INSTRUMENTALNE METODE INSTRUMENTALNE METODE

UU

ORGANSKOJ HEMIJIORGANSKOJ HEMIJI

Literatura:

1.Banjanin B. (1998.): „Organska hemija teorija i riješeni problemi“, Univerzitet u Sarajevu, Farmaceutski fakultet, Sarajevo

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy

3.http://www.wooster.edu/chemistry/is/brubaker/ir/default.html

2

- UVOD - - UVOD -

3

Spektrometrija(spektroskopija) je grana znanosti koja se bavi proučavanjem

spektara nastalih interakcijom zračenja i tvari.Pojam spektra označava uređeni

niz dobiven rastavljanjem nekog složenog sistema,primjerice rastavljanje bijele boje svijetlosti na sastvane boje

razvrstane prema valnoj duljini ili rastavljanje molekule na fragmente

razvrstane prema masi (maseni spektar).

INSTRUMENTALNE INSTRUMENTALNE METODEMETODE

Dakle, spektrometrija je širi pojam koji Dakle, spektrometrija je širi pojam koji obuhvata sve tehnike koje se bave obuhvata sve tehnike koje se bave

proučavanjem i analizom raznih proučavanjem i analizom raznih spektara. spektara.

S druge strane, spektroskopija je grana S druge strane, spektroskopija je grana fizičke nauke koja se bavi fizičke nauke koja se bavi

proučavanjem spektara na temelju proučavanjem spektara na temelju posmatranja. Usprkos ovim posmatranja. Usprkos ovim

činjenicama spektroskopija se vrlo činjenicama spektroskopija se vrlo cesto koristi na mjestu gdje bi trebalo cesto koristi na mjestu gdje bi trebalo

koristi izraz spektrometija.koristi izraz spektrometija.

6

Spektrometrija obuhvaća niz eksperimentalnih metoda koje omogućuju

određivanje hemijskog sastava i tvari.Prije primjene spektroskopije za

određivanje strukture hemijskih spojeva potrebno je uzeti njenu fizikalnu pozadinu tj.prirodu elektromagnetskog zračenja,te

načine interakcije elektromagnetskog zračenja i tvari.

Priroda elektromagnetskog Priroda elektromagnetskog zračenja (EMZ)zračenja (EMZ)

7

Elekromagnetsko zračenje ciji manji dio čini vidljiva svjetlost ima dvojnu prirodu valnu i čestičnu.To znači da

se neka svojstva EMZ mogu objasniti isključivo njegovom

valnom prirodom, a druga isključivo pretpostavkom da je EMZ sastavljeno od čestica .

8

U analitičke svrhe najčešće su korištene :

UV/VIS spektroskopija IR spektroskopijaMasena spektroskopija Spektroskopija nuklearne

magnetske rezonance (NMR)

9

UV/VIS spektroskopija :apsorpcija je pod uticejem visoke energije

eksitacije ,u tom području apsorbiraju samo konjugirani

pi elektroni.

Infracrvena spektroskpija:apsorpcija je pod uticajem niske energije koja potječe

od vibracija i rotacija eksicitiranih skupina atoma unutar molekula.

Karakteristična apsorpcija se koristi za identifikaciju funkcionalnih skupina.

10

Masena spektrometrija :molekule u uzorku joniziraju pod uticajem visoke energije

elektrona.Omjer mase i naboja fragmenata jona tačno je odredjen,a nastao je pod

uticajem električnog i magnetskog polja.Struktura molekularnog jona takodjer

je fragment jona .

Spektroskopija NMR :spektroskopska metoda kod koje se najčešće apsorbiraju

elektromagnetski valovi radiovalnih dužina u atomskim jezgrama koji se nalaze u

magnetskom polju magnetske indukcije.

1. Spektrometrije – pojam i 1. Spektrometrije – pojam i podjelapodjela

Označava svaki postupak mjerenja spektra

SpektrometrijeSpektrometrije čine dio instrumentalnih metoda i postupaka kojima se mogu dobiti

informacije o hemijskom sastavu i strukturi supstanci na bazi separacije,

detekcije i mjerenja energetskih promjena koje se dešavaju u jezgru i omotaču atoma ili u molekulama kao posljedica interakcije

s energijom. Interakcija sa energijom može da se dešava na atomskom i molekulskom nivou, pa govorimo o

atomskoj ili molekulskoj spektrometriji.

Spektrometrije – pojam i Spektrometrije – pojam i podjelapodjelaPodjelu spektrometrija je moguće

napraviti na osnovu: a) nivoa na kojima se događa

interakcija : atomska i molekulska

b) energije koja stupa u interakciju sa uzorkom: toplinska, hemijska, električna ili zračenje čestica.

c) poslijedica interakcije: apsorpcijska, emisijska, spektromerija paspršenja i masena spektrometrija

2. Masena spektrometrija2. Masena spektrometrijaMasena spektrometrijaMasena spektrometrija je tehnika

kojom se analiziraju molekule na temelju njihove mase

(i naboja).

