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 oblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda E-8 E12 E22 E8 kosmické z. E-6 E10 E20 E6 gama z. at. jádra Mössbauerova s. E-5 E9 E19 E5 RTG z. vnitřní el. RTG spektrosk. E-2 E6 E16 E2 poznámka E12 = 1012 atd prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 5 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody – MOLEKULOVÁ S. oblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda E-2 E6 E16 E2 UV vzdálená valenční el. AAS, AES, 0,2 E4 E15 6,2 AF, MAS UV blízká valenční el. molekulová 0,4 E4 E14 3,1 luminiscence viditelná valenční el. 0,8 E4 E14 1,5 IR blízká vibrace a Infračervená 2 E3 E14 0,6 rotace a Ramanova IR střední molekul spektroskopie 20 500 E13 0,06 IR vzdálená rotace mol. Mikrovlnná 100 100 E12 E-2 mikrovlnná rotace mol. spektroskopie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 6 Oblasti elektromagnetického záření a spektrální metody oblast záření λ (μm) ṽ (cm-1) v (Hz) E (eV) typ. excit. metoda 100 100 E12 E-2 mikrovlnná rotace mol. E4 1 E10 E-4 radar spiny elektr. Paramagnetická E6 E-2 E8 E-6 reson. sp. (ESR) televize jaderné spiny Nukleární E8 E-4 E6 E-8 magnetická radiové vlny resonanční E10 E-6 E4 E-10 sp. (NMR) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 7 Elektromagnetické záření  hmota  látka  pole  elektrické  magnetické POLARIZOVANÉ ZÁŘENÍ NEPOLARIZOVANÉ ZÁŘENÍ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 8 Elektromagnetické záření  charakter  vlnový  korpuskulární (fotoelektrický jev)  Planckův zákon - kmitočet, λ - vlnová délka, c - rychlost světla (ve vakuu), f - frekvence N - absolutní index lomu v daném prostředí c = 299 792 458 m.s-1 - nezávisí na prostředí (tj. na indexu lomu) → λ λ - závisí na indexu lomu  vlnová délka je ve vzduchu (skle atd…) vždy kratší než ve vakuu    hEE 12  c ;; v c Ncv  1N N cv 1     prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 9 Elektromagnetické záření  vlnočet , σ  počet vln na jednotku délky  energie záření  přímo úměrná frekvenci (kmitočtu) vlnočtu  nepřímo úměrná vlnové délce  jednotky: λ: 1 nm = 10-3 μm = 10-6 mm = 10-9 m  nepovolená: Å (angström) = 0,1 nm = 10-10 m  rozlišení spekt. čar a šířka spekt. intervalu v atomové spektroskopii: 1 pm (pikometr) = 10-3nm : m-1; cm-1 ≡ 1 K (KAYSER) ~ )(~1~ vakuumc      ch h   ~ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 10 Elektromagnetické záření  standardy vlnových délek  vlnový normál – primární standard – oranžová sp.  čára kryptonu Kr86 605,7802106 nm  sekundární standard  čáry Fe, Ne, Kr  fáze fázový posunt T t   22    2211 2sin2sin   tAutAu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 11 Elektromagnetické záření  je charakterizováno  frekvencí (kmitočtem)  vlnovou délkou  rychlostí  energií ≈ A2 (čtverec amplitudy)  polarizací  koherencí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 12 KVALITA - poloha maxima signálu na ose λ, ṽ, KVANTITA - velikost signálu při dané hodnotě λ, ṽ,  předpoklady 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 MĚŘENÍ SIGNÁLU - FOTOMETRIE Kvalitativní a kvantitativní aspekty záření   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 13 Měření energie transportované zářením  vymezení prostoru transportu  svazek paprsků, obalová plocha (kuželová) divergentní konvergentní 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) dt dQ d e e   cosddSLd ee  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) ZÁŘIVOST [W.sr-1] 4) INTENZITA VYZÁŘENÍ [W.m-2] 5) OZÁŘENÍ [W.m-2] A – ozářená plocha   d d I e e  dS d M e e   dA d E e e   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 15 Fotometrie OBJEKTIVNÍ (objektivní měření zářivého toku v celém rozsahu vlnových délek) Qe zářivá energie [J], [W.s] J = m2.kg.s-2 Φe zářivý tok, tok záření [W] = [J.s-1] Ie zářivost [W.sr-1] intenzita ozařování, ozáření [W.m-2] zář, měrná zářivost [W.sr-1.m-2] expozice, osvit [J.m-2] 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  kandela (SI)  svítivost absolutně černého tělesa v kolmém směru k povrchu velikosti 1/600 000 m2 při teplotě tuhnutí platiny a při tlaku 101,325 kPa  mechanický ekvivalent světla  zářivý tok světla λ = 555 nm (OKO), jehož světelný tok je 1 LUMEN  M = 0,00147 W.lm-1  Km = 680 lm.W-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 17 Typy interakcí záření - hmota  emisi předchází excitace  srážková - ionty (atom. metody)  zářivá (fotonové buzení) - fluorimetrie, fluorescence  proudem elektronů EMISE ABSORPCE FLUORESCENCE SPEKTROSKOPIE molekulová atomová emisní absorpční fluorescenční prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 18 Schéma jednopaprskového mřížkového spektrofotometru SPEKOL 1 - světelný zdroj 2 - kondenzor 3 - zrcadlo 4 - vstupní štěrbina 5 a 7 - kolimátorový objektiv 6 - mřížka na odraz 8 - výstupní štěrbina 9 - kyveta se vzorkem 10 - barevný filtr 11 - selenový fotočlánek 12 - nastavení vlnových délek 13 - tranzistorový zesilovač 14 - indikační přístroj prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 19 Molekulová spektroskopie  soubor metod založený na využití těch vlastností molekul, které jsou spojeny s přítomností KOVALENTNÍCH a KOORDINAČNÍCH VAZEB  spektrum – závislost veličiny úměrné velikosti zářivého toku nebo jeho úbytku na veličině úměrné energii monochromatického záření (tj. na λ, , ṽ)  rozdělení metod  podle interakce látka-záření  podle spektrální oblasti  podle signálu  emisní  absorpční  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 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  výběrová pravidla  dovolené přechody: změna dipólmomentu molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 23 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti 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  signál: emisní, absorpční (luminiscenční)  absorpčně-spektrometrické veličiny  tok - dopadající Φ0 - propuštěný Φ  transmitance  absorptance  absorbance            %log2 % 100 log 0loglog %0100100 011 10 %1000%100 0 0 0 0 0 T T A ATA T T TT TT                                            prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 26 Molekulová spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra  lineární funkcí c, l je  dekadický logaritmus BUNSENOVA varianta clTAnat    lnln 0 TAcl loglog /0     prepocetAAnat cl   303,2100  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 27 Absorpční molekulová spektroskopie v UV-VIS oblasti, podstata spekter  molekulové orbitaly – metoda MO-LCAO ba ba cc cc   212 211   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 28 Absorpční molekulová spektroskopie v UV-VIS oblasti, podstata spekter  symbolika molekulových orbitalů  osové kvantové číslo λ – analogie vedlejšího (orbitálního) kvantového čísla l atomů  λ – kvantuje úhlový (orbitální) moment hybnosti elektronu na dané energetické hladině molekuly σ, π - vazebný; σ*, π* - antivazebný  celkové orbitální kvantové číslo Λ ≈ L pro atomy  1 2     h p λ 0 1 2 3 4 orbital σ π δ φ γ  i 1Λ 0 1 2 3 4 orbital Σ Π ∆ Φ Γ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 29 Pauliho princip  hladina ≈ max. 2 elektrony (opačné spiny)  celkové spinové kvantové číslo + pro elektrony paralelní; - pro elektrony anitparalelní;  zaplněné hladiny S = 0  multiplicita 2S + 1 – štěpení hladin  symbol energetické hladiny molekuly (term) 2S+1Λ  dublety 2Σ 2Π 2∆ triplet 3Σ   2 1 ii ssS 2 1 sm 2 1 sm 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 0 0 1 symetrické podle osy spojující jádra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 32         210 ,,, 100 ,,, ugguug guugug ddatomové ppatomovéssatomové   Π Π ∆ 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  důsledek kombinace prostorových a spinových funkcí  2 elektrony  paralelní spin  antiparalelní spin 1120 2 1 ; 2 1 2121  SssSss 3121 2 1 ; 2 1 2121  SssSss TRIPLET SINGLET SnTn STST ST EEE EEEE EE  2211   singletové-tripletové štěpení výměnné interakce prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 34 Typy elektronických přechodů v molekulách a jejich projevy ve spektru σ, 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 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 35 Typy elektronických přechodů v molekulách a jejich projevy ve spektru 1) σ → σ*  vzdálená UV oblast (< 150 nm)  jednoduché vazby v nasycených HC  nespecifické informace → malé využití 2) n → σ*  i blízká UV oblast  molekuly s volnými el. páry (v nevazeb. orbitalech) O, S, N;  E, λ = f (ELEKTRONEGATIVITY); čím menší elektronegativita, tím delší λ CH3Cl, CH3Br, CH3I173 nm → 258 nm 3) π → π*  nenasycené sloučeniny VUV (C2H4 ≈ 175 nm)  konjugace → delší λ 4) n → π*  270 – 290 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 36 Chemická teorie barevnosti CHROMOFORY a AUXOCHROMY VIS 400 – 760 nm 1) CHROMOFOR – „nositel barevnosti“ – funkční skupiny, strukturní prvky 2) AUXOCHROM – vazba na chromofor – prohloubení barevnosti (volné el. páry schopné konjugace s el. systémem chromoforu) auxochrom → chromofor → posun a změna ɛr 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  významné absorpční pásy – při dlouhých vln. délkách  nejcharakterističtější pro danou látku  přechod elektronu mezi hladinami s nejmenší ∆E  z obsazeného orbitalu s největší energií HOMO Highest Occupied Molecular Orbital  do volného orbitalu s nejnižší energií LFMO Lowest Free Molecular Orbital  poloha absorpčního pásu – řešení Schrödingerovy rovnice, aproximativní metody – π, n orbitaly, zanedbání σ  π – elektronová aproximace (Hückel) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 38 Tvar a vibrační struktura absorpčních pásů Franck – Condonův princip max. překryvy vlnových funkcí (max. signál) 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  určují zda je určitý přechod elektronů dovolený nebo zakázaný 1) zakázané jsou přechody, při nichž se mění multiplicita (tj. přechody mezi singletovými a tripletovými stavy)  2S + 1 S = Σ si  podmínka abs. přechodu ∆S = 0  výjimka: 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  moment přechodu Rmn d nm  ,R   , - vektor dipólmomentu; - vlnové funkce stavů m,n - symetrické meze integrace; - prostorový element - podmínka absorpce    0dRR nmmn  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 R  0mnR nm  , m n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 42 Výběrová pravidla  jedna z vln. funkcí (excit. nebo zákl. stavu) musí být lichá, druhá pak sudá → symetricky zakázané (dovolené) přechody  analogie u atomových orbitalů  s – sudá, p – lichá, d – sudá, f – lichá → s → p, p → d, d → f DOVOLENÉ s → s, p → p, d → d, f → f, s → d, p → f ZAKÁZANÉ  molekulové orbitaly  zakázané přechody g → g u → u  absorpční pásy  intenzivní (dovolené přechody)  slabé (zakázané přechody) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 43 Výběrová pravidla 3) absorpce závisí na úhlu mezi a el. vektorem elektromagnetického záření  statické orientace molekul  el. vektor elmag. zář. kmitá ve všech směrech v rovině kolmé na směr šíření R  ≈ MAX ≈ 0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 44 Výběrová pravidla  intenzita absorpčního pásu ≈ Rmn  síla oscilátoru (Oscillator Strength) 2 max    2 1 ~ ~ 9 ~1032,4    dfmn pološířka = šířka v poloviční výšce symetrický pás 2 2 3 8 mn mn mn R eh c f       ~1032,4 max 9   mnf prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 45 Elektronická spektra důležitých tříd látek 1) ALIFATICKÉ NENASYCENÉ UHLOVODÍKY  dvojné a trojné vazby, π → π* přechody N → V a) izolované dvojné vazby (< 200 nm)  C2H4 ≈ 175 nm, substituce alkyly vede k posunu 175 → 200 nm  spektrum 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  delokalizované π-elektrony  interakce chromoforů: z molekulových orbitalů samostatných chromoforů vznikají konjugací chromoforů nové molekulové orbitaly s odlišnými energiemi C4H6 BUTADIEN prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 46 Alifatické nenasycené uhlovodíky  BUTADIEN 4 atomové orbitaly 2p ≈ vlnové funkce Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4 → → 4 molekulové orbitaly π2, π1, π1*, π2* ≈ vlnové fce Φ1, Φ2, Φ3, Φ4, lineární kombinace AO  delokalizované 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 π vazebné ≈ φ1 = c1Ψ1 + c2Ψ2 φ2 = c3Ψ3 + c4Ψ4 π* protivazebné φ3 = c1Ψ1 - c2Ψ2 φ4 = c3Ψ3 - c4Ψ4 DELOKALIZOVANÉ φ1, φ2 < φ3, φ4 π2: Φ1 = φ1 + φ2 = c1Ψ1 + c2Ψ2 + c3Ψ3 + c4Ψ4 π1: Φ2 = φ1 - φ2 = c1Ψ1 + c2Ψ2 - c3Ψ3 - c4Ψ4 π1*: Φ3 = φ3 - φ4 = c1Ψ1 - c2Ψ2 - c3Ψ3 + c4Ψ4 π2*: Φ4 = φ3 + φ4 = c1Ψ1 - c2Ψ2 + c3Ψ3 - c4Ψ4 π2* > π1* > π1 > π2 π2 < π < π1 π1* < π* < π2* VAZEBNÉ PROTIVAZEBNÉ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 48 Alifatické nenasycené uhlovodíky → konjugace ≈ snížení ∆E mezi HOMO π1 a LFMO π1* ve srovnání s C2H4 g → g přechody: π1 → π1* (delší λ); π1* → π2* π2 → π2* (kratší λ); π2* → π1* u → u ∆E (π1 → π1*)BUTA < ∆E (π → π*)ETHYL → λmax = 217 nm BUTA ZAKÁZANÉ SYMET. