nm 0,1 0,2 0,4 0,8 2, m cm nm. speciá ální analýza a 4-1

Transkript

1 bl lízká (vak kuová) UV VUV/VIS elektronová spektroskopie UV VIS NIR IČ FIR nm 0,1 0,2 0,4 0,8 2, m cm nm speciá ální analýza a přírod dních 4-1

2 spektrum elektromagnetických vln gama rentgenovo UV viditelné IČ mikrovlny radiové metry vlnová délka frekvence energie speciá ální analýza a přírod dních 4-2

3 Duha primární (42 ) a sekundární (51 ) červená á vnější vnitřní fialová vnitřní vnější poselkyně bohů Iris symbol úmluvy s Hospodinem Gen 9:13 Aristoteles t ( přnl) ř odraz světla v oblacích speciá ální analýza a přírod dních Roger Bacon ( ) 1266 oblouk 42 René Descartes ( ) 1656 lom v kapkách 4-3

4 Vznik duhy: složení obrazu duhy rozklad světla v kapce vody 4-4 speciální analýzaa přírodních

5 * Lanškroun (Kronland) Praha studoval v Litomyšli, Jindřichově Hradci a Olomouci Bc.Phil., Mgr.Phil., 1618 Praha, 1625 Dr.med fyzikus (lékař) Království českého 1626 mimořádný a 1630 řádný profesor spolupracoval s Galileem 1648 rozklad světla 1648 důstojník legie, šlechtický stav 1658 osobní lékař císaře Leopolda I 1662 rektor university zabýval se astronomií, mechanikou, optikou, zavedl kyvadlo k měření tepu speciá ální analýza a přírod dních Jan Marek (Marcus) Marci z Kronlandu (Lanškrouna) ( ). Tento vynikající učenec renesanční šíře zájmů působil u nás ve složité pobělohorské době za politických a ideových střetů, válečných událostí a zhoubných epidemií a proslul jako lékař, filozof, matematik, astronom a zejména fyzik. Tento český č Galileo Galilei i vmnohém předešel ř dšlsvé slavné následovníky áld Newtona, Huygense, Hooka, Boyla, Grimandiho a další. 4-5

6 speciá ální analýza a přírod dních Slunce a vesmír byly prvé objekty pro zkoumání podstaty světla, optiky a spektrometrie. 4-6

7 Joseph von Fraunhofer ( ) sluneční spektrum 574 čar, 8 nejvýraznějších, pojmenovaných A-G 1802 William Wollaston temné čáry ve spektru 1868 žlutá čára při zatmění slunce helium spektrum vodíku Lymanova serie UV Balmerova serie VIS Paschenova serie IR Pfundova serie speciá ální analýza a přírod dních Gustav Kirchhoff ( ) 1887) Robert Bunsen ( ) Cs (1860), Rb (1861) snímek slunce v oblasti heliové čáry II 4-7

8 rozklad slunečního viditelného světla 4-8 speciální analýzaa přírodních

9 Popis spektra vodíku přeskok z počáteční na linii: Lymanova serie UV n 1 = 1 Balmerova serie VIS n 1 = 2 Paschenova serie IR n 1 = 3 Brackettova serie n 1 = 4 Pfundova serie n 1 = 5 Vlnové délky odpovídající přeskokům mohou být vypočteny Rydbergovou rovnicí R( ( ) n 2 n Vlnová délka nm Barva Počáteční n 2 410,2 Fialová 6 434,1 Modrá 5 486,1 Zelená 4 656,3 Červená 3 Balmerova serie čar spektra vodíku linie kde R je Rydbergova konstanta 1, m.s speciá ální analýza a přírod dních starobylý spektrometr s hranolem používaný k analýze zabarvení plamene kahanu 1 4-9

10 Johann Wilhelm Ritter nar. Samitz, Slezsko (poté Německo, nyní Chojnow, Polsko) 1776 V roce 1801 objevil ultrafialové světlo Přibližně v době, kdy astrofyzik Sir Herschel objevil IČ. Přepokládal, že i na druhé straně viditelného spektra bude podobné pokračování a na základě této úvahy objevil UV světlo. Experimentoval se zčernáváním chloridu stříbrného (C.W.Scheele) působením záření (fotochemické vylučování Ag). V jeho době se lidé domnívali, že modré světlo silněji podporuje chemické reakce než červené, Ritter prokázal (a překvapilo ho to), že UV světlo je ještě účinnější než modré. Nazval nejdříve toto t záření chemické paprsky. Jeho pozorování bylo potvrzeno nezávisle Wollastonem v roce speciá ální analýza a přírod dních bílé světlo hranol IČ (teploměr) UV (AgCl) 4-10