Maseni spektrometarMaseni spektrometar- Analize molekula različitih molekulskih

masa- Molekule su pozitivno nabijene- Joni prolaze magnetnim poljem- Različite mase se odvajaju i detektuju

promjenom jačine polja

Masena spektrometrija se koristi za:

određivanje sastava nepoznatog uzorka određivanje sastava nepoznatog uzorka (kvalitativna analiza)(kvalitativna analiza)

određivanje izotopskog sastava uzorkaodređivanje izotopskog sastava uzorkaodređivanje strukture molekula određivanje strukture molekula

promatrajući fragmentaciju molekulapromatrajući fragmentaciju molekulaodređivanje molarne mase molekuleodređivanje molarne mase molekuleodređivanje količine određene supstance određivanje količine određene supstance

u uzorku (kvantitativna analiza)u uzorku (kvantitativna analiza)određivanje fizičkih i hemijskih svojstava određivanje fizičkih i hemijskih svojstava

supstancisupstanciproučavanje ponašanja jona u vakumuproučavanje ponašanja jona u vakumu

Masena spektrometrijaMasena spektrometrija Uzorak se pretvoriUzorak se pretvori u paru u paru

prijeprije prolaska kroz jonsku prolaska kroz jonsku komorukomoru

Zatim se bombardujeZatim se bombarduje sasa strujomstrujom ele elekktrontronaa visoke visoke energije.energije.

Ovo rezultuje stvaranjemOvo rezultuje stvaranjem molmolekularnihekularnih jona jona kao i kao i brojnih fragmenatabrojnih fragmenata

Ovi joniOvi joni se zatimse zatim ubacuju u ubacuju u eleelekktrtronsko polje gdjeonsko polje gdje se se ubrzavajuubrzavaju ii prolaze krozprolaze kroz uskiuski otvorotvor, , stvarajućistvarajući uski snopuski snop popozzitivitivnihnih jjononaa..

Ovaj snop se zatim izlaže magnetnom polju kojim se joni skreću na određenu udaljenost zavisno od odnosa mase i naelektrisanja

Joni skrenuti na kružnu putanju detektuju se određenim instrumentom, koji zatim šalje poruke na snimač i dobije se

maseni spektar.

Nastajanje masenog Nastajanje masenog spektraspektra

Ulaz

Jonizacija

Mas. analizator

Razvrstavnje masa (filtriranje)

Detektorjona

Detekcija

Jonski izvor

• čvrsti uzorci• tečnosti• Pare

Detektuje ionestvaranje jona

(naelektrisani molekuli)Razvrstavanje jona po masi (m/z)

1330 1340 1350

100

75

50

25

0

Maseni spektar

3. Proces mjerenja3. Proces mjerenja

JonizacijaJonizacija – upareni uzorak se jonizira – upareni uzorak se jonizira tako što se uklanjaju jedan ili dva tako što se uklanjaju jedan ili dva elektrona te pozitivno nabijene vrste elektrona te pozitivno nabijene vrste ulaze u akceleracijsku komoruulaze u akceleracijsku komoru

AkceleracijaAkceleracija – joni se podvrgnu – joni se podvrgnu djelovanju električnog polja radi djelovanju električnog polja radi ubrzanjaubrzanja

Deflekcija – (otklon) odvajanje prema Deflekcija – (otklon) odvajanje prema atomskim (molekulskim) masama (m/z)atomskim (molekulskim) masama (m/z)

Detekcija Detekcija – samo joni određene mase – samo joni određene mase dolaze do detektora, za detekciju svih dolaze do detektora, za detekciju svih jona treba mijenjati akceleracijsko polje jona treba mijenjati akceleracijsko polje jer detektor bilježi svaku vrstu jer detektor bilježi svaku vrstu kaozaseban vršak “peak”.kaozaseban vršak “peak”.

3.13.1. . JONIZACIJAJONIZACIJA

Jonizator je uređaj koji prevodi Jonizator je uređaj koji prevodi molekule u jone. molekule u jone.

Proces jonizacije uključuje dovođenje Proces jonizacije uključuje dovođenje energije molekuli, pri čemu se energije molekuli, pri čemu se izbacuje jedan ili više elektrona. izbacuje jedan ili više elektrona.

Pri tom procesu može doći i do Pri tom procesu može doći i do fragmentacije molekule u dva ili više fragmentacije molekule u dva ili više fragmenata.fragmenata.

JonizacijaJonizacijaMože biti:

- Elektronska jonizacija (EI)Elektronska jonizacija (EI)Koristi snop brzih elektrona kojima sebombarduje elektron u gasnoj fazi

- Jonizacija brzim atomimaJonizacija brzim atomima ( (FAB;FAB; eng. Fast Atom Bombardment), i jonizacija brzim jonima ((FIBFIB; eng. Fast Ion Bombardment)

koristi brze atome ili jone kojima se bombardiraju molekule ispitivanog uzorka u nekom mediju (tzv. matrici).

- - Hemijska jonizacijaHemijska jonizacija (CI; eng. Chemical ionization)

jonizira molekulu posredno, pomoću neke druge supstance.

- - ElektrosprejElektrosprej (ESI; eng. ElectroSpray Ionization)

jonizira analit u obliku rastvora.

- MALDIMALDI (eng. Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization

matricom potpomognuta laserska desorpcija/jonizacija) je metoda za jonizaciju molekula. Na matricu se djeluje laserom

Visoki napon (~4 kV)

ulaz uzorka (niži napon)

Naelektrisane čestice

++

++

+

+

++

+ +++

++

+ +++ +

++

+++

+++

++++

+

++

+

+

+

+++

+++

+++

MH+

MH3+

MH2+

Pritisak = 1 barPrečnik unutraš. cijevi. = 100 μm

Uzorak u rastvoru

N2

N2 gas

Djelimičvakuum

Electrospray ionization:

Jonski izvori stvaraju jone iz molekula uzorka(Joni se lakše detektuju nego neutralni molekuli.)

h Laser

1. Laserski bljesak jonizuje molekule matrixa.

2. Molekuli uzorka (M) se jonizuju prenosom protona: XH+ + M MH+ + X.

MH+

MALDI: Matrix Assisted Laser Desorption Ionization

+/- 20 kV Rešetka (0 V)

Ploča

3.2. Analizator3.2. Analizator AnalizatorAnalizator je uređaj koji razdvaja jone, nastale u

jonizatoru po njihovoj masi i/ili naboju.

