ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ

Transcript

1 Αθ. ΒΑΛΑΒΑΝΙΔΗΣ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Εκδόσεις Σύγχρονα Θέματα μη Κερδοσκοπική Εκδοτική Εταιρεία

2 ΑΘ. ΒΑΛΑΒΑΝΙΔΗΣ, ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗΝ ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΔΕΥΤΕΡΗ ΕΚΔΟΣΗ ΒΕΛΤΙΩΜΕΝΗ ΚΑΙ ΕΠΑΥΞΗΜΕΝΗ (A. VALAVANIDIS: FUNDAMENTAL PRINCIPLES OF MOLECULAR SPECTROSCOPY AND APPLICATIONS IN ORGANIC CHEMISTRY) Copyright 2008, Αθ. Βαλαβανίδης ( Τηλ ) Επιμέλεια Ηλεκτρονική σελιδοποίηση - Εξώφυλλο: Θωμαΐς Βλαχογιάννη Εκδοτικός οίκος και Κεντρική διάθεση ΣΥΓΧΡΟΝΑ ΘΕΜΑΤΑ, Μη κερδοσκοπική εκδοτική εταιρεία Έδρα: Εσπέρου 32, Παλαιό Φάληρο, Γραφείο Αθηνών: Βαλαωρίτου 12, Αθήνα Τηλ synchronathemata@yahoo.gr Α.Φ.Μ (ΔΟΥ Παλαιού Φαλήρου) Υπεύθυνος : Γιώργος Γουλάκος ISBN: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση και γενικά η αναπαραγωγή εν όλω ή εν μέρει του παρόντος έργου με οποιοδήποτε μέσο ή τρόπο, σύμφωνα με το Ν. 2121/1993, χωρίς τη γραπτή άδεια του συγγραφέα.

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΥΛΗ ΚΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ 1.1. Κβαντική Θεωρία και Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Κβαντική Θεωρία και Ενέργεια 1.3. Το Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο 1.4. Χρώματα και Αλληλεπίδραση Φωτός με την Ύλη 1.5. Η Δομή των Ατόμων και η Ερμηνεία των Φασμάτων 1.6. Η Κυματική Φύση των Σωματιδίων της Ύλης 1.7. Η Αρχή της Αβεβαιότητας και η Κυματική Φύση των Ηλεκτρονίων 1.8. Η Μαθηματική Έκφραση της Δυαδικής Φύσης της Ύλης και της Ενέργειας. Η εξίσωση Schrödinger 1.9. Βιβλιογραφία: Εισαγωγή στην Κβαντική Χημεία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΗΣ, ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΠΛΕΥΡΕΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ 2.1. Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία 2.2. Περιοχές του Ηλεκτρομαγνητικού Φάσματος και Ενεργειακές Μεταβολές των Μορίων 2.3. Πρακτικές πλευρές της Φασματοσκοπίας 2.4. Διεύρυνση (broadening) των σημάτων στη Φασματοσκοπία 2.5. Παράγοντες που επιδρούν στην ένταση των φασματικών γραμμών 2.6. Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ 3.1. Δονήσεις και ενεργειακές καταστάσεις στο διατομικό μόριο 3.2. Εξισώσεις της ενέργειας δόνησης για τον απλό αρμονικό ταλαντωτή 3.3. Η κίνηση στον μη αρμονικό ταλαντωτή 3.4. Το περιστρεφόμενο διατομικό μόριο 3.5. Το διατομικό περιστρεφόμενο και δονούμενο μόριο 3.6. Δονήσεις πολυατομικών μορίων 3.7. Συχνότητες υπερτόνου και συνδυασμού στα φάσματα απλών και πολυατομικών μορίων 3.8. Επίδραση της περιστροφής στο φάσμα πολυατομικών μορίων 3.9. Επίδραση του πυρηνικού spin στις φασματικές γραμμές στην περιοχή υπερύθρου Ανάλυση φασμάτων πολυατομικών μορίων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ 4.1. Φασματοφωτόμετρα υπέρυθρης φασματοσκοπίας 4.2. Το σύστημα της διπλής δέσμης φωτός στα φασματοφωτόμετρα 4.3. Συνθήκες για τη σάρωση και καταγραφή φασμάτων IR

4 4.3.1.Παρασκευή δειγμάτων για φάσματα IR 4.4. Ποσοτική ανάλυση με υπέρυθρη φασματοσκοπία 4.5. Φασματοσκοπία υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier 4.6. Ερμηνεία φασμάτων υπέρυθρης φασματοσκοπίας 4.7. Φάσματα υπέρυθρης φασματοσκοπίας ορισμένων ομάδων οργανικών ενώσεων Αλκάνια Αλκένια Αλκίνια Αρωματικοί υδρογονάνθρακες Ενώσεις με καρβονυλική ομάδα Αιθέρες Αλκοόλες (ROH) και φαινόλες (C 6 H 5 OH) Αμίνες, αμίδια, νιτρίλια οξέων και αρωματικά αμινοξέα (RNH 2, CΟNH 2, C N, ΦNH 2 ) Αμινοξέα και άλατά τους Παραδείγματα φασμάτων υπέρυθρης φασματοσκοπίας (ΙR) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ 5.1. Χαρακτηριστικές απορροφήσεις διαφόρων ομάδων οργανικών ενώσεων στην περιοχή της υπέρυθρης φασματοσκοπίας 5.2. Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ 6.1. Βασική Θεωρία του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Κβαντικά ενεργειακά επίπεδα (στάθμες) spin Κατανομή κβαντικών ενεργειακών πυρηνικών επιπέδων (στάθμες) Αποκατάσταση ισορροπίας ενεργειακών καταστάσεων. Spin-πλέγμα και spin-spin χρόνοι αποκατάστασης Κλασική Περιγραφή του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Κβαντική Περιγραφή του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Φασματόμετρα και Πειραματική Διαδικασία στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Πειραματική διαδικασία Διαλύτες για φασματοσκοπία NMR Πυρήνες που μπορούν να μελετηθούν με NMR Χημική Μετατόπιση στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Διαμαγνητική και παραμαγνητική μετατόπιση Κλίμακες για τη μέτρηση της χημικής μετατόπισης Ουσίες αναφοράς Χημική μετατόπιση πρωτονίων ( 1 H) Spin - Spin Σύζευξη στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Μηχανισμός spin spin σύζευξης και τα είδη των spin spin συζεύξεων Είδη συζεύξεων για υδρογόνα Σταθερές σύζευξης υδρογόνου-άνθρακα και άνθρακα-άνθρακα Βιβλιογραφία. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 7.1.Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Άλλων Πυρήνων 7.2. Παραμαγνητικές Ιδιότητες Μετάλλων και Χημική Μετατόπιση 7.3. Επίδραση των Ισοτόπων στις Χημικές Μετατοπίσεις 7.4. Μετατοπίζοντα Αντιδραστήρια 7.5. Επίδραση του Διαλύτη και των Δεσμών Υδρογόνου στις Παραμέτρους των Φασμάτων NMR Δεσμοί υδρογόνου Ποσοτική Ανάλυση με Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό Ανάλυση Στερεών Ουσιών με NMR 7.8. Εφαρμογές του 31 P και 13 C NMR στη Μελέτη Βιοπολυμερών και Βιοχημικών Διεργασιών 7.9. Εφαρμογές του NMR στην Ιατρική και Βιολογία Ζωντανών Οργανισμών Βιβλιογραφία για εφαρμογές Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) στην Ιατρική και την Βιολογία Δυναμικό NMR. Μελέτη Κινητικών Αντιδράσεων στη Χημεία Θεωρία για τη μελέτη κινητικών διεργασιών με NMR Βιβλιογραφία για Δυναμικό NMR (DNMR) ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΓΔΟΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΑΛΜΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER 8.1. Η Παλμική Τεχνική Μετασχηματισμού Fourier στο NMR Περιστρεφόμενο πλαίσιο Το αποτέλεσμα εφαρμογής της παλμικής ραδιοσυχνότητας 8.2. Πυρηνική Αποκατάσταση (ή αποδιέγερση) μετά την Απόκλιση από την Ισορροπία 8.3. H Εφαρμογή του Παλμού Ραδιοσυχνότητας στον FT-NMR Σήματα FT-NMR σε σχέση με το χρόνο και τη συχνότητα των παλμών 8.4. Μετασχηματισμός Fourier (Fourier Transform) Μεθοδολογία Επεξεργασία των πληροφοριών με ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ) 8.5. Τεχνική Διπλού Συντονισμού στον FT-NMR Ετεροπυρηνική αποσύζευξη 8.6. Αύξηση Εντασης Φασματικών Γραμμών στα Πειράματα Διπλού Συντονισμού. Φαινόμενο Overhauser 8.7. Μηχανισμοί Aποκατάστασης 13 C και Mέθοδοι Mελέτης των Xρόνων Aποκατάστασης Μέθοδος μέτρησης του Τ Μέθοδος μέτρησης του Τ Βιβλιογραφία: Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός-FT ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΑΤΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ 1 Η ΚΑΙ 13 C NMR 9.1. Ονοματολογία Συστημάτων Spin

6 9.2. Ερμηνεία Φασμάτων 1 Η NMR Απλά φάσματα 1 Η NMR Σύνθετα φάσματα 1 Η NMR 9.3. Ανάλυση Φάσματος για Σύστημα ΑΒ, Δεύτερης Τάξης 9.4. Χαρακτηριστικά Φασμάτων 1 Η NMR των Κυριότερων Ομάδων Οργανικών Ενώσεων 9.5. Ανάλυση και Ερμηνεία Φασμάτων 13 C NMR 9.6. Χημικές Μετατοπίσεις σε Φάσματα 13 C NMR Οργανικών Ενώσεων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Λήψη φάσματος Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού δύο διαστάσεων (2D NMR) Τεχνικές και Φάσματα Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Τεχνική DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) Προγράμματα Η/Υ για την πρόβλεψη φασμάτων χημικών ενώσεων και προσομοίωση Βιβλιογραφία NMR Δύο Διαστάσεων ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΔΕΚΑΤΟ ΥΠΕΡΙΩΔΗΣ ΚΑΙ ΟΡΑΤΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ Ηλεκτρονική Δομή Διατομικών και Πολυατομικών μορίων Θεωρία Μοριακών Τροχιακών Ηλεκτρονική Φασματοσκοπία Πολυατομικών Μορίων Κατηγορίες Ηλεκτρονίων και Μεταβάσεις στα Διάφορα Ενεργειακά Επίπεδα Χρωμοφόρες Ομάδες στις Οργανικές Ενώσεις Επίδραση του Διαλύτη στο Μήκος Κύματος της Απορρόφησης Διαλύτες για Φασματοσκοπία UV-VIS Πρακτικές Πλευρές των Φασμάτων Υπεριώδους Φασματοσκοπίας Υπεριώδη και Ορατή Φασματοσκοπία στην Οργανική Χημεία Ενώσεις με διπλούς και τριπλούς δεσμούς Πολυένια (polyenes) Καρβονυλικές ενώσεις Οξέα, εστέρες, λακτόνες και λακτάμες Αρωματικές ενώσεις Ετεροκυκλικές ενώσεις Φασματοσκοπία UV και Mελέτες Kινητικής Xημικών Mεταβολών Βιβλιογραφία Φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού, θεωρία και εφαρμογές στην οργανική χημεία Συλλογές φασμάτων υπεριώδους-ορατού Μοριακή θεωρία τροχιακών, συμμετρία, δομή και φασματοσκοπία

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΩΔΕΚΑΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ Φασματογράφος Μαζών Καταγραφή και παρουσίαση του φάσματος μαζών Επεξεργασία Δείγματος και Τεχνική Φασμάτων Μαζών Προσδιορισμός Μοριακού Βάρους και Μοριακού Τύπου με Φασματογράφο Μαζών Διεργασίες Θραυσματοποίησης των Μορίων στον Φασματογράφο Μαζών Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αφθονία των Ιόντων-θραυσμάτων κατά τη Θραυσματοποίηση Διεργασία Θραυσμαυτοποίησης για τις Διάφορες Ομάδες Ενώσεων της Οργανικής Χημείας Κορεσμένοι άκυκλοι υδρογονάνθρακες (αλκάνια) Αλκένια και αλκίνια Αλδεΰδες και κετόνες Αρωματικές ενώσεις Καρβοξυλικά οξέα, εστέρες και αμίδια Αλκοόλες, φαινόλες και μερκαπτάνες (θειόλες) Αμίνες Αλογονωμένες οργανικές ενώσεις (αλκυλαλογονίδια, RX) Αμινοξέα Ερμηνεία Φασμάτων Μαζών. Παραδείγματα Φυσική Αφθονία Ισοτόπων Στοιχείων και η Σημασία τους στα Φάσματα Μαζών Συνδυασμός αερίου χρωματογράφου και φασματογράφου μαζών Μοριακά Ιόντα θραύσματα και οι Οργανικές Ενώσεις από τις Οποίες Προκύπτουν Βιβλιογραφία: Φασματομετρία Μαζών ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟΤΡΙΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΟΙΑ RAMAN Βασικές αρχές της Φασματοσκοπίας Raman Πιστοποίηση δομής μορίων με Raman και Υπέρυθρη Φασματοσκοπία Τεχνική Φασματοσκοπίας Raman Βιβλιογραφία: Φασματοσκοπία Raman ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟΤΕΤΑΡΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΠΑΡΑΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμός Ηλεκτρονικής Αυτοστροφορμής (Spin) Λεπτή και Υπέρλεπτη Υφή των Φασματικών Γραμμών στα Φάσματα ΗΠΣ Τεχνική Φασματοσκοπίας Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (EPR) Διεύρυνση των Φασματικών Γραμμών στη Φασματοσκοπία ΗΠΣ Ανάλυση Φασματικών Κορυφών στη Φασματοσκοπία ΗΠΣ Βιβλιογραφία: Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (EPR)

8

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ ΥΛΗ ΚΑΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ Παρά τις σημαντικές φιλοσοφικές προσεγγίσεις σε θέματα φυσικών φαινομένων από τους αρχαίους Έλληνες επιστήμονες, η σύγχρονη επιστημονική εποχή άρχισε το 16 ο αιώνα, όταν ο Κοπέρνικός υποστήριξε ότι η κίνηση των άστρων και των πλανητών μπορούσε να περιγραφεί με την παραδοχή ότι το κέντρο του ηλιακού συστήματος είναι ο Ήλιος και όχι η Γη, όπως πιστεύονταν μέχρι τότε. Τις ιδέες του Κοπέρνικου ανέπτυξαν οι Γαλιλαίος, o Κέπλερ και ο Νεύτωνας στο τέλος του 17 ου αιώνα. Ιδιαίτερες επιπτώσεις στην ερμηνεία των φυσικών φαινομένων είχαν οι νόμοι που ανέπτυξε ο Νεύτωνας, δηλαδή ο νόμος της κίνησης και ο νόμος της βαρύτητας. Ήταν η πρώτη φορά που οι νόμοι της φύσης εκφράσθηκαν με ποσοτική μορφή και με μαθηματικούς τύπους, εξηγώντας συγχρόνως τις κινήσεις της Σελήνης και των πλανητών, τα φαινόμενα των παλιρροιών και τις κινήσεις των κομητών. Ο J.C. Maxwell τον 19 ο αιώνα έδειξε ότι όλα όσα ήταν γνωστά σχετικά με τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό μπορούσαν να προκύψουν από τις γνωστές 4 εξισώσεις Maxwell, των οποίων οι λύσεις προέβλεπαν τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός. Η γενική πεποίθηση των επιστημόνων κατά το τέλος του 19 ου αιώνα ήταν ότι τα πάντα θα μπορούσαν να ερμηνευθούν με τους νόμους του Νεύτωνα και του Maxwell. Αν και πολλά φυσικά φαινόμενα δεν είχαν κατανοηθεί σε μεγάλο βαθμό, η άποψη που επικρατούσε ήταν ότι δεν υπάρχουν άλλοι θεμελιώδεις φυσικοί νόμοι και ότι το Σύμπαν διέπεται από ντετερμινιστικούς νόμους (αιτιοκρατία). Στις επόμενες όμως δεκαετίες επιτεύχθηκε μία από τις πλέον μεγάλες επιστημονικές επαναστάσεις στην επιστημονική σκέψη, με την κβαντική θεωρία, που προέκυψε από τη βαθύτερη έρευνα της ατομικής φυσικής. Οι δυσκολίες για την εξήγηση ορισμένων φυσικών φαινομένων του μικρόκοσμού έδωσαν τις πρώτες ενδείξεις για την ανάγκη ενός τρόπου θεώρησης και ερμηνείας. Αυτό φάνηκε σε μεγάλο βαθμό στη μελέτη των ιδιοτήτων του φωτός και ιδιαίτερα για την κατανόηση λεπτομερειών της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας του φωτός. Οι θεωρίες της κλασικής φυσικής (που χαρακτηρίζουν το σύνολο των θεωριών του Νεύτωνα και του Maxwell) δεν μπόρεσαν να ερμηνεύσουν το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειχναν ότι με φως ορισμένου μήκους κύματος, ο αριθμός των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται (από την επιφάνεια μετάλλου) αυξάνεται ανάλογα με την ένταση του φωτός, η ενέργεια όμως που αποκτά κάθε εκπεμπόμενο ηλεκτρόνιο (hv) παραμένει η ίδια. Ο Einstein ανέλυσε συστηματικά το φυσικό αυτό φαινόμενο και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ενέργεια μιας φωτεινής 1

10 δέσμης μεταφέρεται με τη μορφή εντοπισμένων πακέτων, που σήμερα είναι γνωστά ως «φωτόνια» ή «κβάντα φωτός». Η εξήγηση του Einstein επιβεβαιώθηκε με αρκετές έρευνες τα επόμενα χρόνια και οδήγησε στην κατανόηση της φύσης του φωτός. Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν δύο πρότυπα για να περιγράψουν την φύση του φωτός: όταν εκτελείται πείραμα συμβολής, το φως συμπεριφέρεται όπως τα διαδιδόμενα κύματα, ενώ όταν διερευνάται το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο το φως συμπεριφέρεται ως ρεύμα σωματιδίων. Το φως εκδηλώνει κυματικές και σωματιδιακές ιδιότητες. Ο δυϊσμός κύματος σωματιδίου ή κυματοσωματιδιακός δυϊσμός του φωτός αποτελεί γενική ιδιότητα της κβαντικής φυσικής. Οι ανακαλύψεις αυτές έφεραν επαναστατικές αλλαγές στη σκέψη των επιστημόνων για το μικρόκοσμο και τη φύση του φωτός. Οι εφαρμογές των θεωριών αυτών είχαν σημαντικές επιπτώσεις στις φασματοσκοπικές μεθόδους. Οι αντιλήψεις των φυσικών επιστημόνων για τη φύση της ύλης και του φωτός μεταβλήθηκαν ριζικά στη διάρκεια του 20 ου αιώνα. Η θεωρία της κβαντομηχανικής πέτυχε να λύσει το πρόβλημα για τη φυσική κατάσταση στον κόσμο των μικροσωματίων της ύλης και η Albert Einstein ( ) κυματομηχανική κατάφερε να εκφράσει με ακριβείς μαθηματικές εξισώσεις τη δυαδική κατάσταση της ύλης. Οι κλασικές επιστημονικές θεωρίες (Δημόκριτος και Dalton) δε μπόρεσαν από μόνες τους να εξηγήσουν μια σειρά από πειραματικά φαινόμενα, όπως την ακτινοβολία του μελανού σώματος, το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κ.λπ. Έγινε λοιπόν επιτακτική ανάγκη στις αρχές του 20 ου αιώνα η ανάπτυξη μιας ριζικά διαφορετικής αντίληψης για τα μικροσωμάτια της ύλης και της θεωρίας των πεδίων. Η κβαντική μηχανική ή κβαντομηχανική θεωρία (quantum mechanics) και η κυματομηχανική (wave mechanics) έλυσαν με μαθηματικές εξισώσεις μια σειρά από προβλήματα απλών σχετικά συστημάτων με επιτυχή σύνθεση των θεωριών των σωματιδίων και των πεδίων. Η επιτυχία αυτή οδήγησε σε μια νέα φιλοσοφική μέθοδο που καλείται συμπληρωματικότητα (complementarity). Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφούν συνοπτικά τα γενικά μόνο σημεία της θεωρίας της κβαντομηχανικής και ειδικά εκείνα που σχετίζονται με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και την αλληλεπίδρασή της με την ύλη. Επίσης θα περιοριστούμε στις μαθηματικές εξισώσεις της θεωρίας της 2

11 κυματομηχανικής που μας προσφέρουν μια εικόνα των φαινομένων που θα συναντήσουμε στις φασματοσκοπικές μεθόδους Κβαντική Θεωρία και Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Οι διάφορες μορφές ακτινοβολούμενης ενέργειας, όπως οι κοσμικές ακτίνες, το ορατό φως, το υπεριώδες φως, τα ραδιοκύματα, κ.λπ, είναι γνωστές με τη γενική ονομασία ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η επίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας πάνω στην ύλη έχει ως αποτέλεσμα την απορρόφηση ενέργειας στις διάφορες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η κλασική αντίληψη της συνεχούς εκπομπής ακτινοβολίας δεν μπόρεσε να εξηγήσει μια σειρά από φυσικά φαινόμενα. Το 1900 ο Max Planck στην προσπάθεια του να εξηγήσει την κατανομή της ακτινοβολίας του μελανού σώματος ανέπτυξε την επαναστατική, για την εποχή της, θεωρία της ασυνεχούς εκπομπής και απορρόφησης ακτινοβολίας. Όταν πέσει ακτινοβολία πάνω στην επιφάνεια ενός υλικού σώματος, ένα μέρος ανακλάται, ένα μέρος απορροφάται και ένα μέρος διαπερνά το υλικό σώμα. Το μελανό σώμα αντίθετα, υποτίθεται, απορροφά όλη την ακτινοβολία (υπάρχουν υλικά που πλησιάζουν σημαντικά αυτή την ιδιότητα). Επίσης το μελανό σώμα κατά τη θέρμανσή του ακτινοβολεί Max Planck ( ) όλη την απορροφούμενη ακτινοβολία προς το περιβάλλον με το οποίο βρίσκεται σε θερμική ισορροπία. Η συνολική ποσότητα ενέργειας που ακτινοβολείται από ένα μελανό σώμα, ανά μονάδα επιφανείας και χρόνου, δίνεται από το νόμο Stefan Boltzmann: Ε = σ Τ 4 (1.1) όπου Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία και σ μια παγκόσμια σταθερά. Η ενέργεια αυτή δεν εκπέμπεται σε μια μοναδική συχνότητα, ούτε είναι ομογενώς κατανεμημένη σε όλο το φάσμα της ακτινοβολίας, αλλά για κάθε θερμοκρασία υπάρχει ένα μήκος κύματος όπου η ακτινοβολούμενη ενέργεια είναι μέγιστη και το μέγιστο αυτό μετατίθεται σε χαμηλότερα μήκη κύματος αυξανομένης της θερμοκρασίας. Η αποτυχία άλλων επιστημόνων να βρουν μια ικανοποιητική εξήγηση και να την εκφράσουν με μαθηματική εξίσωση το φαινόμενο αυτό, οδήγησε 3

12 τον Planck στην απόρριψη της κλασικής θεωρίας της ακτινοβολίας και την αντικατάστασή της με τη ριζοσπαστική υπόθεση ότι, το μελανό σώμα ακτινοβολεί ενέργεια όχι συνεχώς, αλλά διακεκομμένα σε δέσμες ενέργειας (διακεκριμένες μονάδες) που ονόμασε κβάντα (quanta). Η υπόθεση αυτή εκφράζεται με την παρακάτω εξίσωση: Ε = h ν (1.2) όπου Ε είναι η ακτινοβολούμενη κβαντική ενέργεια, ν είναι η συχνότητα και h είναι η σταθερά Planck (παγκόσμια σταθερά), ίση με Χ10 27 erg s. Το κβάντο (μονάδα) της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας θεωρείται το φωτόνιο, ενώ το κβάντο της ενέργειας, σε ορισμένες περιπτώσεις, που συνδέεται με τις δυνάμεις μέσα στο άτομο, θεωρείται το σωματιδιακό μέσον. Η εξίσωση αυτή αποτελεί την πιο θεμελιώδη σχέση της κβαντικής θεωρίας για την ακτινοβολία. Η επιτυχία της θεωρίας του Planck οδήγησε τον Einstein (1905) στη γενίκευση της κβαντικής θεωρίας: κάθε είδος ακτινοβολούμενης ή απορροφούμενης ενέργειας από ένα υλικό σώμα πρέπει να απορροφάται ή να εκπέμπεται σε ποσότητες (κβάντα) των οποίων το μέγεθος εξαρτάται από τη συχνότητα, σύμφωνα με την εξίσωση Planck Ε = h ν, ή τα πολλαπλάσια αυτής, δηλαδή Ε = n h ν, όπου n ακέραιος αριθμός 1, 2, 3, 4, Επίσης ο Einstein πρότεινε ότι, η ακτινοβολία δεν εκπέμπεται ή απορροφάται σε κβάντα, αλλά και μεταδίδεται μέσα στο διάστημα σε μονάδες που τα κάλεσε φωτόνια. Το φωτόνιο θεωρείται ότι έχει μηδενική μάζα και ενέργεια Ε = h ν, παράγεται δε όταν ένα σωματίδιο που έχει ηλεκτρικό φορτίο αλλάζει την πορεία της ορμής του (momentum) μετά από σύγκρουση με ένα πυρήνα ή ηλεκτρόνιο, καθώς επίσης και κατά τη διάσπαση πυρήνων και υποατομικών σωματιδίων Κβαντική Θεωρία και Ενέργεια Η κβάντωση της ενέργειας, δηλαδή ότι ένα σύστημα μπορεί να έχει μόνο ορισμένες τιμές ενέργειας, είχε επαναστατικές συνέπειες στην ανάπτυξη καινούργιων θεωριών για τη φύση των χημικών ενώσεων. Ένα χημικό μόριο στο χώρο μπορεί να έχει διάφορες μορφές ενέργειας, όπως περιστροφική ενέργεια όταν κινείται γύρω από το κέντρο βαρύτητάς του, ενέργεια δόνησης λόγω της περιοδικής μετατόπισης των ατόμων από το κέντρο ισορροπίας, ηλεκτρονική ενέργεια λόγω της αέναης κίνησης των ηλεκτρονίων κ.λπ. Όταν λοιπόν ο χημικός μιλάει για αλλαγές στην ενέργεια ενός χημικού μορίου πρέπει να έχει υπόψη του ότι η ενέργεια αυτή είναι κβαντωμένη και αλλάζει με άλματα από το ένα επίπεδο ενέργειας στο άλλο. Στην περίπτωση που υπάρχουν μόνο δύο ενεργειακές καταστάσεις ενός συστήματος, Ε 1 και Ε 2, όπου 1 και 2 είναι στην ουσία οι κβαντικοί αριθμοί (quantum numbers) του μορίου, η μετάβαση από το ένα επίπεδο ενέργειας στο άλλο μπορεί να πραγματοποιηθεί όταν μια κατάλληλη ποσότητα 4

13 ενέργειας, ΔΕ= Ε 2 - Ε 1, απορροφάται ή εκπέμπεται από το σύστημα. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η ενέργεια αυτή μπορεί να πάρει τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και η συχνότητα της δίνεται από την εξίσωση: ν = ΔΕ/h (1.3) Όταν βομβαρδίζεται το σύστημα που βρίσκεται στη χαμηλή ενεργειακή κατάσταση 1 με ακτινοβολία συχνότητας ν (μονοχρωματική ακτινοβολία), τότε με απορρόφηση ενέργειας ΔΕ θα υπάρχει μετάβαση στην υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση 2. Το φαινόμενο της απορρόφησης ή εκπομπής ενέργειας μπορούμε να το παρακολουθήσουμε με τη βοήθεια ενός ανιχνευτή ακτινοβολίας. Στην περίπτωση της απορρόφησης ο ανιχνευτής σημειώνει τη μείωση της έντασης της ακτινοβολίας σε σχέση με την πηγή. Εάν χρησιμοποιηθεί ακτινοβολία με μεγάλη ποικιλία συχνοτήτων, τότε ο ανιχνευτής μετά την αλληλεπίδραση και την απορρόφησή της από το μόριο θα δείξει ότι έχει απορροφηθεί ενέργεια μόνο για τη συχνότητα ν = ΔΕ/h και τα πολλαπλάσια της, ενώ δεν θα παρουσιαστεί μείωση της έντασης των άλλων συχνοτήτων. Αυτό είναι στην ουσία ένα φάσμα απορρόφησης. Στο φαινόμενο της κβάντωσης της ενέργειας των συστημάτων (μορίων) στηρίζεται όλο το οικοδόμημα της φασματοφωτομετρίας για τις διάφορες περιοχές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας Το Φωτοηλεκτρικό Φαινόμενο Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ήταν ένα ακόμη σημαντικό φυσικό φαινόμενο που δεν μπόρεσαν να εξηγήσουν οι κλασικές θεωρίες. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι η εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια στερεών κατά την έκθεσή τους στο φως ορισμένων συχνοτήτων. Ο Lenard (1902) βρήκε ότι η ανώτατη τιμή της κινητικής ενέργειας των παραγόμενων ηλεκτρονίων (φωτοηλεκτρόνια) εξαρτάται από τη συχνότητα ν του φωτός που προσπίπτει στο στερεό σώμα και ότι κάτω από μια ορισμένη τιμή συχνοτήτων, ν ο, δεν παράγονται φωτοηλεκτρόνια (ανάλογα με τη χημική φύση του υλικού). Η μαθηματική ανάλυση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έγινε το 1905 από τον Einstein, με την επέκταση της θεωρίας του Planck, ότι δηλαδή η ακτινοβολία που εκπέμπεται από το μελανό σώμα είναι κβαντωμένη. Έτσι, το φως αποτελείται από κβάντα ενέργειας hν. Όταν πέφτει φως πάνω σε ένα στερεό σώμα, ένα μέρος της ενέργειας του χρησιμοποιείται για να εξουδετερώσει την ελκτική δύναμη που συγκρατεί τα ηλεκτρόνια μέσα στο στερεό και το υπόλοιπο μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια του εκπεμπόμενου ηλεκτρονίου. Η θεωρία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου έχει επιβεβαιωθεί με αρκετά πειραματικά δεδομένα και αποτελεί έναν τρόπο υπολογισμού της σταθεράς h της εξίσωσης του Planck. 5

14 hv A ΦΚ Σχήμα 1.1. Φωτοηλεκτρική στήλη και φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (ΦΚ: φωτοκάθοδος και Α: άνοδος) Χρώματα και Αλληλεπίδραση Φωτός με την Ύλη Μια πρώτη λογική εξήγηση του διαχωρισμού του ηλιακού φωτός (λευκό φως) στα διάφορα χρώματα του φάσματος προτάθηκε από τον Νεύτωνα (1663). Ο διαχωρισμός των χρωμάτων του ηλιακού φωτός έγινε με τη χρησιμοποίηση ενός γυάλινου πρίσματος. Αργότερα, άλλοι ερευνητές μελέτησαν την επίδραση του ιώδους τμήματος του φάσματος στα άλατα αργύρου, ενώ το 1800 ανακαλύφθηκαν οι υπέρυθρες ακτίνες (πέρα από το ερυθρό τμήμα του ορατού φάσματος του φωτός) από την αύξηση της θερμότητας που προκαλούσαν όταν έπεφταν πάνω σε φιαλίδιο υδραργύρου ενός θερμομέτρου. Η πιο σημαντική μελέτη του φάσματος του ηλιακού φωτός έγινε το 1814 από τον J. Fraunhofer που παρατήρησε ένα μεγάλο αριθμό ισχυρών και ασθενών κάθετων φασματικών γραμμών (με τη βοήθεια ενός γυάλινου πρίσματος και φακού). Οι γραμμές αυτές αποτέλεσαν τις πρώτες ακριβείς μετρήσεις για τη σκέδαση διαφόρων οπτικών γυαλιών και ένα από τα πρώτα πειράματα φασματοσκοπίας. Επίσης, ο ίδιος επιστήμονας ανακάλυψε και κατασκεύασε ένα φράγμα περίθλασης με το οποίο μπόρεσε να μετρήσει το ακριβές μήκος κύματος διαφόρων φασματικών γραμμών. Ωστόσο, η εξήγηση για την προέλευση των φασματικών γραμμών έγινε 35 χρόνια αργότερα κατά τη μελέτη των φασμάτων φλογών με τη προσθήκη διαφόρων αλάτων και των χαρακτηριστικών φασματικών γραμμών που παρατηρήθηκαν. Ο Foucault για παράδειγμα παρατήρησε ότι η φλόγα νατρίου (ΝαCl) όταν εκπέμπει μια D γραμμή στο φάσμα και απορροφά την ίδια γραμμή όταν παρεμβληθεί στο φως μιας λάμπας νατρίου. Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν τον Kirchhoff (1859) να συνοψίσει τους γενικούς κανόνες εκπομπής και απορρόφησης 6

15 φωτός από τις χημικές ουσίες στις διάφορες περιοχές του φάσματος του φωτός. Η ερμηνεία όμως των πειραματικών αποτελεσμάτων της φασματοσκοπίας καθυστέρησε αρκετά χρόνια, γιατί υπήρχε η αντίληψη ότι οι φασματικές γραμμές των διαφόρων στοιχείων παράγονταν συγχρόνως από κάθε άτομο που συμπεριφερόταν ως ταλαντωτής με ένα μεγάλο αριθμό περιόδων δόνησης. Στις αρχές όμως του 20 ου αιώνα άρχισαν να γίνονται γνωστές οι θεωρίες για τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα και συσσωρεύτηκαν αρκετά επιστημονικά δεδομένα που θα βοηθούσαν στην εξήγηση των φασματοσκοπικών φαινομένων. Έτσι το 1907 ο A. Convay πρότεινε ότι μόνο ένα άτομο (στοιχείο) μπορεί να παράγει μία και μοναδική φασματική γραμμή για μία χρονική στιγμή. Κατά την άποψη του, ένα ηλεκτρόνιο στο άτομο βρίσκεται σε ασταθή κατάσταση και προκαλεί δονήσεις μιας ορισμένης συχνότητας. Αργότερα, άλλοι επιστήμονες προώθησαν την ιδέα και καθώς το μοντέλο του Rutherford για τη δομή του ατόμου γινόταν όλο και πιο κατανοητό, η υπόθεση των κβαντικών αλμάτων μεταξύ δύο τροχιακών καταστάσεων φαινόταν όλο και πιο λογική. Η εφαρμογή της κβαντικής θεωρίας στα φάσματα απορρόφησης των μορίων των χημικών ενώσεων έγινε το 1912 από τον N. Bjerrum, που έδειξε ότι η απορρόφηση του φωτός (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) από τα μόρια οφείλεται στη λήψη συγκεκριμένων κβάντων ενέργειας που μετατρέπονται σε ενέργεια δόνησης και περιστροφής Η Δομή των Ατόμων και η Ερμηνεία των Φασμάτων Η ερμηνεία των φασμάτων λύθηκε με την επεξεργασία των θεωριών της κβαντομηχανικής και των πειραματικών δεδομένων για τη δομή των ατόμων (Thomson και Rutherford) από το Δανό φυσικό Niels Bohr. Για να φτάσει σε μια θεωρητική εξήγηση της συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα και των πειραματικών αποτελεσμάτων στα φάσματα αναγκάστηκε να αλλάξει ριζικά τις αρχές της κλασικής φυσικής. Σύμφωνα με την κλασική αντίληψη, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα ως επιταχυνόμενα φορτισμένα σωματίδια εκπέμποντας συνεχώς ακτινοβολία. Η απώλεια ακτινοβολίας σημαίνει απώλεια ενέργειας και συνεχή μείωση της ακτίνας της σπειροειδούς κίνησης μέχρι την τελική πτώση τους πάνω στο θετικά φορτισμένο πυρήνα. Η εφαρμογή της θεωρίας της κβαντομηχανικής μετέβαλε ριζικά την εικόνα αυτή του ατόμου. Με τη νέα θεωρία, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα μόνο σε επιτρεπόμενες τροχιές και η πτώση ή η άνοδος από τη μια τροχιά στην άλλη προκαλεί την εκπομπή ή την απορρόφηση ακτινοβολίας, που υπακούει στην εξίσωση (1.2) των Planck Einstein. Η εκπομπή ή η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τα ηλεκτρόνια παράγει τις φασματικές γραμμές. Επίσης, μόνο ένα ηλεκτρόνιο είναι υπεύθυνο για κάθε μια από τις φασματικές γραμμές. 7

16 Werner Heisenberg ( ) Niels Bohr ( ) Louis de Broglie ( ) Οι νόμοι της κβαντομηχανικής εφαρμόζονται με επιτυχία για την ερμηνεία των ποσοτικών αλμάτων των ηλεκτρονίων μεταξύ των διαφόρων τροχιών, που χαρακτηρίζονται από ασυνεχείς (discrete) τιμές στροφορμής (angular momentum) και της ενέργειας. Στην περίπτωση της στροφορμής χρησιμοποιήθηκε ο κανόνας του Ehrenfest, L = nh/2π, όπου n ένας ακέραιος αριθμός. Για να καθορίσει τις επιτρεπόμενες τροχιές των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα, ο Bohr χρησιμοποίησε την εξίσωση για τη στροφορμή του ηλεκτρονίου. Η στροφορμή ενός σωματιδίου με μάζα m, που περιστρέφεται με ταχύτητα υ σε ένα κύκλο με ακτίνα r δίνεται από την εξίσωση: L = mυr (για ηλεκτρόνιο), L = mυr = nh/2π (1.4) 8

17 Ο ακέραιος αριθμός n που δίνει την ξεχωριστή, ασυνεχή ποσότητα, στα διάφορα ηλεκτρόνια ονομάστηκε από τον Bohr κύριος κβαντικός αριθμός (principal quantum number) και χαρακτηρίζει τη θέση του ηλεκτρονίου στις τροχιές γύρω από τον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο διατηρείται στην τροχιά του γύρω από τον πυρήνα από την ηλεκτροστατική δύναμη που το έλκει προς τον θετικά φορτισμένο πυρήνα και την απωστική φυγόκεντρο δύναμη που αναπτύσσεται λόγω της περιστροφής του. Για σταθερές καταστάσεις, οι δύο αυτές δυνάμεις αντισταθμίζονται ισάξια και δεν υπάρχει εκπομπή ή απορρόφηση ακτινοβολίας. Στην περίπτωση του μοναδικού ηλεκτρονίου του υδρογόνου, όπου n = 1, η ακτίνα (r o) της τροχιάς γύρω από τον πυρήνα καλείται ακτίνα της πρώτης τροχιάς Bohr. (α) (β) (γ) Σχήμα 1.2. (α) Το ηλεκτρονικό spin και η τροχιά Bohr για το μοντέλο του ατόμου του υδρογόνου, (β) το άνυσμα του spin σχετίζεται με την περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονα του, (γ) μορφές του ηλεκτρονικού κύματος στα άτομα. 9

18 Η θεωρητική αυτή πρόβλεψη του Bohr και το μήκος των ακτινών των ηλεκτρονικών τροχιών επιβεβαιώθηκαν αργότερα με πειράματα. Επίσης η θεωρία επεκτάθηκε ώστε να περιλάβει και ελλειπτικές τροχιές (εκτός από τις κυκλικές) που επικρατούν στα άτομα στοιχείων με μεγαλύτερο ατομικό βάρος. Με βάση τη θεωρία του Bohr (που αναπτύχθηκε στα χρόνια ) δόθηκαν εξηγήσεις για τις διάφορες φασματικές γραμμές του Υδρογόνου, που ανταποκρίνονταν σε εκπομπή ή απορρόφηση ακτινοβολίας κατά τη μετάβαση ηλεκτρονίων μεταξύ των τροχιών. Ο Bohr υπολόγισε την ενέργεια ηλεκτρονίων ανάλογα με τη τροχιά στην οποία βρίσκονται και μετά υπολόγισε τη συχνότητα των φασματικών γραμμών που παράγονται καθώς μεταβαίνουν από τη μια κατάσταση στην άλλη (Ε 1 Ε 2 = hν). Οι υπολογισμοί του βρέθηκαν να συμφωνούν με μεγάλη ακρίβεια με τα πειραματικά αποτελέσματα. Επίσης, από τη θεωρία των τροχιακών του Bohr έγινε δυνατό να μετρηθούν οι τιμές για το δυναμικό ιονισμού (ionization potential), δηλαδή η ενέργεια που απαιτείται σε ένα άτομο για να απελευθερώσει ηλεκτρόνια από τις διάφορες ηλεκτρονικές τροχιές. Έτσι για παράδειγμα, τα αλκάλια Li, Nα, Κ, κ.λπ, έχουν χαμηλό δυναμικό ιονισμού, πράγμα που συμφωνεί με την τάση τους να σχηματίζουν εύκολα θετικά ιόντα (ισχυρός ηλεκτροθετικός χαρακτήρας), ενώ τα αδρανή αέρια έχουν υψηλό δυναμικό ιονισμού και για αυτό είναι δύσκολο να πάρουν μέρος σε χημικές αντιδράσεις Η Κυματική Φύση των Σωματιδίων της Ύλης Παρά την επιτυχία της θεωρίας του Bohr να εξηγήσει τα φάσματα απλών ατόμων, παρουσιάστηκαν μεγάλες δυσκολίες στην ανάλυση φασμάτων πιο πολύπλοκων ατόμων. Κατά τη δεκαετία του 1920 οι Luis de Broglie, Werner Heisenberg και Erwin Schrödinger κατόρθωσαν να επιλύσουν τα προβλήματα αυτά και να θέσουν τα θεμέλια μιας καινούργιας αντίληψης για τη φύση της ύλης και του φωτός. Ήταν ήδη γνωστό από την κβαντομηχανική θεωρία ότι η ακτινοβολία παρουσίαζε ιδιότητες υλικού σωματιδίου και κύματος. Αντίθετα η ιδέα ότι και τα σωματίδια της ύλης μπορούν να έχουν κυματικές ιδιότητες δεν είχε μελετηθεί από τους θεωρητικούς φυσικούς. Η νέα θεωρητική αντίληψη προτάθηκε για πρώτη φορά από τον de Broglie (1923) για το ηλεκτρόνιο. Κατά τον de Broglie, ένα ελεύθερο ηλεκτρόνιο είναι συνδεδεμένο με ένα βαθμιαία εξελισσόμενο κύμα, έτσι ώστε κάθε ενέργεια να είναι επιτρεπτή. Ένα όμως δεσμευμένο ηλεκτρόνιο χαρακτηρίζεται από ένα σταθερό κύμα που μπορεί να έχει μόνο μερικές καθορισμένες συχνότητες ή ενεργειακές καταστάσεις. Στην περίπτωση του φωτονίου οι δύο βασικές εξισώσεις για την ενέργεια του (που ισχύουν) είναι: ε = hν και ε = mc 2, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός. Όταν συνδυασθούν οι δύο εξισώσεις τότε γίνεται: hν = mc 2 και αν αντικατασταθούν λ = c/ν, όπου λ είναι το μήκος κύματος και ν είναι η 10

19 συχνότητα, τότε η εξίσωση γίνεται: λ = h/mc = h/p, όπου p = mc είναι η ορμή του φωτονίου. Ο de Broglie πρότεινε μια παρόμοια εξίσωση για το μήκος κύματος του ηλεκτρονικού κύματος: λ = h/mυ = h/p (1.5) όπου αντί για c έχει αντικατασταθεί με υ, την ταχύτητα με την οποία κινείται το ηλεκτρονικό κύμα. Η απαραίτητη συνθήκη για μια σταθερή τροχιά ενός ηλεκτρονίου ακτίνας r e, λαμβάνοντας υπόψη ότι η εισαγωγή ακέραιων αριθμών για τις επιτρεπόμενες καταστάσεις της ηλεκτρονιακής κίνησης ταιριάζει σημαντικά με τις κυματικές ιδιότητες του ηλεκτρονίου, είναι: 2πr e = nλ (όπου n είναι ο κύριος κβαντικός αριθμός). Εάν αντικατασταθεί το λ = h/mυ τότε θα γίνει mυr e = nh/2π = nħ. Η εξίσωση αυτή είναι η αρχική εξίσωση Bohr, και ικανή συνθήκη για σταθερή τροχιά. Η εξίσωση de Broglie είναι μια βασική σχέση μεταξύ της ορμής του ηλεκτρονίου ως σωματιδίου και του μήκους κύματος του ηλεκτρονίου ως κύματος. Η κυματική ιδιότητα του ηλεκτρονίου αποδείχθηκε πειραματικά από τους C. Davisson και L.H. Germer στις ΗΠΑ και από τους G.P. Thomson και A. Reid στην Αγγλία. Οι επιστήμονες αυτοί έδειξαν ότι μία δέσμη ηλεκτρονίων υπόκειται σε περίθλαση όταν περνάει μέσα από λεπτά φύλλα χρυσού, όπως και τα κύματα των ακτινών-χ όταν περνούν μέσα από κρυσταλλικές δομές. Μια από τις πιο σημαντικές εφαρμογές της ιδιότητας αυτής των ηλεκτρονίων, δηλαδή να υπόκεινται περίθλαση, είναι η εξέταση της λεπτής υφής της ύλης με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο Η Αρχή της Αβεβαιότητας και η Κυματική Φύση των Ηλεκτρονίων Η κυματική φύση των ηλεκτρονίων δημιούργησε με τη σειρά της, νέες αντιλήψεις που δεν περιέχονταν στην κλασική μηχανική. Σύμφωνα με το βασικό αξίωμα της κλασικής μηχανικής, είναι δυνατό να μετρηθούν ταυτόχρονα η θέση και η ορμή οποιουδήποτε υλικού σώματος. Γνωρίζοντας τη θέση και την ταχύτητα ενός σωματιδίου σε κάθε χρονική στιγμή και τις δυνάμεις που εξασκούνται πάνω του, η Νευτώνεια μηχανική τολμούσε να προβλέψει τη θέση και την ταχύτητα σε οποιοδήποτε άλλο χρονικό διάστημα στο παρελθόν ή στο μέλλον. Αλλά για ένα υποατομικό σωματίδιο με κυματικές ιδιότητες η ταυτόχρονη μέτρηση της θέσης και της ταχύτητας του δεν είναι εύκολη. Η θεωρητική απόδειξη για το αδύνατο της ταυτόχρονης μέτρησης πρωτοπαρουσιάστηκε το 1926 από τον W.Heisenberg ως η Αρχή της Αβεβαιότητας ή Απροσδιοριστίας (Uncertainty Principle or Principle of Indeterminacy). Κατά τον Heisenberg, εάν προσπαθήσουμε να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τη θέση του σωματιδίου πρέπει να θυσιάσουμε μέρος της πληροφορίας για την ορμή ή την ταχύτητά του. Αντίθετα, εάν θέλουμε ακριβή μέτρηση της ταχύτητας δεν μπορούμε την ίδια στιγμή να 11

20 γνωρίζουμε την ακριβή του θέση στο χώρο. Η αβεβαιότητα αυτή αυξάνεται καθώς μειώνεται το μέγεθος του υποατομικού σωματιδίου. Μια από τις πειραματικές αποδείξεις της Αρχής της Αβεβαιότητας είναι η διερεύνηση (broadening) των γραμμών απορρόφησης στις διάφορες φασματοσκοπικές μεθόδους (παράδειγμα στο Κεφάλαιο 2, Πρακτικές Πλευρές της Φασματοσκοπίας) Η Μαθηματική Έκφραση της Δυαδικής Φύσης της Ύλης και της Ενέργειας. Η εξίσωση Schrödinger. Οι E. Schrödinger και W. Heisenberg, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, ανακάλυψαν (1926) τις βασικές αρχές μιας νέας θεωρίας που αντιμετώπιζε ικανοποιητικά με μαθηματικές εξισώσεις (για απλά συστήματα) το πρόβλημα της δυαδικής φύσης ύλης και ενέργειας. Ο πρώτος κάλεσε τη νέα θεωρία κυματομηχανική (wave mechanics) και ο δεύτερος Matrix Mechanics. Στην ουσία, οι δύο θεωρίες (επεκτάσεις της αρχικής θεωρίας της κβαντομηχανικής) είναι ισοδύναμες για τις βασικές φυσικές έννοιες που αναπτύσσουν. Συνήθως η μαθηματική μέθοδος του Schrödinger είναι πιο γνωστή και χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στα βιβλία φυσικής και χημείας. Ο Schrödinger προσπάθησε να βρει μια ποσοτική (κβαντική) σχέση των ατομικών καταστάσεων με την εισαγωγή παραμέτρων που είναι άμεσα συνδεδεμένες με τη δομή του ατόμου. Μια δέσμη ηλεκτρονίων που ταξιδεύει με σταθερή ταχύτητα (κατά de Broglie) ανταποκρίνεται σε ένα μονοχρωματικό κύμα που έχει τη μορφή σιδηροδρόμου με πολλά βαγόνια. Μέσα σε αυτή τη δέσμη κάτι δονείται και αυτό βαπτίσθηκε Ψ. Το Ψ εξαρτάται από το χώρο και το χρόνο, δηλαδή είναι συνάρτηση (function) των τριών συντεταγμένων του χώρου (x, y, z) και του χρόνου: Ψ(x, y, z) (1.6) Erwin Schrödinger( ) 12

21 (α) (β) (γ) (δ) Σχήμα 1.2. (α) Σχηματική παράσταση των φάσεων κύματος μεταξύ δύο σταθερών σημείων, (β) σχηματική παράσταση ηλεκτρονικού κύματος γύρω από τον πυρήνα, (γ) κύμα ενός ηλεκτρονίου που ταξιδεύει στην συντεταγμένη Χ, (δ) επικαλυπτόμενα κύματα διαφορετικών φάσεων κύματος που τείνουν να ενισχύσουν το ένα το άλλο κοντά στο Χ=0. Η βάση για την ερμηνεία της συνάρτησης Ψ (μπορεί να θεωρηθεί μια πολύπλοκη ποσότητα) ήταν μια πρόταση του Max Born, ότι Ψ 2 Ψ * Ψ, πράγμα που θα μπορούσε να ερμηνευθεί ως η πιθανότητα για ένα σωματίδιο να βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου (x, y, z) σε χρόνο t. Για απλότητα, ας σκεφθούμε ένα παράδειγμα με μια μόνο συντεταγμένη (x) και ανεξάρτητο χρόνου, όπως σε ένα δονούμενο σχοινί 13

22 σταθεροποιημένο στα δύο του άκρα. Η διαφορική εξίσωση για ένα τέτοιο σύστημα θα είναι: 2 2 d 4π = Ψ (1.7) 2 2 dx λ δηλαδή, η παραμόρφωση του Ψ, που στην περίπτωσή μας είναι ίση με το εύρος του δονούμενου σχοινιού, είναι ανάλογη του Ψ επί τη σταθερά αναλογίας 4π 2 /λ 2. Εάν τώρα περάσουμε από τα κύματα του δονούμενου σχοινιού στις φάσεις των κυμάτων (δηλ. τα σημεία της τροχιάς της κυματικής κίνησης) των κινούμενων ηλεκτρονίων, τότε το μήκος κύματος λ στην εξίσωση de Broglie (1.4) πρέπει να αντικατασταθεί με λ = h/mυ λ 2 = h 2 /(mυ) 2 : 2 2 h λ = (1.8) 2m( E U ) όπου η κινητική ενέργεια 2 1 mυ 2 αντικαταστάθηκε από τη διαφορά μεταξύ της ολικής ενέργειας Ε και της δυναμικής ενέργειας U. Έτσι, η εξίσωση γίνεται: d Ψ 8π m( E U ) d Ψ 8π m( E U ) = Ψ ή + Ψ = 0 (1.9) dx h dx h Η τελευταία εξίσωση είναι η κυματομηχανική εξίσωση για την περίπτωση μιας συντεταγμένης στο χώρο και ανεξάρτητη του χρόνου για ένα γραμμικό δονητή. Εάν λύσουμε την εξίσωση αυτή, δηλαδή εάν προσδιορίσουμε τις τιμές της ολικής ενέργειας Ε του συστήματος, που ανταποκρίνεται σε αυτή την κυματομηχανική εξίσωση, πρέπει να γνωρίζουμε τη δυναμική ενέργεια U του συστήματος στο χώρο. Η διαφορική εξίσωση μας δίνει σταθερές και μιας μόνο τιμής λύσεις, όπου η Ε παίρνει ασυνεχείς κλιμακωτά διαδοχικές τιμές, δηλαδή όταν η Ε είναι κβαντωμένη. Οι τιμές αυτές καλούνται eigenvalues και οι αντίστοιχες κυματικές συναρτήσεις καλούνται eigenfunctions. Οι τιμές αυτές της εξίσωσης αποτελούν την αναμενόμενη κβαντοποίηση του συστήματος. Η συνθήκη που επιβάλλεται από τη διαφορική αυτή εξίσωση είναι ότι οι τιμές (eigenvalues) πρέπει να δώσουν καθορισμένες, σταθερές και μίας μοναδικής τιμής λύσεις. Το παράδειγμα για τις τιμές μπορεί να παρουσιαστεί και στην περίπτωση που το σχοινί προεκτείνεται απεριόριστα προς τα δύο άκρα του, δηλαδή όταν δεν είναι δεμένο σε σταθερά σημεία στις άκρες του. Τότε το σχοινί μπορεί να δονείται με συχνότητα που αλλάζει συνεχώς. Όταν όμως το μήκος του είναι καθορισμένο, το σχοινί θα δονείται σε ορισμένα μήκη κύματος λ, που σχετίζονται με το μήκος Μ από τη σχέση: Μ = n (λ/2), όπου n = 1, 2, 3,. Με μια ανάλογη εικόνα, η διαφορική εξίσωση του Schrödinger δίνει άπειρο αριθμό λύσεων με ανάλογες τιμές ενέργειας ή κυματαριθμούς, όταν δεν υπάρχουν περιοριστικές συνθήκες (δέσιμο στις άκρες). Από τον άπειρο αυτό αριθμό λύσεων μόνο ορισμένες λύσεις και τιμές ενέργειας προκύπτουν από τις συνθήκες που επιβάλλει η διαφορική εξίσωση. 14

23 Μέχρι εδώ χρησιμοποιήθηκε μία μόνο συντεταγμένη για να εξηγηθούν μερικές κλασικές έννοιες της κυματομηχανικής θεωρίας, εάν όμως αναπτύχθεί το σύστημα στις τρεις διαστάσεις του χώρου (x, y, z), τότε το σύστημα και οι λύσεις του γίνονται πιο σύνθετες. Η καμπυλότητα του χώρου στις τρεις διαστάσεις είναι και η καμπυλότητα της συνάρτησης του Ψ, που εκφράζεται ως: 2 Ψ/ x, 2 Ψ/ y, 2 Ψ/ z. Τότε η εξίσωση γράφεται επίσης για συντομία: ϑ Ψ ϑ Ψ ϑ Ψ 8π m ( E U ) Ψ = 0 (1.10) ϑx ϑy ϑz h Η εξίσωση γράφεται επίσης για συντομία: 2 2 8π m Ψ + ( E U ) Ψ = 0 (1.11) 2 h 2 είναι το μαθηματικό σύμβολο του αθροίσματος των τριών καρτεσιανών συντεταγμένων στο χώρο. Σχήμα 1.3. Διακύμανση σταθερών κυμάτων. Μονοδιάστατη ταλάντωση περιοριζόμενη σε χώρο μήκους L και εύρος (κυματοσυναρτήσεις) για ξεχωριστά μήκη κύματος. Οι ανοικτοί κύκλοι αντιπροσωπεύουν σημεία με εύρος μηδέν. Φυσικά η θεωρία της κυματομηχανικής δεν τελειώνει εδώ. Απλώς περιοριζόμαστε μόνο σε μια γενική διατύπωση της εξίσωσης Schrödinger και δεν επιχειρείται η ανάλυση ειδικών λύσεων. Ο αναγνώστης μπορεί να βρει περισσότερες πληροφορίες στα ειδικά βιβλία που αναφέρονται στη βιβλιογραφία. 15

24 1.9. Βιβλιογραφία: Κβαντομηχανική, Κβαντική Χημεία και Φασματοσκοπία 1. Karagounis G. Introductory Organic Quantum Chemistry. Academic Press, New York, Sandorfy C. Electronic Spectra and Quantum Chemistry. Prentice-Hall, New Jersey, Hanna MW. Quantum Mechanics in Chemistry. WA Benjamin, New York, 1965, 1969, Pilar FL. Elementary Quantum Chemistry. McGraw-Hill, New York, Anderson JM. Introduction to Quantum Chemistry. WA Benjamin, New York, Laidlaw WG. Introduction to Quantum Concepts in Spectroscopy. McGraw-Hill, New York, Levine IN. Quantum Chemistry: vol 1, Quantum Mechanics and Molecular Electronic Structure, vol 2, Molecular Spectroscopy. Allyn and Bacon, Boston, 1970, Atkins PW. Molecular Quantum Mechanics. Clarendon Press, Oxford, 1970, 1983 (2 nd ed). 9. Paglia La SR. Introductory Quantum Chemistry. Harper and Row, New York, Daudel R. QuantumTheory and Chemical Reactivity. D Redel Co, Dordrecht-Holland, Atkins PW. Quanta: A Handbook of Concepts. Clarendon Press, Oxford, Zimmerman HE. Quantum Mechanics for Organic Chemists. Academic Press, New York, Chilsolm CDH. Group Theoretical Techniques in Quantum Chemistry. Academic Press, London, Goodisman J. Contemporary Quantum Chemistry. Plenum Press, New York, Lowe JP. Quantum Chemistry: students edition. Academic Press, New York, Mc Quarie DA. Quantum Chemistry. University Science Books. Sausalito, California, Schaefer HP. Quantum Chemistry. Clarendon Press, Oxford, Ανδριτσόπουλος ΓΙ. Εισαγωγή στην Κβαντομηχανική. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Ιωάννινα, 1984 (3 η εκδ). 19. Τραχανάς Σ. Κβαντομηχανική I: Θεμελιώδεις Αρχές Μονοδιάστατα Προβλήματα. Πανεπιστήμιο Κρήτης, Πανεπιστημιακές εκδόσεις, Rae A. Quantum Mechanics, Hilger Bristol, Pauling L, Wilson EB. Introduction to Quantum Mechanics with Applications to Chemistry. Dover publs, New York, Μαυρίδης Α. Εισαγωγή στην Κβαντοχημεία. Τμήμα Χημείας, Πανεπιστήμιο Αθηνών, Αθήνα,

25 23. Τραχανάς Σ. Κβαντομηχανική II: Τρισδιάστατα Προβλήματα Κβαντική Θεωρία της Ύλης. Πανεπιστήμιο Κρήτης, Πανεπιστημιακές εκδόσεις, Mehra J, Rechenberg H. The Historical Development of Quantum Theory. Vols 1 5. Springer Verlag, Seleri F. Η διαμάχη για την Κβαντική Θεωρία. Gutenberg, Αθήνα, Glick TF, ed. The Comparative Reception of Relativity, Reidel, Boston, Hawking S. A Brief History of Time. Bantam Books, Toronto, Carbo R. Quantum Chemistry: Basic Aspects, Actual Trens. Elsevier Science publs, Amsterdam, Feynman R. The Character of Physical Law. Penguin Books, London, Schatz GC, Patner MA. Quantum Mechanics in Chemistry. Prentic Hall, Englewood Cliffs, NJ, Stehle P. Order, Chaos, Order: The Transition from Classical to Quantum Physics. Oxford University Press, New York, Cushing JT. Quantum Mechanics. Historical Contingency and the Copenhagen Hegemony. University of Chicago Press, Chicago, Jammer M. The Conceptual Development of Quantum Mechanics. McGraw Hill, New York, Cox PA. Introduction to Quantum Theory and Atomic Structure. Oxford Science Publications, Oxford, Atkins PW. Μοριακή Κβαντική Μηχανική. (μετάφραση: Μαυρίδης Α, Σπύρου Σ). Τροχαλίας, Αθήνα, 1996, Παπαζήσης, 2 η έκδοση, Simons J, Nichols J. Quantum Mechanics in Chemistry. Oxford University Press, New York, Atkins PW. Friedman RS. Molecular Quantum Mechanics. Oxford University Press, 3 rd ed, Atkins PW. Physical Chemistry (Quantum Theory: introduction & theory, p. 285). 6 th ed, Oxford University Press, Oxford, Green NBJ. Quantum Mechanics. No 1 & 2. Oxford Science Publications, Oxford, Levine IN. Quantum Chemistry. Prentic Hall, Englewood Cliffs, NJ, 5 th ed, Kragh H. Οι Γενιές των Κβάντων. Η ιστορία της Φυσικής του 20 ου αιώνα. Κάτοπτρο, Αθήνα, (Kragh H. Quantum Generations A history in the twentieth century. Princeton University Press, Princeton, 1999). 42. Pilar FL. Elementary Quantum Chemistry. Dover Publications, New York, Schaefer HF. Quantum Chemistry: The Development of Ab Initio Methods in Molecular Electronics Structure Theory. Dover publs, New York, Hey T, Walters P. Το Νέο Κβαντικό Σύμπαν. 2 η έκδοση. Εκδ. Κάτοπτρο, Αθήνα,

26 18

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΥΛΗΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ ΚΑΙ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΠΛΕΥΡΕΣ ΤΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ Η αλληλεπίδραση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (φως) με την ύλη (χημικές ενώσεις) και οι κβαντικές μεταβολές ενέργειας κατά την απορρόφηση ή εκπομπή ακτινοβολίας είναι το κύριο χαρακτηριστικό της φασματοσκοπίας. Οι φασματοσκοπικές μέθοδοι είναι τεχνικές που μας επιτρέπουν να μετρήσουμε με ακρίβεια την ποσότητα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται ή εκπέμπεται από τις διάφορες χημικές ενώσεις σε μεγάλη ποικιλία περιοχών συχνοτήτων (ή μήκη κύματος) και τα φάσματα μας παρέχουν χρήσιμο πληροφοριακό υλικό για την πιστοποίηση της δομής τους. Στο κεφάλαιο αυτό εξετάζεται πως χαρακτηρίζεται η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ποιες είναι οι διάφορες περιοχές του φάσματος και οι πρακτικές πλευρές της φασματοσκοπίας Ηλεκτρομαγνητική Ακτινοβολία Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (φως) αποτελείται από κύματα ενέργειας που είναι συνδυασμός ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. Τα πεδία αυτά διαδίδονται στο χώρο με την ταχύτητα του φωτός (3X10 8 m/s) σχηματίζοντας μεταξύ τους γωνία 90 0 μοιρών. Σχήμα 2.1. Μετάδοση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο χώρο ως συνδυασμός δύο εναλλασσόμενων πεδίων, που ταξιδεύει κατά μήκος του άξονα x. 19