11 antivazebný antivazebný energ gie energetické přechody elektronů v závorkách anglické názvy hladin nevazebný vazebný vazebný 4-11

12 1. excitovaný singlet mezi hladinami relaxace vibrační relaxace mezisystémový přechod, 10-9 s relaxace fluorescence s triplet fosforescence s základní singlet populace vibračních složek v celkové obálce elektronového absopčního pásu JABLONSKÉHO ODIAGRAM A speciá ální analýza a přírod dních Elektronový přechod s Franckův-Condonův princip na jádra atomů lze pohlížet jako na statická 4-12

13 energie záření, které prochází vzorkem je absorbováno a využito k doplnění energie elektronů tak, že mohou vystoupit na vyšší (excitovanou) hladinu podívejme se, jak taková excitace proběhne např. u butadienu 4 * 3 * LUMO * čtyři základní p atomové orbitaly 2 HOMO 1 základní stav molekulových orbitalů butadienu excitovaný stav LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital (nejnižší neobsazený MO) HOMO Highest Occupied Molecular Orbital (nejvyšší obsazený MO) 4-13

14 u běžného nekonjugovaného alkenu je excitace jednoduchá: 2 * LUMO * dva základní p atomové orbitaly základní stav molekulových orbitalů butadienu 1 HOMO excitovaný stav 165 nm 15,

15 u karbonylu se uplatní i zakázaný n-> * přechod * * * * n n * 290 nm = 10 zakázaný * 170 nm = 100 povolený 4-15

16 přechod elektronu -> * odpovídá u butadienu změně energie, která se projeví absorbcí v elektronickém spektru u 217 nm 1,3-butadien h a přírodních ální analýza speciá 4-16

17 energetický rozdíl při přechodu * se s počtem konjugovaných vazeb snižuje Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan Introduction to Spectroscopy, 4th ed. en nergie ethylen butadien hexatrien oktatetraen bílé světlo hranol UV čím je energetický rozdíl menší, tím je snadnější excitace elektronu a tím je sloučenina ochotna přijmout energii méně energetického záření (čím dále blíže viditelnému spektru) a tím se stává pro náš zrak barevnou začne pohlcovat fialovou fialovou část spektra a my jí vidíme jako žlutou 4-17

18 přechod elektronu -> * odpovídá u karotenu změně energie, která se projeví absorbcí v elektronickém spektru u 425 nm a výše jedenáct konjugovaných dvojných vazeb s 22 elektrony delokalizovanými podle řetězce max 460 nm ( 139,000); );pohlcuje modrou, vidíme jej jjako oranžový 4-18

19 pohlcuje žlutozelenou barvu z bílého světla a my jej vnímáme jako modrofialový HO OH Cl - OH 530 O + OH OH Anthocyaniny (flavonoidy) jsou v buněčných vakuolách listů a po degradaci d chlorofyly způsobují modré, purpurové či červené zabarvení listů; vybarvují i květy a plody. cyanidin-chlorid: max = 375nm / 530 nm (1) anionická anhydrobase: max = 375 nm / 560 nm (2) cyanidin-chlorid: max = 375nm / 530 nm (1) Fe komplex: max = 535 nm (2) Al komplex: max = 560 nm (3) 4-19

20 Cl - malachitová zeleň s malachitem má společnou jen barvu N N malachitová zeleň pohlcuje čevenooranžovou barvu z bílého světla a my jí vnímáme jako zelenou 4-20

21 vlnová délka záření absorbovaná b -karotenem k t je v modré oblasti viditelného spektra; když se tudíž díváme na -karoten, nevidíme žádné modré vlnové délky" neboť je karoten absorbuje; zbytek viditelného světla (minus modrá) v našich očích vypadá jako oranžová; barva (vlnová délka) která je molekulou absorbována není ta, kterou detekujeme, to co vidíme na spektru jako absorbci je tudíž intenzita pohlceného světla barva pozorovaná barva absorbovaná absorbovaná vlnová délka zelená červená 700 nm modrozelená oranžovočervená 600 nm fialová žlutá 550 nm červenofialová žlutozelená 530 nm červená modrozelená 500 nm oranžová modrá 450 nm žlutá fialová 400 nm 4-21

