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

bllízká (vak kuová) UV V 100 200 0,1 0,2

UV/VIS elektronová spektroskopie UV

VIS 400 0,4

speciáální analýzaa příroddních látek

190-800 nm

NIR 800 nm 0,8 12500

IČ 2,5 4000

FIR 15 670 cm-11

50 m

4-1

spektrum p elektromagnetických g ý vln viditelné

mikrovlny

rentgenovo UV gama

IČ radiové

metry vlnová délka

frekvence


energie

4-2

Duha primární (42°) č červená á vnější ější fialová vnitřní

a sekundární (51°) vnitřní itř í vnější

p poselkyně y bohů Iris symbol úmluvy s Hospodinem Gen 9:13


A i t t l (384-322 Aristoteles (384 322 přnl) ř l) odraz světla v oblacích Roger g Bacon (1214-1296) ( ) 1266 oblouk 42° René Descartes (1596-1650) 1656 lom v kapkách

4-3

Vznik duhy:

rozklad světla v kapce vody


složení obrazu duhy

4-4

* 13.6. 1595 Lanškroun (Kronland) + 10.4. 1667 Praha studoval v Litomyšli, Jindřichově Hradci a Olomouci Bc Phil Mgr.Phil., Bc.Phil., Mgr Phil 1618 Praha, 1625 Dr.med. 1626 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

Jan Marek (Marcus) Marci z Kronlandu (Lanškrouna) (1595–1667). 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 ký G Galileo lil G Galilei“ lil i“ v mnohém hé předešel ř d š l svéé slavné l é následovníky ál d ík – Newtona, N t Huygense, H H Hooka, k Boyla, Grimandiho a další.

4-5


Slunce a vesmír byly prvé objekty ppro zkoumání ppodstaty y světla,, optiky a spektrometrie.

4-6

1813-4 Joseph von Fraunhofer (1787-1826) sluneční spektrum – 574 čar, 8 nejvýraznějších, pojmenovaných A-G 1802 William Wollaston – temné čáry ve spektru 1868 žlutá čára při zatmění slunce – helium


spektrum k vodíku dík Lymanova serie – UV Balmerova serie – VIS Paschenova serie – IR Pfundova serie 1859-62 G Gustav Ki Kirchhoff hh ff (1824 (1824-1887) 1887) Robert Bunsen (1811-1899) Cs (1860), Rb (1861) snímek slunce v oblasti heliové čáry II

4-7


rozklad slunečního viditelného světla

4-8

Popis spektra vodíku p přeskok z ppočáteční na linii: Lymanova serie – UV n1 = 1 Balmerova serie – VIS n1 = 2 Paschenova serie – IR n1 = 3 B k tt Brackettova serie i n1 = 4 Pfundova serie n1 = 5

Vlnová délka nm

Vlnové délkyy odpovídající p j přeskokům p mohou být vypočteny Rydbergovou rovnicí

1

1 1  R( 2  2 )  n1 n2


kde R jje Rydbergova y g konstanta 1,09678 × 107 m.s-1

Barva

Počáteční n2



410,2

Fialová

6



434,1

Modrá

5



486,1

Zelená

4



656,3

Červená

3

Balmerova serie čar spektra vodíku linie 6 45 3 2

1 starobylý spektrometr s hranolem používaný k analýze zabarvení plamene kahanu

4-9

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 p bude podobné p ppokračování a na základě této úvahy y objevil j 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 ětl je j ještě j ště účinnější úči ější nežž modré. d é Nazval N l nejdříve jdří toto t t záření ář í chemické h i ké paprsky. k Jeho pozorování bylo potvrzeno nezávisle Wollastonem v roce 1802. bílé světlo

