Přírodovědecká fakulta Organická chemie

Transkript

1 Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Přírodovědecká fakulta Organická chemie Doc. Čermák 2014 Spektroskopie

2 Spektroskopie nukleární magnetické rezonance a její použití k určení struktury ( 2 ) 5 2 O O O 3 3 Spektroskopie je instrumentální technika k určení struktury molekul, obvykle založená na rozdílech v absorbci elektromagnetického záření těchto molekul. V organické chemii se nejčastěji používají: 1. Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR) 2. Infračervená spektroskopie (IR, někdy IČ) 3. Ultrafialová spektroskopie (UV) a dvě metody založené na jiných principech 4. motnostní spektrometrie (MS) 5. Rentgenová difrakce (X-ray)

3 Spektrum elektromagnetického záření E [kcal/mol] > ,0 0, Rentgen. paprsky Daleká UV oblast UV Vid. oblast Blízká infračervená oblast Daleká infračervená oblast Mikrovlny ν [cm -1 ] Radiové vlny Elektronové přechody vnitřních el. Elektronové přechody valenčních elektronů v atomech a molekulách Vibrační přechody Rotační přechody Rotační přechody Přechody jaderných spinů 10 nm mm µm λ m

4 Obecné schema spektrometru Vycházející paprsek Propuštěný paprsek Elektromagnetický generátor Vzorek Detektor a zesilovač Analyzátor počítač

5 Pól magnetu α β α α β α β β Vektory jaderných spinů Pól magnetu 0

6 Pól magnetu Pól magnetu Ozařování s absorpcí hν α β β β Pól magnetu Pól magnetu 0 0 β Proti poli Ozařování s absorpcí hν β β α Ve směru pole E

7 NMR aktivita a přirozené zastoupení několika vybraných jader Jádro NMR aktivita Přirozené zastoupení [%] Jádro NMR aktivita Přirozené zastoupení [%] 1 aktivní 99, O neaktivní 99,759 2 (D) aktivní 0, O aktivní 0,037 3 (T) aktivní 0 18 O neaktivní 0, neaktivní 98,89 19 F aktivní aktivní 1,11 31 P aktivní N aktivní 99,63 35 l aktivní 75,53 15 N aktivní 0,37 37 l aktivní 24,47

8 ypotetické NMR spektrum fluorchlormethanu v poli G l F 1 19 F 35 l 37 l Mz 75,3 45,7 24,5 29,4 0

9 Vysokorozlišovací NMR spektroskopie l O 1 35 l 37 l O 300 Mz 75, z z při 300 Mz při 75,3 Mz

10 Schéma NMR spektrometru Generátor RF pulsů RF detektor Rotující NMR kyveta Radiofrekvenční jednotka Analyzátor počítač Magnetické pole, např gaussů

11

12 Poloha NMR signálu, označovaná jako chemický posun (proč, to vyplyne z dalšího) závisí na elektronové hustotě kolem jádra a ta zase na strukturním okolí pozorovaného jádra. NMR chemické posuny jsou tedy důležitým klíčem k určení molekulární struktury. Jádro Elektronový oblak cirkulující pod vlivem 0 + h lok Indukované lokální pole proti směru 0 0

13 + - 3 Odstíněný signál (nízké pole) Stíněný signál (vysoké pole) Frekvence ppm

14 3 3 2 O 3 Si( 3 )

15 hemický posun [ppm] : δ = Vzdálenost píku od signálu standardu [z] Frekvence spektrometru pro příslušné jádro [Mz] Funkční skupiny způsobují charakteristické chemické posuny Elektronegativní atomy odstiňují: 3 X Elektronegativita X δ 1 3 skupiny [ppm] 3 F 4,0 4,26 3 O 3,4 3,40 3 l 3,2 3,05 3 Br 3,0 2,68 3 I 2,7 2,16 3 2,2 0,23 3 l 2 l 2 l 3 3,05 5,30 7,27 1, Br 1,03 1,88 3,39 3 Br 4,21