28 Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μεταδίδεται σε ευθεία γραμμή ως ένα απλό αρμονικό κύμα. Μια σχηματική παράσταση της αρμονικής περιοδικής κίνησης δίδεται στο σχήμα 2.2 με το ιδανικό ελατήριο (μάζα μηδέν), που κινείται αρμονικά χωρίς να χάνει ενέργεια λόγω τριβής και στο οποίο έχει εφαρμοσθεί μάζα, m. Σχήμα 2.2. Απλό σύστημα σε απλή αρμονική περιοδική κίνηση. Το απλό αρμονικό κύμα έχει τη μορφή μιας ημιτονοειδούς καμπύλης, y = Bημθ, όπου c είναι η μετατόπιση με μέγιστη τιμή Β και θ η γωνία με 0 θ (0 θ 2π rad). Για ένα σημείο Σ, που κινείται με σταθερή γωνιακή ταχύτητα ω rad/s (θ = ωt) σε ένα κύκλο ακτίνας Β, ο χρόνος για μια πλήρη στροφή είναι 2π/ω δευτερόλεπτα. Σχήμα 2.3. Απλό αρμονικό κύμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 20

29 Ο χρόνος για μια επανάληψη της στροφής γύρω από τον κύκλο θα είναι ο ίδιος και καλείται συχνότητα (ν) του κύματος. Η μονάδα μέτρησης της συχνότητας στο σύστημα μονάδων SI καλείται Hertz (σύντμηση) με διαστάσεις χρόνου s -1. Η βασική εξίσωση για την κυματική αρμονική κίνηση είναι: y = Bημθ = Bημωt = Bημ2πνt (2.1) Ωστόσο, μια χρήσιμη σχέση για τη φύση του κινούμενου κύματος θα ήταν ο χρόνος (t) που απαιτείται να καλύψει μια ορισμένη απόσταση (x), όπου x = ct (c είναι η ταχύτητα του φωτός). Η εξίσωση 2.1 γίνεται y=bημ2πνt=bημ2πνx /c. Το αρμονικό κύμα (που εδώ αντιπροσωπεύει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) έχει την παρακάτω εικόνα: Σχήμα 2.4. Αρμονικό κύμα ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Μια πλήρης περιφορά στην περιφέρεια του κύκλου δίνει στην αναπτυγμένη εικόνα του κύματος την κίνηση από το σημείο α στο σημείο β. Η απόσταση αυτή, που χαρακτηρίζει το κύμα, καλείται μήκος κύματος (λ). Η σχέση του με τη συχνότητα (ν) είναι: c ν = (2.2) λ Οι διάφορες περιοχές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας εκφράζονται στη φασματοσκοπία από το μήκος κύματος (και με μονάδες που είναι εύχρηστες). Έτσι στην περιοχή των μικροκυμάτων το λ μετράται σε μm (micrometers), όπου 1μm = 10-6 m. Ένας άλλος τρόπος για την παρουσίαση της περιοχής του φάσματος είναι ο κυματαριθμός (ν ), που είναι το αντίστροφο του μήκους κύματος (ν =1/λ), και το λ εκφράζεται σε εκατοστά του μέτρου (cm). Αυτό γίνεται για καθαρά πρακτικούς λόγους ώστε οι αριθμοί να μνημονεύονται εύκολα. Για παράδειγμα, στην υπέρυθρη φασματοσκοπία (IR) οι μονάδες σε κυματαριθμούς είναι cm -1, ενώ για το μήκος κύματος οι μονάδες είναι μm ( m). Η σχέση μετατροπής συχνότητας (ν ) και κυματαριθμού (ν ) είναι : ν = cv, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός σε εκατοστά του μέτρου ανά δευτερόλεπτο (3Χ10 10 cm s -1 ). 21

30 2.2. Περιοχές του Ηλεκτρομαγνητικού Φάσματος και Ενεργειακές Μεταβολές των Μορίων. Για να υπάρξει μηχανισμός αλληλεπίδρασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και του χημικού μορίου πρέπει οι πυρηνικές και ηλεκτρονικές μεταβολές του (που άλλωστε συμβαίνουν ακατάπαυστα και έχουν μεγάλη ποικιλία) να προκαλέσουν κάποιο ηλεκτρικό ή μαγνητικό αποτέλεσμα, που με τη σειρά του θα επιδράσει στα ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία της ακτινοβολίας. Ο διαχωρισμός του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος σε περιοχές είναι σχετικά αυθαίρετος, αν και κάθε περιοχή χαρακτηρίζεται από ορισμένες μοριακές ή πυρηνικές ή ηλεκτρονικές αλλαγές που οδηγούν σε ενεργειακές μεταβολές (κβαντικές) στις καταστάσεις των χημικών μορίων. Οι περιοχές αυτές είναι: 1. Περιοχή Ραδιοσυχνότητας (Radiofrequency): συχνότητα 3Χ10 6-3Χ10 10 Hz, μήκος κύματος 10m 10cm. Η ενεργειακή μεταβολή στην περιοχή αυτή αφορά το spin (περιστροφή γύρω από τον εαυτό του) πυρήνα ή ηλεκτρονίου. Οι φασματοσκοπικές μέθοδοι είναι: Μαγνητικός Πυρηνικός Συντονισμός (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) και Ηλεκτρονικός Παραμαγνητικός Συντονισμός (Electron Paramagnetic Resonance, EPR). Η περιστροφή του πυρήνα ή του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά τους (spin, στροφορμή) δημιουργεί ένα μικροσκοπικό μαγνητικό δίπολο (φορτισμένα σωματίδια). Αλλαγές στο spin προκαλούν μεταβολές στο δίπολο και φυσικά διαφορετική επίδραση επί της ακτινοβολίας, που οδηγούν σε φάσματα απορρόφησης ή εκπομπής. 2. Περιοχή Μικροκυμάτων (Microwave): 3Χ Χ10 12 Hz, 1cm 100μm. Περιοχή απορρόφησης ή εκπομπής ακτινοβολίας λόγω της περιστροφής των μορίων. Κύρια μέθοδος είναι η Φασματοσκοπία Μικροκυμάτων (Microwave Spectroscopy). Μόρια με μόνιμη ηλεκτρική διπολική ροπή (για παράδειγμα το HBr, + H Br, ενώ το Η 2, Η Η δεν έχει μόνιμη διπολική ροπή), όταν περιστρέφονται γύρω από ένα άξονα, μεταβάλλουν το άνυσμα της διπολικής τους ροπής επιδρώντας επί του ηλεκτρικού πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 3. Περιοχή Υπερύθρου (Infrared): 3Χ Χ10 14 Hz, 100μm 1m. Περιοχή όπου κυρίως παρατηρούνται δονήσεις ή στρεβλώσεις της δομής των μορίων. Η Υπέρυθρη Φασματοσκοπία (Infrared Spectroscopy) είναι η πιο γνωστή φασματοσκοπική μέθοδος στην Οργανική Χημεία. Η δόνηση των μορίων (ασύμμετρη δόνηση τάσης, δόνηση κάμψης κλπ) δημιουργεί αλλαγές στην ηλεκτρονική διπολική ροπή τους και κατά συνέπεια επίδραση επί του κυματοειδούς ηλεκτρονικού πεδίου της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. 4. Περιοχή Ορατού και Υπεριώδους (Visible, Ultra Violet): 3Χ Χ10 16 Hz, 1μm 10nm. Η διέγερση των ηλεκτρονίων σθένους (τα ηλεκτρόνια της 22

31 εξωτερικής τροχιάς) προκαλεί μεταβολές της ηλεκτρονικής δομής και αλλαγή της ηλεκτρικής διπολικής ροπής του μορίου. Η μεταβολή αυτή της ηλεκτρικής διπολικής ροπής αλληλεπιδρά με το ηλεκτρικό πεδίο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η φασματοσκοπία Ορατού και Υπεριώδους είναι αρκετά γνωστή για τις εφαρμογές της στην Οργανική Χημεία. 5. Περιοχή Ακτινών x (x ray): 3Χ Χ10 18 Hz, 10nm 100pm. Οι ενεργειακές μεταβολές στην περιοχή αυτή αφορούν τα εσωτερικά ηλεκτρόνια του ατόμου ή του μορίου. Μεγάλες εφαρμογές της φασματοσκοπικής μεθόδου απαντώνται σε όλους τους κλάδους της Χημείας. 6. Περιοχή Ακτινών γ (γ ray): 3Χ Χ10 20 Hz, 100pm 1pm. Στην περιοχή αυτή παρατηρούνται ανακατατάξεις των πυρηνικών σωματιδίων. Η μέθοδος που χρησιμοποιείται στην περιοχή αυτή καλείται Φασματοσκοπία Mössbauer (Mössbauer spectroscopy). 7. Περιοχή Κοσμικών Ακτινών (cosmic rays): ~10 22 Hz, 0.01pm. Η περιοχή αυτή δεν έχει παρουσιάσει φασματοσκοπικό ενδιαφέρον στη Χημεία. Εκτός από τις μεθόδους φασματοσκοπίας που αναφέραμε σε κάθε περιοχή υπάρχουν και άλλες μέθοδοι, όπως η Φασματοσκοπία Raman, που εφαρμόζεται στην περιοχή μικροκυμάτων και υπερύθρου και με παρατηρήσεις στην περιοχή του ορατού, η Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία (Photoelectron Spectroscopy), η Φασματοσκοπία Φλόγας (Flame Spectroscopy), η Φασματοσκοπία Φθορισμού (Fluorescence) και Φωσφορισμού (Phosphorescence), η Φασματοσκοπία λέιζερ (Laser) κλπ, που χρησιμοποιούν διάφορες τεχνικές. 23

32 Πίνακας 2.1. Περιοχές του Ηλεκτρομαγνητικού Φάσματος. Συμβολισμός προθεμάτων στις μονάδες: pico (p) Angstrom (Å) nano (n) micro (μ) milli (m) centi (c) deci (d) kilo (k) mega (M) giga (G) Πρακτικές Πλευρές της Φασματοσκοπίας Υπάρχουν διάφορες φασματοσκοπικές τεχνικές για κάθε περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ωστόσο οι βασικές αρχές παραμένουν οι ίδιες. Μια πηγή φωτός εκπέμπει ακτινοβολία ορισμένης περιοχής συχνοτήτων που μεταβάλλεται ομαλά με τη βοήθεια μονοχρωματικών πρισμάτων και η ακτινοβολία περνάει μέσα από το δείγμα της ουσίας (αέριο, υγρό, διάλυμα, στερεό παρασκεύασμα) που ας υποθέσουμε, έχει δύο επιτρεπόμενες (κβαντωμένες) τιμές ενέργειας ή ενεργειακές στάθμες, Ε 1 και Ε 2. Στη συχνότητα ν = (Ε 2 - Ε 1 )/h, η ουσία που μελετάμε απορροφά ένα μέρος της ενέργειας της ακτινοβολίας, που ανιχνεύεται με έναν ευαίσθητο φωτοανιχνευτή και μετατρέπεται σε ασθενές ηλεκτρικό ρεύμα. Το ρεύμα αυτό ενισχύεται και καταγράφεται, αφού μετατραπεί σε μηχανική κίνηση, με τη γραφίδα του καταγραφέα σε βαθμολογημένο φασματοσκοπικό χαρτί (ή προβάλλεται στην οθόνη ενός φωσφορίζοντος πλαισίου). Η όλη διαδικασία έχει πρακτικά προβλήματα και περιορισμούς, τόσο στην ευαισθησία όσο και στην ακριβή καταγραφή του σήματος. Από άποψη λειτουργίας, τα φασματόμετρα χωρίζονται σε φασματόμετρα απορρόφησης (υπέρυθρη, ορατή και υπεριώδη φασματοσκοπία) και φασματόμετρα εκπομπής 24

33 (όπου η προσπίπτουσα ακτινοβολία προκαλεί διέγερση της ενεργειακής στάθμης, το δείγμα της ουσίας εκπέμπει ακτινοβολία ξαναγυρνώντας στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση). Η ακριβής καταγραφή της έντασης και της θέσης των σημάτων (ταινίες ή γραμμές) απορρόφησης ή εκπομπής στο φάσμα εξαρτάται από δύο βασικούς παράγοντες: (α) τη σχέση σήματος θορύβου (signal to noise ratio) και (β) το βαθμό διαχωρισμού ή διακριτική ικανότητα του φασματόμετρου για τα σήματα (resolving power), που εξαρτάται από την ποιότητα του μηχανήματος. Η σχέση σήματος θορύβου είναι μια από τις σημαντικές πηγές κακής ποιότητας των φασμάτων. Όλα τα φασματόμετρα παρουσιάζουν το πρόβλημα αυτό. Το σήμα που παράγεται στον ανιχνευτή πρέπει να ενισχυθεί ηλεκτρονικά, πράγμα που δημιουργεί τυχαίες αυξομειώσεις του ηλεκτρονικού σήματος στον ανιχνευτή ή στον ενισχυτή. Οι αυξομειώσεις αυτές καλούνται θόρυβος. Για να επιτευχθεί καλός διαχωρισμός των σημάτων από το θόρυβο πρέπει η ένταση τους να είναι τουλάχιστον τριπλάσια από αυτή του θορύβου. Ο βαθμός διαχωρισμού ή διακριτική ικανότητα του φασματόμετρου είναι ένα άλλο σημαντικό πρόβλημα. Οι μοριακές απορροφήσεις δεν συμβαίνουν σε μία μόνο συχνότητα, αλλά συνήθως σε μία μικρή περιοχή που περιέχει αρκετές συχνότητες. Αυτός είναι ο λόγος που οι φασματικές ταινίες ή γραμμές παρουσιάζουν διεύρυνση του σχήματος τους, ιδιαίτερα στη βάση του. Σχήμα 2.5. Παραδείγματα φασμάτων με υψηλό και χαμηλό θόρυβο. Αναπαράσταση της σχέσης μεταξύ του εύρους της σχισμής εξόδου και του βαθμού διαχωρισμού. 25

34 Εάν ληφθούν (Σχήμα 2.5) δύο σήματα των οποίων οι φασματικές γραμμές βρίσκονται πολύ κοντά η μία στην άλλη, θα παραχθεί διακεκομμένη γραμμή για την απορρόφηση του καθενός και την πλήρη γραμμή για το συνδυασμό και των δύο (α). Καθώς γίνεται σάρωση (scanning) του φάσματος με την περιστροφή του μονοχρωματικού πρίσματος, η διπλή ταινία (γραμμή, σήμα) μετακινείται προς τα αριστερά περνώντας από τη σχισμή εξόδου (exit split) και συλλέγεται από τον ανιχνευτή (όπως φαίνεται στα διαδοχικά στάδια του σχήματος 2.5). Τελικά το σήμα καταγράφεται στο (ε). Είναι προφανές ότι ο διαχωρισμός των δύο φασματικών γραμμών είναι ατελής, εμφανιζόμενες μαζί ως μία συνδυασμένη φασματική απορρόφηση. Εάν μειωθεί το εύρος της σχισμής εξόδου αυξάνεται ο βαθμός διαχωρισμού, αλλ αντίστοιχη μείωση της έντασης των σημάτων λόγω απώλειας ενέργειας. Συγχρόνως, η μείωση της έντασης αυξάνει τη σχέση σήματος θορύβου με τελικό αποτέλεσμα την κακή ποιότητα των φασμάτων. Τα πρακτικά αυτά προβλήματα μπορούν να λυθούν με πιο ευαίσθητους ανιχνευτές και καλύτερους μονοχρωμάτορες (ακτίνες λέιζερ) της ακτινοβολίας. 2.4 Διεύρυνση (broadening) των Σημάτων στη Φασματοσκοπία Η διεύρυνση (broadening) των σημάτων των φασματικών γραμμών στη φασματοσκοπία, εκτός από το εύρος της σχισμής εξόδου και την ευαισθησία του ανιχνευτή, οφείλεται και σε άλλες αιτίες Διεύρυνση που οφείλεται στη σύγκρουση ατόμων και μορίων Από τη στιγμή που τα άτομα και τα μόρια στην αέρια ή στην υγρή φάση κινούνται ακατάπαυστα και συγκρούονται μεταξύ τους αναμένονται κάποιες παραμορφώσεις στο σχήμα τους και μεταβολές στις ενεργειακές τους στάθμες, τουλάχιστον για τα εξωτερικά ηλεκτρόνια. Αυτό εξηγεί σε σημαντικό βαθμό τη διεύρυνση των φασματικών γραμμών στο ορατό και υπεριώδες φάσμα που συνδέονται άμεσα με τα ηλεκτρόνια σθένους. Επίσης οι συγκρούσεις παραμορφώνουν τη δόνηση και την περιστροφή των ατόμων και των μορίων, επηρεάζοντας έτσι τις φασματικές γραμμές στην περιοχή μικροκυμάτων και υπερύθρου. Οι συγκρούσεις των μορίων είναι πιο σημαντικές στην υγρή από ότι στην αέρια φάση, για αυτό τα φάσματα στην αέρια φάση έχουν πιο αιχμηρές γραμμές. Ακόμη και στα στερεά, με περιορισμένες συγκρούσεις, υπάρχουν ενδείξεις στα φάσματα για μικρή επίδραση μεταξύ μορίων και ατόμων Διεύρυνση που οφείλεται στο φαινόμενο Doppler Στο φαινόμενο Doppler υπάρχει αλλαγή στη συχνότητα του ήχου ή της ακτινοβολίας λόγω κίνησης (απομάκρυνση ή πλησίασμα) της πηγής σε σχέση με τον παρατηρητή (που στην περίπτωση της φασματοσκοπίας είναι ο ανιχνευτής). Η άτακτη κίνηση των ατόμων και των μορίων (ιδιαίτερα στα αέρια και υγρά) έχει ως αποτέλεσμα οι συχνότητες απορρόφησης ή εκπομπής να παρουσιάζουν το φαινόμενο Doppler. Οι μετακινήσεις γίνονται και προς τις δύο κατευθύνσεις με αποτέλεσμα ο ανιχνευτής να δέχεται περιοχή συχνοτήτων, αντί μίας και μόνο 26

35 συχνότητας, διευρύνοντας τη φασματική γραμμή. Το φαινόμενο αυτό είναι πιο εμφανές στην περίπτωση των αερίων. Λόγω της γενικής φύσης του φαινομένου Doppler, η διεύρυνση των φασματικών γραμμών που οφείλεται σε αυτό καλείται φυσικό εύρος των φασματικών γραμμών (natural line width) Διεύρυνση των φασματικών γραμμών που οφείλεται στην Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg Η Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg δηλώνει ότι δεν είναι δυνατό να προσδιορίσουμε με ακρίβεια τη θέση και την ορμή (ταχύτητα) ενός σωματιδίου (π.χ. ηλεκτρόνιο) την ίδια χρονική στιγμή. Ακόμη και σε ένα μοναχικό ακίνητο μόριο ή άτομο οι στάθμες ενέργειας δεν είναι με μεγάλη ακρίβεια προσδιορισμένες. Σε σχέση όμως με τα δύο προηγούμενα φαινόμενα, η Αρχή της Αβεβαιότητας δεν έχει τόσο μεγάλη σημασία στη διεύρυνση των φασματικών γραμμών. Εάν σε ένα σύστημα που βρίσκεται σε μία ενεργειακή κατάσταση για dt δευτερόλεπτα, τότε σύμφωνα με την Αρχή η ενέργεια Ε στην κατάσταση αυτή θα έχει αβεβαιότητα: de x dt h/2π J s (όπου h είναι η σταθερά Planck). Στη χαμηλότερη (θεμελιώδη) ενεργειακή στάθμη, ένα μόριο μπορεί να παραμείνει, εάν δεν διαταραχθεί, για απεριόριστο χρόνο (dt= ), οπότε de=0. Αλλά, εάν διεγερθεί για χρόνο, περίπου 10-8 sec, τότε η ενεργειακή αβεβαιότητα είναι: de=h/2πdt=10-34 /10-8 = J (2.4) Εάν η ενεργειακή αυτή αβεβαιότητα μεταφραστεί σε συχνότητα ακτινοβολίας τότε γίνεται: dν = dε /h h/2πhdt 2πdt (2.5) εάν dt = 10-8 s, τότε dν = 10 8 Hz. Δηλαδή, η αβεβαιότητα για τη συχνότητα είναι αρκετά μεγάλη. Όταν συγκρίνεται με τις συχνότητες της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή μικροκυμάτων (10 10 ) ή ακτινών-γ (10 20 ) τότε η διεύρυνση (φυσική) είναι σχετικά μικρή. Αντίθετα, για φαινόμενα που παρουσιάζονται σε συχνότητες Hz (όπως οι μεταβολές του spin του ηλεκτρονίου) τότε η Αρχή παίζει σημαντικό ρόλο στη διεύρυνση. 2.5.Παράγοντες που Επιδρούν στην Ενταση των Φασματικών Γραμμών Οι παράγοντες είναι βασικά τρείς Πιθανότητα μετάβασης (transition probability) Η ακριβής γνώση των κβαντικο-κυματομηχανικών συναρτήσεων μεταξύ δύο ενεργειακών καταστάσεων όπου θα γίνει μετάβαση και οι κανόνες επιλογής (selection rules), εάν δηλαδή μια μετάβαση είναι δυνατή ή όχι, μπορεί να βοηθήσει στη θεωρητική πρόγνωση της θέσης και της έντασης των φασματικών γραμμών. Αυτό όμως δεν είναι πάντοτε δυνατό Πληθυσμός των καταστάσεων (population of states) Εάν υπάρχουν δύο ενεργειακές στάθμες σε ένα μόριο που έχουν ίσες πιθανότητες μετάβασης σε μία τρίτη, τότε είναι φανερό ότι η πιο έντονη φασματική γραμμή θα προκύψει από την ενεργειακή στάθμη με το μεγαλύτερο 27

36 πληθυσμό μορίων. Η κατανομή πληθυσμών μορίων με δύο διαφορετικές καταστάσεις δίνεται από το Νόμο Κατανομής του Boltzmann (Boltzmann Distribution Law). Σε σύνολο αριθμού Ν μορίων, Ν κατ μόρια στην κατώτερη ενεργειακή κατάσταση και Ν ανωτ μόρια στην ανώτερη, τότε η στατιστική ανάλυση των δύο πληθυσμών στην κατάσταση ισορροπίας είναι: Νανωτ ΔΕ / kτ = e (2.6) Ν κατ όπου ΔΕ = Ε ανωτ Ε κατ, Τ είναι η απόλυτη θερμοκρασία σε 0 Κ και k είναι η σταθερά του Boltzmann με k = 1.38 x JK -1. Ο νόμος αυτός είναι βασικός για τη θεωρία της μοριακής φασματοσκοπίας (NMR) Συγκέντρωση και πάχος του δείγματος. Η ένταση των φασματικών γραμμών εξαρτάται από τη συγκέντρωση του δείγματος της ουσίας και το πάχος της δειγματοληπτικής κυψελίδας, ιδιαίτερα στην περίπτωση της ορατής και της υπεριώδους φασματοσκοπίας. Η απώλεια έντασης (di) φωτός ή ακτινοβολίας που προσπίπτει πάνω στο δείγμα με αρχική ένταση I και περνάει μέσα από υλικό πάχους dx και συγκέντρωση C (mol/l) δίνεται από την εξίσωση di = α C I dx, όπου α είναι ο συντελεστής απορρόφησης (absorption coefficient) και εξαρτάται από τη μοριακή δομή της ουσίας και τη συχνότητα του φωτός. Η εξίσωση γράφεται επίσης ως di/i = α C dx ή dlni = α C dx και εφαρμόζεται για κάθε λεπτό στρώμα της ουσίας στο οποίο μπορεί να διαιρεθεί. Εάν η ένταση του φωτός που εξέρχεται από το δείγμα, με μήκος (path length) είναι σε cm, και η ένταση του προσπίπτοντος είναι I ο, τότε η εξίσωση γίνεται: I I d ln I = Io acdx (2.7). 0 Εάν η συγκέντρωση είναι ομοιογενής σε όλο το δείγμα, τότε η C είναι ανεξάρτητη του x και η εξίσωση ολοκληρώνεται: acl I = I o e (2.8) Ο νόμος Beer-Lambert-Bouguer χρησιμοποιείται στην πράξη με λογαρίθμους: log I / I o = ε C l (2.9) όπου το ε (ε = α/2.303) καλείται συντελεστής απόσβεσης ή συντελεστής μοριακής απόσβεσης (extinction coefficient or molar extinction coefficient) της ουσίας για ορισμένη συχνότητα φωτός (μονάδες, συνήθως cm 2 /mmol). To ε C l καλείται οπτική πυκνότητα (optical density or absorbance). Επίσης στη φασματοσκοπία, για πρακτικούς λόγους, χρησιμοποιείται: log I o / I = ε C l (2.8) 100 Επίσης ισχύει log I o / I = ( Absorbance) = log( ) = ε C l, όπου % Transmission % Transmissi on I / I 100. (Absorbance απορρόφηση, Transmission διαπερατότητα). = o 28

37 2.6. Βιβλιογραφία: Πρακτικές Πλευρές της Φασματοσκοπίας 1. Walker S, Straw H. Spectroscopy, Vols 1 and 2. Chapman and Hall, London, 1961, 1962, Strangham BP, Walker S, Silverstein RM, Bassler G, Morrill T. Spectroscopic Identification of Organic Compounds. John Wiley and Sons, New York, 1963, 1974, King GW. Spectroscopy and Molecular Structure. Holt, Rinehart and Winston, New York, Dixon RN. Spectroscopy and Structure. Methuen, London, Dyer JR. Applications of Absorption Spectroscopy of Organic Compounds. Prentice-Hall, New York, Freeman SK. Interpretive Spectroscopy. Chapman and Hall, London Williams DH, Fleming I. Spectroscopy Methods in Organic Chemistry. McGraw-Hill, London, 1966, 1980 (3 rd ed). 8. Banwell CN. Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw-Hill, New York, 1966, 1972, Nakamoto K, McCarthy PJ. Spectroscopy and Structure of Metal Chelate Compounds. Wiley, New York, Pasto DJ, Johnson CR. Organic Structure Determination. Prentice-Hall, New Jersey, Scheimann F. (ed). An Introduction of Spectroscopic Methods for the Identification of Organic Compounds. Pergamon, New York, Brittain EFH, et al. Introduction to Molecular Spectroscopy: Theory and Experiment. Academic Press, London, Rao CN, Ferraro JR. (eds). Spectroscopy in Inorganic Chemistry, vols 1 and 2. Academic Press, New York, 1970, May L. Spectroscopic Tricks. Adam Hilger, London, Wiffen DH. Spectroscopy. Longman, London, 1971, Chang R. Basic Principles of Spectroscopy. McGraw-Hill, New York, Nachod FC, Zuckerman JJ. (eds). Determination of Organic Structures by Physical Methods, vol 4, Academic Press, New York, Creswell CJ, Runquist OA, Campbell MM. Spectral Analysis of Organic Compounds. Longman, London, 1970, Woodward LA. Introduction to the Theory of Molecular Vibrations and Vibrational Spectroscopy. Clarendon Press, Oxford, Howarth O. Theory of Spectroscopy. Nelson, London, Parikh VM. Absorption Spectroscopy of Organic Molecules. Addison-Wesley, Reading Mass, Steinfeld JI. Molecules and Radiation. An Introduction to Modern Molecular Spectroscopy. Harper and Row, New York, Robinson JW. (ed). Handbook of Spectroscopy. CRC Press, Florida, Kemp W. Organic Spectroscopy. MacMillan, London, 1975, Rao KN. (ed). Molecular Spectroscopy: Modern Research. Vols 1 and 2. Academic Press, New York, 1975,

38 26. Levine IM. Molecular Spectroscopy. Wiley Interscience, New York, Kroto MW. Molecular Rotation Spectra. Wiley Interscience, New York, Lambert JB, et al. Organic Structural Analysis. Macmillan, New York, Strangham BP, Walker S. (eds). Spectroscopy. Vol 1: Atomic, NMR, ESR, MQR, Mössbauer Spectroscopy, Vol 2: Molecular symmetry, Group theory, Microwave, IR. Raman, far-ir, Vol 3: Valence, electronic spectrum, quantum numbers, Photoelectron spectroscopy etc. Chapman and Hall, London, Jones DW. Introduction to the Spectroscopy of Biological Polymers. Academic Press, London, Smith RA. (ed). Very High Resolution Spectroscopy. Academic Press, London, Richards WG, Scott PR. Structure and Spectra of Atoms. Wiley, London, Drago RS. Physical Methods in Chemistry. WB Sannders, Philadelphia, Guillory WA. Introduction to Molecular Structure and Spectroscopy. Allyn and Bacon, Boston, Dyke SF, Floyd AJ, Sainsbury M, Theobald RS. Organic Spectroscopy: An Introduction. Longman, London, Crooks JE. The Spectrum in Chemistry. Academic Press, London, Pavia DL, Lapman GM, Krits GS. Introduction to Spectroscopy: A Guide for Students of Organic Chemistry. John Wiley and Sons, New York, Vanasse GA. (ed). Spectroscopic Technique. Academic Press, New York, vol 1, 1977, vol 2, 1981, Clero JT, Pretsch E, Seibl J. Structural Analysis of Organic Compounds. Elsevier, Amsterdam, Paponšek D, Aliev MR. Molecular Vibrational and Rotational Spectra. Elsevier, Amsterdam, Richards WG, Scott PR. Structure and Spectra of Molecules. John Wiley and Sons, Chichester, Sternhell S, Kalman JR. Organic Structures from Spectra. John Wiley and Sons, Chichester, 1986, 43. Hollas JM. Modern Spectroscopy. John Wiley and Sons, Chichester, Gilbert A, Pethybridge AD, Stebbings EV. Primer in Spectroscopy. Univ. of Reading, Reading, Williams DH. Spectroscopic Methods in Organic Chemistry. McGraw-Hill, New York, Brown DW, Floyd AJ, Sainsbury M. Organic Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Struve WS. Fundamentals of Molecular Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Sorrell TN. Interpreting Spectra of Organic Molecules. Oxford University Press, Oxford, Silverstein RM, Bassler GC, Morrill TC. Spectroscopic Identification of Organic Compounds. 5 th ed, John Wiley, New York,

39 50. Banwell CN, Mc Cash E. Fundamentals of Molecular Spectroscopy. McGraw Hill, New York, Williams DH, Fleming I. Spectroscopic Methods in Organic Chemistry. McGraw-Hill, New York, Havel HA, ed. Spectroscopic Methods for Determining Protein Structure in Solution. Wiley VCH, New York, Harwood LM, Claridge TDW. Introduction to Organic Spectroscopy. Oxford Chemistry Primers. Oxford Univ Press, Oxford, Pavia DL, Lampman GM, Kritz GS. Introduction to Spectroscopy: A Guide for Students of Organic Chemistry, 2 nd ed, Saunders, Fort Worth, PA, Hesse M, Meier H, Zeeh B. Spectroscopic Methods in Organic Chemistry. George Thiem Verlag, Stuttgart New York, Lambert JB, Shurvell HF, Lighter DA, Cooks RG. Organic Structural Spectroscopy. Prentice Hall, U. Saddle River, NJ, Crews P, Rodriguez J, Jaspars M. Organic Structural Analysis. Oxford University Press, Oxford, Hollas JM. High resolution Spectroscopy. 2 nd ed, John Willey, Chichester, Shriner RL, Hermann CKF, Morril TC, Curtin DY, Fuson RC. The Systematic Identification of Organic Compounds. 7 th ed, John Wiley, New York, Silverstein RM, Webster FX. Spectroscopic Identification of Organic Compounds, 6 th ed, Wiley, New York, Workman J, Springsteen A, eds. Applied Spectroscopy, Academic Press, London, Sternhell S, Kalman JR, Field LD, eds. Organic Structures from Spectra. John Wiley, New York,

40 32

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ Η υπέρυθρη φασματοσκοπία (Infrared Spectroscopy, IR) θεωρείται σημαντική φασματοσκοπική τεχνική στην Οργανική Χημεία, λόγω της ευκολίας λήψης φασμάτων και της σύγκρισής τους με φάσματα γνωστών οργανικών ενώσεων. Χρησιμοποιείται ευρύτατα κατά τη σύνθεση χημικών ενώσεων και για την πιστοποίηση της καθαρότητάς τους. Στην περιοχή υπερύθρου του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (IR) συμβαίνουν απορροφήσεις που οφείλονται σε δονήσεις ή κάμψεις των δεσμών των μορίων για ενώσεις με μόνιμη διπολική ροπή, που μεταβάλλεται κατά την παραμόρφωση του μορίου και απορροφούν ισχυρά στην περιοχή υπερύθρου. Εκτός από τις δονήσεις και τις κάμψεις υπάρχουν και άλλα είδη παραμόρφωσης της δομής των μορίων, όπως όταν αυτό σείεται (wagging), κλυδωνίζεται (rocking), στρεβλώνεται (twisting), ή έχει ψαλιδωτή κίνηση (scissoring), κ.λπ. C H H C H H H C H Symmetric Stretch (~2853 cm -1 ) Scissoring (~1450 cm -1 ) Wagging (~1250 cm -1 ) C H H C H H H C H Asymmetric Stretch (~2926 cm -1 ) ΔΟΝΗΣΕΙΣ ΤΑΣΗΣ Rocking Twisting (~720 cm -1 ) (~1250 cm -1 ) στο επίπεδο εκτός επιπέδου ΔΟΝΗΣΕΙΣ ΚΑΜΨΗΣ Σχήμα 3.1. Δονήσεις τάσης και κάμψης των μοριακών δομών και οι περιοχές απορρόφησης στην υπέρυθρη περιοχή. 33

42 3.1. Δονήσεις και Ενεργειακές Καταστάσεις στο Διατομικό Μόριο Εάν μελετηθεί ένα σταθερό διατομικό μόριο (π.χ. HCl), θα παρατηρηθούν ελκτικές και απωστικές δυνάμεις μεταξύ των ηλεκτρονικών τροχιών και των πρωτονίων του πυρήνα που δημιουργούν μια κατάσταση ισορροπίας. Η ισορροπία αυτή, με την ενέργεια του μορίου στην κατώτερη ή θεμελιώδη ενεργειακή στάθμη, έχει ως αποτέλεσμα τη σταθεροποίηση του μήκους του δεσμού μεταξύ των ατόμων. Κάθε λοιπόν προσπάθεια μεταβολής του μήκους του δεσμού θα απαιτήσει απορρόφηση ενέργειας από το περιβάλλον. Η κατάσταση του μορίου κατά την έκταση, συστολή ή ισορροπία σε σχέση με το μήκος του δεσμού και της δυναμικής του ενέργειας δίνεται στο σχήμα 3.2. Σχήμα 3.2. Δυναμική ενέργεια του μορίου κατά τη διαστολή ή συστολή σε σχέση με την κατάσταση ισορροπίας (r ισορ ). Στην κατώτερη ή θεμελιώδη ενεργειακή στάθμη, όπου το μόριο βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας, το μήκος του δεσμού είναι r ισορ. Εάν το μόριο δονείται (vibrate, εδώ χρησιμοποιείται ο όρος με την ίδια σχεδόν έννοια του ταλαντεύεται που στην αγγλική είναι oscillate) το μήκος του δεσμού θα μεταβάλλεται, όπως σε ένα ελατήριο με αρμονική κίνηση. Η δύναμη που αναπτύσσεται και τείνει να επαναφέρει το ελατήριο στη θέση του δίνεται από το νόμο του Hooke: F = f ( r rισορ ) (3.1) όπου f είναι σταθερά της δύναμης επαναφοράς και r η απόσταση των ατόμων. Η ενέργεια του μορίου, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.2, είναι μια παραβολική καμπύλη που δίνεται από την εξίσωση 3.2: 1 2 E = f ( r r ισορ ) (3.2) 2 Εάν το μόριο δονείται αρμονικά (με ίσες περιοδικές εκτάσεις και συστολές του μήκους του δεσμού), πράγμα που δε συμβαίνει με τα πραγματικά μόρια, τότε έχουμε ένα πρότυπο απλού αρμονικού ταλαντωτή (simple harmonic oscillator model) που θα μας βοηθήσει στη μελέτη των φασμάτων δόνησης (ή ταλάντωσης) στην περιοχή του υπερύθρου. 34

43 3.2. Εξισώσεις της Ενέργειας Δόνησης για τον Απλό Αρμονικό Ταλαντωτή Η εφαρμογή του προτύπου του αρμονικού ταλαντωτή στο διατομικό μόριο μπορεί να δώσει τη συχνότητα ταλάντωσης ν ταλ μέσω της εξίσωσης: 1 f ν ταλ = cps, Hz (3.3) 2π μ όπου f είναι η σταθερά της δύναμης επαναφοράς στη θέση ισορροπίας και μ m1m2 είναι η μάζα αναγωγής ( μ = για διατομικό μόριο με άτομα μάζας m 1 m1 + m2 και m 2, reduced mass). Μετατρέποντας τη συχνότητα σε κυματαριθμούς μέσω της σχέσης ω ταλ =ν ταλ /c (όπου c η ταχύτητα του φωτός), προκύπτει η εξίσωση: 1 f ω ταλ = cm -1 (3.4) 2π c μ Η σχέση αυτή είναι έχει πρακτική σημασία στη φασματοσκοπία IR. Στο σχήμα 3.2 παρατηρείται ότι το άτομο Α παραμένει ακίνητο, ενώ το Β μετακινείται είτε αριστερά Β (συστολή), είτε δεξιά Β (έκταση). Για τις ενεργειακές στάθμες ε 1 και ε 2 υπάρχουν διαφορές στο βαθμό συστολής ή διαστολής, αλλά η συχνότητα ταλάντωσης δεν μεταβάλλεται. Η συχνότητα ταλάντωσης ενός τέλεια ελαστικού δεσμού εξαρτάται από τη μάζα του συστήματος και τη σταθερά της δύναμης επαναφοράς, αλλά είναι ανεξάρτητη της ποσοτικής παραμόρφωσης του μορίου Υπολογισμός της ενέργειας κατά την ταλάντωση Ο υπολογισμός της ολικής ενέργειας ενός απλού αρμονικού ταλαντωτή (χωρίς τριβές και ενδοατομικές επιδράσεις που επιφέρουν απώλεια ενέργειας) γίνεται αρκετά εύκολα. Εάν το σύστημα κινείται συγχρόνως τότε η ολική ενέργεια είναι το άθροισμα της κινητικής (kinetic) και της δυναμικής ενέργειας (potential). Στην περίπτωση του αρμονικού ταλαντωτή η κινητική ενέργεια είναι μηδενισμένη κατά τη χρονική στιγμή της απομάκρυνσης, r r ισορ = Δr και η ολική ενέργεια είναι μόνο η δυναμική, που δίδεται από την εξίσωση 3.2. Η ενέργεια αυτή, όπως και με όλες τις μορφές μοριακής ενέργειας, είναι κβαντωμένη και για κάθε σύστημα μπορεί να υπολογιστεί από την εξίσωση Schrödinger. Για την ενέργεια του απλού αρμονικού ταλαντωτή η κβαντομηχανική δίνει την εξίσωση: 1 E = ( n + ) hν ταλ Joules (3.5) 2 όπου n = 0, 1, 2, (ακέραιος θετικός αριθμός) που καλείται δονητικός κβαντικός αριθμός (vibrational quantum number), h είναι η σταθερά Planck και ν ταλ είναι η συχνότητα σε cps. Για την κατώτερη ή θεμελιώδη ενεργειακή στάθμη 35

44 ταλάντωσης, n=0, η ενέργεια του απλού αρμονικού ταλαντωτή καλείται ενέργεια μηδενικού-σημείου (zero-point energy). Ακόμη και στην περίπτωση της ενέργειας μηδενικού-σημείου, φαίνεται 1 από την εξίσωση 3.5 ότι παραμένει ένα ποσό ενέργειας hν ταλ, δηλαδή το μόριο 2 δεν είναι τελείως ακίνητο, αλλά δονείται ελαφρά. Η περίπτωση αυτή δεν καλύπτονταν από την κλασική μηχανική. Εάν τώρα το μόριο από το κατώτερο επίπεδο απορροφήσει μια ποσότητα ενέργειας (ακτινοβολία) hν, όπου ν =2ν, θα πρέπει να διεγερθεί και να πάει στο ενεργειακό επίπεδο Ε 2. Ωστόσο, σύμφωνα με την κβαντομηχανική υπάρχουν μόνο ορισμένες επιτρεπόμενες μεταβάσεις (transitions) μεταξύ των διαφόρων ενεργειακών επιπέδων (στάθμες) για έναν αρμονικό ταλαντωτή, δηλαδή μόνο για ΔΕ = Ε n+1 E n = hν. Άρα, η μετάβαση από το Ε ο στο Ε 2 είναι απαγορευμένη, + ενώ οι μεταβάσεις E Ε + hν 1 hν o Ε 2 είναι επιτρεπτές. Η αρχή αυτή της κβαντομηχανικής καλείται κανόνας επιλογής (selection rule). Σχήμα 3.3. Επιτρεπόμενες ενεργειακές στάθμες και μεταβάσεις σε διατομικό μόριο που εκτελεί απλή αρμονική κίνηση. Εάν οι δονήσεις του διατομικού μορίου περιλαμβάνουν αλλαγές στη διπολική ροπή του, τότε το μόριο αλληλεπιδρά με την υπέρυθρη περιοχή του φάσματος της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και ανάλογα με τη μετάβαση προκαλεί απορρόφηση ή εκπομπή ενέργειας, που μπορεί να καταγραφεί με ένα φασματοφωτόμετρο. Σε ένα απλό αρμονικό ταλαντωτή η διαφορά ενέργειας μεταξύ των ενεργειακών σταθμών είναι ίδια, αφού βρίσκονται σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους (Σχήμα 3.3). Κάτι τέτοιο θα δημιουργούσε μεγάλη σύγχυση στα φάσματα IR, ωστόσο τα μόρια στην πραγματικότητα δεν συμπεριφέρονται κατά αυτόν τον τρόπο, δηλαδή δεν είναι ενωμένα με ένα ιδανικό ελατήριο, χωρίς τριβές και εκτελώντας αρμονική κίνηση. 36

45 3.3. Η κίνηση στον μη Αρμονικό Ταλαντωτή Στα πραγματικά μόρια η δόνησή τους δεν είναι αρμονική, λόγω της ανελαστικότητας των δομών τους. Έτσι, μόνο ένα μέρος των διαστολών και συστολών των δεσμών είναι ιδανικό (περίπου 10%), ενώ για μεσαίες ή μεγάλες διαστολές ή συστολές η δόνηση του μορίου είναι δυσαρμονική. Η ενέργεια στον μη αρμονικό ταλαντωτή (anharmonic oscillator) δεν είναι μια απλή συμμετρική παραβολική καμπύλη (όπως στο Σχήμα 3.2), αλλά όπως στο Σχήμα 3.4, συμπίπτοντας μόνο σε μια μικρή περιοχή γύρω από τη θέση ισορροπίας. Η εμπειρική μαθηματική εξίσωση για μια τέτοια καμπύλη γραμμή είναι: a( r r ) [ 1 exp ] 2 ισορ E = Dαφ (3.6) όπου α είναι μια σταθερά για τα διάφορα είδη διατομικών μορίων και D αφ είναι η ενέργεια αφεταιρισμού ή διάστασης (dissociation energy), δηλαδή η ενέργεια που απαιτείται για τη θραύση του δεσμού. Εάν χρησιμοποιηθεί η εξίσωση 3.6, αντί της 3.2 για τη γενική εξίσωση Schrödinger, τότε οι ενεργειακές στάθμες ταλάντωσης (ή δόνησης) παίρνουν τη μορφή: En = hν ταλ n + X e n + ή En = hω ταλc n + X e n + (3.7) όπου n = 0, 1, 2,, X e είναι η σταθερά της μη αρμονικής κίνησης και ω ταλ είναι η συχνότητα ταλάντωσης σε κυματαριθμούς. Η εξίσωση αυτή διαφέρει από την 3.5 του απλού αρμονικού ταλαντωτή με την προσθήκη του παράγοντα 2 1 hω ταλcx e n +, που δείχνει πως η διαφορά μεταξύ των ενεργειακών σταθμών 2 μειώνεται σταθερά καθώς αυξάνεται ο n. Σχήμα 3.4. Ενεργειακές στάθμες για έναν μη αρμονικό ταλαντωτή. Οι κανόνες επιλογής για τον μη αρμονικό ταλαντωτή είναι: Δn = ±1, ±2, ±3,, που σημαίνει ότι οι n = ±1 είναι οι ίδιοι με τον αρμονικό ταλαντωτή, ενώ οι n = ±2, n = ±3 κλπ, επιτρέπουν μεγαλύτερα άλματα προς τα επάνω ή προς τα κάτω στις άλλες ενεργειακές στάθμες που διαφέρουν κατά 2 ή 3 κβαντικά επίπεδα ενέργειας. Οι πιθανότητες τέτοιων αλμάτων προβλέπονται από τη 37

46 θεωρία και παρατηρούνται στα φάσματα IR, αλλά η πιθανότητα τους μειώνεται για ανώτερες ενεργειακές στάθμες και μόνο τα n = ±1, ±2 και ±3 έχουν αρκετά ισχυρή ένταση φασματικών γραμμών. Με την κατανομή Boltzmann ο πληθυσμός των μορίων με n = 1 στο ενεργειακό επίπεδο Ε 1 είναι μόνο 1% του πληθυσμού της θεμελιώδους ή κατώτερης κατάστασης (n = 0) και μειώνεται σημαντικά καθώς ανέρχεται σε άλλα ενεργειακά επίπεδα. Αγνοούνται λοιπόν όλες οι άλλες ενεργειακές μεταπτώσεις και περιοριζόμαστε σε εκείνες από την κατώτερη στάθμη προς τις ανώτερες. Η φασματική γραμμή για το ενεργειακό άλμα n=0 n=1 έχει σημαντική ένταση και καλείται θεμελιώδης απορρόφηση (fundamental absorption), ενώ η n=0 n=2 και η n=0 n=3 έχουν πολύ μικρότερη ένταση και καλούνται πρώτη και δεύτερη υπερτονική (first &second overtones), αντίστοιχα. Το φάσμα IR του HCl, για παράδειγμα, παρουσιάζει μια ισχυρή απορρόφηση στα 2886 cm -1, μία ασθενέστερη στα 5668 cm -1 και μία πολύ ασθενή στα 8347 cm -1. Υπερτονικές συχνότητες (overtone frequencies) ισχυρής ταινίας απορρόφησης από τη δόνηση του μορίου. Ο αριθμός τους ποικίλλει από 1-4, εμφανίζονται σε συγκεκριμένες αποστάσεις από τη θεμελιώδη, αλλά η έντασή τους μειώνεται σημαντικά, καθιστώντας δύσκολη την αναγνώρισή τους στα φάσματα IR Το Περιστρεφόμενο Διατομικό Μόριο Το υποκεφάλαιο αυτό είναι μία παρένθεση για να εξετασθεί η ενέργεια περιστροφής του διατομικού μορίου, που θα χρησιμοποιηθεί για τα μόρια που δονούνται και περιστρέφονται συγχρόνως. Η θεωρία του περιστρεφόμενου μορίου αφορά κυρίως το κεφάλαιο της φασματοσκοπίας μικροκυμάτων, που οφείλεται αποκλειστικά στην περιστροφή των μορίων, αλλά η περιστροφή μορίων είναι σύμφυτη ιδιότητά τους που παρεμβαίνει στη φασματοσκοπία IR. Ας φανταστούμε ένα δύσκαμπτο διατομικό μόριο που ενώνεται με ένα σταθερό δεσμό μήκους r o = r 1 + r2 και μάζες ατόμων m 1 και m 2. r 1 r 2 m 1 m 2 Z m 1 r 1 = m 2 r 2 r o = r 1 + r 2 r o Σχήμα 3.5. Διατομικό περιστρεφόμενο μόριο (όπου Ζ κέντρο μάζας). Το μόριο μπορεί να περιστρέφεται κατά τους τρεις άξονες στο χώρο με κέντρο το κέντρο μάζας Ζ. Η κίνηση κατά τους τρεις άξονες θα δημιουργήσει τρεις ροπές 38

47 αδράνειας, Ι α, Ι β και Ι γ. Ο άξονας α συμπίπτει με τον άξονα του δεσμού, με αποτέλεσμα η Ι α = 0. Επίσης Ι β = Ι γ γιατί οι άξονες α και β είναι ισοδύναμοι. Σχήμα 3.6. Περιστροφή διατομικού μορίου κατά τους τρεις άξονες. Η ροπή αδράνειας Ι β προσδιορίζεται ως: 2 2 Ι β = m1 r1 + m2 r2 (3.8) m1m2 αντικαθιστώντας: m1 r1 = m2 r2, r o = r 1 + r2 και μ = έχουμε: m1 + m2 2 Ι β = μ r ο (3.9) όπου μ είναι η ανηγμένη μάζα και r o είναι το μήκος του δεσμού. Εάν φανταστούμε ότι το μόριο έχει μόνιμη διπολική ροπή με κατεύθυνση προς m 1 (m 1 m 2 ), τότε το περιστρεφόμενο μόριο θα δημιουργήσει μια εναλλασσόμενη διπολική ροπή, που θα απορροφά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, με την προϋπόθεση ότι η συχνότητα περιστροφής του θα είναι η ίδια με αυτή της ακτινοβολίας. Όπως η ενέργεια δόνησης, έτσι και η ενέργεια περιστροφής ενός μορίου είναι κβαντωμένη. Με τη βοήθεια της εξίσωσης Schrödinger, η ενέργεια περιστροφής ενός δύσκαμπτου διατομικού μορίου είναι: 2 περ h Ε J = J ( J + 1) Joules (3.10) 8π 2 I β όπου J = 0, 1, 2, 3, είναι ο κβαντικός αριθμός περιστροφής (rotational quantum number). περ Οι κανόνες επιλογής για το E J είναι ΔJ = ±1, ενώ η ενέργεια μεταξύ δύο γειτονικών ενεργειακών επιπέδων για J = 2 είναι: 2 περ 2h Ε J J + 1 = ( J + 1) (3.11) 2 8π I Η εξίσωση μπορεί να εκφρασθεί σε συχνότητα, ν = ΔΕ/h (Hz) ή σε ΔE κυματαριθμούς ε J J =, hc 2 h ε J = ( J + 1) cm -1 (3.12) 8π 2 I β β 39

48 Στην εξίσωση 3.12, συνήθως ο όρος h 8 π 2 I β c = B καλείται σταθερά περιστροφής (rotational constant) και είναι χαρακτηριστικός για κάθε διατομικό μόριο, οπότε η εξίσωση γράφεται: ε = BJ ( J +1) (3.13) J Από την εξίσωση 3.13 είναι προφανές ότι για J = 0, ε J = 0 το μόριο θεωρείται ότι δεν περιστρέφεται. Για J = 1, η ενέργεια περιστροφής είναι ε J = B( 1+ 1) = 2B, κλπ. Ένα μόριο που βρίσκεται στην κατώτερη ή θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση περιστροφής (J = 0) μπορεί να απορροφήσει ενέργεια από προσπίπτουσα ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και με ενεργειακό άλμα να ανέβει στην J = 1 κατάσταση. Η ενέργεια που απορροφά είναι ε J = 2B cm -1 κυματαριθμούς. Από την J = 1 προς J = 2 η ενέργεια είναι 4Β cm -1, κλπ. Λαμβάνοντας υπόψη ότι κβαντικά επιτρεπτές είναι οι ΔJ=±1, οι γραμμές απορρόφησης στο φάσμα για τις μεταβάσεις από τη μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη είναι 2Β, 4Β, 6Β, 8Β cm -1 κ.λπ, δηλαδή διαφέρουν πάντοτε κατά 2Β cm -1, ενώ δε συμβαίνει το ίδιο για τις αποστάσεις μεταξύ ενεργειακών σταθμών. Για το δύσκαμπτο διατομικό μόριο υπάρχει και ένας άλλος παράγοντας που επιδρά στην εξίσωση της ενέργειας περιστροφής. Ο παράγοντας αυτός είναι η σταθερά της φυγόκεντρης παραμόρφωσης του μορίου, D, (centrifugal distortion constant) και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στην εξίσωση Το Διατομικό Περιστρεφόμενο και Δονούμενο Μόριο Οι ενέργειες δόνησης και περιστροφής διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους (η ενέργεια δόνησης είναι 100 φορές μεγαλύτερη από την ενέργεια περιστροφής). αλλά για να μπορέσουμε να τις μελετήσουμε μαζί σε ένα μόριο που (στην πραγματικότητα) δονείται και περιστρέφεται συγχρόνως, θα πρέπει να υποθέσουμε την προσέγγιση Born-Oppenheimer (Born-Oppenheimer approximation), ότι το μόριο εκτελεί τις δύο κινήσεις ανεξάρτητα τη μία από την άλλη. Έτσι, η ολική ενέργεια για τον μη αρμονικό δονητή είναι: Ε ολ = Εταλ + Επερ Joules (3.14) Αντικαθιστώντας τις Ε ταλ από την εξίσωση 3.7 και Ε περ από την εξίσωση 3.13, συν τον όρο για τη σταθερά φυγόκεντρης παραμόρφωσης, που είναι 2 2 DJ ( J +1), έχουμε: 2 2 [ BJ ( J + 1) DJ ( + 1) ] Eολ = hvταλ n + X e n + + hc J 2 2 ή σε κυματαριθμούς: 2 E 1 1 ολ ε + ( + 1) 2 ( + 1) 2 J = = ωταλ n + X e n + BJ J DJ J (3.15) hc

49 Σύμφωνα με τους κανόνες επιλογής, τα επιτρεπόμενα ενεργειακά άλματα για το συνδυασμό δόνησης και περιστροφής είναι Δn = ±1, ±2 κλπ, και ΔJ=±1. Μια γραφική αναπαράσταση των ενεργειακών μεταβάσεων για άλματα λόγω περιστροφής στα δύο κατώτερα επίπεδα δόνησης n = 0 και n = 1 παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.7. Όπως είναι φυσικό ο συνδυασμός δημιουργεί πολύπλοκα φάσματα με πολλές φασματικές γραμμές, αλλά μόνο έτσι μπορεί κανείς να εξετάσει την πραγματική κατάσταση σε ένα διατομικό μόριο (που και αυτό είναι σχετικά απλό συγκρινόμενο με τις οργανικές χημικές ενώσεις). Εάν για ένα διατομικό μόριο ΔJ=0 δεν είναι επιτρεπτή κατάσταση (εκτός από εξαιρετικές περιπτώσεις) και το Β παραμένει το ίδιο για τα δύο επίπεδα δόνησης (n = 0, n = 1), τότε η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο ενεργειακών σταθμών θα είναι: Δε = ε ε (βλ. Σχήμα 3.7), και αντικαθιστώντας γίνεται: J, n J ', n= 1 J '', n= Δε J, n = BJ '( J ' + 1) + 1 ωταλ 2 X eωταλ BJ ''( J '' + 1) + ωταλ X eω o o όπου ω ω 1 2X ), τότε Δε = ω + B( J ' J '')( J ' + J '' 1) cm -1. ταλ = ταλ ( e J, n ταλ + ταλ Σχήμα 3.7. Μεταβατικά ενεργειακά άλματα μεταξύ σταθμών περιστροφής και δόνησης σε ένα διατομικό μόριο και το φάσμα του. 41

50 Για τις δύο περιοχές του φάσματος (P και R) οι εξισώσεις είναι: o (α) ΔJ = + 1, δηλαδή J ' = J '' + 1 ή J ' J '' = + 1, άρα Δ ε J, n = ω ταλ + 2 B ( J ' ' + 1) cm -1, J '' = 0,1,2,... (β) ΔJ = 1, δηλαδή J '' = J ' + 1 ή J ' J '' = 1, άρα Δε o = ω 2B( J ' 1) cm -1, J, n ταλ + J '= 0,1,2,... Οι δύο εξισώσεις συνδυάζονται σε μία: o Δε J, n = ν φασμ = ωταλ + 2Bm cm -1 (3.16) το m μπορεί να πάρει τις τιμές ±1, ±2, ±3, (m 0). Για θετικές τιμές (m > 0), το ΔJ=+1, ενώ για αρνητικές τιμές (m < 0) το ΔJ= 1. Η συχνότητα ταλάντωσης ω καλείται κεντρική ταινία ή ταινία αφετηρίας (band centre or band origin). Η εξίσωση 3.16 στο φάσμα προκύπτει από το συνδυασμό δόνησης και περιστροφής του διατομικού μορίου. Το φάσμα, όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα 3.7, αποτελείται από δύο περιοχές. Την περιοχή P (για τις αρνητικές τιμές του m) και την περιοχή R (για τις θετικές τιμές του m). Εάν στον υπολογισμό της εξίσωσης 3.16 συμπεριληφθεί και η σταθερά φυγόκεντρης παραμόρφωσης D, τότε η εξίσωση έχει επιπλέον τον παράγοντα 4Dm 3, αλλά στην πραγματικότητα η D είναι 0.01% του Β, πράγμα που είναι πολύ δύσκολο να φανεί με την περιορισμένη διακριτική ικανότητα του φασματόμετρου. Η κατανομή των ταινιών απορρόφησης λόγω περιστροφής, που επικαλύπτουν τις ταινίες απορρόφησης λόγω δόνησης, για το CO στα 2140 cm -1 παρουσιάζεται στο σχήμα 3.8. o ταλ Σχήμα 3.8. Το κέντρο της θεμελιώδους ταινίας απορρόφησης του CO με υψηλό βαθμό διαχωρισμού. Επίσης στο σχήμα 3.9 δίδεται η εικόνα της θεμελιώδους ταινίας με πολύ μικρό βαθμό διαχωρισμού. 42

51 Σχήμα 3.9. Θεμελιώδης ταινία απορρόφησης CO με μικρό βαθμό διαχωρισμού. Η λεπτή υφή λόγω περιστροφής έχει χαθεί. Η μικρή κορυφή στα 4260 cm -1 είναι η πρώτη υπερτονική συχνότητα της θεμελιώδους απορρόφησης Δονήσεις Πολυατομικών Μορίων Στα πολυατομικά μόρια το φάσμα IR γίνεται πιο πολύπλοκο λόγω της επίδρασης των συχνοτήτων δόνησης και περιστροφής του μορίου στις διάφορες περιοχές απορρόφησης. Ωστόσο, η μελέτη των φασμάτων τους είναι η προέκταση των θεωρητικών συμπερασμάτων των φασμάτων των απλών μορίων. Εάν φανταστούμε ένα μόριο με Ν άτομα, τότε η θέση κάθε ατόμου στο χώρο καθορίζεται από τις τρεις ισότιμες συντεταγμένες x, y και z. Ο ολικός αριθμός των τιμών των συντεταγμένων είναι 3Ν, δηλαδή το μόριο έχει 3Ν βαθμούς ελευθερίας (degrees of freedom) κινήσεων στο χώρο. Εάν ορισθούν οι τρεις συντεταγμένες τότε σημαίνει ότι έχουν ορισθεί το μήκος των δεσμών και οι μεταξύ τους γωνίες. Έτσι, το μόριο είναι ελεύθερο να κινηθεί στον τρισδιάστατο χώρο χωρίς αλλαγή του σχήματός του. Ο ερευνητής μπορεί να αναφερθεί σε μια τέτοια κίνηση γνωρίζοντας τη θέση του κέντρου βάρους του μορίου σε σχέση με τις τρεις συντεταγμένες. Η κίνηση του μορίου χρησιμοποιεί 3 από τους 3Ν βαθμούς ελευθερίας, αφήνοντας 3Ν 3 αχρησιμοποίητους. Σε γενικές γραμμές, το ίδιο μπορεί να θεωρηθεί και για την περιστροφή ενός μη γραμμικού μορίου όταν αναλυθεί στα συστατικά μέρη των τριών καθέτων αξόνων συμμετρίας. Ο καθορισμός των αξόνων αυτών απαιτεί άλλους τρεις βαθμούς ελευθερίας, έτσι το μόριο έχει τελικά 3Ν 6 βαθμούς ελευθερίας στη διάθεσή του για να κινηθεί στο χώρο. Για ένα μη γραμμικό μόριο με Ν άτομα μπορούν να υπάρξουν 3Ν 6 διαφορετικές δονήσεις, ενώ για ένα γραμμικό μόριο, που δεν υπάρχει περιστροφή γύρω από τον άξονα του δεσμού, οι βαθμοί ελευθερίας είναι 3Ν Παραδείγματα (i) Ένα διατομικό γραμμικό μόριο (Ν=2) έχει βαθμούς ελευθερίας 3Χ2 5=1, δηλαδή παρουσιάζει μία μόνο θεμελιώδη δόνηση που απορροφά στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. 43

52 (ii) Σε ένα τριατομικό μόριο (Ν=3), όπως το Η 2 Ο οι βαθμοί ελευθερίας είναι 3Χ3 6=3, δηλαδή το μόριο παρουσιάζει τρία είδη δονήσεων (τάση, κάμψη και ταλάντωση). Κάθε είδος δόνησης περιγράφεται ανάλογα με την αλλαγή στο σχήμα του μορίου. Το παράδειγμα του μορίου του νερού φαίνεται στα σχήματα 3.10 και O O O H H H H H H (α) συμμετρική δόνηση τάσης cm -1 ν 1, παράλληλη ( ) (β) συμμετρική δόνηση κάμψης cm -1 ν 2, παράλληλη ( ) Σχήμα Οι τρεις θεμελιώδεις δονήσεις στο μόριο του Η 2 Ο. (γ) αντισυμμετρική δόνηση τάσης cm -1 ν 3, κάθετη ( ) Η περιστροφή γύρω από τον άξονα C 2 και η σύγχρονη δόνηση κάμψης προκαλεί μεταβολές στην κατεύθυνση και το μέγεθος της διπολικής ροπής του μορίου, με αποτέλεσμα την απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή υπερύθρου. H O H H O H H O H (α) ν 1 συμμετρική δόνηση τάσης H O H H O H H O H (β) ν 2 δόνηση κάμψης H O H H O H H O H (γ) ν 3 ασυμμετρική δόνηση τάσης Σχήμα Μεταβολές της διπολικής ροπής του μορίου Η 2 Ο κατά τις διάφορες δονήσεις. 44