22 Příklady přírodních barviv -karoten z mrkve O H N HO OH OH O O O OH OH karmínová kyselina (kermesová) k hmyzu Coccus Cacti O OH Čopíková J., Uher M., Lapčík O., Moravcová J., Drašar P.: Přírodní barevné látky, Chem. Listy 99, (2005). X N H O X=H, indigo z Isatis tinctoria X=Br, punicin anebo tyrský purpur ze šneků rodu Murex krocetin ze šafránu OH 4-22 O

23 měřící cela monochromátor detektor lampa čočka zesilovač zpracování schéma jednopaprskového spektrofotometru bílé světlo disperzní úhel hranol dvoupaprskový je obohacen o porovnávání referenčního a měřeného paprsku monochromátor zesilovač poměr zesilovač zpracování 4-23

24 schema dvoupaprskového UV-VIS spektrometru 4-24 speciální analýzaa přírodních

25 propustnost (transmittance) a pohltivost (absorbance) I o I vzorek sample v kyvetě I T 1 I I o Io A log( ) log( ) % T T 100% I T množství světla ě absorbované b vzorkem je určeno č molární absorptivitou i (absorbční koeficient), což je veličina používaná při srovnávání spekter různých sloučenin; je definována jako: A / c l (kde A = absorbance, c = koncentrace vzorku v molech / litr a l = dráha paprsku záření procházející vzorkem v cm) 4-25

26 Příprava vzorku plyny se naplní do kyvety z křemene ( nm), skla či plastu ( nm) kapaliny se naplní do kyvety z křemene ( nm), skla či plastu ( nm) pevná látka se rozpustí ve vhodném rozpouštědle (ethanol (do 205 nm), voda (do 190 nm) nebo hexan (do 201 nm)) Beerův ů zákon říká, že absorpce je proporcionální počtu absorbujících bjííh molekul Lambertův zákon říká, že procento absorbovaného záření nezávisí na jeho intenzitě spojením vzniká Lambertův-Beerův zákon I 0 je intenzita dopadajícího záření I je intenzita it záření procházejícího íh I je absorpční koeficient (dř. extinkční) 10 l je délka absorbujícího prostředí c je koncentrace vzorku v mol dm -1 0 log I lc I 4-26

27 délka cely v cm délka cely v cm koncentrace vzorku platnost Lambertova-Beerova zákona u koncentrace při vyšších hodnotách přestává v reálné situaci platit také platí jen pro monomerní látky u asociátů neplatí (je nelineární) 4-27

28 Acetonitril UV 190 Pentan 190 Voda 190 Hexan UV 195 Cyclopentan 198 Cyclohexan 200 Heptan 200 Isopropyl alkohol 205 Methanol 205 Ethyl alkohol Methoxyethanol 210 Methyl t-butyl ether 210 Propyl alkohol 210 Trifluoroctová kys. 210 Tetrahydrofuran UV 212 Butanol 215 1,4-Dioxan 215 Ethyl ether 215 Iso-oktan 215 Chlorbutan 220 Glym 220 Isobutyl alkohol 220 Propylen-karbonát 220 1,2-Dichlorethan 228 1,1,2-Trichlortrifluorethan 231 Dichlormethan 233 Chloroform 245 Butyl-acetát 254 Ethyl-acetát 256 Dimethylacetamid 268 N,N-Dimethylformamid 268 Dimethylsulfoxid 268 Toluen 284 N-Methylpyrrolidon 285 Chlorobenzen 287 o-xylen 288 o-dichlorbenzen 295 1,2,4-Trichlorbenzen 308 Methyl ethyl keton 329 Aceton 330 Methyl isoamyl keton 330 Methyl propyl keton 331 Methyl isobutyl keton 334 příklady některých rozpouštědel pro měření UV-VIS spekter (hrana v nm [cut-off]) spíše polární, spíše nepolární 4-28