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 49 Alifatické nenasycené uhlovodíky  nejdlouhovlnější pás ≈ největší význam, N → V1 přechod  série lineárních polyenů nenasycené alternující uhlovodíky n – počet nenasycených konjugovaných vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 50 Alifatické nenasycené uhlovodíky  alternující uhlovodíky  počet dvojných vazeb roste  ∆E přechodu N → V1 klesá  λmax roste (Bathochromní posun) → barevnost  ɛ roste (intenzita absorpce)  A, B konstanty = f (R1, R2), kde R1-(CH=CH)n-R2  R1, R2 ≈ také  n BARVA: 4-5 žlutá 8 oranžová 15 fialová  vysoké hodnoty n → konvergence bathochromního posunu konst. hodnotě BnA max prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 51 Alifatické nenasycené uhlovodíky  izomery  TRANS  CIS  trans  lepší dipolární struktura, vyšší stabilizace excitovaného stavu  větší snížení ∆E mezi excitovaným a základním stavem ve srovnání s cis → absorpční pás k vyšším λ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 52 Alifatické nenasycené uhlovodíky  acetylen + polyiny  trojná vazba  kratší, π el. silněji poutány, σ (hybridizace sp), πx, πy, πx*, πx*, σ* → acetylen ≈ 2 absorpční pásy pro π → π* přechody  C2H2 ≈ 173 nm  maxima intenzivních nejdlouhovlnějších pásů polyinů jsou posunuta o 50 nm ke kratším λ ve srovnání s polyeny (stejné M)  s 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  příklad: 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  nenasycené ketony a aldehydy  nenasycené kyseliny a jejich deriváty absorbují při kratších λ než prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 54 Alifatické nenasycené uhlovodíky  polyiny  výrazná vibrační struktura  při konjugaci více než 2 trojných vazeb ɛmax → 100 000 - 500 000  jedny z nejvyšších hodnot ɛ v org. sloučenin, příčina:  lineární struktura sp hybridizace  větší 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  přechody  n → σ* (VUV) nasycené ethery, alkoholy, thioly, aminy, alkylhalogenidy  π → π*  n → π* C ≈ He 2s22p2 O ≈ He 2s22px 2py 1pz 1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 56 Deriváty alifatických uhlovodíků  FORMALDEHYD 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  nejdelší vln. délka ≈ n1 → π*  další přechody: n2 → π*, π → π*; vliv CIS-TRANS  např. diazomethan, ɛmax = 1200, λmax = 410 nm  chromofory s nevazebnými páry – konjugace s násobnými vazbami – snižování ∆E mezi:  n a π* (N → Q)  π a π* (N → V1)  s rostoucím počtem n´ konjugovaných dvojných vazeb se snižuje více rozdíl mezi π a π* než rozdíl n a π*  AZOSKUPINA - N = N - prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 58 Elektronická spektra důležitých tříd látek 3) AROMATICKÉ UHLOVODÍKY, JEJICH HETEROANALOGA A SUBSTITUČNÍ DERIVÁTY  alternující uhlovodíky  každý atom jednoho druhu je obklopen pouze atomy opačného druhu  nealternující uhlovodíky  A.U. ,mají molekulové orbitaly s energetickými hladinami symetricky rozloženými kolem střední hodnoty prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 59 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty a) benzen a kondenzované aromatické uhlovodíky  6x pz orbital → 3x π + 3x π*  ∆E (1 → 2´) = ∆E (1´ → 2)  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  1→1´≈p-PÁS (1La) 1→2´≈α-PÁS (1Lb) 2→1´≈β-PÁS (1Ba,b) → 3 přechody ≈ 3 absorpční pásy BATHOCHROMNÍ POSUN S ROSTOUCÍ N (JADER BENZ.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 61 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty b) substituční deriváty benzenu  tří pásový systém benzenu zachován  bathochromní posun vlivem substituentů  intanzita abs. pásů roste vlivem substituce (porušení symetrie π-el. systému)  potlačení vibrační struktury velikost bath. posunu: P-PÁS: 200 → 210 až 240 nm  - R, - X (alkyly halogenidy) – INDUKTIVNÍ EFEKT stejný vliv na G i E stav → mírný bath. posun α, p pásů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 62 Substituční deriváty benzenu  - 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)  - NO2, - COOH, - COR, -CHO, C ≡ N v konjugaci s benzen. jádrem, bathochrom. posun, vzrůst ɛ α, p pásů, současně -M EFEKT 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)  → výrazný bathochromní posun a hyperchromní posun (ɛmax)  důvod: nový molekulový orbital = možnost přechodu  obsahují-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 SUBSTITUCE → POTLAČENÍ VIBRAČN STRUKTURY omezí se možnost vibrace PŘÍČINY vzroste počet vibračních hladin a přechodů → překrytí vibračních pásů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 64 Aromatické uhlovodíky, jejich heteroanaloga a substituční deriváty c) heterocyklické sloučeniny  nasycené: n → σ* absorpce < 200 nm (jako alifatic.)  aromatické: 6-článkové ≈ , pyridin N – porušení symetrie π systému → zvýšení absorpce izoelektronické prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 65 Heterocyklické sloučeniny  5-článkové:  elektronegativita: O > N > S  zapojení el. páru do π systému: O < N < S 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  několik konjugovaných chromoforů  funkční skupiny obsahují heteroatomy a jsou odděleny:  soustavou lichého počtu methionových skupin se střídajícími se jednoduchými a dvojnými vazbami - CH =  methionovou skupinou se dvěma s částečně chinoidní strukturou  uhlíkem se 3 s část. chinoid. strukturou prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 67 Organická barviva trifenylmetanové barvivo: BENZAURIN – kyselé  koncové funkční skupiny vstupují do konjugace svými vol. el. páry → mají ionoidní charakter (náboje) trifenylmetanové barvivo: MALACHITOVÁ ZELEŇ – bazické  totožné koncové skupiny → nejdokonalejší konjugace → největší bathochromní a hyperchromní posun X nesymetrické substituenty ≈ kratší vlnové délky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 68 Elektronická spektra důležitých tříd látek 5) ANORGANICKÉ IONTY A KOMPLEXY KOVŮ  kovové ionty Mn+  jednoduché anionty (Cl-, Br-, I-)  anionty víceatomové (koval. vazby: CO3 2-, SO4 2- ≈ org. chromoforům)  komplexy s ligandy ATOMOVÉ ORBITALY (přechody ≈ atomovým spektrům MOLEKULOVÉ ORBITALY TEORIE LIGANDOVÉHO POLE MOLEKULOVÉ ORBITALY prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 69 Anorganické ionty a komplexy kovů  ionty přechodných prvků – hybridizace d2sp3, sp3d2 OKTAEDRICKÁ HYBRIDIZACE  vnitřní orbitalové (nízkospinové) KOMPLEXY  vněorbitalové (vysokospinové) (d4, d5, d6, d7) CFT, ACFT, LFT teorie ligandového pole, teorie krystalového pole prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 70 Anorganické ionty a komplexy kovů  SPEKTRÁLNÍ PŘECHODY 1) LFT  d → d přechody v atomových orbitalech  multiplicidně  spinově  d → π přechody mezi d orbitaly kationtů Mn+  π → d π orbitaly ligandů X, X- 2) MO  nestačí uvažovat jen elektrostatickou interakci kov-ligand podle LFT, ale kombinaci:  s, p, d AO kom  σ, π MO ligandu  energie orbitalů v pořadí: σLIGAND < πLIGAND < (n-1) dkov < nskov < npkov zakázané → slabé absorpční pásy → MO prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 71 Anorganické ionty a komplexy kovů  nejčastěji oktaedrické uspořádání: centr. at. + 6 ligandů 1) 6 σLIG + (s, p, d) orbitaly kovu 6 σ nebo + 6x (sp3d2) hybridizované 6 σ* 2) 6 πLIG + p, d orbitaly kovu → 6 π, 6 π*  malé rozdíly mezi energiemi obsazených a neobsazených MO → absorpce ve viditelné oblasti, mnoho pásů max. 12e prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 72 Elektronická spektra důležitých tříd látek 6) SPEKTRA PŘENOSU NÁBOJE (CHARGE-TRANSFER) donor  2 molekuly blízko sebe elektronu akceptor  excitace z obsazeného orbitalu donorového do neobsazeného orbitalu akceptoru → vzniká „charge-transfer komplex“  nový absorpční pás = pás přenosu náboje, malý rozdíl E, delší vlnové délky – VIDITELNÁ OBLAST – BAREVNÉ LÁTKY donory: n, π, σ akceptory: π, σ, v jód v organických rozpouštědlech uhlovodíky halogenová rozpouštědla s heteroatomem rozp. fialová (jako páry I2) s volným el. párem kyslíkatá přechody mezi MO jodu rozp., pyridin → hnědá přechody el. páru O na MO jódu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 73 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra  chromoforní systém konjugovaných nenasycených vazeb  zvýšení konjugace → bathochromní posun + hyperchromní posun  snížení konjugace → hypsochromní + hypochromní posun 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 1.-5. vnitřní vlivy 6. a 7. vnější prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 74  BIMESITYL – absorpce při stejné vlnové délce jako mesityl, ale 2-násobná intenzita 5. TAUTOMERNÍ ROVNOVÁHY  t. formy mají odlišné konjugované systémy Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra 4. STERICKÉ EFEKTY prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 75 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra 6. VLIV ROZPOUŠTĚDLA  interakce:  dispersní  dipól-dipól  vodíková vazba  charge-transfer komplexy  ovlivnění:  uspořádání elektronů v  prostorového momentu  dipólového momentu  větší polarita → silnější interakce  nepolární rozpouštědla – spektra rozpouštěných látek odpovídají spektrům v parách  polární 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  interakce dipól – dipól:  excit. stav ≈ polárnější struktura → 1) stabilizace π* → snížení energie přechodu π → π* → bathochrom. pos. 2) stabilizace n elektronů ≈ snížení e. nevaz. orbitalu → zvýšení e. přechodu n → π* → hypsochrom. posun  vodíková vazba  především spektra látek s , polární protická rozpouštědla (alkoholy, H2O) → vodík. vazby  v 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 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 77 Vliv rozpouštědla  H-VAZBA stabilizuje volný elektronový pár → snížení e. hladiny n – orbitalu → n → π* se zvýší ∆E → HYPSOCHROMNÍ POSUN (ke kratším λmax)  příklad: aceton → v nepolárním C-H, λmax ≈ 279 nm → v H2O λmax = 264,5 nm  identifikace pásů n → π* přechodů ve spektrech  výpočet síly H-vazby z posunu  podmínky pro volbu rozpouštědla pro UV-VIS spektra:  rozpustnost látky  inertnost rozpouštědla  propustnost rozpouštědla v oblasti měřená spektra  H2O, EtOH, MeOH, n-hexan, n-heptan, petroléter, cyklohexan n → π* prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 78 Vliv rozpouštědla  ABSORPČNÍ HRANY (transparentní při λ > x) n-pentan benzen H2O > 200 nm n-heptan >210nm toluen aceton > 330 nm n-hexan m-xylen > 290 nm acetonitril > 210 nm diethyleter > 220 nm pyridin > 305 nm cyklo-pentan cyklo-hexan > 210nm pentan sirouhlík > 380 nm N,N-DMF > 310 nm CCl4 > 265 nm MeOH chloroform > 245 nm EtOH > 280 nm 210 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 79 Vnitřní a vnější efekty ovlivňující elektronická spektra 7. VLIV pH  elektronická spektra látek s acidobazickými vlatsnostmi  uvolnění  adice  fenol ↔ fenolát  anilinium ↔ anilin  pyridinium - pyridin H+ → změna konjugovaného chromoforního systému navíc el. pár pro konjug. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 80 Vliv pH  ACIDOBAZICKÉ INDIKÁTORY  azosloučeniny, ftaleiny, sulfoftaleiny  chinoidní π-el. struktura vstupuje do konjugace s 2 benzenovými jádra + přibývají volné el. páry na kyslících → vstup do interakce s π-el. systémy  další substituenty (thymolftalein) → BATHOCHROMNÍ POSUN λmax = 602 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 81 Vliv pH  různě absorbující formy → stanovení disociačních (ionizačních) konstant ze spektro fotometrických měření l-délka kyvety všude stejná, - vliv iontové síly - extrapolace AHA, AA pHfA    AHHA      pHpHpH lHAAAclAlcA HAAHAHAAA .3.2.1 ;;                  AA AA pHpK AA AA HK AA AA H HA AH K konstHAAc A HA A HA A HA                 log loglog . prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 82 Empirické výpočty elektronických spekter  X kvantitativní chemické výpočty  PRAVIDLA PRO VÝPOČET λmax 1) WOOD WARD-FIESEROVA pravidla  a) uhlovodíky s 2-5 konjug. dvoj. vazbami základ: dien ≈ λmax 217 nm příspěvek pro: + homoanulární dien + 36 nm (2 dvojné vazby uvnitř stejného kruhu) + další dvojná vazba v konjugaci + 30 nm + exocyklická dvojná vazba + 5 nm + substituenty na nenasyc. uhlících - R + 5 nm - X + 5 nm - OR - 6 nm  b) polyeny > 5 konjug. dvoj. vazeb  c) nenasycené konjugované aldehydy a ketony prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 83 Empirické výpočty elektronických spekter 2) NIELSENOVA pravidla  α, β nenasycené karboxylové kyseliny a estery 3) SCOTTOVA pravidla  typ substituovaného acetofenonu R – alkyl nebo zbytek kruhu, -OH, aryl, H atd. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 84 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti  principiální schéma přístroje pro UV-VIS spektroskopii  jedno paprskový přístroj  dvou paprskový přístroj 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  základní prvky přístrojů  zdroje záření, monochromátory a filtry, kyvety a rozpouštědla, čidla záření, záření pro měřitelné zeslabování zářivého toku, pomocná optika  zdroje záření  vodíková lampa: spojité spektrum 200-375 nm, U = 80-100 V, I = 1,3 A, oblouk, křemen. okénko  deuteriová lampa: spojité spektrum od 160 nm, 3x vyšší intenzita než H-lampa  xenonová 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  rtuťová lampa: čarový zdroj, kalibrace spektrofotometrů čáry: VIS: 404,7 nm; 435,8 nm; 546,1 nm; 577,8 nm UV: 365,0 nm; 334,2 nm; 302,2 nm; 253,6 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 87 Zdroje záření  spektrální lampy: výbojky s oxidovými elektrodami, intenzivní čárová spektra (jako Hg-lampa)  wolframová 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  LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation:  aktivní prostředí  rezonátor  zdroj pro čerpání energie do aktivního prostředí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 88 LASER  stimulovaná 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)  podmínky S.E.: inverzní populace N2/N1 = 1 Boltzmann. zákon Tříhladinový systém doba života: τ21 ≈ 10-4 - 10-3 s (metastab.) τ32 ≈ 10-8 s prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 89 LASER  rezonátor – 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  monochromatické  koherentní 1 J - 20 J  intenzivní  pulsní režim:  čerpací mechanismus  režim rezonátoru  pulsy 10-7 – 10-12 s, 109 W/cm2 – hustota, výkony ≈ 50 MW (nanosekundy)  Q-switch – klíčované lasery  zkřížené polarizátory – periodické stáčení polariz. světla - propouštění prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 90 LASER  LASER  plynný  kapalný  pevný  emise  kontinuální  pulsní  čerpání  el. výboj v plynech  přenos excit. energ.  