16 Typické posuny 1 v organických molekulách Typ vodíku δ [ppm] Typ vodíku δ [ppm] R 3 0,8 1,0 R 2 OR 3,3 3,9 R 2 R 1,2 1,4 R 2 O 3,3 4,0 R 3 1,4 1,7 R 2 = 2 4,6 5,0 3 1,6 1,9 R 5,2 5,7 2 R 2 R' R' Ar 2 R 2,2 2,5 Ar 6,0 6,5 R 3 R O 2,1 2,6 R 9,5 9,9 1,7 3,1 RO 0,5 5,0 R 2 l 3,6 3,8 RS 0,5 5,0 R 2 Br 3,4 3,6 RN 2 0,5 5,0 R 2 I 3,1 3,3 Vodíky alkanů a látek podobných alkanům O Vodíky vedle elektronegativních atomů Vodíky vedle nenasycených funkčních skupin Vodíky alkenů Vodíky s velmi proměnlivým posunem

17 hemicky ekvivalentní protony mají stejný chemický posun. Jak je poznáme? V molekulách a funkčních skupinách, které mají rovinu symetrie nebo vícečetnou rotační osu, jsou chemicky ekvivalentní protony. R 120 Trojčetná rotační osa symetrie ' '' '' R 120 ' ' R ''

18 Br I Br Vodíkové atomy různých barev dávají různé signály v 1 spektru Rovina symetrie je kolmá na nákresnu l l 120 Dvojčetná rotační osa symetrie 120

19 Rychlé konformační změny rovněž vedou k ekvivalenci signálů na NMR časové škále l l l 3 2 l b a b1 b2 b2 b3 b3 a1 a2 a1 a2 a1 b3 b1 b2 b1 a2 Rotace velmi rychlá, E a = několik kcal/mol, jeden signál b vodíků i při 90 a1 a2 a1 a2 Inverze cyklohexanového kruhu pomalejší, E a = 10,8 kcal/mol, jeden signál všech vodíků při laboratorní teplotě (δ = 1,36 ppm), ale při 90 pozorovány dva signály: šest axiálních vodíků (δ = 1,12 ppm) a šest ekvatoriálních vodíků (δ = 1,60 ppm).

20 Integrace intenzity signálů ve spektru 1 poskytuje informaci o relativním množství vodíkových jader O 22 mm (9 ) 5 mm (2 ) 2,5 mm (1 ) Si( 3 ) mm (6 ) 10 mm (4 ) 3 O 2 2 O 3 Si( 3 )

21 Jednoduchý příklad, kdy změření pouze 1 spektra rozliší produkty reakce l 2, hν, l - l 3 2 l l 2 l + l l 10 % 1,1-Dichlorpropan (b.v ) 27 % 1,2-Dichlorpropan (b.v. 96 ) 14 % 1,3-Dichlorpropan (b.v. 120 ) 3 : 2 : 1 1,01 2,34 5,93 3 : 1 : 2 1,70 4,14 3,68 2 : 2 : 2 dohromady 2 : 1 3,71 2,25 3,71

22 Spin-spinové štěpení: vliv sousedních neekvivalentních jader Tue Oct 02 20:28: W1: 1 Axis = ppm Scale = z/cm Si( 3 ) l O l O

23 Štěpení jednoho jádra druhým na dublet: a b(α) h Pozorovaný signál a vedle b(α) Očekávaný signál a v nepřítomnosti b 0 celkem u a : 0 + h a b(β) h Posun k nižšímu poli Pozorovaný signál a vedle b(β) 0 celkem u a : 0 - h Posun k vyššímu poli Pozorované spektrum Konstanta spin-spinové interakce (kaplink konstanta)

24 a b a b a b 2 J ab, geminální štěpení (interakce, kaplink) obvykle 0 18 z l 2 O 3 J ab, vicinální štěpení obvykle 6 8 z 4 J ab, 1,3 štěpení obvykle velmi malé Pozor: Signály ekvivalentních jader nejsou navzájem štěpeny Štěpení jednoho jádra více jinými ekvivalentními jádry je aditivní: c d 2 3 c : δ = 3.63 ppm d : δ = 1.23 ppm O 2 3 c d J cd J cd J cd J cd J cd 8 z 8 z 8 z 8 z 8 z ααα βαα αβα ααβ ββα βαβ αββ βββ αα αβ βα ββ