29 UV hrana pro některé směsné chromatografické mobilní fáze (nm) Kyselina octová, 1% 230 Chlorovodíková kyselina, 0.1% 190 Trilfluoroctová kys., 0.1% 190 Fosforečnan dvojamonný, 50 mm 205 Triethylamin, 1% 235 Waters PIC Reagent A, 1 vialka/litr 200 PIC Reagent B-6, 1 vialka/litr 225 PIC Reagent B-6, low UV, 1 vialka/litr 190 PIC Reagent D-4, 1 vialka/litr 190 Octan amonný, 10 mm 205 Amonium-bikarbonát, 10 mm 190 EDTA, dvojsodná sůl, 1 mm 190 HEPES, 10 mm, ph MES, 10 mm, ph Fosforečnan draselný, 10 mm 190 Octan sodný, 10 mm 205 Chlorid sodný, 1 M 207 Citran sodný, 10 mm 225 Mravenčan sodný, 10 mm 200 TRIS HCl, 20 mm, ph dtto, ph Triton-XTM 100, 0.1% 240 BRIJ 35, 0.1% 190 CHAPS, 0.1% 215 Dodecylsulfát sodný 190 TweenTM 20, 0.1%

30 příklady některých typických chromoforů chromofor látka excitace max, nm rozpouštědlo C=C ethen * hexan C C 1-hexyn * hexan n * hexan C=O ethanal * hexan n * ethanol N=O nitromethan * ethanol C-X X=Br methylbromid * n hexan X=I methyljodid n * hexan 4-30

31 konjugace dvojných vazeb čím více dvojných vazeb tím více je přechodů k dispozici h a přírodních ální analýza speciá 4-31

32 terminologie posuny posun k delším vlnovým délkám posun ke kratším vlnovým délkám změna absorbance k vyšší hodnotě změna absorbance k nižší hodnotě bathochromní hypsochromní hyperchromní hypochromní chromofory skupiny atomů v molekule odpovědné za absorbce ve spektru přechody zakázané přechody (z kvantové teorie) - méně pravděpodobné - nízká intenzita povolené přechody (z kvantové teorie) - více pravděpodobné - vysoká intenzita takové termíny platí i pro analogické jevy a děje v jiných spektroskopiích 4-32

33 Empirická pravidla pro odhad vlnové délky absorbce u konjugovaných systémů (Woodwardova-Fieserova pravidla) výpočet: max = příspěvek základního chromoforu + příspěvky substituentů a korekce základní chromofor ovlivňující substituent A R- alkyl + 5 nm C C RO- alkoxy +6nm C C X- Cl nebo Br + 10 nm transoidní dien RCO- acyl nm RS- sulfid + 30 nm RN- amin + 60 nm C C cyklohexadien další konjugo- C 260 nm vaná dvojná vazba +30nm C C 6 H 5 - fenyl + 60 nm C C B každá exocyklická vazba přidá 5 nm na obrázku jsou dvě exocyklické vazebné komponenty, jedna pro kruh A, druhá pro kruh B vliv rozpouštědel je zanedbatelný 4-33

34 Empirická pravidla pro odhad vlnové délky absorbce u konjugovaných systémů (Woodwardova-Fieserova pravidla) X X=H 235 vypoč vypoč. 285 COOH 285 vypoč. 290 X=EtO 241 vypoč vypoč. 270 X=MeS 268 vypoč. 265 X=Br 238 vypoč vypoč. 258 O , 248, 282, 291 O vypoč. 350 n n 328 n 358 n 384 n n 4-34

35 Woodwardova-Fieserova pravidla pro max konjugovaných karbonylů C O C C O C C C chromofor R = alkyl: 215 nm R = H: 210 nm R=OR': 195 nm cyclopentenon 202 nm substituent a jeho vliv - Substituent R- (alkyl) +10 nm Cl- (chloro) +15 Br- (bromo) +25 HO- (hydroxyl) +35 RO- (alkoxyl) +35 RCO 2 - (acyl) +6 - Substituent R- (alkyl) +12 nm Cl- (chloro) +12 Br- (bromo) +30 HO- (hydroxyl) +30 RO- (alkoxyl) +30 RCO 2 - (acyl) +6 RS- (sulfid) +85 R 2 N- (amino) +95 další -konjug. C=C +30 C 6 H 5 (fenyl)

