Spektroskopia

Spotkanie drugie

UV-VIS, NMR

2/32Spektroskopia UV-Vis

� Promieniowanie elektromagnetyczne:

� Ultrafioletu

� ~100-350 nm

� światło widzialne

� ~350-900 nm

� Kwanty energii zgodne z róŜnicami poziomów energetycznych elektronów walencyjnych

� UV: przejścia elektronów wiązań typu p (wiązania wielokrotne)

� VIS: sprzęŜone wiązania wielokrotne, przeniesienie elektronu

� Zdecydowana większość związków chemicznych jest bezbarwna

� nie pochłania fal z zakresu widzialnego

� Na podstawie wartości pochłanianej długości fali i spadku jej natęŜenia mona wnioskować o istnieniu wiązań wielokrotnych, ich sprzęganiu (wzajemne połoŜenie) oraz istnieniu w cząsteczce układów aromatycznych

3/32Prawo Lamberta-Beera

� Przez roztwór w kuwecie o określonej grubości warstwy (l) przechodzi promieniowanie monochromatyczne o długości fali λ.

� Spadek natęŜenia promieniowaniaabsorbancję - określa równanie:

gdzie:

A – absorbancja (wartość bezwymiarowa)

I, I0 – natęŜenie promieniowania wchodzącego, wychodzącego

ε – molowy współczynnik absorpcji (L ⋅ mol-1 ⋅ cm-1)

c – stęŜenie substancji w roztworze (mol ⋅ L-1)

l – grubość warstwy (cm)

c, ε

lcI

IA ⋅⋅== ε

0

log

4/32Obliczenia

� Molowy współczynnik absorpcji (ε) vs absorpcja właściwa (a)

� absorpcja właściwa jest wyraŜana w L ⋅ g-1 ⋅ cm-1

(zwykle µL ⋅ µg-1 ⋅ cm-1)

� odpowiada wartości absorbancji roztworu o stęŜeniu 1 µg ⋅ µL-1

� Absorbancja vs transmitancja

� zaleŜności:

lc

A=ε

lc

Aa =

[%]100

0I

IT

⋅=

TT

A log2100

log −== [%]10 )2( AT

−=

5/32Wyznaczanie analitycznych długości fali

� Analityczna długość fali

� długości fali wyznaczone w maksimach absorpcji

� dla mieszanin - w zakresie "dominacji" jednego ze składników

220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 3200,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4Abso

rbancj

a

λ, nm

fenyloalanina

tyrozyna

263 nm

295 nm

6/32Wyznaczanie współczynników absorpcji

� Na podstawie analitycznych długości fali i znanych stęŜeń:

� Dla fenyloalaniny

0.0052

0.00094

µL⋅µg-1⋅µcm-1

a

L⋅mol-1⋅cm-1cmµg ⋅ µL-1mol L-1nm

1

5

d

0.000276

0.000605

stęŜenie

50

100

εAlZwiązek

295

263

0.26

0.47

942tyrozyna

155fenyloalanina

lc

A=ε

lc

Aa =

1555000605.0

47.0=

⋅=ε

00094.05100

47.0=

⋅=a

7/32Budowa jądra atomowego

� Jądro zbudowane jest z protonów i neutronów

C12.0107Liczba masowa

6Liczba atomowa

� Liczba protonów = liczba atomowa

� Liczba neutronów = liczba masowa – liczba atomowa

� Dla 12C mamy zatem:

� 6 protonów i 6 neutronów

� Dla 13C:

� 6 protonów i 7 neutronów

8/32Kwantowe liczby jądrowe

� Własność nukleonu: spin – moment pędu

� Nukleony poruszają się w jądrze:

� orbitalny moment pędu

� Całkowity wektorowy moment pędu nukleonu jest równy wektorowej sumie spinu (S) i orbitalnego momentu pędu (L):

I = S + L� Moment pędu jądra (MJ) to suma całkowitych momentów pędu

nukleonów:

� Rzut wektora I na kierunek zewnętrznego pola magnetycznego nazywany jest właśnie spinem jądra

