Organická chemie I Miroslav Zabadal
Kapitola 5
Organická strukturní analýza
Organická strukturní analýza • infračervená spektroskopie (IR) • nukleární magnetická rezonance (NMR) • hmotnostní spektrometrie (MS)
Literatura • Anslyn E. V., Dougherty D. A.: Modern Physical Organic Chemistry, 2004, University Science Books, Sausalito, California U.S.A. • Crews P., Rodríguez J., Jaspars M.: Organic Structure Analysis, 1998, Oxford University Press, New York U.S.A. • Solomons T. W. G., Fryhle C. B.: Organic Chemistry, 2004, 8th Ed., John Wiley & Sons Inc., U.S.A. • Clayden J., Greeves N., Warren S., Wothers P.: Organic chemistry, 2001, Oxford University Press, New York U.S.A. • Voltrová S.: Příklady pro cvičení ze strukturní analýzy organických sloučenin, 1996, VŠCHT Praha. • Prof. M. Holík: Přednáška “Aplikovaná NMR spektroskopie”, 1997, MU v Brně. • Doc. R. Marek: Přednáška “NMR strukturní analýza”, 1998, MU v Brně. • http://www.cis.rit.edu/htbooks/nmr/inside.htm • http://www.chem.ucla.edu/~webspectra/index.html • http://www.spectroscopynow.com/ • http://www.fch.vutbr.cz/ictep/index.php?fun=studium&file=studijni_material y/ISA-NMR/ISA_PISA-NMR
• IR – měří frekvence vazebných vibrací příslušející jednotlivým funkčním skupinám v molekule • MS – štěpí molekuly a měří mol. hmotnost těchto fragmentů • NMR – detekuje signály vodíků, uhlíků i dalších atomů a umožňuje určit např. vazebnou posloupnost, rozlišit izomery, atd.
Elektromagnetické záření • druhy elmag. záření a vliv na hmotu: -
kosmické a γ záření (jaderná emise) rentgenové záření (ionizace atomů) UV-VIS (elektronové excitace) infračervené (molekulární vibrace) mikrovlnné (rotace molekul) radiovlny (jaderná absorpce)
energie fotonu: E = hν = hc/λ přičemž c = λν
h – Planckova konstanta [≈ 6,626 × 10-34 J.s], c – rychlost světla
Čas interakce • srovnání makroskopických časové ose: fluorescence
a
mikroskopických věk člověka
fosforescence
událostí stáří Země
na
stáří vesmíru
τ = 10-15 10-12 10-9 10-6
10-3
100
103
106
109
106
103
100
10-3
10-6
10-9 10-12 10-15 10-18 [s-1]
k = 1015 1012 109 excitace elektronu
vazebné rotace
vazebné vibrace
& nejkratší
rychlé chemické reakce
1012
1015 1018 [s]
pomalé chemické reakce
translace velkých molekul
doba pro uskutečnění přeskoku elektronu z jedné energetické hladiny na druhou je 10-16 s (žádná chemie se neuskuteční za touto hranicí)
Metody interakce • využívány jsou dva typy interakcí jako základ pro analytické metody: -
Absorpce – záření je absorbováno atomem, molekulou nebo iontem za vytvoření výše energetického individua Emise – vyzáření světelného kvanta atomem, molekulou nebo iontem za současné deaktivace (vznik méně energetické částice) -
Vznik spektra Absorpční spektrum Emisní spektrum Excitační spektrum
Absorpční sp.