IČ (teploměr)

hranol

4-10 UV (AgCl)

antivazebný

energgie

speciáální analýzaa přírodníchh látek

antivazebný nevazebný vazebný vazebný

energetické přechody elektronů v závorkách anglické názvy hladin

4-11

mezi hladinami vibrační relaxace

1 excitovaný 1. i ý singlet i l relaxace

mezisystémový přechod, 10-9 s relaxace

fluorescence 10-6-10-9 s

triplet

fosforescence 10-2-10 102 s


základní singlet

populace vibračních složek v celkové obálce elektronového absopčního pásu JABLONSKÉHO A O S É O DIAGRAM AG A

Elektronový přechod 10-15 s Franckův-Condonův princip na jádra atomů lze pohlížet jako na statická

4-12

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*

čtyři základní p atomové orbitaly

3* LUMO

*

2 HOMO



1 ý základní stav molekulových orbitalů butadienu

excitovanýý stav

LUMO – Lowest Unoccupied Molecular Orbital (nejnižší neobsazený MO) HOMO – Highest Occupied Molecular Orbital (nejvyšší obsazený MO)

4-13


u běžného nekonjugovaného alkenu je excitace jednoduchá:

dva základní p atomové orbitaly

2* LUMO

*

1 HOMO



ý základní stav molekulových orbitalů butadienu

excitovanýý stav 165 nm  15,000

4-14

u karbonylu se uplatní i zakázaný n->* přechod

**

**


n 

n

*



290 nm

170 nm

 = 10

 = 100

zakázaný ká ý

povolený l ý

*

4-15

přechod elektronu ->* odpovídá u butadienu změně energie, která se projeví absorbcí v elektronickém spektru u 217 nm


1,3-butadien

4-16

energetický rozdíl při přechodu * se s počtem konjugovaných vazeb snižuje Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan Introduction to Spectroscopy, 4th ed.


ennergie

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“

ethylen butadien hexatrien oktatetraen

bílé světlo

hranol

4-17 UV

přechod elektronu ->* odpovídá u karotenu změně energie, která se projeví absorbcí v elektronickém spektru u 425 nm a výše 1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11


jedenáct konjugovaných dvojných vazeb s 22  elektrony delokalizovanými podle řetězce max 460 nm (( 139,000); , ); pohlcuje p j modrou,, vidíme jej j j jako j oranžovýý

4-18

pohlcuje žlutozelenou barvu z bílého světla a my jej vnímáme jako modrofialový OH Cl

-

O

HO

OH

530

+

OH


OH

Anthocyaniny (flavonoidy) jsou v buněčných vakuolách li tů a po degradaci listů d d i 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

http://creativecommons.org/licenses/by/2.5/

Cl

N

-

malachitová zeleň s malachitem má společnou jen barvu

+

N


617

malachitová zeleň pohlcuje čevenooranžovou barvu z bílého světla a my jí vnímáme jako zelenou

4-20

vlnová l á délka délk záření ář í absorbovaná b b á -karotenem k t jje v modré d é oblasti bl ti viditelného idit l éh 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 yp jjako 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 zelená modrozelená fialová červenofialová červená oranžová žlutá

barva absorbovaná červená oranžovočervená žlutá žlutozelená modrozelená modrá fialová

absorbovaná vlnová délka 700 nm 600 nm 550 nm 530 nm 500 nm 450 nm 400 nm 4-21

Příklady přírodních barviv

O

-karoten z mrkve

OH O

X

O


N H

O X=H, X H, indigo z Isatis tinctoria X=Br, punicin anebo tyrský purpur ze šneků rodu Murex

OH OH

HO

H N

OH O

karmínová kyselina (kermesová) k hmyzu Coccus Cacti

OH O

O OH

krocetin ze šafránu Čopíková J., Uher M., Lapčík O., Moravcová J., Drašar P.: Přírodní barevné látky, Chem. Listy 99, 802-816 (2005).