� Spin jądra (I) moŜna wyraŜać w jednostkach ħ

� Wartość spinu- jedynie wielokrotności ½ħ

∑=

=A

1i

iI IMA – liczba nukleonów w jądrze

9/32

� W stanie podstawowym

� Parzysta liczba atomowa – spin całkowity

� Nieparzysta liczba atomowa – spin połówkowy

� Parzysta liczba protonów i neutronów – spin zero

� Jądra w stanie wzbudzonym mogą mieć spin większy od spinu w stanie podstawowym

Spiny jądrowe

C12

6

A =12A =126 protonów6 neutronów

F19

9

A =19A =199 protonów10 neutronów

N14

7

A =14A =147 protonów7 neutronów

10/32Spiny jądrowe w praktyce

� Spin jądra określony przez jądrową spinową liczbę kwantową I

� Istnieje 117 jąder (izotopów) o spinie ≠≠≠≠ 0

�� I = 1/2I = 1/21H, 13C, 15N, 19F, 31P

�� I = 1I = 12H, 14N

�� I = 3/2I = 3/211B, 33S, 35Cl, 37Cl

� Abundancja – czyli czego nie ma, tego nie zobaczysz

99.985

1.108

100

100

1H13C19F31P

Abundancja, %Jądro

30

3

31

23

1

18

8

1 1 1

0

5

10

15

20

25

30

35

1/2 1 3/2 5/2 3 7/2 9/2 5 6 7spin

Licz

ba izo

topów

11/32Precesja

� Zgodnie z prawami Maxwella jądro o I ≠≠≠≠ 0 generuje pole magnetyczne

� PrzyłoŜenie zewnętrznego pola magnetycznego

� ustawienie się wektora spinów jąder atomowych zgodnie z wektorem pola

ALE

� Spin jąder nie jest prostym wirowaniem mechanicznym

� jądra w polu magnetycznym ulegają zjawisku precesji

B0 � Częstotliwość precesji (częstotliwość Larmora)

fL = γB0/2π

γ - stała jądrowa

� Dla protonów:

fL = 42 MHz

γ = 2.6750

12/32Widmo NMR

� Ilość energii potrzebna do zmiany ustawienia spinu jądrowego zaleŜy od natęŜenia zewnętrznego pola magnetycznego a zarazem od częstotliwości promieniowania

� MoŜna zatem zmieniać albo natęŜenie albo częstotliwość pola magnetycznego

B0

abso

rpcj

a p

rom

ienio

wania sygnał

przemiatanie polem magnetycznymsłabepole

silnepole

B0

13/321H NMR

� UłoŜenie spinu jądrowego względem pola zewnętrznego:

2I +1

� Protony - dwa połoŜenia, bo I = ½

� Stan o niskiej energii

� zgodnie z wektorem pola

� Stan o wysokiej energii

� przeciwnie do wektora pola

� Rozszczepienie energii E = h fL

∆E = hfL

bez polazewnętrznego

przyłoŜone polezewnętrzne B

B0

B0

14/32NMR i pole magnetyczne

� Do wzbudzenia efektów potrzebne silne pola magnetyczne

� Pole magnetyczne Ziemi: 10-4 T (Tesli) na poziomie gruntu

� Magnesy aparatury NMR: 1 – 20 T

15/32Wielkość pola magnetycznego

� RóŜnica energetyczna między stanami spinowymi to 0.1 cal/mol (dla IR to ok. 10 cal/mol, dla UV-VIS ok. 1000 cal/mol)

� ∆E moŜna wyrazić jako częstość: 20-900 Hz zatem w zakresie częstości radiowych

100 200 270 360 500

2.34 4.73 6.35 8.46 11.75

ν

[MHz]

B0 [T]

- 1/2

+ 1/2

Wzbudzenie jądrowe wypada w zakresie, w którym nadawane są audycje radiowe i telewizyjne

16/32

� Częstotliwość przy której proton absorbuje (pojawia się sygnał) zaleŜy od pola magnetycznego odczuwanego przez proton –efektywnego pola, róŜnego od przyłoŜonego