53 Για το τριατομικό μόριο του CΟ 2, με 3Ν 5 = 4 βαθμούς ελευθερίας (Ν=3), αναμένουμε 4 διαφορετικά είδη δονήσεων. Η τέταρτη δόνηση προκύπτει από την κάμψη, που στην ουσία είναι μια διπλής μορφής δόνηση. Κατά τη μία, η κάμψη του μορίου γίνεται στο επίπεδο, που είναι η επιφάνεια της σελίδας του βιβλίου και η δεύτερη όταν τα άτομα του οξυγόνου κινούνται συγχρόνως πάνω κάτω σε σχέση με το επίπεδο αυτό. Οι δύο αυτές κινήσεις είναι ουσιαστικά οι ίδιες, εκτός από την κατεύθυνση στην οποία δονούνται και καλούνται εκφυλισμένες κινήσεις (degenerate motions). (iv) Για τέταρτο παράδειγμα χρησιμοποιείται το γραμμικό μόριο του υδροκυανίου (ΗCΝ). Οι δονήσεις του είναι: H C N H C N H C N H C N συμμετρική τάση αντισυμμετρική τάση κάθετη κάμψη εκφυλισμένες διατάξεις 3312 cm cm cm Συχνότητες Υπερτόνου και Συνδυασμού στα Φάσματα Απλών και Πολυατομικών Μορίων Τα φάσματα, ακόμη και πολύ απλών μορίων, όπως Η 2 Ο, CΟ 2 κ.λπ, είναι αρκετά σύνθετα ως αποτέλεσμα της ταυτόχρονης απορρόφησης για κάθε επιτρεπόμενη κίνηση δόνησης και περιστροφής. Η απλοποίηση του φάσματος γίνεται με τη συστηματική ανάλυση των απορροφήσεων στην περιοχή υπερύθρου. Παρά το μικρό αριθμό ταινιών απορρόφησης για κάθε βαθμό ελευθερίας ενός μορίου, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ότι: (α) οι δονήσεις δεν είναι πάντοτε αρμονικές και (β) ότι κάθε δόνηση επιδρά με τη σειρά της πάνω στις άλλες. Εάν όμως γίνουν δεκτές μερικές απλοποιήσεις, για παράδειγμα, ότι η δόνηση είναι αρμονική, τότε θα πρέπει να αναμένεται στην περίπτωση του διατομικού μορίου η θεμελιώδης απορρόφηση και οι υπερτονικές (πρώτη, δεύτερη κλπ), των οποίων βέβαια η ένταση εξασθενεί πολύ γρήγορα. Εκτός από αυτές τις δύο ταινίες απορρόφησης, οι κανόνες επιλογής επιτρέπουν ταινίες συνδυασμού και ταινίες διαφοράς (combination bands, difference bands). Οι συχνότητες των ταινιών (απορρόφησης) συνδυασμού και διαφοράς μπορούν να αυξηθούν σημαντικά με το φαινόμενο συντονισμού. Αυτό συμβαίνει όταν δύο κινήσεις δόνησης ενός μορίου έχουν συχνότητες πολύ κοντά η μία στην άλλη και καλούνται τυχαία εκφυλισμένες (accidentally degenerate). Συνήθως, ο τυχαίος εκφυλισμός φασματικών ταινιών γίνεται μεταξύ των χροιών των θεμελιωδών απορροφήσεων και άλλων απορροφήσεων που βρίσκονται πολύ κοντά από άποψη συχνότητας. Το φαινόμενο αυτό συντονισμού είναι γνωστό ως συντονισμός Fermi (Fermi resonance). 45

54 3.8. Επίδραση της Περιστροφής στο Φάσμα Πολυατομικών Μορίων Οι κανόνες επιλογής για το συνδυασμό δόνησης και περιστροφής ενός μορίου επιτρέπουν ενεργειακά άλματα μεταξύ των επιπέδων, όπου Δn = ±1 και ΔJ=±1. Το φάσμα της ταυτόχρονης δόνησης και περιστροφής αποτελείται από σειρά φασματικών γραμμών (ή ταινιών) σε ίσες σχεδόν αποστάσεις μεταξύ τους και από τις δύο πλευρές της κεντρικής ταινίας απορρόφησης. Οι κανόνες επιλογής για τις ενεργειακές μεταβάσεις λόγω περιστροφής (rotational transitions) στα πολύπλοκα μόρια εξαρτώνται άμεσα από την παράλληλη ή κάθετη δόνηση του μορίου καθώς και από το σχήμα του. Ποιά είναι η επίδραση αυτή για τα γραμμικά μόρια με παράλληλες μεταβολές της διπολικής ροπής ως προς τον κύριο άξονα της περιστροφικής συμμετρίας και κάθετες ως προς τον ίδιο άξονα; Γραμμικά μόρια με παράλληλες δονήσεις Οι κανόνες επιλογής για τα επιτρεπόμενα ενεργειακά επίπεδα είναι: ΔJ=±1, n = ±1 για απλή αρμονική κίνηση, και ΔJ=±1, Δn = ±1, ±2, ±3, κλπ για μη αρμονική κίνηση. Το φάσμα είναι παρόμοιο με αυτό του διατομικού μορίου αποτελούμενου από P και R περιοχές, με φασματικές γραμμές σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους και χωρίς την κεντρική ταινία απορρόφησης, όπως φαίνεται στο σχήμα 3.12 για το φάσμα του ΗCΝ. Σχήμα Φάσμα της συμμετρικής παράλληλης δόνησης τάσης για το μόριο του ΗCΝ. Στην περίπτωση των πολύπλοκων μορίων η τιμή του Β (σταθερά περιστροφής) είναι πολύ μικρή και ο διαχωρισμός των φασματικών γραμμών στις περιοχές P και R είναι αδύνατος. Για ένα μη γραμμικό μόριο οι ταινίες απορρόφησης είναι διαφορετικές από ό,τι σε ένα γραμμικό μόριο, γεγονός που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για το διαχωρισμό τους φασματομετρικά. 46

55 Γραμμικά μόρια με κάθετες δονήσεις Οι κανόνες επιλογής στην περίπτωση αυτή είναι: n = ±1, ΔJ=0, ±1 για απλή αρμονική κίνηση. Για ΔJ=0 (περιστροφική ενεργειακή μετάβαση μηδέν) υπάρχουν για πρώτη φορά μετάβαση λόγω δόνησης, χωρίς να υπάρχει συγχρόνως περιστροφική ενεργειακή μετάβαση. Σχήμα Ενεργειακές στάθμες περιστροφής σε δύο καταστάσεις δόνησης, δείχνοντας την επίδραση στο φάσμα για μεταβάσεις όπου ΔJ=0 (σύγκριση με το Σχήμα 3.7). Οι ενεργειακές μεταβάσεις για την περίπτωση ΔJ=0 αποτελούν την περιοχή Q και οι γραμμές απορρόφησης βρίσκονται πολύ κοντά η μία με την άλλη, δημιουργώντας έτσι μία έντονη ταινία απορρόφησης στο κέντρο (την o κεντρική ταινία απορρόφησης με συχνότητα ω ταλ ) λόγω δόνησης. Επειδή όμως τα Β (Β, Β, από τις ανάλογες εξισώσεις, που δεν αναφέρονται στο σημείο αυτό για συντομία) στην περιοχή αυτή είναι πολύ μικρά, οι γραμμές είναι δύσκολο να ξεχωρίσουν και με αυτό τον τρόπο προκύπτει μία ευρεία απορρόφηση γύρω από την ω, όπως φαίνεται στο σχήμα o ταλ 47

56 Σχήμα Φασματικές γραμμές του HCN για τις δονήσεις κάμψης στις περιοχές PQR, και για όργανα με μικρό βαθμό διαχωρισμού. Πολυατομικά μόρια με διπολική ροπή μηδέν (CO 2, HCN, CH 4 κλπ) δεν παρουσιάζουν ταινίες απορρόφησης στην περιοχή των μικροκυμάτων γιατί δεν έχουν μεταβολές στη διπολική τους ροπή κατά την περιστροφή. Ωστόσο, απορροφούν στην περιοχή υπερύθρου λόγω της δόνησης του μορίου τους, που φυσικά δημιουργεί μεταβολές της διπολικής ροπής Επίδραση του Πυρηνικού spin στις Φασματικές Γραμμές στην Περιοχή Υπερύθρου Το πυρηνικό spin (περιστροφή του πυρήνα των ατόμων γύρω από τον εαυτό του) επιδρά στη μορφή των ταινιών απορρόφησης ενός μορίου, στην περιοχή υπερύθρου. Ιδιαίτερα στα μόρια που έχουν κέντρο συμμετρίας (όπως για παράδειγμα το Ο C Ο) το πυρηνικό spin επηρεάζει τις φασματικές γραμμές (ή ταινίες) απορρόφησης στις περιοχές P και R, δημιουργώντας εναλλαγές στην ένταση τους και στην εκλέπτυνση της υφής του φάσματος Ανάλυση Φασμάτων Πολυατομικών Μορίων Είναι φυσικό, με όσα ήδη έχουν αναφερθεί, ότι η αύξηση του αριθμού των ατόμων σε ένα μόριο να προκαλέσει μεγάλο αριθμό θεμελιωδών απορροφήσεων, καθώς υπερτονικών και συνδυασμού. Παρά την πολυπλοκότητα των φασμάτων IR, υπάρχουν μερικές βασικές αρχές που βοηθούν στη συστηματική μελέτη τους. Έτσι για παράδειγμα, μόρια που έχουν την ίδια χαρακτηριστική ομάδα ατόμων (π.χ. CH 3, C C, NO 2, NH 2, OH, κλπ) απορροφούν περίπου στην ίδια περιοχή υπερύθρου, καθώς και οργανικά μόρια με παρόμοιο σκελετό ατόμων άνθρακα. Με βάση την εμπειρία και τις έρευνες πολλών επιστημόνων, οι απορροφήσεις 48

57 των οργανικών ενώσεων στο IR προέρχονται από δύο βασικές τάξεις δονήσεων (ή ταλαντώσεων): τις δονήσεις των χαρακτηριστικών ή δραστικών ομάδων (characteristic or functional group vibrations) και τις δονήσεις σκελετού (skeletal vibrations) Δονήσεις και συχνότητες απορρόφησης χαρακτηριστικών ομάδων Οι δονήσεις των χαρακτηριστικών ομάδων ενός μορίου είναι ανεξάρτητες της υπόλοιπης δομής του και συνήθως εμφανίζονται σε περιοχές του υπερύθρου φάσματος όπου δεν απορροφούν οι δονήσεις σκελετού. Η συνηθισμένη περιοχή χαρακτηριστικών απορροφήσεων είναι μεταξύ 4000 cm -1 και cm -1. Για παράδειγμα, η ομάδα μεθύλιο CH 3, δίνει χαρακτηριστική απορρόφηση της συμμετρικής τάσης του δεσμού C H στην περιοχή cm -1, της ασύμμετρης στην περιοχή cm -1, της συμμετρικής παραμόρφωσης του μορίου (με το άνοιγμα των γωνιών των ατόμων υδρογόνου) και της ασύμμετρης παραμόρφωσης, περίπου, στα 1470 cm -1. Υπάρχουν αρκετές χαρακτηριστικές ομάδες οργανικών ενώσεων που, όπως η ομάδα μεθύλιο, απορροφούν σε συγκεκριμένη περιοχή ανεξάρτητα του υπόλοιπου μορίου (π.χ. ΟΗ, C O, C N, C C, C S, NH 2, κλπ). Άλλα παραδείγματα θα μπορούσαν να είναι: η καρβονυλο-ομάδα (C O) που παρουσιάζει μία ισχυρή απορρόφηση στην περιοχή cm -1, ανάλογα με τη δομή του υπόλοιπου μορίου, η θειονυλο-ομάδα (C S) που εμφανίζει μία ταινία απορρόφησης στα 1100cm -1, και η ομάδα SH που παρουσιάζει χαρακτηριστική απορρόφηση στα 2580 cm Μετατόπιση συχνοτήτων απορροφήσεων χαρακτηριστικών ομάδων Σε ορισμένες περιπτώσεις, όταν οι χαρακτηριστικές ομάδες βρίσκονται η μία κοντά στην άλλη, τότε μπορεί να συμβεί συντονισμός των δύο θεμελιωδών δονήσεων, με αποτέλεσμα τη μετατόπιση των συχνοτήτων από την αναμενόμενη τιμή. Έτσι, όταν η ομάδα C O βρίσκεται απομονωμένη στις κετόνες (π.χ. RCOR) και ο διπλός δεσμός στα αλκένια ( C C ) παρουσιάζουν απορροφήσεις στα 1715 και 1650 cm -1 αντίστοιχα. Όταν όμως οι δύο ομάδες είναι C C C O πολύ κοντά η μια στην άλλη σε ένα μόριο (π.χ. ), τότε οι συχνότητες τους μετατοπίζονται στα 1675 και 1600 cm -1 αντίστοιχα. Αν οι δύο αυτές ομάδες βρεθούν ακόμη πιο κοντά (π.χ. C C O ), τότε οι απορροφήσεις τους παρουσιάζονται στα 2100 και 1100 cm -1, που είναι εντελώς διαφορετικές από τις αρχικές απορροφήσεις των ανεξάρτητων ομάδων. Επίσης, μετατοπίσεις συχνοτήτων των χαρακτηριστικών ομάδων στις οργανικές ενώσεις μπορούν να παραχθούν από τη δημιουργία δεσμών υδρογόνου μεταξύ δύο μορίων. Για παράδειγμα, η ισχυρή απορρόφηση του υδροξυλίου στις αλκοόλες βρίσκεται στην περιοχή cm -1. Οι μετατοπίσεις αυτές μπορούν να βοηθήσουν στην πιστοποίηση της δημιουργίας δεσμών υδρογόνου. 49

58 Ένας άλλος παράγοντας που επιδρά στις συχνότητες των χαρακτηριστικών απορροφήσεων είναι και η φυσική κατάσταση του μορίου. Ο γενικός κανόνας στην περίπτωση αυτή είναι ότι, όσο πιο συμπυκνωμένη είναι η φυσική κατάσταση του δείγματος της ουσίας που μελετούμε με IR, τόσο μειώνεται η συχνότητα των χαρακτηριστικών απορροφήσεων λόγω ενδομοριακών αλληλεπιδράσεων. Στο HCl για παράδειγμα, η απορρόφηση στα 100 cm -1 για την αέρια φάση μειώνεται στα 20 cm -1 κατά τη στερεοποίηση. Επίσης το μοριακό βάρος του χημικού μορίου παίζει και αυτό κάποιο ρόλο στη μετατόπιση της συχνότητας απορρόφησης. Σύμφωνα με την εξίσωση f ( ν ταλ = Hz), η μάζα αναγωγής βρίσκεται στον παρανομαστή και η 2π μ αύξηση της προκαλεί μείωση της συχνότητας δόνησης. Αυτό φαίνεται καθαρά στην περίπτωση των χαρακτηριστικών συχνοτήτων των παρακάτω ομάδων (μείωση της συχνότητας με αύξηση του μοριακού βάρους): C H C F C Cl C B C O C S ~ cm Συχνότητες απορροφήσεων στο IR για το σκελετό οργανικών ενώσεων Οι δονήσεις του σκελετού οργανικών ενώσεων με συνδυασμούς ατόμων C, H, O, S κλπ, παρουσιάζουν απορροφήσεις στην περιοχή cm -1 και επηρεάζονται σε σημαντικό βαθμό από την όλη δομή του μορίου. Οργανικά μόρια με ευθείες αλυσίδες ατόμων άνθρακα, με διακλαδώσεις και με αρωματικούς βενζολικούς δακτυλίους έχουν αρκετά είδη δονήσεων του σκελετού τους και παρουσιάζουν μεγάλο αριθμό απορροφήσεων στην περιοχή υπερύθρου. Οι απορροφήσεις αυτές που χαρακτηρίζουν το κάθε οργανικό μόριο και αποτελούν τη σφραγίδα των αλληλεπιδράσεων ολόκληρου του μορίου, καλούνται ταινίες απορρόφησης δακτυλικών αποτυπωμάτων (fingerprint absorption bands) Ένταση των φασματικών ταινιών (ή γραμμών) στο IR Η ένταση των φασματικών ταινιών μεταβάλλεται με τις αυξομειώσεις των τιμών της μόνιμης ηλεκτρικής διπολικής ροπής των μορίων. Αύξηση της διπολικής ροπής προκαλεί μεγαλύτερη απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή υπερύθρου, άρα και μεγαλύτερης έντασης ταινίες απορρόφησης. Η τιμή της διπολικής ροπής ενός μορίου επηρεάζεται από την πολικότητα του δεσμού μεταξύ των ατόμων. Έτσι στη σειρά των ενώσεων με τις ομάδες C O, C N, C C η πολικότητα του δεσμού μειώνεται λόγω της μείωσης της ηλεκτραρνητικότητας των O, Ν, C. Παρατηρείται λοιπόν μείωση της έντασης των ταινιών απορρόφησης στο IR για τις δονήσεις των παρακάτω δεσμών. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και για τη σειρά των ομάδων OH, NH και CH. 50

59 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ ΣΤΗΝ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ 4.1. Φασματοφωτόμετρα Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Σχηματική εικόνα για τη λειτουργία ενός φασματοφωτόμετρου IR παρατίθενται στο σχήμα 4.1 στο οποίο φαίνονται η πορεία που ακολουθεί το φως. Σχήμα 4.1. Σχεδιάγραμμα της εικόνας ενός φασματοφωτομέτρου IR. Η πηγή φωτός εκπέμπει σε όλη την υπέρυθρη περιοχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η πηγή φωτός είναι μια λάμπα με νήμα Ni-Cr (Nichrome). Άλλες πηγές φωτός χρησιμοποιούν νήμα Nernst (ZrΟ ή άλλα οξείδια σπάνιων γαιών) ή λάμπα υδραργύρου. Το κυριότερο μειονέκτημα των πηγών φωτός είναι η άνιση κατανομή ενέργειας σε σχέση με το μήκος κύματος και η μικρή ένταση τους. Η λάμπα Globar έχει σημαντικά μεγαλύτερη ένταση (κατασκευάζεται από καρβίδιο του πυριτίου) και χρησιμοποιείται σε καλής ποιότητας φασματοφωτόμετρα IR. Επίσης, χρησιμοποιείται στα φασματοφωτόμετρα IR με μετασχηματισμό Fourier (Fourier Tranform IR). Ο μονοχρωμάτορας είναι ένα σύστημα λεπτών σχισμών (slits) καθρεπτών, γυάλινων πρισμάτων και του φράγματος περίθλασης που αναλύει την ακτινοβολία σε ξεχωριστές λουρίδες φωτός με διαφορετικό μήκος κύματος. 51

60 Παλαιότερα χρησιμοποιούνταν πρίσματα NαCl που δεν απορροφούν την ακτινοβολία IR, αλλά στα νεότερα φασματοφωτόμετρα ο μηχανισμός του φράγματος περίθλασης είναι πιο αποτελεσματικός. Υπάρχουν τουλάχιστον δύο σχισμές στο όλο σύστημα του μονοχρωμάτορα. Οι σχισμές εισαγωγής και εξαγωγής, των οποίων το άνοιγμα μεταβάλλεται ανάλογα με το μήκος κύματος του φωτός. Αυτό επιτυγχάνεται είτε μηχανικά (με μια έκκεντρη μηχανική χτένα), είτε ηλεκτρικά (ποτενσιόμετρο). Η μείωση της σχισμής αυξάνει τη διακριτική ικανότητα ή βαθμό διαχωρισμού του φασματοφωτομέτρου, αλλά συγχρόνως μειώνει την ένταση του φωτός και απαιτείται σημαντική ενίσχυση του σήματος μέσα στον ανιχνευτή. Το φράγμα περίθλασης (grating diffraction) αντικατέστησε τα πρίσματα NαCl που ήταν ευαίσθητα στην υγρασία. Το φράγμα αναλύει ή σκεδάζει την ακτινοβολία στα συστατικά της μήκη κύματος με ένα σύστημα παράλληλων γραμμικών αυλακώσεων, που βρίσκονται σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους, πάνω σε μια γυαλιστερή μεταλλική επιφάνεια που λειτουργεί ως καθρέπτης. Όταν μια δέσμη φωτός πέσει πάνω στο φράγμα περίθλασης, κάθε αυλακωτή γραμμή μετατρέπεται σε νέα πηγή φωτός που εκπέμπει προς την κατεύθυνση του ανιχνευτή. Οι γραμμές είναι διατεταγμένες κατά αυτόν τον τρόπο ώστε το φως (ακτινοβολία) από ένα μόνο μήκος κύματος, και τα πολλαπλάσια του, να υποστούν θετική συμβολή σε μια ορισμένη γωνία του φράγματος περίθλασης. Ακτινοβολίες διαφορετικών μηκών κύματος μπορούν να ληφθούν περιστρέφοντας το φράγμα σε σχέση με την κατεύθυνση της δέσμης του φωτός από την πηγή, σαρώνοντας (scanning) έτσι τις διάφορες συχνότητες (ή μήκη κύματος) της ακτινοβολίας IR. Σχήμα 4.2. Σχηματική παράσταση φράγματος περίθλασης με κλιμακωτές γραμμικές αυλακώσεις. Εάν δύο δέσμες φωτός του ίδιου μήκους κύματος πέσουν σε δύο γειτονικές αυλακώσεις που έχουν απόσταση πολλαπλάσια (ακέραιος αριθμός 1, 2, 3, ) του μήκους κύματος, τότε οι διαθλώμενες δέσμες τους θα υποστούν συμβολή (και κατά συνέπεια ενίσχυση). Αντίθετα, εάν η απόστασή τους είναι πολλαπλάσια κατά 1+, 2 +, 3 +, (όχι ακέραιος αριθμός) τότε οι δέσμες φωτός που υπόκεινται σε διάθλαση θα εκλείψουν. 52

61 Η μαθηματική έκφραση του φράγματος περίθλασης είναι: d ( ημβ + ημϑ) = K λ (4.1) όπου Κ=1, 2, 3,, d η απόσταση μεταξύ δύο παραλλήλων αυλακώσεων, λ το μήκος κύματος της δέσμης του φωτός, β η γωνία μεταξύ της προσπίπτουσας δέσμης κάθετη στο επίπεδο του φράγματος και ϑ η γωνία μεταξύ της διαθλώμενης δέσμης και της καθέτου στο επίπεδο του φράγματος περίθλασης (βλέπε Σχήμα 4.3). Ο ανιχνευτής (detector) είναι το τμήμα του φασματοφωτομέτρου που δέχεται τη δέσμη μετά το φράγμα περίθλασης και ανιχνεύει ποσοτικά το ποσοστό της απορροφούμενης ακτινοβολίας από το δείγμα της ουσίας. Τα σημερινά φασματοφωτόμετρα IR χρησιμοποιούν θερμικούς ανιχνευτές, δηλαδή η ακτινοβολία μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια και η μεταβολή της θερμοκρασίας μετριέται με ένα θερμοστοιχείο ή με το στοιχείο Golay. Επίσης, χρησιμοποιούνται φωτοκύτταρα που μετρούν τη φωτοαγωγιμότητα της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Η λειτουργία του θερμοστοιχείου στηρίζεται στο ότι η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση του ηλεκτρικού δυναμικού. Καθώς οι δύο δέσμες φωτός (μία του δείγματος και μία του δείγματος αναφοράς, που στην περίπτωση του IR είναι η δέσμη φωτός που περνάει μέσα από τον αέρα) πέφτουν εναλλασσόμενες πάνω στον ανιχνευτή, με τη βοήθεια ενός περιστρεφόμενου δίσκου-καθρέπτη κοφτήρα (chopper or rotating sector mirror), το δυναμικό του θερμοστοιχείου μεταβάλλεται με το χρόνο, καθώς το δείγμα απορροφά ενέργεια από τη δέσμη φωτός. Η περίοδος της αυξομείωσης του δυναμικού είναι ίση με το χρόνο για το δίσκο-καθρέπτη να εκτελέσει μια πλήρη περιστροφή. Το θερμοστοιχείο βρίσκεται κλεισμένο ερμητικά σε κενό και επικοινωνεί με τη δέσμη μέσω ενός παραθύρου NαCl Το Σύστημα Διπλής Δέσμης Φωτός στα Φασματοφωτόμετρα Ο ατμοσφαιρικός αέρας περιέχει Ο 2, Ν 2, CO 2, υγρασία κλπ. Τα μόρια αυτά απορροφούν στην περιοχή υπερύθρου. Για να βρεθεί ένας τρόπος ώστε να αποφύγουμε τις απορροφήσεις χωρίς την εγκατάσταση συσκευής κενού, χρησιμοποιείται το σύστημα της διπλής δέσμης φωτός από την πηγή. Οι δύο δέσμες περνούν η μία μέσα από το δείγμα της ουσίας που μελετάται και η άλλη από τον αέρα, πέφτοντας στον ανιχνευτή αφού περάσουν από τον μονοχρωμάτορα και τον «κοφτήρα». Ο ανιχνευτής λοιπόν δέχεται εναλλασσόμενα μία στιγμή τη μία δέσμη και μία την άλλη, που διανύουν την ίδια απόσταση και η ενέργεια τους έχει μειωθεί εξίσου από τα συστατικά του αέρα. Όταν δεν υπάρχει δείγμα στην πρώτη δέσμη τότε ο ανιχνευτής δέχεται ένα σταθερό συνεχές ρεύμα και ο καταγραφέας χαράζει μια ευθεία γραμμή στο βαθμολογημένο χαρτί IR. Όταν το δείγμα απορροφά στην υπέρυθρη περιοχή, τότε ο ανιχνευτής δέχεται ένα ισχυρότερο σήμα από τη δέσμη αναφοράς που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εναλλασσόμενου ρεύματος. Η ανισότητα των δύο 53

62 δεσμών φωτός προκαλεί στον ανιχνευτή σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος ανάλογο με τη διαφορά των εντάσεών τους. Το σήμα αυτό ενισχύεται από τον ενισχυτή και τροφοδοτείται με ένα ειδικό ηλεκτρικό σερβοκινητήρα (servomotor) που περιστρέφεται κατά τους δείκτες του ρολογιού ή αντίθετα, ανάλογα με τη διαφορά της έντασης της δέσμης του δείγματος και της δέσμης αναφοράς (αέρας). Η κίνηση αυτή του σερβοκινητήρα προκαλεί την κίνηση μιας σφήνας ή εξασθενητού ή μεταβλητού οπτικού εξασθενητή (wedge or calibrated attenuator or variable optical attenuator), που φράζει ή ανοίγει τη δίοδο της δέσμης αναφοράς, ώστε και οι δύο δέσμες να εξισωθούν (ή το σήμα στον ανιχνευτή να μηδενισθεί). Η απόσταση που κινείται ο εξασθενητής είναι άμεση μέτρηση της ποσότητας ενέργειας που απορροφάται από το δείγμα. Η καταγραφή της κίνησης πάνω-κάτω του εξασθενητή, σε σχέση με τη συχνότητα του φωτός τη συγκεκριμένη στιγμή, είναι ουσιαστικά η καταγραφή του φάσματος. Ο εξασθενητής και η γραφίδα του καταγραφέα συνδέονται μεταξύ τους είτε μηχανικά είτε ηλεκτρικά (ποτενσιόμετρο) και με αυτόν τον τρόπο γίνεται η καταγραφή του φάσματος στο βαθμολογημένο χαρτί IR (ruled chart paper) καθώς κινείται η τράπεζα του μηχανήματος, όπου εφαρμόζεται το φασματογραφικό χαρτί. Συνοπτικά, η λειτουργία του φασματοφωτομέτρου IR είναι η ακόλουθη: φως από τη λάμπα της πηγής διαχωρίζεται με καθρέπτες σε δύο δέσμες, μια που περνάει μέσα από το δείγμα (πλακίδιο με KBr, υγρό, αέριο ή διάλυμα σε Nujol) και μία μέσα από τον αέρα ως δέσμη αναφοράς. Η δέσμη αναφοράς μπορεί να βυθισθεί (η έντασή της ) με ένα εξωτερικό οπτικό εξασθενητή (reference beam attenuator) ώστε να αρχίσουμε τη σάρωση του φάσματος μέσα στα περιθώρια του βαθμολογημένου χαρτιού. Οι δύο δέσμες ανακλώνται από τον κοφτήρα (που περιστρέφεται 10 φορές το δευτερόλεπτο) προκαλώντας τις δύο δέσμες να πέσουν πάνω στο φράγμα περίθλασης εναλλασσόμενα. Καθώς το φράγμα περίθλασης περιστρέφεται αργά-αργά (σάρωση του φάσματος), ανακλά δέσμες φωτός με διαφορετικές συχνότητες προς τον ανιχνευτή, που με το θερμοστοιχείο του μετατρέπει την ενέργεια της υπέρυθρης ακτινοβολίας σε ηλεκτρική ενέργεια. Όταν το δείγμα απορροφήσει ακτινοβολία ορισμένης συχνότητας, ο ανιχνευτής δέχεται εναλλασσόμενα (από τον κοφτήρα) μία ισχυρή δέσμη (αναφοράς) και μία ασθενή δέσμη (δείγματος). Αυτό προκαλεί τη δημιουργία εναλλασσόμενου ηλεκτρικού ρεύματος από τον ανιχνευτή στον ενισχυτή. Ο ενισχυτής είναι κατασκευασμένος ώστε να ενισχύει μόνο εναλλασσόμενο ρεύμα. Ο ενισχυτής συνδέεται με το σερβοκινητήρα που θέτει σε λειτουργία την οπτική σφήνα ή τον εξασθενητή, που με τη σειρά του ανεβοκατεβαίνει μέσα στη δίοδο της δέσμης αναφοράς ώστε ο ανιχνευτής να δέχεται φως ίσης έντασης και από τις δύο δέσμες. Η κίνηση αυτή του εξασθενητή, που είναι συνδεδεμένος με τη γραφίδα του καταγραφέα, επιτρέπει την καταγραφή των απορροφήσεων στο βαθμολογημένο φασματοσκοπικό χαρτί του IR. 54

63 4.3. Συνθήκες για τη Σάρωση και Καταγραφή Φασμάτων IR Πριν αρχίσει η καταγραφή οποιουδήποτε φάσματος πρέπει να διαβαθμίσουμε (ή βαθμονομήσουμε) το φασματοφωτόμετρο με μία γνωστή ουσία (calibration). Χρησιμοποιείται δείγμα φίλμ πολυστυρολίου (του οποίου ο καθαρισμός δεν επιτρέπεται να γίνει με ακετόνη γιατί το διαλύει). Το πολυστυρόλιο παρουσιάζει αρκετές ισχυρές απορροφήσεις IR με ακριβείς συχνότητες. Κυρίως χρησιμοποιείται η ταινία απορρόφησης στα 1603 cm -1 για την εσωτερική διαβάθμηση του οργάνου (με μικρή εσωτερική βίδα) και του φασματοσκοπικού χαρτιού. (α) FT-IR (β) IR Σχήμα 4.3. Φάσμα πολυστυρολίου, φιλμ πάχους 0.05 mm,όπου (α) FT-IR και (β) με κανονικό φασματοφωτόμετρο υπερύθρου. 55

64 4.3.1.Παρασκευή δειγμάτων για φάσματα IR Η ποιότητα του φάσματος εξαρτάται κατά μεγάλο βαθμό από την ποιότητα της ουσίας που εξετάζουμε (απουσία υγρασίας, καθαρότητας κλπ) και από τον τρόπο παρασκευής του δείγματος. Τα φάσματα αερίων είναι δυνατό να ληφθούν με τη χρήση καταλλήλων κυψελίδων (cells) που είναι κατασκευασμένες από ορυκτό NαCl. Τα φάσματα υγρών χημικών ουσιών λαμβάνονται με δύο τρόπους. Ο απλούστερος είναι να εναποτεθούν 1-2 σταγόνες του υγρού (απολύτως ξηρού) πάνω σε ένα πλακίδιο ορυκτού NαCl και να το συμπιεσθεί με ένα άλλο ώστε να δημιουργηθεί ένα λεπτό φιλμ του υγρού μεταξύ τους. Για παχύρρευστα υγρά χρησιμοποιείται διάλυμα Nujol ή άλλος διαλύτης (πρέπει όμως να αφαιρεθούν τις απορροφήσεις τους από το τελικό φάσμα). Τα πλακίδια NαCl καθαρίζονται με ξηρούς διαλύτες και φυλάσσονται σε ξηραντήρες με αρκετή ποσότητα Silica gel. Για δείγματα που περιέχουν μικρές ποσότητες νερού χρησιμοποιούνται πλακίδια CαF 2. Για τις στερεές ουσίες υπάρχουν τρεις τεχνικές: (α) Τα δισκία KBr παρασκευάζονται αναμιγνύοντας ποσότητα της ουσίας με KBr. Συνήθως αναμιγνύονται mg ουσίας με 200 mg KBr και ανακατεύονται πολύ καλά με τη βοήθεια μικρού γουδιού και γουδοχέρι από αχάτη. Το μίγμα πιέζεται σε tonnes με ταυτόχρονη εφαρμογή κενού για την παραλαβή ιχνών υγρασίας. Το δισκίο έχει διάμετρο ~13 mm και πάχος ~0.3 mm. (β) Η ουσία διασκορπίζεται (διάλυμα) σε Nujol (υγρή παραφίνη) ανακατεύοντας την σε ένα μικρό γουδί. Το παρασκεύασμα τοποθετείται μεταξύ πλακιδίων ορυκτού NαCl και συμπιέζεται σε λεπτό φιλμ. Το Nujol απορροφά σε ορισμένες γνωστές συχνότητες που αφαιρούνται από το φάσμα. Συνήθως οι απορροφήσεις του σκεπάζουν τις περιοχές απορρόφησης των ομάδων C H (δονήσεις τάσης ~3000 cm -1 ) και C H (δονήσεις κάμψης ~1400 cm -1 ). Στην περίπτωση που δεν θέλουμε οι απορροφήσεις αυτές να σκεπάσουν τις απορροφήσεις της ουσίας μας χρησιμοποιούμε εξαχλωροβουταδιένιο ή φθοριομένους υδρογονάνθρακες. Το Nujol χρησιμοποιείται γιατί διαλύει μεγάλο αριθμό οργανικών ενώσεων, (γ) Παρασκευάζεται λεπτό φιλμ της ουσίας με διάλυση σε διαλυτικό χαμηλού σ.ζ. και εξάτμισης του διαλύματος πάνω σε ένα πλακίδιο NαCl. (α) ειδική κυψελίδα για αέρια (β) μεταβαλλόμενου πάχους κυψελίδα για υγρά 56

65 (γ) κυψελίδα από NαCl για διάλυμα ουσίας σε συγκεκριμένο διαλύτη (η κυψελίδας περιέχει μόνο το διαλύτη) (δ) για στερεές ουσίες προετοιμασία πλακιδίου KBr (ανάμιξη 1:100 ουσίας με KBr και συμπίεση μεταξύ μεταλλικών πλακιδίων) Σχήμα 4.4. Συσκευές και κυψελίδες για τη λήψη φασμάτων IR (α) αέρια, (β) υγρά με μεταβαλλόμενο πάχος κυψελίδας, (γ) υγρά, (δ) στερεά σε μίγμα με KBr και απαρασκευή πλακιδίου Ποσοτική Ανάλυση με Υπέρυθρη Φασματοσκοπία Η φασματοσκοπία IR χρησιμοποιείται για ποσοτικές αναλύσεις οργανικών ενώσεων ή μίγματος χημικών ουσιών, όταν δε μπορούν να εφαρμοσθούν άλλοι μέθοδοι, όπως η υπεριώδης φασματοσκοπία ή φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού, που είναι πιο ακριβείς. Η φασματοσκοπία IR παρουσιάζει προβλήματα στους ποσοτικούς προσδιορισμούς με τους διαλύτες, τη συγκέντρωση της ουσίας, το πάχος της κυψελίδας, τη γραμμή βάσης (base line) κλπ, και για αυτό χρησιμοποιείται όταν οι άλλες μέθοδοι δεν είναι ικανοποιητικές. Η ποσοτική σχέση μεταξύ της έντασης του φωτός που διαπερνά το δείγμα της ουσίας και τη συγκέντρωση της στο διάλυμα δίνεται από το νόμο Beer- Lambert-Bouguer: 57

66 I = I o exp( α c l) (4.2) όπου Ι ο είναι η ένταση (ενέργεια) της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω στο δείγμα, c είναι η συγκέντρωση, l το πάχος του δείγματος και α είναι ο συντελεστής απορρόφησης. Η εξίσωση 4.2 μπορεί να μετατραπεί σε: log I o / I = ε c l (4.3) όπου ε καλείται συντελεστής απόσβεσης. Ο νόμος ισχύει για μονοχρωματικό φως και για μικρές συγκεντρώσεις. Συνήθως, τα φασματοφωτόμετρα καταγράφουν το φάσμα σε γραμμική μορφή, όπου στην αριστερή κάθετη πλευρά έχουμε την % Διαπερατότητα (% Transmittance) και στην οριζόντια πλευρά τις συχνότητες σε κυματαριθμούς. Η εξίσωση 4.3 μπορεί να γραφτεί ώστε να δίνεται η διαπερατότητα και η οπτική πυκνότητα Α: I o 100 log = A = log = ε c l (4.4) I % T Η διαπερατότητα αλλάζει από 100% μέχρι 0%, ενώ η οπτική πυκνότητα (Α) είναι από 0 μέχρι άπειρο ( ). Σχήμα 4.5. Ποσοτική εκτίμηση διαφόρων ταινιών απορρόφησης στο IR. Η ποσοτική εκτίμηση των ταινιών απορρόφησης, όπως φαίνονται στο Σχήμα 4.5, γίνεται με τον παρακάτω τρόπο: T 1 = AX και T 2 = BX για τη γραμμή βάσης και για την κορυφή ταινίας. Η οπτική πυκνότητα Α της ταινίας είναι: Α ταιν ί ας = Α κορ Α γραμ. βασ. Δηλαδή: % T1 AX Α log log τ = = Α = log = log % T 2 % T τ 1 % T2 BX 58

67 Το βασικό πρόβλημα στις ποσοτικές αυτές εκτιμήσεις των ταινιών είναι η σχεδίαση της γραμμής βάσης. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για τη σχεδίαση αυτή, όπως φαίνεται στο σχήμα 4.4, αλλά δεν υπάρχει γενικός κανόνας Φασματοσκοπία Υπερύθρου με Μετασχηματισμό Fourier Η φασματοσκοπία IR χρησιμοποιείται κυρίως στην περιοχή cm -1, ωστόσο αρκετά χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή πολλών οργανικών ενώσεων μπορούμε να παρατηρήσουμε και στην περιοχή cm -1, που καλείται άπω υπέρυθρη (far infra-red). Η άπω υπέρυθρη περιοχή είναι η περιοχή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας όπου απορροφούν το δευτέριο, το τρίτιο, οι παραμορφώσεις του σκελετού οργανικών ενώσεων, οι δονήσεις στρέβλωσης του κορμού διαφόρων οργανικών ενώσεων, οι δονήσεις διαφόρων μοριακών δομών, οι δεσμοί υδρογόνου ( cm -1 ) κ.λπ. Στην περιοχή όμως αυτή η ευαισθησία του φασματοφωτομέτρου IR είναι περιορισμένη και οι εντάσεις των απορροφήσεων πολύ μικρές, με αποτέλεσμα ο θόρυβος να σκεπάζει τις ταινίες απορρόφησης. Η αδυναμία των κοινών φασματοφωτομέτρων IR (και άλλων μεθόδων φασματοσκοπίας, όπως θα δούμε στα φάσματα 13 C) υπερνικήθηκε με τη φασματοσκοπία IR με μετασχηματισμό Fourier (Fourier Transform IR Spectroscopy, F.T.-IR). Η ανάλυση κατά Fourier ή μετασχηματισμός Fourier είναι η ανάλυση μιας μαθηματικής συνάρτησης ή μιας πειραματικά λαμβανομένης καμπύλης με τη μορφή μιας τριγωνομετρικής σειράς. Χρησιμοποιείται ως μέθοδος προσδιορισμού των αρμονικών συστατικών ενός πολύπλοκου περιοδικού κύματος. Περισσότερα για τη θεωρία Fourier στον 13 C-ΝΜR. Η μέθοδος βασίζεται στην καταγραφή του φάσματος με συμβολομετρικές μετρήσεις (interferometric measurements) που υπερτερούν των κοινών μηχανισμών σάρωσης του φάσματος. Η διάταξη του μηχανισμού στο φασματοφωτόμετρο για τη διεργασία Fourier είναι η παρακάτω: 59

68 Σχήμα 4.6. Σχηματική εικόνα ενός τυπικού φασματοφωτομέτρου FT-IR και διάταξη των πηγών, καθρεπτών και ανιχνευτή. Το συμβολόμετρο (interferometer) είναι μια πλάκα (Α) κατασκευασμένη από ημιδιαφανές υλικό, συνήθως KBr που δεν απορροφά την IR, και κατεργασμένη κατά τέτοιο τρόπο ώστε να ανακλά το 50% της ακτινοβολίας που πέφτει πάνω της. Η πλάκα διαιρεί την ακτινοβολία σε δύο ίσα μέρη και στέλνει το ½ στον καθρέπτη Μ 1 και το άλλο ½ στον καθρέπτη Μ 2. Οι δύο δέσμες ανακλώνται στους καθρέπτες και γυρνούν στην πλάκα-διαχωριστή (plate-beam splitter) της δέσμης του φωτός, όπου συνενώνονται πάλι σε μια δέσμη φωτός με κατεύθυνση το δείγμα της ουσίας και μετά στον ανιχνευτή. Η μονοχρωματική δέσμη φωτός που εκπέμπεται από την πηγή και συνενώνεται στην πλάκα Α υπόκειται σε θετική ή αρνητική συμβολή ανάλογα με τις αποστάσεις του από τους καθρέπτες Μ 1 και Μ 2. Εάν οι αποστάσεις αυτές είναι ίσες ή διαφέρουν κατά πολλαπλάσιο του μήκους κύματος (ολόκληροι ή ακέραιοι αριθμοί) της μονοχρωματικής δέσμης, τότε δημιουργείται θετική συμβολή που δίνει μια δέσμη φωτός μεγάλης έντασης. Εάν όμως οι αποστάσεις της Α από τους Μ 1 και Μ 2 είναι μισοί ολόκληροι αριθμοί (1/2, κλπ) του μήκους κύματος, τότε οι δέσμες φωτός ανακλώνται στους καθρέπτες, επανέρχονται στην Α και εξουδετερώνονται. Στη μονάδα συμβολομέτρου, ο καθρέπτης Μ 2 κινείται αργά προς την πλάκα Α ή απομακρύνεται από αυτή. Με τον τρόπο αυτό ο ανιχνευτής θα δέχεται ακτινοβολία εναλλασσόμενης έντασης λόγω φαινομένου συμβολής. Η πηγή μπορεί να εκπέμπει μια σειρά από μονοχρωματικές ακτινοβολίες (ν 1, 60

69 ν 2, κ.λπ) που θα δημιουργήσουν στον ανιχνευτή ένα περίπλοκο μίγμα ακτινοβολιών με εναλλασσόμενες εντάσεις. Με τη βοήθεια του μετασχηματισμού Fourier τα κενά αυτά μετατρέπονται στο κανονικό φάσμα IR. Συνήθως η καταγραφή των σημάτων στον ανιχνευτή γίνεται κάθε 0,001 sec και κάθε πληροφορία συσσωρεύεται σε ένα από τα 1000 σημεία του προγραμματισμένου φάσματος. Ο ηλεκτρονικός υπολογιστής επεξεργάζεται τις πληροφορίες (εντάσεις απορροφήσεων σε διάφορες συχνότητες), εκτελεί τους μετασχηματισμούς Fourier σε ελάχιστα sec και παρουσιάζει κανονικό φάσμα, που έχει αναλυθεί σε 1000 σημεία, έτοιμο για καταγραφή στο βαθμολογημένο φασματογραφικό χαρτί. Η όλη διαδικασία γίνεται σε 1-2 δευτερόλεπτα, και μετά από σαρώσεις του φάσματος ο θόρυβος έχει μειωθεί σημαντικά ενώ οι εντάσεις των απορροφήσεων βελτιώνονται σε σημαντικό βαθμό. Η ικανότητα διαχωρισμού των φασματικών γραμμών για το F.T.-IR στην περιοχή cm -1 είναι περίπου 4 cm -1. Η ικανότητα αυτή μπορεί να βελτιωθεί με αύξηση των σημείων συγκέντρωσης πληροφοριών για το φάσμα και την απόσταση κίνησης του Μ 2. Τα πλεονέκτημα του F.T.-IR είναι η ταχύτητά του. Ενώ στη συμβατική μέθοδο κάθε σημείο εξετάζεται διαδοχικά, στο συμβολόμετρο όλα τα σημεία εξετάζονται συγχρόνως και μετά διαχωρίζονται με ταχύτατο υπολογισμό από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή. Με F.T.-IR μπορεί να γίνει σάρωση όσες φορές χρεαστούν για την εξουδετέρωση του θόρυβου, να αφαιρeue;i ένα φάσμα από ένα άλλο (διάλυμα, προσμίξει), να μεγενθύνουμε τμήματα του φάσματος και να επεξεργασθεί στην οθόνη του υπολογιστή κ.λπ. Είναι προφανές ότι τα F.T.-IR θα αντικαταστήσουν σε λίγα χρόνια τα συμβατικά φασματοφωτόμετρα IR. (α) (β) 61

70 (γ) Σχήμα 4.7. FT-IR φασματοσκοπία: (α) φάσμα υδροχλωρικής μεθαδόνης με μία σάρωση, (β) σάρωση της ίδιας ουσίας 32 φορές (FT-IR) με αντίστοιχη μείωση του θορύβου, (γ) παράδειγμα φασμάτων FT-IR μίγματος δύο ουσιών (παρακεταμόλης και 1-φαινυλο-1,2- αιθανοδιολο-2-καρμαμίδιο), αφαίρεση φασμάτων και σύγκριση φάσματος (παρακεταμόλης) με φάσμα αναφοράς Ερμηνεία Φασμάτων Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Η ερμηνεία φασμάτων IR δεν είναι εύκολη εργασία αλλά απαιτεί πρακτική εξάσκηση. Απαιτείται μεγάλη εμπειρία και πειραματισμός για την επεξήγηση των διαφόρων ταινιών απορρόφησης, ακόμη και απλών οργανικών ενώσεων. Επίσης, υπάρχει πληθώρα βιβλιογραφίας και πινάκων για τις βασικές απορροφήσεις των σπουδαιότερων οργανικών ενώσεων. Για την ερμηνεία των φασμάτων IR πρέπει να πάρουμε υπόψη μας τα παρακάτω σημεία: 62

71 (α) Οι απορροφήσεις χαρακτηριστικών ή δραστικών ομάδων εμφανίζονται συνήθως στην περιοχή cm -1. (β) Οι απορροφήσεις σκελετού εμφανίζονται στην περιοχή κάτω των 1500 cm -1 (περιοχή δακτυλικών αποτυπωμάτων), αλλά η ακριβής εκτίμησή τους είναι πιο δύσκολη. (γ) Οι χαρακτηριστικές ομάδες δίνουν μία ή περισσότερες απορροφήσεις, που εξαρτώνται από τη φύση και τη θέση τους στο μόριο. (δ) Πολλές χαρακτηριστικές ομάδες δίνουν ασθενείς απορροφήσεις που είναι δύσκολο να διακριθούν. (ε) Σύγκριση των φασμάτων αγνώστων ενώσεων (με ορισμένες ενδείξεις ως προς τη δομή τους) με φάσματα γνωστών ενώσεων, μπορούν να δώσουν θετικά αποτελέσματα για την πιστοποίησή τους. Θεωρητικά, τα δύο φάσματα πρέπει να είναι παρόμοια. (στ) Οι πίνακες IR με τις χαρακτηριστικές απορροφήσεις (δραστικών ομάδων και σκελετού) οργανικών ενώσεων είναι συντεταγμένοι με τις γενικές εκτιμήσεις των περιοχών που απορροφούν από την επιστημονική βιβλιογραφία. (ζ) Οι απορροφήσεις ταινιών ή γραμμών ή κορυφών (bands, lines, peaks) διακρίνονται ανάλογα με την έντασή τους σε ισχυρές (strong, s), μέτριες (medium, m), ασθενείς (weak, w) και πλατιές (broad, br). Η σύγκριση αυτή είναι ποιοτική και πρέπει να γίνεται κάτω από τις ίδιες συνθήκες συγκέντρωσης, χρόνου σάρωσης κ.λπ Φάσματα Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Ορισμένων Ομάδων Οργανικών Ενώσεων C C C C Αλκάνια Τα φάσματα IR των κορεσμένων υδρογονανθράκων αποτελούνται κυρίως από απορροφήσεις δονήσεων τάσης των δεσμών C H και C C, καθώς και δονήσεων κάμψης. Οι συχνότητες για συμμετρικές και ασύμμετρες τάσεις δεσμών εμφανίζονται στα 2900 cm -1 (s) και οι συχνότητες για τις δονήσεις κάμψης στα 1400 cm -1. Επιπλέον, υπάρχει μια σειρά από συχνότητες συστροφής της μεθυλικής ομάδας στην περιοχή cm -1. Οι διακλαδούμενες αλυσίδες ατόμων άνθρακα αναγνωρίζονται από H 3 C C ορισμένες συχνότητες. Για παράδειγμα, δύο μεθύλια H 3 C στο ίδιο άτομο άνθρακα δίνουν μια ταινία με δύο κορυφές στα 1370 και 1385 cm -1. Οι CH ομάδες αναγνωρίζονται από την εμφάνιση φασματικών ταινιών στην περιοχή δακτυλικών αποτυπωμάτων, ενώ τα αλκάνια με κανονικές αλυσίδες (ευθείες) δεν απορροφούν στην περιοχή αυτή. 63

72 Σχήμα 4.8. Φάσμα υπερύθρου της ένωσης 2,2-διμεθυλοβουτάνιο. ( Στο παράδειγμα του σχήματος 4.7 υπάρχουν μόνο τρεις χαρακτηριστικές απορροφήσεις στα 2900, 1375 και 742 cm -1. Η πρώτη απορρόφηση οφείλεται στη συμμετρική και ασύμμετρη δόνηση τάσης του δεσμού C H. Η ταινία με τη διπλή κορυφή στα cm -1 είναι μάλλον ένα διμεθύλιο. Στην περιοχή ~700 cm -1 και με πληροφόρηση από άλλη πηγή φαίνεται ότι είναι ένα προπύλιο. Άρα η δομή: CH 3 CH 3 CH 2 CH CH 3 CH 3 C C Αλκένια Τα υδρογόνα του διπλού δεσμού συγκρατούνται πιο ισχυρά από τα άτομα του άνθρακα σε σχέση με τα αλκάνια (οι δεσμοί έχουν περισσότερο s- χαρακτήρα) και οι δονήσεις τάσης εμφανίζονται σε ελαφρά υψηλότερη συχνότητα. Έτσι οι απορροφήσεις: διπλού δεσμού, CH 2 στα 3080 cm -1 (ασύμμετρη), 2975 cm -1 (συμμετρική) και CHR στα 3020 cm -1 (ασύμμετρη). Οι υδρογονάνθρακες με απορροφήσεις πάνω από 3000 cm -1 έχουν ακόρεστους δεσμούς. Οι συχνότητες δονήσεων τάσης για τους δεσμούς C C είναι συνήθως ασθενείς μέχρι μέτριες και εμφανίζονται γύρω στα 1600 cm -1. Για παράδειγμα, η ένωση H 2 C CΗ (CH 2 ) 5 CΗ 3 (1-οκτένιο) παρουσιάζει δονήσεις τάσεις στα 1645 cm

73 Σχήμα 4.9. Φάσμα υπερύθρου της ένωσης 1-οκτένιο. ( Το φάσμα υπερύθρου για την ένωση cis-4-οκτένιο,όπυ ο διπλός δεσμός είναι στη μέση του μορίου. Οι απορροφήσεις μεταβάλλονται ελαφρά στην περιοχή , και cm -1. Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της ένωσης cis-4-οκτένιο Αλκίνια ( C C ) Στους υδρογονάνθρακες με C C δεσμούς τα υδρογόνα του τριπλού δεσμού συγκρατούνται ακόμη πιο ισχυρά και η απορρόφησή τους εμφανίζεται στην περιοχή cm -1. Ο τριπλός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα παρουσιάζει δονήσεις τάσης στην περιοχή cm -1 και cm -1 (και 65

74 οι δύο ασθενείς). Ένας άλλος τριπλός δεσμός που κυριαρχεί σε αρκετές οργανικές ενώσεις είναι ο C Ν, συνήθως απορροφά στην περιοχή cm -1. Ένα παράδειγμα IR φάσματος αλκινίου φαίνεται στο σχήμα Πρόκειται για το 1-εξίνιο, στο οποίο ο δεσμός CH παρουσιάζει απορρόφηση στα 3305 cm -1 και ο τριπλός δεσμός μεταξύ των ατόμων άνθρακα C C στα 2110 cm -1. Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της ένωσης 1-εξίνιο Αρωματικοί υδρογονάνθρακες Οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες παρουσιάζουν μεγάλο αριθμό δονήσεων τάσης και κάμψης για τις ομάδες C C και C Η. Οι πιο ισχυρές απορροφήσεις εμφανίζονται μεταξύ 900 και 675 cm -1, που χαρακτηρίζουν τις οργανικές ενώσεις. Επιπλέον, υπάρχει μια δόνηση τάσης για το δεσμό C C στην περιοχή cm -1. Οι συμμετρικές και ασύμμετρες τάσεις του δεσμού C Η εμφανίζονται στην περιοχή cm -1. Ένα παράδειγμα φάσματος αρωματικού υδρογονάνθρακα φαίνεται στο σχήμα Από το φάσμα του τολουολίου προκύπτουν οι ακόλουθες γενικές παρατηρήσεις: (α) Οι υποκατεστημένοι βενζολικοί δακτύλιοι παρουσιάζουν ασθενείς αλλά αρκετά συγκεκριμένες φασματικές γραμμές στην περιοχή cm -1. Τα μονο-υποκατεστημένα παράγωγα δίνουν τέσσερις φασματικές ταινίες απορρόφησης στην ίδια περιοχή. Τα ορθο-υποκατεστημένα παράγωγα εμφανίζουν δύο ταινίες με τρεις κορυφές (triplet), τα μετα-υποκατεστημένα παράγωγα εμφανίζουν δύο φασματικές γραμμές και μία ταινία με τρεις κορυφές και τα παρα-υποκατεστημένα παράγωγα δύο φασματικές γραμμές, με την 66

75 ισχυρότερη στην υψηλότερη συχνότητα (Σχήμα 4.12). Οι απορροφήσεις αυτές είναι κυρίως δονήσεις υπερτονικές και συνδυασμού από δείγματα με μεγάλες συγκεντρώσεις. Σχήμα Φάσματα IR τολουολίου (C 6 Η 5 CΗ 3 ), ο-μεθυλο και m-μεθυλο τολουολίου. 67

76 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της ένωσης τολουολίου και χαρακτηριστικές απορροφήσεις για τα ο-, m-, p- υποκατεστημένα παράγωγα στην περιοχή cm -1. (β) Επίσης, πληροφορίες για τις αρωματικές ενώσεις λαμβάνονται από την εμφάνιση απορροφήσεων για το δεσμό C Η και ειδικά για τις δονήσεις κάμψης εκτός επιπέδου του δακτυλίου (out-of-plane). Τα μονο-υποκατεστημένα παράγωγα απορροφούν στην περιοχή cm -1 και cm -1, τα ορθοστην περιοχή cm -1, τα μετα- στην περιοχή cm -1 και cm -1 και τα παρα- στην περιοχή cm -1. Σχήμα Φάσμα IR της ένωσης p-χλωροτολουόλιο, C 7 Η 7 Cl. 68

77 Η ένωση C 7 Η 7 Cl παρουσιάζει αρκετές ισχυρές απορροφήσεις στα 800 cm -1, που δηλώνει αρωματικό χαρακτήρα και τη φασματική γραμμή στα 3100 cm -1 που εκφράζει ακόρεστο χαρακτήρα. Οι ταινίες απορρόφησης στα 2870 cm -1 και 2940 cm -1 δείχνουν την παρουσία κεκορεσμένης δόνησης τάσης του δεσμού C Η και κατά συνέπεια την ομάδα μεθύλιο ( CΗ 3 ). Οι απορροφήσεις στην περιοχή cm -1 και η φασματική γραμμή στα 820 cm -1 επιβεβαιώνουν την παρουσία της παρα-υποκατάστασης Ενώσεις με καρβονυλική ομάδα C O Η χαρακτηριστική απορρόφηση της καρβονυλικής ομάδας εμφανίζεται στην περιοχή cm -1. Για τις περισσότερες αλδεΰδες, κετόνες και καρβονυλικά οξέα η απορρόφηση βρίσκεται κοντά στα 1700 cm -1. Η καρβονυλική δόνηση τάσης επηρεάζεται από φαινόμενα έλξης ή απώθησης των ηλεκτρονίων στο διπλό δεσμό C O. Για παράδειγμα, παρατηρείται μετατόπιση προς υψηλότερες συχνότητες όταν τα υδρογόνα του άνθρακα αντικατασταθούν με φθόριο (ισχυρό ηλεκτραρνητικό στοιχείο): CH 3 C CH 3 CF 3 C CH 3 CF 3 C CF 3 F C F O O O O 1724 cm cm cm cm -1 Επίσης, το ίδιο φαινόμενο εμφανίζεται και με τα παρα-υποκατεστημένα παράγωγα της ακετοφαινόνης. Καθώς η ηλεκτραρνητικότητα της ομάδας R αυξάνει, η απορρόφηση του καρβονυλίου μετατοπίζεται σε υψηλότερες συχνότητες. R C O CH 3 R NH 2 OMe CH 3 H I, Br NO 2 Συχνότητα cm Το φαινόμενο προκαλείται από την αυξανόμενη ανισοκατανομή των ηλεκτρονίων στο δεσμό C O. Οι αλδεΰδες H C O απορροφούν γενικά cm -1 υψηλότερα από τις αντίστοιχες κετόνες και παρουσιάζουν τα ίδια ηλεκτρονικά και συζυγικά φαινόμενα. Επίσης, οι αλδεΰδες παρουσιάζουν δύο ασθενείς δονήσεις τάσης του C Η στην περιοχή cm -1. Η εμφανιζόμενη ταινία στα 2720 cm -1 θεωρείται χαρακτηριστική αλδεϋδών. Η απορρόφηση καλείται Fermi doublet. Στο σχήμα 4.15 παρουσιάζεται το IR φάσμα της βουταλδεΰδης με απορροφήσεις στα 2720 και στα 1730 cm

78 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της βουταλδεΰδης (CΗ 3 (CΗ 2 ) 2 CΗΟ) με ίχνη νερού, στα 3300 cm -1. Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της ένωσης 2-χλωροβενζαλδΰδης, με τη διπλή κορυφή (Fermi doublet) στα 2750 και 2870 cm -1. O OH Τα καρβοξυλικά οξέα C, με το βενζοϊκό οξύ ως χαρακτηριστικό παράδειγμα, εμφανίζουν μια διπλή απορρόφηση γύρω στα cm -1. Όταν το βενζοϊκό οξύ είναι σε πυκνό διάλυμα συνήθως βρίσκεται σε διμοριακή μορφή: O H O C C O H και η απορρόφηση της καρβονυλικής ομάδας του διμερούς εμφανίζεται ακριβώς στα 1700 cm -1. Σε αραιά διαλύματα (10% μονομερής μορφή) η απορρόφηση της O 70

79 καρβονυλικής ομάδας του μονομερούς εμφανίζεται στα 1750 cm -1. Η απορρόφηση του ΟΗ στο διμερές μετατοπίζεται στα cm -1, ενώ στο μονομερές βρίσκεται στα 3500 cm -1. Τα καρβονικά οξέα εμφανίζουν επίσης σύζευξη (coupling) των δονήσεων τάσης των ομάδων C Ο και Ο Η στα 1420 και 1300 cm -1 και κάμψη της κύριας δομής για το ΟΗ στα 935 cm -1. Σχήμα Φάσμα υπερύθρου βενζοϊκού οξέος (πυκνό διάλυμα σε CCl 4 ). O Οι εστέρες C OR εμφανίζουν απορροφήσεις της καρβονυλικής ομάδας σε υψηλότερες συχνότητες σε σχέση με τις κετόνες γιατί η ομάδα ΟR αποσταθεροποιεί τη δόνηση τάσης. Έτσι στην ακετόνη, η καρβονυλική ομάδα απορροφά στα 1720 cm -1, ενώ στον μεθυλεστέρα του οξικού οξέος (CΗ 3 CΟΟ CΗ 3 ) στην περιοχή cm -1. Επίσης, οι εστέρες εμφανίζουν μια ισχυρή ταινία απορρόφησης στα cm -1 και μία ή περισσότερες ταινίες στην περιοχή cm -1, από τη σύζευξη δονήσεων τάσης των δεσμών C Ο και C C. Οι μεθυλεστέρες εμφανίζουν ταινίες απορρόφησης τριπλής κορυφής στα 1200 cm Αιθέρες (C Ο C) Οι αιθέρες παρουσιάζουν χαρακτηριστικές απορροφήσεις ανάλογα με τον αριθμό των ατόμων άνθρακα γύρω από το οξυγόνο, που οφείλονται στην ισχυρή απορρόφηση της ασύμμετρης δόνησης τάσης της ομάδας C Ο C. Αιθέρες Απορροφήσεις cm -1 CH 3 OCH 3 (CH 3 CH 2 ) 2 O CH 3 CH O CH CH 3 CH 3 CH και , 1135 και

80 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου του μεθυλοφαινυλο αιθέρα (ανισόλη). Από τον εμπειρικό μοριακό τύπο της ένωσης και από τις ισχυρές απορροφήσεις στα cm -1 γίνεται φανερό ότι η ένωση είναι αρωματική. Επίσης, η διάταξη των απορροφήσεων στην περιοχή cm -1 καθιστά αρκετά πιθανή την παρα-υποκατάσταση και οι απορροφήσεις στα 2830 cm -1 και 1190 cm -1 είναι χαρακτηριστικές της μεθοξυ-ομάδας ( ΟCΗ 3 ). Η ένωση που προκύπτει είναι : CH 3 O Αλκοόλες (ROH) και φαινόλες (C 6 H 5 OH) Οι αλκοόλες αναγνωρίζονται εύκολα από μία ευρεία και ισχυρή απορρόφηση στα cm -1. Επίσης, παρουσιάζουν απορροφήσεις που R O H O R οφείλονται στους δεσμούς υδρογόνου H, για δύο μόρια στην περιοχή cm -1 και σε πολυμερή στην περιοχή cm -1. Οι αλκοόλες παρουσιάζουν ισχυρές ταινίες απορρόφησης για τις δονήσεις τάσης δεσμού C Ο, ανάλογα με την υποκατάσταση: (α) πρωτοταγείς αλκοόλες: cm -1. (β) δευτεροταγείς αλκοόλες: cm -1. (γ) κυκλικές αλκοόλες: cm