25 Štěpení souboru ekvivalentních jader jedním nebo více interagujícími ekvivalentními jádry, počty píků a integrální intenzity Počet interagujících ekvivalentních jader N Počet píků N + 1 Název složeného píku (zkratka) Integrální intenzity individuálních složek složeného píku 0 1 Singlet (s) Dublet (d) 1 : Triplet (t) 1 : 2 : Kvartet (q) 1 : 3 : 3 : Kvintet (quin) 1 : 4 : 6 : 4 : Sextet (sex) 1 : 5 : 10 : 10 : 5 : Septet (sep) 1 : 6 : 15 : 20 : 15 : 6 : 1 Pascalův trojúhelník

26 J = 7 z J = 7 z 2 Br

27 Tue Oct 02 20:35: W1: 1 Axis = ppm Scale = z/cm 6, J = 7,5 z I Si( 3 ) 4 1, J = 7,5 z

28 Tvar signálu b Tvar signálu a Struktura a b a b a a b a b

29 Tvar signálu b Tvar signálu a Struktura a a b a a b a a b a b a a a a a

30 Spektra prvního řádu: ν >> J ν...rozdíl chemických posunů jader J...interakční konstanta mezi těmito jádry 12 6 Si( 3 ) 4

31 ν >> J Protože rozdíl chemických posunů (vyjádřený stejně jako J v z) závisí na síle pole spektrometru, zatímco interakční konstanta je na poli nezávislá, je možné v některých případech převést spektra, která nejsou prvního řádu, na spektra prvního řádu. Si( 3 ) 4 60 Mz l O l Mz Si( 3 ) 4 l O l

32 Interagují-li protony s dvěma skupinami jiných neekvivalentních jader, s každou s jinou kaplink konstantou, pak při dodržení podmínky pro spektra prvního řádu lze takováto spektra interpretovat prostým rozšířením již známých pravidel. c b a 3, J bc = 6,8 z c l 1, J ab = 3,6 z c l l Si( 3 ) 4 1, J ab = 3,6 z, J bc = 6,8 z Detail

33 3 2 Si( 3 ) 4 Zdánlivý sextet Br

34 α α β R O R O R O α β β Rychlá výměna protonů způsobuje efekt zrušení štěpení stejný jako ten, který můžeme způsobit uměle ozařováním jádra zářením s jeho rezonanční frekvencí (dekaplink) 3 O: + 37 Zprůměrování δ O R 2 O α R 2 O β Zprůměrování δ 2 Zpomalená výměna protonů Podobně se samy dekaplují jádra halogenů, u kterých se rovnováha v zastoupení obou spinových stavů obnovuje tak rychle, že sousedící jádra nevidí u nich dva různé stavy.

35 Spektroskopie 13 Izotop uhlíku 12 naštěstí není magneticky aktivní. Izotop 13 je, ale má nízké přirozené zastoupení. To na jedné straně přináší těžkosti při měření z důvodu nízké citlivosti (asi 1/6000 citlivosti 1, protože uhlík 13 má ještě sám podstatně nižší magnetickou rezonanci) na druhé straně jsou spektra 13 zbavena kaplinků 13-13, protože pravděpodobnost nalezení této jednotky v látce je asi 1:10 000, a jsou tudíž jednodušší. Rozsah chemických posuvů uhlíku 13 je podstatně větší než u 1 (asi 200 ppm proti 10 ppm).

36 13 NMR spektra se podstatně zjednoduší (a citlivost vylepší) použitím techniky širokopásmového dekaplinku, kdy se současně s měřením spektra 13 ozařuje celý rozsah posunů 1, takže se nasytí přechody mezi oběma spiny 1 a jádra 13 nevidí odlišná jádra 1 a ze spekter zmizí kaplink spektrum bez dekaplinku Br 13 spektrum s šikoropásmovým dekaplinkem

37 13 spektrum s šikoropásmovým dekaplinkem 3 Si( 3 )

38 Typické posuny 13 v organických molekulách Typ uhlíku δ [ppm] Typ uhlíku δ [ppm] R R 2 Br R 2 R R 2 O nebo R 2 OR R ROO R R RR' O O 2 R'' R 2 = 2, aromáty R 2 R' R 2 l R R' Počet 13 NMR píků v některých 7 14 izomerech

39 Editace spekter pomocí techniky DEPT (Distorsionless Enhanced Polarization Transfer) Měří se celkem tři různá subspektra, při kterých se magnetizace jader (polarizace) přenáší z citlivějšího jádra 1 na méně citlivé jádro 13. Výsledek se obvykle algebraicky upraví jako lineární kombinace subspekter a vynese v několika stopách, která vykazují píky podle počtu na ně vázaných protonů (proto editace). 3 + DEPT subspektra 2 Normální 13 spektrum