- - Magnetni sektorski analizatorMagnetni sektorski analizator sastoji se od magneta, između čijih polova prolaze joni.

- - Električni sektorElektrični sektor sličan magnetnom sektoru, samo što umjesto

magnetnog polja koristi električno polje, a pretraživanje se obavlja promjenom napona na elektrodama.

- - Kvadrupolni analizatorKvadrupolni analizator sastoji se od četiri valjkste paralelne elektrode. Joni se

propuštaju između četiri elektrode

3.2. Analizator3.2. AnalizatorTime of flight analizatorTime of flight analizator (TOF) (TOF) ubrzava jone iz jonizatora pomoću

homogenog električnog polja. Lakši joni se jače ubrzavaju i prvi dolaze do detektora.

Jon ciklotronska rezonancijaJon ciklotronska rezonancija ili ili FTMSFTMS (eng. Fourier Transform Mass Spectrometry) predstavlja tehniku analize jona po masama. Uređaj se sastoji od velikog magneta koji proizvodi homogeno magnetsko polje.

Time-of-flight (vrijeme leta) (TOF) Mass Analyzer

Time-of-flight (vrijeme leta) (TOF) Mass Analyzer

+

+

+

+

IZVOR Područje strujanja (cijev za “let” jona)

detector

V

joni se stvaraju u pulsevima .u području strujanja je slobodno polje .mjerenja vremena za koje joni stignu do detektora .Mali joni stignu do detektora prije velikih .

Quadrupole Maseni Analizator

Koristi kombinaciju RF zračenja i jednosmjerne struje (kao filter mase)

InletIonsource

Mass Analyzer Detector

DataSystem

High Vacuum System

Obrada podataka

4. Očitavanje rezultata4. Očitavanje rezultata

Izazvani signali na elektrodi ubilježavaju se na traci pisača u obliku maksimuma (pika)

Skup svih maksimuma koji su dobijeni na traci pisača predstavlja maseni spektar ispitivane supstance.

Iz tako dobijenog spektra se može vidjeti koji su joni nastali bombardovanjem molekula ispitivane supstance elektonima.

Poznavanje njihove mase može da posluži za bliže upoznavanje te supstance.

Maseni spektri se crtaju kao vrijenosti m/z ili m/e na apscisi, naspram visine signala na ordinati koji predstavlja relativni broj jona date molekulske težine.

ZAKLJUČAKZAKLJUČAK

Metodom spektrometrije je moguće dobiti informacije o hemijskom sastavu i strukturi supstanci.

Tehnika mesene spektrometrije omogućava analizu molekula na temelju njihove mase.

Primarno se koristi za razdvajanje molekula i atoma prema njihovoj molekulskoj masi.

Prednost ove metode je što može mjeriti masu tačnije od drugih metoda i dati informacije o hemijskoj strukturi ispitivane supstance.

Koristi se za identifikaciju, verifikaciju i kvantitativna mjerenja u mnogim prirodnim naukama.

Spektroskopija u vidljivomSpektroskopija u vidljivom i ultraljubičastom području i ultraljubičastom području

Prof.dr. Božo Banjanin

Od posebnog značaja su : ultraljubičasta spektroskopija

UV infracrvena spektroskopija IR nuklearna magnetna

rezonancija NMR spektar masa MS

Talasne dužine (λ) za ultraljubičasti spektar se izražavaju u nanometrima (1 nm = 10-9 ) ,

za infracrveni se koriste mikrometri ( 1 μm = 10-6).

U tipičnom spektrofotometru jedinjenje je izloženo elektromagnetnoj radijaciji uz pomoć stalnog širenja

u talasnim dužinama.

Radijacija koja prolazi ili se upija je ucrtana na dijagramu nasuprot talasne dužine ili talasnog broja.

Absorcioni vrhovi su skicirani kao minimum u infracrvenoj i kao maksimum u ultraljubičastoj

spektroskopiji.

U datim talasnim dužinama procenat energije upijanja zavisi od :

1.prirode jedinjenja

2.koncentracije molekula

3.dužine l rastvora kroz koji prolazi svjetlo

Ultraljubičasta i vidljiva Ultraljubičasta i vidljiva spektroskopijaspektroskopija

Ultraljubičasto i vidljivo svjetlo uzrokuje elektron koji je podstaknut nižom energijom.

Postoje tri vrste elektrona: oni u σ vezama, u π vezama inepodijeljeni elektron koji se označavaju slovom nza vezivanje.

Uz apsorpciju energije bilo koji od ovih elektrona mogu ući u podsticajna stanja koja su ili antivezna σ* ili π*.Sve molekule imaju σ i σ* orbitale ali samo one koje imaju π orbitale imaju i π* orbitale.