81 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της κ-πεντανόλης και της φαινόλης p-αιθυλοφαινόλη. Οι φαινόλες παρουσιάζουν την ισχυρή-ευρεία απορρόφηση στην περιοχή cm -1 και αρκετές απορροφήσεις στην περιοχή cm -1. Η απορρόφηση στα 1400 cm -1 είναι δόνηση στρέβλωσης Ο Η και στα 1000 cm -1 δόνηση τάσης του δεσμού C ΟΗ Αμίνες, αμίδια, νιτρίλια οξέων και αρωματικά αμινοξέα (RNH 2, CΟNH 2, C N, ΦNH 2 ). Η πιο χαρακτηριστική απορρόφηση των πρωτοταγών και δευτεροταγών αμινών είναι η δόνηση τάσης του δεσμού N H, που εμφανίζεται: (α) στις πρωτοταγείς αμίνες: cm -1 (doublet), (β) στις δευτεροταγείς αμίνες: cm -1 ταινία με μία κορυφή (singlet). Η απορρόφηση από τη δόνηση της παραμόρφωση του δεσμού N H στα cm -1 για τις πρωτοταγείς αμίνες και στην περιοχή cm -1 για τις δευτεροταγείς. Οι αρωματικές αμίνες (π.χ. ανιλίνη) αναγνωρίζονται από δύο ταινίες απορρόφησης στην περιοχή cm -1 και μία ταινία στην περιοχή cm -1. Οι τριταταγείς αμίνες (R 3 N) είναι πιο δύσκολο να πιστοποιηθούν γιατί δεν υπάρχει δόνηση τάσης του N H ή δόνηση παραμόρφωσης. Οι αμίνες, γενικά, αναγνωρίζονται εύκολα όταν κατεργασθούν με ένα οξύ και απομονωθούν ως άλατα. Το αμμωνιακό άλας που σχηματίζεται απορροφά στην περιοχή cm

82 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της ανιλίνης(c 6 H 5 NH 2 ). Η διπλή κρυφή στα cm -1 στις δευτεροταγείς αμίνες μετατρέπεται σε απλή κορυφή λόγω ενός Η. Το φάσμα υπερύθρου της μεθυλοανιλίνης στο σχήμα Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της μεθυλοανιλίνης. Τα αμίδια οξέων παρουσιάζουν παρόμοια φάσματα IR με τις πρωτοταγείς αμίνες, εκτός από την χαρακτηριστική απορρόφηση του καρβονυλίου που εμφανίζεται στην περιοχή cm -1. Τα νιτρίλια οξέων παρουσιάζουν μία και μοναδική χαρακτηριστική ταινία απορρόφησης στην περιοχή cm -1 από τη δόνηση τάσης του δεσμού C N. 74

83 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου ενός αρωματικού αμιδίου ( NΗCO ), διάλυμα σε χλωροφόρμιο Αμινοξέα και άλατά τους. Τα αμινοξέα συναντώνται σε τρεις μορφές: C COO C CHOOH C COO Na NH 3 NH 3 Cl NH 2 Τα ελεύθερα αμινοξέα χαρακτηρίζονται από τις παρακάτω απορροφήσεις: (α) μία ισχυρή πλατιά ταινία της ομάδας ΝΗ + 3 στα cm -1, (β) μία ασθενή ταινία της ασύμμετρης κάμψης της ΝΗ + 3 στα cm -1, (γ) μία σχετικά ισχυρή ταινία από τη συμμετρική κάμψη της ΝΗ + 3 στα cm -1. Η ιονισμένη μορφή της καρβοξυλικής ομάδας O απορροφά ισχυρά στην περιοχή cm -1 (ασύμμετρη δόνηση τάσης) και μία πιο ασθενή ταινία εμφανίζεται στα 1400 cm -1 (συμμετρική δόνηση τάσης). Τα υδροχλωρικά άλατα των αμινοξέων απορροφούν στην περιοχή cm -1 (επικάλυψη NH + 3 και OH). O Επίσης, στην περιοχή cm -1 (ισχυρή, της C C C ) και στην περιοχή cm -1 (ισχυρή απορρόφηση της καρβονυλικής ομάδας) για τα α- αμινοξέα. C O 75

84 Σχήμα Φάσμα υπερύθρου της L-αλανίνης, με τις χαρακτηριστικές απορροφήσεις του ΟΗ και της ΝΗ 2 στην περιοχή cm -1 και του καρβονυλίου στην περιοχή cm

85 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΕΜΠΤΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΣΤΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ ΚΑΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ 5.1 Χαρακτηριστικές Απορροφήσεις Διαφόρων Ομάδων Οργανικών Ενώσεων στην Περιοχή της Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Ονομασία-τύποι οργανικών ενώσεων Παρατηρήσεις επί των φασματικών γραμμών Συχνότητα cm -1 (wave number) A. ΚΟΡΕΣΜΕΝΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ Ενώσεις με μεθυλο-ομάδες ( CH 3 ) Δόνηση τάσης C H CH 3 ασύμμετρη (s) CH 2 ασύμμετρη CH 3 συμμετρική (s) CH 2 συμμετρική CH συμμετρική (s) CH 2 ασύμμετρη (m) CH 3 CO μετατόπιση σε υψηλότερη συχνότητα ~ (w) CH 2 CO ~ CH 3 O (μεθοξυ ) συμμετρική (m) CH 3 N συμμετρική (m) (μεθυλαμινο ) Δόνηση παραμόρφωσης (κάμψης, κλυδωνισμού κλπ) C H CH 3 ασύμμετρη (m) 77

86 CH 2 CH 3 συμμετρική (ψαλιδωτή) συμμετρική (χαρακτηριστική) (m) CH ~ 1340 (w) CH 3 CO συμμετρική (s) CH 2 CO συμμετρική CH 3 COΟ (m) CH 2 Φ (s) CH 3 O συμμετρική CH 3 N συμμετρική (s) (κάμψη) Δονήσεις σκελετού C(CH 3 ) 2 (ισοπροπυλο ) C(CH 3 ) 3 (τεταρτοταγές βουτυλο ) ~ ~ ~ ~ C (CH 2 ) n C n = 2 (κλυδωνισμού) B. ΑΚΟΡΕΣΤΟΙ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΕΣ 1. Αλκένια C C Δόνηση τάσης C H RCH CH 2 ασύμμετρη ~ 3080 (m) ~ 3020 R 1 R 2 C CH 2 ~ 3080 R 1 CH CHR 2 cis ~ 3020 (m) R 1 CH CHR 2 trans ~ 3020 (m) R 1 R 2 C CHR 3 ~ 3020 Δόνηση τάσης C H RCH CHR ~ 1640 (m) R 1 R 2 C CH 2 ~

87 R 1 CH CHR 2 cis ~ 1660 R 1 CH CHR 2 trans ~ 1675 R 1 R 2 C CHR 3 ~ 1670 C C C C δύο φασματικές (διένια) γραμμές ~ (m) C C n διευρυμένες (m) (πολυένια) φασματικές γραμμές Ö C C ~ 1630 (m) C C C O (m) C C X 1650(F) 1593(I) (Χ: αλογόνο) F F C C ~ 1798 F 3 C F Δονήσεις παραμόρφωσης C H (στο επίπεδο, in plane) Δονήσεις παραμόρφωσης C H (εκτός επιπέδου διπλού δεσμού, out of plane) RCH CH 2 ~ Δονήσεις βινυλικής ομάδας (διαχωρισμός του μοναχικού H και της ομάδας μεθυλίου, CH 3 ) H ~3020cm -1 R C C ~1600cm -1 H H δονήσεις τάσης στο διπλό δεσμό βινυλίου αντισυμμετρική H ~3080 συμμετρική ~2975 C R C H H In-plane (στο επίπεδο του δ.δ) out-of-plane (εκτός επιπέδου του δ.δ) δονήσεις στρέβλωσης στο διπλό δεσμό 2. Αλκίνια C C H δόνηση τάσης ~ 3300 (s) C C δόνηση τάσης (στο τέλος ανθρακικής αλυσίδας) C 79

88 C C δόνηση τάσης (σε ενδιάμεση θέση ανθρακικής αλυσίδας) C H παραμόρφωση (κάμψη) (s) Γ. ΑΡΩΜΑΤΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ C 6 H 5, Φ, C H δόνηση τάσης 2-3 οξείες φασματικές (m) γραμμές C H δόνηση τάσης σκελετού: ~ 1600 (m s) 1596 C C δόνηση τάσης σκελετού ανάλογα με τον υποκαταστάτη: C 6 H 5 Cl C 6 H 5 NO C C δόνηση τάσης σύζευξη C Ο ~ 1580 σκελετού C C δόνηση τάσης σκελετού C C δόνηση τάσης σκελετού οξεία φασματική γραμμή ~ 1500 οξεία φασματική γραμμή συνήθως επικαλύπτεται από CH 2 και CH 3 δονήσεις παραμόρφωσης ~ 1450 (m) C H δόνηση παραμόρφωσης (στο επίπεδο) (w) C H δόνηση παραμόρφωσης (εκτός επιπέδου) εξαρτάται από τον υποκαταστάτη (s) μονοϋποκατεστημένος δακτύλιος, C 6 H 5 X 1,2 διϋποκατεστημένος δακτύλιος X X 750 ± ± 20 (v.s) (s) 755 ± 20 (v.s) 1,3 διϋποκατεστημένος δακτύλιος X 780 ± ± ± 20 (m) X 1,4 και 1,2,3,4 810 ± 20 (s) 80

89 1,2, ± ± 20 (s) (s) 1,2, ± ± 20 1,3, ± 20 1,2,3,5 ή 1,2,4,5 υποκατεστημένος δακτύλιος Δόνηση παραμόρφωσης 880 ± 20 H H εκτός επιπέδου H H στο επίπεδο Δ. ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΜΕ ΥΔΡΟΞΥΛΙΟ ( ΟΗ) 1. Αλκοόλες Ο Η δόνηση τάσης (για ελεύθερο ΟΗ, αέρια φάση ή αραιό διάλυμα) πρωτοταγείς αλκοόλες (ROH) ~ 3460 δευτεροταγείς αλκόλες φασματικές γραμμές για διαλύματα με ~ 3630 (R 2 CH OH) τριτοταγείς αλκοόλες (R 3 C OH) συγκέντρωση μικρότερη από 0,005Μ σε CCl 4 ~ 3620 φαινόλες (C 6 H 5 ΟΗ) ~ 3610 Ο Η δόνηση τάσης(για διμερή, δεσμοί Η (s) Ο Η δόνηση τάσης (για πολυμερή) (s) Νερό H O H 3760 (s) Ο Η δόνηση παραμόρφωσης (στο επίπεδο) C Η δόνηση τάσης πρωτοταγείς αλκοόλες φασματικές γραμμές για ~ 1050 (m s) δευτεροταγείς αλκόλες συμπυκνωμένη αέρια φάση, μερική επικάλυψη. Οι ισχυρές φασματικές γραμμές ~

90 τριτοταγείς αλκοόλες μετατοπίζονται προς ~ 1150 φαινόλες χαμηλότερες συχνότητες με την αραίωση του διαλύματος ~ 1200 Ο Η δόνηση παραμόρφωσης (εκτός επιπέδου) 2. Διμερή καρβοξυλικά οξέα C O H ~ 950 (b.m) O 3. Οξίμες (δόνηση τάσης Ο Η) C N OH (m s) 4. Φωσφορικά οξέα (δόνηση τάσης Ο - -Η) O P OH (m) R O H O C C O H O διμερές καρβοξυλικό οξύ R H C H O O H ενδομοριακός δεσμός Η R O H O R H διμερής αλκοόλη R O H O H H O R H H O R πολυμερής αλκοόλη Ε. ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΜΕ ΚΑΡΒΟΝΥΛΙΟ C O C O δόνηση τάσης R C O R (διαλκυλοκετόνη) 1. Κετόνες (R CO R) (v.s) 82

91 C C C R O (συζυγής διπλός δεσμός) C 6 H 5 CO R (αρωματική κετόνη) C 6 H 5 CO C 6 H 5 (διάρυλο κετόνη) C C O O (α-δικετόνες) C CH 2 C O O (β -δικετόνες) O O (1,4 κινόνες) X CH 2 C O (α-αλογονωμένες κετόνες) C CO C δονήσεις σκελετού αλκυλο - φασματική γραμμή αμφίβολης ένδειξης φαινυλο - δόνηση κάμψης, πολλές φασματικές γραμμές (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) (s) C Η δόνηση τάσης 2. Αλδεΰδες (R CΗO ) διπλή φασματική γραμμή ~2820, ~2720 διαφορά από κετόνες (w) C O δόνηση τάσης αλκυλο ( CΗO) (v.s) φαινυλο- (C 6 Η 5 CΗO) (v.s) C C CHO (συζυγή διπλό δεσμό)

92 C CΗO δόνηση σκελετού (περιορισμένης σπουδαιότητας) C CΗO δόνηση παραμόρφωσης (περιορισμένης σπουδαιότητας) (s) Καρβοξυλικά οξέα (RCOOH) Ο Η δόνηση τάσης ελεύθερο οξύ, RCOOH αέρια φάση ή αραιό διάλυμα διμερές, δεσμοί υδρογόνου ~ (v.b) C O δόνηση τάσης αλκυλο- (RCOOH) (v.s) φαινυλο- (ΦCOOH) (v.s) συζυγής διπλός δεσμός ( C C COΟΗ) (v.s) C O δόνηση τάσης (w) C O δόνηση παραμόρφωσης (s) (m) O Η δόνηση παραμόρφωσης (εκτός επιπέδου) άλατα καρβοξυλικών οξέων (COO ) Εστέρες και λακτόνες R C OR, CH 2 n C O O O C O δόνηση τάσης αλκυλο (R CΟOR) (v.s) συζυγής διπλός δεσμός (v.s) C C COOR φαινυλο- (C 6 Η 5 CΟOR) (v.s) 84

93 R βινυλο- COO C C (v.s) α-κετο εστέρες C C OR (v.s) O O α-αλογονο αλκυλο (X CH 2 COOR) ο-υδροξυλο φαινυλο COOR OH C O δόνηση τάσης εστέρες του μεθανοϊκού οξέος (ΗCΟOR) εστέρες του αιθανοϊκού οξέος (CΗ 3 CΟOR) εστέρες του προπιονικού οξέος κλπ συζυγής διπλός δεσμός (C C CΟOR) (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) (v.s) Ανυδρίτες καρβοξυλικών οξέων R C O C R (v.s) (v.s) O O C O δόνηση τάσης άκυκλοι ανυδρίτες (RCΟ C CΟR) (v.s) (s) ανυδρίτης βενζοϊκού (s) (ΦCΟ O CΟΦ) κυκλικοί ανυδρίτες (s) κυκλικοί ανυδρίτες (πενταμελής δακτύλιος) O O O (s) 85

94 C O C δόνηση τάσης άκυκλοι ανυδρίτες (s) κυκλικοί ανυδρίτες (s) C O δόνηση τάσης (X: χλώριο) 6. Ακυλαλογονίδια (RCO X) (v.s) Ζ. ΑΜΙΝΕΣ ΚΑΙ ΑΛΑΤΑ R NH 2, Ö NH 2, R NH 3 Ν Η δόνηση τάσης α. ελεύθερη αμίνη (αραιό διάλυμα) πρωτοταγής αμίνη (R NH 2, Φ NH 2 ) δύο φασματικές γραμμές για συμμετρική και ασύμμετρη δόνηση δευτεροταγής αμίνη R NH R Φ NH R ~ ιμίνες C N H (w m) (w) (m) (m) β. αμίνες με δεσμούς υδρογόνου Ν Η δόνηση παραμόρφωσης πρωτοταγής αμίνη δόνηση ψαλιδωτή (m) δευτεροταγής αμίνη ~ 1500 (w) C N δόνηση τάσης αλκυλο (R NH 2 ) (m) φαινυλο -, πρωτοταγής (s) (Φ NH 2 ) αμίνη, δευτεροταγής (Φ NH Φ) (s) αμίνη, τριτοταγής (R 3 N) (s) γ. Άλατα αμινών πρωτοταγείς αμίνες R NH 3 NH 3 δόνηση τάσης Ν Η διευρυμένη φασματική γραμμή (s) NH 3 ασύμμετρη κάμψη (s) 86

95 δευτεροταγείς αμίνες R 2 NH 2 δόνηση τάσης δόνηση κάμψης ~ (s) (m) τριτοταγείς αμίνες R 3 NH άλατα πυριδίνης βάσεις Schiffs C NH δόνηση τάσης (m) C N δόνηση τάσης ελεύθερα αμίδια πρωτοταγή (αραιό δ/μα) Η. ΑΜΙΔΙΑ (RCONH 2 ) δευτεροταγή (RCONHR) ~ 3450 συνδεδεμένα δεσμοί υδρογόνου (στερεά φάση) ~ ~ (m) ~ H H H R C O H N N H O H C R R C O H N N H O H H C R Συμπυκνωμένα διαλύματα και τηγμένη φάση (διμερές) C Ο δόνηση τάσης ελεύθερα αμίδια πρωτοταγή (αραιό δ/μα) δευτεροταγή (RCONHR) τριτοταγή (RCONR 2 ) συνδεδεμένα αμίδια πρωτοταγή δευτεροταγή Τριτοταγή Κρυσταλλική φάση (αλυσιδωτή σύνδεση διμερών) ~ ~ ~ (s) (s) (s) (s) (s) 87

96 O Ιμίδια H N O C C (CH 2 ) n (s) Ουρίες RHN C O NHR ~ 1660 (s) Ν Η δόνηση παραμόρφωσης (στο επίπεδο) ελεύθερα αμίδια πρωτοταγή δευτεροταγή συνδεδεμένα αμίδια πρωτοταγή δευτεροταγή C N δόνηση τάσης πρωτοταγή αμίδια δευτεροταγή αμίδια ~ ~ Ν Η δόνηση παραμόρφωσης (εκτός επιπέδου) ~ 700 Ο C Ν δόνηση παραμόρφωσης (m) N OH N H O ~ 1660 (v.s) Σαν λακτάμη αντί ελεύθερο ΟΗ Θ. ΑΜΙΝΟΞΕΑ (R CH(NH 2 ) COOH) + ΝΗ 3 δόνηση τάσης σε υδροχλωρικά άλατα αμινοξέων οι φασματικές γραμμές είναι συνεχείς (s.b) + ΝΗ 3 δόνηση παραμόρφωσης ασύμμετρη συμμετρική COO δόνηση τάσης ~ (w) (m) 88

97 C Ο δόνηση τάσης (υδροχλωρικά άλατα) α-αμινοξέα άλλα αμινοξέα ΝΗ 3 δόνηση κλυδωνισμού ή αιώρησης I. AIΘΕΡΕΣ (R O R) C Η δόνηση τάσης(ch 3 O - ) C Η δόνηση παραμόρφωσης(ch 3 O - ) C Ο C δόνηση τάσης διαλκυλο-αιθέρες ( CH 2 O CH 2 ) φαίνυλο αιθέρες (C 6 H 5 O R) βινυλο αιθέρες (v.s) ασύμμετρη τάση (v.s) C C O R συμμετρική τάση (s) διφαίνυλο αιθέρες (C 6 H 5 O C 6 H 5 ) εποξείδια ή οξιράνια συμμετρική τάση ~ C C O ασύμμετρη τάση ~ ~ α. Νιτρίλια (R C N) Κ. ΑΚΥΚΛΕΣ, ΑΚΟΡΕΣΤΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΑΖΩΤΟΥ C N δόνηση τάσης αλκυλο- (R C N) (v) συζυγής C C C CHC N συζυγής αρωματικός πυρήνας (Φ CΗ C N) β. Ισονιτρίλια R N C R N C 89

98 N C δόνηση τάσης αλκυλο-(r NC) (v) συζυγής αρωματικός πυρήνας η ένταση των φασματικών γραμμών (Φ CΗ 2 NC) ενισχύεται από ηλεκτροδέκτες γ. Παράγωγα ισοκυανικού οξέος(r N C Ο) N C Ο ασύμμετρη δόνηση τάσης (v.s) δ. Οξίμες R C N OH N C δόνηση τάσης (v) συζυγής διπλός δεσμός C C C N OH ε. Ιμίνες R C N N C δόνηση τάσης (m) ζ. Αζωενώσεις ( N N ) η. Καρβοδιϊμίδια (R N C N R) αλκυλο (v.s) (R N C N R) φαίνυλο (Φ N C N Φ) (v.s) NO 2 δόνηση τάσης άλκυλο (R NO 2 ) φαίνυλο ( Φ NO 2 ) Λ. ΝΙΤΡΟ ΚΑΙ ΝΙΤΡΩΔΟ ΕΝΩΣΕΙΣ R NO 2 R C NO, αντισυμμετρική συμμετρική αντισυμμετρική συμμετρική (s) (s) C N δόνηση τάσης άλκυλο φαίνυλο (m) Νιτρωδο ενώσεις R C NO Ν Ο δόνηση τάσης C N δόνηση τάσης (s) ~ 1100 (s) Νιτρωδο αμίνες R N NO 90

99 Ν Ο δόνηση τάσης (s) S H δόνηση τάσης Μερκαπτάνες (R SH) Θειοφαινόλες (C 6 Η 5 SH) C S δόνηση τάσης Θειοκετόνες C S S Ο δόνηση τάσης σουλφοξείδια (R 2 S Ο) σουλφινικά οξέα O R S O Μ. ΟΡΓΑΝΙΚΕΣ ΕΝΩΣΕΙΣ ΜΕ ΘΕΙΟ (w) (w) (s) (v.s) H ~ 1090 (v.s) εστέρες σουλφινικού οξέος O R S O R ~ 1130 (v.s) SΟ 2 δόνηση τάσης σουλφόνες (R 2 SΟ 2 ) ασύμμετρη συμμετρική (v.s) (v.s) σουλφινικά οξέα ασύμμετρη συμμετρική (v.s) (v.s) εστέρες σουλφινικού οξέος ασύμμετρη συμμετρική (v.s) (v.s) σουλφοναμίδια ( SΟ 2 ΝΗ ) ασύμμετρη συμμετρική (v.s) (v.s) σουλφονυλοχλωρίδια ( SΟ 2 Χ) ασύμμετρη συμμετρική (v.s) (v.s) N. ΑΛΟΓΟΝΩΜΕΝΑ ΠΑΡΑΓΩΓΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ (R X), ΑΛΚΥΛΑΛΟΓΟΝΙΔΙΑ C F δόνηση τάσης μονοφθορο ενώσεις (m) φθορίδια (R F) πολυφθορο ενώσεις (s) C Cl δόνηση τάσης μονοχλωρο ενώσεις (άκυκλες, αρωματικές) (m) 91

100 πολυχλωρο ενώσεις (s) C Βr δόνηση τάσης άκυκλες και (s) αρωματικές ενώσεις C Ι δόνηση τάσης (s) Παρατηρήσεις στον πίνακα των χαρακτηριστικών απορροφήσεων στην περιοχή της υπερύθρου φασματοσκοπίας. Οι θεμελιώδεις τρόποι δόνησης των δεσμών των μορίων στην υπέρυθρη φασματοσκοπία είναι: συμμετρική (symmetric, sy) και ασύμμετρη (asymmetric, as): (α) Δόνηση τάσης (stretching vibration). Συμβολισμός: st v(c O) 1600cm -1 (β) Δόνηση κάμψης (bending vibration). Συμβολισμός: δ στο επίπεδο και γ εκτός επιπέδου. (γ) Δόνηση σείσης (wagging vibration). Συμβολισμός: ω (δ) Δόνηση κλυδωνισμού ή αιώρησης (rocking vibration). Συμβολισμός: ρ (ε) Δόνηση στρέβλωσης ή συστροφής (twisting vibration). Συμβολισμός: τ (ζ) Δόνηση ψαλιδωτή ή ψαλιδιού (scissoring vibration). Συμβολισμός: s Εκτός από αυτές υπάρχουν δονήσεις αρμονικές και συνδυασμένες. Οι εντάσεις των φασματικών ταινιών, γραμμών ή κορυφών προσδιορίζονται με τα σύμβολα: (α) ισχυρή (strong) : (s) και πολύ ισχυρή (very strong) : (v.s). (β) μεσαίας ισχύος (medium) : (m). (γ) ασθενής (weak) : (w). (δ) διευρυμένη, πλατιά, φαρδιά (broad) : (b). (ε) από μεσαία ισχύ σε ισχυρή : (m s). Επίσης, όταν η ένταση της απορρόφησης μεταβάλλεται, ποικίλει δηλαδή ανάλογα με την ένωσης και τους υποκαταστάτες, τότε χαρακτηρίζεται variable (v). Όλες οι ενδείξεις για την ένταση των φασματικών γραμμών είναι γενικές και μεταβάλλονται από την ύπαρξη ηλεκτραρνητικών υποκαταστατών ή ηλεκτροαπωθητικών ομάδων στο μόριο μιας οργανικής ένωσης. 92

101 5.2. Παραδείγματα Φασμάτων Υπέρυθρης Φασματοσκοπίας Σχήμα 5.1. Φάσμα υπερύθρου της κετόνης και χαρακτηριστικές απορροφήσεις. Σχήμα 5.2. Φάσμα υπερύθρου της L-αλανίνης, με τις χαρακτηριστικές απορροφήσεις του ΟΗ και της ΝΗ 2 στην περιοχή cm -1 και του καρβονυλίου στην περιοχή cm

102 Σχήμα 5.3. Φάσμα υπερύθρου ενός α-κετο εστέρα, αιθυλο πυρουβικός εστέρας. Σχήμα 5.4. Φάσμα υπερύθρου D-γλυκόζης. Σχήμα 5.5. Φάσμα υπερύθρου της ένωσης 4-υδροξυ-4-μεθυλο-2-πεντανόνης. 94

103 Σχήμα 5.6. Φάσμα υπερύθρου των ενώσεων t-βουτανόλης και κ-δεκανίου, όπου φαίνονται οι διαφορές στις απορροφήσεις και οι συμπτώσεις. (α) (β) (γ) Σχήμα 5.7. Φάσματα FT-IR και FT-IR δύο διαστάσεων σε μίγμα μονομερών με τεχνικές δύο διαστάσεων (με σύγχρονη και ασύγχρονη τεχνική λήψης φάσματος.(α)real-time FT- IR του μίγματος εποξικών μονομερών,(β) Synchronous 2D-IR φάσμα μίγματος, (γ) Asynchoronous 2D-IR φάσμα μίγματος. 95

104 5.3. Βιβλιογραφία: Υπέρυθρη Φασματοσκοπία 1. Makanishi K. Infrared Absorption Spectroscopy Practical. Holden Day, San Franscisco, Szymanski HA. Infrared Theory and Practice of IR Spectroscopy. Plenum Press, New York, Colthup NC, Daly LH, Wiberley SE. Introduction to IR and Raman Spectroscopies. Academic Press, New York, 1964, 1975 (2 nd ed). 4. Conley RT. Infrared Spectroscopy. Allyn and Bacon, Boston, 1966, Van der Maas JC. Basic Infrared Spectroscopy. Heyden, London, 1966, Cross AD. An Introduction to Practical IR Spectroscopy. Butterworths, London, Makamoto K. IR Spectra of Inorganic Coordination Compounds. John Wiley and Sons, New York, 1970, 1986 (4 th ed). 8. Finch A, et al. Chemical Applications of FAR IR Spectroscopy. Academic Press, London Cook BW, Jones K. A Programmed Introduction to IR Spectroscopy. Heyden and Son, London Miller KGJ, Stace BC (eds). Laboratory Methods in IR Spectroscopy. Heyden and Son, New York, Wright HC. Infrared Techniques. Clarendon Press, Oxford, Bellamy LJ. The Infrared Spectra of Complex Molecules.; Methuen, London, 1975, 1981 (4 th ed). 13. Bellamy LJ. Advances in Infrared Group Frequencies. Methuen, London, Maslovaki E. Vibrational Spectra of Organometallic Compounds. Wiley Interscience, New York, Makanishi K, Solomon P. Infrared Absorption Spectroscopy. Holden Day, San Francisco, 1977 (2 nd ed). 16. Griffiths PR. Chemical IR Fourier Transform Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Hill HC, London AG. Interpretation of IR Spectra A Programme and Introduction. John Wiley and Sons, New York, Mattson JS, et al. Infrared Correlation and Fourier Transform Spectroscopy. Marcel Dekker, New York, Smith AL. Applied Infrared Spectroscopy. Wiley Interscience, New York, Ferraro R, et al. Fourier Transform IR Spectroscopy: Application to Chemical Systems. Academic Press, New York, 1978, Durig JR (ed). Analytical Application of FT IR TO Molecular and Biological Systems. Reidel D Co, Dordrecht, Holland, Ferraro JR, Basile LB (eds). Fourier Transform IR Spectroscopy: Techniques Using Fourier Transform Interferometry. Academic Press, London,

105 23. Theophanides T (ed). Fourier Transform Infrared Spectroscopy. Reidel D Co, Dordrecht and Boston, Durig JR (ed). Chemical, Biological and Industrial Applications of Infrared Spectroscopy. Wiley Interscience, New York, Philips Analytica. Principles and Practices of Infrared Spectroscopy. Pye Unicam Ltd, Cambridge, George B, McIntyre P. Infrared Spectroscopy. Analytical Chemistry by Open Learning Series. John Wiley and Sons, Chichester, Griffiths PR, De Haseth JA. Fourier Transform Infrared Spectroscopy. John Wiley and Sons, Chichester, Clark RJH, Hester RE (eds). Advances in Infrared and Raman Spectroscopy. Vols 1 12, John Wiley and Sons, London, Ishida H (ed). Fourier Transform Infrared Characterisation of Polymers. Plenum, New York, Siewsler HW, Ozaki Y, Kawata S, Heise HM. Near-Infrared Spectroscopy. Principles, Instruments, Applications. Wiley-VCH, Weinheim, Stuart B. Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons, Chichester,

106 98

107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΚΤΟ ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ Τα πρώτα επιτυχή πειράματα Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) έγιναν το 1945 από τον Bloch και τους συνεργάτες του (Hansen, Packard) στο πανεπιστήμιο Stanford της Καλιφόρνιας και τον Purcell της Μασαχουσέτης. Η τεχνική του NMR αναγνωρίσθηκε σύντομα ως μία από τις πιο σημαντικές φασματοσκοπικές τεχνικές για την πιστοποίηση της δομής χημικών ενώσεων (Βραβείο Νόμπελ για τους παραπάνω επιστήμονες το 1952). Η Οργανική Χημεία, ιδιαίτερα, βρέθηκε σημαντικά ωφελημένη από τη νέα τεχνική γιατί οι πυρήνες 1 H, 13 C, 14 N, 19 F κ.λπ, βρίσκονται στην πλειοψηφία των οργανικών ενώσεων και παρουσιάζουν το φαινόμενο του πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού. Η ανάπτυξη της Φασματοσκοπίας NMR με Παλμική Τεχνική Μετασχηματισμού Fourier (Pulse Fourier Transform NMR, FT-NMR) τις τελευταίες δεκαετίες και η εφαρμογή της τεχνικής του NMR στην ιατρική, διεύρυναν σε πολλούς κλάδους της επιστήμης τη χρησιμότητα της τεχνικής NMR και καθιστούν ακόμη πιο σημαντική τη σημασία της Βασική Θεωρία του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Ο πυρήνας των ατόμων παρουσιάζει δύο φαινόμενα: το πυρηνικό spin (nuclear spin) και τη στροφορμή (angular momentum) που είναι το αποτέλεσμα της περιστροφής του γύρω από τον άξονα. Το πυρηνικό spin είναι η συνιστώσα των spin των πρωτονίων και των νετρονίων του πυρήνα. Αποτέλεσμα του πυρηνικού spin είναι η μαγνητική ροπή (μ) του πυρήνα, γιατί ένα περιστρεφόμενο σωματίδιο αποτελεί ένα κυκλικό ηλεκτρικό ρεύμα που δημιουργεί ένα μαγνητικό δίπολο, δηλαδή το φορτισμένο σωματίδιο συμπεριφέρεται σαν ένας μικροσκοπικός μαγνήτης που είναι τοποθετημένος κατά τον άξονα του spin. Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, το spin ενός φορτισμένου σωματιδίου, όπως είναι ο πυρήνας των ατόμων, είναι η εσωτερική στροφορμή του, δηλαδή το τμήμα εκείνο της στροφορμής που υφίσταται ακόμη και όταν το σωματίδιο αδρανεί, διαχωρίζεται έτσι από το άλλο τμήμα της στροφορμής, την τροχιακή στροφορμή, που οφείλεται στην περιφορά του σωματιδίου σε μια τροχιά. Η ολική στροφορμή ενός σωματιδίου είναι το άθροισμα του spin και της τροχιακής στροφορμής. 99

108 Σχήμα 6.1.(α) Φορτίο περιστρεφόμενο σε κυκλική τροχιά και άνυσμα μαγνητικής ροπής, (β) πυρήνας που περιστρέφεται, (γ), (δ) και (ε) πυρήνες σφαιρικός και ελλειψοειδής και διαφορετικά πυρηνικά spin. Σύμφωνα με τις γενικές αρχές της κβαντομηχανικής, το μέγιστο της τιμής της στροφορμής ενός σωματιδίου πρέπει να είναι ένας ακέραιος αριθμός ή το ½ ακέραιου αριθμού της τροποποιημένης σταθεράς του Planck ћ (h/2π). Έτσι, το πυρηνικό spin μπορεί να πάρει τις τιμές 0, ½, 1, 1+ ½, 2, κ.λπ, σε μονάδες ћ = h/2π. Η τιμή του spin ενός πυρήνα εξαρτάται από το μαζικό και ατομικό του αριθμό. Όταν ο μαζικός του αριθμός είναι περιττός (1, 3, 5, κλπ) και ο ατομικός αριθμός περιττός ή άρτιος τότε το spin (Ι) έχει τιμές 1/2, 3/2, 5/2,. Όταν είναι και οι δύο αριθμοί άρτιοι τότε το spin είναι μηδέν. Όταν ο μαζικός αριθμός είναι άρτιος και ο ατομικός περιττός τότε το spin έχει τιμές 1, 2, 3,. Έτσι, οι πυρήνες 1 H, 19 F, 13 C, 15 N, κ.λπ έχουν Ι=1/2, ενώ οι πυρήνες 1 H, 12 C, 16 Ο, και 32 S με άρτιο μαζικό αριθμό και περιττό ατομικό αριθμό έχουν spin (Ι) μηδέν. Όπως προαναφέρθηκε, οι πυρήνες είναι θετικά φορτισμένα σωματίδια (+) και εξαιτίας της περιστροφής τους γύρω από τον εαυτό τους συμπεριφέρονται ως μαγνητικά δίπολα. Η πυρηνική μαγνητική ροπή τους (μ) (nuclear magnetic moment) δίνεται από την εξίσωση: γ I h μ = (6.1) 2π 100

109 όπου γ είναι μια σταθερά αναλογίας που καλείται μαγνητογυρικός λόγος (magnetogyric ratio) και είναι σταθερή ποσότητα για κάθε πυρήνα. Η εξίσωση 6.1 γράφεται επίσης ως: μ = γ p (6.2) I h όπου η στροφορμή, p =. Σημειώσουμε ότι το σύμβολο Ι αναφέρεται στο spin 2π ενός πυρήνα και η στροφορμή σύμφωνα με τη κβαντομηχανική, είναι σε μονάδες ћ = h/2π της τιμής του spin ενός πυρήνα. Σχήμα 6.2. Επιτρεπόμενοι προσανατολισμοί του spin με τιμές I ± ½ του ατόμου του υδρογόνου σε σχέση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (Η 0 ). Επιτρεπόμενοι προσανατολισμοίτου spin για Ι = 1 (-1, 0, +1). Εκτός μαγνητικού πεδίου η συμπεριφορά του πυρήνα από ενεργειακή πλευρά είναι εντελώς διαφορετική από ότι όταν βρεθεί μέσα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Όταν βρεθούν μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο οι πυρήνες συμπεριφέρονται ως μικροσκοπικοί μαγνήτες και προσανατολίζονται ανάλογα με το άνυσμα των μαγνητικών γραμμών. Σύμφωνα με τους κανόνες της κβαντομηχανικής το άνυσμα της πυρηνικής μαγνητικής ροπής (μ) επιτρέπει να πάρει μόνο ορισμένες κατευθύνσεις σε σχέση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ανάλογα με το spin του, ένας πυρήνας μπορεί να πάρει μόνο 2Ι+1 επιτρεπόμενους προσανατολισμούς. Οι τιμές αυτές εκφράζονται με τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό του spin (m I ) (magnetic quantum number of spin). Ο m I μπορεί να έχει τιμές Ι, -Ι+1,, Ι-2, Ι-1, Ι. Δηλαδή, ένας πυρήνας με spin Ι=3/2 έχει τέσσερις τιμές (2 x 3/2 + 1 = 4): m I = - 3/2, - 1/2, +1/2 και + 3/2, ενώ, για παράδειγμα, πυρήνας με spin Ι=1/2 έχει μόνο δύο τιμές m I = - 1/2, +1/2. 101

110 Κβαντικά ενεργειακά επίπεδα (στάθμες) spin. Όταν οι πυρήνες βρεθούν μέσα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο τα ανύσματα της μαγνητικής τους ροπής προσανατολίζονται, αν και δεν ευθυγραμμίζονται απόλυτα με τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, όσο ισχυρό και αν είναι. Οι πυρήνες με θετικό m I προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου και κατά συνέπεια βρίσκονται σε χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση (ή στάθμη), ενώ οι πυρήνες με αρνητικό m I προσανατολίζονται προς αντίθετη κατεύθυνση των μαγνητικών γραμμών και βρίσκονται σε υψηλότερη ενεργειακή κατάσταση. Σχήμα 6.3. Ενεργειακά επίπεδα spin χωρίς εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και μέσα σε σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Η ενέργεια των πυρήνων μετά την επίδραση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι ανάλογη της μαγνητικής ροπής (μ) και της ισχύος του μαγνητικού γ I h πεδίου (Η ο ), δηλαδή E μ Η Ο. Αντικαθιστώντας μ = και Ι με m I η 2π εξίσωση γίνεται: γ h E = μh o ή E = mι H o (6.3) 2π (το μείον προκύπτει από τη διαφορά EH o =0 EH ) o Ο διαχωρισμός των κβαντικών ενεργειακών επιπέδων για πυρήνες με spin I=1/2, I=1 και I=3/2 παρουσιάζονται στο ακόλουθο σχήμα. 102

111 m m H m m m m H o m H m H m H H o E m I = +1/2 m I = -1/2 m I = +1 m I = 0 m I = -1 I = 1/2 I = 1 DE m I = -1/2 H o m I =+1/2 DE=hv I = 1/2 m I = ± 1/2 E mh o mh o m I = -1 H o m I = 0 I = 1 m I = -1, 0, +1 m I = +1 E H o m I = -3/2 m I = -1/2 m I =+1/2 m I =+3/2 I = 3/2 m I = -3/2, -1/2, +1/2, +3/2 Σχήμα 6.4. Κβαντικές ενεργειακές στάθμες για πυρήνες με I=1/2, 1 και 3/2. Γραφική παράσταση (μ είναι η μαγνητική ροπή, μ Η τα ανύσματα της μαγνητικής ροπής). Ο κβαντομηχανικός κανόνας επιλογής στον πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό είναι ότι, οι μεταβάσεις από τη μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη πρέπει να συνοδεύονται με μεταβολή του m I κατά μία ολόκληρη μονάδα, δηλαδή Δm I = ±1. Η μεταβολή ενέργειας είναι: γ h ΔΕ = H o (6.4) 2π όπου m I =1, Η ο η ένταση του μαγνητικού πεδίου(με μονάδες στο CGS Gauss και στο SI Tesla όπου 1Tesla=10 4 G), μ η πυρηνική μαγνητική ροπή (με μονάδες στο CGS erg/gauss και στο SI Ampere/m 2 ) και γ o μαγνητογυρικός λόγος (με μονάδες στο CGS Gauss/s και στο SI radian/tesla x s). Για μία ενεργειακή μετάβαση από μία στάθμη σε μία γειτονική απαιτείται ενέργεια (από χαμηλότερη σε υψηλότερη στάθμη) που μπορεί να απορροφηθεί από μία δέσμη ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας (με την οποία βαπτίζουμε το δείγμα μας) η ακτινοβολία εκπέμπεται για πτώση από υψηλή ενεργειακή στάθμη σε χαμηλότερη. Η συχνότητα της ακτινοβολίας δίνεται από την εξίσωση 6.5 : γ h γ Ηο ΔΕ = h ν = Ηο ν = (6.5) 2π 2π Από την εξίσωση φαίνεται ότι η συχνότητα της ακτινοβολίας (εκπεμπόμενη ή απορροφούμενη) είναι ανάλογη του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η σχέση αυτή είναι βασική για τη φασματοσκοπία NMR. Σημαίνει ότι μπορούν να ληφθούν φάσματα πυρήνων με διαφορετικό μαγνητογυρικό λόγο (γ), αλλάζοντας την ένταση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (Η ο ) ή τη συχνότητα (ν) της ακτινοβολίας με την οποία βομβαρδίζεται το δείγμα. Στα σημερινά φασματοφωτόμετρα NMR χρησιμοποιούνται μαγνήτες έντασης

112 100 KGauss που απαιτούν συχνότητες διέγερσης, για τους περισσότερους πυρήνες ατόμων που εξετάζονται, στην περιοχή Hz Κατανομή κβαντικών ενεργειακών πυρηνικών επιπέδων (στάθμες). Μελέτη με περισσότερες λεπτομέρειες του φαινομένου που εκφράζει η εξίσωση 6.5 για έναν πυρήνα με spin Ι=1/2. Για τον πυρήνα αυτόν υπάρχουν δύο δυνατοί προσανατολισμοί, προς την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου m I =1/2 και αντίθετα προς αυτό m I = -1/2, όπως φαίνεται και στο σχήμα 6.4. Η υψηλότερης ενέργειας κατάσταση συμβολίζεται με β και η χαμηλότερης ενέργειας με α. Στο σύστημα αυτό υπάρχουν δύο επιτρεπόμενες ενεργειακές μεταβάσεις: (i) από α β που αντιστοιχεί σε απορρόφηση ενέργειας και (ii) από β α που αντιστοιχεί σε προκαλούμενη εκπομπή ενέργειας (με μορφή ακτινοβολίας). E β m I = -1/2 ΔΕ=hv Ho α m I = -1/2 Σχήμα 6.4. Επιτρεπόμενες ενεργειακές μεταβάσεις. (Ε: ενέργεια). Οι συντελεστές απορρόφησης και εκπομπής ακτινοβολίας στην περίπτωση του NMR είναι οι ίδιοι. Δηλαδή δεν υπάρχει μεταφορά ενέργειας από την ακτινοβολία προς το δείγμα που μελετάμε εάν οι πληθυσμοί των πυρήνων στις δύο ενεργειακές στάθμες είναι οι ίδιοι (Ν α = Ν β ). Για να εξετασθεί η κατανομή των πληθυσμών των πυρήνων στις δύο ενεργειακές στάθμες χρησιμοποιείται η εξίσωση Boltzmann, όπως διατυπώνεται στο Κεφάλαιο 2. Η εξίσωση ισχύει για συστήματα που βρίσκονται σε θερμική ισορροπία. Εάν υπάρχει ένας πληθυσμός πυρήνων σε θερμική ισορροπία σε δύο επιτρεπόμενες ενεργειακές στάθμες, η κατανομή τους δίνεται από την εξίσωση Boltzmann: N Ν a β = e ΔΕ kτ ή N Ν a β = e hv kτ (6.6) όπου k είναι η σταθερά Boltzmann, Τ η απόλυτη θερμοκρασία και ΔΕ=hv η διαφορά ενέργειας. Για την περίπτωση e X =1 X, για πολύ μικρό Χ<<1, η εξίσωση γίνεται Ν β /Ν α = 1 hv/kt (hv<<kt). Από το κλάσμα κατανομής των 104

113 πληθυσμών των πυρήνων παρατηρείται ότι υπάρχει μια ελάχιστη διαφορά υπέρ των πυρήνων στη χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη, Ν α >Ν β. Για παράδειγμα, στα άτομα του υδρογόνου που περιέχουν ένα μόνο πρωτόνιο, 1 Η, εάν εφαρμοσθεί μαγνητικό πεδίο έντασης Ηο = 2.35 Tesla και συγχρόνως βομβαρδιστεί το δείγμα με ραδιοσυχνότητα v = 100 MHz, τότε για ένα γραμμοάτομο θα γίνει: ΔΕ=hv=(6.63 x J s) (100 x 10 6 Hz ή s 1 ) = 6.63 x Joules. Η σταθερά Boltzmann k=1.38 x J K 1 και η απόλυτη θερμοκρασία Τ= = 300 ο Κ, τότε έχουμε: N a Ν β = e το Χ είναι πολύ μικρό οπότε ισχύει: N a Ν β = e Από το τελικό αποτέλεσμα φαίνεται ότι οι δύο πληθυσμοί πυρήνων Ν α και Ν β διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Μόνος ένας πυρήνας σε 10 5 πυρήνες βρίσκεται επιπλέον στη χαμηλότερη στάθμη σε σχέση με την υψηλότερη (διαφορά στο πέμπτο δεκαδικό ψηφίο). Ακριβώς, στο μικρό αυτό πληθυσμιακό αριθμό οφείλονται οι ενεργειακές μεταβάσεις στο NMR και οι απορροφήσεις ακτινοβολίας, ενώ η πλειοψηφία των πυρήνων βρίσκονται εξίσου διαμοιρασμένοι στις δύο ενεργειακές στάθμες. Αυτός είναι και ο λόγος για την μικρή ευαισθησία των φασμάτων NMR σε σχέση με τα φάσμα IR και UV. Ωστόσο, παρά τη μικρή ευαισθησία, ο συντελεστής απορρόφησης είναι σταθερός για όλους τους πυρήνες του ιδίου ατόμου, έτσι ώστε το φασματικό σήμα στο NMR να είναι ανάλογο του αριθμού των πυρήνων που το παράγουν Αποκατάσταση ισορροπίας ενεργειακών καταστάσεων. Spin-πλέγμα και spin-spin χρόνοι αποκατάστασης. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με την οποία βομβαρδίζεται το δείγμα, εκτός από το εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, απορροφάται ως ενέργεια από τους πυρήνες στη χαμηλή ενεργειακή στάθμη και τείνει να εξισώσει τους πληθυσμούς των δύο ενεργειακών καταστάσεων. Για καλή τύχη του NMR υπάρχει μια θερμική μη ακτινοβολούσα διεργασία (ή φαινόμενο) που επαναφέρει τους πυρήνες στην αρχική ισορροπία της κατανομής Boltzmann, με την εμφάνιση μερικών επιπλέον πυρήνων στη χαμηλότερη ενεργειακή στάθμη, ώστε το φαινόμενο μπορεί να επαναληφθεί. Το φαινόμενο αυτό καλείται διεργασία αποκατάστασης ή φαινόμενο αποδιέγερσης (ή μηχανισμός επαναφοράς, relaxation process). Κινητικά, η διεργασία είναι πρώτης τάξης με μέσο χρόνο ζωής Τ 1 = 1/k, που είναι γνωστός ως spin πλέγμα χρόνος αποκατάστασης (ή επαναφορά αυτοστροφής πλέγματος, 105

114 spin lattice relaxation time). Η διεργασία είναι αργή για αρκετούς πυρήνες και ο Τ 1 κυμαίνεται μεταξύ s, εξαρτάται από τη φυσική κατάσταση του δείγματος, τον τύπο του πυρήνα και τη θερμοκρασία. Η ύπαρξη του spin πλέγματος χρόνου αποκατάστασης σημαίνει ότι η φασματική ταινία στο NMR παρουσιάζει πλάτος που μπορεί να υπολογισθεί από την Αρχή της Αβεβαιότητας, ΔΕ Δt =h. Αφού ο μέσος όρος ζωής του διεγερμένου πυρήνα στην ανώτερη στάθμη δεν μπορεί να ξεπερνά τον Τ 1, η ενεργειακή στάθμη θα διευρύνεται κατά h/τ 1, δηλαδή το πλάτος των φασματικών ταινιών στο μισό του ύψους τους πρέπει να είναι τουλάχιστον της τάξης 1/Τ 1 (γιατί υπάρχουν και άλλα φαινόμενα που συμβάλλουν στη διεύρυνση των φασματικών γραμμών του NMR). Το φαινόμενο spin πλέγμα αποκατάσταση προκαλεί διεύρυνση ή πλάτυνση των φασματικών ταινιών (ή γραμμών) στα φάσματα του NMR (line width broadening). Στα υγρά το πλάτος κυμαίνεται από 10-2 Hz μέχρι 10 2 Hz και ανάλογα με τον Τ 1 του πυρήνα. H σημασία του spin πλέγμα χρόνου αποκατάστασης που καλείται και διαμήκης χρόνος αποκατάστασης (longitutinal relaxation time) θα μελετηθεί με λεπτομέρειες στην τεχνική FT-NMR. Εκτός από τον Τ 1 υπάρχουν και άλλα φαινόμενα που επιδρούν στη διεύρυνση των φασματικών γραμμών. Το πιο σημαντικό είναι η επίδραση των μαγνητικών ροπών γειτονικών πυρήνων. Ο χρόνος αποκατάστασης που οφείλεται σε αυτό το φαινόμενο καλείται spin spin χρόνος αποκατάστασης (spin spin relaxation time, transverse relaxation time: εγκάρσιος χρόνος αποκατάστασης ή εγκάρσιος χρόνος επαναφοράς). Ο Τ 2 είναι πολύ μικρότερος του Τ 1 και χαρακτηρίζεται άμεσα από το πλάτος των φασματικών γραμμών, αλλά ιδιαίτερα από το φυσικό πλάτος τους (natural line width). Εάν επιτευχθεί να ληφθεί ένα φάσμα με το κατώτερο όριο διεύρυνσης μιας φασματικής γραμμής, τότε μπορεί να προσδιορισθεί ο Τ 2 ως: 1 T = 2 W και 1 W = π 1/ 2 1/ 2 T (6.7) π 2 όπου W 1/2 είναι το πλάτος της γραμμής στο 1/2 του ύψους της. Για τα στερεά ο Τ 2 είναι πολύ μικρός ( 10 4 s), ενώ για τα υγρά ο Τ 2 Τ 1 ( s). Επίσης, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας ότι το φυσικό πλάτος των φασματικών γραμμών στο NMR δε μπορεί να μετρηθεί άμεσα λόγω των τεχνικών περιορισμών που θέτουν τα φασματόμετρα NMR (ανομοιογένεια μαγνητικού πεδίου). Ένα άλλο παραπλήσιο φαινόμενο που εμφανίζεται στους διεγερμένους πυρήνες είναι το φαινόμενο του κορεσμού (saturation). Όταν εφαρμοσθεί η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία (περιοχή ραδιοκυμάτων) στο δείγμα, οι επιπλέον πυρήνες της χαμηλής ενεργειακής στάθμης (που είναι υπεύθυνοι για τις φασματικές γραμμές στο NMR) απορροφούν ενέργεια και μετατρέπονται σε πυρήνες ισορροπίας (δεν επανέρχονται στην αρχική τους κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα) μεταξύ των διαφόρων σταθμών ενέργειας του συστήματος. Το αποτέλεσμα είναι να μειώνεται η ένταση των φασματικών γραμμών στα 106

115 φάσματα NMR (που εξαρτώνται άμεσα από τον αριθμό των πυρήνων) και το σύστημα spin καλείται κορεσμένο Κλασική Περιγραφή του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού. Για τη μελέτη της μαγνητικής ροπής ενός πυρήνα, που προκύπτει από την ιδιοπεριστροφή του μέσα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, μπορεί να χρησιμοποιηθεί η κλασική περιγραφή των μεταβατικών φαινομένων και των διεργασιών ανταλλαγής. Με την κβαντική περιγραφή μπορούν να εξηγηθούν η χημική μετατόπιση (chemical shift) και η σύζευξη spin (spin couplings), στα οποία υπεισέρχονται οι έννοιες των κβαντικών ενεργειακών καταστάσεων. Εάν υπάρχει μαγνητικό πεδίο Η ο (τυπικό παράδειγμα Gauss) και ένας πυρήνας με μαγνητική ροπή μ, του οποίου το spin και το πεδίο της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, Η 1, προκαλεί τις μεταβάσεις μεταξύ των κβαντικών ενεργειακών σταθμών. Συντονισμός για ωo ω Σχήμα 6.5. Εφαρμογή του μαγνητικού Η ο και ηλεκτρομαγνητικού Η 1 πεδίου σε ένα πυρήνα με Ι=1/2. H μαγνητική ροπή μ, του πυρήνα βρίσκεται κατά μία γωνία σε σχέση με την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου Η ο. Η επίδραση του Η ο στη μ, παράγει ροπή στρέψης που τείνει να δώσει κλίση στο άνυσμα της μ προς την κατεύθυνση του Η ο. Επειδή ο πυρήνας περιστρέφεται γύρω από τον εαυτό του δε μπορεί να μεταβάλει τη γωνία, αλλά το άνυσμα της μαγνητικής ροπής υπόκειται σε μετάπτωση (precess) γύρω από το μαγνητικό πεδίο, όπως φαίνεται από το διακεκομμένο κύκλο που διαγράφει το βέλος μ στο σχήμα 6.6. Μαθηματικά, η ροπή στρέψης, L, προκύπτει από την κλασική μαγνητική θεωρία: 107

116 L = μ (6.8) H o dp I h Εάν θέσουμε όπου μ = γ p και L =, όπου p = τότε καταλήγουμε στην dt 2π εξίσωση: dμ = γ μ H o (6.9) dt που είναι η εξίσωση περιγραφής της διεργασίας της μετάπτωσης (δηλαδή κυκλικής περφοράς γύρω από το Η ο ). Μία άλλη εξίσωση που περιγράφει την κίνηση της μετάπτωσης είναι: dμ = ω o μ (6.10) dt όπου ω ο είναι η γωνιακή ταχύτητα της μετάπτωσης σε radians s 1 (ακτίνια ανά δευτερόλεπτο). Συγκρίνοντας τις εξισώσεις 6.9 και 6.10 προκύπτει ω ο = γ Η ο. Από όλα αυτά προκύπτει ότι η πυρηνική μαγνητική ροπή υπόκειται σε μετάπτωση γύρω από το Η ο με συχνότητα: ωo γ H o ν o = = (6.11) 2π 2π Η εξίσωση 6.11 καλείται εξίσωση Larmor. Η συχνότητα περιφοράς κατά τη μετάπτωση καλείται συχνότητα μετάπτωσης Larmor, και είναι ανάλογη του εφαρμοζόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Η ο και του γυρομαγνητικού λόγου γ του πυρήνα. Εάν εφαρμοσθεί ένα δεύτερο, μικρότερο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο Η 1, κάθετο προς το Η ο (όπως φαίνεται στο σχήμα 6.6) με συχνότητα ν ο, τότε το άνυσμα της μαγνητικής ροπής μ που βρίσκεται μεταξύ των δύο επιπέδων θα αλλάζει γωνία κατά Δ. Η αλλαγή της γωνίας προκαλεί την απορρόφηση ενέργειας από το πεδίο Η 1 του συστήματος των πυρηνικών spin. Η ενέργεια του συστήματος spin εξαρτάται από τη γωνία. Εάν το Η 1 έχει συχνότητα διαφορετική της ν ο τότε βρίσκεται σε διαφορετική φάση με τη συχνότητα περιφοράς της μ, δηλαδή της συχνότητας Larmor, και το σύστημα δεν απορροφά ενέργεια. Φαίνεται λοιπόν ότι η απορρόφηση ενέργειας είναι ένα φαινόμενο συντονισμού, που συνδυάζεται κβαντικά με τη φυσική πυρηνική συχνότητα της μετάπτωσης ν ο. Στην πράξη, με την τεχνική NMR βαπτίζεται το δείγμα, που έχει ήδη προσανατολισμένα μερικώς τα spin των πυρήνων από το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, σε ένα γραμμικά πολωμένο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο (που παράγεται με το πέρασμα του ηλεκτρικού ρεύματος συχνότητας ν μέσα από ένα πηνίο). Όταν η συχνότητα Η 1 συντονίζεται με τη συχνότητα μετάπτωσης Larmor του συγκεκριμένου πυρήνα, τότε συμβαίνει απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και εμφάνιση των φασματικών γραμμών NMR. Το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι συνήθως KGauss. Οι συχνότητες Larmor σε τέτοια πεδία είναι, για τους περισσότερους πυρήνες, στην 108

117 περιοχή ραδιοσυχνοτήτων, μερικά Megahertz (1 MHz = 10 6 Hz, όπου 1 Hz = cps : ένας κύκλος ανά δευτερόλεπτο). Οι τιμές της ν ο για Η ο =14100G των πιο σημαντικών πυρήνων στην Οργανική Χημεία είναι: 14 N 2 H 13 C 31 P 19 F 1 H v (MHz) Σχήμα 6.6. Συχνότητες συντονισμού Larmor σε G Κατά την καταγραφή του φάσματος NMR, σαρώνεται το δείγμα με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία μιας περιοχής συχνοτήτων, ενώ διατηρείται σταθερό το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ωστόσο, μπορεί να γίνει και το αντίθετο, δηλαδή να διατηρηθεί σταθερή τη συχνότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και να μεταβληθεί το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο Κβαντική Περιγραφή του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού. Η κβαντική περιγραφή του NMR είναι λογική συνέπεια των κβαντωμένων ενεργειακών επιπέδων στα οποία βρίσκονται τα spin ενός πυρήνα. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, η ανταλλαγή ενέργειας μεταξύ της μαγνητικής ροπής (μ) και του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (Η ο ) δίνεται από τη εξίσωση Ε = μ Η ο και εμφανίζεται στον Χαμιλτώνειο τελεστή H : H = μ Η ο (6.12) Αντικαθιστώντας μ= γ Ι h/2π έχουμε: h H = γ H o 2π I (6.13) όπου ο Ι εδώ ερμηνεύεται ως τελεστής. [Χαμιλτώνειος τελεστής: στην κβαντομηχανική τα παρατηρούμενα φαινόμενα παρουσιάζονται μαθηματικά με τελεστές που διαλέγονται με ορισμένο τρόπο. Εάν απαιτηθεί μια τιμή ενός παρατηρούμενου Ω, που μπορεί να είναι η θέση ενός σωματιδίου, η ενέργεια ενός συστήματος, η μαγνητική ροπή κ.λπ, πρέπει να δημιουργηθεί ο αντίστοιχος τελεστής Ω και να τον εφαρμοσθεί στο Ψ. Εάν τοποθετηθεί η μαγνητική ροπή ενός πυρήνα μ μέσα σε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο Η ο, τότε η ενέργεια του δίνεται από την εξίσωση: 109

118 Ε = μ Η ο = ( μ x H x + μ y H y + μ z H z ) Η ανταλλαγή ενέργειας παρουσιάζεται εδώ με ένα Χαμιλτώνειο τελεστή ως προς τις τρεις καρτεσιανές συντεταγμένες x, y και z ]. Από τις γενικές ιδιότητες της στροφορμής στην κβαντομηχανική φαίνεται ότι, οι λύσεις του Χαμιλτώνειου τελεστή για τα ενεργειακά επίπεδα είναι : Em I = h γ H omi 2 π (6.14) όπου m I μπορεί να πάρει τιμές Ι, Ι+1,, Ι 1, Ι. Υπάρχουν λοιπόν 2Ι+1 ενεργειακές στάθμες, καθεμία των οποίων παράγεται από ξεχωριστούς προσανατολισμούς της μ σε σχέση με το Η ο. Οι προβολές των ανυσμάτων μ προς τον άξονα του Η ο δίνει τα κβαντωμένα ανύσματα, δηλαδή ξεχωριστές επιτρεπόμενες τιμές τις μ. Η απόσταση μεταξύ των κβαντωμένων ενεργειακών καταστάσεων είναι ανάλογη του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου Η ο. Με τη διάταξη αυτή οι ενεργειακές μεταβάσεις στο NMR μεταξύ των ενεργειακών σταθμών είναι οι αυτές όπως και στις άλλες τεχνικές φασματοσκοπίας. Σχήμα 6.7. Αναπαράσταση των 2Ι+1 προσανατολισμών της μ σε σχέση με το Η ο : (α) για τον πυρήνα με Ι=3/2 και (β) Ι=2. Η Αρχή της Αβεβαιότητας δεν επιτρέπει την ακριβή τοποθέτηση των ανυσμάτων της μ, γι αυτό γίνεται αποδεκτό ότι τα ανύσματα βρίσκονται σε ενδιάμεσες θέσεις μέσα σε κώνους. 110

119 6.4. Φασματόμετρα και Πειραματική Διαδικασία στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό. Τα φασματόμετρα NMR που χρησιμοποιούνται σήμερα δύο ειδών: τα συνεχούς κύματος (CW, continuous wave) και τα φασματόμετρα παλμικής τεχνικής μετασχηματισμού Fourier (FT-NMR, Pulse Fourier Transform Spectrometer). Τα βασικά συστατικά για όλα τα φασματόμετρα υψηλής διαχωριστικής ικανότητας (High resolution NMR) στον NMR είναι πηγή της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων (RF) με την οποία βομβαρδίζεται το δείγμα και ένας ισχυρός μαγνήτης που πρέπει να έχει μεγάλο βαθμό σταθερότητας και ομοιογένειας (αντικατάσταση με υπεραγώγιμους). Σχήμα 6.8. Φασματόμετρο Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR). Το δείγμα υπό μορφή διαλύματος σε κατάλληλο δευτεριωμένο διαλύτη μεταφέρεται με ένα μικρό σιφώνιο σε ένα γυάλινο σωλήνα NMR (διάμετρος 5 mm) με ομοιογενή τοιχώματα και τοποθετείται σε ένα μεταλλικό κάθετο σωλήνα που βρίσκεται μεταξύ των πόλων του μαγνήτη. Η ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων (RF) εκπέμπεται από ένα πηνίο που είναι περιτυλιγμένο γύρω από το δείγμα και μετά την απορρόφηση ενέργειας καταγράφει το ίδιο το σήμα (single-coil spectrometer) ή από άλλο πηνίο (cross-coil spectrometer). Για να επιτευχθεί συντονισμός, η ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων μεταβάλλεται σιγά-σιγά κατά τη σάρωση. Το σήμα της απορρόφησης RF συλλαμβάνεται από τον ανιχνευτή, ενισχύεται και καταγράφεται. Το φασματογραφικό χαρτί NMR είναι ειδικά βαθμολογημένο (precalibrated recorded charts) και η καταγραφή του φάσματος γίνεται αφού προηγουμένως ρυθμιστεί το μηδέν με μία ουσία αναφοράς, συνήθως το τετραμεθυλοπυρίτιο (tetramethylsilane, TMS). 111