40 Řešení příkladu chlorace propanu pomocí 13 spekter l 2, hν, l - l 3 2 l l 2 l + l l 10,1 34,9 73,2 22,4 55,8 49,5 42,2 35,6

41 1 1 OSY spektra

42 1 13 ETOR spektra O 7 8 9

43 Infračervená spektroskopie E [kcal/mol] > ,0 0, Rentgen. paprsky Daleká UV oblast UV Vid. oblast Blízká infračervená oblast Daleká infračervená oblast Mikrovlny ν [cm -1 ] Radiové vlny Elektronové přechody vnitřních el. Elektronové přechody valenčních elektronů v atomech a molekulách Vibrační přechody Rotační přechody Rotační přechody Přechody jaderných spinů 10 nm mm µm λ m

44 Příklady vibračních modů: Symetrická valenční vibrace Symetrická deformační vibrace v rovině Symetrická deformační vibrace mimo rovinu Asymetrická valenční vibrace Asymetrická deformační vibrace v rovině Asymetrická deformační vibrace mimo rovinu Infračerven ervená spektroskopie je především vhodná k a) identifikaci přítomnosti mnoha funkčních skupin, protože ty vykazují charakteristické absorpce b) identifikaci molekuly jako celku, protože IR spektrum každé látky je jiné a reprodukovatelné.

45 FT IR spektrometr

46 Transmitance [%] 2 2 Vlnočet Pro identifikaci látky je důležitá oblast pod 1500 cm -1, zvaná oblast otisku palce ( fingerprint region )

47 2 2 Vlnočet Transmitance [%]

48 R R R R R 915 a 995 cm cm cm -1 Vlnočet Transmitance [%]

49 3331 O 1068 Vlnočet Transmitance [%]

50 harakteristické rozsahy infračervených valenčních vlnočtů organických molekul Vazba nebo funkční skupina ν [cm -1 ] Vazba nebo funkční skupina ν [cm -1 ] RO R N O O O RO R RR' R 2 N O ROR' R O RO R OR' R

51 Elektronová spektra: ultrafialová a viditelná spektroskopie E [kcal/mol] > ,0 0, Rentgen. paprsky Daleká UV oblast UV Vid. oblast Blízká infračervená oblast Daleká infračervená oblast Mikrovlny ν [cm -1 ] Radiové vlny Elektronové přechody vnitřních el. Elektronové přechody valenčních elektronů v atomech a molekulách Vibrační přechody Rotační přechody Rotační přechody Přechody jaderných spinů 10 nm mm µm λ m

52 Absorpce viditelného nebo ultrafialového světla způsobuje excitace elektronů ze základního do excitovaného stavu. Antivazebný MO E E E = hν Pohyb elektronu Vazebný MO Základní stav Excitovaný stav Vazby σ v organických sloučeninách mají příliš velký energetický rozdíl mezi vazebnými a antivazebnými orbitaly (odpovídající vlnové délce < 200 nm). Proto našla technika UV-VIS spektroskopie největší uplatnění při studiu sloučenin se systémy π vazeb, kde se uplatňují π π a n π přechody. Protože počet molekulových orbitalů odpovídá počtu původních p orbitalů, vzrůstá u rozsáhlejších konjugovaných π systémů prudce počet možných absorpcí a s tím i složitost spekter.

53 3 2 2 Absorbance A λ max Vlnová délka λ Pozice píku ve spektru se uvádí jako vlnová délka maxima absorpce λ max. V tabulkách uváděnou hodnotou, která charakterizuje absorpci dané sloučeniny, je molární extinkční koeficient neboli molární absorptivita ε. Získá se vydělením absorbance A (měřené výšky píku) molární koncentrací vzorku za předpokladu standardní délky měřicí cely 1 cm. ε = A