Excitační a Emisní sp. Emisní spektrum – excitace při jedné λmax (abs.) a měření závislosti intenzity emitovaného světla na λ Excitační spektrum – excitace při různých λ1 − λn a měření intenzity fluorescence při jedné λ
Jabloňskiho diagram
1. Absorpce – interakce částice se zářením (k ≈ 1015 s-1) 2. Fluorescence – zářivý přechod mezi excitovanými stavy o stejné multiplicitě (k ≈ 106 - 109 s-1) 3. Fosforescence – zářivý přechod mezi excitovanými stavy s rozdílnou spinovou multiplicitou (k ≈ 10-2 - 103 s-1) 4. Vibrační relaxace – nezářivý přechod z vyšších vibračních stavů do stavu základního za současného uvolnění tepla (k ≈ 1012 s-1) 5. Mezisystémový přechod – nezářivý přechod mezi excitovanými stavy s rozdílnou spinovou multiplicitou (k ≈ 106 - 1011 s-1) 6. Vnitřní přeměna – nezářivý přechod mezi vibračními hladinami elektronových stavů o stejné multiplicitě (k > 1012 s-1)
Infračervená spektroskopie (IR) • energie IR záření (MIR: 6 – 46 kJ/mol) je nedostačující pro excitaci elektronu • absorpce je limitována na změnu vibračních a rotačních hladin molekuly • pro kapaliny a pevné látky je často molekulární rotace neuskutečnitelná → především vibrace • data IR spektroskopie prezentována absorpčními spektry • vlastní absorpce se řídí Lambert-Beerovým zákonem:
I = I0 × 10-εdc I0 – intenzita dopadajícího světla; I – intenzita prošlého světla; ε – molární absorpční koeficient; d – tloušťka měřeného roztoku a c – jeho molární koncentrace
• Absorbance (optická hustota): A = log(I0 / I) • Transmitance: T = I / I0 • energie IR záření odpovídá energiím vazebných vibrací: Valenční vibrace ν symetrické νs
asymetrické νas
Deformační vibrace δ kyvadlové
nůžkové
vějířové
torzní
Skeletální vibrace akordeonové Torzní vibrace
Asociáty - interakce dipól-dipól, H-vazba
kruhové
IR spektrum • v důsledku mnoha vibračních stavů jsou IR spektra velmi komplexní:
vlnočet [cm-1] 4000 - 1500 cm-1 Charakteristické vibrace (možnost odlišit vibrace jednotlivých skupin)
1500 - 200 cm-1 OTISK prstu molekuly (překrytí vibrací jednotlivých skupin v molekule)
• absorpční pásy v IR spektru odpovídají jednotlivým vibracím konkrétních funkčních skupin:
C2H5
C2H5
O C O H
H O O C C2H5 C O O H intermolekulární H-vazba
O
H
OCH3 O
H intramolekulární H-vazba
IR spektrometr • jednopaprskové nebo dvoupaprskové sp. • disperzní × FT (Fourier-transform) IR spektrometry
Vzorek pro IR • plynný, kapalný nebo pevný vzorek • vzorek (l) nebo (g) je měřen v kyvetách → transparentní v měřené spektrální oblasti: Materiál
Rozsah
ν~(cm-1)
LiF
1600
BaF2
750
NaCl
600
KBr
370
AgCl
350
polyethylen
200 - 500
- 4000
• lisování tablet ze vzorku a materiálu, který je za vysokého tlaku plastický a transparentní (např. KBr, AgCl), vzorek ~ 1mg
Zdroj IR • inertní pevná látka zahřívaná na teplotu 1000 -2200 K emitující infračervené záření: - Nernstův zdroj – válec z oxidů kovů vzácných zemin (ZrO2 + oxidy ~ Y) + Pt drát; T = 2200 K; ν = 500 - 25000 cm-1 - Globarův zdroj – karborundum (Si-C), elektricky žhaven na 1100 – ~ 1500 K; ν = 250 - 8300 cm-1 ~ - Žhavený Ni-Cr drát – elektricky žhavený na teplotu až 1100 K; ν = 500 - 13300 cm-1
Detektory IR -
-
Termický – termočlánek (např. Bi + Sb); měřena změna potenciálového rozdílu mezi kovy Pyroelektrické – destička z monokrystalu pyroelektrického materiálu (např. triglycerin-sulfát), jehož polarizace v el. poli je závislá na teplotě Fotoelektrický – evakuovaná nádoba obsahující vrstvu polovodičového materiálu na skleněném povrchu (Hg-Cd-Te) → absorpce IR → přechod valenčních elektronů do vyššího stavu → snížení el. odporu polovodiče
Nukleární magnetická resonance (NMR) • strukturně analytická metoda • NMR metoda využívá jader atomů s nenulovým jaderným spinem:
-
izotop