laserem  blesk. světlem  kout. zdrojem (Xe)  elektrony (svazek)  ohem. energie  druhy LASERŮ  rubín (Al2O3 – Cr)  Nd: sklo  Nd: YAG (Y-Al-granát)  Sm: CaF2  He-Ne  barvivové lasery prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 91 LASER  pro MAS v UV-VIS: BARVIVOVÉ LASERY  kyveta s barvivem v roztoku mezi reflekt. mřížku a polopropustné zrcadlo – výstup  ladění = větší počet barviv (Kumariny, Rhodaminy, Kresyl. violeť, fluoresceiny): 358 – 641 nm  čerpání: N2, Nd: YAG laser prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 92 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti  monochromátory a filtry  filtry: křivka propustnosti T = f (T), pološířka ∆λ pro Tmax/2, ∆λ pro Tmax/10 vymezuje sp. šíři propouštěného záření  výsledný vliv na zářivý tok: - emisní spektrum zdroje - křivka propustnosti filtru - křivka citlivosti (spektrální charakt.) detektoru  integrální propustnost filtru Sλ – citlivost detektoru          dSI dSI T A       2 1 2 1 0 0 10  maxT prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 93 Filtry  barevné absorpční filtry: a) pevné  skla vybarvená oxidy kovů  skla s vrstvou želatiny s org. barvivem pološířka (∆λ při Tmax/2) 20-80 nm b) kapalinové  kyvety s roztoky: CuSO4.5H2O, CuCl2.5H2O, CoSO4.7H2O, KMnO4, malachitová zeleň, kys. pikrová, voda = tepelný filtr, roztok NaNO2, KNO2, propouští VIS, abs. UV prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 94 Filtry  interferenční filtry:  princip: Interference záření při mnohonásobném odrazu mezi dvěma polopropustnými odrazovými plochami, které ohraničují dielektrikum o vysokém indexu lomu.  maxima propustnosti – interferenční podmínka %9060,8  Tnm  90,1sinsin2max  ndm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 95 Filtry  interferenční filtry: a) jednoduché b) posuvné (klínovitá vrstva diel. → roste λ) c) pásové (5-25 vrstev) střídání malého a velkého indexu lomu mezi metaliz. vrstvami prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 96 Monochromátory a) kolimátorová část (vstupní štěrbina v ohnisku objektivu kolimátoru) b) disperzní systém 1. mřížka na odraz 2. hranol c) kamerová část – kamerový objektiv snímá vystupující monochromatické svazky → monochromatický odraz vstupní štěrbiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 97 Hranolové přístroje  SNELL δ = lámavý úhel ϑ = deviace paprsků α1 – úhel dopadu (vzduch – hranol) β1 – úhel lomu (vzduch – hranol) β2 – úhel dopadu (hranol – vzduch) α2 – úhel lomu (hranol – vzduch) úhel 1 = α1 - β1 úhel 2 = α2 - β2 1 2 12 2 1 sin sin N N n v v    minimální deviace nejkvalitnější obraz vstupní štěrbiny největší rozlišovací schopnost 2 sin 2 sin    n prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 98 Spektrální přístroje 1) lineární disperze, úhlová disperze 2) rozlišovací schopnost 3) světelnost  ad 1) = charakteristická disperze materiálu = úhlová disperze hranolu (úhel mezi paprsky 2 vlnových délek, ∆λ ≈ dλ = 0,1 nm       d dn         d d                                                   d dn n tg d dn nd d 2 1 22 2 sin1 2 sin2 2 2                                    n n 2 1 22 2 sin1 2 sin2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 99 1) Lineární disperze, úhlová disperze  reciproká lineární disperze nebo co nejmenší → tím lepší rozlišení ɛ = 90°, n = f (λ) – hyperbolická závislost                    mm nm d d f dl d    sin 2 1sin 2                  tg d dnf n dl d       dl d prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 100 2) Rozlišovací schopnost  Rayleighovo kritérium b – základna hranolu a – průmět disp. členu kolmo ke směru paprsku  materiál hranolů: požadované vlastnosti  propustnost pro záření v široké oblasti spektra  isotropní, homogenní  odolný vůči vlivům atmosféry  opracovatelný do vysokého lesku  (dn/dλ) málo závislé na teplotě           R     21 21 2     d dn bR           d d aR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 101 2) Rozlišovací schopnost  tuhé látky  krystalické (křemen, kazivec, halit)  amorfní (sklo, tavený křemen)  kapaliny (duté hranoly + H2O, CS2, krystal propustnost n KI 250 nm - 31 μm 1,6634 KBr 210 nm - 28 μm 1,5581 LiF 120 nm - 7 μm 1,39177 CaF2 120 nm - 9 μm 1,43385 SiO2 185 nm - 3,5 μm 1,54426 - krystal 1,45848 - tavený NaCl 200 nm - 17 μm 1,54431 KCl 200 nm - 21 μm 1,49038 skla 360 nm - 2,2 μm 1,6634 UV skla od 300 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 102 2) Rozlišovací schopnost  krystalický křemen: 1) dvojlom X jediný směr = optická osa křemene – jeden paprsek, v jiných směrech 2 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  křemen pravo- a levotočivý → kombinace hranolů  Cornuho hranol: pravotočivý + levotočivý → eliminace efektů  kombinace optických částí:  objektiv kolimátoru + křemen  objektiv kamery - křemen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 103 Typy hranolů 60° hranol minimální deviace pro λ1 Littrow Féry Broca-Pellin s konstantní deviací pro každé λ vstupní a výst. paprsek úh. 90° Ruthefordův hranol K – korunové sklo F – flintové sklo Amiciho přímohledný hranol λ1 – paprsek neodchýlen prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 104 Mřížky  disperze světla na základě ohybu (difrakce)  mřížka  na průchod  na odraz α - úhel dopadu d - mřížková konstanta n - počet vrypů/mm β - úhel difrakce  reciproká lineární disperze     md sinsin nfmdl d    cos prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 105 Mřížky 1) úhlová disperze mřížky (co největší)  úhlová disperze je minimální pro β → 0 tj. pro paprsky málo odlišné od normály → úhlová vzdálenost dvou svazků konstantního ∆λ je konstantní  úhlová disperze mřížky nezávisí na vlnové délce  rozdíly proti hranolu  spektrum - mřížka – lineární spektrum pro β → 0 - hranol – nelineární  odchýlení λ - mřížka – nejvíce dlouhé vlny (červená) - hranol – nejvíce krátké vlny (modrá)   cos  d m d d d m d d    prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 106 Mřížky 2) úhlová vzdálenost 2 sousedních spekter  (spektrum řádu m, β = 0) úhlová vzdálenost  čím je mřížka hustší, tím je úhlová vzdálenost dalšího řádu spektra větší. Max: β = 90°  podmínka vzniku spektra alespoň 1. řádu: α = β = 90° - krajní případ: m. λ = d(1+1) → prakticky α = β < 90° → 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  příklad: λ = 800 nm → d = 8.10-4 m → 1250 vrypů/mm  sin dm d   sin     sinsin1  dm d   sin 2  a m  2 d m  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 107 Mřížky 3) úhlová šíře spektra  4) rozlišovací schopnost mřížky  úhlová disperze  potřebný počet vrypů N pro dosažení určité rozlišovací schopnosti při určitém řádu spektra    sinsin sin, 2 121   dm dm  12sin   d m mN d dNm d m R m d R                   cos cos cos cos ;     m N 1 mNR         cos  dNl prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 108  rozdělení int. světla v ohybovém obrazci = ohyb na štěrbině  rozdělení světla v interferenčním obrazci = interference svazků z jednotlivých štěrbin  výsledné rozdělení Mřížka + Spektrální přístroj  N = 6 (celkový počet vrypů mřížky)  N2 sin 2 sin  N2 sin 2 sin S rostoucí N roste strmost hlavních max, jejich velikost ≈ N2, sekundární max se stávají zanedbatelná.      sinsin  d      sinsin  s d – šířka vrypu s – šířka štěrbiny     2 2 2 2 0 sin sinsin     N II prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 109 Typy mřížek 1) ROVINNÁ  monochromátory: a) CZERNY-TURNER b) EBERT (jedno velké zrcadlo)  reciproká lineární disperse monochromátoru s rovinnou mížkou  znaménka: + orientace mřížky ke vstupní štěrbině (β > α) - orientace mřížky k výstupní štěrbině (β < α) m – řád spektra n – počet vrypů/mm f – ohnisková vzdálenost zobraz. zrcadlafnmdl d    cos i i nm arckonsti         cos2 sin.2   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 110 Mřížka  rytá v rovině (energie hlavně v 0-tém řádu)  profilové vrypy soustředění energie do určitého úhlu (odleskový úhel, BLAZE EFFECT)   2 úhel maximální odrazivosti je LITTROWOVA KONFIGURACEBpro       Bnm   sin2sin2 λB – vlnová délka blaze-efektu lze vypočítat pro daný řád, při jaké λB bude maximum energie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 111 Luminiscenční spektroskopie  podstata luminiscence  fotoluminiscence – sekundární záření po absorpci primárního (budícího, excitačního) záření z UV, VIS  fluorescence 10-6 s – 10-9 s  fosforescence 10-6 s – 10+2 s 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) 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 - FOSFORESCENCE T1 → S0 ≈ 10-6 - 102 s - nezářivá deaktivace fotochemické reakce - přeměna m. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 113 Luminiscenční spektroskopie  emise světla látkou, která je způsobená:  světlem fotoluminiscence → fluorescence, fosforescence  chemicky chemiluminiscence  teplem termoluminiscence  zvukem sonoluminiscence  mechanicky mechanoluminiscence tonik – obsahuje chinin bankovky – ochranné fluorescenční prvky fluorescenční barviva, uprostřed roztok chininsulfátu Noctiluca scintillans světluška prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 114 Fluorescenční spektroskopie  emise UV, VIS záření při přechodu z vibrační hladiny v = 0 excitovaného singletového stavu S1 do různých vibračních hladin základního stavu S0  beze změny multiplicity: singlet → singlet  S1 → S0 azulen S2 → S0  fluorescenční spektrum (λmax, tvar pásů) nezávisí na vlnové délce budicího záření (to však musí mít určitou minimální energii)  EXCITACE (ABSORPCE): S0, v = 0 → S1, v = 0,1,2,3,4,…  FLUORESCENCE (EMISE): S1, v = 0 → S0, v = 0,1,2,3,4,… 1) fluorescenční spektrum je dlouhovlnnější než excitační 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  platí 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 vibrační struktura Absorpčního spektra ≈ vib. podhladinám excit. stavu Fluorescenčního spektra ≈ vib. podhladinám zákl. stavu podobné 1) vibrační podhladiny stavů S0 a S1 2) podobná geometrie stavů S0 a S1  λF (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  v 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  z 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) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 117 Stokesův posun  fluorescenční spektrum je posunuto k delším vlnovým délkám než původní absorpční spektrum a je k němu zrcadlově symetrické  rozdíl vlnových délek absorpčního (excitačního) a emisního maxima  emitované záření má větší vlnovou délku a tudíž nižší energii  ch E   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 118 Doba života fluorescence  τF – doba vyhasínání excitovaného stavu  ki – rychlostní konstanty relaxačních procesů (fluoresc., vnitř. konverze, mezisyst. přechod, zhášení, fotochem. reakce …)  kF ≈ fmn (síla oscilátoru) ≈ ɛmax, τOF – skutečná doba trvání fluorescence:   i i F k 1  max 4 10    OF prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 119 Kvantový výtěžek fluorescence  ΦF = 0,0001 – 1  poměr mezi počtem emitovaných a absorbovaných kvant (podíl el., které se vracejí do S0 s vyzářením fotonu) OF F i F F k k      a f F I I absorpceensita cefluorescenensita  int int  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 120 Intenzita fluorescence  je úměrná kvantovému výtěžku a absorbovanému toku záření  Φ0 – dopadající tok, Φ – zeslabený tok  exponenciální závislost – limita - linearizace IF = f (c)  rozvoj v řádu 00,   FF kI cl II I I I FF F cl F F       0, 0, 0, log 101     02,0 303,2 ... !3 303,2 !2 303,2 303,211 0 32 0 Apro clkI clcl clkI FF FF                  cl FFF kkI     10100 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 121 Intenzita fluorescence 1) zhášení fluorescence  molekuly akceptoru, který odnímá energii excitované molekule  akceptor může mít vlastní fluorescenci zhášení – jeho pravděpodobnost roste s dobou τF  kyslík ( odstranění z rozpouštědla probubláváním inert. plynu)  skupina C=O (i v rozpouštědlech)  ionty: stupeň zhášení roste s polárizovatelností a deformabilitou iontů (zhášejících), tj. s rostoucí kovalent. charakt.  anionty: F- < NO3 - < SO4 2- < ac < (COO)2- < Cl- < Br- < SCN- < I kationty: Cu2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+ (vakantní d-orb.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 122 Intenzita fluorescence 2) samozhášení fluorescence a) koncentrační zhášení (VAVILOV)  pokles kvantového výtěžku od prahové hodnoty c0 b) vnitřní konverze molekul  disipace energie na nezářivé formy, roste s rostoucí teplotou, závisí na viskozitě roztoku a koncentraci c) vnitřní filtrační efekt  budící záření Φ0 se průchodem vzorkem zeslabuje, je-li překryv excitačního (absorpčního) a fluorescenčního spektra → zeslabení IF částečnou reabsorpcí   anelinearitcck FF   0´ 0, 10303,2     0´ 0,0 10101303,2 cckcl FF kI     prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 123 Fluorescenční spektroskopie  fluorescenční spektrum  excitační IF = f (λex), měří se při konst. λem  emisní IF = f (λem), λex = konst. budící záření  excitační spektrum je totožné s absorpčním  platí pro čistou látku – je to kritérium čistoty  trojrozměrné diagramy IF = f (λem, λex) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 124 Fluorescence a chemická struktura  předpoklad: přítomnost systému snadno delokalizovatelných elektronů – konjugovaného systému π-elektronů KVANTOVĚ CHEMICKÉ VÝPOČTY, EMPIRICKÁ PRAVIDLA  EMPIRICKÁ 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 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 125 Empirická pravidla pro fluorescenci  nejčastější příklady: polykondenzované aromatické uhlovodíky  s počtem kondenzovaných jader roste konjugovaný systém → BATHOPCHROMNÍ A HYPERCHROMNÍ POSUN emisního f. spektra  ANELACE jader  LINEÁRNÍ anthracen λmax = 379 nm  ANGULÁRNÍ fenanthren λmax = 347 nm  zvětšení konjugace 1) SUBSTITUCE ARYLEM → prohloubení konjugace a zvýšení fluorescence x sterické bránění 2) STABILIZACE KOPLANÁRNÍ POLOHY vazbou nebo můstkem → zabránění volné otáčivosti 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  také indukční efekt  pořadí vlivu: CR3 < CH3 < SR < SH < NH2 < OR < OH 0001,0F 5,0F prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 127 Vlivy vnější a) vliv pH – excit. stav může mít jinou kyselost než zákl. b) vliv fixace polohy – součástí molekuly tvorbou chelátů, molekula sama nefluoreskuje, ale fluoresk. chelát: zabrání se volné otáčivosti  kationty s 2, 8 a 18 elektrony ve vnější slupce  Be2+, Mg2+, Zn2+, Al3+, Sc3+, Ga3+  azolátky, azomethinová barviva … analytické využití c) vliv rozpouštědel – halogenovaná rozpouštědla (CH2Cl2, CHCl3) a rozp. s karbonyl. sk. (aceton) → snižování a zhášení fluorescence  polarita (permitivita) rozpouštědel → energetické změny stavů S n π*, S π π* - i změna jejich pořadí → nefluoreskuje v nepolárním a fluoreskuje v polárním  CHINOLIN ≈ ne v hexanu, fluoresk. v C2H5OH prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 128 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii  fluorimetry  spektrální fluorimetry – měření spekter  excitačních  fluorescenčních prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 129 Instrumentace pro fluorescenční spektroskopii  zdroj  UV ≈ D2 nebo Xe výbojka, Hg výb. – čárové sp.  