Metody strukturní analýzy NMR, IČ, Raman. Pavel Matějka

Transkript

1 Metody strukturní analýzy NMR, IČ, Raman Pavel Matějka

2 Metody strukturní analýzy NMR, IČ, Raman 1. NMR 1. Princip metody a základy instrumentace 2. Základy pro interpretaci spekter 3. NMR pevné fáze 4. NMR v nehomogenním poli 2. Vibrační spektroskopie 1. Obecné principy 2. Infračervená spektrometrie techniky měření 3. Ramanova spektrometrie techniky měření 4. Základy interpretace spekter

3 NMR spektrometrie - teoretické základy spin nukleonů, spin jádra, kvantová čísla energetické stavy jádra v magnetickém poli rezonanční podmínka - NMR experiment a instrumentace pulsní metody, pulsní sekvence relaxační procesy, FID, Fourierova transformace - NMR spektra a jejich interpretace chemický posun, spin-spinové interakce integrální intenzita vícedimenzionální NMR

4 NMR spektrometrie - teoretické základy spin jádra, kvantová čísla spinový rotační moment (moment hybnosti) kvantové číslo jaderného spinu I pro NMR - jádra s I 0 I = 0 - sudé hmotnostní a atomové číslo - 12 C, 16 O I = celočíselné - sudé hmotnostní a liché atomové číslo - 14 N, 10 B, 2 H I = polovinové - liché hmotnostní číslo - 1 H, 13 C, 15 N, 19 F, 29 Si, 31 P projekce spinu magnetické kvantové číslo jaderného spinu - M I

5 NMR spektrometrie

6 NMR spektrometrie

7 NMR spektrometrie gyromagnetický poměr

8 - teoretické základy NMR spektrometrie energetické stavy jádra v magnetickém poli POPULACE STAVŮ N N exp E kt

9 NMR spektrometrie - klasické přiblížení

10 NMR spektrometrie

11 NMR spektrometrie

12 NMR spektrometrie

13 NMR spektrometrie

14 NMR spektrometrie

15 NMR spektrometrie

16 NMR spektrometrie

17 NMR spektrometrie

18 NMR spektrometrie spin-mřížková spin-spinová

19 NMR spektrometrie - relaxační procesy

20 NMR spektrometrie - relaxační procesy

21 NMR spektrometrie

22 NMR spektrometrie jednodimenzionální

23 NMR spektrometrie jedna sonda 1- magnety 2- kyveta se vzorkem 3- vysílací cívka 4- přijímací cívka

24 NMR spektrometrie

25 NMR spektrometrie - interpretace orbitaly s orbitaly p sousední atomy

26 NMR spektrometrie - interpretace

27 NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - 1 H základní přehled

28 NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - 13 C základní přehled

29 NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - vlivy chemického okolí - indukční efekt - deformace elektronové hustoty v okolí měřeného jádra (vazba, elektronegativita )

30 NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - vlivy chemického okolí - indukční efekt - deformace elektronové hustoty v okolí měřeného jádra (vazba, elektronegativita )

31 NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - vlivy chemického okolí - vlastnosti aromatického kruhu - indukční cívka

32 NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz - nepřímé spin-spinové interakce - vliv spinových stavů jader v okolí - zprostředkován vazebnými e - - HOMONUKLEÁRNÍ - HETERONUKLEÁRNÍ DEKAPLINK - DECOUPLING

33 NMR spektrometrie interpretace

34 NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz

35 NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz - možnosti vzájemné orientace více spinů

36 NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz signál CH 2 štěpený sousední CH 3 signál CH 3 štěpený sousední CH 2

37 NMR - interpretace Pascalův trojúhelník

38 NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz - spektra 1. řádu - diference mezi chemickými posuny mnohem větší než spin-spinové interakční konstanty LZE IDENTIFIKOVAT SKUPINY CHEMICKY EKVIVALENTNÍCH JADER (např. dva protony na volně rotující -CH 2 )

39 NMR - interpretace INTENZITA SIGNÁLU - pro 1 H - integrace plochy pásů pro jednotlivé chemické posuny - úměra k počtu protonů v dané skupině např. poměr ploch CH 3 : CH 2 : CH 3 : 2 : 1