4-22

měřící cela monochromátor čočka

detektor zesilovač

zpracování

lampa


schéma jednopaprskového spektrofotometru

disperzní úhel

bílé světlo

hranol dvoupaprskový je obohacen o porovnávání referenčního a měřeného paprsku monochromátor zesilovač poměr zesilovač

zpracování

4-23


schema dvoupaprskového UV-VIS spektrometru

4-24

propustnost (transmittance) a pohltivost (absorbance)

Io

I

sample pv kyvetě vzorek

I Io %T  T 100%


T

Io 1 A  log( )  log( ) I T

množství ž í světla ě l absorbované b b é vzorkem k je j určeno č molární lá í absorptivitou b i 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

Příprava vzorku plyny se naplní do kyvety z křemene (180-400 nm), skla či plastu (400-800 nm) kkapaliny li se naplní l í do d kyvety k z křemene kř (180 (180-400 400 nm), ) skla kl či plastu l (400-800 nm)


pevná látka se rozpustí ve vhodném rozpouštědle (ethanol (do 205 nm), voda (do 190 nm) nebo hexan (do 201 nm)) Beerův B ů zákon ák říká říká, že ž absorpce b je j proporcionální i ál í počtu čt absorbujících b b jí í h molekul Lambertův zákon říká, že procento absorbovaného záření nezávisí na jjeho intenzitě spojením vzniká Lambertův-Beerův zákon I0 je intenzita dopadajícího záření I je j intenzita i t it záření ář í procházejícího há jí íh  je absorpční koeficient (dř. extinkční) l je délka absorbujícího prostředí c jje koncentrace vzorku v mol dm-1

log10

I0   lc I 4-26


délka cely v cm

délka cely v cm

platnost l Lambertova-Beerova L b B zákona ák u koncentrace při vyšších hodnotách přestává v reálné situaci platit také platí jen pro monomerní látky u asociátů neplatí (je nelineární) koncentrace vzorku

4-27


Acetonitril UV Pentan Voda Hexan UV Cyclopentan Cyclohexan Heptan Isopropyl alkohol Methanol Ethyl alkohol 2-Methoxyethanol Methyl t-butyl ether Propyl alkohol Trifluoroctová kys. Tetrahydrofuran UV Butanol 1,4-Dioxan Ethyl ether Iso-oktan Chlorbutan Glym

190 190 190 195 198 200 200 205 205 210 210 210 210 210 212 215 215 215 215 220 220

Isobutyl alkohol Propylen-karbonát Propylen karbonát 1,2-Dichlorethan 1,1,2-Trichlortrifluorethan Dichlormethan Chloroform Butyl-acetát Ethyl-acetát Dimethylacetamid N,N-Dimethylformamid Dimethylsulfoxid Toluen N-Methylpyrrolidon Chlorobenzen o-Xylen oo-Dichlorbenzen Dichlorbenzen 1,2,4-Trichlorbenzen Methyl ethyl keton Aceton Methyl h l isoamyl i l keton k Methyl propyl keton Methyl isobutyl keton

příklady některých rozpouštědel pro měření UV-VIS spekter (hrana v nm [cut-off]) spíše polární, spíše nepolární

220 220 228 231 233 245 254 256 268 268 268 284 285 287 288 295 308 329 330 330 331 334

4-28


UV hrana pro některé směsné chromatografické mobilní fáze (nm) Kyselina K li octová, t á 1% Trilfluoroctová kys., 0.1% Triethylamin, 1% PIC Reagent g B-6,, 1 vialka/litr PIC Reagent D-4, 1 vialka/litr Amonium-bikarbonát, 10 mM HEPES, 10 mM, pH 7.6 Fosforečnan draselný draselný, 10 mM Chlorid sodný, 1 M Mravenčan sodný, 10 mM dtto, ppH 8.0 BRIJ 35, 0.1% Dodecylsulfát sodný