54 Elektronová spektra vypovídají o stupni delokalizace Při absorpci nad 400 nm se sloučeniny stávají barevnými, se zvyšující se vlnovou délkou absorpce se barva mění od žluté přes oranžovou, červenou, a fialovou až k modrozelené. π* LUMO π 4 * π* LUMO hν π 3 * LUMO E hν n OMO hν π 2 OMO π OMO π 2 2 π OMO = Nejvyšší obsazený molekulový orbital (ighest Occupied MO) 2 LUMO = Nejnižší neobsazený molekulový orbital (Lowest Unoccupied MO)

55 Struktura Název λ max [nm] ε Ethen Penta-1,4-dien Buta-1,3-dien Methylbuta-1,3-dien 222, trans-exa-1,3,5-trien Trans,trans-Okta-1,3,5,7-tetraen 330-2,5-Dimethylhexa-2,4-dien 241, yklopenta-1,3-dien yklohexa-1,3-dien

56 Struktura Název λ max [nm] ε 3 3 Steroidní dien Steroidní trien Steroidní tetraen Struktura viz dříve β-karoten 497 (oranžový) Azulen (cyklický konjugovaný uhlovodík) 696 (modrofialový) 150

57 Úvod do hmotnostní spektrometrie Elementární analýza nám poskytuje empirický vzorec dané látky určující vzájemný poměr přítomných prvků. K získání molekulového vzorce však potřebujeme doplňkovou informaci o molekulové hmotnosti, kterou dnes v organické chemii nejčastěji získáme s pomocí instrumentální techniky zvané hmotnostní spektrometrie. motnostní spektrometrie není spektroskopická technika, protože při ní nejde o absorpci záření. Molekuly látky vypařené ve vysokém vakuu jsou ozařovány proudem elektronů o vysoké energii (obvykle 70 ev, což odpovídá kcal/mol). Přitom dojde u části molekul k vyražení elektronu z molekuly za vzniku radikálkationtu s molekulovou vahou původní molekuly, kterému se říká molekulární ion. Tento ion, společně s dalšími vznikajícími ionty (viz dále) je nejprve urychlen elektrickým polem a pak v magnetickém poli jsou ionty roztříděny podle své hmotnosti, přesněji podle poměru hmotnosti k náboji (naprostá většina iontů jsou monokationty), a zaznamenány. M + e (70 ev) M + 2 e Neutrální molekula Ionizační proud elektronů Radikálkation molekulárního iontu

58 Magnetické pole o síle Destičky urychlovače 70 ev katoda Vstup do hmotnostního spektrometru Nástřik vzorku Štěrbina Komůrka zdroje Anoda Odpařovací komůrka Detektor motnostní spektrum Dráhy iontů před dopadem na detektor Zesilovač Schema hmotnostního spektrometru Zapisovač Relativní výskyt Molekulová hmotnost iontů

59 Vzniklému záznamu relativní intenzity výskytu iontů na poměru jejich hmotnosti a náboje (m/z) se říká hmotnostní spektrum a znázorňuje se graficky nebo v tabulkové formě. Relativní výskyt m/z Relativní výskyt [%] 17 1,1 (M + 1) M 15 85,0 (M - 1) 14 9,2 (M - 2) 13 3,9 (M - 3) 12 1,0 (M - 4) Molekulární nebo fragmentový ion 0 15 m/z

60 Molekulární ionty jsou vysokoenergetickéčástice a proto podléhají rychlému štěpení (fragmentaci), při kterém vznikají jak další radikálkationty tak ionty, a také neutrální molekuly

61 Ve hmotnostních spektrech se projevuje přítomnost izotopů jednotlivých prvků. 3 O M % O Estron

62 Vysokorozlišovací hmotnostní spektrometrie Máme-li čtyři látky s molekulovými vzorci 7 14, 6 10 O, 5 6 O 2 a 5 10 N 2, mají při zaokrouhlení na celáčísla stejnou molekulovou hmotnost 98. Protože se však chemické prvky skládají v přirozeném zastoupení z různých izotopů, dává výpočet přesné molekulové hmotnosti pro tyto látky trochu různé výsledky m/z: O 5 6 O N 2 98, , , ,0845 Běžný hmotnostní spektrometr mezi těmito látkami nerozliší, ale moderní vysokorozlišovací hmotnostní spektrometry rozliší mezi hmotnostmi lišícími se o několik tisícin hmotnostní jednotky. Tyto přístoje obvykle využívají počítačového programu, který rovnou ze změřené přesné hmotnosti vypočítá molekulární vzorec daného neznámého iontu.