VIS ≈ W lampa  laditelné barvivové lasery - excitační spektrum ovlivněno emisní spekt. charakt. Xe lampy  disperzní prvky  interferenční filtry  skleněné filtry (měří pouze intenzitu záření, nikoli spektra)  sady excitačních a emisních interf. filtrů  mřížkový monochromátor pro fluorescenční záření  2 mřížkové monochromátory pro excit. i fluorescenční záření  detektory  PMT (FN) – má vlastní spekt. charakteristiku - emisní spektrum ovlivněno proměnlivou citlivostí detektoru s vlnovou délkou jednoduché fluorimetry prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 130 Korigovaná spektra  korekce emisního spektra ocejchováním fotonásobiče na fluorescenční standard: CHININ BISULFÁT (tabel. hodnoty)  korekce 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  F – relativní veličina  pevné fluorescenční standardy nebo roztoky – nastavení výchylky na 100 (maximum) např. na nejkonc. standard  bisulfát chininu, fluoresceinan Na, rhodamin B  postup:  excitační spektrum – se registruje při pokusném nastavení λ(em) ≈ λ(em)max změnou λ excitačního monochromátoru s nalezeným λ(ex)max se registruje  emisní (fluoresc.) spektrum – změna λem emisního monochromátoru → nalezení λ(em)max  celý postup se opakuje: λ(em)max1 → λ(ex)max1 do dosažení konst. polohy λ(em)max2 ← λ(ex)max1 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) λex(st) = λex(x) A ≈ absorbance ∫F ≈ plochy fluoresc. sp.  fluorescenční standard musí mít aktivní aktivní absorpční maximum a fluorescenční maximum blízké látce, jejíž kvant výtěžek se určuje      BABKO A A F F nebo PARKER A A F F emst emx x st st x stx x st st x stx )(max, max,           prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 133 Aplikace fluorimetrie OBLAST VZORKY PŘÍKLADY ANORGAN. anionty CN-, SiO3 2-, SO4 2-, Fkationty Al3+, Be2+, Cd2+, Fe3+, Mg2+, REM, Zn2+ KLINICKÁ elektrolyty Ca2+, Mg2+, PO4 3(biochem.) steroidy estrogen, progesteron, testosteron lipidy cholesterol, triglyceridy proteiny albumin aminokys. tryptofan, tyrosin, fenylalanin imunologic. fluoresk. antigeny, protilátky enzymy dehydrogenázy, transaminázy, fosfatázy drogy barbituráty, salicyláty, LSD metabolity krevní cukr, porfyriny vitamíny A, B1, B2, B6, C, D, E léčiva antibiotika, antimalovika prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 134 Aplikace fluorimetrie OBLAST VZORKY PŘÍKLADY ZEMĚDĚL. jako ANORG. POTRAVINY + přír. látky chlorofyl, pigmenty proteiny v mléce pesticidy DDT prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 135 Aplikace fluorimetrie OBLAST VZORKY/METODY PŘÍKLADY PÉČE kontaminované mat. insekticidy O ZDRAVÍ bakteriolog. vzorky počítání bakterií (EKOLOGIE) intoxikované – TK Be, Cd, Pb imunolog. vzorky protilátky screening histidinemie PRŮMYSL stopovací techniky měření rychlosti průtoku, míchání, oběh (cirkulace) SOUDNÍ drogy LSD, salicyláty EXPERTIZY jedy guinacvin (atebrin) stáří orgánů přirozená fluorescence oleje, tuky mazací střelné zbraně, oběti prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 136 Aplikace fluorimetrie OBLAST VZORKY/METODY PŘÍKLADY ZNEČIŠTĚNÍ kationty, anionty VODY A pesticidy DDT VZDUCHU stop. techniky rychlost průtoku (ENVIRONMENT. aromáty ve spol. pyren, chrysen, benzpyren ANALÝZA) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 137 Příklady metod 1) Stanovení prvků na bázi chelátů s org. činidly nebo ternárních komplexů  činidla: polyhydroxyflavony, 8-hydroxychinolin, dihydroxyazobarviva, azomethiny od aromatických hydroxyaldehydů (salicylaldehyd), hydroxyarylhydrazony, rhodamin B, polyfenoly, fenolkarbonové kyseliny, benzoin  vhodné 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  lanthanodiy (Tb, Eu) s polyfenoly, 1,10-fenanthrolinem, 1,3-enoliz. diketony, 2-thenoyltrifluoraceton  skleněné kyvety – fial. fluorescence – nelze použít  i křemenné kyvety ≈ 380 nm, když λexc ≈ 220-280 nm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 138 1) Stanovení prvků na bázi chelátů s org. činidly nebo ternárních komplexů  zhášení fluorescence: voda z PE střiček, nečistoty  i vznik nežádoucí fluorescence FLUORESCEINAN SODNÝ CHLORID RHODAMINU B zelená, žlutozel. fluoresc. červená f. (H2O, slabě kys, alk.) zelená f. (v H2SO4) 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  výtěžek fluorescence  kvantový výtěžek  energetický výtěžek  II I I I N N EM ABS EM ABS EM KV   0    KVERGEXCEMEMEXC EXC KVEM EXCEXC EMEM ERG EXCEXC EMEM EXC EM ERG STOKES hN hN hN hN E E                     ´ 1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 140 Příklady metod 2) Fluorimetrická indikace ekvivalenčního bodu při EDTA titraci  stanovení Ca2+, Sr2+, Ba2+ v přítomnosti fluorexonu při pH = 12, fluoreskují cheláty indikátoru 3) Fluorescenční acidobazické indikátory  α-naftalamin pH 3,4-4,8, kys.f.(-) → alk.f. fialová  chininbisulfát pH 3,0-5,0, kys.f. modrá → alk.f. fialová  akridin pH 4,8-6,6, kys.f.zelená → alk.f. modrá prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 141 Příklady metod 4) Redukční fluorescence  některé 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 5) Oxidační fluorescence  Hg2+ oxiduje Thiomin (pH = 7-8) → Thiochrom (fluor.) 6) Stanovení organických sloučenin  xanthenové deriváty (fluorescein, rhodamin)  porfyrin, alkaloidy, hormody, vitamíny, anthracen, fenanthren, salicylan, acetylsalicylová kyselina … prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 142 Kvazičarová molekulová fluorescence (efekt Špolského)  nízké teploty (77 K, 10-15 K) – jemná struktura emisních (fluorescenčních) maxim na pozadí emisního pásu  aromáty, polykondenzáty  měření ve ztuženém stavu rozpouštědel (N-alkany) šířka maxim 10 cm-1, měří se: naftalen v N-pentanu benzpyren, antracen v N-heptanu naftacen v N-nonanu pyren v N-hexanu koronen v N-oktanu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 143 Kvazičarová molekulová fluorescence (efekt Špolského)  Polykondenzované kancerogenní uhlovodíky  CD = 10-11 g org. sloučeniny  experimentální uspořádání:  excitační zdroj: laser  dispersní záření: mřížkové monochromátory  kyveta: Ø 3 mm křemenná trubička (do Dewar. nádoby)  vhodné jako detekce k separačním metodám:  TLC, GC, HPLC prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 144 Fluorescence v pevné fázi a) TAVENINY  intenzivní zelenožlutá fluorescence UO2 2+ 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  excitace 300 nm, emise 538, 555, 576, 601 nm  CD = 10-8 g U v 50 mg taveniny, ruší některé kovy  geologie, biologické tekutiny prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 145 Fluorescence v pevné fázi b) NOSIČE POLOVODIČOVÉHO TYPU V PŘÍTOMNOSTI STOPOVÝCH AKTIVÁTORŮ (IONTY PŘECHODNÝCH PRVKŮ)  vznik luminiscence po vpravení malého množství analytu jako aktivátoru do nosiče polovodičového typu a po jeho vyžíhání při zvýšené nebo vysoké teplotě  nosiče: CaO, CaSO4, NaF, Na2B4O7, BaSO4, CaCO3  příklad: 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  aktivátory (analyty): Tl, Sn, Sb, Bi, lanthanoidy např. vanadát Ca aktivovaný po 60 min žíhání při 1000°C lantanoidy → emise: červenooranžová - Sm, Eu žlutá - Dy 10-4 % prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 146 b) Nosiče polovodičového typu v přítomnosti stopových aktivátorů  výklad jevu: aktivátor v polovodičovém nosiči umožní lokalizaci energetických hladin v zakázaném pásmu  luminiscenční centra (L) – donory elektronů  metastabilní hladiny (M) – akceptory elektronů  při 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  tím umožní fluorescenci, tj. přechod původního elektronu z vodivostního pásmu do (L)  jestliže přejde elektron do (M), pak umožní fosforescenci při zpětním přechodu přes vodivotní pásmo do (L) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 147 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie)  emise UV-VIS záření při přechodu z nulové vibrační hladiny excitovaného tripletového stavu T1 do různých vibračních hladin základního singletového stavu S0  změna multiplicity – zakázaný přechod x spinorbitální interakce → každá vln. funkce s určitým spinem získá složku jiné multiplicity → singletové a tripletové stavy se smísí  fluorescenční (ani fosforescenční) spektrum nezávisí na vlnové délce budícího záření  fosforescenční spektrum posunuto k vyšším λ (tripletové stavy mají nižší energii než singletové)  fosfor. spektrum má vibrační strukturu (jako fluor.)  doba života 10-6 s až 102 s → velká pravděpodobnost ztráty energie nezářivým přechodem  vnitřní konverzí  srážkami s molekulami  fotochemickou reakcí nelze měřit při laboratorní teplotě prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 148 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie)  zhášení – paramagnetickými látkami (kyslík) → je nutné roztoky dokonale odvzdušnit  měření: při 77 K (kapalný N2) → tuhý sklovitý průsvitný roztok. směs rozp.: (C2H5)2O : isopentan : EtOH 5 : 5 : 2  instrumentace – fosforoskopy a fluorimetry s nástavcem  vzorek v úzké křemenné kyvetě uložené v Dewarové nádobě (N2 kapalný)  využití dlouhého trvání fosforescence vzorek se střídavě excituje a pak emituje:  becquerelův fosforimetr – mechanický rotující přerušovač ≈ 1000 ot/min kontinuální zdroj = vysokotlaká Hg lampa  pulsní zdroj (Xe lampa) μs - pulsy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 149 Fosforescenční spektroskopie (Fosforimetrie)  APLIKACE  alkaloidy, pesticidy, léčiva, aminokyseliny, proteiny  kinetika: 1. řádu: η – střední doba trvání dosvitu (fosforescence) η = t při Ft = F0/e  závislost na době ozařování:  fosforescence směsi analytů-metoda časového rozlišení           n i tt t iFF t FF 1 0 exp          t FFt exp0               t FF exp1max prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 150 Infračervená spektroskopie  absorpce elmagnetického záření: 12 500 – 100 cm-1  změny vibračních, rotačně-vibračních a rotačních stavů  IČ (IR)  blízká 12 500 – 5 000 cm-1  střední 5 000 – 500 cm-1  vzdálená 500 – 100 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 151 Infračervená spektroskopie 1) VIBRACE MOLEKUL 100 – 4 000 cm-1  lineární harmonický oscilátor  pohyb. rovnice φ – fáz. posun – počát. vých. v t = 0  II. Newtonův zákon dif. rce: řešení dif. rce  pro vlnočet 2-atom. mol. redukovaná hmotnost    txx 2cos0 2 2 dt xd mF  wk dt xd m  2 2 m k    2 1 - frekvence t - čas x - výchylka F - síla m - hmotnost  wkF  21 21 2 1~ mm mm M M k c      prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 152 Vibrace molekul  Potenciální energie  klasická mechanika – libovolné změny  kvantová mechanika – diskrétní hodnot  celistvé násobky h.  možné hodnoty energie oscilátoru dány Schrödinger. rcí – vibrační stavy – vibrační kvantové číslo v  energie 2-atomové molekuly ze Schrödingerovy rovnice  energie 222 2 2 1 wMkwEp          2 1 2 v M kh E         2 1 ...,3,2,1,0 vhEv  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 153 Vibrace molekul  vibrační vlnová funkce – vln. funkce liner. harm. oscilátoru  Nv – vibrační konstanta (závisí na v)  Hv(y) závisí na hodnotě v: v = 0 H0 = 1 v = 1 H1 = 2y v = 2 H2 = 4y2 - 2 v = 3 H3 = 8y3 - 12   4 12 Mk h xy   Hermitův polynom Hv(y)  yH y N vvv        2 exp 2  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 154 Vibrace molekul  vibrační kvant. číslo = počet uzlů vln. funkce (body, v nichž Ψv mění své znaménko) dxdx vv *2 2   dxxx ; pravděpodobnost nalezení molekuly ve vzdálenosti (v intervalu) klasický oscilátor  čím vyšší v, tím větší přiblížení klasické a kvantové mechaniky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 155 Vibrace molekul  prostorové 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 2 0 2 1 kxFdxE x pot   HARMONICKÝ ANHARMONICKÝ konstanta anharmonicity fundament. normální ... 2 1 2 1 2              vhvhE a  ahf   1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 156 Vibrace molekul  harmonický oscilátor  výběrové pravidlo ∆v = +1 při absorpci za normální teploty v = 0  fundamentální vibrace  anharmonický oscilátor  ∆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  intenzita absorpce klesá o 1 až 2 řády s přechodem od zákl. vibrace k vyšším harmonickým prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 157 Vibrace molekul  vibrace probíhají v prostoru x, y, z  rovina xy ≈ LISSAJAVSOVY OBRAZCE  silové konstanty kx, ky, kz → různé frekvence každé ze 3 fundamentálních vibrací N-atomové molekuly lineární nelineární stupeň volnosti: 3N – 5 3N – 6  počet stupňů volnosti určuje počet zákl. vibrací  výpočty frekvencí vibrací – teoretické předpovědi  vstupní data: 1) hmotnosti atomů 2) valenční úhly 3) délky vazeb 4) silové konstanty prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 158 Vibrace molekul  energie a frekvence vibrací omezeny řešením Schrödingerovy rovnice  při harmonickém pohybu (model) lze považovat E vibrací N-atomové molekuly pro jednotlivé stupně volnosti za navzájem nezávislé  celková vibrační energie n = 3N – 5 (lin. mol) n = 3N – 6 (nelin. mol)  teoreticky zajímavé, praktická analýza – empirické souvislosti s počtem atomů roste počet abs. pásů – složitá spektra          n i ii n i i vEE 11 2 1  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 159 Infračervená spektroskopie 2) ROTACE MOLEKUL 100 – 10 cm-1  rotační hladiny, rotační spektra  tuhý rotor. (rotátor) – vzdálenost r se nemění  klasická mechanika moment setrvačnosti I = mr2 1) vzhledem k y; Jy = 0 2) vzhledem k x, z; Jx = Jz platí: pak M – redukovaná hmotnost  Steinerova věta – aplikace: moment setrvačnosti lze vyjádřit pomocí jediného hm. bodu M ve vzdálenosti r od počátku souřadnic, kolem nějž se rotace pak uvažuje r mm m r    21 2 1 2 22 2 11 rmrmII yx    22 21 212 2 21 2 12 2 21 rMr mm mm r mm mmmm I       prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 160 Rotace molekul  vlnová mechanika – rotační pohyb popsán vlnovou funkcí Schrödingerova rovnice → hodnoty diskrétních energií J – rotační kvantové číslo I – moment setrvačnosti pro tuhý 2-atomový rotor úprava: B – rotační konstanta (charakteristická pro každou molekulu) spektroskopické termy:     1122 12 11~ JJBJJB ch E ch E rr                  JJ I h Er    1 8 2 2        JJBJJ Ic h ch E ch JJ I h E r r          11 8 1 1 8 22 2  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 161 Rotace molekul  VÝBĚROVÉ PRAVIDLO: ∆J = J2 – J1 = ± 1 → vlnočet abs. nebo emit. záření ṽ = 2B (J+1) J = 0, 1, 2, 3 …  E roste s J kvadraticky  ṽ roste s J lineárně ṽ = 2B (J+1) ∆E roste lineárně ∆ṽ je konstantní platí pro TUHÝ rotor realně: k roste s J (vyšší E, rychlost) → větší I → menší B relativní intenzity linií závisí na teplotě dle Boltzmannova vztahu ch E  B ch E    42 B ch E    32 B ch E    22   JJ I h Er         1 8 2 2  .2~ 21 konstB Bn ch EE ch E nn                  kT E g g N N r exp 1 2 1 2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 162 Rotace molekul  štěpení rotačních hladin v důsledku:  interakce momentů hybnosti atomů s celkovým momentem hybnosti molekuly  interakce s jadernými spiny  interakce s vnějším el. a mag. polem → jemná struktura rotačních čar  nelineární molekuly – nižší symetrie → energie rotací kolem 3 prostorových os se vzájemně liší → další kvantové číslo K  výběrová pravidla pro nelineární molekuly ∆J = 0; ∆J = ± 1; ∆K = 0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 163 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra  současná změna rotačních i vibračních stavů molekuly  vibrační přechod + řada přechodů rotačních  dvouatomová molekula = harmonický oscilátor + tuhý rotor energie přechodu ∆E        vibrot EE JJJJBchvv M kh chE    11 2 ~ 001101    1 82 1 2 2 2        JJ I h v M kh EEE rotvib  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 164 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra  VÝBĚROVÁ PRAVIDLA:  ∆J = ± 1 (lineární molekuly)  ∆J = 0, ± 1 (nelineární molekuly)  lineární harmonický osc.: v: 0 → 1 (fundamentální vibrace)  lineární anharmonický osc.: v: 0 → 2, 3, … (overtony)  vibrační přechod: absorpční pás s řadou rotačních linií ∆J = - 1 P – větev nižší vlnočty rv   rv   ∆J = + 1 P – větev vyšší vlnočty ∆J = 0 Q – větev (nelineární mol.