230 190 235 225 190 190 225 190 207 200 212 190 190

Chlorovodíková Chl dík á kkyselina, li 0.1% 0 1% Fosforečnan dvojamonný, 50 mM Waters PIC Reagent A, 1 vialka/litr PIC Reagent g B-6,, low UV,, 1 vialka/litr Octan amonný, 10 mM EDTA, dvojsodná sůl, 1 mM MES, 10 mM, pH 6.0 Octan sodný, sodný 10 mM Citran sodný, 10 mM TRIS HCl, 20 mM, pH 7.0 Triton-XTM 100, 0.1% CHAPS, 0.1% TweenTM 20, 0.1%

4-29

190 205 200 190 205 190 215 205 225 202 240 215 190


příklady některých typických chromoforů

chromofor

látka

C=C C C

ethen 1-hexyn

C O C=O

ethanal

N=O CX X C-X X=Br B X=I

nitromethan methylbromid th lb id methyljodid

excitace  max, nm    *  * n *    * n *  * n* n*

171 180 290 180 275 200 205 255



rozpouštědlo

15 10 15 10 17 5 200 360

hexan hexan hexan hexan ethanol ethanol h hexan hexan

4-30


konjugace dvojných vazeb čím více dvojných vazeb tím více je přechodů k dispozici

4-31

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

Empirická pravidla pro odhad vlnové délky absorbce u konjugovaných systémů (Woodwardova-Fieserova pravidla) výpočet: max = příspěvek základního chromoforu + příspěvky substituentů a korekce základní chromofor

C C C C


transoidní dien 215 nm

C C

A

C C

C C

B

cyklohexadien 260 nm

ovlivňující substituent R- alkyl RO alkoxy ROX- Cl nebo Br RCO- acyl RS- sulfid RN- amin

+ 5 nm + 6 nm + 10 nm 0 + 30 nm + 60 nm

další  konjugovaná dvojná vazba C6H5- fenyl

+ 30 nm + 60 nm

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

Empirická pravidla pro odhad vlnové délky absorbce u konjugovaných systémů (Woodwardova-Fieserova pravidla)

X


X=H 235 vypoč. yp 23 X=EtO 241 vypoč. 240 X=MeS 268 vypoč. 265 X=Br 238 vypoč. 240

283 vypoč. yp 285

244

256

COOH

273 vypoč. 270

248

228

261 vypoč. 258 O

n O

  vypoč.  vypoč 350

285 vypoč. yp 290

203, 248, 282, 291

n328 n358 n384 n n

4-34

Woodwardova-Fieserova pravidla pro  max konjugovaných karbonylů chromofor




C O C C  

O C C  C 

R = alkyl: 215 nm R = H: 210 nm R = OR OR':: 195 nm cyclopentenon 202 nm

substituent a jeho vliv - Substituent R (alkyl) RCl- (chloro) Br- (bromo) HO- (hydroxyl) RO- (alkoxyl) RCO2- (acyl) - Substituent R (alkyl) RCl- (chloro) Br- (bromo) HO- (hydroxyl) RO- (alkoxyl) RCO2- (acyl) RS- (sulfid) R2N- (amino)

+10 nm +15 +25 +35 +35 +6 +12 nm +12 +30 +30 +30 +6 +85 +95

další  -konjug. C=C +30 +60 C6H5 (fenyl)

4-35

Woodwardova-Fieserova pravidla pro  max konjugovaných karbonylů chromofor




C O  C C C C   

A

C C

substituent a jeho vliv

 Substituenty S b i R- (alkyl) +18 nm () HO- (hydroxyl) +50 nm () RO- (alkoxyl) RO +30 30 nm ()

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 = +11

4-36

Woodwardova-Fieserova pravidla pro  max konjugovaných karbonylů

O

O

O

O

O

233 vypoč. vypoč 237 245 vypoč. vypoč 249 2433 vypoč. vypoč 249 246 vypoč. vypoč 249 245 vypoč. vypoč 242


O

HOOC

281 vypoč. 283

O

245 vypoč. 244, 237

O

259 vypoč. 259

4-37

Woodwardova-Fieserova pravidla pro  max konjugovaných karbonylů

povolen p

zakázán


povolen

transoidní bicyklický y ý dien slabý pás, =5000-15000 delší vlnová délka, 273 nm

povolen

cisoidní bicyklický y ý dien silnější pás, =12000-28000 kratší vlnová délka, 234 nm

Pavia, Lampman, Kriz, Vyvyan Introduction to Spectroscopy, 4th ed.