40 NMR - interpretace H 3 C O O CH CH

41 NMR - interpretace

42 NMR - interpretace

43 NMR - interpretace 13 C NMR - nedekaplovaná - dekaplovaná - J - modulovaná - APT test - attached proton - pozitivní signály - C, CH 2 - negativní signály - CH, CH 3

44 NMR - interpretace O H 3 C CH

45 NMR - interpretace H 3 C O

46 2D NMR

47 2D NMR homonukleární heteronukleární

48 2D NOESY přes prostor 2D NMR - homonukleární 2D COSY přes vazby Correlated SpectroscopY total Nuclear Overhauser enhancement 2D TOCSY přes vazby

49 NMR spektrometr

50 picospin-45 /levný, malý

51 Specifications picospin-45 Larmor frequency 45 MHz +/- 1 MHz Nucleus proton Sample form liquid Resolution better than 100 ppb Signal-to-noise ratio 300 for water, single shot Magnet type permanent Capillary 300 micron ID Weight 10.5 lbs. Dimensions 7"W x 5.75"H x 11.5"D Power 115/230 VAC, 50/60Hz, 150 W

52

53

54

55

56 Úvod vibrační spektroskopie - závislost spekter na periodickém pohybu Každá čára vibračního (IČ, Ramanova) spektra je svými vlastnostmi závislá na počtu a hmotě společně kmitajících atomů molekuly, na jejich prostorovém uspořádání a na vnitřně molekulovém silovém poli. Prof. Dr. Arnošt Okáč Výklad k základním operacím v chemické analyse JČMF 1948

57 Pohyb v prostoru volné částice translační pohyb 1 atom 3 stupně volnosti 2 atomy 2 x 3 stupně volnosti N atomů N x 3 stupně volnosti

58 Pohyb v prostoru vzájemně vázané částice 2 atomy spojené vazbou - LINEÁRNÍ MOLEKULA 2 x 3 stupně volnosti ~ 6 JEN 3 translace těžiště 2 stupně volnosti - rotace molekuly 1 stupeň volnosti vibrace periodický pohyb 3 atomy spojené vazbami - LOMENÁ MOLEKULA 3 x 3 stupně volnosti ~ 9 JEN 3 translace těžiště 3 stupně volnosti - rotace molekuly 3 stupeň volnosti vibrace

59 Pohyb v prostoru vázané částice N atomů spojených vazbou - LINEÁRNÍ MOLEKULA N x 3 stupně volnosti ~ 3 N JEN 3 translace těžiště 2 stupně volnosti - rotace molekuly 3 N - 5 stupňů volnosti - vibrace N atomů spojených vazbou - LOMENÁ MOLEKULA N x 3 stupně volnosti ~ 3 N JEN 3 translace těžiště 3 stupně volnosti - rotace molekuly 3 N - 6 stupňů volnosti - vibrace

60 Infračervená spektrometrie Podstata vibrační spektroskopie vibrační (vibračně-rotační) stavy - počty vibračních stavů - počet vibračních modů (stupňů volnosti) 3N-6 (3N-5 - lineární molekuly), N - počet atomů - pro každý stupeň volnosti - vibrační frekvence - potenciálová křivka - sada stavů (hladin)

61 Infračervená spektrometrie Podstata vibrační spektroskopie TYPY VIBRAČNÍCH MODŮ - valenční vibrace - změna délky vazby - symetrická, antisymetrická, asymetrická - deformační vibrace - změna vazebných úhlů - nůžková, deštníková, kývavá, vějířová, kroutivá - rovinná, mimorovinná - symetrická, antisymetrická, asymetrická

62 Pohyb atomů v molekule TYPY VIBRACÍ VIBRACE VALENČNÍ ZMĚNA délky vazby/vazeb» SYMETRICKÁ» ANTISYMETRICKÁ

63 Pohyb atomů v molekule TYPY VIBRACÍ VIBRACE DEFORMAČNÍ - změny úhlů (vazebné úhly, torsní úhly) nůžková, kolébavá, kývavá, kroutivá

64 Infračervená spektrometrie Podstata vibrační spektroskopie VIBRAČNÍ FREKVENCE - model harmonického oscilátoru plus anharmonicita - hmotnost atomů - síla vazby - vliv typu pohybu v rámci dané skupiny atomů