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 165 Interakce molekulových rotací a vibrací rotačně – vibrační spektra  čáry odpovídající přechodům mezi rotačními hladinami náležejícími dvěma různým vibračním stavům tvoří pás  hlava pásu – band head  Fortratova parabola P: m = -j R: m = j + 1 ṽ0 – vlnočet nulové linie 2 0 ~~ cmBm  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 166 Rotačně-vibrační spektrum oxidu uhelnatého  rotační struktura je pozorována jen v plynné fázi  rotační linie – rozšířené:  srážky molekul  skupenství  kapalné vymizení rotační  pevné struktury 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 s elmag. zářením; x0 = rovnovážná poloha  vysoká hodnota permanentního dipólu nepostačuje k vysoké intenzitě absorpce, naopak absorbují intenzivně i molekuly s malým dipólmomentem, je-li jeho změna velká, např. CO  molekuly H2, N2, O2 … dva stejné atomy → dipólmoment = 0 a současně se také nemění → neabsorbují  víceatomové molekuly: absorbují intenzivně polární části tj. -NH2, -OH, -C=O, -C-F, -Si-O, atd vibrace nepolárních částí – uhlíkový skelet – málo intenzivní  víceatomové symetrické nepolární molekuly CS2, CH4, CCl4, absorbují i když dipólmoment = 0 mohou probíhat vibrace, při nichž se oddělují těžiště + a – nábojů → vznik a změna dipólmomentu 0        x  2 0xx kI           prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 168 Výběrová pravidla a intenzita absorpčních pásů v IR spektrech  intenzita absorpce – vyjádření  transmitance T  absorptance (1-T) jako UV-VIS  absorbance  ɛ - molární absorpční koeficient – nemá povahu konstanty závisí na:  typu a kvalitě přístroje méně závisí na přístroji a  šířce štěrbiny prac. podmínkách:  ztrátě záření rozptylem INTEGROVANÁ ABSORPČNÍ  pozadí spektra INTENZITA A – plocha pásu c – koncentrace; l – délka kyvety  udává se také pološířka ∆ṽ1/2 = šířka pásu v polovině výšky, tj. při A=Amax/2  tabulky IR spekter – kvalitní vyjádření intenzity: s (strong) – silná; m (medium) – střední; w (weak) – slabá; vs (very strong); vw (vey weak)     2 1 2 1 ~ ~ ~ ~ 0 ~~ln 1        dd lc A prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 169 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul  vibrace  valenční - mění se vzdálenost mezi atomy - nemění se valenční úhly  deformační - nemění se vzdálenost mezi atomy - mění se valenční úhly  vibrace  fundamentální: 2,5-15 μm  svrchní (vyšší harmonické) 2ṽ, 3ṽ ….  kombinační (součty a rozdíly zákl. vibrací) viditelná blízká IR prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 170 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul  N atomů ≈ 3N stupňů volnosti (souřadnice x, y, z)  translace x, y, z → 3 stupně volnosti  rotace  nelineární molekuly podle x, y, z → 3 stupně volnosti  lineární molekuly podle x, y z → 2 stupně volnosti → lineární molekula 3N – 5 → nelineární molekula 3N – 6 3N – 5, 3N – 6 = počty fundamentálních frekvencí  st. volnosti pro vibraci prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 171 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul LINEÁRNÍ MOLEKULA NELINEÁRNÍ MOLEKULA CO2 ∂ μ H2O ∂ μ - valenční vibrace - s symetrická stretching - as antisymetrická δ - deformační vibrace neaktivní symetrické antisymetrické nůžkové nůžkové  nůžkové scissoring kolébavé rocking kývavé wagging kroutivé twisting prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 172 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul frekvence základních vibrací molekuly XY2 (CO2) (lineární) symetrická valenční vibrace asymetrická valenční vibrace deformační vibrace – degenerované l - délka vazby X - Y (C-O) a11 - silová konstanta vazby X - Y a12 - vliv změny délky jedné vazby na sílu vazby druhé a33 - odpor molekuly proti změně valenčního úhlu mx, my - hmotnosti atomů X a Y                         2 332 4 2 3 1211 2 2 12112 1 22 4 1 2 4 1 4 1 lmm amm aa mm mm m aa yx yx as yx yx s y prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 173 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul  n vibrací jediný abs. pás → n x degenerované  IR spektrum CO2: 2 pásy:  asymetrická valenční  2x degener. deformační  vysoce symetrické molekuly – max. 3x degenerované  symetrie molekuly a její vibrace  aktivita vibrací v IR spektru, počet absorpčních pásů  prvky symetrie bodové grupy symetrie  rovina  zrcadlová rovina  osy s různou četností  rotační  rotačně reflexní  střed  identita tabulka neredukovatelných reprezentací typy vibrací a jejich symetrie prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 174 Vibrační frekvence a vlastnosti molekul  určitá seskupení atomů (funkční skupiny atd.) – dávají abs. pásy v úzkém rozmezí → charakteristické pásy, char. frekvence, char. vibrace  frekvence vibrace určité vazby se musí výrazně lišit od frekv. sousedních vazeb, jinak spřažení vibrací → molekula kmitá jako celek  podmínky rozlišení 1) rozdíl hmotnosti atomů ≥ 100 % 2) rozdíl silových konstant ≥ 25 %  příklad: X-X, X=X, X≡X ≈ 1 : 2 : 3 → násobné vazby mají odlišné vibrace  příklad: C-H, N-H, O-H, S-H, C-Cl, C-Br, C-I, C-S  příklad: C ≈ O ≈ N → nelze C-N, C-O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 175 Charakteristické vibrace  frekvence rostou  s klesající hmotností atomů, které se podílejí na vazbě  s rostoucí silovou konstantou vazby 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) 2 1 2 1              M k   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 176 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS  oblast otisku prstu – vhodné pro identifikaci organických látek  neexistují 2 molekuly (látky) se stejným spektrem prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 177 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS 3700 2400 1900 1500 (cm-1) valenční valenční valenční deformační vibrace vibrace vibrace val. vib. těžších atomů C-H, O-H, C≡C, C=C, C=O skeletální N-H C≡N C=N, N=N kombinační N=O neidentifikovatelná oblast otisku prstu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 178 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace  rozmezí vlnočtů – vliv zbytku molekuly → informace o konstituci molekuly  další vlivy  skupenství a rozpouštědla  vodíkové vazby  hmotnosti atomů  elektrické v.  sterické v., pnutí kruhu, konformace  vibrační interakce (vibrační spřažení) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 179 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 1) VLIV SKUPENSTVÍ A ROZPOUŠTĚDLA  tuhé 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  taveniny, roztoky: větší pohyblivost než v tuhých látkách mezimolekulární interakce CHYBÍ ROTAČNÍ STRUKTURA  skupenská změna: G → L → S  potlačení rotační struktury  zúžení absorpčních pásů  posun abs. maxim ke kratším vlnočtům  intermolek. působení dipólů → snížení síly vazby → sníž. E prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 180 1) Vliv skupenství a rozpouštědla  příklad: (C=O), G, ṽ = 1742 cm-1 (C=O), L, ṽ = 1718 cm-1  polarita rozpouštědla roste  ṽ charakter. vibrace klesá (dipól-dipól. interakce, vodíková vazba) (C=O) aceton prostředí 1728 cm-1 cyklohexan 1724 cm-1 CCl4 1720 cm-1 dioxan 1717 cm-1 HCCl3   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  proton-donorová tvoří střední a silné asociáty (CHCl3, CH3NO2) pokles ṽmax, rozšíření pásů  proton-akceptorová nedochází k asociaci (CH3CH2)2O, C6H5N, THF ṽmax, stejné jako v CCl4  proton-donorová slabé asociáty pokles ṽmax  proton-akceptorová silnější asociáty – roste šířka pásů, intenz., výraznější pokles ṽmax 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  výpočet ṽ pásů valenčních vibrací polárních skupin ve slabě polárních rozpouštědlech  KIRKWOOD-BAUER-MAGATOVA rovnice ṽg, ṽsl vlnočty maxim v plynné f. a v. roztoku ɛ permitivita rozp. n index lomu rozp. K, K1, K2 konst. závislé na rozpouštědle       12 1 12 1~ 12 1 ~ ~~ ~ 2 2 21            n nKK K g slg         prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 183 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 2) VLIV VODÍKOVÉ VAZBY  silná interakce mezi kyselými skupinami (donory H+) zásaditými centry (elekronegativní atomy O, N, X) intra- inter- molekulární  H-vazba → oslabení původní vazby v proton-donor. skup. např. O-H, X-H → pokles ṽ valenční vibrace nejsilnější H-vazba – skupina –OH volná skupina ṽ = 3640 cm-1  příklad: CH3-OH intermolekulární v.v. ṽ = 3300 cm-1  také rozšíření pásů asociovaných skupin ≈ řada asociátů s různě silnými H-vazbami  příklad: karbonové kyseliny – dimery → široký pás -OH: 2400-3300 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 184 2) Vliv vodíkové vazby rozlišení intra- a intermolekulárních H-vazeb  ředění roztoku → poměr abs. pásů monomeru a asociátu  intramolekulární v. → KONSTANTNÍ  intermolekulární v. → ROSTE (rozpad asociátu)  H-vazba → pokles ṽmax (C=O) akceptoru protonu cca jen 5-50 cm-1  u proton-donorové skupiny (X-H): deformační vibrace růst ṽ při vzniku H-vazby  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 185 2) Vliv vodíkové vazby pokles ṽ ν (O-H) s rostoucí koncentrací ≈ pokles konc. monomeru; pokles signálu v (O-H) 3638 nárůst signálu di-, tri-, polymeru s rost. koncentrací a pokles ṽ v (O-H) polymeru  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 186 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 3) VLIV HMOTNOSTI ATOMŮ  změna vlnočtu při náhradě izotopem: největší při náhradě H za D  v (OH) ≈ ṽ = 3600 cm-1 v (OD) ≈ ṽ = 2650 cm-1  Cl, Br, I ≈ snížení vlnočtu při substituci těžším X  izotopové záměny O, N, C – méně výrazné  příklad: valenční vibrace v (C=O) v diisopropylketonu  využití: přiřazování charakt. frekvencí určitým skupinám na základě měření s izotopovými záměnami izotopy ṽ (cm-1) 12C = 16O 1712 13C = 16O 1675 12C = 18O 1681 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 187 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 4) ELEKTRICKÉ VLIVY  efekty:  mezomerní  konjugační  induktivní  elektrostatický a) mezomerní efekt + M → zvýšení elektronové hustoty → - M → snížení → změna charakteru vazby → změna silové konst. → změna ṽ  příklad: acetofenon X p-aminoacetofenon + M v (C=O) ≈ ṽ = 1691 cm-1 v (C=O) ≈ ṽ = 1677 cm-1  +M → zvýšení polarizace C=O vazby ≈ zeslabení charakt. dvoj. vazby → snížení silové konst. → snížení vlnočtu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 188 4) Elektrické vlivy  - 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 b) konjugační efekt  konjugace roste → dvojný charakter konjug. vazby klesá → sil. konstanta klesá → posun k nižším ṽ  aceton < acetofenon < benzofenon konjugace 1720 cm-1 > 1691 cm-1 > 1650 cm-1 CH3 C CH3 O CH3 C O C O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 189 4) Elektrické vlivy c) induktivní efekt + I podporuje polarizační - I snižuje polarizaci vazby C=O vazby C=O (zeslabení v.) (zesílení v.) 1720 cm-1 1806 cm-1 H3C+ C - H3C+ O Cl - C + O CH3 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 190 4) Elektrické vlivy d) elektrostatický efekt  působení silně elektronegat. atomů a elektronodorních atomů ELEKTRICKÝM POLEM  ≈ jako interakce polárních skupin s rozpouštědlem  příklad: α-halogen ketony volná rotace kolem C-C vazby 1740 cm-1 1720 cm-1 Br odpuzuje el. O C C R O H H Br C C R O Br H H prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 191 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 5) STERICKÉ VLIVY, pnutí kruhu, konformace  3-, 4-, 5- článkové cykly – změna valenčních úhlů ve srovnání s acyklickými systémy a 6- a více četnými cykly  hybridizace sp3  endocyklické vaz. – více char. p  exocyklické vaz. – více char. s  větší podíl  s → zkrácení vazby → zvýšení  p → prodloužení vazby → snížení  → při poklesu počtu článků kruhu  exo-vazby – vyšší ṽ  endo-vazby – nižší ṽ sil. kons. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 192 5) Sterické vlivy  příklad: v (C=O) v cykl. ketonech a v (C=C) v cykloalkenech cykloalekny v (C=C) cykl. ketony v (C=O) (exocykl.) cyklohexen 1646 cyklohexanon 1718 cyklopenten 1611 cyklopentanon 1742 cyklobuten 1566 cyklobutanon 1784  využití: určování velikosti kruhu z infračerveného spektra  konformační izomery: ekvatoriální smršť. a roztah. kruhu → větší E axiální menší E → nižší ṽ  využití: určování konstituce, např. steroidy vazby prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 193 Faktory ovlivňující charakteristické vibrace 6) VIBRAČNÍ INTERAKCE (VIBRAČNÍ SPŘAŽENÍ)  podmínka charakteristické vibrace vazby – nezávislé vibrace na zbytku molekuly: 1) odlišné hmotnosti atomů od zbytku molekuly (C-H) 2) odlišná silová konstanta atomů od zbytku molekuly (C=C, C=O)  spřažené vibrace: např. amid: v (C=O), δ (N-H), v (C-N) AMID I AMID II AMID III 1630 – 1690 cm-1 1520 – 1570 cm-1 1200 – 1310 cm-1 převažuje převažuje    HNOC      NCHN        NCHNOC   C N H R2 R1 O C N H R2 R1 O C N H R2 R1 O prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 194 6) Vibrační interakce (vibrační spřažení)  Fermiho rezonance  spřažení - zákl. vibrace skupiny - harmon. vibrace jiné skupiny  kombinace energetických hladin → z nové hladiny oba přechody mají podobnou intenzitu x harmonické v. nespř. prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 195 Infračervená spektra organických sloučenin  alkany  valenční vibrace C-H: v (CH3): 2960 cm-1 vas v (CH2): 2925 cm-1 vas v (CH3): 2870 cm-1 vs v (CH2): 2850 cm-1 vas v (CH): 2890 cm-1 v (CH) cyklopropan > 3000 cm-1  deformační vibrace C-H: δ (CH3): 1460 cm-1 δas δ (CH3) : 1365 + 1385 δ (CH3): 1370 - 1380 δs dublet dimethylu δ (CH2): 1470 cm-1 δ (CH2)n: 720 - 790 cm-1 δ (CH): 1340 cm-1  skeletální vibrace C-H: (CH3)3-C: 1255 + 1210 cm-1 (CH3)2-CH: 1170 + 1140 cm-1 HC CH3 CH3 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 196 Infračervená spektra organických sloučenin  alkeny  valenční vibrace C-H: v (=CH2): 3080 cm-1 v (=CH-): 3020 cm-1 2975 cm-1  valenční vibrace C=C: v (C=C) nekonjug.: 1620 - 1680 cm-1 v (C=C) konjug. s arom. syst.: ≈ 1625 cm-1 v (C=C) konjug. s C=C, C=O: 1600 cm-1  deformační vibrace C-H: γ (C-H), RCH=CH2: ≈ 990 cm-1 γ (C-H), RCH=CH2: ≈ 910 cm-1 γ (C-H), RR´C=CH2: 890 cm-1 γ (C-H), RCH=CHR´ trans: 960 - 980 cm-1 γ (C-H), RR´C=CHR cis: 675 - 730 cm-1 γ (C-H), RR´C=CHR´´: 800 - 840 cm-1 δ (CH): 1410 - 1420 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 197 Infračervená spektra organických sloučenin  alkyny v (≡C-H): ≈ 3300 cm-1 v (C≡C) R-C≡C-H: 2100 - 2400 cm-1 v (C≡C) R1-C=C-R2: 2190 - 2260 cm-1 γ (≡C-H): 600 - 700 cm-1  je-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 2 pásy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 198 Infračervená spektra organických sloučenin  symetrická vibrace  asymetrická vibrace s (CH3) as (CH3) 2872 cm-1 2953 cm-1 -CH3  valenční vibrace s (CH2) as (CH2) s (NH2) as (NH2) 2850 cm-1 2930 cm-1 3400 cm-1 3500 cm-1 >CH2 -NH2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 199 Infračervená spektra organických sloučenin  deformační vibrace nůžkové kolébavé kývavé kroutivé (scissoring) (rocking) (wagging) (twisting) α = konst. α = konst. α = konst.  