120 Η σταθερότητα και η ομοιογένεια του μαγνήτη και της πηγής ραδιοσυχνοτήτων είναι σημαντικοί παράγοντες για την υψηλή διαχωριστική ικανότητα του οργάνου. Διαχωριστική ικανότητα 0,5 Hz σε όργανο 60 ΜHz, δηλαδή 1/10 8, ήταν συνηθισμένη στα παλαιά φασματόμετρα NMR. Επειδή όμως πρέπει να διατηρηθεί η ικανότητα αυτή σε όλο το μήκος του δείγματος για αυτό ο γυάλινος σωλήνας περιστρέφεται με τη βοήθεια ρεύματος αέρα. Ο μόνιμος μαγνήτης ή ηλεκτρομαγνήτης μπορεί να φτάσει τα 25 ΚGauss, αλλά με υπεραγώγιμα πηνία (σε χαμηλές θερμοκρασίες) μπορούν να επιτευχθούν ισχυρότερα μαγνητικά πεδία. Για φάσματα 1 H NMR τα παλαιά όργανα λειτουργούσαν σε 60, 80, 90, 100 ΜHz, ενώ με υπεραγώγιμα πηνία αρχίζουν από 200, 300, 360 και πρόσφατα 500 ή και 800 ΜHz. Παλαιότερα η ομοιογένεια επιτυγχάνονταν με μαγνήτες που οι πόλοι τους είχαν διάμετρο 20cm και καλά γυαλισμένες επιφάνειες. Επίσης χρησιμοποιούνταν ειδικά ηλεκτρικά δευτερεύοντα πηνία γύρω από το μαγνήτη, μέσα από τα οποία περνούσαν ασθενή ηλεκτρικά ρεύματα που διόρθωναν τις εκτροπές από την ομοιογένεια. Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του μαγνήτη παράγεται θερμότητα, για αυτό απαιτείται θερμοστάτης με σύστημα ψύξης. Οι διάφοροι πυρήνες μπορούν να μελετηθούν με το ίδιο όργανο (πολυπυρηνικά NMR, multinuclear NMR) με απλή αλλαγή του κρυσταλλικού ταλαντωτή που παράγει συγκεκριμένη ραδιοσυχνότητα (συνήθως για υδρογόνο, φθόριο και φώσφορο) Πειραματική διαδικασία. Το δείγμα διαλύεται σε κατάλληλο διαλύτη και τοποθετείται σε γυάλινο σωλήνα NMR (μήκος 15 cm και διάμετρο 0,5 cm) μαζί με 2-3 σταγόνες ουσίας αναφοράς (TMS ή DSS, βλ. ουσίες αναφοράς ) και τοποθετείται στην κατάλληλη υποδοχή μεταξύ των πόλων του μαγνήτη (απόσταση πόλων 2-3 cm) και περιστρέφεται με ~30 στροφές/s (για υψηλότερη διακριτική ικανότητα c/s). Παλαιότερα το δείγμα σαρώνονταν και ρυθμίζονταν η θέση του φασματογραφικού χαρτιού με βάση το σήμα της ουσίας αναφοράς (για το TMS είναι δ=0) που καλείται εσωτερικό σήμα κλειδώματος (internal locking signal). Στα νέα μηχανήματα NMR με υπεραγώγιμους μαγνήτες καιη/υ η απορρόφηση του διαλύτη εισάγεται ηλεκτρονικά και το χαρτί βαθμολογείται αυτόματα. Κατά την καταγραφή του φάσματος, η πηγή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας βαπτίζει το δείγμα με RF (π.χ. παλαιά στα 60 ΜHz), ενώ το μαγνητικό πεδίο έχει ρυθμισθεί στα 1,4 Tesla και μεταβάλλεται σιγά-σιγά (σάρωση) με τη βοήθεια ηλεκτρικού ρεύματος που παράγεται από τη γεννήτρια σάρωσης πεδίου (fieldsweep generator) και τροφοδοτείται από τα δευτερεύοντα πηνία γύρω από τους πόλους. Το φάσμα στην περίπτωση αυτή καλείται φάσμα σάρωσης-πεδίου (field-sweep spectrum), ενώ στην περίπτωση που μεταβάλλεται η ακτινοβολία ραδιοσυχνοτήτων καλείται φάσμα σάρωσης-συχνότητας (frequency-sweep 112

121 spectrum). Η δεύτερη περίπτωση είναι πιο δύσκολη, αλλά ευνοεί πειράματα διπλής συχνότητας. Κατά τη σάρωση, κάθε πυρήνας του δείγματος (π.χ. πρωτόνιο) φέρεται στο στάδιο του συντονισμού, απορροφά ενέργεια από τον ταλαντωτή της ακτινοβολίας RF και καθώς ο πυρήνας επανέρχεται στην αρχική του κατάσταση, η εκπεμπόμενη ενέργεια συγκεντρώνεται από το πηνίο του ανιχνευτή (που βρίσκεται τυλιγμένος γύρω από το δείγμα) ενισχύεται και καταγράφεται. Η ποσότητα του δείγματος είναι συνήθως mg για 1 Η, 19 F και 31 P σε 0,5ml διαλύτη και ο χρόνος σάρωσης είναι 5min. Για άλλους πυρήνες με μικρότερη φυσική αφθονία, όπως ο 13 C (φ.α %) απαιτούνται δείγματα με πάνω από 100 mg. Ωστόσο, το δείγμα δεν καταστρέφεται και μετά την εξάτμιση του διαλύτη μπορεί να ξαναχρησιμοποιηθεί. Στα φασματόμετρα FT-NMR που είναι πολύ ευαίσθητα (με περισσότερες σαρώσεις) ποσότητα 1-10 mg για φάσματα 1 Η είναι αρκετή Διαλύτες για φασματοσκοπία NMR. Για τα φάσματα 1 Η NMR χρησιμοποιούνται δευτεριωμένοι (98-99%) διαλύτες που δεν παρουσιάζουν ταινίες απορρόφησης πρωτονίου. Τέτοιοι διαλύτες είναι: CDCl 3, CD 2 Cl 2, CDCl 2 CDCl 2, ακετόνη πλήρως δευτεριωμένη CD 3 COCD 3 ή ακετόνη-d 6, βενζόλιο C 6 D 6, διμεθυλοσουλφοξείδιο δευτεριωμένο (CD 3 ) 2 SO, μεθανόλη δευτεριωμένη CD 3 OD, δευτεριωμένο νερό D 2 O κ.λπ. Επίσης, χρησιμοποιούνται διαλύτες που δεν είναι δευτεριωμένοι, όπως: CCl 4, CS 2, CFCl 3, CF 2 BrCl, κυκλοεξάνιο C 6 H 12, διοξάνιο C 4 H 8 O 2, βινυλοχλωρίδιο CH 2 CHCl, νιτροβενζόλιο C 6 H 5 NO 2 κ.λπ., με γνωστές απορροφήσεις. Για υψηλές θερμοκρασίες (>140 C) χρησιμοποιούνται διαλύτες 1,1,2,2-τετραχλωροαιθάνιο, DMSO διμεθυλοσουλφοξείδιο, νιτροβενζόλιο και 1,2,4 τριχλωροβενζόλιο. Για χαμηλές θερμοκρασίες χρησιμοποιούνται: διχλωρομεθάνιο, ακετόνη, μεθανόλη, βινυλοχλωρίδιο και μίγμα τετραϋδροφουρανίου (THF) και διθειάνθρακα (για θερμοκρασίες < 150 C). Στις υψηλές θερμοκρασίες το δείγμα σφραγίζεται ερμητικά σε αμπούλες ή ειδικούς σωλήνες Πυρήνες που μπορούν να μελετηθούν με NMR. Όλοι οι πυρήνες που έχουν περιττό μαζικό ή ατομικό αριθμό παρουσιάζουν μαγνητική ροπή διάφορη του μηδενός (ή πυρηνικό spin I 0) και κατά συνέπεια απορρόφηση λόγω πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων. Οι πιο σημαντικοί πυρήνες για την Οργανική Χημεία και τις οργανομεταλλικές ενώσεις που μπορούν να μελετηθούν με NMR είναι: 113

122 Πίνακας 6.1. Μαγνητικές ιδιότητες ορισμένων πυρήνων. Ισότοπο 1 Η 13 C 14 Ν 15 Ν 19 F 31 P 17 Ο 33 S 35 Cl 195 Pt 27 Al 29 Si Φυσική αφθονία Spin I (h/2π) 1/2 1/2 1 1/2 1/2 1/2 5/2 3/2 3/2 1/2 5/2 1/2 Συχνότητα NMR (MHz) για 23.5ΚG πεδίο Σχετική ευαισθησία στο NMR Χημική Μετατόπιση στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό. Η μελέτη των πυρήνων NMR είναι δυνατή από μια χαρακτηριστική παράμετρο των χημικών ουσιών που εκφράζει απόλυτα τη δομή του μορίου του δείγματος και καλείται χημική μετατόπιση (chemical shift). Όταν ένα μόριο που περιέχει τον παρατηρούμενο πυρήνα τοποθετηθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, τα ηλεκτρόνια του μορίου θωρακίζουν τους πυρήνες από το εξωτερικό πεδίο. Έτσι, το προκαλούμενο μαγνητικό πεδίο στον πυρήνα, που δίνεται από την εξίσωση 6.5, είναι η διαφορά του εφαρμοζόμενου πεδίου και του πεδίου του δείγματος, που καλείται πυρηνική θωράκιση (nuclear shielding). Η διαφορά αυτή είναι ανάλογη του εφαρμοζόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η χημική μετατόπιση λοιπόν ορίζεται ως πυρηνική θωράκιση διαιρεμένη από το εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο: Η = εφαρμ δει γμ 6 δ 10 ppm (6.15) Η Η εφαρμ όπου Η εφαρμ καλείται και μαγνητικό πεδίο αναφοράς (reference) και Η δειγμ το μαγνητικό πεδίο που προκαλείται γύρω από τον πυρήνα λόγω της θωράκισης (sample or induced field). 114

123 Σχήμα 6.9. Μαγνητικό πεδίο που προκύπτει από τη διαμαγνητική κυκλοφορία ηλεκτρονικού νέφους γύρω από τον πυρήνα και που αντιτίθεται στο εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο Η ο. Όπως ήδη αναφέραμε, το πεδίο γύρω από τον πυρήνα είναι ανάλογο του εφαρμοζόμενου εξωτερικού πεδίου και δίνεται από την εξίσωση: Η δείγμ = σ Η εφαρμ (6.16) όπου σ είναι ο συντελεστής θωράκισης (shielding or screening factor). Έτσι, το αποτελεσματικό μαγνητικό πεδίο (effective) στον πυρήνα είναι η διαφορά Η εφαρμ Η δείγμ. Εάν αντικαταστήσουμε τη σχέση της εξίσωσης 6.14 για το Η αποτελ έχουμε: Η αποτελ = Η εφαρμ Η δείγμ = Η εφαρμ (1 σ) (6.17) Διαμαγνητική και παραμαγνητική μετατόπιση. Είναι γνωστό ότι πυρήνες με s ηλεκτρόνια παρουσιάζουν σφαιρική ηλεκτρονική συμμετρία. Ηλεκτρόνια λοιπόν που περιστρέφονται γύρω από ένα πυρήνα δημιουργούν ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει μαγνητικό πεδίο, αντιτιθέμενο στο εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Για να δημιουργηθούν συνθήκες συντονισμού πρέπει να αυξήσουμε ελαφρά το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο (όπως εκφράζεται με την εξίσωση 6.17). Πυρήνες με s ηλεκτρόνια δείχνουν μετατόπιση προς υψηλά μαγνητικά πεδία, που καλείται διαμαγνητική μετατόπιση (diamagnetic shift) και το φαινόμενο διαμαγνητισμός (diamagnetism). Αντίθετα, πυρήνες με p ηλεκτρόνια σε p τροχιακά και για μη σφαιρικά μόρια που τα περιέχουν δεν υπάρχει σφαιρική συμμετρία. Τα ηλεκτρόνια αυτά παράγουν μεγάλα μαγνητικά πεδία γύρω από τον πυρήνα, που όταν κατανεμηθούν σε όλη την έκταση των μοριακών κινήσεων δίνουν μετατόπιση προς χαμηλά μαγνητικά πεδία. Το φαινόμενο αυτό προκαλεί αποθωράκιση του πυρήνα και καλείται παραμαγνητική μετατόπιση (paramagnetic shift). 115

124 Κλίμακες για τη μέτρηση της χημικής μετατόπισης. Παλαιότερα, οι μετρήσεις της χημικής μετατόπισης γίνονταν σε μονάδες συχνότητας, κύκλοι ανά δευτερόλεπτο (Hz=cps) από την ουσία αναφοράς και σε σχέση με το εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Είναι λοιπόν πρακτικά επιθυμητό, οι τιμές της χημικής μετατόπισης να εκφρασθούν σε μονάδες χωρίς διαστάσεις, όπως μέρη ανά εκατομμύριο (ppm), που είναι ανεξάρτητες της ραδιοσυχνότητας και της ισχύος του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Η εξίσωση της συχνότητας Larmor, όταν συμπεριληφθεί η σταθερά θωράκισης, αντικαθιστώντας το Η ο με το αποτελεσματικό μαγνητικό πεδίο Η αποτελ, γίνεται: γ ν o = H o (1 σ ) (6.18) 2π Ανάλογα με το ποιός παράγοντας (Η ο ή RF) μεταβάλλεται έχουμε: (α) Εάν το Η ο είναι σταθερό και η ραδιοσυχνότητα RF μεταβάλλεται κατά τη σάρωση του δείγματος, τότε ν δ =γ/2π Η ο (1 σ δ ) και ν α =γ/2π Η ο (1 σ α ), συχνότητες συντονισμού δείγματος και αναφοράς αντίστοιχα. Η χημική μετατόπιση σε κλίμακα χωρίς διαστάσεις συμβολίζεται με το δ και καθορίζεται ως: δ ν ν α δ 6 = 10 ppm (6.19) ν α (β) Στην περίπτωση που η ραδιοσυχνότητα ν ο είναι σταθερή και το μαγνητικό πεδίο μεταβάλλεται, τότε οι συχνότητες συντονισμού είναι: ν ο =(γ/2π)η δ (1 σ δ ) και ν ο =(γ/2π)η α (1 σ α ) και η χημική μετατόπιση: δ H H α δ 6 = 10 ppm (6.20) H α Από τις δύο εξισώσεις προκύπτουν : (α) όσο πιο θωρακισμένος είναι ο πυρήνας από ηλεκτρονικό νέφος (δηλαδή μεγάλη τιμή του σ), τόσο η συχνότητα συντονισμού θα βρίσκεται σε υψηλά εφαρμοζόμενα μαγνητικά πεδία όταν σαρώνουμε το μαγνητικό πεδίο, αλλά σε χαμηλότερη συχνότητα, όταν μεταβάλλεται η ραδιοσυχνότητα και (β) όσο λιγότερο θωρακισμένος είναι ένας πυρήνας σε σχέση με την ουσία αναφοράς τόσο μεγαλύτερη η τιμή της χημικής μετατόπισης σε μονάδες δ. Είναι φανερό λοιπόν ότι οι εξισώσεις για το δ αλλάζουν, ώστε η τιμή του να αυξάνει με αυξανόμενη θωράκιση του πυρήνα. Ως ουσία αναφοράς για φάσματα 1 H NMR χρησιμοποιείται το τετραμεθυλοπυρίτιο (ή τετραμέθυλοσιλάνιο), TMS, γιατί παρουσιάζει τα πιο θωρακισμένα πρωτόνια 116

125 από οποιαδήποτε άλλη οργανική ένωση (δ=0). Οι τιμές δ των διαφόρων ουσιών μετρούνται με βάση το TMS σε μια κλίμακα από 1-12 και είναι πάντοτε θετικοί αριθμοί. Επειδή όμως στην κλίμακα τιμών δ έχουμε αυξανόμενη χημική μετατόπιση προς μικρές τιμές δ, δημιουργήθηκε μια εναλλακτική λύση με την κλίμακα τ, που είναι αρκετά διαδεδομένη στα φάσματα NMR. Ένα παράδειγμα των δύο κλιμάκων στο σχήμα 6.11, και η σχέση μεταξύ δ και τα δίνεται από την εξίσωση: τ=10 δ (6.21) Σχήμα Οι δύο κλίμακες τ και δ για τη χημική μετατόπιση και 1 H NMR της ένωσης O CH 3 CH 2 OCCHCl 2 σε 60 ΜHz (1ppm=60 Hz) Ουσίες αναφοράς. Για φάσματα 1 H και 13 C NMR, η καλύτερη και η πιο εύχρηστη ουσία είναι το τετραμεθυλοσιλάνιο, Si(CH 3 ) 4 (TMS). Τα πλεονεκτήματα του είναι ότι διαλύεται σχεδόν σε όλους τους διαλύτες εκτός από το νερό, είναι χαμηλού σημείου ζέσης και το κυριότερο δίνει μία έντονη ταινία απορρόφησης πολύ μακριά από κάθε άλλη οργανική χημική ένωση. Το σημείο του σήματος του TMS λαμβάνεται συμβατικά ως μηδέν για την κλίμακα δ ή δέκα για την κλίμακα τ. Η συνήθης ποσότητα TMS που προστίθεται στο δείγμα είναι 5% ή 2-3 σταγόνες. 117

126 Για υδατικά διαλύματα χρησιμοποιείται η ένωση 2,2-διμεθυλο-2- σιλανοπεντανιο-5-σουλφονικο άλας νατρίου (DSS, (CH 3 ) 3 SiCH 2 CH 2 CH 2 SO 3 Na). Το DSS παρουσιάζει ισχυρό σήμα (τα υδρογόνα των CH 3 ) σε δ=0. Το μόνο μειονέκτημα του DSS είναι η απορρόφηση των άλλων υδρογόνων. Πίνακας 6.2. Ουσίες αναφοράς για φάσματα NMR και βαθμολόγησης κλίμακας NMR. Πυρήνας Ουσία αναφοράς TMS (0.0) κυκλοεξάνιο (1.63) 1 H βενζόλιο (6.95) ακετόνη (2.216) ακετονιτρίλιο (2.059) 13 C 19 F TMS 13 CS 2 CH 13 3 COOH K 13 2 CO 3 CCl 3 F CF 3 COOH CF 4 C 6 F Χημική μετατόπιση πρωτονίων ( 1 H). Το πρωτόνιο είναι ειδική περίπτωση πυρήνα, γιατί χωρίς p ηλεκτρόνια στερείται παραμαγνητικών ιδιοτήτων. Αυτός είναι και ο λόγος που η χημική μετατόπιση του 1 H στις διάφορες οργανικές ενώσεις περιορίζεται στην περιοχή των 10 ppm, ενώ οι άλλοι πυρήνες παρουσιάζουν χημικές μετατοπίσεις μέχρι 200 ppm. Ο βαθμός θωράκισης εξαρτάται από την ηλεκτρονική πυκνότητα, έτσι οι χημικές μετατοπίσεις της CΗ 3 Χ, όπου Χ είναι ηλεκτραρνητικό στοιχείο, μετατοπίζονται προς χαμηλά μαγνητικά πεδία καθώς αυξάνεται η ηλεκτραρνητικότητα (οι τιμές της δ Η αυξάνονται). Πίνακας 6.3. Χημικές μετατοπίσεις για 1 H της CΗ 3 Χ. Χ (CΗ 3 Χ) δ Η Ε Χ (ηλεκτραρν) Χ (CΗ 3 Χ) δ Η Ε Χ (ηλεκτραρν) Si(CH 3 ) I H Br CH Cl CN 1.97 OH NH F

127 Επίσης, η χημική μετατόπιση του 1 H εξαρτάται άμεσα από τη μορφή του μορίου και ειδικά από το άτομο του άνθρακα με το οποίο είναι ενωμένο και από άλλα άτομα που το περιβάλλουν. Πίνακας 6.4. Χημικές μετατοπίσεις 1 H διαφόρων οργανικών ενώσεων. Ομάδα δ (±0.5) τ (±0.5) Ομάδα δ (±0.5) τ (±0.5) RCOOH CH 3 OR RCHO CH 2 COR H C CH R H C CH 3 COOR H CH 2 OCOR CH 3 COR CH 3 OCOΦ CH 3 C R CH 3 OCOR C CH 2 C CH 2 OR C CH *οι τιμές των χημικών μετατοπίσεων σημειώνονται με τελεία (.) αντί (,) όπως είναι στην (αγγλική) ορολογία των ξένων βιβλίων για να μην προκαλείται σύγχυση. Επίσης, μια άλλη σειρά οργανικών ενώσεων και οι χημικές μετατοπίσεις των 1 H σε κλίμακα δ και τα δίνεται στον Πίνακα

128 Πίνακας 6.5. Χημικές μετατοπίσεις για 1 H διαφόρων οργανικών ενώσεων. 120

129 Για μια γενική εκτίμηση της χημικής μετατόπισης υπάρχουν οι κανόνες Shoolery που βοηθούν, με διάφορες εμπειρικές παραμέτρους, να προβλέψουμε τη χημική μετατόπιση ενώσεων της μορφής: CH 2 XY και CHXYZ, όπου X, Y, Z είναι διαφορετικοί υποκαταστάτες. Με αυτό τον τρόπο έχουν υπολογιστεί οι C C χημικές μετατοπίσεις ολεφινών H και αρωματικών ενώσεων με ένα βενζολικό δακτύλιο. Στην περίπτωση των αρωματικών ενώσεων, είναι φανερό ότι η χημική μετατόπιση του φαινυλίου (C 6 H 5 ) επηρεάζεται από την ηλεκτραρνητικότητα των υποκαταστατών. Οι πιο ηλεκτραρνητικοί αποθωρακίζουν τα πρωτόνια και στην περίπτωση που βρίσκονται σε ορθο και παρα θέσεις το φαινόμενο αποθωράκισης γίνεται μεγαλύτερο λόγω συντονισμού. Το αντίθετο συμβαίνει με υποκαταστάτες ηλεκτροδότες ή μικρής ηλεκτραρνητικότητας. Πίνακας 6.6. Διαφορά στης χημικές μετατοπίσεις (αρνητική ή θετική) gia υποκατάσταση σε ορθο (ο-), μετα (m-) και παρα (p-) θέσεις αρωματικού δακτυλίου. Υποκαταστάτης Δδ Η Δδ Η Δδ Η ορθο μετα παρα NO COOCH COCH CHO CN F Cl Br J OH OCH OCOCH CH NH (η Δδ Η μετράται από το δ Η = του βενζολικού δακτυλίου) Ωστόσο, υπάρχουν και άλλοι παράγοντες και φαινόμενα που επιδρούν πάνω στη χημική μετατόπιση με αποτέλεσμα να μην έχουμε ακριβή ποσοτική εξήγηση της επίδρασης των υποκαταστατών. Ένα σημαντικό μέρος της χημικής μετατόπισης στις αρωματικές ενώσεις οφείλεται στην εσωατομική κυκλοφορία των π ηλεκτρονίων μέσα από το επίπεδο του βενζολικού δακτυλίου, που σχηματίζει ένα μικρό μαγνητικό πεδίο αντίθετης κατεύθυνσης σε σχέση με το εφαρμοζόμενο, δημιουργώντας έτσι μεγάλη χημική 121

130 μετατόπιση προς υψηλά μαγνητικά πεδία. Αντίθετα, η κυκλική κίνηση των s ηλεκτρονίων γύρω από τα πρωτόνια του βενζολικού δακτυλίου δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα που παράγει μαγνητικό πεδίο κατά την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου, προκαλώντας χημική μετατόπιση σε χαμηλά μαγνητικά πεδία. Στην πράξη, τα μόρια περιστρέφονται ταχύτατα μέσα στο διάλυμα και η χημική μετατόπιση του NMR είναι ο μέσος όρος των διαφόρων κατευθύνσεων του μορίου ως προς το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο (εξωτερικό). Σχήμα Αποθωράκιση του βενζολικού δακτυλίου λόγω του δευτερεύοντος μαγνητικού πεδίου, που σχηματίζεται από το φαινόμενο του ρεύματος-πεδίου, σε σχέση με το εξωτερικά εφαρμοζόμενο Η z. Σχήμα Αποθωράκιση λόγω του δευτερεύοντος μαγνητικού πεδίου ακετυλενίου και βενζολίου (διαφορετική αναπαράσταση ηλεκρονικού νέφους).το φαινόμενο καλείται διαμαγνητική ανισοτροπία (diamagnetic anisotropy). 122

131 6.6. Spin - Spin Σύζευξη στον Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό. Ένα άλλο σημαντικό φαινόμενο που αποτελεί την αιτία της λεπτής υφής του φάσματος NMR είναι η spin spin σύζευξη (spin spin coupling). Για να μελετήσουμε το φαινόμενο ας υποθέσουμε δύο πυρήνες υδρογόνου (Η Α, Η Β ) σε δύο διαφορετικά μέρη ενός στερεού π.χ. σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, που είναι αρκετά κοντά ο ένας στον άλλο, ώστε να εξασκούν υπολογίσιμη μαγνητική επίδραση (σε μονάδες NMR, δηλαδή μαγνητικό πεδίο τουλάχιστον της τάξης 0.01μΤ ή μεγαλύτερο). Όπως είναι γνωστό, το μαγνητικό πεδίο γύρω από τους πυρήνες είναι αποτέλεσμα της κυκλοφορίας των ηλεκτρονίων (πυρηνική θωράκιση) και ενός μαγνητικού πεδίου που προέρχεται από τους γειτονικούς πυρήνες. Δηλαδή, Μαγνητικό Πεδίο Πυρήνα Α = Πυρηνική Θωράκιση και Μαγνητικό Πεδίο Γειτονικού Πυρήνα Β. Έτσι, στην περίπτωση της διχλωροακεταλδεΰδης, CHCl 2 CHO, ενώ αναμένουμε δύο φασματικές ταινίες (γραμμές) απορρόφησης από τα δύο διαφορετικά πρωτόνια του μορίου (CH Α Cl 2 CH Β O), στην πράξη εμφανίζονται τέσσερις ταινίες. Σχήμα Η NMR της CHCl 2 CHO σε 60 ΜΗz. Το αποτέλεσμα είναι προφανές. Ο πυρήνας H Β έχει δύο προσανατολισμούς σε σχέση με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο H Ζ. Ο προσανατολισμός m I =+1/2, που παράγει ένα μικρό πεδίο προς την κατεύθυνση του εξωτερικού [+ΔΗ ( ) ] επί του πυρήνα H Α και ο προσανατολισμός m I = 1/2, που παράγει ένα ίσο και αντίθετο πεδίο ως προς το εξωτερικό [ ΔΗ ( ) ] επί του πυρήνα H Α. Οι δύο προσανατολισμοί του H Β είναι εξίσου πιθανοί και αλληλεπιδρούν επί του H Α με αποτέλεσμα να παρουσιάζονται δύο ταινίες απορρόφησης αντί μίας. Το ίδιο αποτέλεσμα προκαλεί και ο H Α επί του H Β. Παρουσιάζονται δύο ταινίες απορρόφησης και σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους, όπως και για τον πυρήνα H Α. Η απόσταση αυτή των δύο ταινιών απορρόφησης καλείται σταθερά spin spin σύζευξης (spin spin coupling constant) και συμβολίζεται με το 123

132 γράμμα J. Η J ΑΒ είναι η σταθερά σύζευξης μεταξύ των πυρήνων H Α και H Β, ανεξάρτητη από το εφαρμοζόμενο εξωτερικό πεδίο και μετριέται σε μονάδες Ηz. Εάν υπάρχουν περισσότεροι από δύο πυρήνες που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, τότε χρειάζεται να αναλύσουμε όλους τους δυνατούς συνδυασμούς προσανατολισμού των spin των πυρήνων, που βρίσκονται φυσικά αρκετά κοντά για να προκαλέσουν συζεύξεις, ώστε να βρούμε τις πιθανές σχάσεις των φασματικών γραμμών. Για παράδειγμα, στην ένωση 1,1,2-τριχλωροαιθάνιο (CHCl 2 CH 2 Cl) έχουμε τρία πρωτόνια. Τα δύο πρωτόνια της CH 2 είναι χημικά και μαγνητικά ισοδύναμα (δηλαδή, δεν παρουσιάζουν σχάσεις των φασματικών ταινιών από αλληλεπίδραση) και παρουσιάζουν ταινία απορρόφησης διαχωρισμένη σε δύο κορυφές (από τους δύο προσανατολισμούς του πρωτονίου της ομάδας CH ), ενώ το μοναδικό υδρογόνο της ομάδας CH βλέπει τρεις διαφορετικούς συνδυασμούς των spin των πρωτονίων της ομάδας CH 2. Οι τρεις συνδυασμοί είναι (σε σχέση με το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο H Ζ ): αα, αβ, βα, ββ, όπου αα m I =+1, αβ και βα m I =0 και ββ m I = 1 (Σχήμα 6.4.). Η σύζευξη αυτή δημιουργεί μία φασματική ταινία απορρόφησης με τρεις κορυφές (triplet) σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους (J) και με ένταση σε αναλογία 1:2:1, όπου η m I =0 είναι η πιο πιθανή από τους άλλους δύο συνδυασμούς spin. Σχήμα Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης CHCl 2 CH 2 Cl σε 60 ΜΗz. Σε ένα δεύτερο παράδειγμα με την ένωση ακεταλδεΰδη, CH 3 CHO, υπάρχουν οι παρακάτω συνδυασμοί των spin των τριών πρωτονίων του μεθυλίου (CH 3 ), που και τα τρία θεωρούνται χημικά και μαγνητικά ισοδύναμα: 124

133 1.aaa, 2.aab, 3.aba, 4.baa, 5.bba, 6.bab, 7.abb, 8.bbb, _ + _ + _ _ + _ + _ m I = +3/2 m I = +1/2 m I = -1/2 m I = -3/2 Κάθε μια από τις τέσσερις δυνατές τιμές του ολικού spin των πρωτονίων της CH 3 προκαλεί την εμφάνιση διαφορετικών ενεργειακών σταθμών στις δύο κατευθύνσεις του spin στο μοναδικό πρωτόνιο της CHO, με αποτέλεσμα η φασματική ταινία να διαχωρίζεται σε τέσσερις κορυφές με αποστάσεις J μεταξύ τους (quartet). Σχήμα Φάσμα 1 Η NMR της ακεταλδεΰδης, CH 3 CHO σε 60 ΜΗz. Οι εντάσεις των τεσσάρων κορυφών είναι διαφορετικές. Οι προσανατολισμοί των spin με m I =±1/2 είναι πιο πιθανοί (λόγω των περισσότερων συνδυασμών) και ενώ οι αποστάσεις είναι ίσες, οι εντάσεις έχουν την αναλογία 1:3:3:1. Η ομάδα CH 3 επηρεάζεται από το πρωτόνιο της CHO, που έχει δύο μόνο προσανατολισμούς, διασπά τη φασματική ταινία σε δύο κορυφές (doublet). Ο γενικός κανόνας για τον αριθμό των διασπάσεων που υπόκεινται οι φασματικές ταινίες στο NMR, λόγω της spin spin σύζευξης, είναι: όταν ένας 125

134 πυρήνας αλληλεπιδρά με n (n=1, 2, 3, ) άλλους πυρήνες, που είναι χημικά και μαγνητικά ισοδύναμοι, παρουσιάζει ταινία απορρόφησης που διαιρείται σε n+1 κορυφές (ή φασματικές γραμμές) σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους και με αναλογία στην ένταση τους (1+Χ) n, δηλαδή για n=3 η αναλόγία της έντασης των φασματικών κορυφών είναι 1:3:3:1, για n=4, 1:4:6:4:1, κ.λπ. Ένας τρόπος για την πρακτική λύση της αναλογίας των εντάσεων των φασματικών γραμμών είναι το τρίγωνο Pascal. Για τον τύπο (1+Χ) n έχουμε: n = 0 1 n = n = n = n = Αν και η spin spin σύζευξη δημιουργεί πολύπλοκα φάσματα στις περισσότερες οργανικές ενώσεις, συνήθως η λεπτή υφή των ταινιών απορρόφησης δεν εμφανίζεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των δεσμών μεταξύ των πυρήνων. Φυσικά οι κανόνες που αναφέραμε πιο πάνω δεν εφαρμόζονται για όλα τα NMR και ιδιαίτερα για συζεύξεις που είναι μικρότερες των χημικών μετατοπίσεων ή η διακριτική ικανότητα του οργάνου δεν επαρκεί για να ξεχωρίσει τη σύζευξη Μηχανισμός spin spin σύζευξης και τα είδη των spin spin συζεύξεων. Στο τμήμα αυτό θα αναπτύξουμε πολύ σύντομα τις βασικές θεωρίες για τον τρόπο που τα διάφορα πυρηνικά spin αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η σύζευξη μεταξύ πυρήνων (για υψηλής διαχωριστικής ικανότητας φασματόμετρων NMR) επιτυγχάνεται μέσα από τα ηλεκτρόνια των δεσμών, δηλαδή είναι αλληλεπιδράσεις σύζευξης μεταξύ των δεσμικών ηλεκτρονίων. Υπάρχουν τρεις πιθανοί μηχανισμοί: (α) οι μαγνητικές ροπές των πυρήνων αλληλεπιδρούν με τα ηλεκτρικά ρεύματα που προκαλούνται από τα ηλεκτρονικά τροχιακά, (β) υπάρχει διπολική αλληλεπίδραση μεταξύ των πυρηνικών και ηλεκτρονικών μαγνητικών ροπών και (γ) υπάρχει αλληλεπίδραση μεταξύ των μαγνητικών ροπών και των ηλεκτρονικών spin στα s-τροχιακά, λόγω του ότι η ηλεκτρονική κυματική συνάρτηση γύρω από τον πυρήνα έχει μια καθορισμένη τιμή, που καλείται όρος επαφής (contact term). Για συζεύξεις μεταξύ υδρογόνων φαίνεται ότι, ο τρίτος μηχανισμός είναι ο πιο σημαντικός, ενώ οι άλλοι δύο είναι αμελητέοι. Ωστόσο, για άλλους πυρήνες και οι τρεις μηχανισμοί είναι εξίσου σημαντικοί και οι κανόνες σύζευξεις είναι εντελώς διαφορετικοί από τις συζεύξεις Η.Η και Η.Χ (όπου Η υδρογόνο). Επίσης, συζεύξεις άνθρακα-άνθρακα και φθορίου-φθορίου (C.C, F.F) είναι 126

135 εντελώς διαφορετικές από άνθρακα-υδρογόνου και υδρογόνου-φθορίου (C.Η, Η. F) Είδη συζεύξεων για υδρογόνα Η πιο συνηθισμένη σύζευξη που συναντάται στις οργανικές ενώσεις είναι η γειτονική πρωτόνιο-πρωτόνιο σύζευξη, 3 J HH (vicinal proton-proton coupling). Οι συζεύξεις αυτού του είδους στηρίζονται κυρίως στον 3 ο μηχανισμό που προαναφέρθηκε. Τα βασικά συμπεράσματα για συζεύξεις στα φάσματα NMR των υδρογονανθράκων και των αρωματικών ενώσεων έχουν συνοψισθεί από τον Karplus: Οι συζεύξεις σε κορεσμένες και ακόρεστες οργανικές ενώσεις κατά το μεγαλύτερο βαθμό τους επιτυγχάνονται μέσα από τα s ηλεκτρόνια και είναι πάντοτε θετικές. Στις ολεφίνες C C, οι τιμές των συζεύξεων J trans είναι μεγαλύτερες από τις J cis. Σε ένα κορεσμένο τμήμα υδρογονάνθρακα, η σύζευξη είναι ανάλογη του συν 2 φ, όπου φ είναι η διεδρική γωνία μεταξύ των δύο δεσμών C H. Μερικές τιμές σταθερών σύζευξης γειτονικής spin-spin σύζευξης μεταξύ πρωτονίων είναι: Οργανικές ενώσεις H 2 C CH 2 Τιμές σταθερών σύζευξης (Hz) J cis = 11.7 J trans = 19.0 HC CH J = N CH CH 3 2 J = 7.6 J 23 = 5.5 J 34 = 7.5 Εκτός από τη γειτονική σύζευξη πρωτονίων υπάρχει και η σύζευξη ανά ζεύγη πρωτονίων, που καλείται ζευγαρωτή spin-spin σύζευξη 2 J HH (geminal spinspin coupling). Οι τιμές της σύζευξης αυτής μπορεί να είναι θετικές ή αρνητικές και κυμαίνονται μεταξύ -20 και +40 Hz. 127

136 Οργανικές ενώσεις Τιμές σταθερών σύζευξης (Hz) CH 4 J = CH 3 CCl 3 J = CH 3 COCH 3 J = CH 3 F J = -9.6 H 2 C O J = +41 H 2 C CH 2 J = +2.5 H 2 C CHF J = -3.2 H 2 C CHLi J = +7.1 BrCH 2 CH 2 OH J = Μια τρίτη κατηγορία συζεύξεων μεταξύ υδρογόνων είναι οι συζεύξεις μακράς ακτίνας δράσης πρωτονίου-πρωτονίου, n J HH, (long-range HH coupling) όταν περιλαμβάνονται τέσσερις ή περισσότεροι δεσμοί μεταξύ των υδρογόνων που συζεύγνυνται. Υπάρχουν αρκετές κατηγορίες και διαφορετικοί μηχανισμοί για το είδος αυτό των συζεύξεων. Μερικές τιμές σταθερών σύζευξης μακράς-ακτίνας δράσης είναι: Οργανικές ενώσεις H 2 C CHCH 3 * * CH 3 CH * C(CH 3 )COOH * Τιμές σταθερών σύζευξης (Hz) 4 J cis = J trans = J cis = J trans = 1.5 CH 3 C C C C CH 7 3 J = 1.3 * * CH 3 Cl Br 4 J (Me H6) = J (Me H3) = J (Me H4) = Σταθερές σύζευξης υδρογόνου-άνθρακα και άνθρακα-άνθρακα. Όπως είναι φυσικό συμβαίνουν και spin-spin συζεύξεις μεταξύ υδρογόνων και ατόμων άνθρακα και μεταξύ ατόμων άνθρακα-άνθρακα. Η σύζευξη 1 J CΗ (άνθρακα-υδρογόνο) έχει θεωρητικό ενδιαφέρον και στους υδρογονάνθρακες είναι άμεσα ανάλογη του κλάσματος του s-χαρακτήρα του δεσμού C H. 128

137 Η σύζευξη μεταξύ άνθρακα-άνθρακα, 1 J CC σε φάσματα 13 C NMR ακολουθεί τα ίδια χαρακτηριστικά των συζεύξεων C H, αν και είναι μικρότερου μεγέθους, λόγω της μικρότερης μαγνητικής ροπής του 13 C. Επίσης, μεταξύ ατόμων άνθρακα στις οργανικές ενώσεις υπάρχουν συζεύξεις ζευγαρωτές και μακράς ακτίνας δράσης, όπως και μεταξύ άνθρακαυδρογόνου. Οι σταθερές σύζευξης μπορούν να χρησιμοποιηθούν με μεγάλη επιτυχία (ιδιαίτερα με τη χρήση του μεγάλης ακρίβειας φασματόμετρου 13 C NMR) για τη διερεύνηση της δομής οργανικών ενώσεων. 129

138 6.7. Βιβλιογραφία. Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός 1. Pople JA, Schneider WG, Bernstein HJ. High Resolution Nuclear Magnetic Resonance. McGraw-Hill, New York, Roberts JD. Nuclear Magnetic Resonance. McGraw-Hill, New York, Emsley JW, Feeney J, Sutcliffe LH. High Resolution NMR Spectroscopy. Pergamon Press, Oxford, Hecht HG. Magnetic Resonance Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Carrington A, Mclachlan AD. Introduction to Magnetic Resonance. Harper and Row, New York, 1967, Carrington A, Hudson A, Mclachlan AD. Introduction to Magnetic Resonance. Chapman and Hall, London, Mathieson DW. NMR for Organic Chemists. Academic Press, New York, Bovey FA. NMR Spectroscopy. Academic Press, New York, Becker ED. High Resolution NMR. Academic Press, New York, 1969, Andrew EP. Nuclear Magnetic Resonance. Cambridge University Press, Cambridge, Diehl P, Fluck E, Kosfeld R (eds). Basic NMR: Principles and Progress. Springer-Verlag, Berlin, Farrar TC, Becker ED. Pulse and Fourier Transform NMR: Introduction to Theory and Methods. Academic Press, New York, Maclachlan KA. Magnetic Resonance. Clarendon Press, Oxford, Dwek RA. NMR in Biochemistry. Oxford University Press, New York, Myers RJ. Molecular Magnetism and NMR Spectroscopy. Prentice-Hall, New Jersey, Dwek RA, et al. NMR in Biochemistry. Academic Press, London, Harris RK, Mann BE. NMR and the Periodic Table. Academic Press, London, Abraham RJ, Loftus P. Proton and Carbon-13 NMR Spectroscopy: An Intergrated Approach. Heyden, London, Harris RK. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Pitman, London, 1983, 1986 (revised edition, Longman, London). 20. Jardetsky O, Roberts GC. NMR in Molecular Biology. Academic Press, New York, Shaw D. Fourier Transform NMR Spectroscopy. Elsevier, Amsterdam, 1984, Williams D. Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (Analytical Chemistry by Open Learning Series). John Wiley and Sons, Chichester, Yoder CH, Schaffer CD, Introduction to Multinuclear NMR. Benjamin- Cummings, California, Paudler WW. Nuclear Magnetic Resonance: General Concepts and Applications. Wiley-Interscience, New York,

139 25. Kemp W. NMR in Chemistry: A Multinuclear Introduction. Macmillan, London, Sanders JKM, Hunter BK. Modern NMR Spectroscopy: A Guide for Chemists. Oxford University Press, Oxford, Sanders JKM, Constable EC, Hunter BK. Modern NMR Spectroscopy: A Workbook of Chemical Problems. Oxford University Press, Oxford, Abraham RJ, Fischer J. NMR Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Atta-Ur-Rahman HE. Nuclear Magnetic Resonance. Elsevier, Amsterdam, Freeman RA. Handbook of NMR. Longman, London, 1987, Ernst RR, Bodenhansen G, Wokann A. Priciples of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions. International Series Monographs on Chemistry. Oxford Science Publications, Oxford, Breitmaier E. Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry. John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK, Sanders JKM, Hunter BK. Modern NMR Spectroscopy, 2nd ed., Oxford University Press, Oxford, Quin LD, Verkade JG, eds. Phosphorus-31 NMR Spectral Propertiew in Compound Characterization and Structural Analysis. Wiley-VCH, New York, Maciel GE. Nuclera Magnetic Resonance in Modern Technology. Klumer Academic, Dordrecht, Hore PJ. Nucleal Magnetic Resonance. Oxford Chemistry Primers, No 32, Oxford University Press, Oxford, Cavanagh J. Protein NMR Spectroscopy: Principles & Practice. Academic Press, San Diego,KA, Grant DM, Harris RK, eds. Encyclopedia of NMR, Vol. 1, John Wiley & Sons, New York, Macomber RS. A Complete Introduction to Modern NMR spectroscopy. Wiley-Interscience, New York, Μαυρομούστακος Θ, Ματσούκας Ι. NMR. Χρήση Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού στο Σχεδιασμό και στη Σύνθεση Φαρμακευτικών Μορίων. Εθνικό Ίδρυμα Ερευνών, Αθήνα, Claridge TDW. High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Tetrahedron Organic Chemistry Series, Vol.19, Pergammon Press, Oxford, Hore PJ, Jones JA, Wimperis A, Wimperis S. NMR: The Toolkit. Oxford University Press, Oxford, Levitt MH. Spin Dynamics-Basics of Nuclear Magnetic Resonance. John Wiley & Sons, New York, Berger S, Braun S. 200 and More NMR Experiments: A Practical Course. Wiley-VCH, New York,

140 45. Duer M. Introduction to Solid-state NMR Spectroscopy. Blackwell Publishing Ltd, London, Frebolin H. Basic One- and Two-Dimensional NMR Spectroscopy. John Wiley & Sons, New York, Balci M. Basic 1H-13C-NMR Spectroscopy. Elsevier, Amsterdam, Pochapsky T, Pochapsky S. NMR for Physical and Biological Scientists. Taylor & Francis, New York, Μαυρομούστακος Θ., Ματσούκας Ι. NMR. Βασικές Αρχές και Εφαρμογές Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού στην Ιατρική, Φαρμακευτική Χημεία, Βιοχημεία, Χημείας Τροφίμων και Ποτών. Εκδ. Γ.Β. Παρισιάνος, Αθήνα,

141 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΒΔΟΜΟ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ 7.1.Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός Άλλων Πυρήνων Εκτός από το πρωτόνιο ( 1 Η) και τον άνθρακα-13 ( 13 C), οι κυριότεροι πυρήνες που μελετούνται με NMR στην Οργανική Χημεία είναι το φθόριο-19, το άζωτο-14, ο φωσφόρος-31 και το οξυγόνο-17. Φθόριο-19 ( 19 F): Ο πυρήνας του 19 F είναι πολύ σημαντικός στην Οργανική Χημεία των φθοριωμένων ενώσεων. Το φθόριο είναι ισχυρά ηλεκτραρνητικό στοιχείο και μπορεί να ενωθεί σχεδόν με όλα τα άλλα στοιχεία ή να αντικαταστήσει τα υδρογόνα στις οργανικές ενώσεις. Η φυσική του αφθονία είναι 100% και δίνει ισχυρές φασματικές γραμμές στον 19 F NMR. Επίσης, έχει ικανοποιητικό spin-πλέγμα χρόνο αποκατάστασης (Τ 1 ) στις περισσότερες ενώσεις του. Παρουσιάζει ένα πλεονέκτημα σε σχέση με το πρωτόνιο, γιατί παρουσιάζει μεγαλύτερες χημικές μετατοπίσεις για τις αντίστοιχες οργανικές ενώσεις. Τα φάσματα NMR είναι παραπλήσια του πρωτονίου και το 19 F έχει spin 1/2. Η φθορίωση οργανικών ενώσεων και η μελέτη της δομής τους ή των φυσικών ιδιοτήτων τους με NMR είναι ένας σημαντικός κλάδος της Οργανικής Χημείας. Φωσφόρος-31 ( 31 P): Είναι το μόνο ισότοπο του φωσφόρου, με spin 1/2 και φυσική αφθονία 100%. Επειδή παρουσιάζει πολύ μικρή ροπή μαγνήτισης, η ευαισθησία του στο NMR είναι περίπου 7% σε σχέση με το 1 Η. Ωστόσο, ο πυρήνας 31 P είναι ιδανικός για τεχνικές με υψηλή διαχωριστική ικανότητα λόγω των αιχμηρών και έντονων φασματικών γραμμών και των μεγαλύτερων χημικών μετατοπίσεων που παρουσιάζει σε σχέση με άλλους πυρήνες. Η μικρότερη ευαισθησία που μπορεί να διορθωθεί με την αύξηση της συγκέντρωσης των δειγμάτων. Τα φάσματα 31 P NMR χρησιμοποιούνται ευρύτατα και με σημαντική επιτυχία, για τη μελέτη βιοχημικών και βιολογικών διεργασιών (αμινοξέα, πρωτεϊνούχα υποστρώματα, ένζυμα, κ.λπ). Άζωτο-14 ( 14 Ν): Ο πυρήνας 14 Ν έχει φυσική αφθονία 99,63% και spin 1. Ο πυρήνας παρουσιάζει τετραπολική ροπή (quadruple moment) και ασυμμετρία της ηλεκτρονικής κατανομής γύρω από τον πυρήνα, με αποτέλεσμα οι φασματικές ταινίες να έχουν μεγάλο εύρος. Για να αποφύγουμε τη διεύρυνση των ταινιών μπορούμε να μελετηθεί το ισότοπο άζωτο-15 ( 15 Ν) που έχει spin 1/2, αλλά λόγω της μικρής του φυσικής αφθονίας (0,37%) απαιτείται ισοτοπικός 133

142 εμπλουτισμός των δειγμάτων. Φάσματα 15 Ν NMR έχουν σημαντικές εφαρμογές στην Οργανική Χημεία και σε πολλές βιοχημικές ενώσεις ( ένζυμα). Οξυγόνο-17 ( 17 Ο): Ο πυρήνας 17 Ο έχει πολύ μικρή φυσική αφθονία (0,037%) και είναι το μόνο ισότοπο του οξυγόνου που παρουσιάζει μαγνητική ροπή. Ωστόσο, έχουν πραγματοποιηθεί αρκετές μελέτες με 17 Ο NMR σε ανόργανες και οργανικές ενώσεις, είτε με την Παλμική Τεχνική Fourier, είτε μετά από εμπλουτισμό των δειγμάτων Παραμαγνητικές Ιδιότητες Μετάλλων και Χημική Μετατόπιση Στις οργανομεταλλικές ενώσεις, όπου το μέταλλο είναι διαμαγνητικό, παρουσιάζεται μικρή αύξηση των χημικών μετατοπίσεων στο 1 Η NMR σε σχέση με την αρχική ένωση χωρίς μέταλλο. Ενώ οι οργανομεταλλικές ενώσεις με παραμαγνητικό μέταλλο παρουσιάζουν χημικές μετατοπίσεις των πρωτονίων που μπορούν να καλύπτουν περιοχές μέχρι και 200 ppm. Παραμαγνητική είναι μια ουσία που έχει μαγνητική διαπερατότητα λίγο μεγαλύτερη από τη μονάδα. Τα άτομα μιας παραμαγνητικής ουσίας έχουν μόνιμη μαγνητική ροπή που οφείλεται στην ανισοκατανομή των spin των ηλεκτρονίων ή ανισοκατανομή των τροχιακών γύρω από τον πυρήνα. Εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προσανατολίζει τους μαγνητικούς άξονες των ατόμων προς την κατεύθυνση του πεδίου, δίνοντας στην ουσία μια συνισταμένη μαγνητική ροπή. Διαμαγνητική είναι μια ουσία με μικρή αρνητική επιδεκτικότητα, που οφείλεται σε μεταβολή των τροχιακών κινήσεων των ηλεκτρονίων των ατόμων ως αποτέλεσμα της εφαρμογής εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Οι μεγάλες αυτές χημικές μετατοπίσεις είναι αποτέλεσμα, είτε της επίδρασης επαφής (contact interaction), είτε της επίδρασης ψευδοεπαφής (pseudocontact interaction). Η πρώτη αφορά τη μεταφορά ασύζευκτων ηλεκτρονίων, δηλαδή ηλεκτρονικής πυκνότητας, από το μέταλλο στην οργανική ένωση. Η μεταφορά αυτή μπορεί να προκαλέσει θετικές ή αρνητικές μετατοπίσεις, πράγμα που εξαρτάται από την ηλεκτρονική κατανομή και το συσχετισμό των ηλεκτρονικών spin. Η επίδραση ψευδοεπαφής, που καλείται και διπολική, είναι αποτέλεσμα των μαγνητικών διπολικών πεδίων που επιδρούν στον πυρήνα, που βρίσκεται δίπλα σε παραμαγνητικό μεταλλικό ιόν. Το φαινόμενο είναι παρόμοιο με τη μαγνητική ανισοτροπία, δηλαδή τη μαγνητική ανισοκατανομή προς τις διάφορες κατευθύνσεις στο χώρο Επίδραση των Ισοτόπων στις Χημικές Μετατοπίσεις Μια τεχνική που χρησιμοποιείται συχνά στα φάσματα NMR και χρησιμεύει στην ταυτοποίηση των φασματικών ταινιών των οργανικών ενώσεων είναι η ισοτοπική αντικατάσταση (isotope substitution). Συνήθως προκαλείται 134

143 μια μικρή αλλά ενδεικτική μετατόπιση δίπλα στον πυρήνα, που αντικαθίσταται από ένα ισότοπό του. Για παράδειγμα, η χημική μετατόπιση (δ) του 13 C μειώνεται κατά 0,3 ppm για την ένωση 13 CDCl 3 σε σχέση με την ένωση 13 CΗCl 3, όπου το πρωτόνιο έχει αντικατασταθεί με το δευτέριο. Παρόμοια, η χημική μετατόπιση του 19 F μειώνεται κατά 0,47 ppm στην ένωση CF 2 CD 2. Η ισοτοπική αντικατάσταση έχει μικρότερη επίδραση στη χημική μετατόπιση των πρωτονίων σε σχέση με τους άλλους πυρήνες. Η μόνη εξήγηση, που θεωρείται πιθανή, για την ισοτοπική αντικατάσταση είναι ότι προκαλείται από τις μεταβολές στο εύρος της δόνησης των ατόμων, καθώς αντικαθίσταται ο πυρήνας με ένα ισότοπό του Μετατοπίζοντα Αντιδραστήρια Οι μεγάλες χημικές μετατοπίσεις που παράγονται με την εισαγωγή παραμαγνητικών μετάλλων προέτρεψαν τους επιστήμονες να χρησιμοποιήσουν τυποποιημένα πλέον μετατοπίζοντα αντιδραστήρια (shift reagents), που συνήθως περιέχουν ένα παραμαγνητικό ιόν συμπλοκοποιημένο με ένα οργανικό μόριο. Το σύμπλοκο αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί αφού πρώτα αντιδράσει με την ένωση που μελετάται (και να συμπλοκοποιηθεί). Οι πιο σημαντικές ενώσεις του είδους αυτού είναι ορισμένες σύμπλοκες ενώσεις των σπάνιων γαιών και ιδιαίτερα της ομάδας των λανθανιδίων. Τα σύμπλοκα αυτά προκαλούν σημαντική αύξηση της χημικής μετατόπισης οργανικών ενώσεων χωρίς αυτό να συνοδεύεται από υπερβολικό εύρος των φασματικών ταινιών, που δεν είναι επιθυμητές. Τα πιο συνηθισμένα αντιδραστήρια του είδους αυτού είναι σύμπλοκα β- κετονών με τα στοιχεία Ευρώπιο (Eu), Πρασιοδύμιο (Pr), Υττέρβιο (Yb) ως χηλικές ενώσεις: R t Bu O CH O C M 3+ O C CH 2 ή M O C CH C(CH 3 ) 3 3 CF 2 CF 2 CF 3 3 Οι ενώσεις αυτές καλούνται μετατοπίζοντα αντιδραστήρια λανθανιδίων, είναι ευδιάλυτες στον CCl 4 και στο CDCl 3 και μπορούν να προστεθούν απευθείας στο διάλυμα του δείγματος που θα μελετηθεί με NMR. Τα χηλικά σύμπλοκα του Eu προκαλούν χημική μετατόπιση προς χαμηλότερα μαγνητικά πεδία, ενώ του Pr προς τα υψηλότερα πεδία. 135

144 7.5. Επίδραση του Διαλύτη και των Δεσμών Υδρογόνου στις Παραμέτρους των Φασμάτων NMR Στα προηγούμενα τμήματα της θεωρίας NMR εξετάσαμε την επίδραση των ενδομοριακών φαινομένων στη χημική μετατόπιση και στις σταθερές σύζευξης. Από τη στιγμή όμως που όλες οι μετρήσεις των δειγμάτων γίνονται με διάλυσή τους σε κάποιον διαλύτη είναι φυσικό να αναμένεται αλληλεπίδραση του διαλύτη και της ουσίας. Υπάρχουν αρκετά είδη διαμοριακών αλληλεπιδράσεων μεταξύ διαλυτών και ουσιών που επηρεάζουν τη χημική μετατόπιση. Τέτοιες αλληλεπιδράσεις είναι: (α) ο διαλύτης συνεισφέρει ένα μέρος της ολικής μαγνητικής επιδεκτικότητας του δείγματος, (β) ο διαλύτης ενώνεται με τη διαλυμένη ουσία (δείγμα) με ασθενείς δυνάμεις Van der Waals που διαστρεβλώνουν και μεταβάλλουν τη συμμετρία του ηλεκτρονικού περιβάλλοντος γύρω από τον πυρήνα (συνήθως ο παράγοντας αυτός έχει αρνητικές επιπτώσεις στη χημική μετατόπιση της τάξης 0,1-0,2 ppm ), (γ) η μαγνητική ανισοτροπία των μορίων του διαλύτη, ιδιαίτερα στις αρωματικές ενώσεις, προκαλεί θετική μεταβολή της χημικής μετατόπισης, της τάξης των 0,5 ppm. Αντίθετα, διαλύτες με τριπλούς δεσμούς επιδρούν αρνητικά στη χημική μετατόπιση των αρωματικών ενώσεων, της τάξης περίπου 0,2-0,4 ppm, (δ) διαλύτες με πολικά μόρια ή πολικές ομάδες προκαλούν ένα ηλεκτρικό πεδίο αντίδρασης, που έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θωράκισης γύρω από τα πρωτόνια της ουσίας και (ε) οι ειδικές αλληλεπιδράσεις διαλύτη-διαλυμένης ουσίας, με πρωταγωνιστές τους δεσμούς υδρογόνου Δεσμοί υδρογόνου. Οι δεσμοί υδρογόνου παίζουν σημαντικό ρόλο στην αλληλεπίδραση μορίων του διαλύτη και της διαλυμένης ουσίας. Οι χημικές μετατοπίσεις, ιδιαίτερα των πρωτονίων, είναι εξαιρετικά ευαίσθητες στους δεσμούς υδρογόνου. συντονισμού τους μετατοπίζεται σε χαμηλά πεδία (δηλαδή μεγαλύτερες τιμές δ) της τάξης των 10 ppm. Για παράδειγμα, η χημική μετατόπιση για την αιθανόλη λόγω των δεσμών υδρογόνου δ(δεσμός Η) είναι 5,3 ppm, ενώ η διαφορά δ(δεσμός Η) δ(χωρίς δεσμούς Η) = 4,6 ppm. Για το βενζοϊκό οξύ η χημική μετατόπιση δ(δεσμός Η) είναι 8,7 ppm και η διαφορά δ(δεσμός Η) δ(χωρίς δεσμούς Η) = 4,3 ppm. C 2 H 5 O H O C 2 H 5 O H O C 6 H 5 C C C 6 H 5 H αιθανόλη O H O βενζοϊκό οξύ 136

145 To NMR 1 Η είναι αρκετά ευαίσθητη μέθοδος για τη μελέτη δεσμών υδρογόνου. Η διακύμανση της συχνότητας συντονισμού, σε σχέση με τη συγκέντρωση των υδρογόνων που σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου (και της θερμοκρασίας), μπορεί να προμηθεύσει τις σταθερές ισορροπίας και τις θερμοδυναμικές σταθερές για το σχηματισμό τους. Η αλλαγή της χημικής μετατόπισης προς χαμηλά πεδία λόγω δεσμών υδρογόνου δεν έχει εξηγηθεί σε όλη της την έκταση, αλλά από τις ενδείξεις φαίνεται ότι δεν είναι απλά και μόνο ένα φαινόμενο μείωσης της ηλεκτρονικής πυκνότητας γύρω από το πρωτόνιο, γιατί το πρωτόνιο βρίσκεται σε περιοχή με υψηλή ηλεκτρονική πυκνότητα, του δεσμού υδρογόνου X H Z από την ελεύθερη ένωση X H. Ωστόσο, η ηλεκτρονική κατανομή στον ομοιοπολική δεσμό X H είναι προφανώς διαφορετική από το ηλεκτρικό πεδίο του Ζ, με τέτοιο τρόπο που να προκαλεί αποθωράκιση του πρωτονίου. Μεταβολή στη χημική μετατόπιση παρουσιάζουν και οι ενώσεις με ενδομοριακούς δεσμούς Η, όπως φαίνεται στα παρακάτω παραδείγματα (ακόμα και με αύξηση της διαλυτότητας). CH 3 H 3 C H δ ΟΗ : (φαινόλες) δοη : 12.0 (ο-υδροξυακετοφαινόνη) O C O H C CH 3 C δ ΟΗ : 12.1 O H 7.6. Ποσοτική Ανάλυση με Πυρηνικό Μαγνητικό Συντονισμό. Η ποσοτική ανάλυση των φασματικών ταινιών στο NMR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ποσοτικές αναλύσεις μίγματος χημικών ουσιών και με μεγάλη ακρίβεια. Τα πλεονεκτήματα της χρησιμοποίησης NMR για ποσοτική ανάλυση, σε σχέση με τις άλλες φασματοσκοπικές μεθόδους, είναι η απουσία φαινομένων, όπως ο συντελεστής απορρόφησης ή απόσβεσης που συναντάται στο IR και UV-VIS. Η ένταση των φασματικών ταινιών στο NMR για ένα πυρήνα είναι ανάλογη του αριθμού των πυρήνων και ανεξάρτητη της χημικής φύσης του. Έτσι, το φάσμα μιας ουσίας μπορεί να συγκριθεί με φάσματα άλλων ουσιών με τους ίδιους πυρήνες, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ουσίες αναφοράς. Επίσης, το φάσμα NMR μιας ουσίας σε ένα μίγμα δεν επηρεάζεται εάν δεν βρίσκεται σε καθαρή μορφή. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι, οι φασματικές γραμμές είναι ισχυρές και οι κορυφές τους αιχμηρές σε σχέση με τις χημικές μετατοπίσεις (αντίθετα, οι απορροφήσεις στο IR και UV-VIS είναι συνήθως μεγάλου εύρους και καλύπτουν μεγάλες περιοχές του φάσματος). Επίσης, με την ύπαρξη ισχυρών μαγνητών μπορεί να επιτευχθεί σημαντική επέκταση του φάσματος και λεπτομερειακός διαχωρισμός των χημικών μετατοπίσεων, ενώ με τα φάσματα 13 C-NMR μπορεί να αυξηθεί σε σημαντικό βαθμό η ευαισθησία της φασματικής μεθόδου και να 137

146 αποφευχθεί η αλληλεπικάλυψη των φασματικών γραμμών των διαφόρων ουσιών στο δείγμα. Τα μειονεκτήματα της ποσοτικής ανάλυσης NMR είναι επίσης σημαντικά. Στο NMR η μέτρηση του ύψους των φασματικών ταινιών (μέτρηση με υποδεκάμετρο ή όπως και να εκτιμηθεί ως προς τη γραμμή βάσης) δεν αποτελεί μέτρο για ποσοτική εκτίμηση, λόγω της εξάρτησής τους από τις συνθήκες του οργάνου και τους χρόνους αποκατάστασης των πυρήνων. Όπως είδαμε και παραπάνω, η περιοχή που περικλείεται από τη φασματική γραμμή είναι αυστηρά το ποσοτικό μέτρο εκτίμησης του αριθμού των πυρήνων. Ο ηλεκτρονικός ολοκληρωτής (intergrator) του οργάνου NMR πραγματοποιεί την ολοκλήρωση με ακρίβεια 1-2% (έχει βελτιωθεί σημαντικά με τα νεώτερα όργανα και τους ακριβείς υπολογιστές τους). Η τιμή όμως που δίνει ο ολοκληρωτής είναι παραπλανητική: (α) γιατί με μικρό συντελεστή σήματος/θορύβου η ακρίβεια μειώνεται, (β) εάν ένα από τα συστατικά του μίγματος είναι σε μικρότερη συγκέντρωση από ένα άλλο, τότε αυξάνεται το λάθος της μέτρησης για την ποσοτική εκτίμηση του μικρότερου συστατικού. Ωστόσο, αντιμετωπίζεται εκτελώντας περισσότερες μετρήσεις και λαμβάνοντας το μέσο όρο. Ένα δεύτερο μειονέκτημα είναι ότι η παρουσία άλλων ισοτόπων του ίδιου πυρήνα δημιουργεί δυσκολίες στην ποσοτική ανάλυση. Στις οργανικές ενώσεις ο άνθρακα έχει δύο ισοτοπικές μορφές, 14 C και 13 C (1,1%). Η μικρή αυτή φυσική αφθονία του 13 C δημιουργεί μικρές δορυφορικές κορυφές σε ίσες αποστάσεις και από τις δύο πλευρές της κεντρικής φασματικής ταινίας. Οι δορυφορικές αυτές κορυφές δημιουργούν προβλήματα ποσοτικής εκτίμησης των ταινιών απορρόφησης. Ο ερευνητής όμως, μπορεί να μετρήσει την περιοχή κάτω από τις δορυφορικές κορυφές και γνωρίζοντας τη φυσική αφθονία του 13 C, να διορθώσει την ολική τιμή της ολοκλήρωσης. Σε σχέση με τις δορυφορικές κορυφές υπάρχει και το πρόβλημα των πλευρικών κορυφών (spinning sideband) που δημιουργούνται λόγω των ατελειών στην ομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου και από την ταχύτητα περιστροφής του δείγματος. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, οι περιοχές κάτω από πλευρικές κορυφές πρέπει να προστεθούν στην κεντρική ταινία απορρόφησης για να γίνει η πραγματική ποσοτική εκτίμηση της επιφάνειας. Το μειονέκτημα αυτό μπορεί να μειωθεί με τη χρησιμοποίηση σταθεροποιητών της υψηλής ομοιογένειας του μαγνητικού πεδίου, γυάλινων σωλήνων δείγματος με μεγάλη ομοιογένεια πάχους τοιχωμάτων και ταχύτερη περιστροφή του δείγματος (πάνω από 30 στροφές το δευτερόλεπτο). Με τη χρησιμοποίηση 13 C FT-NMR για ποσοτική ανάλυση έχει βελτιωθεί σημαντικά η ευαισθησία της μεθόδου. Ωστόσο μερικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο Overhauser για παράδειγμα, μειώνουν την ακρίβεια της τεχνικής και πρέπει να ληφθούν υπόψη. Η ποσοτική ανάλυση ουσιών με NMR έχει σημαντικές εφαρμογές στην ανάλυση της ισοτοπικής σύστασης μίγματος (π.χ. βενζόλιο-d 5 σε βενζόλιο-d 6 ), τον προσδιορισμό ελαίου στην ψίχα καλαμποκιού και σε σπόρους, τον προσδιορισμό μοριακού βάρους σε πολυεστέρες, ανάλυση μιγμάτων δινιτροτολουενίων κλπ. 138