� Efektywne natęŜenie pola zaleŜy od otoczenia

� Gęstości elektronowej wokół protonu

� Obecności sąsiadujących protonów

Widmo 1H NMR

B0Befektywne

17/32Widmo 1H NMR

� Wszystkie protony absorbują przy takim samym efektywnym natęŜeniu pola lecz przy róŜnych natęŜeniach pola przyłoŜonego

Widmo NMR charakteryzuje:

1. Liczba sygnałów

� Liczba protonów róŜnego rodzaju

2. PołoŜenie sygnałów

� Elektronowe otoczenie protonów

3. Intensywność sygnałów

� Liczba protonów kaŜdego rodzaju

4. Rozszczepienie sygnałów

� Otoczenie protonu w odniesieniu do innych, sąsiadujących protonów

18/321. Liczba sygnałów

� Protony znajdujące się w takim samym otoczeniu absorbują przy takim samym natęŜeniu pola przyłoŜonego

� protony równocenne

� Liczba sygnałów w widmie NMR = liczba grup równocennychprotonów

C C Cl

2 sygnały

H

H

H

H

H

a

H

H

H

b

H

H

C C C

2 sygnały

H

H

H

H

Cl

b

H H

H

H

a

H

H

H

H

H

H

a

19/322. PołoŜenie sygnałów

� Identyfikacja najbliŜszego otoczenia danego protonu

� Aromatyczne, alifatyczne, 1o, 2o, 3o, benzylowe itd...

Dlaczego?

� Cząstka w polu magnetycznym - zmiana w ruchu jej elektronów

� wytwarza się wtórne pole magnetyczne � magnetyczne pole indukowane

Pole indukowane

B0

20/322. PołoŜenie sygnałów

� Indukowanie pola

� KrąŜenie elektronów wokół danego jądra

� osłabienie pola zewnętrznego (ekranowanie)

� KrąŜenie elektronów wokół innych jąder

� moŜe efekt pola wzmacniać lub osłabiać, w zaleŜności od ich ułoŜenia względem pola zewnętrznego

rejon osłanianyrejon

osłaniany

rejon odsłaniany

rejon odsłaniany

Indukowane pole magnetyczne

Indukowane pole magnetyczne

rejon osłanianyrejon

osłaniany

rejon odsłaniany

rejon odsłaniany

Efekt osłabienia pola zewnętrznego

Efekt wzmocnienia pola zewnętrznego

B0

21/322. PołoŜenie sygnałów – przesunięcie chemiczne

� Przesunięcie chemiczne

� przesunięcie połoŜenia sygnałów absorpcji w widmie NMR, wynikające z przesłaniania lub odsłaniania przez elektrony

� Jednostki przesunięcia: ppm – parts per million

� 1 ppm = 10-6 natęŜenia całkowitego przyłoŜonego pola magnetycznego

� Przesłanianie i odsłanianie

� Wynik działania wtórnych pól magnetycznych

� Wielkość zaleŜna od natęŜenia pola przyłoŜonego

� WyraŜona jako iloraz: przesunięcie/częstotliwość

� NiezaleŜna od częstości rezonansowej

� NiezaleŜna od wielkości przyłoŜonego pola

� W praktyce stosuje się przesunięcie wobec TMS

22/32Skala NMR

� Wzorzec: TMS – ttetrammetylossilan

Dlaczego?

� W związkach chemicznych elektroujemność decyduje o przesunięciu chmury elektronowej:

� Elektroujemności (w skali Paulinga):

� C = 2.55, Si = 1.90, H = 2.20

� Si jest słabo elektroujemny

� chmura elektronowa przesunięta w kierunku grup CH3

� silne ekranowanie protonów

� W praktyce - skala zawiera praktycznie tylko wartości dodatnie

CH3

CH3

CH3

H3C

23/32Skala 1H NMR

� Generalna zasada:

� Im lepsze przesłanianie, tym bardziej sygnał NMR przesunięty w kierunku wyŜszych częstotliwości