vazba v rovině uspořádaného okolí ≈ δ (C-H) inplane mimorovinné okolí γ (C-H) out of plane  vibrační spřažení 2 dvojných vazeb: 1,3-butadien vas = 1630 cm-1 vs = 1590 cm-1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 200 Instrumentace IR spektroskopie  dvoupaprskové přístroje s optickou kompenzací  automatická registrace spektra  hranolové nebo mřížkové monochromátory  hranol  mřížka 40-200 vrypů/cm 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  přístroj pracuje v optické rovnováze  monochromátor  mřížky na odraz – lepší disperze a rozlišení než hranol  rovinné  konkávní  Littrow (zrcadlo za hranolem)  materiál 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)  zdroj – keramická tyčinka - globar (1500°C) SiC - Nernst. tyč REM oxidy  detektory  bolometr – odporový teploměr  Golayova cela – pneumaticky, zrcadlo + fotočlánek  termočlánek prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 202 Technika snímání spekter  všechna skupenství 1) PLYNY (10 cm kyvety), páry těkavých kapalin, nastavení tlaku → nastavení propustnosti (optimální), násobný průchod 2) KAPALINY – kyvety, 2 okénka distanční kroužek KRS, AgCl  okénka NaCl, chráněné polymery  distanční folie (kroužek Pb, Al, Ag 0,01-0,1 mm) také Au  rozpouštědla: a) nesmí narušovat materiál okének b) nesmí reagovat se vzorkem c) musí mít dostatečnou propustnost ve zvoleném intervalu vlnočtů d) nesmí ovlivňovat spektra látek e) musí dobře rozpouštět vzorek nejlepší rozpouštědla: malá symetrická molekula ≈ CCl4, CS2 → malý počet absorpčních pásů  spektra látek ve více rozpouštědlech prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 203 Technika snímání spekter  koncentrace roztoků 5-10% při tloušťce 0,1 mm  voda – narušuje okénka z halogenidů alkal. kovů, kyvety pro práci ve vodě: AgCl, BaF2, CaF2, slída H2O + D2O ≈ 500 – 4000 cm-1 srovnávací roztok – čisté rozpouštědlo  dvoupaprskový přístroj – absorpce < 30 % pro kvantitativní měření < 70 % pro kompenzaci 3) PEVNÉ LÁTKY x rozptyl záření na prach. částicích → a) Nujová technika: suspenze vz. + parafin. olej (nujol) cca 5 mg vzorku, také hexachlorbutadien, 2 destičky z NaCl absorpce NUJOLU: 3030 – 2860 cm-1 (valenční vib.) CH 1460 + 1374 cm-1 (deformační vib.) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 204 Technika snímání spekter b) Technika výlisků: 1-2 mg vzorku + KBr (spektr. čistá) cca 100-200 mg lisování za vakua – transparentní tableta, 500 MPa měření proti referenční tabletě KBr LISOVÁNÍ → DEFORMACE x PŮVODNÍ STRUKTURA odstranění vlhkosti 300°C, infralampa c) Roztavené tuhé látky: vyhřívané kyvety, stanovení, analýza POLYMERŮ d) Reflexní technika: pasty, pěny, laky, lepidla (nelze rozpustit, lisovat, tavit) - ATR (Attenuated Total Reflection) úhel dopadu > mezní úhel → TOTÁLNÍ REFLEXE = f (ṽ) spektrum - MIR (Multiple Internal Reflection) násobné odrazy prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 205 IR spektroskopie  kalibrace 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  vzdálená IR oblast (ṽ < 200 cm-1, λ > 50 μm)  vliv absorpce par H2O a CO2 (sušení, evakuování)  několik mřížek, malé vlnočty ≈ malé rozlišení prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 206 Interferometrické spektrometry  lepší rozlišení ve spektru  větší zářivá energie na detektoru zrcadla: Z1, Z5, Z6 – parabolické Z2 – polopropustné Z3 – pohyblivé Z4 – fixní K – kyveta + vzorek  MICHELSONŮV INTERFEROMETR – fázový posun, dobrý poměr S/N  spektrum = zářivá energie obou paprsků po interferenci v závislosti na poloze pohyblivého zrcadla  FTS, FTIR spektrometry s Fourirovou transformací  zdroj záření – vysokotlaká Hg výbojka  detektor: Golayova cela, TGS = triglycinsulfátový pyroelektrický bolometr  kyveta: polyethylen, polypropylen než mřížkový přístroj prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 207 Vyhodnocování spekter, aplikace  identifikace  určování struktury organických látek  kvantitativní stanovení  IDENTIFIKACE – porovnání spekter, knihovny, výpoč. tech.  pravidlo: je-li ve spektru čistého standardu více absorpčních pásů než ve vzorku, jedná se o RŮZNÉ LÁTKY  identifikace se směsích je obtížná bez předchozího dělení  „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  určování struktury – tabulky charakteristických frekvencí, určitá třída látek  charakt. abs. pásy na několika místech ve spektru  „finger print“ – jen intenzivní pásy  výrazně se projevují funkční skupiny a strukturní jedn.: , -C≡C-, >C=C<, -C=O, -C=N, -NO2, -NH2, -OH, - COH, -COOH, -CONH2  jemnější údaje:  typ substituce na aromat. kruhu  velikost kruhu v cykl. syst.  koncové rozvětvení alkylu  pravidlo:  nepřítomnost pásu charakt. vib. pro určitou strukturní jednotkou = důkaz nepřítomnosti této jednotky v molekule  výskyt pásu char. vib. pro určitou strukturní jednotku v určité oblasti spektra – nutné prokázat dále prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 209 Intenzivní spektroskopie  absorpční pás je charakterizován:  vlnočtem  intenzitou absorpce (A – integrovaná abs. intenzita)  karboxylové sloučeniny  určování čistoty látek  pouze nečistoty s velmi intenzivními absorpčními pásy  pravidlo: ze 2 vzorků čistší ten, který má méně absorpčních pásů prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 210 Kvantitativní analýza  nízká stabilita  vysoká hodnota nulové linie  velké odchylky od Lambert-Beerova zákona  závislost molárního abs. koeficientu na přístroji a podmínkách  metoda kalibrační křivky  separační metody: GC a LC (jednoduchá rozpouštědla)  stanovení: v rozvětvení polymerů v koncových skupin  studium:  kinetiky reakcí  konformací  H-vazeb prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 211 Ramanova spektroskopie  záření rozptýlené při průchodu zkoumanou látkou  Raman, Krishnan, Landsberg, Mandelštam  rozptyl  na malých částečkách ≈ Tyndalův  na molekulách - Rayleighův (λ se nemění) elastický rozptyl 99 % - Ramanův (λ se změní) neelastický (kombinační) rozptyl 1 %  Ramanovo spektrum = intenzita rozptýleného záření ≈ na vlnové délce vlnočtu  elastický rozptyl ≈ pružná srážka fotonu s molekulou  neelastický rozptyl ≈ nepružná srážka fotonu s molekulou:  kinetická energie molekuly zachována → mění se vnitřní energie molekuly prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 212 Ramanova spektroskopie  budící záření pro Ramanovu spektroskopii nepostačuje k excitaci elektronických přechodů → pouze změny vibračních a rotačních stavů  energie přechodů je kvantována → je kvant, i výměna mezi fotonem a molekulou při neelastické srážce v0 – frekvence budícího záření v – frekvence Ramanova záření ∆v – Ramanův posun E1, E2 – energie rotačně-vibračních nebo rotačních hladin   0  Planck h EE 21   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 213 Podmínky vzniku Ramanova spektra  teorie elektrodynamiky: pohyb molekuly spojený se změnou ELEKTRICKÉHO MOMENTU DIPÓLU vede k EMISI nebo ABSORPCI záření IR:  elektrický dipólový moment: - el. moment dipólu v rovnovážné poloze x0 - efektivní náboj x r p pp            0 0p  0         x p  2 0          x p IIR  0p  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 214 Podmínky vzniku Ramanova spektra RAMAN  světlo: E – intenzita elektric. pole v – frekvence záření  indukovaný dipólový moment: ; α – polarizovatelnost x – výchylka vibrace → molekula je zdrojem záření Epi    x x            0 11,,   IEE 2cos0   txx 10 2cos      ttExtE tEx x Epi 110000 0 0 0 2cos2cos´ 2 1 2cos 2cos                       ´ Rayleigh Rayleigh Raman Raman prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 215 Podmínky vzniku Ramanova spektra  podmínka  Ramanovy linie jsou pozorovány mění-li se polarizovatelnost, tj. je-li  intenzita Ramanových linií je úměrná čtverci polarizovatelnosti  Ramanův posun ∆ṽ spektrum = závislost intenzity Stokes. linií na stupnici Ramanových posunů budicí = základní linie (linie Rayleighova rozptylu) má vlnočet 0 cm-1  infračervevé vibrační spektrum ≈ absorpce záření  Ramanovo spektrum ≈ deformace molekul. orbitalů  rozptyl x fluorescence přechody současně postupně     ttExtEpi 110000 2cos2cos´ 2 1 2cos    Rayleigh Raman Antistokes Stokes 0 0         xx  2 I  ~~ 0   ~~ 0 0 ~ 0´ 0          xx   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 216 Rayleighův rozptyl x Ramanův rozptyl prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 217 Podmínky vzniku Ramanova spektra  STOKESOY LINIE – nižší vlnočet ≈ ∆ṽ - energie potřebná na vyvolání vibrace (shoda s vlnočtem abs. pásů)  ANTI-STOKESOVY LINIE – vyšší vlnočet ≈ ∆ṽ - energie, kterou předá excitovná molekula (vibr. přechod) rozptylovému záření při přechodu do zákl. stavu  podstatně slabší zrcadlový obraz  intenzita Raman. spekter ≈ (platí pro rozptyl obecně)  poměr intenzit anti.stokesových a stokesových linií  anti-stokesovy za normální teploty jen ≈ 700 cm-1  ~~ 0   ~~ 0  4 1  kT h S AS e I I               4 0 0 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 218 Výběrová pravidla  intenzita IR čar x  intenzita Raman. čar  příklad: symetrická a antisymetrická vibrace lineární molekuly Y - X – 1) symetrická vibrace molekuly s centrem symetrie x0 – amplituda vibrace  vibrace aktivní v Ramanově spektru x dipólmoment celé molekuly se nemění → v IR spektru je tato vib. linie zakázaná          x p           x  0 0         x  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 219 Výběrová pravidla 2) antisymetrická vibrace  v krajních bodech stejné stavy mol. orb. x mění se dipólmoment  v IR spektru je tato linie dovolená v Ramanově spektru je zakázaná 0         x  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 220 Výběrová pravidla  aktivita vibrací v Ramanově spektru (a v IR) souvisí tedy se symetrií molekul  RAMAN ≈ symetrické vibrace  molekula se středem symetrie ≈ alternativní zákaz  Ramanova spektra ≈ doplněk IR spektra  využití: studium symetrie molekul  příklad: CO2 Ram. IR ≠ 0 + 0 - 0 - ≠ 0 + 0 - ≠ 0 + 0 - ≠ 0 +  intenzita Ramanových pásů (čar) ≈ výška, plocha  relativní vyjádření – standard CCl4  tzv. koeficient rozptylu ρn  p   1 ~s 2 ~as 43 ~~   34 ~   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 221 Plynné skupenství 1) ROTAČNÍ STRUKTURA VIBRAČNÍCH PÁSŮ 2) ČISTĚ ROTAČNÍ RAMANOVA SPEKTRA  výběrová pravidla pro rotační přechody  dovolené přechody RAMAN IR RAMAN ≈ 3 větve rot. ∆ J = 0 ∆ J = 0 0 ≈ ∆ J = + 2 λ kratší ∆ J = ± 2 ∆ J = ± 1 Q ≈ ∆ J = 0 S ≈ ∆ J = - 2 delší ∆ ṽ = 4 B 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)  PLYNOVÝ LASER He-Ne (5:1)  λ = 632,8 nm přechod μm 2s2 → 3p4 3,39 3s2 → 2p4 0,63 2s2 → 2p4 1,15 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 223 Plynový laser He-Ne  He – pomocný plyn  srážková excitace elektrony – výboj v plynu excitace na hladiny metastabilní 21s a 23s (1 ms)  přenos energie z He na Ne nepružnými srážkami atomů atomy He pak do základního stavu  Ne  blízké 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 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 224 Plynové lasery  přednost plynového laseru – vysoká směrovost záření, neexistuje rozptyl v aktivním prostředí x pevné lasery  plynové lasery He-Ne 632,8 nm 80 mW Ar+ 488,0 nm 1110 mW Ar+ 514,5 nm 1000 mW Kr+ 568,2 nm 240 mW Kr+ 647,1 nm 400 mW prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 225 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii  lasery  pulsní → 106 W; 10-8 s → stimulovaná Ramanův efekt → inverzní Ramanova spektra → hyper-Raman. efekt → kvantová chemie 1) abnormální intenzity 2) zakázané přechody  kontinuální → analýzy 1) chemická 2) strukturní  záření laseru:  polarizované (měření depolarizačního faktoru)  fokusovatelné na malou plochu (malé vzorky 0,05 μl) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 226 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii  excitační jednotka: zdroj + vzorek + zrcadla  zesílení záření - laseru - Ramanova  pevné vzorky  transmisní měření reflexní měření lisované tablety pomocí zrcadel Z1, Z2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 227 Mikrovlnná spektroskopie  pouze rotační spektra  pouze plynné látky, velké zředění  absorpce VF mikrovlnného záření  λ (mm) 0,1-10  ṽ (cm-1) 100-1  v (GHz) 3000-30  E (eV) 0,01-10-4  zdroj: vysokofrekvenční oscilátor (klystron) – emituje záření monochromatické → odpadá monochromátor, je laditelný  vedení záření: dutý vlnovod obdélník. průřezu (l=2-10 m) současně slouží jako kyveta se vzorkem  detektor: Si nebo Ge detektor  osciloskop:  horizontální vychylovací destičky ≈ zesílený signál z detektoru  vertikální vychylovací destičky ≈ časový signál synchronizovaný s frekvencí Klystronu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 228 Mikrovlnná spektroskopie  vysoká přesnost nastavení frekvence (10-4 %)  vysoké rozlišení (105 x vyšší než u IR spektroskopie)  vkládání el. napětí na kyvetu (2000 V) → STARKŮV EFEKT = štěpení rotačních linií → měření dipólmomentů  využití:  kvantitativní 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)  rozlišení molekul s různými izotopy (35Cl, 37Cl)  měření dipólmomentů Starkovým efektem (t 1% přesnost)  určení momentu setrvačnosti molekuly → urč. mezijaderných vzdáleností (až ± 0,2 pm = přesnost) a vazebných úhlů  rozlišení rotačních izomerů a studium konformace  podmínky:  plynné skupenství  permanentí dipólový moment (změna dipólm. při rotaci = výběrové pravidlo) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 229 Magnetická rezonanční spektroskopie  absorpce záření z radiofrekvenční, resp. mikrovlnné oblasti spektra vzorkem ve vnějším silném