Uspoređivanje zračenja prije i poslije interakcije s materijom dolazi se do niza vrijednih informacija o strukturi tvari.

n.m.r. e.s.r. Mikrovalovi IR

UV-VIS X-ray -ray

or

promjena spinapromjenaorijentacije

promjenakonfiguracije promjena distribucije

elektrona

promjenanuklearne konfiguracije

10 1 100 10 10 10cm-1-2 4 6 8

valni broj

10m 100cm 1cm 100m 1m 10nm 100pm

valna duzina

3106 3108 31010 31012 31014 31016 31018Hz

frekvencija

10-3 10-1 10 103 105 107 109joules/mole

energija

Apsorpcija/emisija

Eo

h

apsorpcija

En

Eo

h

emisija

En

h

Elektronski energetski prijelaziApsorpcija energije EM zračenja ultraljubičastog i vidljivog

područja je 100 – 800 nm.Pobuđivanje elektrona u σ , π i n-orbitalama je iz osnovnog u više energetsko

stanje.Viša energetska stanja su molekulske orbitale koje nazivamo ANTIVEZNE.

Molekulske orbitaleMolekulske orbitale

Približavanjem atoma formiraju se molekule;vanjske vezne

atomske orbitale preklapaju se i formiraju molekulske orbitale.Valentni elektroni zauzimaju te molekulske orbitale

tj. Paulijev princip i Hundovo pravilo.

1s

b

1s

a

1s

E1s

*

Vezanjem dviju atomskih orbitala nastaju dvije rezultantne orbitale.

Antivezna orbitala više energije

Vezna orbitala niže energije

Vezivanjem p orbitala nastaju σ orbitale ili π porbitale.

Antivezna orbitala više energije

Vezna orbitala niže energije

Prijelazi između elektronskih energetskih razina.Neke molekule su kvantizirane.Pobuđuju se elektroni hemijskih veza (valentni elektroni).

KromoforiKromofori

Kromofori su funkcionalne skupine koje apsorbiraju UV/VIS zračenje.

1. Zasićene molekule:σ veze apsorbiraju u vakuumskom UV σ*← σ

npr.: H3C-CH3 λmax=135 nm2. Male molekule s dvostrukom ili trostrukom vezom

apsorbiraju u vakuumskom i bliskom UV π*← π npr.: C=C λmax=180 nm C=C λmax=190 nm

3. Spojevi s heteroatomima s neveznim orbitalama (O,N,S itd.) λmax=180-200 nm σ*←n

ΒΒ-karoten-karoten

22 p orbitale na C – atomima formiraju 22 delokalizirane π orbitale π orbitale su sličnih energija.Iznos E = hv je relativno mali,nalazi se u vidljivom području spektra

Karoten

nnEn

ergy

En

ergy

nn

nn

11

En

ergy

En

ergy

konjugirani spojkonjugirani spoj

33

44

22

Ako je veći stupanj konjugacije manje su energetske razlike između orbitala.

UV UV aktivnostaktivnostPotrebni su kromoforiC=C, C=O, N=N, NO2, -> * i n -> * prijelazi· U području 200-800 nm apsorbiraju:· Alifatski lanci, alkoholi, eteri, nekonjugirani

spojevi

Predmetni nastavnik: Prof.dr.Božo Banjanin

Predmet:Identifikacija organskih komponenti Tema:Infracrvena spektroskopija

Literatura:

1.Banjanin B. (1998.): „Organska hemija teorija i riješeni problemi“, Univerzitet u Sarajevu, Farmaceutski fakultet, Sarajevo

2.http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_spectroscopy

3.http://www.wooster.edu/chemistry/is/brubaker/ir/default.html

48

INFRACRVENA INFRACRVENA SPEKTROSKOPIJASPEKTROSKOPIJA Infracrvena (IR) spektroskopija je

jedna od najčešćih spektroskopskih tehnika i jedna od osnovnih instrumentalnih analitičkih metoda za karakterizaciju, identifikaciju i određivanje hemijskih tvari.

Spektroskopija infracrvenog zračenja (IR spektroskopija) koristi infracrveno zračenje kao medij proučavanja.

Kao takva vrlo je rasprostranjena i ima široku primjenu u temeljnom istraživanju i cijelom nizu industija te u različitim kontrolnim laboratorijima.

49

Da bi se infracrvena spektroskopija uspješno primjenila u rješavanju različitih problema koji

uključuju karakterizaciju, identifikaciju i kvantitativno određivanje određene hemijske

tvari, nužno je poznavati fizikalne osnove same tehnike,načine interpretacije

infracrvenih spektara i osnove funkcioniranja infracrvenih spektrometara.

Metoda se zasniva na gađanju supstance infracrvenom radijacijom i mjerenju

apsorbovane radijacije.

50

Ova metoda je naročito pogodna za organska jedinjenja. Spektrogram koji se

dobije je prilično složen i sastoji se od niza ispupčenja - "vrhova" - na talasnim dužinama na kojima je apsorbovano

zračenje.

Tako različite veze (funkcionalne grupe) uzrokuju "vrhove" na različitim talasnim

dužinama.

51

Kao praktičan primjer uzećemo sljedeća tri jedinjenja - acetanhidrid, sirćetnu kiselinu i

etil-alkohol. Da bi počeli potrebno je znati talasne

dužine na kojima veze i funkcionalne grupe u ovim jedinjenjima apsorbuju svijetlost.

O-H (alkoholi, orgnaske kiseline) na 3600-3000 cm-1

C=O (organske kiseline) na 1725-1700

52

Strukture jedinjenja su:

53

A IR spektrogrami su:A IR spektrogrami su:

54

Rješenje spektraRješenje spektra

Na prvom spektru je etanska kiseline.

Na drugom je acetanhidrid.

Na trećem spektru je etanol.

