „oscilace“ mezi růz. energ. stavy spinů jader A → jádra X nezachytí různé orientace spinů A, jen „průměr“→ odstranění projevů interakcí qSPIN-SPINOVÁ INTERAKCE: stabilní orientace spinů t = 1/J qDECOUPLING – odstranění spin-spinové interakce mezi jádry stejných i různých izotopů, význam pro jádra s kvadrupólovým el. momentem (odstranění rozšíření signálů sousedních jader) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 262 Zjednodušování spekter vyšších řádů 3)použití posuvových činidel – tvorba komplexů PVZ qPVZ – paramagnetické qvznik aduktů s organickými molekulami qposun vR skupin protonů v závislosti na vzdálenosti: nON PVZ – protony v určité skupině → převedení multipletů s překrytými signály na jednoduché multiplety (i 1. řádu) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 263 Vliv chemické výměny na NMR-spektra 1)přítomnost aktivních = kyselých protonů na heteroatomech (O, N, S: -COOH, -OH, -SH, -NH, -NH2) → rychlá výměna H+ mezi molekulami → střídání protonů s opačně orientovanými spiny → průměrné uspořádání n qpříklad: H+ z OH- skupiny CH3CH2OH → zjednodušení vlivu H+ z –OH na methylenové vodíky → -OH ≈ singlet, -CH2- ≈ kvartet (jen vliv H z CH3) q qchemická výměna i mezi různými molekulami (směs látek, nečistoty) → „průměrná“ společná absorpce při chemickém posunu, který je určen chem. posuny kyselých protonů látek ve směsi a (%) zastoupením q 2)D2O – rozpouštědlo → výměna H+ za D+ → jiný posun → identifikace kyselých vodíků n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 264 Vliv chemické výměny na NMR-spektra 3)β-diketony, β-ketoestery (existuje keto-enol tautomerie), pomalá výměna H+ mezi formami → ve spektru signály obou forem qkvantitativní vyhodnocení poměru signálů → procentové zastoupení 4)konformační izomery qnapř. cyklohexan – odlišné chem. posuny axiálních a ekvatoriálních protonů qpodle rychlosti výměny lze nalézt buď signály konform. izomerů nebo „průměr“ q a)brzděná rotace → neekvivalentní H na methylech b)volná rotace – jediný signál c) q q b) qlze stanovit pomocí NMR rychlostní konstanty q 130_izomery 130_N,N-dimethylamid δ Hax > δ Hekv ∆δ (Hax – Hekv) = + 0,1 až +0,7 ppm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 265 Instrumentace a pracovní technika 1)zdroj RF pole (v) 2)magnet 3)kyveta + vzorek 4)detektor 5)zařízení pro změnu v nebo 6)registrace signálu (zapisovač, integrátor) 7)počítač 8) nvětšina přístrojů: v = konst.; = proměnná (1H-NMR) nad 2) permanentní magnety, elektromagnety se železným jádrem, supravodivé solenoidy chlazené kap. He nzměna - pólové nástavce (cívky s jádrem) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 266 Instrumentace a pracovní technika nhomogenita magnetického pole qdůležité pro vysoké rozlišení (0,1-0,5 Hz) qpřesnost ≈ 1.109 qopracování ploch nástavců, nastavení jejich polohy q nstabilita frekvence RF oscilátoru – krystal křemene (termostatován) qvysoké rozlišení q nvzorky qválcová skleněná kyveta 150 x 5 mm (1 mm) qumístění v soudě – rotace vzduchovou turbínou q50-60 Hz – částečná eliminace nehomogenity magnetického pole prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 267 132_standard Instrumentace a pracovní technika ndetekce rezonance 1)můstková metoda – měří se změna indukce, ke které dochází při rezonanci přímo v cívce emitující RF záření 2)indukční metoda (metoda zkřížených cívek), další cívka kolmá na B1 i B0 nvzorky qneviskózní kapaliny, 5-10%-ní roztok kapalin a tuhých látek (30-50 mg, pro mikro 2-5mg) nrozpouštědla 1)nemají obsahovat protony 2)dobrá rozpustnost vzorků 3)inertní qCCl4, D2O, CDCl3, CD3COCD3, C6D6 qchemické posuny závisí částečně na použitém rozpouštědle nstandardy 1)tetramethylsilan Si(CH3)4 b.v. 26°C 2)hexamethyldisiloxan (CH3)3Si-O-Si(CH3)3 δ = 0,06 3)2,2-dimethyl-2-silapentan-5sulfonan sodný pro vodné roztoky, δ = 0; 131_vzorky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 268 Instrumentace a pracovní technika nvyhodnocování spekter 1)počet singletů a multipletů ≈ počet neekvival. H+ 2)poměry integrovaných intenzit ≈ poměry