36 Woodwardova-Fieserova pravidla pro max konjugovaných karbonylů chromofor substituent a jeho vliv C C O C C C - Substituenty R- (alkyl) +18 nm ( ) HO- (hydroxyl) +50 nm ( ) RO- (alkoxyl) +30 nm ( ) A C C B (i) každá exocyklická dvojná vazba přidá 5 nm; sloučenina nahoře má dvě formální exocyklické vazby jednu v kruhu A, druhou v kruhu B (ii) homoanelovaný cyclohexadien přidá +35 nm (atomy kruhu musí být počítány zvlášť, jako substituenty) (iii) korekce na rozpouštědlo: voda = -8; methanol/ethanol = 0; ether = +7; hexan/cyclohexan =

37 Woodwardova-Fieserova pravidla pro max konjugovaných karbonylů O O O O O 233 vypoč vypoč vypoč vypoč vypoč. 242 O O HOOC O 281 vypoč vypoč. 244, vypoč

38 Woodwardova-Fieserova pravidla pro max konjugovaných karbonylů zakázán povolen povolen povolen transoidní bicyklický dien cisoidní bicyklický dien slabý pás, = silnější pás, = delší vlnová délka, 273 nm kratší vlnová délka, 234 nm Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan Introduction to Spectroscopy, 4th ed. 4-38

39 substituční efekt na absorpci aromatických sloučenin 255 nm pás je citlivý na elektronovou hustotu aromatického kruhu OH CH 3 O O C O = 270 nm ( = 1450) = 270 nm ( = 1450) = 270 nm ( = 1450) fenol anisol fenyl-acetát elektronová hustota červeně = nejvyšší zeleně = střední modrá = nejnižší 4-39

40 ph efekty na aromatickou absorbci OH = 270 nm ( = 1450) = 287 nm ( = 2600) O fenoxidový iont elektrostatická potenciálová mapa NH 2 NH 3 = 280 nm ( = 1450) = 254 nm ( = 160) aniliniový iont elektrostatická potenciálová mapa 4-40

41 azulen 4-41 speciální analýzaa přírodních

42 oktafluornaftalen F F F F F F F F 4-42 speciální analýzaa přírodních

43 pyrrol NH 4-43 speciální analýzaa přírodních

44 thiazol N S 4-44 speciální analýzaa přírodních

45 divinylether O 4-45 speciální analýzaa přírodních

46 chinonová a antrachinonová alizarin, ph = barviva 12,1 O O - O - fialový O alizarin, ph = 6,8 O O - OH alizarin, ph = 5,5 oranžovočervený červený O O O OH OH 4-46

47 O O NH 2 HN SO 3 Na O H N CH 3 Acid Blue 40 Alizarin Direct Blue A2G max : 610 nm H 3 C O H N N N max : 357 nm HO CH 3 Disperse Yellow 3 Celliton Fast Yellow G Solvent Yellow

48 H 3 C N N N SO 3 Na H 3 C max : 514 nm Methyloranž Acid Orange 52 ph 3,2 H 3 C N N N SO 3 Na H 3 C max : 506 nm H 3 C N N N SO 3 Na H 3 C max : 467 nm Methyloranž Acid Orange 52 ph 3,8 Methyloranž Acid Orange 52 ph 4,4 4-48

49 OH CH(CH 3 ) 2 max : 590 nm H 3 C CH(CH 3 ) 2 OH O O CH 3 Tymolftalein ph 10 pod ph = 10 ztrácí tymplftalein druhý proton kolem ph = 9 ztrácí tymolftalein prvý proton Tymolftalein ph 8 fenoly s -OH H 3 C OH CH(CH 3 ) 2 CH(CH 3 ) 2 OH O O CH

50 Jaké má UV-VIS spektroskopie důsledky na běžný život v laboratoři a/ můžeme studovat vlastnosti barevných, b/ můžeme vidět UV-aktivní látky např. na TLC či při HPLC s UV detekcí. a733.esp Retention Time (min)

51 Konec konců,kvůlikvůli absorpčním přechodům v UV/Vis oblasti vidíme! McMurry Organic Chemistry 6th edition Chapter 14 (c)

52 Presented material is aimed mainly at the students of the Institute of Chemical Technology, Prague. Some of its data stems from public sources and for reasons of simplicity and clarity not all quotations are properly cited as it is common in technical literature. ase turn direct tly to the authors. klk kolekce spekter h / t /db ll l speciální analýzaa přírodních With possible objections ple o spektroskopii

53 A to je dnes konec povídání o elektronové spektroskopii h a přírodních ální analýza speciá 4-53