Na drugom spektru nema apsorpcije u oblasti 3600-3000 cm-1 što znači da u tom molekulu nema OH grupe. Jedini molekul bez OH grupe od ponuđenih je acetanhidrid.

Prvi spektar pokazuje apsorpciju u oblastima 3600-3000 i 1725-1700, što znači da molekul ima i OH i karbonilnu grupu. Od ponuđenih molekula to je etanska kiselina.Treći spektar onda mora biti etanol što apsorpcija u oblasti 3600-3000 dokazuje.

55

Mnoge supstance apsorbuju svijetlost i emituju je. Mi to vidimo kao boju ukoliko supstanca apsorbuje i emituje svetllost iz

vidljivog dijela spektra. Neke supstance, ne apsorbuju tu svijetlost jer je

ona nedovoljno visoke energije ili previsoke energije (to zavisi od strukture jedinjenja).

Tako one apsorbuju svijetlost iz nevidljivog dijela spektra - ultraljubičastog (talasne

dužine manje od 400nm i velike energije) i infracrvenog (talasne dužine veće od 760nm)

ili čak neke druge oblike zarčenja.

Ako znamo koje zračenje neka supstanca emituje i apsorbuje može nam reći mnogo o

nekoj supstanci. Možemo saznati njenu strukturu, a kasnije spektroskopiju koristiti za

testiranje prisustva neke supstance. 56

Infracrveno zračenje emitiraju molekule zahvaljujući svojim vibracijama.

Apsorbiranjem infracrvenog zračenja molekulske vibracije se pobuđuju, pa molekule počinju jače

vibrirati. Zbog toga se infracrvena spektroskopija, zajedno s ramanovom spektroskopijom zove

vibracijska spektroskopija.

Slobodni atomi ne emitiraju infracrveno zračenje. Svaka molekula ima karakteristične vibracije, koje

ovise o čvrstoćama veza i masama dijelova molekula koje vibriraju.

57

Ta činjenica daje infracrvenoj spektroskopiji velike analitičke mogućnosti jer je moguće odrediti od kojih se funkcionalnih skupina

molekula sastoji.

Kako svaka molekula ima različiti infracrveni spektar, infracrvena spektroskopija se koristi pri

identifikaciji tvari. Kako je toplinska energija molekula veća od

energije vibracija, infracrveno zračenje emitiraju objekti zahvaljujći svojoj toplinskoj energiji. Valna

duljina emitiranog zračenja ovisi o temperaturi prema zakonu crnog tijela.

58

Optički elementiOptički elementi

Optički elementi se obično rade od kristala natrijevog klorida, kalijevog klorida i sličnih soli, a najčešće

kalijevog bromida.

litijev fluorid je proziran u najvećem dijelu spektra. Ovi materijali lako reagiraju s vlagom iz zraka, pa brzo postaju zamućeni, pa ih je potrebno polirati prije

upotrebe.

Tekući uzorci se koriste između dviju pločica kalijevog bromida ili neke druge soli, u obliku tankog filma. Kruti

uzorci se samelju u prah i pomiješaju s prahom kalijevog bromida.

59

Dobivena smjesa se spreša u pastilu, koja se stavlja u spektrofotometar.

Prah krutih uzoraka se može pomiješati i s organskom tekućinom i koristiti kao i tekući

uzorak, ali tada se, prilikom analize spektara, treba paziti na dijelove spektra koje je

uzrokovala organska tekućina.

Vodene otopine se nikad ne koriste jer voda apsorbira infracrveno zračenje, a materijali od kojih su napravljeni optički elementi su jako

topljivi u vodi.60

Monohromator

Monokromator je najčešće optička rešetka, kao i kod spektroskopije vidljivog zračenja. Prizme se rijetko koriste jer moraju biti napravljene od kristala neke soli.

Detektor Detektor je termoosjetljivi otpornik, termistor. U

specijalnim slučajevima se koristi bolometar: metalni balon ispunjen plinom. Promjena temperature, uzrokovana infracrvenim zračenjem se detektira promjenom volumena plina u balonu.

61

TEHNIKE SNIMANJATEHNIKE SNIMANJA Infracrvena spektroskopija se zasniva na

merenju apsorpcije infracrvenog zračenja od strane uzorka. Infracrveno zračenje

pobuđjuje vibracije u molekulima.

Vibracije atoma u molekulima (slika 1) mogu biti istežuće (valentne) kada se

dešavaju u pravcu hemijske veze tj,. ako se veze produžavaju i skraćuju ili mogu

biti savijajuće (deformacione) kada dolazi do promene ugla veze.

Savijajuće vibracije mogu biti makazaste, mašuće, uvijajuće, ljujajuće.

62

63

Istežuće vibracije mogu biti simetrične ili asimetrične. Simetrične kada se obe veze jednog

atoma u isto vreme produžavaju ili skraćuju . Asimetrične kada se jedna veza skraćuje a druga

produžava.

Kod asimetričnih vibracija dolazi do promene dipolnog momenta molekula. Ovaj vibracioni dipolni momenat

proizvodi električno polje koje je u stanju da apsorbuje kvantne jedinice energije karakteristične

za dati molekul i za vrstu veze između atoma.

Ovo je osnovni uslov za dobijanje infracrvenog spektra a za same vibracije (asimetrične), koje su inače

karakteristika heteronuklearnih molekula, kaže se da su aktivne u infracrvenoj oblasti. 64

Kod simetričnih heteronuklearnih molekula

imamo simetrične i asimetrične istežuće vibracije kao npr. kod molekula ugljen dioksida

(sl. 2).