počtu H+ v jednotlivých skupinách 3)poloha singletů a středu multipletů → charakteristika, identifikace skupin 4) npoužití 1)strukturní analýza 1H a 13C NMR 2)identifikace látek 3)kvantitativní analýza – směsi 4)stanovení molekulových hmotností 5) nširokopásmová NMR- pevné látky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 269 Elektronová paramagnetická rezonance (Elektronová spinová rezonance) nmetoda objevena roku 1945 n npři absorpci energie dochází k přechodu mezi energetickými hladinami odpovídajícími různým orientacím spinu nepárových elektronů n nměří se přechody mezi různými kvantovanými energetickými stavy elektronů ve vnějším magnetickém poli n nfrekvence = GHz, (B0 = 0,33 T; vR = 9,2 GHz) n npodmínka vzniku spekter - nepárový elektron v molekule: qradikály qradikálionty qmolekuly v excitovaném tripletovém stavu: q q prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 270 Elektronová paramagnetická rezonance nspinový magnetický moment n γe - gyromagnetický poměr n norbitální magnetický moment - vektor orbit.mom. hybnosti n ncelkový magnetický moment - vektor celk.mom. hybnosti n n - LANDÉHO faktor n spin-orbit.interakce 2,00232 n nvyjádření pomocí Bohrova magnetonu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 271 Elektronová paramagnetická rezonance nenergie interakce elektronu s polem obecně: n n pro elektron n n energie nerozštěpené hladiny n mz - magnetické spinové kvant. číslo n mz - + ½ základní stav n mz - - ½ excitovaný stav n n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 272 Elektronová paramagnetická rezonance n - rozdíl mezi hladinami energie nepárového elektronu, rozštěpenými v magnetickém poli n nfaktor spin-orbitální interakce (Landéův faktor) má v EPR podobný význam jako chemické posuny v NMR n n∆E, ∆N (rozdíl energií základního a excitovaného stavu, rozdíl populací) je malý, ale VĚTŠÍ než u NMR → mikrovlny (cm) n nμB je stejný pro všechny elektrony → nejsou rozdíly v energii přechodu spinu v blízkosti různých jader n nnepozorujeme vliv struktury na energii přechodů x NMR (nepárový elektron na vnější části molekuly → není stínění) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 273 Signál EPR njediný signál nepárového elektronu n nsuperpozice EPR signálů více nepárových elektronů n nspinové interakce qnepárový elektron x jádra magneticky aktivní – H qvzájemné interakce mezi nepárovými elektrony v téže molekule q nštěpení signálů - jako v NMR: qnepárový eletron - spinová interakce s N jádry (magneticky ekvivalentními) → 2N + 1 linií qI = spinově kvantové číslo jádra atomu, s nímž nepárový elektron interaguje, I = ½ pro H qintenzita signálu - poměry linií ≈ BINOMICKÝ ROZVOJ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 274 Elektronová paramagnetická rezonance nvelikost interakce – konstanta hyper jemného štěpení ax ≈ interakční konstantě v NMR qax roste s klesající vzdáleností nepárového elektronu od jádra X → rozložení pravděpodobnosti výskytu nepárového elektronu na určitém místě molekuly-radikálu (spinová hustota) qidentifikace radikálů v koncentraci 10-11-10-12 mol.l-1 q q q nvyužití: měření lze provádět v kapalném, plynném i pevném skupenství qsledování volných radikálů (elektrochemie, fotochemie…) nbiologické materiály nmolekuly sorbované na povrchu aktivních látek nradikály při destrukci materiálů qelektronová struktura přechodných prvků a organokovových sloučenin (heterogenní katalýza, biochemické a biologické aplikace) qdefekty v krystalových mřížkách 135_ax prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 275 Instrumentace EPR 1)zdroj záření - klystron - mikrovlny 27-35 GHz, konstantní frekvence zdroje 2)magnet - indukce 1,5-5 T (proměnná) 3)vlnovod - vede záření ze zdroje do měřicí sondy ke vzorku a pak na krystalovou diodu - detektor 4)zesilovač → zapisovač, osciloskop 5) 5) 5) nměřicí cely ve formě reaktorů → produkce radikálů – udržení konstantní hladiny; zvýšení životnosti – nízké teploty (77 K) npřesné hodnoty G-faktoru radikálů: standard (DPPH) = 2,0036 N,N-difenyl-N´-pikrylhydrazyl 