147 7.7. Ανάλυση Στερεών Ουσιών με NMR Τα φάσματα NMR στερεών ουσιών παρουσίαζαν, λόγω ενδομοριακών μαγνητικών διπολικών αλληλεπιδράσεων, διευρυμένες φασματικές ταινίες απορρόφησης, που δεν επιτρέπουν την ακριβή πιστοποίηση τους. Έτσι για πολλά χρόνια οι έρευνες με στερεά ήταν εξαιρετικά περιορισμένες. Σήμερα όμως έχουν αναπτυχθεί τεχνικές που παρουσιάζουν υψηλή διαχωριστική ικανότητα και πολύ λεπτές φασματικές γραμμές. Οι λεπτές φασματικές γραμμές επιτυγχάνονται με τη χρησιμοποίηση μεγάλης ισχύος παλμικής ραδιοσυχνότητας και της μεθόδου του FT-NMR για την καταγραφή των συσσωρευμένων φασμάτων. Το πλάτος των γραμμών, που οφείλεται στην ανισοτροπία της χημικής μετατόπισης, αποφεύγεται με την περιστροφή του δείγματος σε ένα άξονα με γωνία 54,7 ο, που καλείται "μαγική γωνία" (magic angle). Αυτό συμβαίνει γιατί επιτυγχάνεται σημαντική εξασθένιση των ενδομοριακών αλληλεπιδράσεων. Ένα άλλο στοιχείο της τεχνικής αυτής είναι και τα κατάλληλα χρονικά διαστήματα δειγματοληψίας για το FID και του κύκλου του παλμού (βλέπε στο επόμενο κεφάλαιο FT-NMR). Η μέθοδος ανάλυση στερεών με NMR μέσω της χρήσης μαγικής γωνίας βρίσκεται σε αλματώδη ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια, αν και μέχρι τώρα οι ερευνητές πρέπει να μετατρέψουν μόνοι τους τις συσκευές του NMR για να πετύχουν κατάλληλες πειραματικές συνθήκες. Η μέθοδος αυτή ανάλυσης δεν περιορίζεται στα μονο- και πολύ-κρυσταλλικά υλικά, αλλά εφαρμόζεται με μεγάλη επιτυχία στα πολυμερή και τα βιοπολυμερή των μεμβρανών Εφαρμογές του 31 P και 13 C NMR στη Μελέτη Βιοπολυμερών και Βιοχημικών Διεργασιών Το ΝΜR έχει αποδειχθεί αρκετά χρήσιμο για τη μελέτη της δομής και του μεταβολισμού των βιοπολυμερών. Με τα σημερινά φασματόμετρα είναι δυνατό να ερευνηθούν τμήματα του ζωντανού οργανισμού και ιδιαίτερα με φάσματα 31 P (αν και τα φάσματα του είναι πιο πολύπλοκα από του 1 Η), μια και πολλές φωσφορούχες βιολογικές ενώσεις παίζουν σημαντικό ρόλο σε κυτταρικές διεργασίες. Επίσης σημαντική είναι και η εφαρμογή του 13 C στη μελέτη των βιοπολυμερών, αφού όμως γίνει εμπλουτισμός του δείγματος σε 13 C. Η μέθοδος απαιτεί ουσίες-προδρόμους (precursors) που είναι εμπλουτισμένοι με 13 C. Για * παράδειγμα, το οξικό οξύ (CH 3 COOH ή [2-13 C] οξικό οξύ) που είναι εμπλουτισμένο σε 13 C στους άνθρακες στη θέση 1 ή 2, ή και στις δύο θέσεις. Όταν χρησιμοποιούνται ενώσεις με δύο εμπλουτισμένους άνθρακες σε γειτονικές θέσεις * * (π.χ. CH 3 COOH, [1,2-13 C] οξικό οξύ) τότε η σύζευξη 13 C 13 C αναγνωρίζεται 139

148 πολύ εύκολα στο φάσμα και μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες. Οι ουσίεςπρόδρομοι ενσωματώνονται στα βιοχημικά μόρια σε μικρές ποσότητες (1-2% πάνω από τη φυσική αφθονία του στοιχείου). Οι πιθανότητες λοιπόν για δύο ή περισσότερες από τις ουσίες-προδρόμους να βρίσκονται στο ίδιο μόριο είναι πολύ μικρές. Κατά συνέπεια, η σύζευξη μεταξύ ατόμων 13 C θα ξεχωρίζει από τη στιγμή που η ουσία πρόδρομος έχει ενσωματωθεί χωρίς να διασπασθεί. Η επιπλέον αυτή πληροφορία μπορεί να ανιχνευθεί στα φάσματα του NMR και να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη του μεταβολισμού βιοχημικών ενώσεων Εφαρμογές του NMR στην Ιατρική και Βιολογία Ζωντανών Οργανισμών Τα τελευταία χρόνια οι πιο σημαντικές εφαρμογές της φασματοσκοπίας NMR διεξάγονται στην Ιατρική και στη Βιολογία. Οι εφαρμογές αυτές επιτυγχάνονται είτε με εξακρίβωση διαφόρων ασθενειών, με την τεχνική του 31 P- NMR, είτε με τη μετατροπή των φασμάτων σε διδιάστατες ή τρισδιάστατες εικόνες. Ένα άλλο απλό παράδειγμα είναι η μελέτη της κατανομής του νερού (τα πρωτόνια 1 Η) σε ένα τμήμα ενός ζωντανού οργανισμού, που μπορεί να τοποθετηθεί με ειδικά κατασκευασμένο υποδοχέα δείγματος ανάμεσα στους μαγνήτες του NMR. Πρόσφατα υπάρχουν σημαντικές εφαρμογές του NMR στην ιατρική απεικόνιση εγκεφάλου, οργάνων και ιστών ασθενών. Κατά τη σάρωση του δείγματος γίνεται κατάλληλη μεταβολή της κλίσης του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου σε διάφορες κατευθύνσεις. Εάν η κλίση του μαγνητικού πεδίου εφαρμόζεται κατά μία κατεύθυνση δια μέσου του δείγματος, η εξίσωση Larmor, ω ο =γη ο, δείχνει ότι η συχνότητα συντονισμού των πυρήνων εξαρτάται από την ισχύ του πεδίου, άρα και από τη θέση του μορίου μέσα στο δείγμα. Μια μέτρηση του σήματος ως συνάρτηση της συχνότητας παρέχει ένα προφίλ (πλάγια όψη) της ποσότητας του νερού κατά μήκος μιας κατεύθυνσης του δείγματος. Μεταβάλλοντας την κατεύθυνση της κλίσης του μαγνητικού πεδίου μπορούν να ληφθούν διάφορες άλλες πλάγιες όψεις, και με τη μέθοδο της ανασύστασης της εικόνας σε δύο ή τρεις διαστάσεις γίνεται «εικονογράφιης» της κατανομής νερού σε ένα μακροσκοπικό δείγμα. Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται για αυτό το σκοπό ο FT-NMR, ενώ η τομογραφική μέθοδος αρχίζει να αναπληρώνει ανάλογες μεθόδους με ακτίνες-χ και υπερήχους στην ιατρική έρευνα. Στις επόμενες σελίδες παρουσιάζονται μερικές εικόνες ιατρικών εφαρμογών του NMR και βιβλιογραφία όπου ο ερευνητής μπορεί να βρει χρήσιμες πληροφορίες. 140

149 MRI σαρωτής για διάγνωση ασθενειών MRI αθενούς με υδροκεφαλία ΜRI καρκίνου του ματιού. Πολυπυρηνικός καρκίνος στον αριστερό μαστό και υποψία καρκίνου στο δεξιό μαστό MRI της καρδιακής περιοχής με καρκίνωμα στο αριστερό τμήμα Σχήμα 7.1. Εφαρμογές του NMR στην Ιατρική. MRI (Magnetic Resonance Imaging) τεχνικές έχουν εφαρμοσθεί με επιτυχία για τη διάγνωση ασθενειών, ιδιαίτερα διαφόρων τύπων καρκίνων. 141

150 Τ 1 αξονική MRI εγκεφάλου ασθενούς με ισχαιμικά φαινόμενα και διάγνωση οξείου εμφράγματος Τ 2 αξονική MRI εγκεφάλου του ίδιου ασθενή, που δείχνει πολλαπλά σημεία ισχαιμικών μεταβολών MRI περιφερειακής αγγειογραφίας (τρισδιάστατη αναπαραγωγή που δείχνει σοβαρή στένωση στην αρτηρία) MRI του στέρνου ασθενούς με ένδειξη για καρκίνωμα στο επάνω τμήμα Σχήμα 7.2. Εικόνες από σάρωση MRI διαφόρων περιπτώσεων ασθενειών. (http//: 142

151 Βιβλιογραφία για εφαρμογές Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) στην Ιατρική και την Βιολογία 1. Edelman R. Θεωρία και Πρακτική της Μεθόδου Απεικόνισης Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού: Βασικές Αρχές στην Κλινική Διάγνωση, Αθήνα, Westbrook C, Westbrook C. Magnetic Resonance (MRI)) in Practice. Blackwell Science, London, Freeman R. Magnetic Resonance in Chemistry and Medicine. Oxford University Press, Oxford, Donald W. Magnetic Resonance Imaging (MRI) from Picture to Proton. Cambridge University Press, Cambridge, Haschemi RH, Bradley WG. Magnetic Resonance Imaging (MRI) the Basics. Lippincott Williams & Wilking, New York, Jezzard P (ed). Functional Magnetic Resonance Imaging: An Introduction to Methods. Oxford University Press, Oxford, Kuzniecky R, Jackson G. Magnetic Resonance in Epilepsy: Neuroimaging Techniques. Academic Press, London, Scott SN, Song AW, McCarthy G. Functional Magnetic Resonance Imaging. Sinaner Associates Ince, New York, Μαυρομούστακος Θ, Ματσούκας Ι. NMR. Αρχές και Εφαρμογές Φασματοσκοπίας Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού στην Ιατρική, Φαρμακευτική Χημεία, Βιοχημεία, Χημεία Τροφίμων και Ποτών. Εκδ. Γ.Β. Παρισιάνος, Αθήνα,

152 7.10. Δυναμικό NMR. Μελέτη Κινητικών Αντιδράσεων στη Χημεία Στις φασματοσκοπικές μεθόδους IR και UV-VIS, δύο διαφορετικές διαμορφώσεις του ίδιου μορίου παρατηρούνται συγχρόνως, λόγω υψηλής συχνότητας των παρατηρήσεων. Αντίθετα, στο NMR όπου οι συχνότητες παρατήρησης είναι μικρότερες και το πιο πιθανό η μετάπτωση Larmor της μίας διαμόρφωσης γίνεται όταν το μόριο μετατρέπεται στην άλλη διαμόρφωση, παρατηρείται ένα είδος διαχωρισμού των φασματικών γραμμών για τις δύο διαμορφώσεις. Όσο όμως η ταχύτητα ανταλλαγής μεταξύ των δύο διαμορφώσεων αυξάνεται, τόσο οι δύο φασματικές γραμμές θα πλησιάζουν η μία την άλλη, συμπίπτοντας τελικά σε μία διερυμένη ταινία που προοδευτικά μετατρέπεται σε μία αιχμηρή φασματική γραμμή. Το φαινόμενο αυτό είναι συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg (ΔΕ Δt ħ) και όταν η μέση διάρκεια ζωής (mean lifetime) της μιας διαμόρφωσης από την άλλη διαφέρει αρκετά για να καταγραφούν ανεξάρτητα (π.χ. απόσταση 50 Hz είναι διαφορά ~3Χ10-3 s, ικανός χρόνος για να παρατηρηθούν ξεχωριστά οι φασματικές γραμμές με NMR). Με τον τρόπο αυτό μπορούν να μελετηθούν κινητικές αντιδράσεων, όπως cis- και trans- ισομερισμός, περιστροφή μορίου γύρω από δεσμό, κετο-ενολικός ταυτομερισμός, ανταλλαγή πρωτονίων οργανικών ενώσεων σε όξινους και βασικούς διαλύτες (proton exchange) κ.λπ, που λόγω της ταχύτητάς τους δεν μπορούν να μελετηθούν με άλλες μεθόδους. Το είδος αυτό NMR καλείται Δυναμικό NMR (Dynamic NMR ή DNMR). Για παράδειγμα, εάν υπάρχει ένας πυρήνας που εναλλάσσεται μεταξύ δύο μοριακών διαμορφώσεων ενός μορίου Α και Β, τότε: A (n A ) (n B ) όπου n A και n B είναι τα μοριακά κλάσματα των μορίων Α και Β. Η ισορροπία τους συστήματος χαρακτηρίζεται από δύο παραμέτρους: (α) από την ελεύθερη ενέργεια της κινητικής διεργασίας ΔG, που δίνεται από ΔG / RT την εξίσωση nb / n A = e και τη σχέση n A + n B = 1 (β) την ταχύτητα της αντίδρασης ή ταχύτητα της αλληλομετατροπής μεταξύ Α και Β (rate of intercorversion) που προσδιορίζεται από την ελεύθερη ενέργεια ενεργοποίησης ΔG (free energy of activation). Τότε η σταθερά της ταχύτητας αντίδρασης δίνεται από την εξίσωση: RT ( ΔGm/ RT ) k = e (7.2) Nh Εάν λοιπόν ο πυρήνας που μελετάται έχει συχνότητες συντονισμού Larmor ν Α και ν Β στις καταστάσεις Α και Β (και με την υπόθεση ότι ν Α > ν Β ) τότε η διάρκεια ζωής του στην κατάσταση Α είναι τ Α, που είναι ίση με τη διάρκεια ζωής του στην Β, τ Β : B (7.1.) 144

153 τ Α = τ Β = 2τ (7.3) (ο συντελεστής 2 είναι σε συμφωνία με την εξίσωση που θα αναφερθεί παρακάτω). Εάν τώρα φανταστεί κανείς ένα σύστημα συντεταγμένων που περιστρέφεται γύρω από το εξωτερικό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο Η ο στην ίδια κατεύθυνση με τους πυρήνες που υπόκεινται μετάπτωση, σε συχνότητα ν ο =1/2(ν Α + ν Β ), τότε παρατηρείται ότι, ο πυρήνας στην κατάσταση Α υπόκειται μετάπτωση σε συχνότητα (ν Α - ν ο ), ενώ ο πυρήνας στην κατάσταση Β με συχνότητα (ν Β - ν ο ). Δηλαδή φαίνεται ότι υπόκειται μετάπτωση ο πυρήνας Β, σε σχέση με το περιστρεφόμενο πλαίσιο συντεταγμένων, σε αντίθετη κατεύθυνση από τον πυρήνα Α. Ανάλογα με την ταχύτητα της αντίδρασης υπάρχουν τρεις χαρακτηριστικές περιπτώσεις για φάσματα Δυναμικού NMR: 1. Πολύ αργή ανταλλαγή του πυρήνα μεταξύ Α και Β: Επειδή η διάρκεια ζωής σε κάθε μια από τις καταστάσεις είναι αρκετά μεγάλη, σε σχέση με την ταχύτητα της αντίδρασης, ο πυρήνας εισέρχεται στην κατάσταση Α και υπόκειται μετάπτωση αρκετές φορές σε συχνότητα (ν Α - ν ο ) πριν αφήσεις την κατάσταση Α για τη Β. Το αποτέλεσμα είναι να δεχθεί την επίδραση ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων και να απορροφήσει ακτινοβολία, δίνοντας μία φασματική γραμμή σε συχνότητα ν Α. Το ίδιο συμβαίνει και με τον πυρήνα στην κατάσταση Β. Έτσι, το φάσμα αποτελείται από δύο αιχμηρές φασματικές γραμμές σε συχνότητες ν Α και ν Β, όπως θα συνέβαινε και όταν δεν θα υπήρχε ανταλλαγή του πυρήνα μεταξύ των Α και Β. 2. Ανταλλαγή ενδιάμεσης ταχύτητας. Καθώς η ταχύτητα ανταλλαγής αυξάνει μεταξύ των Α και Β, η διάρκεια ζωής του πυρήνα 2τ, γίνεται μικρότερη. Στην περίπτωση αυτή αρχίζει να υπεισέρχεται η αρχή της αβεβαιότητας, ΔΕ Δt=h/2π, όπο ΔΕ είναι η αβεβαιότητα στη μέτρηση του χρόνου Δt. Στην περίπτωση που το Δt τ, η αβεβαιότητας της ενεργειακής στάθμης αντανακλάται στη διαπλάτυνση της φασματικής ταινίας. Το εύρος της ταινίας στο μισό του ύψους της από τη βάση μέχρι την κορυφή είναι W 1/2 : h 1 W ΔE / h 1/ τ (7.4) 1/ 2 2πΔt h 2πΔt Το τελικό αποτέλεσμα στην περίπτωση αυτή είναι οι φασματικές ταινίες σε συχνότητες ν Α και ν Β να διαπλατυνθούν. 3. Ανταλλαγή με μεγάλη ταχύτητα. Στην περίπτωση αυτή ο πυρήνας στην κατάσταση Α αρχίζει να υπόκειται μετάπτωση και πριν ακόμη τελειώσει ένα μέρος της μεταβαίνει στην κατάσταση Β, δηλαδή η διάρκεια ζωής του στο Α είναι μικρή. Το ίδιο συμβαίνει και στην κατάσταση Β. Το αποτέλεσμα είναι ότι ο πυρήνας, στο περιστρεφόμενο πλαίσιο αναφοράς (rotating frame of reference) παραμένει στατικός, ενώ το εργαστηριακό πλαίσιο (laboratory frame) υπόκειται μετάπτωση σε συχνότητα με την οποία περιστρέφεται το σύστημα συντεταγμένων, ν ο, που είναι ίσο με 1/2 (ν Α - ν Β ). Το αποτέλεσμα είναι μια ισχυρή φασματική γραμμή που εμφανίζεται σε ν ο, ο μέσος όρος των δύο ανεξάρτητων συχνοτήτων μετάπτωσης, αν και ο πυρήνας δεν υπόκειται σε μετάπτωση στη συχνότητα αυτή. 145

154 Υπάρχουν πολλά παραδείγματα μελέτης κινητικής αντιδράσεων με NMR και ο κλάδος αυτός φασματοσκοπικών ερευνών βρίσκεται σε σημαντική άνθηση τα τελευταία χρόνια. (α) Φάσμα 1 Η-NMR κυκλοεξανίουd 11 σε διάφορες θερμοκρασίες (Bovey FA, et al. J Chem Phys 41: 2042, 1964) (β) Φάσμα δυναμικού NMR σε διαφορετικές ταχύτητες Σχήμα 7.3. Δυναμικό NMR.(α) Φάσμα 1 Η-NMR κυκλοεξανίου-d 11 σε διάφορες θερμοκρασίες (60MHz).(β) Φάσμα δυναμικού NMR για πυρήνα σε δύο συχνότητες συντονισμού (ν Α, ν Β ) για καταστάσεις Α και Β με διαφορετική διάρκεια ζωής (τ Α και τ Β ). Ένα παράδειγμα κινητικής μελέτης με NMR είναι η αλληλομετατροπή της Ν, Ν -διμεθυλοακεταμιδίου στις καταστάσεις Α και Β. 146

155 H 3 C C N CH 3 H 3 C C N CH 3 O CH 3 O CH 3 (A) (B) 1Η-NMR [80MHz, (CD 3 ) 2 SO, 75% v/v] Σχήμα 7.4. Δυναμικό 1 Η-NMR. Κινητική μελέτη της αλληλομετατροπής του Ν,Ν διμεθυλοακεταμιδίου στις δομές Α και Β σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Η περίπτωση της ανταλλαγής στο Ν,Ν -διμεθυλοακεταμίδιο είναι χαρακτηριστική της μεθόδου DNMR. Σε θερμοκρασία 40 0 η ένωση παρουσιάζει τρεις φασματικές γραμμές. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η περιστροφή γύρω από τον κεντρικό δεσμό γίνεται ταχύτερη και οι δύο ομάδες CH 3 ανταλλάσσουν θέσεις. Με την αύξηση της ταχύτητας ανταλλαγής οι συχνότητες των δύο CH 3 διευρύνονται, συμπίπτουν και καταλήγουν τελικά σε μία αιχμηρή γραμμή. Στο σημείο της σύμπτωσης, όπου οι δύο ταινίες συγχωνεύονται και εξαφανίζονται οι κορυφές, καλείται σημείο συγχώνευσης (coalescence point) και η θερμοκρασία όπου επιτυγχάνεται καλείται θερμοκρασία συγχώνευσης Θεωρία για τη μελέτη κινητικών διεργασιών με NMR Το NMR χρησιμοποιείται για τη μελέτη κινητικών διεργασιών στην Οργανική Χημεία. Η θεωρητική βάση των μελρτών αυτών στηρίζεται στις εξισώσεις Bloch (για αλαυτική παρουσίαση, δες βλέπε βιβλιογραφία Becker). Στις παρακάτω σελίδες παρουσιάζεται η πρακτική επεξεργασία των φασματικών γραμμών για να βρεθεί η ταχύτητα των αντιδράσεων. 147

156 Αρχικά, υποτίθεται ότι το πλάτος των φασματικών ταινιών είναι 1 1 μηδαμινό χωρίς τη διεργασία ανταλλαγής. Έτσι προκύπτει: 0 T T Με τις συνθήκες αυτές το σχήμα της καμπύλης των φασματικών ταινιών δίνεται από την εξίσωση: 2 τ ( ν Α ν Β ) g ( v) = K (7.5) [ 1/ 2( ν Α ν Β ) ν ] + 4π τ ( ν Α ν ) ( ν Β ν ) όπου Κ είναι μια σταθερά. Είναι προφανές και από τα σχήματα των καμπυλών των φασματικών ταινιών των παραδειγμάτων (Σχήμα 7.3. και 7.4.), ότι το σχήμα των φασματικών ταινιών εξαρτάται από το πηλίκο της ταχύτητας ανταλλαγής της αντίδρασης: R/ (ν Α - ν Β ). όπου R=1/2τ (7.6) Άρα, όταν διερευνάται η ταχύτητα ανταλλαγής στο NMR αναφέρεται στον αριθμό των ανταλλαγών μεταξύ των καταστάσεων Α και Β ανά δευτερόλεπτο, σε σχέση με τη διαφορά των δύο ανεξάρτητων συχνοτήτων (ν Α -ν Β ) σε Hz. Για ενδιάμεσες ταχύτητες ανταλλαγής, οι δύο κορυφές έρχονται πιο κοντά μεταξύ τους, από την αρχική απόσταση (ν Α -ν Β ). Λύνοντας για τα μέγιστα της εξίσωσης 7.5 προκύπτει: απόσταση κορυφών 1 = (7.7) ( ν Α ν Β ) 2π τ ( ν Α ν Β ) Από την εξίσωση αυτή μπορεί να προσδιορισθεί εύκολα η τ. Όταν οι δύο κορυφές των φασματικών ταινιών συγχωνευθούν τότε από την εξίσωση 7.7 (απόσταση κορυφών = 0) προκύπτει: 1 τ = (7.8) 2π ( ν ν ) Α Η σύγκριση των διαφόρων ταχυτήτων ανταλλαγής σε συστήματα αναφέρεται συνήθως στα σημεία συγχώνευσης των κορυφών. Οι πιο πολλές μελέτες στην Οργανική Χημεία γίνονται με τη μείωση ή την αύξηση της θερμοκρασίας, τη μεταβολή του ph του διαλύματος, κ.λπ. Η χρησιμοποίηση ηλεκτρονικών υπολογιστών έχει βελτιώσει σημαντικά την ακριβή και γρήγορη εκτίμηση της ταχύτητας ανταλλαγής των διαφόρων παρατηρούμενων συστημάτων. Σήμερα υπάρχουν έτοιμα επεξεργασμένα προγράμματα, που καλούνται προγράμματα ολικού γραμμικού σχήματος (total line shape programs, TLS programs), γραμμών σε σχέση με τις σταθερές τιμές των ν Α και ν Β. Η καταγραφή και ο υπολογισμός των καμπυλών γίνεται με τη μέθοδο των ελαχίστων τετραγώνων και επιτυγχάνεται καλύτερη εφαρμογή της θεωρητικής καμπύλης και των σημείων που έχουν επεξεργαστεί πειραματικά από το παρατηρούμενο φάσμα. Η πρακτική εργασία είναι σύντομη και τα αποτελέσματα δίνονται με διάγραμμα της καλύτερης καμπύλης. Β 1/ 2 2( A) 2( B) 148

157 7.12. Βιβλιογραφία για Δυναμικό NMR (DNMR) 1. McFarlane W, White RFM. Techniques of High Resolution NMR Spectroscopy. Butterworths, London, Chan SO, Reeves LW. Mechanistic studies of chemical exchange reaction by complete NMR line-shape. J Am Chem Soc, 95: 670, Jackmann LM, Cotton FA (eds). Dynamic Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Academic Press, New York, Jackman LM, Cotton FA, Adams RD. Dynamic Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy. Academic Press, New York, Leyden DE, Cox RH. Analytical Applications of NMR. John Wiley and Sons, New York, Roberts JD. Aspects of the determination of equilibration rates by NMR spectroscopy. Pure and Appl Chem, 51: 1037, Laszlo P. Fast kinetics studied by NMR. Progr in NMR spectr, 13: 257, Kaplan JI, Fraenkel G. NMR of Chemically Exchanging Systems. Academic Press, New York, Kanfmann EN, Shenoy GK. Nuclear and Electron Resonance Spectroscopy Applied to Material Science. North-Holland, New York, Fukushima E, Roeder SBN. Experimental Pulse NMR: A Nuts and Bolts Approach. Addison-Wesley, Reading, Mass, Sandström J. Dynamic NMR Spectroscopy. Academic Press, London, Lindman B. Dynamic NMR Spectroscopy. Academic Press, London, Levy GC (ed). NMR Spectroscopy: New Methods and Applications. Am Chem Society publications, Washington DC, Gadian DG. Nuclear Magnetic Resonance and its Applications to Living Systems. Clarendon Press, Oxford, Mehring M. High Resolution NMR in solids. Springer-Verlag, Berlin, Fyfe CA. Solid State NMR for Chemists. CFC Press, Guelph, Ontario, Smith JAS (ed). Advances in Nuclear Quadrupole Resonance. Heyden, London, vols1-5, Michinori O. Applications of Dynamic NMR Spectroscopy to Organic Chemistry. VCH Publishers, Berlin Oki M. Applications of Dynamic NMR Spectroscopy to Organic Chemistry. VCH Verlag, Weinheim, Takenchi Y, Marchand AP (eds). Applications of NMR Spectroscopy to Problems of Stereochemistry and Conformational Analysis. VCH Verlag, Weinheim, Derome AE. Modern NMR Techniques for Chemistry Research. Pergamon Press, Oxford, Jackson A, Buckley D, Parker GJM (eds). Dynamic Contrast-Enhanced Magnetic Resonance Imaging in Oncology (Medical Radiology S). Springer- Verlag, Berlin,

158 150

159 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΟΓΔΟΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΜΕ ΠΑΛΜΙΚΗ ΤΕΧΝΙΚΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ FOURIER Ένα από τα βασικά προβλήματα της φασματοσκοπίας NMR είναι η έλλειψη ευαισθησίας σε σχέση με τις μεθόδους IR και UV-VIS. Αυτό φυσικά, όπως αναφέραμε και προηγούμενα, οφείλεται στο μικρό κλάσμα πυρήνων που μπορούν να υποστούν κβαντωμένες ενεργειακές μεταβάσεις και να προκαλέσουν απορρόφηση ακτινοβολίας στην περιοχή των ραδιοκυμάτων. Ένας τρόπος για βελτίωση του μειονεκτήματος αυτού είναι να αυξηθεί η ισχύς του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου, αφού οι ενέργειες των διαφόρων ενεργειακών καταστάσεων εξαρτώνται από την ισχύ του μαγνήτη. Με τους καινούργιους υπεραγώγιμους μαγνήτες που χρησιμοποιούνται σήμερα στα φασματόμετρα NMR, ο ερευνητής μπορεί να πειραματισθεί σε πεδία 200, 360 και 500 MHz ( MHz πρόσφατα), γεγονός που αυξάνει κατά πολύ την ευαισθησία του οργάνου και της μεθόδου. Ωστόσο, τεχνικές δυσκολίες και η ακριβή τιμή των μαγνητών αυτών, καθώς και η μικρή φυσική αφθονία πολλών πυρήνων καθιστά τη μέθοδο πρακτικά αδύνατη. Αντίθετα, ένας απλός τρόπος να ξεπεραστεί η δυσκολία της ευαισθησίας είναι να σαρωθεί το δείγμα αρκετές φορές και να προστεθούν μαθηματικά οι κορυφές στα φάσματα. Με τον τρόπο αυτό, οι ταινίες απορρόφησης του NMR θα προστεθούν και θα ενταθούν, ενώ ο θόρυβος που είναι τυχαία κατανεμημένος εξουδετερώνεται. Η μέθοδος αυτή οδήγησε σε σημαντική βελτίωση του κλάσματος σήματος/θορύβου (που δίνεται από την τετραγωνική ρίζα του αριθμού των σαρώσεων, π.χ. για 1000 σαρώσεις το κλάσμα Σ/Θ γίνεται μεγαλύτερο 1000 = 10 φορές). Με τη βοήθεια ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή γίνεται αποθήκευση των φασμάτων, που στη συνέχεια με ταχύτατο μετασχηματισμό Fourier σε σημεία αναπαράγεται το βελτιωμένο φάσμα. Στην αρχή η μέθοδος είχε το σοβαρό μειονέκτημα του μεγάλου χρόνου για κάθε σάρωση, 5-10 min. Ωστόσο πολύ σύντομα επιτεύχθηκε σημαντική βελτίωση στο πρόβλημα αυτό με την ακτινοβόλιση, όχι πλέον κάθε συχνότητας με τη σειρά της, αλλά όλων των συχνοτήτων του φάσματος συγχρόνως, που είναι και η τεχνική της παλμικής ραδιοσυχνότητας (RF pulse). Με τον τρόπο αυτό μειώθηκε σημαντικά ο χρόνος σάρωσης για ένα κανονικό φάσμα NMR. 151

160 CH 2 CH 3 Σχήμα 8.1. Φάσμα 1 Η-NMR αραιού διαλύματος αιθυλοβενζολίου με διαφορετικό αριθμό σαρώσεων (1, 10 και 100). Με αύξηση των σαρώσεων ο θόρυβος μειώνεται ενώ ενισχύονται οι φασματικές γραμμές απορρόφησης Η Παλμική Τεχνική Μετασχηματισμού Fourier στο NMR Το φασματόμετρο NMR παλμικής τεχνικής μετασχηματισμού Fourier (Pulse-Fourier Transform NMR Spectrometer, FT-NMR) είναι βασικά το ίδιο με το φασματόμετρο συνεχούς ραδιοσυχνότητας. Έχει ένα μαγνήτη (ηλεκτρομαγνήτη ή υπεραγώγιμο πηνίο), μια πηγή για μεγάλο αριθμό ραδιοσυχνοτήτων όλου του φάσματος, έναν ανιχνευτή και είναι το κύριο όργανο, συνδεδεμένο με έναν ηλεκτρονικό υπολογιστή για την καταγραφή των σημάτων και μετασχηματισμού τους κατά Fourier. Η βασική διαφορά από το προηγούμενο είναι ότι, αντί της αργής σάρωσης του φάσματος, εφαρμόζεται μικρής διάρκειας βάπτισμα (ή βομβαρδισμός) του δείγματος με ισχυρής ενέργειας ραδιοσυχνότητα, ενώ την ίδια στιγμή γίνεται η καταγραφή και αποθήκευση των σημάτων από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή με εξαιρετικά μεγάλη ταχύτητα. Για να κατανοήσουμε όμως τη λειτουργία του FT-NMR ας ξαναγυρίσουμε στη μετάπτωση του πυρηνικού spin στο μαγνητικό πεδίο Περιστρεφόμενο πλαίσιο Στην κβαντική περιγραφή του NMR μελετήθηκε η μετάπτωση Larmor με συχνότητα ν ο, όταν ένας πυρήνας τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο Η ο. Ο πυρήνας με spin I=1/2 έχει δύο επιτρεπόμενες κατευθύνσεις: μία προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου και μία προς την αντίθετη κατεύθυνση, Από τη στιγμή που υπάρχει μικρή περίσσεια πυρήνων κατά Boltzmann που προσανατολίζονται προς τη φορά του μαγνητικού πεδίου, θα δίνουν μια 152

161 συνισταμένη ανυσμάτων μαγνήτισης, Μ ο (resultant magnetization vector) κατά την κατεύθυνση του Η ο, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.2. Συνισταμένη ανυσμάτων μαγνήτισης Πυρηνικό spin που υπόκειται μετάπτωση σε συχνότητα Larmor ν ο Σχήμα 8.2. Κίνηση πυρήνα με spin ½ σε ένα μαγνητικό πεδίο. Η περιγραφή αυτή της κίνησης του πυρήνα καλείται στάσιμη ή σε εργαστηριακό πλαίσιο αναφοράς (stationary or laboratory frame of reference). Εάν τώρα περιστραφεί το εργαστηριακό πλαίσιο με συχνότητα Larmor ν ο, τότε οι πυρήνες δεν θα παρουσιάζονται ως να υπόκεινται σε μετάπτωση αλλά θα γίνουν στατικοί και συμπίπτοντες με το μαγνητικό άξονα z του H ο, όπως φαίνεται στο σχήμα 8.3. Η μαγνητική συμπεριφορά τότε θα περιγράφεται από μια στάσιμη συντεταγμένη των ανυσμάτων μαγνήτισης Μ ο, προς την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. z H o M o y' Στάσιμη συνισταμένη ανυσμάτων μαγν ήτισης Μ ο x' x, y περιστρεφόμενοι με συχνότητα ο Σχήμα 8.3. Κίνηση πυρήνα (Ι=1/2) σε περιστρεφόμενο μαγνητικό πλαίσιο. Το σύστημα αυτό περιγραφής καλείται σύστημα περιστρεφόμενου πλαισίου αναφοράς και θα βοηθήσει στην ανάλυση των αποτελεσμάτων που παράγονται με την εφαρμογή της παλμικής ραδιοσυχνότητας (rotating frame reference system). 153

162 Το αποτέλεσμα εφαρμογής της παλμικής ραδιοσυχνότητας Εάν εφαρμοσθεί ένας παλμός ακτινοβολίας στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων με συχνότητα ν ο, κατά τον άξονα x του εργαστηριακού πλαισίου (στην ουσία ο άξονας για την εφαρμογή της ακτινοβόλισης στα φασματόμετρα NMR), τότε αφού το πλαίσιο περιστρέφεται με ν ο, θα είναι σαν να έχει εφαρμοσθεί ένα στάσιμο μαγνητικό πεδίο (Η 1) κατά τον άξονα x του περιστρεφόμενου πλαισίου. Επειδή όμως η Μ ο είναι στάσιμη στο περιστρεφόμενο πλαίσιο, το αποτέλεσμα είναι η εφαρμογή ενός σταθερού πεδίου (ραδιοακτινοβολίας) κατά μήκος του x με συχνότητα ν. Η συχνότητα αυτή είναι: ν = γ Η 1 rad s -1 (8.1) όπου γ είναι ο μαγνητογυρικός λόγος και rad τα ακτίνια της γωνίας. Εάν ο παλμός της ραδιοσυχνότητας εφαρμόζεται για t δευτερόλεπτα, τότε η Μ ο θα περιστρέφεται κατά μια γωνία ϑ ακτίνια, που δίνεται από τη σχέση (σχήμα 8.4.): ϑ = γ Η 1 t rad (8.2) z M o x' θ M o ημθ y' πεδίο που οφείλεται σε RF σε ν ο εργαστηριακό πλαίσιο H 1 Σχήμα 8.4. Το αποτέλεσμα της εφαρμογής ραδιοσυχνότητας με συχνότητα ν ο για χρόνο t στη Μ ο (Μ ο ημϑ = συνισταμένη της Μ ο κατά τον άξονα y ). Η 1 πεδίο της RF κατά το εργαστηριακό πλαίσιο με συχνότητα ν ο. Το φασματόμετρο FT-NMR είναι συνήθως σχεδιασμένο για να δέχεται σήματα κατά μήκος του άξονα y. Άρα ο ανιχνευτής του φασματόμετρου θα καταγράφει την Μ οημϑ. Η γωνία ϑ είναι γνωστή ως γωνία παλμού και συνήθως εκφράζεται σε μοίρες. 360 ϑ = γ Η1 t μοίρες (8.3) 2π 154

163 8.2. Πυρηνική Αποκατάσταση (ή αποδιέγερση) μετά την Απόκλιση από την Ισορροπία Με την εφαρμογή του παλμού ραδιοσυχνότητας (RF) κατά τον άξονα x παρατηρούμε ότι η Μ ο αποκλίνει κατά γωνία ϑ μοίρες από την αρχική της θέση. Αμέσως μετά την εφαρμογή του παλμού η συνισταμένη της Μ κατά τους τρεις άξονες θα είναι : Μ x = 0, Μ y = Μ οημϑ και Μ z = Μ οσυνϑ. Τη στιγμή που ο παλμός RF διακόπτεται, το διεγερμένο σύστημα των spin αρχίζει να αποκαθίσταται, ξαναγυρνώντας στην αρχική κατάσταση ισορροπίας (όπου η Μ βρίσκεται κατά μήκος του άξονα-z) με δύο διαφορετικές μεταπτώσεις. Στην πρώτη διεργασία μετάπτωσης, η συνισταμένη κατά τον άξονα-z αποκαθίσταται στην αρχική τιμή Μ ο με μια εκθετική εξασθένιση που χαρακτηρίζεται από το spin-πλέγμα χρόνο αποκατάστασης Τ 1. Η διεργασία συνοδεύεται με απώλεια ενέργειας του διεγερμένου πυρηνικού spin προς το περιβάλλον του μοριακού πλέγματος. Καθώς η συνισταμένη Μ z επανέρχεται στην τιμή Μ ο, η συνισταμένη κατά τον άξονα-y τείνει προς το μηδέν και όταν Μ z = Μ ο, Μ y = 0 (στην πράξη η Μ y είναι μηδέν πριν η Μ z γίνει Μ ο). Η σχέση αυτή εκφράζεται μαθηματικά ως εξής : t / T1 ( M M ) = M ( 1 ) e o συνϑ (8.4) z o Το φασματόμετρο εντοπίζει τα σήματα απορρόφησης μόνο κατά τον άξονα-y (όταν δεν υπάρχει spin-spin αποκατάσταση Τ 2) και το σήμα που ανιχνεύεται φθίνει μετά τον παλμό σύμφωνα με την εξίσωση: M y t / T = M e 1 (8.5) () t y ( o) M είναι η μέγιστη τιμή της συνισταμένης, ακριβώς μετά την εφαρμογή y ( o) του παλμού. Στη δεύτερη διεργασία μετάπτωσης, τα πυρηνικά spin ανταλλάσσουν μεταξύ τους ενέργεια και ορισμένα υπόκεινται μετάπτωση ταχύτερα από την ν o, ενώ άλλα αργότερα. Το αποτέλεσμα είναι ότι τα πυρηνικά spin ανοίγουν ως βεντάλια στο επίπεδο των αξόνων x y (που καλείται απώλεια συνοχής φάσης) δίνοντας σήματα, ένας αριθμός των σημάτων κατά μήκος του θετικού τμήματος του άξονα- y και ανάλογος αριθμός κατά μήκος του αρνητικού τμήματος του άξονα- y, με αποτέλεσμα την αναίρεση των θετικών από τα αρνητικά σήματα και την εμφάνισης σήματος κατά τον άξονα- y (ή κατά τον x ). Η μετάπτωση αυτή, που δημιουργείται από την ανακατανομή ενέργειας μεταξύ του συστήματος των spin, καλείται spin-spin αποκατάσταση (και Τ 2 είναι ο αντίστοιχος χρόνος αποκατάστασης). Η εκθετική εξασθένιση του παρατηρούμενου σήματος, λόγω του spinspin χρόνου αποκατάστασης, δίνεται από την εξίσωση: M y t / T = M e 21 (8.6) () t y ( o) 155

164 Όταν η αποκατάσταση της Μ ολοκληρωθεί κατά τον άξονα-z δεν θα υπάρχει συνισταμένη στους x και y, δηλαδή ο Τ 1 μεγαλύτερος ή ίσος του Τ 2 (Τ 1 Τ 2). Μετά από τη διέγερση του ανύσματος μαγνήτισης με εφαρμογή ενός παλμού ραδιοσυχνότητας, αρχίζει να επανέρχεται στην αρχική κατάσταση ισορροπίας με τις δύο διεργασίες αποκατάστασης που αναφέρθηκαν. Η spin-πλέγμα αποκατάσταση έχει μια σειρά από μηχανισμούς στο είδος αυτό ισορροπίας. Οι πιο συνηθισμένοι από αυτούς τους μηχανισμούς είναι: Τ 1DD T 1SR T 1Q T 1Q T 1CSA διπολική-διπολική αποκατάσταση (dipole-dipole relaxation) spin-περιστροφή αποκατάσταση (spin-rotation relaxation) τετραπολική αποκατάσταση (quadrupolar relaxation) μονόμετρη αποκατάσταση (scalar relaxation) ανισοτροπία χημικής μετατόπισης αποκατάσταση (chemical shift anisotropy relaxation) Ο πρώτος μηχανισμός συμβαίνει όταν ένας πυρήνας που υπόκειται σε αποκατάσταση βρίσκεται ενωμένος με ένα δεύτερο πυρήνα που έχει μαγνητικό spin. Τα spin μπορούν να θεωρηθούν ως δύο μικροσκοπικά δίπολα, έτσι ώστε ένας 13 C να υφίσταται ένα μικρό πεδίο λόγω ύπαρξης διπολικής επίδρασης με ένα πυρήνα 1 Η. Ο μηχανισμός spin-περιστροφή οφείλεται στις διακυμάνσεις των μαγνητικών πεδίων, που είναι αποτέλεσμα της κίνησης των ατόμων μέσα στο μόριο. Η τετραπολική αποκατάσταση είναι σημαντικός μηχανισμός αποκατάστασης (ή αποδιέγερσης) των πυρηνικών spin για πυρήνες με spin>1/2 (όπως 14 Ν, 2 Η, Cl). Οι πυρήνες αυτοί έχουν τετραπολική ροπή που προκαλεί ένα ανισότιμο ηλεκτρικό πεδίο κατά μήκος του πυρήνα. Το αποτέλεσμα είναι ένας μηχανισμός υψηλής ικανότητας για αποδιέγερση, για τους πυρήνες αυτούς και για κάθε γειτονικό πυρήνα 13 C. Οι πυρήνες με τετραπολική ροπή δίνουν φάσματα Πυρηνικού Τετραπολικού Συντονισμού, που είναι αρκετά πολύπλοκα και αποτελούν ιδιαίτερο κλάδο της φασματοσκοπίας NMR. Η μονόμετρη (scalar) και η αποκατάσταση από ανισοτροπία χημικής μετατόπισης, είναι δύο μηχανισμοί που δεν φαίνεται να παίζουν σημαντικό ρόλο αποδιέγερσης στα οργανικά μόρια, αλλά σε περιπτώσεις με πολύ ανισότροπα μόρια (όπως RC N ή R 2C=O) υπάρχουν πιθανότητες για σημαντική συμβολή στην αποκατάσταση του 13C. Τέλος η παρουσία διαλυμένου οξυγόνου ή άλλης παραμαγνητικής ακαθαρσίας στο δείγμα μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στους χρόνους αποκατάστασης. (paramagnetic relaxation). 156

165 8.3. H Εφαρμογή του Παλμού Ραδιοσυχνότητας στον FT-NMR Εάν επιλεγεί μία διακεκριμένη συχνότητα F και αναβοσβήνει πολύ γρήγορα για να παραχθεί παλμός διάρκειας t δευτερολέπτων, τότε θα λαμβάνεται όχι μόνο μία συχνότητα αλλά μία ομάδα συχνοτήτων γύρω από την F με πλάτος περίπου 1/t. Δηλαδή παλμός διάρκειας t είναι σαν να ακτινοβολείται το δείγμα συγχρόνως με συχνότητες της περιοχής F±1/t. Διαλέγοντας τον κατάλληλο χρόνο, είναι δυνατό να πετευχθούν όλες οι συχνότητες που διεγείρουν όλους τους πυρήνες στο δείγμα ταυτόχρονα. Συνήθως, αυτό γίνεται σε πεδία 2,43 Tesla με συχνότητες 1000 Hz για 1 Η, 5000 Hz για 13 C και Hz για 15 Ν. Οι χρόνοι διάρκειας του παλμού (t) είναι μs (10-6 s). Επίσης η γωνία με την οποία αποκλίνει η Μ (συνισταμένη ανυσμάτων μαγνήτισης) είναι σημαντικός παράγοντας στα πειράματα FT-NMR. Έχοντας υπόψη ότι το φασματόμετρο ανιχνεύει το σήμα κατά μήκος του άξονα-y, τότε το μέγιστο του σήματος (Μ οσυνϑ ) λαμβάνεται όταν η γωνία ϑ είναι 90º. Ο παλμός καλείται παλμός 90 μοιρών και ο χρόνος t που χρειάζεται για να επιτευχθεί, χρόνος παλμού 90 μοιρών (90º pulse time). z z z M o M o M o ϑ ϑ ϑ y' y' y' ϑ =90 o ϑ =45 o ϑ =20 o x' x' x' Σχήμα 8.5. Αποκλίσεις της Μ κατά ϑ :90º, 45º και 20º. Για τις πειραματικές μετρήσεις FT-NMR με ένα μόνο παλμό, το μέγιστο του κλάσματος σήμα/θόρυβος επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας παλμό 90º. Ωστόσο, ο χρόνος αποκατάστασης (αποδιέγερσης) στην ισορροπία για μια τέτοια απόκλιση είναι περίπου 5Τ 1, που σημαίνει ότι σε πειράματα πολλαπλών παλμών θα πρέπει να περιμένει κανείς 5Τ 1 δευτερόλεπτα μεταξύ κάθε παλμού για να μπορέσουν τα spin να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση ισορροπίας. Στους πυρήνες 13 C και 15 Ν με μεγάλους Τ 1 σημαίνει περίπου 100 δευτερόλεπτα. Αντί όμως να περιμένει κανείς, προτιμούνται παλμοί μικρότερης ακτίνας απόκλισης (ϑ ) που μειώνουν σημαντικά τους Τ 1. Στον FT-NMR, όπου η ακτινοβολία RF είναι με τη μορφή παλμού, το δείγμα ακτινοβολείται με μικρής διάρκειας και υψηλής ενέργειας παλμό, που μετά την εφαρμογή του σβήνεται (ηλεκτρονικός διακόπτης) και η εκπεμπόμενη ενέργεια από το σύστημα του spin, καθώς γυρίζει στην αρχική κατάσταση ισορροπίας, καταγράφεται. Το φάσμα του FT-NMR είναι φάσμα εκπομπής και όχι φάσμα απορρόφησης του NMR συνεχούς κύματος (CW). 157

166 Σήματα FT-NMR σε σχέση με το χρόνο και τη συχνότητα των παλμών Ενώ στο NMR συνεχούς κύματος προσδιορίζεται η ένταση των ταινιών απορρόφησης σε σχέση με τη συχνότητα, στην παλμική τεχνική FT-NMR προσδιορίζεται η ένταση σε σχέση με το χρόνο. Έτσι, όταν εφαρμόζεται παλμός συχνότητας F, που καλείται φορέας συχνότητας (carrier frequency) και είναι ίσος της συχνότητας Larmor (F L), σε ένα φάσμα με μία φασματική γραμμή, τότε το σήμα που λαμβάνεται θα ανταποκρίνεται σε μία καμπύλη που παρουσιάζει εκθετική εξασθένιση του σήματος μέχρι που γίνεται μηδέν (καθώς ο θερμικός πληθυσμός των spin αποκαθίσταται). Το σήμα αυτό καλείται εξασθένιση ελεύθερης επαγωγής (free induction decay, FID) όπως φαίνεται στο σχήμα 8.6 και σε σύγκριση με το φάσμα CW. Σχήμα 8.6.Φάσμα 13 C-NMR διοξανίου: (α) με FID, όταν χρησιμοποιείται συχνότητα F ίση με F1, (β) συνηθισμένο φάσμα συνεχούς κύματος (CW), (γ) φάσμα 13 C-NMR διοξανίου με FID όπου F F L. Στην περίπτωση όπoυ F F L, η εκθετική εξασθένιση γίνεται ένα ημιτονοειδές κύμα (sine wave) με συχνότητα F - F L. 158

167 Στο παραπάνω παράδειγμα το φάσμα ήταν απλό με μια μόνο φασματική γραμμή. Φυσικά, όταν υπάρχουν περισσότερες γραμμές το φάσμα γίνεται πολύπλοκο. Για φάσματα με δύο φασματικές γραμμές, που βρίσκονται κοντά η μία στην άλλη, τα σήματά τους στον FT-NMR θα ανακατευθούν (τα δε κύματα θα υποστούν συμβολή ή απόσβεση) παρουσιάζοντας ένα χαρακτηριστικό δείγμα σήματος (σχήμα 8.7). Το είδος αυτό FID καλείται συμβολόγραμμα (interferogram). Σχήμα 8.7. Φάσματα 13 C-NMR: (α) FID με περιοδική μεταβολή εύρους των δύο φασματικών γραμμών, (β) συνεχους κύματος (CW). Για φάσματα με περισσότερες φασματικές γραμμές το διάγραμμα της συμβολής των διαφόρων γραμμών γίνεται πολύπλοκο. Παραμένει λοιπόν για την τεχνική FT-NMR να μετατρέψει τα σήματα σε μορφή φάσματος δίνει τη δυνατότητα να διακρίνει κανείς κάθε ταινία (ή φασματική γραμμή) και τη συχνότητά της. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται ηλεκτρονικοί υπολογιστές που συσσωρεύουν όλα τα σήματα σε ψηφιακή μορφή και τα σήματα μετατρέπονται από ημιτονοειδή κύματα σε φασματικές ταινίες (δηλαδή από σχέση χρόνου μετατρέπονται σε σχέση συχνότητας) και παρίστανται γραφικά ως γραμμές εκπομπής σε σχέση προς τη συχνότητα. Το πρόγραμμα ενός τέτοιου υπολογιστή καλείται πρόγραμμα μετασχηματισμού Fourier (Fourier transform programme) Μετασχηματισμός Fourier (Fourier Transform) Η δυνατότητα μετατροπής των πληροφοριών από σχέση χρόνου σε σχέση συχνότητας επιτυγχάνεται με ένα μαθηματικό μετασχηματισμό που καλείται μετασχηματισμός Fourier (FT). Η εξίσωση μεταξύ της σχέσης χρόνου και συχνότητας εκφράζεται ως εξής: 159

168 F + ( ) ivt v = f t) e dt ( (8.7) όπου F (v) είναι η σχέση συχνότητας και f(t) είναι η αντίστοιχη σχέση χρόνου για το σήμα (δηλαδή η FID). Στα νεότερα φασματόμετρα FT-NMR, ο μετασχηματισμός Fourier γίνεται ταχύτατα από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή που συσσωρεύει και αποθηκεύει τις πληροφορίες των σημάτων. Η ολοκλήρωση της εξίσωσης 8.7 με αριθμητικά δεδομένα δίνει τελικά το πραγματικό φάσμα Μεθοδολογία Η διαδικασία στα φάσματα FT-NMR είναι η ακόλουθη: το φάσμα σαρώνεται με παλμό πολλαπλής συχνότητας και η εξασθένιση ελεύθερης επαγωγής (FID) αποθηκεύεται στη μνήμη του υπολογιστή σε μια σειρά σημείων ( λέξεις ), αρκετά για μια ακριβή καταγραφή του FID. Μετά εφαρμόζεται ένας δεύτερος παλμός και ένα δεύτερο FID που προστίθεται στο πρώτο, κ.οκ. Σχήμα 8.8. Εφαρμογή επαναλαμβανόμενων παλμών (Π 1, Π 2, κλπ) και τα FID μετά το τέλος του παλμού. Ο χρόνος διάρκειας του παλμού είναι α και ο χρόνος επαναφοράς του spin στην αρχική κατάσταση β (χρόνος απόκτησης, acquisition time) και ο χρόνος μεταξύ της εφαρμογής των παλμών γ (καθυστέρηση, delay). Ο χρόνος α + β + γ καλείται διάστημα παλμού (pulse interval). Τα 8000 σημεία του κάθε FID που έχουν συσσωρευτεί στη μνήμη του υπολογιστή προστίθενται μεταξύ τους και λαμβάνονται οι μέσοι όροι. Στη μορφή αυτή δεν είναι παρά ημιτονοειδή κύματα που αργότερα με το μετασχηματισμό Fourier θα μετατραπούν σε γραμμές φάσματος. Για να χαρακτηριστεί αριθμητικά μια συχνότητα ν πρέπει να ληφθούν δύο σημεία της για κάθε κύκλο, συνήθως τα σημεία μέγιστο (max) και ελάχιστο (min), άρα η δειγματοληπτική ταχύτητα πρέπει να είναι τουλάχιστον 2ν. max Στον FT-NMR ο ανιχνευτής μετράει τη διαφορά των συχνοτήτων σε σχέση με τη συχνότητα του παλμού, δηλαδή ν ν ο = Δν. Εάν η φασματική έκταση που πρέπει να min καλυφθεί είναι Δ Hz, τότε η δειγματοληψία πρέπει να είναι τουλάχιστον 2Δ παλμοί ανά sec. 160

169 Κάθε φορά χρησιμοποιείται μια περιοχή μνήμης του υπολογιστή. Άρα δύναται κανείς να βρεί τον επιτρεπόμενο χρόνο απόκτησης ως Ν/2Δ δευτερόλεπτα, όπου Ν είναι ο αριθμός των λέξεων ή σημείων στη μνήμη του υπολογιστή. Για παράδειγμα, για ένα φάσμα 13C με 3000 Hz περιοχή συχνοτήτων (Δ) και Ν = λέξεις, ο χρόνος απόκτησης (επαναφορά του spin στην αρχική κατάσταση) θα είναι t a=8.000/2x3.000 =1,38s. Συνήθως ο χρόνος καθυστέρησης μεταξύ δύο παλμών είναι μηδέν. Για να ληφθεί όμως πιο γρήγορα το φάσμα, όπως σε ορισμένες ουσίες με πολύ μεγάλο χρόνο απόκτησης (λόγω spin-πλέγμα αποκατάστασης), υπάρχει ανάγκη μικρής καθυστέρησης για να επαναφερθεί το σύστημα στην ισορροπία του. Επίσης, ο χρόνος καθυστέρησης είναι σε αρκετές περιπτώσεις απαραίτητος για φαινόμενα κορεσμού των πυρηνικών (spin saturation) Επεξεργασία των πληροφοριών με ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ) Η κατεργασία των πληροφοριών με τον Η/Υ δηλαδή N FID που έχουν συσσωρευτεί ως ημιτονοειδή κύματα σε σχέση με το χρόνο, γίνεται με το μετασχηματισμό Fourier προς ένα φάσμα που δεν είναι τελείως ξεκαθαρισμένο. Οι φασματικές γραμμές ενός τέτοιου φάσματος διορθώνονται (διόρθωση φάσης, phase correction), με τη διαλογή γραμμών και απόρριψη άλλων μικρότερων και διασκορπισμένων συστατικών του φάσματος και το τελικό φάσμα καταγράφεται aπλοποιημένο και ενισχυμένο. FID (Fourier transformation) μετασχηματισμός Fourier CH 2 CH 3 Τελικό φάσμα Σχήμα 8.9. Φάσμα 13 C-NMR με FT τεχνική καταγραφής του φάσματος για το αιθυλοβενζόλιο. 161

170 Μαζί με το φάσμα ο Η/Υ δίνει αριθμητικά όλα τα στοιχεία του φάσματος: τον αριθμό των φασματικών γραμμών την ένταση τους και τη χημική μετατόπιση (με τρία δεκαδικά ψηφία). Τα φάσματα 13C FT-NMR λαμβάνονται σε Hz περιοχή συχνοτήτων σάρωσης, μαγνητικό πεδίο 24,5Κgauss που αντιστοιχεί σε 198,5 ppm, με σύγχρονη αποσύζευξη θορύβου πρωτονίων (proton noise decoupling) Τεχνική Διπλού Συντονισμού στον FT-NMR Η τεχνική του διπλού συντονισμού (double resonance technique) ή τεχνική αποσύζευξης του spin (spin decoupling) εφαρμόζεται με επιτυχία στον FT-NMR και αυξάνει την ευαισθησία των μετρήσεων. Η βασική αρχή του διπλού συντονισμού είναι ότι, εάν υπάρχει ένα σύστημα με δύο spin (ομοίων ή διαφορετικών πυρήνων) που υπόκεινται σε σύζευξη και κάνουν το φάσμα πολύπλοκο, μπορεί να εφαρμοσθούν συγχρόνως δύο ακτινοβολίες (RF) συντονισμού πάνω στο δείγμα, μία χαμηλού και μία υψηλού πεδίου, εξουδετερώνοντας τις μεταξύ τους συζεύξεις. Με το ίδιο πείραμα μπορεί να διαπιστωθεί ποιος πυρήνας ενός πολύπλοκου φάσματος είναι συζευγμένος με έναν άλλο, πράγμα που επιτρέπει να διευκρινισθούν προβλήματα δομής πολύπλοκων οργανικών ενώσεων. Για παράδειγμα, εάν υπάρχει ένα σύστημα δύο spin Α και Β, όπως στην περίπτωση της διχλωροακεταλδεΰδης ( C H Cl2C H O) : Σχήμα Φάσμα 1 H-NMR(60 MHz) της 1,1-διχλωροακεταλδεΰδης. Οι δύο φασματικές γραμμές του πυρήνα Α οφείλονται στους δύο δυνατούς προσανατολισμούς (α,β) του πυρήνα Β. Στο πείραμα διπλού συντονισμού (ή αποσύζευξης) ο πυρήνας Α παρατηρείται με χαμηλού πεδίου RF, ενώ συγχρόνως ακτινοβολείται ο πυρήνας Β με μία ραδιοσυχνότητα πολύ πιο ισχυρού πεδίου (ή συχνότητα αποσύζευξης). Η ακτινοβολία στον πυρήνα Β προτρέπει τη μετάβαση μεταξύ των δύο καταστάσεων spin του πυρήνα (α β και β α) και με την εφαρμογή αρκετά ισχυρής ακτινοβολίας, ο Β ταλαντεύεται ταχύτατα προς τα εμπρός και πίσω μεταξύ των καταστάσεων α και β, τόσο γρήγορα που ο πυρήνας Α δεν μπορεί να τις ξεχωρίσει, αλλά βλέπει μόνο ένα ενδιάμεσο προσανατολισμό. Με τον τρόπο αυτό η σύζευξη J AB μεταξύ των δύο πυρήνων εξαφανίζεται και η διπλή φασματική γραμμή του σήματος του πυρήνα Α περιορίζεται σε μία συχνότητα ν Α. 162

171 Η χρησιμοποίηση της τεχνικής του διπλού συντονισμού και η αποσύζευξη που επιτυγχάνεται βοηθούν σημαντικά στην απλοποίηση των φασμάτων NMR με την εξάλειψη συζεύξεων που δε χρειάζονται. Επίσης βοηθάει στον εντοπισμό φασματικών γραμμών διαφόρων πυρήνων σε ένα πολύπλοκο φάσμα. Για παράδειγμα, η αποσύζευξη με την τεχνική διπλού συντονισμού της ένωσης CH 3 CH CHCHO : Σχήμα Φάσμα 1 Η-ΝΜR της ένωσης CH 3 CH CHCHO και τμηματική αποσύζευξη των πρωτονίων. (1) αρχικό φάσμα με όλες τις συζεύξεις των spin, (2) μερική αποσύζευξη των πρωτονίων του CH 3, (3) αποσύζευξη των πρωτονίων της αλδεϋδικής ομάδας CHO που απλοποιεί το φάσμα. Στο παραπάνω παράδειγμα της αποσύζευξης οι πυρήνες είναι ίδιοι (πρωτόνια). Στην περίπτωση αυτή η αποσύζευξη καλείται ομοπυρηνική αποσύζευξη (homonuclear decoupling). Στην πραγματικότητα οι συνήθεις χρήσεις της τεχνικής του διπλού συντονισμού για αποσύζευξη γίνονται στον 13C FT-NMR. Η αποσύζευξη πρωτονίων βοηθάει στην απλοποίηση φασμάτων 13C και στον εντοπισμό των φασματικών γραμμών. Τα είδος αυτό καλείται ετεροπυρηνική αποσύζευξη (heteronuclear decoupling) και εφαρμόζεται ευρύτατα για πολύπλοκα φάσματα 13 C οργανικών ενώσεων. 163