� Im mniejsze δ tym większe osłanianie

Wzrost indukcjiindukcji pola magnetycznego przy stałej częstości

Efektywność ososłłanianiaaniania przez zewnętrzne elektrony

Wzrost czczęęstostośścici przy stałej indukcji pola magnetycznego

24/32Przykłady

� Wpływ obecności innych protonów

� CH � δ = 1.50 ppm

� CH2 � δ = 1.25 ppm

� CH3 � δ = 0.90 ppm

� Wpływ rodzaju podstawnika

� CHCl � δ = 3.0 ppm ECl = 3.16

� CHBr � δ = 2.7 ppm EBr = 2.96

� CHI � δ = 2.1 ppm EI = 2.66

δ [ppm]

CH CH2 CH3

1.50 1.25 0.90

δ [ppm]

CHCl CHBr CHI

3.0 2.7 2.1

TMS

TMS

δ � odsłanianie �δ � odsłanianie �

lepsze ekranowaniegorsze ekranowanie

lepsze ekranowaniegorsze ekranowanie

25/32Przykłady

� Wpływ połoŜenia podstawnika

δ = 1.6 ppmR2-CH-C-Clδ = 4.0 ppmR2-CH-Cl

δ = 1.7 ppmR-CH2-C-Clδ = 3.4 ppmR-CH2-Cl

δ = 1.5 ppmCH3-C-Clδ = 3.0 ppmCH3-Cl

Problem:

� Wyjaśnić róŜnice w wartości przesunięć chemicznych:

� benzen, δ = 7.37 ppm

� toluen, δ = 7.17 ppm

� p-ksylen, δ = 7.05 ppm

� mezytylen, δ = 6.78 ppm

26/32Skala 1H NMR

� Orientacyjne wartości przesunięć chemicznych

27/323. Intensywność sygnału

� Intensywność sygnału NMR jest proporcjonalna do liczby protonów które powodują jego powstanie

6

3

21

I

IVII

III

28/324. Rozszczepienie sygnału

� SprzęŜenie spinowo-spinowe

� Osłanianie lub odsłanianie danego protonu przez protony z najbliŜszego sąsiedztwa

B0

sygnał protonu niesprzęŜonego

kombinacje spinów sąsiedniej grupy CH

B0

sygnał protonu niesprzęŜonego

kombinacje spinów sąsiedniej grupy CH2

JJ

JJ JJ

dublet

tryplet

29/324. Rozszczepienie sygnału

� Ogólnie:

� Krotność sprzęŜenia: n+1gdy n – ilość nierównowaŜnych protonów w sąsiedztwie

Trójkąt Pascala

1

1 1

1

1

1

1

2

3 3

brak sprzęŜenia

dublet

tryplet

kwartet

brak sąsiednich protonów

1 sąsiadujący proton

2 sąsiadujące protony

3 sąsiadujące protony

30/324. Rozszczepienie sygnału

� SprzęŜenie spinowo-spinowe

� Zachodzi tylko między nierównocennymi protonami

� Brak rozszczepienia:

H2C CH2

ClCl

CH3 C CH2Br

Br

CH3

CH3

równocenne brak sąsiadów

arylowo-alkilowe

H3C

H3C

C = C

H

H

równocennebrak sąsiadów

31/324. Rozszczepienie sygnału

� Stała rozszczepienia J

� Miara efektywności sprzęŜenia spinowo-spinowego

� Im większe J, tym silniejsze sprzęŜenie

� NiezaleŜna od wielkości pola przyłoŜonego

H

C = C

H

H

J = 0-7 Hz

J = 2-15 Hz

J = 10-21 Hz

32/32Podsumowanie

� Jakie dane uzyskujemy korzystając z widm:

� MS

� Masa cząsteczkowa

� Uzyskanie wzorów izotopowych

� IR

� Obecność grup funkcyjnych

� RozróŜnienie rodzajów wiązań

� 1H NMR

� Liczba równocennych protonów

� Liczba protonów kaŜdego typu

� Rodzaj protonów

� Połączenia między protonami