65 Infračervená spektrometrie Podstata vibrační spektroskopie POTENCIÁLOVÁ KŘIVKA - model harmonického oscilátoru plus anharmonicita - síla vazby - vliv typu pohybu v rámci dané skupiny atomů

66 Infračervená spektrometrie Podstata vibrační spektroskopie ENERGIE STACIONÁRNÍCH STAVŮ - model harmonického oscilátoru plus anharmonicita - frekvence vibrace - tvar potenciálové křivky

67 Infračervená spektrometrie Podstata infračervené absorpce jednofotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními (vibračně-rotačními) stavy molekuly, jejichž energie jsou E 1 a E 2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci n abs = E 2 - E 1 / h hn abs = E 2 - E 1 hn vib = E 2 - E 1 pro fundamentální přechody

68 Vibrační spektroskopie svrchní tón - overton fundametální přechod fundametální přechod

69 Infračervená spektrometrie Podstata infračervené absorpce jednofotonový přechod mezi dvěma stacionárními vibračními (vibračně-rotačními) stavy molekuly, jejichž energie jsou E 1 a E 2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci n abs = E 2 - E 1 / h hn abs = E 2 - E 1 hn vib = E 2 - E 1 pro fundamentální přechody

70 Infračervená spektrometrie Podstata infračervené absorpce přechody mezi vibračními (vibračně-rotačními) stavy - typy možných přechodů při absorpci IČ záření - v rámci jednoho vibračního modu - fundamentální (změna kvantového čísla o jednotku) - vyšší harmonické - svrchní tóny - zahrnuto více vibračních modů - kombinační

71 Infračervená spektrometrie Oscilující dipólový moment pohyb molekuly spojený se změnou elektrického dipolového momentu vede k absorpci (nebo k emisi) záření p p p q 0 p - aktuální dipólový moment p 0 - dipólový moment v rovnovážné poloze q - normální souřadnice vibračního módu 0 q

72 Infračervená spektrometrie Základní výběrové pravidlo infračervené absorpce p q 0 INTENZITA PÁSŮ ÚMĚRNÁ kvadrátu ZMĚNY DIPOLOVÉHO MOMENTU BĚHEM VIBRAČNÍHO POHYBU

73 Infračervená spektrometrie p 0 SILNĚ ABSORBUJÍ IČ záření q Cl H HCl, H 2 O, CO 2, SO 2, N x O y skleníkové plyny alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny nitroderiváty, sulfo-deriváty halogenderiváty anorganické soli a komplexní sloučeniny

74 Infračervená spektrometrie ANALYZOVANÉ TYPY MATERIÁLŮ - plyny - analýza složení zemního plynu - monitoring vzdušných polutantů - kapaliny, roztoky - analýza olejů - analýza odpadních vod - analýza mléka - práškové vzorky - analýza léčiv, drog, trhavin - analýza rud, hnojiv - fázové rozhraní - povrchová analýza

75 Infračervená spektrometrie - instrumentace

76 Infračervená spektrometrie - instrumentace

77 Infračervená spektrometrie - TRANSMITANČNÍ MĚŘENÍ - plyny - plynové kyvety - optická délka 1 cm - 10 m - roztoky - kapalinové kyvety - 0,01 mm - 10 mm - kapaliny - kapalinové kyvety - 0,002 mm - 0,05 mm - pevné látky - suspenze s Nujolem, Fluorolube - kapalinové kyvety - tablety s KBr

78 Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky ATR

79 Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky DRIFT

80 Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky SPEKULÁRNÍ REFLEXE

81 Infračervená spektrometrie - INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK - důkazy funkčních skupin - charakteristické pásy - interpretační tabulky - síla vazby, hmotnosti atomů, typ vibrace - identifikace látek - otisk palce - knihovny spekter - tištěné - elektronické

82 Absorbance 2935 Infračervená spektrometrie - INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK 1,1 1,0 CYCLOHEPTANE, 98% 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, Wavenumbers (cm-1) 1000

83 Infračervená spektrometrie - INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK 1,1 1,0 0,9 1-Hexy ne, 99% , ,7 Absorbance 0,6 0, ,4 0,3 0, , W av enu mber s ( cm- 1) 100 0

84 Schéma hladin svrchní tón - overton fundametální přechod fundametální přechod

85 Ramanova spektrometrie Sir Chandrasekhara Venkata Raman Nobel Cena za fyziku 1930 A New Type of Secondary Radiation C. V. Raman and K. S. Krishnan, Nature, 121(3048), 501, March 31, 1928 The experiments we have made have confirmed this anticipation, and shown that in every case in which light is scattered by the molecules in dust-free liquids or gases, the diffuse radiation of the ordinary kind, having the same wave-length as the incident beam, is accompanied by a modified scattered radiation of degraded frequency.