172 Ετεροπυρηνική αποσύζευξη Η μικρή φυσική αφθονία του 13 C (0,01%) παρουσιάζει προβλήματα ευαισθησίας στον FT-NMR, αν και μειώνει στο ελάχιστο τη δυνατότητα συζεύξεων ατόμων 13 C στο ίδιο μόριο. Ενώ λοιπόν η σύζευξη 13 C 13 C είναι μηδαμινή, η σύζευξη 13 C 1 Η είναι αρκετά σημαντική στις οργανικές ενώσεις και δημιουργεί πολύπλοκα φάσματα, μειώνοντας συγχρόνως την ευαισθησία του 13 C-NMR. Το φαινόμενο της σύζευξης 13 C 1 Η είναι ιδιαίτερα έντονο σε οργανικές ενώσεις με μεγάλο μοριακό βάρος, για αυτό εφαρμόζεται πάντοτε συστηματική αποσύζευξη πρωτονίων ή αποσύζευξη του θορύβου των πρωτονίων (proton noise decoupling), όπως συνήθως καλείται και 13 1 συμβολίζεται C { H {. Με τον τρόπο αυτό κάθε άνθρακας του μορίου της οργανικής ένωσης παρουσιάζει μία φασματική γραμμή. Κανονικό φάσμα 13 C-FT- NMR CH 3CH 2CH 2CH 2 O-CH=CH Φάσμα 13 C-FT-NMR με αποσύζευξη πρωτονίων Σχήμα Φάσμα 13 C-NMR της ένωσης n-βουτυλοβινυλαιθέρας. Παρά τη σημαντική βελτίωση των φασμάτων, η αποσύζευξη των πρωτονίων δημιουργεί προβλήματα αναγνώρισης των φασματικών γραμμών. Για αυτό το λόγο μπορεί να εφαρμοσθεί εκλεκτική αποσύζευξη πρωτονίων εκτός συντονισμού (off-resonance decoupling), που βοηθάει με διαφορετικό τρόπο στην πιστοποίηση των φασματικών γραμμών για τους άνθρακες των οργανικών ενώσεων. Επίσης μία από τις πρώτες μεθόδους διπλού συντονισμού που χρησιμοποιήθηκε για ενδιάμεσο προσδιορισμό των πληροφοριών σε 13 C- NMR είναι η εσωπυρηνική τεχνική διπλού συντονισμού (internuclear double resonance, INDOR). Το φασματόμετρο τίθεται στην κορυφή μίας 164

173 από τις κορυφές των φασματικών γραμμών (συνήθως στην περιοχή πρωτονίων) και μετά σαρώνεται η αποσυζευτική συχνότητα, όχι η συχνότητα παρατήρησης ή του πεδίου όπως στα συνηθισμένα πειράματα NMR, είτε μέσα από την ίδια περιοχή φάσματος, όπως και ο πυρήνας που παρατηρείται (ομοπυρηνικό INDOR), είτε μέσα από την περιοχή ενός άλλου πυρήνα (ετεροπυρηνικό INDOR). Κάθε φορά που ο αποσυζεύκτης περνάει πάνω από τη συχνότητα μιας γραμμής που είναι συζευγμένη με το πραγματικό σήμα που παρατηρείται, θα παραχθεί ένα σήμα Αύξηση Εντασης Φασματικών Γραμμών στα Πειράματα Διπλού Συντονισμού. Φαινόμενο Overhauser Υπάρχουν αρκετές αιτίες για τη γραμμική σχέση της έντασης των φασματικών γραμμών σε φάσματα 13 C, δηλαδή οι εντάσεις των γραμμών δεν είναι ανάλογες του αριθμού των ατόμων άνθρακα, σε πειράματα διπλού συντονισμού. Μια πρώτη αιτία είναι η παλμική ραδιοσυχνότητα με την οποία βαπτίζεται το δείγμα και προκαλεί εκλεκτικό κορεσμό ορισμένων ατόμων άνθρακα (που έχουν διαφορετικούς spin-πλέγμα χρόνους αποκατάστασης, T 1). Έτσι τα spin ορισμένων ατόμων 13 C ξαναγυρίζουν στη θερμική ισορροπία πιο γρήγορα από ότι άλλα 13 C, πράγμα που εξαρτάται και από το χημικό περιβάλλον. Μια άλλη αιτία είναι το πυρηνικό φαινόμενο Overhauser (Nuclear Overhauser Effect, NOE). Για την περίπτωση ας φανταστούμε το σύστημα 13C 1 Η, όπου οι δύο πυρήνες βρίσκονται πολύ κοντά ο ένας στον άλλο και υπόκεινται σε σύζευξη. Εάν κατά τη διάρκεια του πειράματος του διπλού συντονισμού προκληθεί κορεσμός των spin στον ένα πυρήνα (εξισορρόπηση του πληθυσμού των spin) τότε επιδρά στο χρόνο αποκατάστασης (ή αποδιέγερσης) του άλλου πυρήνα, πράγμα που προκαλεί αύξηση της έντασης των φασματικών γραμμών. Το φαινόμενο Overhauser για πυρήνες σε απόσταση τουλάχιστον δύο ακτινών van der Waals και ιδιαίτερα για πρωτόνια, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη στερεοχημικών παρεμποδίσεων. Συνήθως για ομοπυρηνική αποσύζευξη, όπου το φαινόμενο μεγιστοποιείται, η αύξηση της έντασης των φασματικών γραμμών τριπλασιάζεται Μηχανισμοί Aποκατάστασης 13 C και Mέθοδοι Mελέτης των Xρόνων Aποκατάστασης. Οι δύο βασικές διεργασίες αποκατάστασης (ή αποδιέγερσης) στην αρχική κατάσταση ισορροπίας των πυρήνων 13 C είναι spin-πλέγμα και spinspin αποκατάσταση με τους αντίστοιχους χρόνους Τ 1 και Τ 2. Για την spinπλέγμα αποκατάσταση μελετήθηκαν οι διάφοροι μηχανισμοί που συμβάλλουν στην αποδιέγερση των πυρηνικών spin στο 8.2, ενώ για την spinspin αποκατάσταση είναι γνωστό ότι το πιο σημαντικό χαρακτηριστικό της 165

174 είναι ότι προσδιορίζει το φυσικό εύρος (natural width) των γραμμών του φάσματος. Με τη σειρά του, το εύρος των γραμμών στο μισό (1/2) του ύψους τους δίνει ένα μέτρο της spin-spin αποκατάστασης του αντίστοιχού χρόνου της. Η μέτρηση των Τ 1 και Τ 2 για τον πυρήνα 13 C έχει παρουσιάσει τα τελευταία χρόνια σημαντικό ερευνητικό ενδιαφέρον, για την τεχνική FT- NMR και έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό διάφορες μέθοδοι μετρήσεων Μέθοδος μέτρησης του Τ 1 Υπάρχουν δύο μέθοδοι προσδιορισμού του Τ 1. Η πρώτη μέθοδος είναι γνωστή ως μέθοδος αποκατάστασης της αναστροφής (inversion recovery method) και σε αυτή εφαρμόζεται ένας παλμός 180º που αναστρέφει τη συνισταμένη της μαγνήτισης κατά τον άξονα-z. z z 0 M z x' x' y' y' 0 -M z Σχήμα Αναστροφή της Μ z με παλμό 180 ο 0 0 Έτσι η M z γίνεται -M z. Αμέσως μετά τη λήξη του παλμού αρχίζει η αποδιέγερση κατά μήκος του άξονα-z προς την αρχική τιμή της στην 0 κατάσταση ισορροπίας M z, μέσα από μια διεργασία spin-πλέγμα αποκατάστασης. 0 M z z z x' 0 y' 0 x' y' z x' 0 M z 0 y' 0 z x' y' -M z χρόνος (s) Σχήμα Αποκατάσταση στην αρχική τιμή ισορροπίας Η σχέση αυτή της χρονικής αποκατάστασης εκφράζεται μαθηματικά με την εξίσωση: 0 t / T1 M z = M z ( 1 2 ) (8.8) 166

175 Σε κάποιο σημείο στην πορεία αποκατάστασης η Μ z περνάει από το 0 / 1 μηδέν, δηλαδή M ( 1 2 t T z ) = 0 και αυτή η σχέση δίνει τη λύση για την τιμή Τ 1, (ή Τ 1 = t o/2.303 log2 = t o/0.693, όπου t o είναι ο χρόνος για Μ z =0). Επειδή όμως τα περισσότερα φασματόμετρα FT-NMR δεν ανιχνεύουν σήματα κατά τον άξονα-z, στην πράξη, μετά την εφαρμογή του παλμού 180º και με μια καθυστέρηση μερικών δευτερολέπτων (τ, s) εφαρμόζεται ένας νέος παλμός 90º που προκαλεί απόκλιση της συνισταμένης της μαγνήτισης προς τον άξονα-y (περιστρεφόμενο μαγνητικό πλαίσιο) όπου ανιχνεύεται. z z z z x' x' x' x' y' y' y' y' παλμός 180º τ s καθυστερημένος παλμός 90º Σχήμα Απόκλιση της Μ κατά τον άξονα-y για ανίχνευση. Συνήθως, η τιμή του Τ 1 προκύπτει από τη γραφική παράσταση του 0 ln( M z - M z ) ως προς το τ, που είναι ευθεία γραμμή και η κλίση της (εφαπτομένη της γωνίας ή το πηλίκο της κάθετης απόστασης προς την οριζόντια (slope, gradient)) δίνει το 1/Τ 1. Σε ορισμένα φασματόμετρα οι τιμές συσσωρεύονται στον ηλεκτρονικό υπολογιστή και (με μαθηματική ανάλυση των ελαχίστων τετραγώνων) το αποτέλεσμα παρουσιάζεται στην οθόνη του Υ/Η. Η παραπάνω μέθοδος έχει το μειονέκτημα των χρόνων καθυστέρησης (5 Τ 1) που πρέπει να εισαχθούν και γι αυτό εφαρμόζεται τώρα μια ταχύτερη τεχνική προοδευτικού κορεσμού (progressive saturation). Στη μέθοδο αυτή εφαρμόζεται σειρά παλμών 90º που διαχωρίζονται από ένα ελάχιστο χρόνο καθυστέρησης τ. Τα ανύσματα της μαγνήτισης με αυτό τον τρόπο δεν έχουν χρόνο για να αποκατασταθούν μεταξύ των παλμών, αλλά τα 4/5 αυτών απορρίπτονται, ενώ η κατάσταση ισορροπίας έχει τελικά πραγματοποιηθεί. Η διαδοχή των παλμών είναι (90 τ) n και δεν υπάρχει ανάγκη για μεγάλες χρονικές καθυστερήσεις μεταξύ των παλμών. Η γραφική παράσταση των 0 τιμών ln( M z - M z ) προς τ δίνει ευθεία της οποίας η κλίση (εφαπτομένη) είναι 1/Τ 1. Μια σειρά τέτοιων φασμάτων για τον Τ 1 του 13 C του βρωμοβενζολίου φαίνεται στο σχήμα

176 Σχήμα Προσδιορισμός Τ 1 για 13 C του βρωμοβενζολίου Μέθοδος μέτρησης του Τ 2 Η απλούστερη μέθοδος για τη μέτρηση του Τ 2 είναι η μέτρηση του πλάτους των φασματικών γραμμών στο ½ του ύψους τους. 1 W1/ 2 = (8.9) π T2 Η σχέση στην εξίσωση 8.9 προκύπτει από την αρχή της αβεβαιότητας, όπου ο χρόνος ζωής των ενεργειακών καταστάσεων που χαρακτηρίζουν την απορρόφηση για τις φασματικές γραμμές είναι πολύ μικρός. Από τις σχέσεις ΔE t h/2π και ΔΕ = hν, όπου t είναι ο χρόνος ζωής των ενεργειακών καταστάσεων των spin, έχουμε δν 1/2π t. Ο Τ 2 προσδιορίζει το χρόνο ζωής των καταστάσεων των spin στο NMR, άρα μπορούμε να γράψουμε: δν 1/2t 1/2π Τ 2. Τότε το W 1/2 =2δν και W 1/2 = 2/2π t = 1/π Τ 2. Μια άλλη μέθοδος προσδιορισμού του Τ 2 καλείται τεχνική spin ηχώ (spin echo technique), γνωστή και ως πείραμα Carr-Purcell αλλά και από τη βελτιωμένη μέθοδο των Meibon-Gill. 168

177 Κατά την τεχνική αυτή εφαρμόζεται αρχικά στο σύστημα των spin ένας παλμός 90º. Όταν τα spin βρεθούν στο επίπεδο x y αρχίζουν να ανοίγουν σαν βεντάλια και να χάνουν συνοχή φάσης, που οφείλεται στη διεργασία spin-spin αποκατάστασης και την ανομοιογένεια του μαγνητικού πεδίου. Αναμένουμε ένα ορισμένο χρονικό διάστημα τα, για να ολοκληρωθεί το άπλωμα των spin και εφαρμόζουμε παλμό 180º. Σχήμα Σχηματική παράσταση της τεχνικής spin ηχώ Μετά τον παλμό 180º οι συνισταμένες μαγνήτισης θα στραφούν στην αντίθετη κατεύθυνση. Όταν οι πυρήνες α και β υπόκεινται σε μετάπτωση με διαφορετικές ταχύτητες, μετά από χρόνο τ εφαρμογής του παλμού 180º (και 2τ μετά τον αρχικό των 90º), ο πυρήνας α θα φτάσει την ολική συνισταμένη της μαγνήτισης, ενώ ο β θα φτάσει αργότερα, οδηγώντας στην επανεστίαση του σχηματισμού των spin ως μία ηχώ του αρχικού σχηματισμού των spin. Η διαδικασία επαναλαμβάνεται με ένα δεύτερο παλμό 180º (σχήμα 8.18). 169

178 Σχήμα Τεχνική spin-ηχώ (spin echo technique). (a) ένταση της μαγνήτισης Μ y των επαναλαμβανόμενων παλμών spin ηχώ κάθε 2τ s, (β) ένταση σήματος spin-ηχώ με μετασχηματισμό Fourier. Η ένταση του σήματος μετράται για κάθε spin ηχώ και η γραφική 0 παράσταση του ln( M y' - M y' ) προς τ s δίνει ευθεία γραμμή, η κλίση της οποίας 0 είναι 1/Τ 2 ( M y', ένταση σήματος αμέσως μετά τον παλμό 90º). Στην (β) περίπτωση ln(i o I/I o) =K t,όπου 1/Κ = Τ 2. Οι χρόνοι αποκατάστασης (ή αποδιέγερσης) Τ 1 και Τ 2 μπορούν να παράσχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη δομή των οργανικών ενώσεων. Οι τιμές του Τ 1 για πυρήνες 13 C σε διάφορα οργανικά μόρια διαφέρουν σημαντικά μεταξύ τους, συνήθως σημαντικό ρόλο στην τιμή Τ 1 παίζει το μοριακό βάρος της ένωσης. Για πολυμερή και βιοχημικές ενώσεις με βιολογική σημασία ο Τ 1 είναι s, για οργανικές ενώσεις με μοριακό βάρος <1000 οι τιμές του Τ 1 είναι s, για υδρογονωμένα άτομα άνθρακα και για μη υδρογονωμένα ή άνθρακες σε συμμετρικά μόρια s. 170

179 8.8. Βιβλιογραφία: Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός-FT 1. Farrar TC, Becker ED. Pulse and Fourier Transform NMR: Introduction to Theory and Methods. Academic Press, New York, Stothers JB. Carbon-13 NMR Spectroscopy. Academic Press, New York, Levy GC, Nelson GL. Carbon-13 NMR for Organic Chemists. John Wiley and Sons, New York, 1972, Levy GC (ed). Topics in Carbon-13 NMR for Organic Chemists. John Wiley and Sons, New York,, 1974, 1984 (vol 4). 5. Wehrli FW, Wirthlin T. Interpretation of Carbon-13 NMR Spectra. Heyden, London, 1976, 1988 (2 nd ed)/ 6. Mullen K, Pregosin PS. FT-NMR Techniques: A Practical Approach. Academic Press, London, Shaw D. Fourier Transform NMR Spectroscopy. North Holland, New York, 1976, Brithmaier E, Voelter W. Carbon-13 NMR Spectroscopy. Verlag Chemie, Berlin, Abraham RJ, Loftus P. Proton and Carbon-13 NMR Spectroscopy. Heyden, London, Fuckes PL, Bunnell CA. Carbon-13 Based Organic Spectral Problems. John Wiley and Sons, New York, Bates RB, Beavers WA. Carbons-13 Spectral Problems. Humana Press, Clifton, New Jersey, 1981, 12. Akitt JW. NMR and Chemistry: An Introduction to the Fourier Transform- Multi Nuclear Era. Chapman and Hall, London, Kalinowaki HO, Berger S, Braun S. 13 C-NMR Spectroskopie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, 1984, 1988 (Wiley NY). 14. Breitmaier E, Bauer G. 13 C-NMR Spectroscopy: A Working Manual with Exercises. Harwood, New York, Breimaier E, Haas G, Voelter W (eds). Atlas of Carbon-13 NMR Data. Heyden, London, Whitesell JK, Minton MA. Stereochemical Analysis of Alicyclic Compounds by C-13 NMR Spectroscopy. Chapman and Hall, London, Agrawal PK (ed). Carbon-13 NMR of Flavonoids. Elsevier, Amsterdam, Claridge TDW. High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry. Pergammon Press, Oxford, Levitt MH. Spin Dynamics-Basics of Nuclear Magnetic Resonance. John Wiley & Sons, New York, Balci M. Basic 1H and 13C-NMR Spectroscopy. Elsevier, Amsterdam,

180 172

181 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΑΤΟ ΑΝΑΛΥΣΗ ΚΑΙ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ 1 Η ΚΑΙ 13 C NMR Στην εισαγωγή του Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (κεφάλαιο 6) εξετάσθηκαν απλά φάσματα πρώτης-τάξης, όπου οι χημικές μετατοπίσεις και οι συζεύξεις είναι απλές και εύκολες να ερμηνευτούν με βάση τη δομή του μορίου. Στο κεφάλαιο αυτό θα μελετηθούν πιο πολύπλοκα φάσματα, καθώς και η μεθοδολογία για την ονοματολογία των συστημάτων spin. Τέλος, θα μελετηθούν οι κυριότερες ενώσεις της οργανικής χημείας και οι χαρακτηριστικές τους μετατοπίσεις για 1 Η και 13 C Ονοματολογία Συστημάτων Spin Η συμβατική ονοματολογία των συστημάτων spin για τα φάσματα NMR είναι διαρθρωμένη κατά αυτόν τον τρόπο ώστε να βοηθάει στην ερμηνεία φασμάτων πολύπλοκων χημικών ενώσεων. Ο κάθε πυρήνας που μελετάται ονομάζεται με ένα κεφαλαίο γράμμα του λατινικού αλφάβητου: Α. Β, C κ.λπ. Εάν οι πυρήνες είναι χημικά ισοδύναμοι (δηλαδή έχουν την ίδια χημική μετατόπιση) τότε χρησιμοποιούνται αριθμητικούς δείκτες: Α 2, Β 3 κ.λπ. Εάν οι πυρήνες είναι αρκετά διαφορετικοί στις χημικές μετατοπίσεις τους, τότε χρησιμοποιούνται τα γράμματα Χ, Y. Έτσι η ένωση CHCl CHBr είναι ένα σύστημα spin AB, ενώ η ένωση CHCl CFBr είναι ένα σύστημα spin AX. Με τον ίδιο τρόπο τα ονόματα συστημάτων spin είναι: CH 2Cl CH 3 Α 2Β 3, CH 2Cl CF 3 Α 2Χ 3 κ.οκ. Όταν στα συστήματα spin περιλαμβάνεται και ο πυρήνας 13 C, τότε η ονομασία γίνεται: 13 CH 3 J ΑΧ 3, 13 CH 3 CH 2 Cl Α 3Β 2Χ. Ένα άλλο χαρακτηριστικό των πυρήνων που πρέπει λάβουμε υπόψη μας στα φάσματα NMR είναι η μαγνητική ισοδυναμία, δηλαδή πυρήνες που έχουν την ίδια χημική μετατόπιση και βαθμό σύζευξης με τις άλλες ομάδες πυρήνων στο μόριο. Έτσι στην ένωση CH 2F 2 οι πυρήνες 1 Η και 19 F είναι χημικά ισοδύναμοι λόγω συμμετρίας. Οι δύο πυρήνες μπορούν να ονομασθούν Α και Χ αντίστοιχα. Τα επόμενο ερώτημα είναι κατά πόσο οι πυρήνες 1 και 2 δείχνουν τον ίδιο βαθμό σύζευξης με όλους τους άλλους πυρήνες στο μόριο. Δηλαδή εάν J 13 = J 23 και J 14 = J 24. Η απάντηση στην περίπτωση αυτή είναι ναι. Λόγω συμμετρίας, υπάρχει μόνο μια J HF στο μόριο, άρα οι πυρήνες 1 και 2 είναι μαγνητικά ισοδύναμοι. Με τον ίδιο τρόπο μπορεί να αποδειχθεί ότι και οι πυρήνες F 3 και F 4 είναι μαγνητικά ισοδύναμοι. Το σύστημα αυτό πυρηνικών spin μπορεί να ονομασθεί Α 2Χ 2. Αντίθετα, για την ένωση CH 2=CF 2 οι πυρήνες 1 Η και 19 F δεν H 1 H 2 C F 3 F 4 173

182 είναι μαγνητικά ισοδύναμοι μεταξύ τους. Το σύστημα αυτό πυρηνικών spin ονομάζεται ΑΑ ΧΧ Ερμηνεία Φασμάτων 1 Η NMR Απλά φάσματα 1 Η NMR Παράδειγμα 1: 1-βρωμοπροπάνιο Σχήμα 9.1. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης CH 3CH 2CH 2Br. Το φάσμα 1 Η NMR της ένωσης CH 3CH 2CH 2Br παρουσιάζει τρεις ταινίες απορρόφησης στα 3.4, 2.1 και 1.3 δ (ppm). Η πρώτη και η τρίτη των φασματικών γραμμών ή ταινιών (spectral lines, bands) παρουσιάζουν τριπλές κορυφές (peaks), δηλαδή τριπλέτες (triplets) και η δεύτερη φασματική γραμμή μία εξαπλή κορυφή (sextet). Η μεθυλική ομάδα ( CH 3) είναι δίπλα σε CH 2, σύμφωνα με τη θεωρία της spin-spin σύζευξης, αναμένεται μία φασματική γραμμή τριπλής κορυφής (2+1=3). Το ίδιο και με την ομάδα CH 2Βr, που είναι δίπλα σε μία ομάδα CH 2, θα παρουσιάζει τριπλέτα. Η φασματική γραμμή στα 1.3 δ (υψηλά πεδία, upfield) οφείλεται στην CH 3, ενώ η γραμμή στα 3.4 δ (χαμηλά πεδία, downfield), λόγω αποθωράκισης από το ηλεκτραρνητικό βρώμιο, οφείλεται στην CH 2Βr. Η φασματική ταινία με τις έξι κορυφές στα 2.1 δ θέλει περισσότερη μελέτη. Μια εξέταση της απόστασης μεταξύ των κορυφών στις τριπλέτες δείχνει ότι οι σταθερές σύζευξης είναι περίπου 6-7 Hz. Εάν λοιπόν η τριπλέτα είναι διασπαρμένη σε κορυφές με αποστάσεις 6 Hz, τότε η άλλη που συζεύγνειται με αυτή πρέπει να είναι διασπαρμένη κατά 6 Hz. Αρα και η φασματική γραμμή της κεντρικής ομάδας CH 2 θα πρέπει να διασπασθεί εξίσου από τις ομάδες CH 3 και CH 2Βr. Για να προβλεφθούν οι διασπάσεις των φασματικών ταινιών σε πολλαπλές κορυφές, μπορεί να σχεδιασθεί ένα δένδρο-διάγραμμα με τις 174

183 διασπάσεις. Έτσι, για την CH 2 υπάρχει μία φασματική ταινία που διασπάται σε τρεις κορυφές από την CH 2Βr. (α) ( ) (β) (γ) Εντάσεις φασματικών γραμμών Σχήμα 9.2. Διασπάσεις φασματικών ταινιών σε πολλαπλές κορυφές. Μετά, κάθε μία από τις τρεις γραμμές διασπάται σε τέσσερις γραμμές (3+1=4) με την επίδραση της ομάδας CH 3. Οι αποστάσεις μεταξύ των γραμμών πρέπει να είναι ανάλογες με τις σταθερές σύζευξης (~ 6 Hz). Οι εντάσεις των φασματικών γραμμών είναι ανάλογες με τον αριθμό των γραμμών που συγκεντρώνονται σε έξι σημεία (οι εντάσεις είναι 1:5:10:10:5:1). Τα φάσματα του είδους αυτού είναι δύσκολο να ερμηνευτούν με την προϋπόθεση ότι, (α) οι σταθερές σύζευξης είναι ουσιαστικά ίσες, και (β) οι χημικές μετατοπίσεις είναι μεγαλύτερες των σταθερών σύζευξης. Η ολοκλήρωση (intergration) των φασματικών γραμμών δίνει σαφή ποσοτικό προσδιορισμό των πρωτονίων της ένωσης για κάθε φασματική γραμμή που αντιπροσωπεύουν (το «σκαλοπάτι» της ολοκλήρωσης μετράται είτε με βαθμολογημένο φασματογραφικό χαρτί είτε με διαστημόμετρο). Τα φάσματα αυτά καλούνται πρώτης τάξης γιατί τα διακρίνουμε εύκολα της χημικές μετατοπίσεις και τις σταθερές σύζευξης με απλούς υπολογισμούς από τη δομή του μορίου. Η ολοκλήρωση των κορυφών, δηλαδή το εμβαδόν κάτω από την φασματική κορυφή, γίνεται στα νέα όργανα πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού αυτόματα με τη βοήθεια του υπολογιστή και δίδονται μεγάλυτερης ακρίβειας μετρησεις. 175

184 Σύνθετα φάσματα 1 Η NMR Παράδειγμα 1: C 3H 6BrCl σε CDCl 3. Σχήμα 9.3. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης C 3H 6BrCl. Το φάσμα 1 Η NMR της ένωσης C 3H 6BrCl σε διαλύτη CDCl 3, και με ουσία αναφοράς TMS, αποτελείται από δύο ομάδες φασματικών γραμμών : μία γραμμή με πέντε κορυφές (πενταπλέτα, quintet) στα δ(ή τ) και μία γραμμή με έξι κορυφές (εξαπλέτα, sextet) στα δ ( τ). Οι δύο φασματικές γραμμές δίνουν με την ολοκλήρωση 2 και 4 πρωτόνια (πιθανόν) αντίστοιχα. Για να μπορέσουν δύο 1Η να δώσουν μία πενταπλή κορυφή υπόκεινται σε σύζευξη από τέσσερα 1 Η (4+1 =5), και τα τέσσερα 1 Η πρέπει να υπόκεινται σύζευξη με τα δύο 1 Η, δίνοντας δύο τριπλές κορυφές (2Χ3=6). Διαπιστώνεται λοιπόν ένα μέρος της δομής: CH 2 CH 2 CH 2. Αρά η ένωση C 3H 6BrCl είναι της μορφής: (όπου 1: τριπλή, 2: πενταπλή, 3: τριπλή κορυφή). X- CH 2 - CH 2 - CH 2 -Y Οι δύο τριπλέτες επικαλύπτονται, αλλά μπορούν να διαχωριστούν από το γεγονός ότι η σταθερά σύζευξης για το σύστημα πρώτης τάξης είναι 6.5 Hz. Έτσι έχουμε για τα 1, 2 και 3 μεθυλένια: (1) τριπλή κορυφή, χημική μετατόπιση 3.7 δ, (2) πενταπλή κορυφή, χημική μετατόπιση 2.28 δ και (3) τριπλή κορυφή, χημική μετατόπιση 3.55 δ. Από τους πίνακες χημικών μετατοπίσεων για 1 Η διαπιστώνεται ότι Χ=Cl και Y=Br (το χλώριο είναι πιο ηλεκτραρνητικό από το βρώμιο και αποθωρακίζει περισσότερο τον πυρήνα (1), ώστε η χημική του μετατόπιση να παρουσιάζεται σε χαμηλότερα πεδία από τον πυρήνα (3). Η μικρή απορρόφηση στα 7.7 δ οφείλεται σε ίχνη CHCl 3 στον διαλύτη (CDCl 3). 176

185 Παράδειγμα 2: C 9H 6SO σε CDCl 3. Σχήμα 9.4. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης C 9H 6SO. Το φάσμα της ένωσης C 9H 6SO (ποσοτική ανάλυση και φασματομετρία μαζών) σε διαλύτη CDCl 3, 60 MHz και ολοκλήρωση. Οι φασματικές ταινίες που καταγράφηκαν στο φάσμα, οι χημικές μετατοπίσεις τους και η ολοκλήρωσή τους είναι: (1) 1-Η (πολλαπλή κορυφή) 8.53 δ 1.47 τ (2) 1-Η (διπλέτα) 7.80 δ 2.20 τ (3) 3-Η (πολλαπλή κορυφή) 7.60 δ 2.40 τ (4) 1-Η (διπλέτα) 6.95 δ 3.05 τ Οι φασματικές γραμμές στα 7.80 και στα 6.95 δ κάνουν το κουαρτέτο (quartet) ΑΒ με σταθερά σύζευξης 6.7 Hz. Η πληροφορία αυτή μας οδηγεί σε δύο πιθανές δομές του μορίου: R R R 1 C C H B H B H A H A (α) (β) όπου R μπορεί να είναι μια ισχυρή ηλεκτραρνητική ομάδα (αυτό προκύπτει από τη μετατόπιση προς τα χαμηλά πεδία). Η ομάδα πρωτονίων με χημική μετατόπιση 7.60 δ φανερώνει τον αρωματικό χαρακτήρα τους, ενώ υπόκεινται σε σύζευξη με το πρωτόνιο στη θέση 8.53 δ (δεν μπορούμε ακόμη να ξεχωρίσουμε τις συζεύξεις σε o-, m- και p- θέσεις). Η νέα αυτή πληροφορία μας οδηγεί στη δομή (γ). Επειδή ένα πρωτόνιο είναι σε πολύ χαμηλά πεδία (8.53 δ) και ανήκει στον αρωματικό πυρήνα, πρέπει να βρίσκεται σε ορθο-θέση με μια ισχυρή ηλεκτραρνητική ομάδα, π.χ. (δ), (Η δ). 177

186 H H 1 H R H C O H R 1 H H H (γ) (δ) Το ΑΒ κουαρτέτο πρέπει να προέρχεται από ένα άλλο τμήμα του μορίου. Από το μοριακό τύπο του μορίου μπορούμε να αναγνωρίσουμε ότι η ιδέα των δύο δακτυλίων (με ετεροκυκλικό χαρακτήρα ο δεύτερος) είναι δυνατή. Για τους δύο τύπους έχουμε: O O H 1 H C S H H B H H B H S H A (ε) H A (ζ) Από πίνακες χημικών μετατοπίσεων NMR μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι η δομή (ζ) ταιριάζει με την χημική μετατόπιση 6.95 δ για το πρωτόνιο Η Β, καλύτερα από τη δομή (ε). Δεν μπορούμε να βρούμε σχετική πληροφορία για το πρωτόνιο Η Α, αλλά η δομή (ζ) ως αρωματική ταιριάζει πιο πολύ για τη χημική μετατόπιση του πρωτονίου αυτού. Επιπλέον πληροφορίες για τη δομή του μορίου μπορούμε να αντλήσουμε από τα φάσματα UV και IR, ιδιαίτερα για τη θέση της ομάδας C O. Παράδειγμα 3: C 4H 8O σε CDCl 3. Σχήμα 9.5. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης 178

187 Οι φασματικές ταινίες είναι: (1) 3-Η (διπλέτα) 1.12 δ CH 3 (2) 1-Η (μονή κορυφή) 2.45 δ OH (3) 1-Η (πενταπλέτα) 4.15 δ πιθανόν -CH- OH που υπόκειται σύζευξη με το CH 3 και το βινυλικό πρωτόνιο Ωστόσο, παραμένουν 12 ακόμα φασματικές γραμμές (μικρής έντασης) που δεν είναι εύκολο να πιστοποιηθούν. Το σύστημα των spin για τις ομάδες CH 2 και CH έχει 8 πιθανότητες καταστάσεων spin για τα 3 πρωτόνια. Υπάρχουν πράγματι 15 δυνατές ενεργειακές μεταβάσεις μεταξύ των 8 αυτών καταστάσεων spin (από αυτές μία είναι απαγορευμένη και δύο άλλες πολύ ασθενείς). Το σύστημα spin των ομάδων CH 2 και CH είναι ΑΒΧ σύστημα, στο οποίο τα δύο πρωτόνια CH 2 έχουν παρόμοιες χημικές μετατοπίσεις και το πρωτόνιο της CH έχει διαφορετική χημική μετατόπιση. Στην πραγματικότητα, εάν εξετασθεί το φάσμα της ουσίας με φασματόμετρο υψηλότερης διακριτικής ικανότητας, θα προκύψουν και άλλες ασθενείς φασματικές γραμμές (εκτός από τις 15) γιατί το σύστημα ΑΒΧ περιλαμβάνει και μια ακόμη διάσπαση που οφείλεται στο πρωτόνιο -CH- OH. Το τελικό σύστημα είναι ΑΒΜΧ και περιλαμβάνει τις αλληλεπιδράσεις 4 πρωτονίων. Στην περίπτωση αυτή το φάσμα καλείται δεύτερης τάξης, όπου οι χημικές μετατοπίσεις και συζεύξεις δε μπορούν να υπολογισθούν με απλή μελέτη της δομής Ανάλυση Φάσματος για Σύστημα ΑΒ, Δεύτερης Τάξης Για να μελετήσουμε ένα φάσμα δεύτερης τάξης ας σκεφθούμε πρώτα ένα απλό σύστημα ΑΧ (δύο διαφορετικοί πυρήνες όπου η διαφορά των χημικών μετατοπίσεων είναι μεγαλύτερη από τη σταθερά σύζευξης). Εάν αρχίσουμε να μειώνουμε προοδευτικά τη χημική μετατόπιση, τότε το σύστημα από ΑΧ ΑΜ και ΑΒ, ώστε να καταλήξει τελικά σε ΑΑ. Το σύστημα αρχίζει με δύο φασματικές γραμμές (δύο κορυφών η καθεμιά και ίσης έντασης) όπου η σταθερά σύζευξης J AB 80 Hz. Καθώς η χημική μετατόπιση μειώνεται (αλλαγή στη δομή του μορίου) το φάσμα αρχίζει να συστέλλεται (οι εντάσεις των κορυφών μεταβάλλονται) και αυτό είναι μια πρώτη ένδειξη ότι το φάσμα δεν είναι πρώτης τάξης. Η συστολή αυτή δεν επιτρέπει τον ακριβή προσδιορισμό των χημικών μετατοπίσεων, δηλαδή η χημική μετατόπιση δεν βρίσκεται απαραίτητα στο κέντρο της φασματικής ταινίας ενός πυρήνα με πολλές κορυφές. 179

188 Σχήμα 9.6. Θεωρητικός υπολογισμός συστήματος με προοδευτική μείωση της χημικής μετατόπισης. Όταν το σύστημα γίνει ΑΒ παρατηρείται ότι, ενώ η σταθερά σύζευξης παραμένει η ίδια (απόσταση σε Hz μεταξύ δύο κορυφών), η χημική μετατόπιση δεν είναι στο κέντρο των πολλαπλών κορυφών της φασματικής ταινίας. Για παράδειγμα, όταν στο σύστημα ΑΧ οι δύο φασματικές γραμμές είναι σε απόσταση 80 Hz μεταξύ τους, οι συχνότητες των 4 φασματικών γραμμών είναι σε Hz: (1):7.42, (2): 12.42, (3): και (4): Η σταθερά σύζευξης είναι 5.0 Hz (από τις διαφορές και ). Η χημική μετατόπιση μεταξύ των δύο ταινιών είναι : = Hz Η τιμή αυτή είναι πολύ κοντά στα Hz. Όταν όμως εξετασθεί το φάσμα, όπου οι φασματικές γραμμές είναι σε απόσταση μόνο 5 Hz μεταξύ τους, φαίνεται ότι οι 4 κορυφές είναι σε συχνότητες (1): 6.46 Hz, (2): Hz, (3): Hz και (4) Hz. Ο υπολογισμός της χημικής μετατόπισης δίνει τιμή: = Hz Η τιμή αυτή περιέχει λάθος 29% σε σχέση με την τιμή των 5.0 Hz. Η εξίσωση που δίνει τη σωστή τιμή είναι της μορφής, για το σύστημα ΑΒ: 180

189 ( ν ν ) = [( F F )( F )] 1/ F3 στην οποία όταν αντικατασταθούν οι τιμές δίνει Hz. Στην εξίσωση αντικαθίστανται οι F 1,2,3,4 με τις τιμές 4 συχνοτήτων. Οι εντάσεις των φασματικών γραμμών μπορούν να προβλεφθούν από τις αποστάσεις μεταξύ τους με την παρακάτω εξίσωση: I I 2 1 I 4 ( F1 F4 ) ( F F ) 3 = = (9.1) I 2 3 Οι εξισώσεις αυτές χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό με μεγάλη ακρίβεια των χημικών μετατοπίσεων σε φάσματα δεύτερης τάξης. Εκτός όμως από τα συστήματα αυτά υπάρχουν και πιο σύνθετα, όπως το ABC με 3 αλληλεπιδρώντες πυρήνες, το ΑΒ 2 με δύο πυρήνες Β, μαγνητικά ισοδύναμους, το ΑΒΧ με τρεις διαφορετικούς πυρήνες κλπ. Η μεθοδολογία της αποτίμησης τέτοιων φασμάτων βρίσκεται στην εξειδικευμένη βιβλιογραφία NMR. Σήμερα όμως υπάρχουν προγράμματα Η/Υ που προβλέπουν τις χημικές μετατοπίσεις με βάση την αποθήκευση πληροφοριών παρόμοιων ουσιών και με επεξεργασία της δομής των ενώσεων (δες σε άλλο κεφάλαιο παραδείγματα) Χαρακτηριστικά Φασμάτων 1 Η NMR των Κυριότερων Ομάδων Οργανικών Ενώσεων Αλκάνια ( CH 2 CH 2 ): Οι χαρακτηριστικές φασματικές ταινίες (ή γραμμές) των αλκανίων παρουσιάζονται στα 0.9 και 1.5 δ. Συνήθως τα φάσματα τους είναι σύνθετα (εκτός από τα απλά αλκάνια). Η ένωση C 6 H 5 - CH 2 - (CH 2 ) 8 - CH 3 á â για παράδειγμα παρουσιάζει φασματικές γραμμές - CH στα 0.88 δ ( CH 3), 2.56 δ á (CH 2 ) 8 -, 1.28 δ â πλατιά κορυφή και 7.1 δ (C 6H 5 ). Για καλύτερη διάταξη των φασματικών γραμμών χρησιμοποιούνται φασματόμετρα NMR με 270 ή 360 MHz ραδιοσυχνότητες. Επίσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον ίδιο σκοπό σύμπλοκα των λανθανιδίων που αυξάνουν τη χημική μετατόπιση. H 2 C H 2 C CH 2 H 2 C CH 2 CH2 Κυκλοαλκάνια : Τα μεγάλου μοριακού βάρους κυκλοαλκάνια έχουν περίπου τις ίδιες χημικές μετατοπίσεις όπως και οι άκυκλες ενώσεις. Η ομάδα CH 2 του δακτυλίου παρουσιάζει φασματικές γραμμές στην περιοχή δ. Το κυκλοπροπάνιο έχει μετατόπιση στην περιοχή δ (ο μεγάλος βαθμός θωράκισης οφείλεται στην ανώμαλη κατανομή των ηλεκτρονίων γύρω από τους δεσμούς C C, ανισοτροπία). C CH Αλκένια 2 : Οι φασματικές γραμμές των υδρογόνων γύρω από το διπλό δεσμό είναι στην περιοχή δ με πολλαπλές κορυφές, λόγω της ιδιότητάς τους για μακράς-ακτίνας συζεύξεις. Έτσι, J HH Hz 181

190 για την ένωση H C C H και JHH 2 Hz για την αλλυλική σύζευξη H C C H C H. Αλκίνια ( C C ): Ο τριπλός δεσμός παρουσιάζει κυλινδρική ανισοτροπία, που έχει ως αποτέλεσμα τα υδρογόνα να παρουσιάζονται πιο θωρακισμένα από το κανονικό. Έτσι για παράδειγμα, στην ένωση HC C CH 2 Cl παρουσιάζονται οι παρακάτω φασματικές γραμμές (χημικές μετατοπίσεις): 4.13 δ ( CH 2 ) με μία διπλέτα, 2.53 δ (HC ) μία τριπλέτα. Η διπλέτα της ομάδας CH 2 είναι από συζευξή της με την ομάδα HC (J HH 3 Hz) και η τριπλέτα της ομάδας HC είναι αποτέλεσμα της σύζευξης με την ομάδα CH 2. Το φάσμα 1 Η NMR της ένωσης HC C CH 2 Cl παρουσιάζεται στο σχήμα 9.7. Σχήμα 9.7. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης HC C CH 2 Cl. Αλκοόλες (ROH): Η φασματική γραμμή για το πρωτόνιο του OH των αλκοολών έχει διαφορετική χημική μετατόπιση, ανάλογα με τον διαλύτη και τους δεσμούς υδρογόνου που σχηματίζονται. Όταν σχηματισθούν δεσμοί υδρογόνου, το πρωτόνιο του OH παρουσιάζει μόνο μία κορυφή, γιατί τα πρωτόνια αλληλοανταλλάσσονται τόσο γρήγορα που βλέπουν μόνο μια μέση τιμή του μαγνητικού πεδίου από τους άλλους πυρήνες. Σε διαλύτες όπου γίνεται μικρότερη ανταλλαγή (π.χ. DMSO) μπορεί να παρατηρηθεί σύζευξη και εμφάνιση πολλαπλών κορυφών. Οι ομάδες CH n ( CH 2 OH) που βρίσκονται σε α-θέση ως προς το OH, συνήθως αποθωρακίζονται λόγω της ηλεκτραρνητικότητας του οξυγόνου και η φασματική τους γραμμή εμφανίζεται στην περιοχή δ. Αιθέρες (C O C): Πρωτόνια στους άνθρακες γύρω από το αιθερικό οξυγόνο παρουσιάζουν φασματικές γραμμές στην περιοχή δ. 182

191 Σχήμα 9.8. Φάσμα NMR της ένωσης CH 3CH 2-O-CH 2CH 3. Αλκυλαλογονίδια (R X): Τα πρωτόνια στον άνθρακα που είναι ενωμένος με το αλογόνο, συνήθως παρουσιάζουν φασματικές γραμμές στην περιοχή δ. Η αποθωράκιση μεγαλώνει με την αύξηση του αριθμού των αλογόνων. Για παράδειγμα, η ένωση CH 2Cl 2 παρουσιάζει χημική μετατόπιση 5.32 δ, ενώ η ένωση H 3 C O CHCl 2 παρουσιάζει για το πρωτόνιο, που είναι ενωμένο με τρία ισχυρά ηλεκτραρνητικά άτομα, χημική μετατόπιση στα 7.33 δ. C O Κετόνες, αλδεΰδες : Τα πρωτόνια των ατόμων άνθρακα που είναι δίπλα στην ομάδα καρβονύλιο είναι ελαφρώς αποθωρακισμένα, παρουσιάζοντας φασματικές γραμμές στην περιοχή δ. Επίσης τα αλδεϋδικά πρωτόνια είναι ισχυρώς αποθωρακισμένα και εμφανίζουν φασματικές γραμμές στην περιοχή 9-10 δ. Το φάσμα της ακεταλδεΰδης (CH 3CHO) παρουσιάζει δύο φασματικές γραμμές: 2.21 δ ( CH 3) με μία διπλέτα και στα 9.83 δ ( CHO) με μια τετραπλέτα. Καρβοξυλικά οξέα ( COΟH): Τα πρωτόνια των ατόμων άνθρακα σε α-θέση ως προς το καρβοξύλιο CH COOH είναι αποθωρακισμένα και παρουσιάζουν τις ίδιες χημικές μετατοπίσεις όπως οι κετόνες και οι αλδεΰδες, δηλαδή δ. Το καρβοξυλικό πρωτόνιο COOH έχει πολύ μικρή ηλεκτρονική πυκνότητα και είναι ένα από τα πιο αποθωρακισμένα πρωτόνια στις οργανικές ενώσεις, δ. Αμίνες ( ΝΗ 2): Τα πρωτόνια των ατόμων άνθρακα σε α-θέση ως προς την αμινομάδα ή ΝR 2 αποθωρακίζονται ελαφρά, εμφανίζοντας φασματικέςγραμμές στην περιοχή δ. Τα πρωτόνια της ΝΗ 2 183

192 ανταλλάσσονται ταχύτατα λόγω των δεσμών υδρογόνου που σχηματίζονται, παρουσιάζοντας φασματικές γραμμές με μία μόνο κορυφή. Οι φασματικές γραμμές για την αμινομάδα εμφανίζονται συνήθως στην περιοχή , ανάλογα με τον διαλύτη. Αρωματικές ενώσεις : Τα πρωτόνια του αρωματικού δακτυλίου εμφανίζονται στην περιοχή δ. όταν τα αρωματικά υδρογόνα υποκατασταθούν από άτομα άλλων στοιχείων που διαφέρουν ελάχιστα σε ηλεκτραρνητικά, τότε τα υπόλοιπα υδρογόνα εμφανίζονται συνήθως σε μια πλατιά ταινία που έχει μία μόνο κορυφή. Τα υποκατεστημένα παράγωγα, ο-, m- και p-, είναι δύσκολο να ανιχνευθούν, αν και ο p- υποκατεστημένος βενζολικός δακτύλιος εμφανίζεται συνήθως με δύο φασματικές γραμμές που κάθε μια έχει δύο κορυφές, που γέρνουν (ή κλίνουν) η μία προς την άλλη, χαρακτηριστικό του ΑΑ ΒΒ συστήματος. Η μορφή αυτή φάσματος αναγνωρίζεται πιο εύκολα όταν υπάρχει σημαντική διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ δύο ομάδων. Εάν οι υποκαταστάτες είναι ίδιοι, τότε τα τέσσερα υδρογόνα δίνουν μία φασματική γραμμή με μία κορυφή με μία κορυφή (singlet). Παράδειγμα το φάσμα 1 Η NMR της ένωσης 1-χλωρο-4-ιωδο βενζόλιο στο σχήμα 9.8. Σχήμα 9.9. Φάσμα 1 Η NMR της ένωσης 3-νιτροφαινόλη. Οργανομεταλλικές ενώσεις: Για ενώσεις όπως τα αντιδραστήρια Grignard, CH 2MX, τα πρωτόνια είναι ισχυρά θωρακισμένα και συνήθως παρουσιάζουν φασματικές γραμμές στην περιοχή 0.5 δ. Ανάλογες ενώσεις του λιθίου (Li) εμφανίζουν φασματικές γραμμές στα 1.3 δ. Οι οργανομεταλλικές ενώσεις του υδραργύρου και του καδμίου, που είναι οι πιο ομοιοπολικές, εμφανίζουν φασματικές γραμμές κάτω του 1.0 δ. 184

193 9.5. Ανάλυση και Ερμηνεία Φασμάτων 13 C NMR Oι πρακτικές πλευρές της φασματοσκοπίας 13 C NMR είναι σχεδόν όμοιες με τη φασματοσκοπία 1 Η ΝMR, με μικρές παραλλαγές στην τεχνική προετοιμασίας του δείγματος, τη χρήση διαλυτών, τη ρύθμιση του οργάνου (σήμα κλειδώματος, lock signal), καθώς και στη χρησιμοποίηση των τεχνικών της αποσύζευξης (ιδιαίτερα του θορύβου των πρωτονίων (proton noise decoumpling) και αποσύζευξης εκτός συντονισμού (off-resonance decoumpling). Η εκλογή των συχνοτήτων αποσύζευξης, ο χρόνος σάρωσης, η διάρκεια του παλμού, ο χρόνος απόκτησης, ο αριθμός των σαρώσεων κλπ, είναι σχεδόν τυποποιημένα για τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Το φάσμα παραδίδεται από τον καταγραφέα σε βαθμολογημένο φασματοσκοπικό χαρτί, ενώ οι χημικές μετατοπίσεις (ppm) για κάθε φασματική γραμμή δίνονται σε μια λουρίδα χαρτιού τηλετύπου και με μεγάλη ακρίβεια, μαζί με τη σχετική τους ένταση. Στο φάσμα εμφανίζονται και οι φασματικές γραμμές του διαλυτικού CDCl 3, που συνήθως χρησιμοποιείται σε 13 C NMR Σχήμα Φάσμα 13 C-[ 1 H]-NMR της ένωσης ομο-ανδροστε-3,6-διονης (διαλύτης CDCl 3). Η αρίθμηση των κορυφών αντιστοιχεί με την αρίθμηση στον συντακτικό τύπo. Οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται για φάσματα 13 C FT-NMR είναι συνήθως δευτεριωμένοι και οι φασματικές τους γραμμές αναγνωρίζονται αρκετά εύκολα. Διαλύτης Χημική μετατόπιση Αριθμός κορυφών (σε ppm από TMS) Ακετόνη-d 6 (CD 3COCD 3) δ 29.8 δ πολλαπλή κορυφή 7 κορυφές Βενζόλιο- d δ 3 κορυφές (C 6D 6) Χλωροφόρμιο-d δ 3 κορυφές (CDCl 3) Μεθανόλη-d 4 (CD 3OD) 79, 76 και δ 7 κορυφές 185

194 9.6. Χημικές Μετατοπίσεις σε Φάσματα 13C NMR Οργανικών Ενώσεων Τα φάσματα 13C NMR αποτελούνται από αιχμηρές και λεπτές φασματοσκοπικές γραμμές με μεγάλη διακριτική ικανότητα. Οι χημικές μετατοπίσεις χαρακτηρίζονται από τη μεγάλη έκταση πεδίου, 200 ppm, και μετρώνται σε σχέση με το TMS. Oι άνθρακες-13 παρουσιάζουν τα ίδια χαρακτηριστικά θωράκισης όπως και τα πρωτόνια ( 1 Η), με τη διαφορά ότι τα φαινόμενα των μαγνητικών ρευμάτων δακτυλίου που εμφανίζονται στα πρωτόνια αρωματικών ενώσεων δεν εμφανίζονται σε αρωματικούς άνθρακες. Πίνακας 9.1. Χημικές μετατοπίσεις 13 C ομάδων οργανικών ενώσεων (ppm από TMS). Οργανική ένωση Χημική μετατόπιση (δ) Οργανική ένωση Χημική μετατόπιση (δ) Αλκάνια Κυκλοπροπάνια Κυκλοαλκάνια R CH 3 R CH 2 R R 2CH R R 3C R Αλκένια C C Αλκυλαλογονίδια CH 3Χ RCH 2X R 2CHX R 3CX Καρβοξυλικά οξέα R COOR R COOH Αλκίνια ( C C ) Αρωματικοί δακτύλιοι Αιθέρες CH 3 Ο RCH 2 Ο R 2CH Ο Αλδεΰδες, κετόνες RCHO R CΟ R Αμίνες CH 3NH 2 RCH 2 NH 2 R 2CH NH 2 R 3C N Ετεροάτομα RCH 2 S RCH 2 P R CN Ar P Ar N Αλκάνια: Οι άνθρακες των αλκανίων παρουσιάζουν φασματικές γραμμές στην περιοχή 2-50 ppm σε σχέση με το TMS (0). Όσο πιο υποκατεστημένος είναι ο άνθρακας, τόσο μετατοπίζεται σε χαμηλότερα πεδία (καλείται α- 186

195 φαινόμενο). Έτσι, οι χημικές μετατοπίσεις για τον 13 C των παρακάτω ενώσεων είναι (σε ppm): CH 4 CH 3 - CH 3 CH 3 - CH 2 - CH 3 CH 3 - CH(CH 3 ) 2 (CH 3 ) 4 C 2.1 δ 5.9 δ 16.1 δ δ δ Επιπλέον, άτομα άνθρακα σε β-θέση ως προς τον παρατηρούμενο άνθρακα προκαλούν χημική μετατόπιση προς χαμηλότερα πεδία (που καλείται β-φαινόμενο). Για παράδειγμα: CH 3 - CH ~ 3 CH 3 - CH ~ 2 - CH 3 CH 3 - CH(CH 3 ) ~ 2 CH 3 - C(CH 3 ) 3 ~ 5.9 δ 15.6 δ 24.3 δ 31.5 δ Χημικές μετατοπίσεις προς υψηλότερα πεδία (καλείται γ-φαινόμενο) παρατηρούνται σε 13C οργανικών ενώσεων για υποκαταστάσεις στον άνθρακα που βρίσκεται σε γ-θέση ως προς τον παρατηρούμενο 13 C. Για παράδειγμα: CH 3 - CH 2 - CH ~ 3 CH 3 - CH 2 - CH ~ 2 - CH 3 CH 3 - CH 2 - CH(CH 3 ) ~ 2 CH 3 - CH 2 - C(CH 3 ) 3 ~ 15.6 δ 13.2 δ 11.5 δ 8.7 δ Οι πιο απλοί αυτοί κανόνες για τα φάσματα 13 C FT-NMR των αλκανίων βοηθούν πάρα πολύ στην ακριβή πιστοποίηση τους. Για παράδειγμα το φάσμα 13 C FT-NMR της ένωσης κ-επτανίου (με αποσύζευξη θορύβου πρωτονίων). Σχήμα Φάσμα 13 C FT-NMR της ένωσης CH 3 (CH 2) 5 CH 3. Το φάσμα του κ-επτανίου παρουσιάζει 4 φασματικές γραμμές. Όταν εφαρμοσθεί αποσύζευξη εκτός συντονισμού, τότε παρατηρείται διάσπαση των γραμμών, οι τρεις πρώτες σε τριπλέτες και η τελευταία σε τετραπλέτα. Η φασματική γραμμή στα 14.2 δ οφείλεται στις δύο μεθυλικές ομάδες και οι άλλες στους τρεις τύπους των μεθυλενικών ομάδων CH 3 - CH 2 - CH 2 -CH 2 -CH 2 - CH 2 - CH Από τις ενδείξεις των εντάσεων 187

196 των φασματικών γραμμών η μικρότερη είναι του C4. Η φασματική γραμμή για τον C2 είναι μετατοπισμένη σε χαμηλότεα πεδία από την φασματική γραμμή του C1, κατά 9 ppm, ενώ η φασματική γραμμή για τον C3 έχει μετατοπισθεί επιπλέον κατά δεξιά κατά ~ 9 ppm. Με το γ-φαινόμενο ο C4 έχει μετατοπισθεί προς υψηλότερα πεδία από τον C3 κατά 2 ppm. Το είδος αυτό αλληλομετατοπίσεων σε 13 C είναι χαρακτηριστικό των αλκανίων. Αλκένια: Οι άνθρακες του διπλού δεσμού εμφανίζονται στην περιοχή ppm. Παράδειγμα το φάσμα του 1-δεκενίου. Σχήμα Φάσμα 13 C FT-NMR του 1-δεκενίου. Φασματικές γραμμές: (1) δ, (2) δ, (3) 34.1 δ, (4) 32.2 δ, (5) 29.8 δ, (6) 29.6 δ, (7) 29.4 δ, (8) 29.2 δ, (10) 14.2 δ. Αλκίνια: Οι τιμές των χημικών μετατοπίσεων για τα άτομα του άνθρακα του τριπλού δεσμού είναι μεταξύ των τιμών των αλκανίων και αλκενίων, στην περιοχή ppm. Παράδειγμα η ένωση 1-εξίνιο, με τις παρακάτω φασματικές γραμμές: CH 3 - (CH 2 ) 3 - C CH C2 C1 C3 C δ 68.1 δ 30.7, 21.9, 18, 1 δ 13.5 δ Αρωματικές ενώσεις: Τα φάσματα 13 C των ενώσεων με αρωματικό δακτύλιο δεν επηρεάζονται από το μαγνητικό ρεύμα δακτυλίου που αποθωρακίζει τα αρωματικά πρωτόνια (βλέπε περίπτωση βενζολίου) με αποτέλεσμα να εμφανίζονται σε χαμηλά πεδία. Οι χημικές μετατοπίσεις των αρωματικών 13 C βρίσκονται στην ίδια περιοχή με τα αλκένια, ppm. Η μόνη διαφορά με τους αρωματικούς 13 C είναι ότι έχουν μεγαλύτερους χρόνους αποκατάστασης (αποδιέγερσης) Τ1. Η χημική μετατόπιση των βενζολικών 13 C παρουσιάζεται στα δ και επηρεάζεται άμεσα από τους υποκαταστάτες. Για παράδειγμα, η ένωση ο-βρωμοανισόλη παρουσιάζει τις παρακάτω φασματικές γραμμές (ppm): 188

197 5 6 1 C OCH C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C δ δ δ δ δ 11.7 δ 56.0 δ Br Πίνακας 9.2. Τιμές των χημικών μετατοπίσεων σε υποκατεστημένο βενζολικό δακτύλιο Ομάδα C-1 (ppm) Ορθο- (ppm) Μετα-(ppm) Παρα-(ppm) H CH 3 CH 2CH 3 CH(CH 3) 2 CH 2OH COOH COOCH 3 CHO CN OH NH 2 NO 2 F Cl Σχήμα Φάσματα 1 H και 13 C-NMR της ένωσης 1-βρωμο-3-ιωδοβενζόλιο. 189

198 Καρβονυλικές ενώσεις: Ο άνθρακας του καρβονυλίου είναι ισχυρά αποθωρακισμένος από το ηλεκτραρνητικό οξυγόνο. Έτσι, οι χημικές μετατοπίσεις είναι στην περιοχή ppm. Για παράδειγμα: Ένωση Χημική μετατόπιση 13 C CH3 - CO - CH δ CH3 - CO - H δ CH3 - CO - OH δ CH3 - CO - Cl δ Οποιαδήποτε ομάδα παράγει μεγαλύτερη ηλεκτρονική πυκνότητα γύρω από τον άνθρακα του καρβονυλίου προκαλεί μετατόπιση προς υψηλά πεδία, όπως φαίνεται από τη διαφορά των χημικών μετατοπίσεων της ακετόνης και του οξικού οξέος. Πίνακας 9.3. Μεταβολές στη χημική μετατόπιση του 13 C του καρβονυλίου με αλλαγές στον υποκαταστάτη Χ. H 3 C C O X Χ δco X δco H CH 3 Φ (Ar-) CH=CH 2 OH OCH 3 N(CH 3) 2 Cl Br I Αλκοόλες, αιθέρες και αλκυλαλογονίδια: Οι χημικές μετατοπίσεις των α-, β- και γ- ανθράκων επηρεάζονται από τις χαρακτηριστικές ομάδες OH, O και Χ = Cl, Br, I, F κλπ. Όσο πιο ηλεκτραρνητική η ομάδα τόσο μετατοπίζεται η χημική μετατόπιση προς χαμηλά πεδία λόγω ηλεκτρονικής αποθωράκισης. Ωστόσο, στην περίπτωση υποκαταστατών με ιώδιο η απόδοση ηλεκτρονίων (στον α-άνθρακα) είναι μεγαλύτερη από την έλξη, προκαλώντας μετατόπιση προς υψηλά πεδία. 190

199 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΠΥΡΗΝΙΚΟΥ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ Η φασματοσκοπία NMR δύο διαστάσεων(nmr 2D, Two Dimensional NMR), προτάθηκε ως αρχική ιδέα το 1971 (Prof. Jeener) και άρχισε να εφαρμόζεται ως φασματοσκοπική τεχνική από τη δεκαετία του 1980 όταν η χρήση ταχύτατων ηλεκτρονικών υπολογιστών και υπεραγώγιμων μαγνητών ξεπέρασαν τα τεχνικά εμπόδια των αρχικών μηχανημάτων NMR. Από την άποψη της δομής, με την πρώτη διάσταση του NMR χαρακτηρίζονται κλασικά οι πυρήνες ( 1 H, 13 C κλπ) με όρους χημικής μετατόπισης και σύζευξης των spin μεταξύ των πυρήνων. Με το NMR δύο διαστάσεων, ο επιστήμονας έχει τη δυνατότητα να χαρακτηρίσει επιπλέον τη μαγνητική αλληλεπίδραση των πυρήνων σε συνάρτηση με τη δομική διάταξη στο μόριο και τη γειτνίαση στ χώρο. Τα φάσμα NMR δύο διαστάσεων (2D NMR) είναι συνδυασμός αρκετών απλών φασμάτων που έχουν σαφώς μεγαλύτερο πλεονέκτημα από τα απλά φάσματα στην ερμηνεία της δομής οργανικών ενώσεων, αλλά και η τεχνική απαιτεί μεγάλο χρόνο συλλογής και καταγραφής των δεδομένων με μετασχηματισμό Fourier και ισχυρούς και ταχύτατους υπολογιστές. Στο φάσμα 2D NMR οργανικών ενώσεων γίνεται καταγραφή μαγνητικών πληροφοριών σε δύο διαστάσεις. Στη μία διάσταση καταγράφονται συνήθως οι απορροφήσεις ενός συγκεκριμένου πυρήνα μιας οργανικής ουσίας και στην άλλη διάσταση οι σταθερές σύζευξης ή απορρόφησης άλλων πυρήνων που αλληλεπιδρούν ή συσχετίζονται με τους πυρήνες της πρώτης διάστασης. Το τελικό φάσμα 2D NMR δίνει την εικόνα δύο διαστάσεων με εξαιρετικά ενδιαφέρουσα παράσταση των συμμετρικών συσχετισμών των διαφόρων πυρήνων της οργανικής ουσίας μέσα στο τρισδιάστατο χώρο Λήψη φάσματος Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού δύο διαστάσεων (2D NMR) Το φάσμα 2D NMR λαμβάνεται με μια σειρά ενεργειών που γίνονται κατά στάδια. Οι διάφορες χρονικές περίοδοι οριοθετούνται από παλμούς ραδιοσυχνότητας. Η προπαρασκευή είναι το χρονικό διάστημα κατά το οποίο το σύστημα αφήνεται να ισορροπήσει θερμικά. Στο τέλος της περιόδου αυτής εφαρμόζονται ένας ή περισσότεροι παλμοί που απομακρύνουν το σύστημα των διαφόρων πυρήνων από την ισορροπία, ενώ κατά την περίοδο της εξέλιξης η κατάσταση του διεγερμένου συστήματος εξελίσσεται με την 191

