Metody strukturní analýzy NMR, IČ, Raman. Pavel Matějka

Metody strukturní analýzy NMR, IČ, Raman Pavel Matějka

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

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

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

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie gyromagnetický poměr

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

NMR spektrometrie - klasické přiblížení

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie spin-mřížková spin-spinová

NMR spektrometrie - relaxační procesy

NMR spektrometrie - relaxační procesy

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie jednodimenzionální

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

NMR spektrometrie

NMR spektrometrie - interpretace orbitaly s orbitaly p sousední atomy

NMR spektrometrie - interpretace

NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - 1 H základní přehled

NMR spektrometrie interpretace CHEMICKÉ POSUNY - 13 C základní přehled

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

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

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

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

NMR spektrometrie interpretace

NMR spektrometrie interpretace INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz

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

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

NMR - interpretace Pascalův trojúhelník 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1 1 5 10 10 5 1 1 6 15 20 15 6 1

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 )

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

NMR - interpretace 1.0 0.9 0.8 H 3 C O O CH 3 0.7 CH 3 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.07 0.28 0.65 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

NMR - interpretace 2.20 2.10 2.00 1.90 1.80 1.70 1.60 1.50 1.40 1.30 1.20 1.10 1.00 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 0.30 0.20 0.10 0.00 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5

NMR - interpretace

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

NMR - interpretace 1.0 43.44 25.93 0.9 O 22.24 13.76 0.8 H 3 C CH 3 0.7 0.6 0.5 29.73 0.4 0.3 77.47 77.05 76.63 0.2 0.1 209.17 0.0 250 200 150 100 50 0

NMR - interpretace 129.82 129.69 1.0 0.9 0.8 H 3 C O 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 191.93 145.51 134.24 130.18 129.16 77.55 77.13 76.69 21.82 0.0 250 200 150 100 50 0

2D NMR

2D NMR homonukleární heteronukleární http://www.chem.queensu.ca/facilities/nmr/nmr/webcourse/

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

NMR spektrometr

picospin-45 /levný, malý

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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

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

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

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

Vibrační spektroskopie svrchní tón - overton fundametální přechod fundametální přechod

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

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

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

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

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

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

Infračervená spektrometrie - instrumentace

Infračervená spektrometrie - instrumentace

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

Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky ATR

Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky DRIFT

Infračervená spektrometrie - Reflexní techniky SPEKULÁRNÍ REFLEXE

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

1462 2869 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 0,1 3000 2000 Wavenumbers (cm-1) 1000

Infračervená spektrometrie - INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK 1,1 1,0 0,9 1-Hexy ne, 99% 3307 2960 2935 632 0,8 2870 0,7 Absorbance 0,6 0,5 1462 0,4 0,3 0,2 2117 1247 1380 0,1 300 0 200 0 W av enu mber s ( cm- 1) 100 0

Schéma hladin svrchní tón - overton fundametální přechod fundametální přechod

Ramanova spektrometrie Sir Chandrasekhara Venkata Raman 1888 1970 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.

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

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.

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.

Rozdíly IČ a Ramanovy spektrometrie %T 100 80 60 40 20 0 V-6j-ATR- IR 3163 3019 2945 2861 Vanillin 1984 1716 1855 1662 1585 1508 1463 1452 1428 1398 1265 1297 1124 1152 1028 959 859 813 733 633 0.6 vzorek V6-1664 0.5 Raman 1594 0.4 Int 0.3 0.2 0.1 3073 3032 2947 2844 1511 1299 1452 1429 1266 1127 1155 1172 1030 961 814 734 640 551 0.0 350 0 300 0 250 0 200 0 150 0 100 0 cm- 1

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 0,02 3000 2000 Wavenumbers (cm-1) 1000

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

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

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

Schéma Ramanova disperzního přístroje

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

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

Intensity (a.u.) 1330 1346 1581 Analýza uhlíkatých materiálů x1000 100 80 60 DLC uhlíková vrstva sp 3 sp 2 40 20 diamant sp 3 0 500 1000 1500 2000 Wavenumber (cm -1 )

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

ANALÝZA kůže jednoúčelové zařízení River Diagnostics Model 3510 Skin Analyzer - http://www.riverd.com/instrumentation.htm

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