135_DPPH 133_elektronova spinova rezonance prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 276 Metody založení na změně směru záření a stáčení roviny polarizovaného světla nINTERFEROMETRIE nREFRAKTOMETRIE nPOLARIMETRIE n nrefraktometrie qměření refrakce směsi methanolu a ethanolu qgeometrická optika qindex lomu qSNELLŮV ZÁKON α - úhel dopadu q β - úhel lomu q v1 – rychlost šíření světla v prostředí 1 q v2 – rychlost šíření světla v prostředí 2 qrelativní index lomu – n12 – z 1 do 2 1_refraktometrie_c prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 277 1_refraktometrie_b qabsolutní index lomu q c – rychlost světla v vakuu q N = f (hustoty ρ) = f (složení, c) q N - aditivní x možnost využití pro kvalitativní analýzu q q q q NK index lomu (abs.) kapaliny q NS abs. index lomu skla q βmax mezní úhel q q q q index lomu ≈ elektronová polarizace q ɛr – relativní permitivita q μr – relativní permeabilita Refraktometrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 278 Refraktometrie nrefrakce - vztah mezi hustotou a indexem lomu (Lorenz-Lorentz) n qspecifická (měrná) refrakce R [cm3.g-1] q qmolární refrakce RM [cm3.mol-1] q M – molární hmotnost q qspecifická refrakce má aditivní charakter → měření složení směsí (složení směsí lze vyjádřit objemovým, hmotnostním nebo molárním zlomkem) q ndisperze qměrná disperze rozdíl měrných refrakcí pro 2 vlnové délky; F,C – čáry vodíkového spektra, F ≈ 486,1 nm, C ≈ 650,3 nm qmolární disperze q q nrefrakce a disperze – studium struktury organických molekul q n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 279 Refraktometrie nvýhody: qjednoduchost qrychlost qmalá spotřeba vzorku qpřesnost q nindex lomu závisí na: qfrekvenci záření n ≈ v n500, nD qteplotě (t) q q - sodíkový dublet 25°C q qtlaku (plyny) q qpřepočet na normální podmínky 1_refraktometrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 280 Refraktometry 1)PULFRICHŮV qnemá kompenzaci disperze (nutní monochromatické světlo) qlze měřit index lomu i optickou disperzi qzdroj záření, kondenzor, clonka, lámavý hranol, kyveta, dalekohled, nastavení úhlu hrubé + jemné ± 0,05´ qdalekohled – ostření na světelné rozhraní (mezní úhel) q q q nH - index lomu hranolu q α - úhel lomu qpřesnost 10-5 jednotek indexu lomu q∆t = 0,05 - 0,1 °C q 2_pulfrichuv ref prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 281 Refraktometry 2)ABBEHO qmá kompenzátor optické disperze → lze použít polychromatický zdroj světla qpřesnost 10-4 jednotek n, ± 0,1 °C qširoký rozsah 1,30-1,70 2_abbeho ref prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 282 Refraktometry 3)PONORNÝ (ZEISS) qlomný hranol a dalekohled mají neměnnou polohu qsada 10 hranolů pro úzké oblasti indexů lomu, celkový rozsah ∆n = 1,325 až 1,647 qempirická stupnice v okuláru odečet dílků ≈ rozhraní nalezení indexu lomu dle tabulek pro příslušný hranol 2_ponorný ref prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 283 Refraktometrie nměření pevných látek 1)neprůhledné – v odraženém světle 2)průhledné – v kapalině s velkým indexem lomu monobromnaftalen n20 = 1,6582 3) npodmínka přesnosti – konstantní teplota qtemperační pláště hranolů qultratermostat ≈ 0,01 °C n- 60°C +1 ≈ methanol n+ 1, + 99°C ≈ destilovaná voda n+ 99, + 150 °C ≈ glycerol prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 284 Refraktometrie naplikace qsacharosa qsušina q qkontrola čistoty látek (org. rozpouštědel) qbinární směsi (metoda kalibrační křivky) MeOH, H2O qdvousložkové roztoky – změna indexu lomu s koncentrací qternární směsi rozpouštědel (trojúhelníkové diagramy) (MeOH, EtOH, H2O) pH, hustota 1)změřit hustotu 2)změřit index lomu 3)v troj. diagramu nalézt průsečík a odečíst složení 4) qdifereční měření – určovaná komponenta v roztoku zreaguje, reakce musí být spojena se změnou indexu lomu; mění se n před reakcí a po ní; rozdíl mezi teoretickou hodnotou nv a naměřenou nn je úměrný koncentraci určované látky v cukerných šťávách a roztocích, marmelády, sirupy, máslo, rostlinné a živočišné tuky (sušina) 4_aplikace prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 285 Refraktometrie nnapříklad: n q R1, R2 - specifická refrakce čistých složek, R - směsi, p - hmotové procento 1. složky ve směsi qlinearita plyne z aditivity - jen v ideál. směsích qlze kalibrovat i přímo v indexu lomu: q φ1 – objemový zlomek q nhustota se určí pyknometricky n qρt - hustota měř. kapaliny (směsi) při teplotě t (20°C) qρ0 - hustota dest. vody (20°C) qρ* - hustota vzduchu (20°C) qm, m0 - hmotnost měř. kapaliny/vody v pyknometru q nověření experimentálně získaných hodnot R pro směsi výpočtem podle (A) - závislost R = f(p) graficky srovnat teoretické hodnoty RM pro EtOH a MeOH z atomových refrakcí s naměřenými hodnotami prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 286 Polarimetrie npolarizace světla (MALUS 1808) 6_polarimetrie 6_polarizace korunové sklo N = 1,52 α = 57° qsvětlo - příčné elektromagnetické vlnění qpolarizace odrazem - kmitání jen v rovině kolmé k rovině dopadu qpolarizované světlo - kmity v jediném směru qpolarizační rovina je kolmá k rovině kmitání → je to rovina dopadu – světlo je polarizováno v rovině dopadu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 287 Polarimetrie núplná polarizace jen při určitém úhlu dopadu = polarizační úhel nBREWSTERŮV ZÁKON qsvětlo odražené pod Brewsterovým úhlem bude lineárně polarizované v rovině kolmé k rovině dopadu 6_Brewsterův zákon prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 288 Polarimetrie ndvojlom světla (E. Bartholinus 1670) qislandský vápenec – paprsek se při průchodu dělí na 2 paprsky nřádný (o) – platí Snellův zákon nmimořádný (e) – neplatí Snellův zákon qoptická osa krystalu – paprsek se nedělí qrovina určená paprskem a optickou osou = hlavní rovina qpaprsky o i e jsou polarizovány: no polarizován v rovině hlavního řezu ne polarizován v rovině kolmé k hlavnímu řezu 7_nikol 7_vlnoplochy ABCD – rovina hlavního řezu dvojlom – anizotropnost prostředí N0 < Ne N0 > Ne prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 289 interference eliptická polarizace ninterference o a e po výstupu: stejná frekvence, ale fázový posun: a)ve fázi nebo v opačné fázi q → lineární polarizace stálá polarizační rovina b)obecný fázový rozdíl q → polarizační rovina se otáčí q q q q nkruhová polarizace: dráhový rozdíl qčtvrtvlnová destička, rovnoměrné otáčení s frekvencí světla q nDICHROISMUS – jeden z obou paprsků vzniklých dvojlomem se více v daném prostředí pohlcuje (turmalin) – získávání polarizovaného světla Polarimetrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 290 Polarimetrie nrotační polarizace (Arago 1811) qzpůsobena opticky aktivními látkami: je to stáčení polarizační roviny lineárně polarizovaného světla qlátky pravo- a levotočivé (asymetrický uhlík) q c - koncentrace, l - délka dráhy (opt.), αs - specifická otáčivost nFresnel: lineárně polarizované světlo se v opticky aktivní látce rozkládá na 2 opačně kruhově pol. vlny - různá rychlost - sklád. ndiferenční metoda: qsrážecí titrace – stanovení vysrážených iontů (bod ekvivalence) qextrakční metody – vytřepání látky do jiného rozpouštědla nstudium struktury molekul qmolekulová refrakce = Σ atomových refrakcí + inkrementy (= vazebné příspěvky v tabulkách) ∆ vypočtených a naměřených hodnot qměrná nebo molární disperze qstudium anorganických komplexů v roztocích a dějů: solvatace iontů, disociace, asociace, fázové rovnováhy, chemická kinetika… prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 291 Interferometrie nměření rozdílu indexů lomu mezi známým a neznámým prostředím, využívá se ohyb a interference světla na štěrbině ninterferenční pásy – světlé a tmavé pruhy n nprůchod světla prostředími o různém indexu lomu – rozdílné opoždění paprsků → posun interferenčních pásů – úměrný rozdílu indexu lomu n ninterferometr qzdroj → kolimátor → dvojitá svislá štěrbina → 2 kyvety → kompenzační zařízení → dalekohled qkyveta zasahuje do poloviny výšky štěrbiny → každý ze svazků interferovaného záření se rozdělí na 2 – kompenzace posunu qstanovení CH4, CO, CO2, důlní plyny