Simetrične vibracije neće biti vidljive u IC oblasti (vibracija na 1340 cm-1), dok će vibracija na

2350 cm-1 biti vidljiva.

Traka koja nastaje usled simetričnih vibracija može se uočiti ramanskom spektroskopijom.

65

66

Slika 2. Vrste istezanja u molekulu ugljendioksida i talasne dužine na kojima se te vibracije pojavljuju u IC i ramanskim spektrima.

Vibracione frekvencije su karakteristične za svaku određenu funkcionalnu grupu npr. za

karbonilne grupe većina traka se pojavljuje na 1650-1750 cm-1, većina traka za ugljenik-

vodonik veze se pojavljuje blizu 3000 cm-1.

Ove karakteristične vibracije se zovu grupne frekvencije i koriste se za identifikaciju materijala i za određivanje strukture

nepoznatog čistog jedinjenja.

Kada su molekuli uzorka izloženi kontinuiranom infracrvenom zračenju u spektrometru, fotoni kvantirane energije koje molekul apsorbuje

jednostavno ne stižu do detektora 67

Na IC spektru se tada registruju nedostajući fotoni, ili apsorpcija, kao serija dobro

definisanih, karakterističnih apsorpcionih traka.

Fotoni koji nisu apsorbovani od strane uzorka su jednostavno transmitovani nepromenjeni i

registrovani od strane detektora.

Linearna zavisnost između apsorpcije i koncentracije supstance koja apsorbuje data je

Lambert-Beer-ovim zakonom:

A = a - b - c

68

Gdje A = apsorpcija; a je apsorpcioni koeficijent koji je u zavisnosti od talasne dužine ; b je dužina puta; c je koncentracija supstance .

Transmitovana (propuštena) svijetlost koja se zapravo detektuje na instrumentu se može

definisati kao :

T = I/I0 T je transmitovana svijetlost; I je intenzitet

nakon prolaženja kroz uzorak i I0 je upadni intenzitet svijetlosti.

Odnos između apsorpcije (A) i transmisije (T) je: A = - log T

69

Pošto su energetski prelazi kvantirani, tj. dešavaju se između strogo definisanih energetskih nivoa u

spektrima se pojavljuju trake na tačno određenim i za pojedine supstance karakterističnim vrednostima

talasnih dužina odnosno frekvencija. Infracrveni spektar se rasprostire u rasponu talasnih

dužina od 700 do 5000 nm i frekvencija od 14 000 do 20 cm-1. Zbog primene i instrumentalnih razloga

zgodno je podeliti ga na :

Talasne dužine Frekvencije

Blisku IC oblast700 - 2 500 nm 14 000 -

4000 cm-1

Srednju IC oblast2 500 - 20 000 nm 4 000 -

500 cm-1

Daleku IC oblast20 000 - 500 000 nm 500 -

20 cm-1

70

Bliska IC oblast se nastavlja na UV i vidljivu oblast i zbog toga što je dostupna sa kvarcnom

optikom često je u kombinaciji sa UV-VIS spektrometrima (UV-VIS-NIR-spektrometri).

Pošto sva organska jedinjenja apsorbuju svetlost u ovoj oblasti dolazi do puno preklapanja

između pojedinih traka. Zbog toga je skoro nemoguće koristiti ovu metodu u kvalitativne

svrhe. Ona se koristi za kvantitativna merenja i za in situ praćenje reakcija.

71

Srednja IC oblast može se dalje podeliti u

podoblasti od 2500 - 8 000 nm tj. frekvencije 4000 - 1300 cm-1 i oblast otiska prsta 1300 - 500

cm-1 (8 000 - 20 000 nm).

U ovoj oblasti će se naći većina karakterističnih traka za pojedine molekule tj. funkcionalne grupe te se za karakterizaciju jedinjenja snimanja vrše

u ovoj oblasti.

Daleka IC oblast se koristi kod identifikacije kristalnih struktura.

72

NaNaččela IR-spektroskopijeela IR-spektroskopije Slično UV-spektroskopiji (gdje se apsorbira UV-

zračenje) ovdje se upija toplinsko zračenje. - Izvor zracenja: Nernstov štapic - Detektor: termočlanak

Priprema uzorka: (a) KBr-pločice (b) ćelije s otopinom (c) namaz (NaCl)

NE staklo (djelomično apsorbira IR-zračenje) IR-spektar: graf l ( n ) prema apsorbanciji (tj. lmax

apsorbiranog IR-zračenja)

73

Značenje IR-spektroskopije

(a) funkcijske skupine

(b) identificira spoj usporedbom (katalozi)

(c) nemoguća analiza cijelog spektra (nadopuna NMR, UV,X-analiza itd.)

74

Vibracije jednostavne molekule Harmonijski oscilator − lopte povezane

oprugama u stalnom titranju (vibraciji)

- analogno promjene veza molekula:

(a) istezanje veza, n (stretching vibrations)

(b) deformacija kuteva (svijanje veza), d (bending vibrations)

75

Način vibracije ovisi o vrsti veze i okoliniNačin vibracije ovisi o vrsti veze i okolini

Istezanje veza

76

RAVNINSKA:

77

Deformacija kuteva

NERAVNINSKA:

Apsorpcija IR-zraApsorpcija IR-zraččenjaenja Pojedina skupina (veza) apsorbira (kvantizirano) zračenje one frekvencije koja odgovara frekvenciji

njezine vibracije. Frekvencija i njezine vibracije – vibracija koja mijenja

električni dipol molekule.