86 Ramanova spektroskopie Klasické přiblížení - Indukovaný dipólový moment úměrný intenzitě elektrického pole P E Rayleigh Stokes anti-stokes Základní výběrové pravidlo Ramanova rozptylu změna polarizovatelnosti během vibračního pohybu q 0

87 Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie Vibrační frekvence molekul jsou nezávislé na tom, zda je studujeme infračervenou nebo Ramanovou spektroskopií, avšak intenzity spektrálních linií budou pro obě spektroskopické techniky zřetelně odlišné.

88 Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie V Ramanově spektru je intenzita pásů úměrná druhé mocnině změny polarizovatelnosti během vibračního pohybu (δα/δq) 2, zatímco v infračerveném spektru je úměrná druhé mocnině změny dipólového momentu.

89 Rozdíly IČ a Ramanovy spektrometrie %T V-6j-ATR- IR Vanillin vzorek V Raman Int cm- 1

90 Int Abs Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie 0,7 vz. 16 IR 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 vz. 16 Raman 2248 C N 2248 C N 0, Wavenumbers (cm-1) 1000

91 Experimentální výhody možnost měření ve vodném prostředí nízká intenzita Ramanova rozptylu pro vodu používané optické materiály nejsou citlivé na vlhkost možnost měření ve skleněných nádobách měření v uzavřených ampulích - např. pod vakuuem snadné využití skelné vláknové optiky minimální požadavky na úpravu pevných vzorků intenzivní pásy -C=C-, -N=N-, -S-Sa dalších symetrických vibrací

92 Ramanova spektrometrie Zdroj záření Slunce a filtry rtuťová výbojka LASERY monochromatické koherentní oči fotografické desky Detekce světla fotonásobiče CCD čipy

93 Instrumentace The following experiment seems to us to be decisive: between the scattering quartz crystal and the spectrograph slit we placed a quartz vessel which was filled with mercury vapors and totally absorbed light with a wavelength of 2536 A. We did not obtain this line in the spectrogram, but obtained only the satellites. G.S. Landsberg, L.I. Mandelstam, 1928 zdroj excitujícího záření excitační optika vzorkový prostor sběrná optika odlišení záření o různé energii detekce záření akviziční elektronika ukládání a zpracování dat

94 Schéma Ramanova disperzního přístroje

95 Instrumentace přenosné přístroje ruční, mobilní stolní kompaktní spektrometry stolní spektrometry s volbou excitační vlnové délky stolní mikrospektrometry vědecké systémy průmyslové univerzální systémy aplikačně přizpůsobené (jednoúčelové) systémy

96 Studované materiály VZORKY anorganické - korozní vrstvy - povrchy pevných disků, křemík - amorfní uhlík, diamanty organické - supramolekulární systémy - systémy na nosičích polymery - fotolabilní materiály biologické - in vitro, in vivo geologické - minerály, horniny archeologické - od paleolitu po novověk

97 Intensity (a.u.) Analýza uhlíkatých materiálů x DLC uhlíková vrstva sp 3 sp diamant sp Wavenumber (cm -1 )

98 Použití spektrálních dat Interpretace spekter strukturní analýza, identifikace látek spektrální knihovny Intenzita pásů kvantitativní analýza Časově rozlišená spektra kinetické studie Teplotně závislá spektra Analýza směsí identifikace subspekter faktorová analýza

99 ANALÝZA kůže jednoúčelové zařízení River Diagnostics Model 3510 Skin Analyzer -

100 Speciální techniky rezonanční - RR povrchem zesílený - SERS rezonanční povrchem zesílený - SERRS hrotem zesílený - TERS fotoakustický - PARS hyperraman koherentní anti-stokes - CARS koherentní Stokes - CSRS