zastoupení v přírodě [%]
jad. spin (I)
1H
99.9844
1/2
2H
0.0156
1
11B
81.17
3/2
13C
1.108
1/2
17O
0.037
5/2
19F
100.0
1/2
29Si
4.700
1/2
31P
100.0
1/2
jaderný spin je závislý na složení jádra z jednotlivých nukleonů: - lichý počet nukleonů nebo sudý počet nukleonů s lichým počtem neutronů a protonů → nenulový jaderný spin - sudý počet nukleonů s lichým počtem neutronů a protonů → nulový jaderný spin
izotopy s nulovým jaderným spinem (např. 12C, 16O) nejsou aktivní v NMR spektroskopii
• chování jádra v magnetickém poli: -
vektor magnetického momentu μ jad. spinu koná precesní pohyb o Larmorově frekvenci ν → generuje mag. pole kolem jádra
aplikace vnějšího mag. pole B0 (indukce) vede k rozdělení jader: → spin = + ½ (β) a) vektor μ ve směru B0 → spin = - ½ (α) b) vektor μ proti směru B0
-
-
rozdíl mezi dvěmi spinovými stavy (+½ a -½ pro I = ½) závisí na síle mag. pole B0 → s rostoucím B0 roste energetický rozdíl mezi hladinami
-
rozdíl populací jader na en. hladinách +½ (Nα) a -½ (Nβ) je velmi malý (přebytek jader na hladině +½) pro Nβ = 106
Nβ - Nα ≈ 100
při B0 = 12T, T = 300K
• aplikace radiofrekvenčního záření (20-900 MHz) na vzorek v magnetickém poli vede k excitaci jader z +½ hladiny na -½ hladinu → absorpce záření při splnění rezonanční podmínky:
2πν = γB
ν – Larmorova frekvence γ – gyromagnetický poměr (konstanta pro jednotlivé izotopy) B – magnetická indukce
• pro jádra s I = ½ je rozdíl mezi spinovými hladinami úměrný jejich mag. momentu μ při konst. B0: izotop
μ [J/T]
ν (při B0 = 2,35T) [MHz]
1H
2,7927
100,0
13C
2,6273
25,3
19F
1,1305
94,1
31P
0,7022
40,5
15N
-0,1000
10,1
• v důsledku přítomnosti e- a jiných atomů okolo jádra dochází k jeho ovlivnění:
B0 B = B0
e-
B = B0 - σ B0
elektrony kolem jádra vytváří mag. pole působící proti směru vnějšího mag. pole B0 → nižší energie k excitaci
B0
- σ B0
B0
Bm Bm
e-
e-
B = B0 - σ B0 ± Bm
vzájemné jader → signálu
stínění štěpení
J
σ – stínící konstanta J – interakční konstanta [Hz]
B0
NMR spektrum • Chemický posun δ – poloha píku ve spektru vzhledem k vnitřnímu standartu TMS (tetramethylsilan) TMS (CH3)4Si δ = (νi / νs) × 106
δ = 0 ppm
[ppm]
νi – frekvence měřeného signálu vůči TMS νS – precesní frekvence spektrometru • chemický posun δ je nezávislý na síle magnetického pole, proto δ(H) benzenu = 7.27 ppm u NMR přístroje 60Hz i 300MHz stejné • Interakční konstanta J – na rozdíl od δ je závislá na síle vnějšího magnetického pole B0 • Multiplicita signálu (štěpení) – 2N + 1 (N = počet neekvivalentních jader stejného typu atomů ≈ přes 3 vazby)
• Počet signálů – počet chemicky neekvivalentních jader • Intenzita signálu – počet chemicky ekvivalentních jader v signálu (integrace signálu v NMR spektru) Intenzita píků u štěpeného signálu chem. ekvivalentních atomů (N = počet) → stříškový efekt
I=½ 1 1 1 1 2 1 1 3 3 1 1 4 6 4 1
I=1 1 1 1 1 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1
N 0 1 2 3 4
Vzorek pro NMR • vzorek je měřen v kapalné nebo pevné fázi • rozpouštědla v NMR - deuterovaná (např. CDCl3, DMSO-d6, D2O, benzen-d6, …) • vzorek se měří ve skleněné kyvetě (Ø 5 nebo 10mm)
NMR spektrometr • CW (continuous-wave) spektrometr – vzorek je ozařován kontinuálně radiofrekvenčním zářením a magnetické pole je měněno • FT (Fourier Transform) NMR spektrometr – mag. pole je stálé a vzorek je ozařován pulsy radiofrekvenčního záření
Hmotnostní spektrometrie (MS) • destrukční strukturně analytická metoda • ionizace molekul vzorku a následná separace a detekce iontů dle poměru m/z (mass(m)-to-charge(z))
zdroj ionizace
ionizace: e-, M+, hν (laser), plasma, …
fragmentace M
M
L
+ N*
L
+ N*
Alison E. Ashcroft: Ionization Methods in Organic Mass Spectrometry, The Royal Society of Chemistry, UK, 1997 and references cited therein.