homogenním magnetickém poli  vybuzení - jader do vyšších energetických stavů, které se liší - elektronů od nižších stavů ORIENTACÍ SPINU 1) Jaderná (nukleární) magnetická rezonanční spektroskopie (NMR) 2) Elektronová paramagnetická rezonanční spektroskopie (EPR, ESR = Elektron spinová rezonanční spektroskopie) prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 230 NMR spektroskopie 1) PODSTATA NMR SPEKTRA  využívá se magnetických vlastností jader atomů  rotace jádra je charakterizována momentem hybnosti (spin, spinový moment hybnosti)  I – jaderné spinové kvantové číslo, které závisí na počtu neutronů a protonů v jádře a jejich kombinací  I ≈ (0 → 6), násobky ½ nebo nula  0, ½, 1, 3/2, 2, 5/2, 3, 7/2, 4, 9/2, 5, 11/2, 6 sp   1 2  II h ps   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 231 1) Podstata NMR spektra  pravidla (A = Z + N) 1) A = sudé, Z = sudé → I = 0; = 0; nemagnetická j. nelze měřit NMR spektra 2) A = liché → I = ½, 3/2, 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 jsou magnetická 3) A = sudé, Z = liché → I = 1, (2), 3, (4, 5), 6 jsou magnetická  I = ½: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P kulově symetrické rozlož. nábojů  I 1: nesymetricky rozlož. náboje → elektrický kvadrupólový moment  je mechanický moment  rotace elektricky nabité částice → magnetické pole → magnetický moment  MAGNETICKÝ MOMENT JÁDRA  γ = Gyromagnetický poměr – charakteristický pro jádro urč. izotopu  sp  sp  sp    prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 232 1) Podstata NMR spektra  pro 114 stálých izotopů většina z nich má I = lichý násobek ½  příklady:  I = ½: 1H, 13C, 15N, 19F, 31P  I = 3/2: 7Li, 11B, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br  I = 5/2: 17O, 27Al, 127I g – faktor spin-orbitální interakce (100)  I = 7/2: 51V, 59Co m – hmotnost jádra  I = 9/2: 93Nb, 209Bi e – náboj jádra  pouze 6 izotopů má I = celému číslu ≠ 0:  I = 1: 2H, 6Li, 14N  I = 3: 10B, 105Eu  I = 6: 50V  izotopy 12C, 16O, 32S magnetický moment NEMAJÍ 0  m eg 2   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 233 1) Podstata NMR spektra  v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole – nahodila orientace magnetických momentů jednotlivých jader  aplikace statického magnetického pole: precesní pohyb Larmorova precesní frekvence štěpení hladin energie (energie interakce) (- minus odpovídá snížení energie při souhlasné orientaci a )  δ není libovolný, Em je kvantována  - počet možných orientací je dán magnetickým kvantovým číslem mI  mI nabývá hodnot v rozmezí – I, (- I + 1), … (I – 1), I, celkem (2I + 1) hodnot 0B    02 BLL   0B           cos cos cos00 0 0 sz z ss sm m pp BpBp BpE BE         prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 234 1) Podstata NMR spektra  (2I + 1) = počet možných orientací a počet hladin Em  štěpení hladin je analogické Zeemanovu efektu  příklad:  I = ½; → 2 hodnoty mI: mI = + ½, mI = - ½  I = 1; → 3 hodnoty mI: 1, 0, -1 složky ve směru z ( = ) 1) pro: mI = + ½ (paralelní orientace a ) je nižší hodnota 2) pro: mI = - ½ (antiparalelní orientace a ) je vyšší hodnota 2mE 2 1 Im 1mE 2 1 Im Iz Iz m h m h p      2 2  0 2 Bm h E Im     0B  z  0B  z  0B  01 4 B h Em    02 4 B h Em    prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 235 1) Podstata NMR spektra  výběrové pravidlo: ∆mI = ± 1  přechody mezi - ½ a + ½ jsou přípustné  přechody mezi -1 a 0, 0 a +1 jsou přípustné  přechod mezi -1 a +1 není přípustný  energie nutná k přechodu do stavu s vyšší magnetickou energií se získá absorpcí kvanta elmag. záření s energií rovnou energet. rozdílu mezi dvěma stavy  pro srovnáme s  tj. jádro v magnetickém poli absorbuje elektromagnetické záření o přesně stejné frekvenci, jako je LARMOROVA frekvence precesního pohybu  obě frekvence musí být v rezonanci LL mm B BB h EEEhI            0 0012 2 222 1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 236 1) Podstata NMR spektra  elektromagnetické záření – radiofrekvenční (vysokofrekvenční) magnetické pole B1  vektor magnetické indukce B1 kolmé na vektor B0 elmag. ind. stat. pole  → nastává nukleární magnetická rezonance prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 237 1) Podstata NMR spektra prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 238 Magnetické vlastnosti jader atomů B0→1T IZOTOP PŘÍRODNÍ I MAGNET. REZONANČNÍ REL. ZASTOUPENÍ MOMENT FREKVENCE CITLIVOST (%) (A.m2.1027) (MHz) vztaž. na 1H 1H 99,99 ½ 14,11 42,58 1 2H 0,01 1 4,33 6,54 1,5.10-6 10B 18,83 3 9,09 4,58 11B 81,17 3/2 13,58 13,66 0,13 12C 98,89 0 0 - - 13C 1,11 ½ 3,55 10,70 1,8.10-4 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 239 Měření NMR  při splnění podmínky rezonance je vzorkem absorbována energie oscilujícího magnet. pole B1  velikost absorpce se registruje jako změna napětí v další přijímací cívce kolmé na osu magnetu i na osu cívky s RF polem  spektrum: signál = f (B0) [T] – v závislosti na čase 0BL    póly supravodivého magnetu n. elektromagnetu ≈ B0 se mění kolem rez. podmínky při konstantní frekvenci vL pole B1 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 240 Měření NMR  → v silnějších polích je třeba vyšších frekvencí → lepší rozlišení  v 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…  → trendy výrobců k vyšším frekvencím  pro měření 1H: MHz, v 40 60 80 100 220 T, B0 0,94 1,41 1,88 2,35 5,17 0BR    závislost rezonanční frekvence vR některých jader na indukci vnějšího mg. pole B0  γ – gyromagnetický poměr = směrnice prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 241 Měření NMR  nízká energie kvantovaných stavů a přechodů mezi nimi → absorpce v energeticky chudé – RF oblasti  rozdělení počtu jader mezi různé energ. hladiny  BOLTZMANN  laboratorní 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  pravděpodobnost přechodu ≈ B1  s rostoucí B1 klesá ∆N = N2 – N1  po překročení určité hodnoty B1 → N2 = N1 = nasycení →vymizení signálu                kT Bh g g kT E g g N N   2 expexp 0 1 2 1 2 1 2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 242 Měření NMR  dlouhá doba života excit. stavu → úzké linie  příčina: malá přechodová pravděpodobnost do zákl. stavu při vyzáření h.v HEISENBERGŮV PRINCIP  teoretická pološířka = 0,0X Hz, praktická = 0,X Hz je limitována homogenitou magnetického pole B0  životnost = relaxační čas, nezářivé přechody do zákl. stavu = relaxační přechody 1) SPIN – MŘÍŽKOVÁ RELAXACE 2) SPIN – SPINOVÁ RELAXACE prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 243 Spin - mřížková relaxace  MŘÍŽKA = okolí pozorovaného jádra (atomy, molekuly) → místní proměnlivá fluktuující magnetická pole (důsledek pohybu náboje)  EXCITOVANÉ JÁDRO předává energii mřížce v případě, že „v“ místního pole ≈ LARMOVĚ frekvenci  odevzdaná energie → teplo  doba trvání = spin-mřížkový relaxační čas T1 (v sekundách)  převrácená hodnota rychlostní konstanty  viskozita kapaliny (rozpouštědla)  nízká → T1 (sekundy) → úzké čáry  vysoká → T1 (zkrácení) → rozšíření čar prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 244 Spin - mřížková relaxace  PARAMAGNETICKÉ LÁTKY (nepárové elektrony), např. O2 – diradikálová molekula, pokles T1  evakuování vzorků odstranění O2  probublávání inertním plynem  další příčiny zkracování T1:  interakce 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  jádro 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  spin – spinový relaxační čas T2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 246 2) Chemický posun  měření spekter NMR za podmínek, kdy rezonance a absorpce JEDNOHO DRUHU JADER  1H-NMR 13C-NMR 19F-NMR spektra  výhoda – neprojeví se signály jiných jader → snadnější interpretace  měníme podmínky v úzkém rozmezí  1H-NMR spektra ≈ 100 MHz ± 1 kHz  19F-NMR spektra ≈ 94,08 MHz  rezonanční frekvence jader týchž izotopů se při stejných podmínkách měření liší podle typu sloučeniny (způsob vazby, povaha sousedních atom. skupin) → možnosti strukturní analýzy  závislost vR na struktuře okolí jader = chemický posun prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 247 2) Chemický posun  příčina: místo působí místní pole elektrony v obalu – v magnetickém poli → proudy → sekundární slabá mag. pole → stíní jádro  σ = stínící konstanta - nezávisí na B0 - závisí na struktuře molekuly  pro vyvolání rezonance je proto třeba působit polem s indukcí , aby se překonal vliv stínění  větší el. hustota → větší stínění  tím větší B0 (v = konst.)  tím větší v (B0 = konst.)  el. hustota v okolí jádra je snižována elektronegativními skupinami v sousedství jádra  -SO3H, -COOH, -COR, -COOR, -OR, -OH, halogeny 0B  0BBm    00´ BB     1000 BBBBm prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 248 2) Chemický posun  → elektronegativní skupina snižuje stínění = ODSTIŇUJĚ jádro  → snižuje B0´ potřebnou k vyvolání rezonance  → snižuje v potřebnou k vyvolání rezonance 1) tzv. DIAMAGNETICKÝ EFEKT prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 249 2) Chemický posun 2) STÍNĚNÍ MAGNETICKY ANIZOTROPNÍMI SKUPINAMI  zeslabování nebo zesilování B0 místními sek. poli tvořenými indukovanými proudy π-el. systému  benzen, aromáty – nejsilnější efekt  protony přímo vázané na aromatické jádro – souhlasný směr B0 a induk. sek. pole → ODSTÍNĚNÍ → rez. při nižší B0, v  BENZEN ≈ 1H signály při nižších B0, v než v nasycených, olefinických a acetylenických sloučeninách X je-li 1H nad středem benzenového jádra → zde B0 a sek. pole → zvýšené stínění → zvýšení vR, B0  ACETYLEN – 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 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 250 2) Chemický posun  IZOLOVANÁ 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  rozdíly rezonančních frekvencí velmi malé (σ ≈ 10-5)  absolutní měření 1:109 – není možné u , v  relativní měření – proveditelné u frekvence  standard chemického posunu – TETRAMETHYLSILAN  12 ekvivalentních 1H silně stíněno elektrony → jediný ostrý signál při vysoké hodnotě frekvence 0B  0B    6 10   OS STVZ ppm    0B  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 251 2) Chemický posun  δ (ppm) – pars per million 10-6  příklad: 60 MHz spektrometr, signál 1H -CH3, vázané na karbonylu methylethylketonu je při frekvenci o 130 kHz nižší než u TMS:  zvýšení frekvence na 100 MHz → ∆v = 217 kHz → δppm = 2,17 ppm  δTMS = 0, méně stíněné protony ≈ δ > TMS více stíněné protony ≈ δ < TMS  stupnice τ = 10 – δ (dříve používaná) CH3 - C - C2H5 O   ppmppm OS STVZ 17,210 1060 130 10 6 6 6         prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 252 3) Intenzita rezonančních signálů  je 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  intenzita ≈ plocha píku Integrální křivky 1H spektrum nízké rozlišení  odlišnost NMR od UV, VIS: intenzita signálu ne jako propustnost nebo absorbance, jen poměrné číslo   N T IIB konstS    1 . 32 0  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 253 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu MULTIPLETY SPIN-SPINOVÁ INTERAKCE  efektivní magnetické pole v místě jádra je ovlivněno:  1) stíněním elektrony → chemický posun  2) nepřímou spin-spinovou interakcí prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 254 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu  spin-spinová interakce = interakce jaderných spinů sousedních jader prostřednictvím valenčních elektronů  slabá polarizace el. orbitalů opačná orientace → efektiv. mag. pole oslabeno (-Bm) → absorpce při vyšší B souhlas. orientace → ef. mag. pole zesíleno (+Bm) → absorpce při nižší B  obě orientace sousedního jádra (I = ½) jsou stejně pravděpodobné – abs. signál rozštěpen na 2 píky  DUBLET – symetrický podle  JA-X – interakční konstanta (Hz) – nezávisí na B0 a v  podmínka štěpení: 1) různé atomy – např. H, F 2) stejné izotopy v různém chemickém strukturním okolí tzv. neekvivalentní jádra mBBBB  00  2 ,00 JBB  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 255 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu  jsou-li pozorované a sousední jádro ekvivalentní → SINGLET  1 jádro + 2 neekvivalentní sousední jádra → ± Bm1, ± Bm2  n jader r → 2n multiplet  píky o stejné intenzitě ovlivnění jaderných spinů je NEPŘÍMÉ = přes valenční elektrony a jejich spiny počet vazeb, které z prostředkují spinspinovou interakci se udává prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 256 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu  1 jádro a 2 ekvivalentní sousední jádra → ± Bm  1 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  pravidla: 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) 0 poměru intenzit - relativní intenzity v multipletu ≈ poměru koeficientů binomického rozvoje: (x+1)N 1 : 1 DUBLET N = 1 1 : 2 : 1 TRIPLET N = 2 1 : 3 : 3 : 1 KVARTET N = 3 1 : 4 : 6 : 4 : 1 KVINTET N = 4 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : 1 SEXTET N = 5 3) vzdálenosti sousedních linií uvnitř daného multipletu jsou shodné a ≈ J - interakční konstanta 4) chemický posun - odpovídá středu multipletu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 258 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu  podmínky platnosti pravidel o multiplicitě a intenzitě linií: a) rozdíly chemických posunů signálů vzáj. ovliv. jader >> interakční konstanta 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  je-li splněno a) i b) → SPINOVÉ SYSTÉMY 1. ŘÁDU → NMR spektra 1. řádu  spinový systém = soubor magneticky aktivních jader v molekule, izolovaný od mag. akt. jader ve zbytku molekuly  popis spinových systémů A … Z; vzdálenost jader ≈ vzdálenost v abecedě  sousední A, B, C, … K, L, M … X, Y, Z  vzdálené A, M … A, M, X, …  Hz J J       10 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 259 4) Štěpení NMR-signálů, spektra 1. řádu  příklad: 3 skupiny jader, v rámci jedné skupiny jsou jádra IZOCHRONNÍ, tj. mají stejný chemický posun  3 protony AMX → JA-M, JA-X, JM-X ETHANOL CH3CH2OH AM2X3 JAM = 5,0 Hz JMX = 7,2 Hz JAX = 0 Hz prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 260 Spinové systémy vyšších řádů  nejsou splněny podmínky: 1) dostatečný rozdíl chemických posunů 2) rovnost interakčních konstant  spektra: 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)  - neplatí pravidlo o intenzitě linií (zcela přesně)  - přestává platit pravidlo o počtu linií 20  J  6  J  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 261 Zjednodušování spekter vyšších řádů 1) měření při vyšší nebo v  princip: s rostoucí se J nemění ∆δ → roste 2) odstranění spin-spinových interakcí SPINDECOUPLING dvojnásobnou rezonancí  princip: působením dodatkového magnetického