Ritmička promjena dipola (odn. raspodjele naboja) promjenljivo električno polje + oscilirajuće električno polje zracenja apsorpcija (tj. pojačanje molekulskih

vibracija).

Homonuklearne dvoatomne molekule: nemaju niti trajnog ni promjenljivog dipola neaktivne u IR (H2, N2,

O2).

Poliatomne molekule – mnogo načina vibracija, npr. voda ima 3 vibracijske mogućnosti, a u CH2-skupini (u

sklopu veće molekule) postoji istezanje veza i deformacija kuteva. 78

IR-spektri Područja IR-signala

79

Oblik IR-spektra

80

(stariji uređaji imaju linearnu, a noviji logaritamsku skalu)

IR-spektrometri

Podjela:(1) Disperzijski s optičkom rešetkom (kvalitativna analiza)

(2) FT-IR-uređaji (kvali- i kvantitativna analiza)(3) Nedisperzijski fotometri (kvantitativna analiza atmosfere)

(4) Refleksijski uređaji (analiza krutina u poljoprivredi i industriji)

FT-IR-spektrofotometar (Fourier Transform IR Spectrometer)

Brži razvoj zadnjih godina (zbog brzine, visoke rezolucije,osjetljivosti, tačnosti)

Prvi instrumenti glomazni i skupi s ograničenom primjenom.

Danas: srednje kvalitetni modeli istisnuli su disperzijske uređaje iz laboratorijske upotrebe.

Načelo: cijeli IR-spektar razdijeli se na 2 snopa čijim relativnim promjenama nastupa interferencija; dobiveni podaci procesiraju se Fourierovim transformacijama.

81

Shema FT-IR spektrofotometraShema FT-IR spektrofotometra

82

Prednosti FT-IR-tehnike:

(1) Kratkoća postupka (2) Visoka rezolucija (3) Odlični spektri (4) Mala količina uzorka (5) Kompjutor pohranjuje spektre čistih

uzoraka i otapala (analiza smjesa).

83

Infracrveni spektar Infracrveni spektar

84Infracrveni spektar ispitivane supstance

Infracrveni spektar pokazuje snažne vibracije u apsorpcionom području od 800 do

1600cm-1. Ovo apsorpciono područje odgovara derivatima benzena.

Primjećuju se četiri apsorpcione trake na 1450, 1500, 1580 1600 cm-1 i pripadaju C – C

skeletnim vibracijama u ravni.

Na 1200 cm-1 IC spektar pokazuje pik koji odgovara fenolima, dok na 3300 cm-1

pokazuje snažnu liniju koja odgovara OH grupi. Također je jaka apsorpcija u području dvostrukih veza C = C na 1630 cm-1.

85

Nuklearna magnetna Nuklearna magnetna rezonancarezonanca

Prof.dr. Božo BanjaninProf.dr. Božo Banjanin

LiteraturaLiteratura Banjanin B. (1998.): „Organska

hemija teorija i riješeni problemi“, Univerzitet u Sarajevu, Farmaceutski fakultet, Sarajevo

http: webbook. nist. gov / chemistry

www.riodbo1.ibase.aist go .jp/sdbs/cgi

Svaka spektrometrijska metoda mjeri određene energetske

promjene do kojih dolazi kada se uzorak podvrgne zračenju,

a najviše se primjenjuju sljedeće metode:

Spektroskopija masa - molekule se bombardiraju elektronima srednje energije i određuj se distribucija

(rasprostranjenost , intenzitet) masa rezultirajućih nabijenih fragmenata

Infracrvena spektroskopija - spektri nastaju usljed prelaza molekule

iz stanja s nižom vibracijskom i rotacijskom energijom u stanje s višom

vibracijskom i rotacijskom energijom

Ultraljubičasta i vidljiva spektroskopija - spektri nastaju usljed prelaza elektrona

iz nižeg u više energetsko stanje, koji je praćen vibracijskim i

rotacijskim promjenama

Spektroskopija nuklearne magnetske rezonancije - spektri nastaju usljed promjene orjentacije spina atomskih jezgri u magnetskom polju

Svi spektri pripadaju različitim područjima valnih duljinajedinstvenog spektra elektromagnetnog zračenja koji je prikazan na Slici 1.

Slika 1. : Spektar elektromagnetnog zračenja

Spektroskopija nuklearne Spektroskopija nuklearne magnetne rezonancije (NMR) magnetne rezonancije (NMR) NMR spektroskopija je u hemiju

uvedena 1950.godine. Međutim, danas je ova metoda jedna od najviše korištenih spektroskopskih metoda u strukturnoj analizi organskih spojeva. Spektri NMR su veoma skupi, rukovanje ovim aparatima je relativno komplikovano. Na Slici 6. je prikazan shema NMR spektrometra.

Slika 2. : Shema NMR spektrometra

Nuklearno magnetno rezonantna spektroskopija (NMR) je svestrana spektroskopska disciplina koja može da registruje signale atoma iz različitih položaja u molekulu i pri tome da svaki signal dovede u vezu sa nekom od poznatih spinskih interakcija, glavnim izvorima podataka o molekulskoj strukturi i dinamici.

Pozitivno naelektrisano jezgro hidrogena, odnosno proton, ponaša se kao magnet u magnetnom polju. Ako se proton stavi u neko vanjsko magnetno polje , njegov magnetni moment orjentiše se na jedan od dva moguća načina, u paralelni ili antiparalelni smijer s vanjskim magnetnim poljem (Slika 3.).