4-38

substituční efekt na absorpci aromatických sloučenin 255 nm pás je citlivý na elektronovou hustotu aromatického kruhu

OH

CH3 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

pH efekty na aromatickou absorbci

OH


 = 270 nm ( = 1450)

NH2

 = 280 nm ( = 1450)

O

 = 287 nm ( = 2600)

NH3

 = 254 nm ( = 160)

fenoxidový iont elektrostatická potenciálová mapa

aniliniový iont elektrostatická potenciálová mapa

4-40


azulen

4-41


oktafluornaftalen

F

F

F

F F

F F

F

4-42


pyrrol

NH

4-43


thiazol

S

N

4-44


divinylether

O

4-45

alizarin, pH =barviva 12,1 chinonová a antrachinonová

O

O

-

O

-

fialový O

alizarin, pH = 6,8

O

O

-

OH


červený O

alizarin, pH = 5,5

O

OH OH

oranžovočervený O

4-46

O

NH2 SO3Na

O

H N

HN

O CH3

Acid Blue 40 Alizarin Direct Blue A2G


max : 610 nm

O H3C

CH3 H N

N N HO

Disperse Yellow 3 Celliton Fast Yellow G Solvent Yellow 77

max : 357 nm

4-47

H3C N H3C

N N

SO3Na

max : 514 nm


H3C N H3C

N N

SO3Na

Methyloranž M h l ž Acid Orange 52 pH 3,2

Methyloranž Acid Orange 52 pH 3,8

max : 506 nm

H3C N H3C

N N

SO3Na

max : 467 nm

Methyloranž Acid Orange 52 pH 4,4

4-48

max : 590 nm

OH CH(CH3)2 CH(CH3)2

H3C

Tymolftalein pH 10

OH O O

CH3


pod pH = 10 ztrácí tymplftalein druhý proton kolem pH = 9 ztrácí tymolftalein prvý proton OH

Tymolftalein pH 8 fenoly s -OH

CH(CH3)2 CH(CH3)2

H3C

OH O O

CH3

4-49

Jaké má UV-VIS spektroskopie důsledky na běžný život v laboratoři

2 2.97

a/ můžeme studovat vlastnosti barevných látek, b/ můžeme „vidět“ UV-aktivní látky např. na TLC či při HPLC s UV detekcí.

5.46

4.54

1.43 2.3

15.57

0.45


7.59

0.84

a733.esp

0

2

4

6

8

10 12 Retention Time (min)

14

16

18

20

4-50


Konec konců, kvůli absorpčním přechodům v UV/Vis oblasti vidíme!

McMurry Organic Chemistry 6th edition Chapter 14 (c) 2003

4-51

http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/sdbs/owa/sdbs_sea.cre_frame_sea http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/menu-e.html htt // http://www.lohninger.com/spectroscopy/dball.html l h i / t /db ll ht l http://www.nist.gov/srd/online.htm


http://omlc.ogi.edu/index.html

o spektroskopii http://www.spectroscopynow.com/ http://ukazy.astro.cz/duha.php

4-52

With possible objections please turn directtly to the authoors. W

http://spectra.galactic.com/SpectraOnline/about/collections.htm

P Presented mateerial is aimed m mainly at the sstudents of thee Institute of Chemical Techhnology, Praguue. Some of itss data stems froom public C ssources and foor reasons of simplicity and cclarity not all qquotations are pproperly cited as it is commoon in technicall literature.

k l k spekter kolekce kt


A to je dnes konec povídání o elektronové spektroskopii

4-53

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

Recommend Documents