Metody strukturní analýzy – NMR, IČ, Raman
Pavel Matějka
Metody strukturní analýzy – NMR, IČ, Raman 1. NMR 1. 2. 3. 4.
Princip metody a základy instrumentace Základy pro interpretaci spekter NMR pevné fáze NMR v nehomogenním poli
2. Vibrační spektroskopie 1. 2. 3. 4.
Obecné principy Infračervená spektrometrie – techniky měření Ramanova spektrometrie – techniky měření 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 - 12C, 16O I = celočíselné - sudé hmotnostní a liché atomové číslo - 14N, 10B, 2H I = polovinové - liché hmotnostní číslo - 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P projekce spinu magnetické kvantové číslo jaderného spinu - MI
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
gyromagnetický poměr
NMR spektrometrie - teoretické základy • energetické stavy jádra v magnetickém poli
POPULACE STAVŮ N N
E exp 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 - 1H základní přehled
NMR spektrometrie – interpretace CHEMICKÉ POSUNY - 13C 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 CH2 štěpený sousední CH3
signál CH3 štěpený sousední CH2
NMR - interpretace Pascalův trojúhelník 1 1 1
1 1 1
1
2
3 4
5
6
1
3 6
10
15
1
1 4
10
20
1 5
15
1
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 -CH2)
NMR - interpretace INTENZITA SIGNÁLU - pro 1H - integrace plochy pásů pro jednotlivé chemické posuny - úměra k počtu protonů v dané skupině
např. poměr ploch CH3 : CH2 : CH 3 : 2 : 1
NMR - interpretace 1.0 0.9
O
H3C
O
CH3
0.8
CH3
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
0.07
0.28 4.5
4.0
3.5
0.65 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 13C
NMR - nedekaplovaná - dekaplovaná - J - modulovaná - APT test - attached proton - pozitivní signály - C, CH2 - negativní signály - CH, CH3
25.93
43.44
NMR - interpretace
H3C
13.76
O
0.9 0.8
22.24
1.0
CH3
0.7
29.73
0.6 0.5
77.47 77.05 76.63
0.4 0.3
209.17
0.2 0.1 0.0 250
200
150
100
50
0
129.82 129.69
NMR - interpretace 1.0
O 0.9
H3C
0.8 0.7 0.6 0.5
77.55 77.13 76.69
0.1
130.18 129.16
145.51
0.2
134.24
0.3
21.82
191.93
0.4
0.0 250
200
150
100
50
0
2D NMR
2D NMR homonukleární
heteronukleární
http://www.chem.queensu.ca/facilities/NMR/nmr/webcourse/
2D NMR - homonukleární 2D COSY
– přes vazby
Correlated SpectroscopY
total
2D TOCSY Nuclear Overhauser enhancement
2D NOESY přes prostor
– přes vazby
NMR – spektrometr
picoSpin-45 /levný, malý
picoSpin-45 Specifications
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
2 atomy
3 stupně volnosti
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 E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci nabs = E2 - E1 / h hnabs = E2 - E1 hnvib = E2 - E1 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 E1 a E2, vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího záření o frekvenci nabs = E2 - E1 / h hnabs = E2 - E1 hnvib = E2 - E1 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 q p p0 q 0 p - aktuální dipólový moment p0 - dipólový moment v rovnovážné poloze q - normální souřadnice vibračního módu
Infračervená spektrometrie Základní výběrové pravidlo infračervené absorpce
p 0 q INTENZITA PÁSŮ ÚMĚRNÁ kvadrátu ZMĚNY DIPOLOVÉHO MOMENTU BĚHEM VIBRAČNÍHO POHYBU
Infračervená spektrometrie p 0 q
SILNĚ ABSORBUJÍ IČ záření Cl
H
HCl, H2O, CO2, SO2, NxOy – 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
Infračervená spektrometrie 1,1 1,0
2935
- INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK CYCLOHEPTANE, 98%
0,9 0,8
0,6 0,5 0,4
2869
0,3 0,2
1462
Absorbance
0,7
0,1
3000
2000 Wavenumbers (cm-1)
1000
Infračervená spektrometrie
0,9
632
2935 2870
1,0
1-Hexy ne, 99%
3307
1,1
2960
- INTERPRETACE SPEKTER a IDENTIFIKACE LÁTEK
0,8
1462
0,6
0,5
0,3
0,2
1380 1247
0,4
2117
Absorbance
0,7
0,1
300 0
200 0 W av enu mber s ( c m- 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
P E
Klasické přiblížení - Indukovaný dipólový moment úměrný intenzitě elektrického pole Rayleigh
Stokes
anti-Stokes
Základní výběrové pravidlo Ramanova rozptylu změna polarizovatelnosti během vibračního pohybu
0 q
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.
0.2
0.1
350 0
0.3
300 0 250 0 200 0
c m- 1 150 0
1172 11271155
0.0 100 0
640 551
814 734
1030 961
0.4
1266
Raman 1594
0
633
733
859
1028
1152 1124
813
1662 1585 1508 1463 1452 1428 1398 1297 1265
Vanillin 959
1855
1984
IR 1716
V-6j-ATR-
1452 1429 1299
0.5
vzorek V6 1664
20
1511
0.6
2844
40
3019 2945 2861
60
3032 2947
80
3163
%T 100
3073
Int
Rozdíly IČ a Ramanovy spektrometrie
Principy Ramanovy a FT Ramanovy spektroskopie 0,7
vz. 16 IR
0,6
2248 CN
Abs
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,10
vz. 16 Raman
2248 CN
0,0 0,12
Int
0,08 0,06 0,04 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
in vitro, in vivo geologické - minerály, horniny biologické -
archeologické - od paleolitu po novověk
Intensity (a.u.)
80
sp3
DLC uhlíková vrstva
1346
100
sp2
1330
x1000
1581
Analýza uhlíkatých materiálů
60
40
20
sp3
diamant
0 500
1000
1500
Wavenumber (cm-1)
2000
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