Slika 3. : Ponašanje protona u magnetnom polju i izvan polja

Da bi proton zauzeo antiparalelnu orjentaciju prema vanjskom magnetnom polju, nužno je da apsorbuje energiju. To se može postići ako se proton podvrgne djelovanju elektromagnetnog zračenja. U trenutku kada je energija koja je nužna za promjenu orjentacije izjednačena sa energijom zračenja, dolazi do apsorpcije i slanja NMR signala kao posljedice promjene orjentacije (Slika 4.).

Slika 4. : Apsorpcija i slanje NMR signala

Energija koja je nužna za promjenu orjentacije protona u vanjskom magnetnom polju odgovara energiji radio talasa. Znatno je niža od energije ultra-violetnog vidljivog i IC spektra.

U suštini, protonski spektri se dobivaju tako da se uzorak stavi u vanjsko magnetno polje , kojem se mijenja jačina, pri čemu se frekvencija zadržava konstantnom.

Kada dođe do apsorpcije energije nužne za promjenu orjentacije, javlja se signal koji bilježi elektronski uređaj. Intenzitet te apsorpcije se automacki nanosi na grafikon u funkciji rastuće jačine magnetnog polja. Različite vrste protona apsorbuju na različitim jačinama polja i na taj način se vrši njihova indentifikacija.

Slika 5. : Nastajanje NMR spektra

Spektrometrija nuklearne magnetske rezonancije metoda je koja se temelji na posrednom praćenju promjena energetskih stanja rotirajućih jezgara nekih atoma u magnetskom polju . Spektri NMR koriste se u istraživanju strukture molekula, jer dobiveni signal ne zavisi samo o vrsti atoma, već i o ostatku molekule .

Za identifikaciju organskih spojeva najčešće se koriste 1H i 13C spektri, jer su vodik i ugljik sastavni dijelovi gotovo svih organskih molekula. Za ispitivanja su pogodni i svi ostali atomi čije jezgre imaju spinski kvantni broj I različit od 0. To su sve one jezgre čiji su atomski ili maseni brojevi (ili oba) neparni , npr. 1H , 2H , 13C , 14N , 15N , 19F , 31P , ali ne 12C i 18O .

Vanjsko magnetsko polje (elektromagnetsko zračenje) djeluje na takve jezgre tako da je sada njihov spin paralelan ili antiparalelan sa smjerom polja . Ako je spin paralelan sa poljem, jezgra može apsorbirati radioval i promijeniti spin. Tada je jezgra na višem energetskom nivou. Iako je za cijeli uzorak generirano jedno vanjsko magnetsko polje, ono nije jednake jakosti za sve jezgre ispitivanog elementa u molekuli.

Razlog tome je nehomogeno lokalno magnetsko polje (polje same molekule) i njegova interakcija s vanjskim poljem. Tako u molekuli postoje više i manje zasjenjene jezgre istog elementa. Pobuđene jezgre stvaraju inducirano magnetsko polje jednake jakosti kao i polje koje je indukciju izazvalo. Budući da rezonantna frekvencija zavisi od jakosti polja, ona će također biti različita za nejednako zasjenjene jezgre.

Spektar nuklearne magnetne Spektar nuklearne magnetne rezonancije rezonancije

Slika 6. : NMR spektar ispitivane supstance

NMR spektar pokazuje signale na δ = 7. 55, 7. 2, 6. 75 ppm sa relativnim intenzitetima 6:3, 4:0,53. Uočljivo je dakle da su na NMR spektru tri različite grupe.

Hemijski pomak od 6, 75-6 ppm pokazuje pet protona koji odgovaraju ciklopentadien jonu. Na hemijskom pomaku od 7, 2 do 3, 4 ppm primjećuju se tri protona. Na tim protonima su prisutne C = C veze, a na 7, 55 ppm primjećuje se jedan proton.

Jak pik ovog jona ukazuje na prisustvo aromatskog prstena, u koje su C atomi naizmjenično vezani dvostrukim vezama.

Jak hemijski pimak na 6. 0 ppm ukazuje na prisustvo OH grupe.

Porijeklo spektraPorijeklo spektraJezgro sa neparnim brojem protona ili

neutrona ima stalni magnetski moment i umnoženi nuklearni obrtni stadij.Npr.H u molekuli ima dva energetski jednaka obrtna stanja koja su dodjeljena količinskom broju. Kada se neko jedinjenje nalazi u magnetnom polju hidrogeni ispravljaju njihovo vlastito polje sa ili protiv magnetsnog polja ,dajući povećanje dvoma razliucitim energetskim stanjima .

U višim energetskim stanjima polja su postavljena jedno protiv drugog ; u nizim stanjima su dodjeljena jedno drugom .Razlika u neregiji izmedju dva stanja odgovara frekvenciji radio talasa.Iz ovog razloga radio frekvencija talasa “baca”jezgro H iz nižih u viša energetska stanja.Zahtjevana frekvencija je direktno proporcionala magnetnom, polju.

NMR spektroskopija je korisna zato sto svi hidrogeni nemjenjaju obtr u istom primjenjenom magnetnom polju i zavisi od mjesta vezanja hidrogena.Magnetno polje “pobuđeno” nemora biti ono koje je uspostavljeno magnetom zato sto elektroni u vezi sa hidrogenom i elektroni u blizini pi veza indukuju svoja vlastita magnetna polja.Ovo indukovano polje može se suprostaviti primjenjenom polju .Polje oko hidrogena je onda rezultat primjenjenih i indukovanih polja.