• ionty jsou velmi reaktivní → tvorba a manipulace za vakua 10-5 - 10-8 torr (1 atm ≈ 760 torr) → nesmí dojít ke srážce s jinými molekulami (např. vzduch)
Vzorek pro MS • vzorek je měřen v plynné fázi → odpaření (většinou za vysoké teploty) • přímá ionizace vzorku v MS → zavedení vzorku (v pevná látka nebo kapalina) do ionizačního zařízení • napojení MS spektrometru na HPLC, GC nebo CE → separace vzorku s následnou analýzou komponent na MS → vzorek = plynný, kapalný nebo pevný
Ionizace • různé ionizační metody → výběr podle typu vzorku a MS spektrometru: -
EI (electron impact) – bombardování vzorku e-, které od určité energie způsobí ionizaci molekuly nebo fragmentaci
-
vakuum ~ 10-7 torr energie e- ~ 40-70 eV
ionizace molekuly a pouze částečná fragmentace
-
ionizace molekuly a velká část vzorku fragmentována
CI (chemical ionisation) – bombardování vzorku M+ = ionty jiné molekuly připravené jinou ionizační metodou -
M+ = CH3+, C2H5+, H3O+, H2+, HeH+, NH4+, ... šetrná metoda ionizace vzorku → velmi malá část molekul fragmentována M
+
NH4+
→
MH+
+
NH3
-
FI (field ionisation) & FD (field desorption) – šetrný způsob ionizace, vzorek je zaváděn k povrchu elektrody s kladným potenciálem → ionizace silným el. polem (107-108 V/cm) -
-
FI - vzorek v plynném stavu FD - vzorek v pevném stavu nanesen přímo na elektrodu → desorpce a ionizace
LD (laser desorption) – přímá ionizace vzorku v pevném stavu laserem (hν) a následně sekundární ionizace zahřátím vzorek se působením laseru (např. N2 pulsní laser) také odpaří a v plynné fázi se ještě ionizuje - fragmentace molekul závisí na energii laser. paprsku (N2 laser, λ = 337nm) MALDI (matrix assisted laser desorption ionisation) - vzorek je smíchán s matricí (látka s vysokým ε) → sekundární ionizace vzorku ionty matrice -
matrice - např. 4-hydroxyα-cyanocinnamic acid pro AMK, peptidy, NK
-
ESI (electrospray ionisation) – vzorek rozpuštěný v těkavém rozpouštědle je zaváděn úzkou kapilárou (Ø 75-150 μm, nerezová ocel) na jejímž hrotu je vysoké napětí (3-4 kV) → vznik aerosolu a současná ionizace
kapalné částečky aerosolu jsou sráženy sušícím plynem (např. horký N2) mimo vstup do další části spektrometru
Analýza a separace iontů • ionty jsou urychleny mezi štěrbinami s klesajícím napětím (od 104 V akcelerace iontů až k 0V) ionizační komora 104 V
paprsek iontů 104 V ~102 V
0V
• hmotnostní analyzátory: -
-
Magnetická separace – zakřivení dráhy iontů v mag. poli (poloměr zakřivení ~ hmota a náboj iontu, intenzita mag. pole) TOF (time of flight) – urychlené ionty se separují na základě rozdílného času pohybu v závislosti na poměru m/z (pohybové rovnice) Quadrupole – změna amplitudy na tyčích se stejnosměrným napětím → stabilní dráha pouze jednoho typu iontu v závislosti na m/z Quadrupole analyzer Magnetic analyzer
Detektory MS • ionty dopadají na fotoaktivní povrch: - Fotodeska po dopadu iontu na desku dochází k jeho neutralizaci a vznikající el. proud je zaznamenán
MS spektrometr • základní složky spektrometru:
- Fotonásobič fotoemisivní katoda produkuje e- po dopadu iontů → dynody (berylium) → e- způsobí emisi několika dalších e-
GC-MS • propojení plynového chromatografu (GC) spektrometru (MS): • GC – separace jednotlivých složek vzorku • MS – detekce těchto složek a jejich identifikace
a
hmotnostního
MS spektrum • závislost intenzity (zastoupení v ionizovaném vzorku) na poměru hmota-náboj = m/z:
Hlavní pík = 100 rel. int. (pík iontu s největším zastoupením ~ intenzitou)
Molekulový pík = M+ (ion nefragmentované molekuly)
Organická strukturní analýza • strategie při určení struktury organických molekul: MS, NMR Neznámá látka
NMR, IR, UV
MS, NMR
Pracovní 2D struktura
Sumární vzorec Funkční skupiny
Číslo nenasycenosti
Substruktury
3D struktura molekuly
nakreslení všech 3D izomerů
nakreslení všech 2D izomerů Seznam pracovních 2D struktur NMR, IR, MS Finální 2D struktura
• Číslo nenasycenosti (UN = unsaturation number) – počet násobných vazeb nebo cyklů v molekule vypočítané ze sumárního vzorce: UN =
[(2a + 2) − (b − d + e)] 2
pro
CaHbOcNdXe X = F, Cl, Br, I
Určení struktury neznámé látky • určete strukturu neznámé látky z následujících spekter:
Exact MS (EI) = 162,0681