pole radiofrekvenčního, s frekvencí rovnou vR jádra (A) nebo skupiny jader A, jejichž interakce s ostatními studovanými jádry (X) chceme odstranit  dodatkové pole → rychlé přechody „oscilace“ mezi růz. energ. stavy spinů jader A → jádra X nezachytí různé orientace spinů A, jen „průměr“→ odstranění projevů interakcí  SPIN-SPINOVÁ INTERAKCE: stabilní orientace spinů t = 1/J  DECOUPLING – odstranění spin-spinové interakce mezi jádry stejných i různých izotopů, význam pro jádra s kvadrupólovým el. momentem (odstranění rozšíření signálů sousedních jader) 0B  0B  J  1B  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 262 Zjednodušování spekter vyšších řádů 3) použití posuvových činidel – tvorba komplexů PVZ  PVZ – paramagnetické  vznik aduktů s organickými molekulami  posun vR skupin protonů v závislosti na vzdálenosti:  ON 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  příklad: H+ z OH- skupiny CH3CH2OH → zjednodušení vlivu H+ z –OH na methylenové vodíky → -OH ≈ singlet, -CH2- ≈ kvartet (jen vliv H z CH3)  chemická 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 2) D2O – rozpouštědlo → výměna H+ za D+ → jiný posun → identifikace kyselých vodíků 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  kvantitativní vyhodnocení poměru signálů → procentové zastoupení 4) konformační izomery  např. cyklohexan – odlišné chem. posuny axiálních a ekvatoriálních protonů  podle rychlosti výměny lze nalézt buď signály konform. izomerů nebo „průměr“ a) brzděná rotace → neekvivalentní H na methylech b) volná rotace – jediný signál  lze stanovit pomocí NMR rychlostní konstanty 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  většina přístrojů: v = konst.; = proměnná (1H-NMR)  ad 2) permanentní magnety, elektromagnety se železným jádrem, supravodivé solenoidy chlazené kap. He  změna - pólové nástavce (cívky s jádrem) 0B  0B  0B  0B  1B  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 266 Instrumentace a pracovní technika  homogenita magnetického pole  důležité pro vysoké rozlišení (0,1-0,5 Hz)  přesnost ≈ 1.109  opracování ploch nástavců, nastavení jejich polohy  stabilita frekvence RF oscilátoru – krystal křemene (termostatován)  vysoké rozlišení  vzorky  válcová skleněná kyveta 150 x 5 mm (1 mm)  umístění v soudě – rotace vzduchovou turbínou  50-60 Hz – částečná eliminace nehomogenity magnetického pole 0B  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 267 Instrumentace a pracovní technika  detekce 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  vzorky  neviskózní kapaliny, 5-10%-ní roztok kapalin a tuhých látek (30-50 mg, pro mikro 2-5mg)  rozpouštědla 1) nemají obsahovat protony 2) dobrá rozpustnost vzorků 3) inertní  CCl4, D2O, CDCl3, CD3COCD3, C6D6  chemické posuny závisí částečně na použitém rozpouštědle  standardy 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; prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 268 Instrumentace a pracovní technika  vyhodnocování 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  použití 1) strukturní analýza 1H a 13C NMR 2) identifikace látek 3) kvantitativní analýza – směsi 4) stanovení molekulových hmotností  širokopásmová NMR- pevné látky prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 269 Elektronová paramagnetická rezonance (Elektronová spinová rezonance)  metoda objevena roku 1945  při absorpci energie dochází k přechodu mezi energetickými hladinami odpovídajícími různým orientacím spinu nepárových elektronů  měří se přechody mezi různými kvantovanými energetickými stavy elektronů ve vnějším magnetickém poli  frekvence = GHz, (B0 = 0,33 T; vR = 9,2 GHz)  podmínka vzniku spekter - nepárový elektron v molekule:  radikály  radikálionty  molekuly v excitovaném tripletovém stavu: prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 270 Elektronová paramagnetická rezonance  spinový magnetický moment γe - gyromagnetický poměr  orbitální magnetický moment - vektor orbit.mom. hybnosti  celkový magnetický moment - vektor celk.mom. hybnosti - LANDÉHO faktor spin-orbit.interakce 2,00232  vyjádření pomocí Bohrova magnetonu 224 10273,9 2 mA m e e B      2 1 2 1  zes mss     LLeo      JJee      e e e e g m Jeg 2     JgeBe    prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 271 Elektronová paramagnetická rezonance  energie interakce elektronu s polem obecně: pro elektron energie nerozštěpené hladiny mz - magnetické spinové kvant. číslo mz - + ½ základní stav mz - - ½ excitovaný stav 00 BmEE ze     0 0 BJE BE e          000 2 1 2 1 BgBgBgEEE BBBzáklexc   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 272 Elektronová paramagnetická rezonance  - rozdíl mezi hladinami energie nepárového elektronu, rozštěpenými v magnetickém poli  faktor spin-orbitální interakce (Landéův faktor) má v EPR podobný význam jako chemické posuny v NMR  ∆E, ∆N (rozdíl energií základního a excitovaného stavu, rozdíl populací) je malý, ale VĚTŠÍ než u NMR → mikrovlny (cm)  μB je stejný pro všechny elektrony → nejsou rozdíly v energii přechodu spinu v blízkosti různých jader  nepozorujeme vliv struktury na energii přechodů x NMR (nepárový elektron na vnější části molekuly → není stínění) 0BghE Be   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 273 Signál EPR  jediný signál nepárového elektronu  superpozice EPR signálů více nepárových elektronů  spinové interakce  nepárový elektron x jádra magneticky aktivní – H  vzájemné interakce mezi nepárovými elektrony v téže molekule  štěpení signálů - jako v NMR:  nepárový eletron - spinová interakce s N jádry (magneticky ekvivalentními) → 2N + 1 linií  I = spinově kvantové číslo jádra atomu, s nímž nepárový elektron interaguje, I = ½ pro H  intenzita signálu - poměry linií ≈ BINOMICKÝ ROZVOJ prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 274 Elektronová paramagnetická rezonance  velikost interakce – konstanta hyper jemného štěpení ax ≈ interakční konstantě v NMR  ax roste s klesající vzdáleností nepárového elektronu od jádra X → rozložení pravděpodobnosti výskytu nepárového elektronu na určitém místě molekuly-radikálu (spinová hustota)  identifikace radikálů v koncentraci 10-11-10-12 mol.l-1  využití: měření lze provádět v kapalném, plynném i pevném skupenství  sledování volných radikálů (elektrochemie, fotochemie…)  biologické materiály  molekuly sorbované na povrchu aktivních látek  radikály při destrukci materiálů  elektronová struktura přechodných prvků a organokovových sloučenin (heterogenní katalýza, biochemické a biologické aplikace)  defekty v krystalových mřížkách 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  měřicí cely ve formě reaktorů → produkce radikálů – udržení konstantní hladiny; zvýšení životnosti – nízké teploty (77 K)  přesné hodnoty G-faktoru radikálů: standard (DPPH) = 2,0036 N,N-difenyl-N´-pikrylhydrazyl prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 276 Metody založení na změně směru záření a stáčení roviny polarizovaného světla  INTERFEROMETRIE  REFRAKTOMETRIE  POLARIMETRIE  refraktometrie  měření refrakce směsi methanolu a ethanolu  geometrická optika  index lomu  SNELLŮV ZÁKON α - úhel dopadu β - úhel lomu v1 – rychlost šíření světla v prostředí 1 v2 – rychlost šíření světla v prostředí 2  relativní index lomu – n12 – z 1 do 2   sin sin 2 1  v v n 21 12 1 n n  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 277  absolutní index lomu c – rychlost světla v vakuu N = f (hustoty ρ) = f (složení, c) N - aditivní x možnost využití pro kvalitativní analýzu NK index lomu (abs.) kapaliny NS abs. index lomu skla βmax mezní úhel index lomu ≈ elektronová polarizace ɛr – relativní permitivita μr – relativní permeabilita Refraktometrie 18 10997925,21   smc v c N 12 1 2 1 2 2 1 2 1 12 sin sin n N N N N N c N c v v n    sk sk NN NN   1sin sin     ,,TfN  s k N N maxsin  12  rrN  rrN  2 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 278 Refraktometrie  refrakce - vztah mezi hustotou a indexem lomu (Lorenz-Lorentz)  specifická (měrná) refrakce R [cm3.g-1]  molární refrakce RM [cm3.mol-1] M – molární hmotnost  specifická refrakce má aditivní charakter → měření složení směsí (složení směsí lze vyjádřit objemovým, hmotnostním nebo molárním zlomkem)  disperze  měrná disperze rozdíl měrných refrakcí pro 2 vlnové délky; F,C – čáry vodíkového spektra, F ≈ 486,1 nm, C ≈ 650,3 nm  molární disperze  refrakce a disperze – studium struktury organických molekul    R N N 2 1 2 2  M N N RM     2 1 2 2             2 1 2 1 2 2 2 2 C C F F mCmF n n n n RR   CF rr   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 279 Refraktometrie  výhody:  jednoduchost  rychlost  malá spotřeba vzorku  přesnost  index lomu závisí na:  frekvenci záření n ≈ v n500, nD  teplotě (t) - sodíkový dublet 25°C  tlaku (plyny)  přepočet na normální podmínky 251 Dn t n t n          prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 280 Refraktometry 1) PULFRICHŮV  nemá kompenzaci disperze (nutní monochromatické světlo)  lze měřit index lomu i optickou disperzi  zdroj záření, kondenzor, clonka, lámavý hranol, kyveta, dalekohled, nastavení úhlu hrubé + jemné ± 0,05´  dalekohled – ostření na světelné rozhraní (mezní úhel) nH - index lomu hranolu α - úhel lomu  přesnost 10-5 jednotek indexu lomu  ∆t = 0,05 - 0,1 °C 22 sin Hnn prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 281 Refraktometry 2) ABBEHO  má kompenzátor optické disperze → lze použít polychromatický zdroj světla  přesnost 10-4 jednotek n, ± 0,1 °C  široký rozsah 1,30-1,70 prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 282 Refraktometry 3) PONORNÝ (ZEISS)  lomný hranol a dalekohled mají neměnnou polohu  sada 10 hranolů pro úzké oblasti indexů lomu, celkový rozsah ∆n = 1,325 až 1,647  empirická stupnice v okuláru odečet dílků ≈ rozhraní nalezení indexu lomu dle tabulek pro příslušný hranol prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 283 Refraktometrie  měření pevných látek 1) neprůhledné – v odraženém světle 2) průhledné – v kapalině s velkým indexem lomu monobromnaftalen n20 = 1,6582  podmínka přesnosti – konstantní teplota  temperační pláště hranolů  ultratermostat ≈ 0,01 °C  - 60°C +1 ≈ methanol  + 1, + 99°C ≈ destilovaná voda  + 99, + 150 °C ≈ glycerol prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 284 Refraktometrie  aplikace  sacharosa  sušina  kontrola čistoty látek (org. rozpouštědel)  binární směsi (metoda kalibrační křivky) MeOH, H2O  dvousložkové roztoky – změna indexu lomu s koncentrací  ternární 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  difereční 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)  vnx nnknkc  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 285 Refraktometrie  například: R1, R2 - specifická refrakce čistých složek, R - směsi, p - hmotové procento 1. složky ve směsi  linearita plyne z aditivity - jen v ideál. směsích  lze kalibrovat i přímo v indexu lomu: φ1 – objemový zlomek  hustota se určí pyknometricky ρt - hustota měř. kapaliny (směsi) při teplotě t (20°C) ρ0 - hustota dest. vody (20°C) ρ* - hustota vzduchu (20°C) m, m0 - hmotnost měř. kapaliny/vody v pyknometru  ověření 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  1211 1   NNN  A p R p RR 100 100 100 21     **0 0   m m t prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 286 Polarimetrie  polarizace světla (MALUS 1808) korunové sklo N = 1,52 α = 57°  světlo - příčné elektromagnetické vlnění  polarizace odrazem kmitání jen v rovině kolmé k rovině dopadu  polarizované světlo kmity v jediném směru  polarizační rovina je kolmá k rovině kmitání → je to rovina dopadu – světlo je polarizováno v rovině dopadu prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 287 Polarimetrie  úplná polarizace jen při určitém úhlu dopadu = polarizační úhel  BREWSTERŮV ZÁKON  světlo odražené pod Brewsterovým úhlem bude lineárně polarizované v rovině kolmé k rovině dopadu         cos 2 sinsin sin sin 2                N Ntg  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 288 Polarimetrie  dvojlom světla (E. Bartholinus 1670)  islandský vápenec – paprsek se při průchodu dělí na 2 paprsky  řádný (o) – platí Snellův zákon  mimořádný (e) – neplatí Snellův zákon  optická osa krystalu – paprsek se nedělí  rovina určená paprskem a optickou osou = hlavní rovina  paprsky o i e jsou polarizovány:  o polarizován v rovině hlavního řezu  e polarizován v rovině kolmé k hlavnímu řezu ABCD – rovina hlavního řezu dvojlom – anizotropnost prostředí N0 < Ne N0 > Ne prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 289 interference eliptická polarizace  interference o a e po výstupu: stejná frekvence, ale fázový posun: a) ve fázi nebo v opačné fázi → lineární polarizace stálá polarizační rovina b) obecný fázový rozdíl → polarizační rovina se otáčí  kruhová polarizace: dráhový rozdíl  čtvrtvlnová destička, rovnoměrné otáčení s frekvencí světla  DICHROISMUS – jeden z obou paprsků vzniklých dvojlomem se více v daném prostředí pohlcuje (turmalin) – získávání polarizovaného světla Polarimetrie   ,...3,2,1 4 12  kk  prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 290 Polarimetrie  rotační polarizace (Arago 1811)  způsobena opticky aktivními látkami: je to stáčení polarizační roviny lineárně polarizovaného světla  látky pravo- a levotočivé (asymetrický uhlík) c - koncentrace, l - délka dráhy (opt.), αs - specifická otáčivost  Fresnel: lineárně polarizované světlo se v opticky aktivní látce rozkládá na 2 opačně kruhově pol. vlny - různá rychlost - sklád.  diferenční metoda:  srážecí titrace – stanovení vysrážených iontů (bod ekvivalence)  extrakční metody – vytřepání látky do jiného rozpouštědla  studium struktury molekul  molekulová refrakce = Σ atomových refrakcí + inkrementy (= vazebné příspěvky v tabulkách) ∆ vypočtených a naměřených hodnot  měrná nebo molární disperze  studium anorganických komplexů v roztocích a dějů: solvatace iontů, disociace, asociace, fázové rovnováhy, chemická kinetika… cls   prof. Viktor Kanický, Molekulová spektrometrie 291 Interferometrie  měření rozdílu indexů lomu mezi známým a neznámým prostředím, využívá se ohyb a interference světla na štěrbině  interferenční pásy – světlé a tmavé pruhy  průchod světla prostředími o různém indexu lomu – rozdílné opoždění paprsků → posun interferenčních pásů – úměrný rozdílu indexu lomu  interferometr  zdroj → kolimátor → dvojitá svislá štěrbina → 2 kyvety → kompenzační zařízení → dalekohled  kyveta zasahuje do poloviny výšky štěrbiny → každý ze svazků interferovaného záření se rozdělí na 2 – kompenzace posunu  stanovení CH4, CO, CO2, důlní plyny