200 επίδραση ενός Χαμιλτώνειου τελεστή για περίοδο t 1. Κατά την ανάμιξη περιλαμβάνονται παλμοί ραδιοσυχνότητας κατά περιορισμένης διάρκειας χρονικά διαστήματα, ενώ στο τελευταίο στάδιο της καταγραφής το σήμα ανιχνεύεται και καταγράφεται ως συνάρτηση του χρόνου t 2. Τα τέσσερα στάδια για 2D NMR είναι: (i) Προετοιμασία ή προπαρασκευή (preparation): οι πυρήνες της οργανικής ένωσης βρίσκονται σε ισορροπία μέσα στο μαγνητικό πεδίο. Οι πυρήνες αποκτούν θερμική ισορροπία σε βαθμό μαγνήτισης, ενώ στο τέλος της περιόδου αυτής τα ανύσματα των μαγνητίσεων (μαγνητική ροπή, μ) των διαφορετικών πυρήνων τοποθετούνται στη σωστή σχέση με την κατεύθυνση του εξωτερικού εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. (ii) Ανάπτυξη ή εξέλιξη (evolution): το διάστημα της ανάπτυξης της μαγνήτισης στο τέλος του χρονικού διαστήματος t 1, που μεσολαβεί μεταξύ δύο μαγνητικών επιδράσεων και το μέγεθος του ανύσματος της μαγνήτισης εξαρτάται από το εξωτερικό μαγνητικό περιβάλλον. Στην περίοδο αυτή την εμφάνιση των x και y συστατικών ανυσμάτων μαγνήτισης να αναπτυχθούν (iii) Ανάμιξη (mixing): με το τέλος της ανάπτυξης της μαγνήτισης γίνεται ανακατανομή των πυρηνικών spin και στην περίοδο αυτή, που διαρκεί ορισμένο χρονικό διάστημα, τα πυρηνικά spin αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. (iv) Ανίχνευση και καταγραφή (detection): η ανίχνευση του σήματος γίνεται μετά τη συλλογή της εξασθένησης ελεύθερης επαγωγής (FID, Free Induction Decay) στην περίοδο t 2. Η διαδικασία αυτή κατά στάδια παρουσιάζεται διαγραμματικά στο σχήμα

201 Σχήμα Πορεία της ανατομίας ενός πειράματος 2D NMR σε τέσσερα στάδια με εφαρμογή παλμών για 1 Η - 1 Η και 1 H- 13 C 2D NMR. 193

202 Σχήμα Το φάσμα 2D NMR καταγράφεται σε άξονες f 1 & 2) ως contour plot (topographical plot, τοπογραφικό ή με ισοϋψείς καμπύλες) ή ως stacked plot (διάγραμμα επιστοίβασης). Η διαγώνιος ανταποκρίνεται στην αλληλοεπίδραση των ιδίων πυρήνων, ενώ εκτός της διαγωνίου παρατηρούνται στις γειτονικές συζεύξεις ανάλογα με την απόσταση και το φορτίο (φάσμα NMR με δύο πυρήνες Α και Β). Το φάσμα 2D NMR είναι μια παραλλαγή της μεθοδολογίας για τη μία διάσταση NMR. Η κύρια διαφορά βρίσκεται στη συλλογή της FID (free induction decay) ταλάντωσης και μετασχηματισμού της FT σε διάφορα χρονικά διαστήματα, αλλά και συγχρόνως μικρής αύξησης του χρόνου εξέλιξης (t 1) για τη σειρά των FID (1 16). Ένας δεύτερος μετασχηματισμός Fourier (FT) παραλαμβάνει την ημιτονοειδή συνάρτηση που εκφράζει το 2 3 ύψος μιας απορρόφησης σε αντίστοιχα χρονικά διαστήματα ( t 1, t1, t1...), και τις διχοτομεί σε δύο ταλαντώσεις (δύο συχνότητες), η διαφορά των οποίων εκφράζει το μέγεθος της σταθεράς σύζευξης. Ο f 2 άξονας σχετίζεται με την FID 194

203 (για το κανονικό φάσμα μιας διάστασης) και ο άξονας f 1 λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της περιόδου εξέλιξης (Σχήμα 10.1). Δηλαδή, σε φάσμα 2D NMR καταγράφονται δύο διαφορετικές πληροφορίες σε δύο διαστάσεις, που στην περίπτωση μας είναι οι άξονες f 1 και f 2. Στον άξονα f 1 καταγράφονται οι απορροφήσεις συγκεκριμένου πυρήνα (π.χ. 1 Η) μιας οργανικής ένωσης, και στον άξονα f 2 οι σταθερές σύζευξης ή οι απορροφήσεις άλλων πυρήνων που αλληλεπιδρούν με τους πυρήνες του άξονα f 2. Τα περισσότερα πειράματα 2D NMR μπορούν να διαχωριστούν σε δύο τύπους: σε τύπο αυτοσυσχέτισης (autocorrelated) ή τύπο δια-συχέτισης (crosscorrelated). Στον πρώτο τύπο 2D NMR φασμάτων υπάγεται η κατηγορία COSY-NMR (COrelated SpectroscopY) ή 2D NMR φάσματα συσχέτισης πυρήνων. Στην περίπτωση αυτή των πολλαπλών παλμών, κατά την οποία η μαγνήτιση μεταφέρεται μεταξύ ομοειδών πυρηνικών spin και το φάσμα παράγεται με τη μορφή της off-diagonal (εκτός διαγωνίου) συσχέτιση κορυφών παρουσίασης [ 1 Η- 1 Η COSY]. H άλλη περίπτωση συσχετισμού αλληλεπίδρασης πυρήνων γίνεται μεταξύ των αξόνων όπου συμβαίνει η ομοπυρηνική επίδραση διπόλουδιπόλου (NOESY- NMR, Nuclear Overhanser Effect SpectroscopY). Στην κατηγορία των cross-correlated πειραμάτων, η μαγνήτιση του ενός πυρήνα μεταβάλλεται από τη σύζευξη ενός ετεροπυρήνα. Το πείραμα καλείται 2D-JNMR (J=σταθερά σύζευξης). Στην κατηγορία αυτή ο άξονας f 2 του 2D NMR φάσματος περιέχει τη σταθερά σύζευξης (J), η οποία μπορεί να αναφέρεται σε ομοπυρηνική (homonuclear) ή σε ετεροπυρηνική σύζευξη (heteronuclear), και να προσδιορίζεται από την απόσταση των απορροφήσεων στον άξονα f 2. Οι μεθοδολογίες αυτές έχουν βελτιώσει την τεκμηρίωση της δομής οργανικών μορίων. Η 1Η- 1 Η COSY έχει βελτιώσει σημαντικά τον προσδιορισμό πρωτονίων που βρίσκονται κοντά, μέσα στη χημική δομή του μορίου, και προκαλούν σύζευξη (HOMCOR, homonuclear correlation). Παρόμοια, η 1Η- 13 C COSY μέθοδος παρέχει πολύτιμες πληροφορίες για τη σύζευξη πρωτονίων και 13 C μέσα στο οργανικό μόριο (HETCOR, heteronuclear correlation). Ακολουθούν παραδείγματα διαφόρων φασμάτων 2D NMR. 195

204 Σχήμα (α) Φάσμα 2D NMR, 1 Η- 1 Η COSY NMR του βουτυλο-βινυλοαιθέρα (CH 3CH 2CH 2CH 2-O-CH=CH 2). Είδος παρουσίασης contour-plot (ισοϋψείς καμπύλες) του ομοπυρηνικού πειράματος. Στη διαγώνιο παρουσιάζονται οι χημικές μετατοπίσεις τους και διασταυρώνονται τα ίδια πρωτόνια. Οι συμμετρικές κορυφές εκτός διαγωνίου σημαίνουν ότι οι πυρήνες αυτοί συζεύγνυνται. Το μέγεθος των διασταυρούμενων κορυφών σημαίνει μεγαλύτερη σύζευξη. (β) Φάσμα Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 1 Η- NMR του βουτυλο-βινυλοαιθέρα. [(Α): 6.459, (Β): 4.169, (C): 3.964, (D): 3.67, (E): 1.61, (F): 1.39, (G): 0.94] 196

205 Σχήμα Φάσμα 2D NMR παραγώγου της σουκρόζης σε CDCl 3.(a) 400 MHz 1 H shift-correlated 2D-NMR, contour plot COSY-90 μt σταθερή t delay = 0.4 s, (β) 1D φάσμα NMR της ίδιας ένωσης 1 H- NMR σε μικρό τμήμα της κλίμακας δ Η, (γ) 2D NMR της ίδιας ένωσης, 400 MHz 1 H shift-correlated 2D stacked plot (διάγραμμα επιστοίβασης). 197

206 Σχήμα Φάσμα δύο διαστάσεων 2D NMR 1 Η- 1 Η COSY NMR. Στη διαγώνιο είναι ταξινομημένες οι αλληλοσυζεύξεις των ίδιων πυρήνων πρωτονίου (άξονες F1 και F2 σε ppm).το contour plot (ισοϋψείς καμπύλες) μπορεί να έχει διαφορετικά χρώματα (multi-colour digital plot).οι εκτός διαγωνίου διασταυρώσεις παρουσιάζονται με contour plot και η πυκνότητα των γραμμών είναι μέτρο της σύζευξης μεταξύ των πυρήνων. 198

207 Σχήμα Φάσμα δύο διαστάσεων 2D NMR (stacked plot) 1 H- 13 C. Το φάσμα 2D NMR άνθρακα-πρωτονίου χημικής μετατόπισης συσχέτιση (carbon-proton chemical shift correlation) της ένωσης Mycinamycin (αντιβιοτικό). Διάγραμμα επιστοίβασης (stacked plot). 199

208 Σχήμα (α) Φάσμα δύο διαστάσεων 1 H- 13 C NMR COSY (J=140 Hz) της πινανεδιόλης (pinanediol), (β) Φάσμα 1 H- 1 H 2D NMR COSY. 200

209 Σχήμα Ανάλυση φασμάτων 1 H, 13 C και 1 H- 1 H-COSY NMR (ισοϋψείς καμπύλες) της 4-βινυλοπυριδίνης. 201

210 Σχήμα Παράδειγμα φασμάτων NMR της ένωσης C 6H 12O (5-εξενο-1-όλη). 202

211 10.2. Τεχνικές και Φάσματα Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού Τα τελευταία χρόνια οι τεχνικές του NMR έχουν πολλαπλασιασθεί και με τη χρήση ηλεκτρονικών υπολογιστών έχουν αυξηθεί οι τρόποι παρουσίασης φασμάτων και τεκμηρίωσης φασματοσκοπικών απορροφήσεων ως προς τη χημική μετατόπιση, ποσοτική εκτίμηση τιμών σύζευξης γειτονικών και απομακρυσμένων ατόμων ( 1 H, 13 C, 19 F, 31 P) και εκτίμηση τρισδιάστατης δομής στο χώρο με δύο διαστάσεων φάσματα NMR. Μεταξύ των νέων τεχνικών που μπορούν να πετύχουν τα μοντέρνα φασματόμετρα NMR είναι: Η τεχνική DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer). Η επέκταση της ισχύος των υπεραγώγιμων μαγνητών από 3000 MHz σε 500 και 900 MHz, με εξαιρετική διαχωριστική ικανότητα. Η ακριβής διάγνωση των κορυφών σε ένα φάσμα NMR με τη χρήση υπολογιστή και αυτόματης ολοκλήρωσης κορυφών. Οι τεχνικές πρόβλεψης των χημικών μετατοπίσεων με τη βοήθεια προγραμμάτων και μεγάλες βάσεις δεδομένων με τιμές χημικών μετατοπίσεων NMR. Τεχνικές αποσύζευξης πρωτονίου σε φάσματα 13C- NMR και διακρίβωσης των θέσεων CH 3, > CH 2, CH και C. 203

212 Σχήμα Συσκευή Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού με υπεραγώγιμο μαγνήτη. Ο μαγνήτης αιωρείται μέσα σε υγρό ήλιο, ενώ υγρό άζωτο κάθε 15 ημέρες διατηρεί το σύστημα σε χαμηλές θερμοκρασίες. Φάσμα NMR της φαινυλαλαλίνης και η περιοχή μεταξύ ppm με φασματόμετρα 500, 750 και 900 MHz που αναλύει με μεγάλη διαχωριστική ικανότητα τις κορυφές στην περιοχή αυτή. 204

213 Τεχνική DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) Η χρήση των υπολογιστών για φάσματα NMR επιτρέπει τη χρήση τεχνικών διάκρισης των απορροφήσεων C, CH, CH 2 και CH 3. Η πλέον συνηθισμένη τεχνική είναι η DEPT (Distortionless Enhancement by Polarization Transfer) που κάνει χρήση πολλαπλών παλμών και επιτρέπει τη διάκριση και ταυτοποίηση διαφόρων ειδών ανθράκων. Η διάκριση των C απορροφήσεων, CH, CH 2 και CH 3 οφείλεται στο γεγονός ότι τα αντίστοιχα ανύσματα μαγνήτισης (Μ), κινούνται σε διαφορετικές ταχύτητες στο περιστρεφόμενο πλαίσιο. Με κατάλληλη επιλογή χρόνου t τα ανύσματα των ομάδων άνθρακα (C-H) θα βρίσκονται σε διαφορετικούς άξονες στο περιστρεφόμενο πλαίσιο και θα διακρίνονται. Σχήμα Φάσμα 13 C NMR της ένωσης μεθυλο ουρσολικός εστέρας σε 75.6 MHz για το αλειφατικό τμήμα, όπου διακρίνονται τα CH 3, CH 2 και CH, και ολόκληρο το φάσμα 13 C NMR στο κατώτερο τμήμα. 205

214 10.3. Προγράμματα Η/Υ για την πρόβλεψη φασμάτων χημικών ενώσεων και προσομοίωση. LINKS NMR SPECTRA SIMULATION AND ITERATION Links: ACD - CNMR Predictor and DB (Hits:1314) This new product has a user-accessible internal data base of 67,000 structures -- including original references, molecular formula, molecular weight, IUPAC name, and more. ACD - HNMR Predictor and DB (Hits:1581) This database contains a user-accessible internal data base of over 480,000 experimental chemical shifts and 110,000 coupling constants for 81,000 structures - - including original references, molecular formulae, molecular weights, IUPAC names, and more. ACD - XNMR (Hits:1366) calculates and displays accurate 1 H, 13 C, 19F, and 31 P chemical shifts and coupling constants. ASICS (Analysis of Single-Crystal Spectra) (Hits:648) ASICS is a program for analysis of single-crystal NMR spectra. It uses a graphical user interface to facilitate all steps of the analysis. Don't waste your time manipulating large datasets when the computer can handle it for you! Bloch equation simulations routines (DOS/PC) (Hits:1006). CCCP - Complete Calculation of Coherence Pathways (Hits:809) A Matlab program to simulate the coherence pathway selection by phase cycles, pulsed field gradients and diffusion. Chemical shift programs (written in FORTRAN) (Hits:947) Calculate proton chemical shifts in proteins Calculate carbon ring current shifts in proteins Calculate second derivatives of ring current shifts to estimate temperature coefficients COSMOS - The World of Molecules (Hits:1022) COSMOS is the advanced software package for PC that integrates modeling, crystallography and NMR-spectroscopy. Features: - integration of molecular mechanics and tools for crystallography - molecular dynamics and molecular mechanics with fluctuating charges - calculation of 13 C-NMR chemical shifts, tensors and NMR spectra simulation - runs under Win9x, NT, 2000 EPMOD: Empirical Prediction of Magnetic Orientation and Dipolar Splittings in NMR Spectra (Hits:629) In June 1998, I wrote the source code for a Fortran program for the empirical calculation of the dipolar splittings expected in the high-field NMR spectrum of an arbitrary organic structure in solution. Input structures may be complete molecules, fragments of molecules, complexes, ions, etc. The program is available to you, if you would like to try it. Fitting one- and two-dimensional solid state NMR spectra (Hits:847) "dmfit" and "editnmr" programs, running under Windows enable viewing, processing and fitting of typically Solid State NMR spectra in one- and two-dimensions. This program is developped by D.Massiot research group FTNMRSIM (PC) (Hits:1107) Suite of serveral programs gnmr (Win/Mac) (Hits:1391) NMR simulation of molecules with up to 12 inequivalent spin systems MEXICO (Hits:787) MEXICO and MEX are programs to calculate the lineshapes of exchanging systems with and without scalar coupling. They are intended to provide a simple way of comparing calculated and experimental lineshapes, so that accurate rate measurements can be made. NMR WebLab V4.0 (Hits:1336) This is a WWW-interface to the 1D- and 206

215 2D-NMR software written by Spiess et al. The web page allows you to simulate 2H-NMR and 13C-NMR 1D+2Dexchange spectra of molecules undergoing a 2-site exchange. The spectra are presented in form of a graphical representation (in GIF format) or a list of xy-pairs which you can download to your site. PENCIL (Hits:709) Pencil is a visualization package for NMR and MRI experiments. It was developed by Jonathan Callahan at the University of Washington. It only runs on Silicon Graphics computers. PERCH NMR Software (Hits:1036) PERCH now offers also proton chemical shift & coupling prediction based on the 3D molecular structure including conformational space analysis and solvent effects, simulation of large spinsystems and iterative optimization of spectral parameters. qnmr Lab (Hits:1412) Supply the newest NMR simulation and spectra processing software, QNMR- Sim. QSim (Hits:878) QSim is a program for simulation of Παράδειγμα προγράμματος Η/Υ για φάσματα The ACD/SpecManager liquid state NMR experiments. QSim has a graphical user interface, with graphical pulse sequence construction and processing of data. SIMPSON Version A General NMR Simulation Program (Hits:1413) Simulation of virtually all kinds of spectra in solid-state NMR spectroscopy: multiple-pulse sequences e.g. RFDR, PISEMA, MQMAS, POSTC7, unlimited number of spins, 1D and 2D simulations. Open Source Software. Supports Linux, Windows and other platforms. Umansim (Unix) (Hits:737) numasn is a spin simulation/iteration package Virtual NMR Spectrometer (Hits:1862) Produces simulations of high resolutions NMR spectra for general education and research use. - Features: - Graphical User Interface that resembles an actual spectrometer interface - Pulsed Field Gradients - Data Processing module that allows all typical spectrum processing features - Visualization Modules that trace and display the spin density Based on MatL ΑCD/Labs offers a number of technique-specific modules for analytical data processing, storage, and retrieval. All modules, being designed by a single development team comprised of experts in a number of analytical disciplines, feature a single master interface that brings all analytical techniques together. Further, the interface automatically provides appropriate technique-specific expert tools for whichever data set are currently active. This crosstechnique functionality is particularly important in dealing with hyphenated data, which our software is designed to support. Here is the partial list of possible techniques: 1 H and 13 C, 2D NMR, HPLC, LC/DAD, gas chromatography, GC/IR, Mass spectrometry, LC/MS, Infrared, Raman, UV-Vis-NIR, X-Ray, Powder Diffraction, DSC, TGA. Read more about our software for a specific tecnhique and review a variety of available content databases by clicking oan appropriate link below. Or evaluate the benefits offred through the integration of analytical results and chemical structural information n the section dedicated to ACD/SpecManager. Processing and Managing Different Kinds of Experimental Data 1D NMR... 1 H, 13 C, 15 N, 17 F, 31 P 2D NMR... COSY, HETCOR, TOCSY, HMQC/HMBC/HSQC MS... MS, LC(GC)/MS, MS/MS, LC/DAD UV-Vis, IR & Raman... NIR, Fluorescence, Phosphorescence Chrom Data... HPLC, GC, CE, GC/IR, LC/DAD Other Analytical Data... XRPD, TGA, DSC, EPR, IMS, Physisorption, Potentiometry, Kinetics 207

216 ACD/CNMR DB ACD/CNMR DB is a powerful enhacement to ACD/CNMR Predictor. ACD/CNMR DB contains a user-accessible internal database of 2,160,000 experimental chemical shifts and 88,400 coupling constants for over 175,000 structures. And it includes original references, solvent, frequency, NMR technique, molecular formula, molecular weight, IUPAC name, and trivial name, which can be searched, viewed, and printed. ACD/2D NMR Predictor ACD/2D NMR Predictor will help you assign your spectra with more confidence by melding the power of our industry-leading HNMR, CNMR and NNMR Predictors. Details on the underlying prediction accuracy of the 1 H, 13 C, and 15 N NMR predictors are available on their respective product pages. 208

217 ACD/2D NMR Predictor is an easy and powerful data processing and prediction orogram that allows you to calculate the 2D spectrum crresponding to a wide variety of 2D experiments of several correlation types: H, H COSY, C, C COSY (INADEQUATE), C, H COSY, N,H COSY and H, H and C, H, J-resolved. Virtual NMR Spectrometer A computer program for efficient simulation of modern NMR experiments Version 3.5 (beta) User's Manual BETAtesting Publications Examples of Simulated Spectra Download Graphical User Interface A 1D NMR experiment COSY, phase sensitive, using phase cycling COSY, using gradient selection COSY, Double- Quantum filtered, using gradient selection 1H- 15 N HSQC spectra, coupled and decoupled TROSY spectra, selection of various components A 3D NMR experiment: HNCO 209

218 Σχήμα Παράδειγμα 1 H-NMR φάσματος: οι κορυφές αναγνωρίζονται με ακρίβεια και η τιμή της χημικής μετατόπισης είναι στο άνω μέρος, ενώ οι ολοκληρώσεις των κορυφών σημειώνονται κάτω από κάθε κορυφή. ( 210

219 1 H-NMR 13C-NMR Σχήμα Πρόγραμμα Η/Υ πρόβλεψης και προσομοίωσης φασμάτων NMR. 211

220 (α) (β) Σχήμα Φάσμα 13 C-NMR με ασύζευκτη φάση (α) και με αποσύζευξη πρωτονίου (θόρυβος) (β) (proton noise decoupling) n-βουτυλοβινυλοαιθέρα. 212

221 (α) 13C-NMR με αποσύζευξη πρωτονίου (β) Κανονικό 13C-NMR Σχήμα Φάσμα 13 C-NMR βινυλοοξικού εστέρα με αποσύζευξη πρωτονίου και κανονικό φάσμα. H C CH 3 OH Σχήμα Φάσμα 13 C-NMR της ένωσης Φ CH(OH) CH 3 με off-resonance decoupled και με αποσύζευξη πρωτονίου. 213

222 (α) (β) Σχήμα (α) Φάσμα δύο διαστάσεων 1 H D-NMR (COSY correlation) της bovine basic pancreatic trypsin inhibitor σε ph 4.6 και 80 C σε μίγμα 1 Η 2Ο/ 2 Η 2Ο, (β) topographical contour map (ισοϋψείς καμπύλες) D-NMR COSY spectrum. 214

223 9.8. Βιβλιογραφία NMR Δύο Διαστάσεων 1. Ιωαννίδου Στασινοπούλου Χ. Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού δύο διαστάσεων. Μελέτη της διαμόρφωσης πρωτεϊνών σε υδατικά διαλύματα. Διατριβή επί Υφηγεσία. Χημικό Τμήμα Πανεπιστημίου Αθηνών. Αθήνα, Benn R, Gunther H. Angew Chem Int, Ed Engl, 22: , Ernst RR, Bodenhansen G, Wokaun A. Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and Two Dimensions. Claredon Press, Oxford, Schraml J, Bellama JM. Two-Dimensional NMR Spectroscopy. Wiley Interscience, John Wiley & Sons, New York, Richars SA. Laboratory Guide to Proton NMR Spectroscopy. Blackwell, Oxford, Wüthrich K. The development of NMR Spectroscopy as a technique for protein structure determination. Accounts of Chemical Research, 22:34-44, Vuister GW, de Waard P, Boelens R, Vliegenthhart JFG, Kaptein R. The use of ED NMR in structural studies of oligosaccharides. J Am Chem Soc, III: , Brey WS (ed). Two-Dimensional NMR Spectroscopy and Related Techniques. Academic Press, New York, Martin GE, Zektser AS. Two-Dimensional NMR Methods for Establi- Molecular Connectivity. VCH Verlag, New York, Atta-Ur Rahman HEJ. One and Two Dimensional NMR Spectroscopy. Elsevier, Amsterdam, Grant DM, Harris RK. Encyclopedia of Nuclear Magnetic Resonance. Wiley & Sons, Chichester, UK, Aldrich FT-NMR Library with Spectral Viewer on CD-ROM (high resolution 300 MHz 1 H και 75 MHz 13 C και 1 Η FT-NMR φάσματα) ενώσεις. Aldrich Chem, Milwaukee, WI, Becker ED (ed). High Resolution NMR, Academic Press, New York, Ernst RR, Bodenhausen G, Wokann A. Principles of NMR in One- and Two- Dimensions. Clarendon Press, Oxford, Croasmun WR, Carlson RMK. Two Dimensional NMR Spectroscopy: Applications for Chemists and Biochemists. VCH, New York, Schraml J, Bellama JM. Two Dimensional NMR Spectroscopy. Wiley, New York, Nakamishi K. One- dimensional and Two-dimensional NMR spectra by Modern Pulse Techniques. Univ Science Books, Mill Valley, Ca, Martin GE. Two Dimensional NMR Methods for Establishing Molecular Connectivity. VCH, New York, Pouchert CJ, Behnke J (eds). The Aldrich Library of 13 C and 1 H NMR Spectra chemicals. Aldrich Chem, Milwaukee, WI, Van der Ven FJM. Multidimensional NMR in Liquids: Basic Principles and Experimental Methods. Wiley/VCH, New York,

224 21. Aldrich FT-NMR Library with Spectral Viewer on CD-ROM (high resolution 300 MHz 1 H και 75 MHz 13 C και 1 Η FT-NMR φάσματα) ενώσεις. Aldrich Chemicals, Milwaukee, WI, Friebolin H, Becconsall JK, eds. Basic One- and Two- Dimensional NMR Spectroscopy. 3 rd edition. Wiley-VCH, New York, (Completely revised & updated 2005). 23. Breitmaier E. Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry: A practical Guide, Wiley, New York, 3 rd revised ed, ACD/Labs for NMR Spectroscopy. NMR Prediction Software Aldrich/ACD (Advanced Chemistry Development) Library of FT NMR ( Smith BD, Boggess B, Zajicek J. Organic Structure Elucidation Workbook: SpectroscopicTools: Merlic CA, Fam BC, Miller MM. WebSpectra: on line NMR and IR Spectra for students. J Chem Education 2001, 78: James TL, ed. Nuclear Magnetic Resonance of Biological Macromolecules, Part C, vol Methods in Enzymology, Elsevier/Academic Press, Oxford,

225 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΕΝΔΕΚΑΤΟ ΥΠΕΡΙΩΔΗΣ ΚΑΙ ΟΡΑΤΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ Οι απορροφήσεις ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή υπεριώδους (Ultra Violet, UV) και ορατού (Visible, VIS) τμήματος του φάσματος είναι αποτέλεσμα των ενεργειακών μεταβολών στην ηλεκτρονική δομή των μορίων. Στο είδος αυτό φασματοσκοπίας τα εξωτερικά ηλεκτρόνια είναι εκείνα, που με την ανύψωση ή πτώση από τη μια τροχιά σε μια άλλη, προκαλούν απορρόφηση ενέργειας σε διακεκριμένες, κβαντωμένες ποσότητες. Οι αλλαγές της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας του μορίου μιας χημικής ένωσης προκαλούν μεταβολές της διπολικής ροπής του, και ακριβώς αυτή η μεταβολή είναι υπεύθυνη για την αλληλεπίδραση του χημικού μορίου και της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η περιοχή υπεριώδους είναι μεταξύ 10 και 380 nm μήκους κύματος και η περιοχή ορατού μεταξύ 380 και 780 nm Ηλεκτρονική Δομή Διατομικών και Πολυατομικών μορίων Οι νεώτερες θεωρίες της κβαντομηχανικής έχουν μεταβάλλει ριζικά την εικόνα της διάταξης και περιστροφής των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα. Το ηλεκτρόνιο δεν είναι πλέον το φορτισμένο σωματίδιο που συμβολίζεται με ένα σημείο, αλλά όπως και στα άλλα υποατομικά σωματίδια, η κίνηση και η κατανομή του ορίζονται από τους νόμους της κβαντομηχανικής και την εξίσωση Schrödinger. Η εξίσωση χρησιμεύει για την πρόβλεψη της πιθανότητας, εάν ένα ηλεκτρόνιο με μια συγκεκριμένη ενέργεια βρίσκεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο του χώρου. Επίσης εκφράζει την πιθανότητα αυτή με τους όρους μιας ενδιαφέρουσας αλγεβρικής έκφρασης, που καλείται κυματική συνάρτηση του ηλεκτρονίου και συμβολίζεται με το γράμμα Ψ. ενώ η σχετική πιθανότητα της ηλεκτρονικής πυκνότητας, μέσα σε μια μονάδα όγκου και σε ένα συγκεκριμένο σημείο στο χώρο, είναι ανάλογο του Ψ 2. Οι ηλεκτρονικές συναρτήσεις των ατόμων απαιτούν την εισαγωγή τεσσάρων κβαντικών αριθμών (quantum numbers): (α) ο κύριος κβαντικός αριθμός n (principal quantum number) με τιμές 1, 2, 3,, που ρυθμίζει την ενέργεια και το μέγεθος της τροχιάς του ηλεκτρονίου. (β) ο τροχιακός ή αζιμουθιακός κβαντικός αριθμός l (orbital or azimuthal quantum number) με τιμές (n 1), (n 2),., που ρυθμίζει το σχήμα της τροχιάς και την ηλεκτρονική γωνιακή ροπή. (γ) ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός m, m s (magnetic quantum number) με τιμές ± 1, ± (l 1),, 0, που ρυθμίζει την κατεύθυνση της τροχιάς και τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου μέσα στο μαγνητικό πεδίο. 217

226 (δ) ο κβαντικός αριθμός του spin του ηλεκτρονίου s (spin quantum number) με τιμές m s = ± 1/2, που ρυθμίζει τη γωνιακή ροπή του spin του ηλεκτρονίου, είτε ανήκει σε ένα άτομο είτε είναι ελεύθερο στο χώρο. Με βάση τους 4 κβαντικούς αριθμούς μπορεί να υπολογισθεί το τρισδιάστατο σχήμα της τροχιάς του ηλεκτρονίου στο χώρο, όπου το ηλεκτρόνιο περνάει σχεδόν το 95% του χρόνου του. Ο χώρος αυτός μπορεί να ληφθεί ως ένα περιοριστικό σύνορο της κίνησης του ηλεκτρονίου και με αυτή την έννοια καλείται η τροχιά (the orbital). Οι ατομικές ηλεκτρονικές τροχιές των s, p κλπ ηλεκτρονίων, ανάλογα με τους 4 κβαντικούς αριθμούς, δίνονται στο σχήμα y x z s ηλεκτρόνια 1s 2s 3s n=1 l=0 m=0 n=2 l=0 m=0 n=3 l=0 m=0 p ηλεκτρόνια 2p z 2p y 2p x n=2 l=1 n=2 l=1 n=2 l=1 m=+1, 0, -1 Σχήμα Μερικές ηλεκτρονικές τροχιές που μπορούν να καταληφθούν στο άτομο του υδρογόνου Θεωρία Μοριακών Τροχιακών Η θεωρία των μοριακών τροχιακών (MOT, Molecular Orbital Theory) μας δίνει μια απλή και κατανοητή αναπαράσταση των ηλεκτρονικών τροχιακών γύρω από τα μόρια των χημικών ενώσεων. Η MOT μας επιτρέπει να αναπαραστήσουμε με σχετική ακρίβεια τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις ανάμεσα στα μόρια και να τις συνδέσουμε άμεσα με τις ενεργειακές μεταβολές που συμβαίνουν κατά τη λήψη φασμάτων UV-VIS. Συνήθως η MOT εφαρμόζεται και εξηγεί με αρκετή ακρίβεια καταστάσεις σε απλά διατομικά μόρια, ενώ γίνεται περισσότερο δύσκολη η εξήγηση πολυατομικών μορίων. Ο υπολογισμός για το μέγεθος και το σχήμα των μοριακών τροχιακών γίνεται με την εξίσωση Schrödinger, ωστόσο για μια ποιοτική σχέση του κατά 218

227 προσέγγιση σχήματός τους μας αρκεί ο αποκαλούμενος γραμμικός συνδυασμός ατομικών τροχιακών (linear combination of atomic orbital, LCAO). Για ένα διατομικό μόριο μπορεί κανείς να φαντασθεί το σχηματισμό δύο διαφορετικών ΜΟ των οποίων η κυματική συνάρτηση θα μπορούσε να είναι: Ψ μορ = Ψ 1 + Ψ 2 ή Ψ μορ = Ψ 1 - Ψ 2 (11.1) όπου Ψ 1 και Ψ 2 είναι τα αντίστοιχα ΜΟ των δύο ατόμων. Στην περίπτωση που τα ΜΟ αφαιρούνται, οι συναρτήσεις Ψ 1 +Ψ 2 ή Ψ 1 - Ψ 2 είναι οι ίδιες, γιατί το Ψ παριστάνει την πιθανότητα ανεύρεσης ενός ηλεκτρονίου σε μια 2 μορ συγκεκριμένη θέση. Στην περίπτωση του μορίου του Υδρογόνου (Η 2), τα ατομικά τροχιακά σχηματίζουν το μόριο σύμφωνα με την εξίσωση: Ψ H 2 = Ψ 1s + Ψ 1s (11.2) Το τροχιακό Ψ 1s έχει θετική (της αυτής φάσης κυματική συνάρτηση) σε όλη του την έκταση. Άρα όταν δύο ατομικά τροχιακά συναντώνται το ένα επικαλύπτει το άλλο και η τιμή του Ψ H αυξάνεται. Με βάση τους 2 υπολογισμούς της εξίσωσης 11.2, το μοριακό τροχιακό που προκύπτει έχει τη μορφή ενός συμμετρικού ΜΟ, σχήματος πεπονιού. Η συγκέντρωση του ηλεκτρονικού φορτίου μεταξύ των πυρήνων είναι υψηλότερη και λειτουργεί ως συνδετική ουσία που τους κρατάει μαζί. Με την έννοια αυτή το ΜΟ παρουσιάζει το σχηματισμό δεσμού μεταξύ των ατόμων. Το τροχιακό αυτό καλείται δεσμικό τροχιακό (bonding orbital) και συμβολίζεται ως 1 sσ (όταν παράγεται από δύο 1 s τροχιακά). Στην περίπτωση που οι κυματικές συναρτήσεις των δύο τροχιακών είναι αντίθετης φάσης, η μία αναιρεί την άλλη όταν έρχονται κοντά, έχουμε: Ψ H 2 = Ψ 1s - Ψ 1s (11.3) Η ηλεκτρονική πυκνότητα μεταξύ των δύο ατόμων, Ψ μορ, θα είναι μηδέν, ενώ κοντά στον ένα πυρήνα θα είναι θετική (μιας ορισμένης φάσης κυματική συνάρτηση) και στον άλλο αρνητική (αντίθετης φάσης κυματική συνάρτηση). Η ηλεκτρονική δηλαδή πυκνότητα στην περίπτωση αυτή βρίσκεται συγκεντρωμένη εκτός της περιοχής μεταξύ δύο πυρήνων. Το τροχιακό αυτό καλείται αντιδεσμικό τροχιακό (antibonding orbital) και συμβολίζεται με 1s σ* (ο αστερίσκος αντιπροσωπεύει σε κβαντικούς συμβολισμούς υψηλότερη ενεργειακή στάθμη). Πράγματι, το αντιδεσμικό τροχιακό είναι μια κβαντωμένη κατάσταση σε υωηλότερη ενέργεια από ότι το δεσμικό τροχιακό. Επίσης θα πρέπει να προσθέσουμε σε αυτό το σημείο, οι κυματικές συναρτήσεις της αυτής φάσης ( ή του ίδιου πρόσημου) όταν επικαλύπτονται συμβάλλουν στην ηλεκτρονική πυκνότητα, π.χ. : 219

228 + + + ενώ ηλεκτρονικά κύματα με κυματικές συναρτήσεις αντίθετης φάσης (αντίθετου πρόσημου) όταν επικαλύπτονται αναιρούν το ένα το άλλο, προκαλώντας μηδέν ηλεκτρονική πυκνότητα, δηλαδή τον κόμβο (node). κόμβος Ψ 1s Ψ 1s Ψ μορ 1s σ + _ + + _ 1s σ* E 1s 1s 1s σ Ψ 1s Ψ 1s Ψ μορ 1s σ* Σχήμα Σχηματισμός δεσμικού και αντιδεσμικού τροχιακού σε ηλεκτρόνια και ενεργειακές στάθμες. Τα σ μοριακά τροχιακά παρουσιάζουν κυλινδρική ηλεκτρονική συμμετρία κατά μήκος του άξονα του δεσμού και όταν οι πυρήνες του μορίου είναι οι ίδιοι, τότε το κέντρο συμμετρίας βρίσκεται στο μέσο του δεσμού και των δύο πυρήνων. Στην περίπτωση αυτή, σε οποιοδήποτε σημείο του μορίου, υπάρχει η ίδια ηλεκτρονική πυκνότητα με το διαμετρικά αντίθετό του, διασχίζοντας διαγωνίως μέσα από το κέντρο συμμετρίας. Η διαδικασία αυτή καλείται αναστροφή (inversion) και αναφέρεται στην ηλεκτρονική πυκνότητα. Ωστόσο σε αντίθεση με το Ψ 2, το Ψ μπορεί να αλλάξει πρόσημο (±) με την αναστροφή. Στο μοριακό τροχιακό 1s σ* το Ψ είναι παντού θετικό (ίδια ηλεκτρονική φάση) και το ΜΟ (+) συμβολίζεται με το γράμμα g (από τη γερμανική λέξη gerade=άρτιος), 1s σ g. Στην άλλη περίπτωση, όπου το Ψ αλλάζει πρόσημο κατά την αναστροφή και είναι αντισυμμετρικό, το ΜΟ, συμβολίζεται με το γράμμα u (από τη γερμανική λέξη ungerade=περιττός). Το μοριακό τροχιακό συμβολίζεται ως 1s σ u ή 1s σ* u. Σε ετεροπυρηνικά μόρια δεν υπάρχει κέντρο συμμετρίας και ο συμβολισμός αυτός δεν υφίσταται. Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των 1s σ g και 1s σ* u μοριακών τροχιακών εξαρτάται από την απόσταση των πυρήνων (Σχήμα 11.3). 220

229 Σχήμα Μεταβολές ενέργειας ανάλογα με την απόσταση των πυρήνων. Στην περίπτωση δύο p ηλεκτρονίων παρουσιάζεται μια παρόμοια εικόνα στη δημιουργία των μοριακών τροχιακών (σχήμα 11.4). Ψ μορ = Ψ2 p + Ψ Z 2 p Z _ p z 2p z 2pσ u* αντιδεσμικό Ψ μορ = Ψ2 p Ψ Z 2 p Z _ + + _ + _ Ψ μορ = Ψ + 2 p Ψ y 2 p y + Ψ μορ = Ψ + 2 p + Ψ y 2 p y 2p z 2p z 2pσ g δεσμικό + _ + 2p y 2p y 2pπ g* αντιδεσμικό _ + 2p y 2p y 2pπ u δεσμικό Σχήμα Σχηματισμός δεσμικών και αντιδεσμικών μοριακών τροχιακών με 2p z και 2p y τροχιακών. Τα ΜΟ από 2p x θα είναι παρόμοια, με τη διαφορά ότι οι λοβοί τους θα είναι κάθετοι ως προς τον άξονα z. 221

230 Για πιο σύνθετα ΜΟ (Molecular Orbital), που σχηματίζονται από d, f κλπ ατομικά τροχιακά θα υπάρχει πιο περίπλοκη εικόνα. Τα διαγράμματα των ενεργειακών επιπέδων των ΜΟ για το υδρογόνο δίνονται στο σχήμα Σχήμα Διαγράμματα ενεργειακών επιπέδων ΜΟ: (α) μόρια εκτός του υδρογόνου, (β) μόρια υδρογόνου. Για το υδρογόνο: στην κατώτερη ενεργειακή στάθμη του μορίου, τα δύο 1s ηλεκτρόνια μπορούν να καταλάβουν το ΜΟ 1s σ g,με την προϋπόθεση ότι τα spin τους είναι αντίθετης φοράς (Αρχή του Pauli). Η ενέργεια του ΜΟ είναι χαμηλότερη από την ενέργεια δύο ξεχωριστών ατόμων. Έτσι το μόριο που σχηματίζεται είναι σταθερότερο. Για την κατάσταση αυτή η διάταξη των ατόμων στο μόριο είναι 1s σ. 2 g Η ολική ενέργεια ενός ηλεκτρονίου, που περιφέρεται γύρω από έναν πυρήνα, εξαρτάται από τη μέση απόστασή του από τον πυρήνα (και χαρακτηρίζεται με τον κβαντικό αριθμό n). Επίσης, εξαρτάται από την τροχιακή γωνιακή ροπή, την γωνιακή ροπή του spin (κβαντικοί αριθμοί l και s) και από τον τρόπο με τον οποίο οι κβαντικοί αριθμοί συνδυάζονται μεταξύ τους. Όταν ένα άτομο έχει μεγάλο αριθμό ηλεκτρονίων, τότε οι ξεχωριστές ενέργειες μπορούν να συνδυαστούν με διάφορους τρόπους και παράγουν μεγάλη ποικιλία ενεργειακών καταστάσεων. Η θεμελιώδης ή σταθερή ενεργειακή κατάσταση (ground state) μπορεί να προβλεφθεί με υπολογισμούς. Οι μεταβάσεις των ηλεκτρονίων από τη θεμελιώδη σε ανώτερες ενεργειακά καταστάσεις (ή διεγερμένες καταστάσεις, excited states) είναι υπεύθυνες για την απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην περιοχή UV-VIS του φάσματος, λόγω αλλαγής της διπολικής ροπής του μορίου. 222

231 11.3. Ηλεκτρονική Φασματοσκοπία Πολυατομικών Μορίων Η μελέτη πολυατομικών μορίων στην περιοχή UV-VIS γίνεται συνήθως σε υγρή ή στερεή κατάσταση. Στην περίπτωση αυτή η λεπτή υφή του φάσματος, λόγω δονητικής και περιστροφικής κίνησης, δεν εμφανίζεται. Ωστόσο η θέση και η ένταση, κυρίως των ευρύτερων ταινιών απορρόφησης που οφείλονται στις ηλεκτρονικές μεταβάσεις από τη μία ενεργειακή στάθμη σε μία άλλη είναι πολύ χαρακτηριστικές των διαφόρων ομάδων των οργανικών ενώσεων. Αυτό συμβαίνει γιατί η συχνότητα δόνησης των διαφόρων ομάδων ατόμων στο μόριο των οργανικών ενώσεων είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τη φύση του υπόλοιπου μορίου (όπως το μήκος και η ενέργεια διάστασης των δεσμών) αλλά εξαρτάται από την ηλεκτρονική δομή των δεσμών. Στις φασματοσκοπικές μεθόδους UV-VIS οι θέσεις των ταινιών απορρόφησης δίνονται ως μήκος κύματος (wavelength) στο σημείο της μέγιστης απορρόφησης, λ max, σε μονάδες Angstrom (1Å = m ) ή σε νανόμετρα (1nm = 10-9 m), που είναι η πιο συνηθισμένη μονάδα. Για πρακτικούς λόγους το φάσμα χωρίζεται σε 3 περιοχές: (α) την ορατή περιοχή (VIS) μεταξύ μηκών κύματος nm (ή Å ή cm -1 κυματαριθμούς). (β) την κυρίως υπεριώδη περιοχή (near UV) μεταξύ nm (ή Å ή cm -1 ). (γ) την άπω υπεριώδη περιοχή (far UV) κάτω των 200 nm ( ή 2000Å ή άνω των cm -1 ). Η τελευταία είναι περιοχή απορρόφησης του ατμοσφαιρικού οξυγόνου και τα φάσματα μπορούν να ληφθούν μόνο μετά την εκκένωση του φασματόμετρου με αντλία κενού. Η ένταση των ηλεκτρονικών απορροφήσεων δίνεται από την κλασική εξίσωση των Beer-Lambert-Bouguer: I o log = ε c l (11.4) I όπου c είναι η συγκέντρωση της ουσίας στο διάλυμα, l είναι το πάχος της κυψελίδας στην οποία τοποθετούμε το δείγμα, Ι ο είναι η ένταση του προσπίπτοντος φωτός που διαπερνά το δείγμα ( ένα μέρος της ακτινοβολίας απορροφάται), ε είναι ο συντελεστής απόσβεσης (extinction coefficient) που κυμαίνεται από για ισχυρές ταινίες απορρόφησης μέχρι 1 για τις πιο ασθενείς Κατηγορίες Ηλεκτρονίων και Μεταβάσεις στα Διάφορα Ενεργειακά Επίπεδα Για την πλειοψηφία των οργανικών μορίων τα ηλεκτρόνια κατατάσσονται σε 3 κατηγορίες: τα σ-ηλεκτρόνια, τα π-ηλεκτρόνια και τα n- ηλεκτρόνια ή μη δεσμικά (non bonding) που δεν παίρνουν μέρους σε δεσμούς 223

232 και συγκρατούνται ασθενέστερα, ώστε να μπορούν να υποστούν μεταβάσεις. Τα σ-ηλεκτρόνια είναι πιο σταθερά, προσκολλημένα στους πυρήνες και απαιτούν μεγαλύτερη ενέργεια για να μεταβούν σε άλλα ενεργειακά επίπεδα, ενώ για τα π- και τα n- ηλεκτρόνια απαιτείται μικρότερη ενέργεια. Συνήθως, αλλά όχι πάντοτε, τα n- απαιτούν μικρότερη ενέργεια από τα π- ηλεκτρόνια. Η ποσότητα ενέργειας που απαιτείται για τη διέγερση των ηλεκτρονίων ανταποκρίνεται στην εμφάνιση απορροφήσεων στην περιοχή UV και VIS. Έτσι η μετάβαση σ σ* (από ένα δεσμικό σ- ηλεκτρόνιο σε ένα μη δεσμικό σ- ηλεκτρόνιο) απαιτεί ενέργεια της οποίας το μήκος κύματος πέφτει στην άπω υπεριώδη περιοχή, οι μεταβάσεις π π* και n n* εμφανίζονται στη διαχωριστική γραμμή της άπω UV και κυρίως UV και η μετάβαση n π* στην υπεριώδη και ορατή περιοχή. Οι παρακάτω γενικοί κανόνες για τις ηλεκτρονικές μεταβάσεις παρουσιάζονται στο σχήμα Σχήμα Ηλεκτρονικές μεταβάσεις στην UV-VIS φασματοσκοπία. Όπως φαίνεται, οι πιο ενδιαφέρουσες απορροφήσεις είναι για τις μεταβάσεις n σ*, π π* και n π*. Οι κορεσμένοι υδρογονάνθρακες, που έχουν μόνο σ σ* μεταβάσεις, δίνουν απορροφήσεις στην άπω UV, που είναι μικρής πρακτικής σημασίας από αναλυτικής πλευράς, όπως το CH 4 και το CH 3CH 3 που απορροφούν στα 122 και 135 nm αντίστοιχα. Η εισαγωγή ομάδας που περιέχει μη δεσμικά ηλεκτρόνια, όπως για παράδειγμα η ομάδα ΝΗ 2, επιτρέπει επιπλέον τη μετάβαση n σ* και ως αποτέλεσμα τείνει να αυξήσει το μήκος κύματος της μετάβασης σ σ*. Έτσι, στην ένωση CH 3ΝΗ 2 η σ σ* μετάβαση εμφανίζεται στα 170 nm και η n σ* στα 213 nm. Για αυτό το λόγο οι ακόρεστες οργανικές ενώσεις δίνουν τα πιο ποικίλα και ενδιαφέροντα UV-VIS φάσματα, Το φαινόμενο αυτό θα παρουσιασθεί παρακάτω με την έννοια της χρωμοφόρου ομάδας. Εάν μελετήσουμε απομονωμένους διπλούς ή τριπλούς δεσμούς σε ένα οργανικό μόριο, θα δούμε ότι ο πιο σημαντικός παράγοντας για τη θέση της απορρόφησης είναι η φύση των ατόμων στους δεσμούς. Έτσι για παράδειγμα, 224

233 οι π π* μεταβάσεις εμφανίζονται στην άπω UV περιοχή χωρίς μεγάλες διακυμάνσεις. Για τους δεσμούς C C, C C, C O και C N οι απορροφήσεις εμφανίζονται στα 170, 170, 166 και 190 nm αντίστοιχα), ενώ οι μεταβάσεις n π* ποικίλουν σημαντικά σε μήκος κύματος. Για τους δεσμούς C O, C N, Ν=Ν και C S εμφανίζονται στα 280, 300, 350 και 500 nm αντίστοιχα. Η διαφορά στην απορρόφηση είναι αποτέλεσμα του γεγονότος ότι τα n- ηλεκτρόνια δεν παίρνουν μέρος στους δεσμούς και η ισχύς με την οποία συγκρατούνται από τον πυρήνα είναι καθοριστική και ανάλογα με το είδος του στοιχείου (Ο, Ν ή S). Ωστόσο υπάρχει και μία μικρή μεταβολή της απορρόφησης λόγω επίδρασης του διπλανού ατόμου (και μερικά του υπολοίπου μορίου με το οποίο είναι ενωμένο) στον διπλό ή τριπλό δεσμό. Για παράδειγμα, η ακετόνη (CH 3) 2CO και η κυκλοεξανόνη C 5H 10CO παρουσιάζουν λ max στα 272 και 290 nm αντίστοιχα. Επίσης άλλοι υποκαταστάτες, όπως τα αλογόνα, επιδρούν στην εμφάνιση του λ max σε μεγαλύτερο μήκος κύματος. Ολα αυτά δείχνουν ότι τα φάσματα UV-VIS μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή των οργανικών ενώσεων και των διαφόρων υποκαταστατών στο μόριο τους. Επίσης σημαντικές αλλαγές στα φάσματα UV-VIS προκαλούνται με την παρουσία δύο η περισσοτέρων διπλών δεσμών στα οργανικά μόρια. Εάν οι δεσμοί είναι συζυγείς, δηλαδή εναλλασσόμενοι με απλούς δεσμούς, π.χ., C C C C τότε οι μεταβάσεις π π* και n π* ενισχύονται σε μεγάλο βαθμό και οι απορροφήσεις τους παρουσιάζονται σε μεγαλύτερο μήκος κύματος. Η διαφορά είναι μεγαλύτερη όσο περισσότεροι συζυγείς δεσμοί υπάρχουν στην οργανική ένωση. Παράδειγμα 1: δεσμοί άνθρακα-άνθρακα και π π* μετάβαση Ένωση λ max (nm) ε C=C C=C C=C C=C C=C C=C Παράδειγμα 2: Ένωση λ max π π* λ max n π* (nm) (nm) C=O C=C C=O O O (p-βενζοκινόνη)

234 Η ύπαρξη συζυγιακών διπλών δεσμών σε μια οργανική ένωση έχει ως αποτέλεσμα μία ισχυρή μετάβαση π π*, που μετακινεί την απορρόφηση στην κυρίως UV περιοχή. Για αυτό και η υπεριώδης φασματοσκοπία είναι εξαιρετικά χρήσιμη στη μελέτη τέτοιων συστημάτων. Στην περίπτωση της p-βενζοκινόνης η απορρόφηση μετατοπίζεται στη μπλε περιοχή του ορατού φάσματος (435 nm) για αυτό και η ένωση είναι κίτρινη (συμπληρωματικό χρώμα) στο φως. Το χρώμα στις οργανικές ενώσεις μεγάλου μοριακού βάρους οφείλεται συνήθως στην ύπαρξη συζυγιακών διπλών δεσμών που απορροφούν στην ορατή περιοχή. Η εφαρμογή των πρακτικών αυτών παρατηρήσεων βοήθησε σημαντικά στην ανάπτυξη της βιομηχανίας συνθετικών οργανικών χρωμάτων Χρωμοφόρες Ομάδες στις Οργανικές Ενώσεις Αν και οι απορροφήσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας προκαλούνται από τη διέγερση των ηλεκτρονίων από τη θεμελιώδη σε διεγερμένες καταστάσεις, οι πυρήνες που συγκρατούν τα ηλεκτρόνια των δεσμών παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό του μήκους κύματος της ακτινοβολίας που απορροφάται. Η ποσότητα ενέργειας μιας μετάβασης και το μήκος κύματος της ακτινοβολίας που απορροφάται είναι χαρακτηριστική ιδιότητα των ατόμων μιας ομάδας και όχι μόνο των ηλεκτρονίων των δεσμών. Η ομάδα των ατόμων που συμβάλλει σε μια τέτοια απορρόφηση καλείται χρωμοφόρος ομάδα (chromophore). Αλλαγές στη δομή των ατόμων της χρωμοφόρου ομάδας προκαλεί μεταβολή της ενέργειας που απορροφάται και φυσικά της έντασης της απορρόφησης. Αν και είναι δύσκολο να προβλεφθούν οι μεταβολές στην απορρόφηση από τις αλλαγές των ατόμων, ωστόσο μπορούν να εφαρμοσθούν απλοί κανόνες χρησιμοποιώντας την πειραματική εμπειρία από μεγάλη ποικιλία φασμάτων οργανικών ενώσεων. Απλές χρωμοφόρες ομάδες με διπλούς και τριπλούς δεσμούς, όπως C C, C C, C Ν, C O, Ν=Ν κ.λπ, υπόκεινται σε ενεργειακές μεταβάσεις π π* που απορροφούν σε μικρά μήκη κύματος της UV περιοχής. Άλλες ομάδες, όπως ΟΗ, ΟR (R=αλκύλιο), ΝΗ 2, --SH και τα αλογόνα, έχουν ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων. Τα ηλεκτρόνια αυτά (μη δεσμικά) συγκρατούνται χαλαρά από τους πυρήνες και μπορούν να υποστούν μεταβάσεις σε μεγαλύτερα μήκη κύματος, δηλαδή άνω των 190 nm. Τέτοιες ομάδες καλούνται αυξόχρωμες (auxochromes) και με την παρουσία τους στις οργανικές ενώσεις επιδρούν στην απορρόφηση της κύριας χρωμοφόρου ομάδας, αυξάνοντας την ένταση και συχνά το μήκος κύματος της απορρόφησης, 226

235 Πίνακας Απορροφήσεις απλών απομονωμένων χρωμοφόρων ομάδων. Χρωμοφόρος ομάδα Μετάβαση λ max (nm) Χρωμοφόρος ομάδα Μετάβαση λ max (nm) R OH R O R R NH 2 R SH R 2C = CR 2 R C C R R C N R N=N R n σ* n σ* n σ* n σ* π π* π π* n π* n π* R NO2 R CHO R CHO R 2C=O R 2C=O RCOOH RCOOR RCONH 2 n π* π π* n π π π* n π* n π* n π* n π* Επίδραση του Διαλύτη στο Μήκος Κύματος της Απορρόφησης Ο πιο συνηθισμένος τρόπος για τη λήψη φασμάτων UV-VIS είναι να παρασκευασθεί ένα διάλυμα ουσίας σε κατάλληλο διαλύτη που δεν απορροφά στην ίδια θέση με την ουσία που μελετάται. Η παρουσία όμως του διαλύτη επηρεάζει ελαφρά στη θέση της μεγίστης απορρόφησης. Σύμφωνα με την Αρχή Franck Condon, μια ηλεκτρονική μετάβαση γίνεται τόσο γρήγορα ώστε η ενδοατομική απόσταση σε ένα μόριο να παραμένει σχεδόν σταθερή κατά τη διάρκεια της μετάβασης. Ωστόσο τα ηλεκτρόνια της διαλυμένης ουσίας και του διαλύτη μπορούν να αναδιοργανωθούν με αποτέλεσμα στις περισσότερες μεταβάσεις, όπως στην περίπτωση της π π*, να δημιουργείται μια διεγερμένη κατάσταση που είναι πιο πολική από τη θεμελιώδη. Η αλληλεπίδραση δίπολο-δίπολο μεταξύ της διαλυμένης ουσίας και διαλύτη έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της ενέργειας της διεγερμένης κατάστασης. Έτσι είναι συνηθισμένο να παρατηρούνται μεγαλύτερα λ max σε διαλύματα αιθανόλης από ότι σε διαλύματα εξανίου (μη πολικός διαλύτης). Έχει βρεθεί πειραματικά ότι υπάρχει μετατόπιση προς τα μεγαλύτερα μήκη κύματος της τάξης των nm σε διαλύματα αιθανόλης, σε σχέση με τα διαλύματα εξανίου. Η μετατόπιση αυτή είναι γνωστή ως ερυθρή μετατόπιση (red shift). Αντίθετα, η μετάβαση n π* στις κετόνες (από το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων του οξυγόνου) δείχνει μικρή επίδραση του διαλύτη στη μέγιστη απορρόφηση (λ max) προς χαμηλότερα μήκη κύματος. Η επίδραση του διαλύτη στην περίπτωση αυτή εξηγείται από τη μικρότερη πιθανότητα στη δημιουργία δεσμών-υδρογόνου με την καρβονυλική ομάδα στην διεγερμένη κατάσταση σε σχέση με τη θεμελιώδη. Για παράδειγμα, σε διάλυμα εξανίου το λ max της ακετόνης είναι στα 279 nm, ενώ σε υδατικό διάλυμα στα 264,5 nm. Η μετατόπιση αυτή της απορρόφησης προς μικρότερα μήκη κύματος καλείται κυανή μετατόπιση (blue shift). 227

236 11.7. Διαλύτες για Φασματοσκοπία UV-VIS Βασικό κριτήριο ενός καλού διαλύτη για φάσματα UV-VIS είναι να μην απορροφά στην ίδια θέση με τη διαλυμένη ουσία. Συνήθως οι διαλύτες που δεν έχουν συζυγιακούς διπλούς δεσμούς είναι οι πιο κατάλληλοι. Οι πιο κοινοί διαλύτες είναι: το νερό, 95% αιθανόλη (CH 3CH 2OH) και το κανονικό - εξάνιο (CH 3(CH 2) 4CH 3), που δεν απορροφούν στην περιοχή του υπεριώδους των περισσότερων οργανικών ενώσεων. Άλλοι διαλύτες που χρησιμοποιούνται συχνά είναι: το ακετονιτρίλιο (190 nm), το χλωροφόρμιο 240 nm), το κυκλοεξάνιο (195 nm, κύρια απορρόφηση), το 1,4-διοξάνιο (215 nm), η μεθανόλη (205 nm), το ισοοκτάνιο (195 nm) κλπ. Η διαφορά μεταξύ πολικών και μη πολικών διαλυτών είναι ότι οι πολικοί διαλύτες δημιουργούν δεσμούς υδρογόνου με τη διαλυμένη ουσία και εξασθενίζουν την λεπτή υφή του φάσματος, ενώ με τους πολικούς διαλύτες η λεπτή υφή παραμένει, όπως στο φάσμα της ουσίας σε αέρια κατάσταση. Παράδειγμα το φάσμα της φαινόλης σε αιθανόλη (πολικός διαλύτης) και ισοοκτάνιο (μη πολικός). Σχήμα Φάσμα UV της φαινόλης σε δύο διαλύτες, ένας πολικός και ένας μη πολικός Πρακτικές Πλευρές των Φασμάτων Υπεριώδους Φασματοσκοπίας Τα νεώτερα φασματόμετρα UV-VIS αποτελούνται από την πηγή ακτινοβολίας (λάμπα δευτερίου για UV και λάμπα μη νήμα βολφραμίου για VIS). Η ανομοιογενής ακτινοβολία που παράγεται περνάει μέσα από ένα 228

237 μονοχρωμάτορα που επιλέγει τα διάφορα μήκη κύματος και συνδέεται άμεσα με το καταγραφικό (ηλεκτρονική οθόνη). Η δέσμη του φωτός, μετά το μονοχρωμάτορα, διαχωρίζεται σε δύο παράλληλες δέσμες, από τις οποίες η μία περνάει μέσα από την κυψελίδα του δείγματος (sample cell) που περιέχει το διάλυμα της ουσίας στο διαλύτη (1-2%) και η δεύτερη μέσα από μια παρόμοια κυψελίδα που περιέχει μόνο διαλύτη. Οι εντάσεις των δύο δεσμών φωτός μετά την απορρόφηση συγκρίνονται ηλεκτρονικά. Οι κυψελίδες του δείγματος για το ορατό φάσμα κατασκευάζονται από γυαλί, ενώ για την περιοχή του υπεριώδους, επειδή οι προσμίξεις του γυαλιού απορροφούν μέρος της υπεριώδους ακτινοβολίας, χρησιμοποιούνται κυψελίδες κατασκευασμένες από κρυσταλλικό πυρίτιο. Λόγω της ακριβής τιμής των κυψελίδων αυτών πρέπει να πλένονται τακτικά (απεσταγμένο νερό, ακετόνη, αιθανόλη, διχλωρομεθάνιο) και να διατηρούνται σε στεγνό μέρος (ξηραντήρας με Silica Gel). Σχήμα Μοντέρνο φασματοφωτόμετρο UV-VIS και καταγραφικό ηλεκτρονικό σύστημα που μπορούν να παράγουν έγχρωμα τμήμα των απορροφήσεων. 229

238 Σχήμα Διάφορα είδη και μεγέθη κυψελίδων γυαλιού και quartz για UV. Τα περισσότερα φασματόμετρα UV-VIS λειτουργούν στην περιοχή nm. Η ορατή περιοχή είναι μεταξύ nm (ιώδες-ερυθρό) και η υπεριώδης περιοχή από nm. Για την περιοχή κάτω των 190 nm (στην πραγματικότητα οι απορροφήσεις είναι ικανοποιητικές μέχρι τα 220 nm) οι κυψελίδες πυριτίου αρχίζουν να απορροφούν ελαφρά, όπως και το ατμοσφαιρικό οξυγόνο, για αυτό απαιτούνται κατάλληλες κυψελίδες και λήψη φασμάτων υπό κενό. Τα φασματοφωτόμετρα αυτά είναι πολύ πιο ακριβά και σε περιπτώσεις που ρυθμίζεται η θερμοκρασία των κυψελίδων η τιμή αυξάνεται σημαντικά. Η παρουσίαση των φασμάτων UV-VIS των οργανικών και ανόργανων ενώσεων γίνεται αυτόματα σε κατάλληλα βαθμολογημένο χαρτί (ανάλογα με το όργανο ή σε οθόνη Η/Υ με γραφική παράσταση της ε ή logε στον άξονα των x προς το μήκος κύματος στον άξονα των y (όπου ε ο μοριακός συντελεστής απόσβεσης), είτε της logi o/i, γνωστής ως οπτικής πυκνότητας (optical density) ως προς το μήκος κύματος. Σχήμα Φάσμα UV του βενζοϊκού οξέος σε κυκλοεξάνιο. 230

239 Τέλος, θα πρέπει να αναφερθούν 4 βασικοί όροι που χρησιμοποιούνται στην ορολογία της φασματοσκοπίας UV-VIS. (α) βαθυχρωμική μετατόπιση ή ερυθρή μετατόπιση (bathochromic shift, red shift) όταν υπάρχει μετατόπιση μιας απορρόφησης προς μεγαλύτερα μήκη κύματος (προς το ερυθρό χρώμα του ορατού). (β) υποχρωμική μετατόπιση ή μπλε μετατόπιση (hypochromic shift, blue shift) όταν μια απορρόφηση μετατοπίζεται προς μικρότερα μήκη κύματος (προς την πλευρά του μπλε χρώματος). (γ) υπερχρωμικό φαινόμενο (hyperchromic effect) όταν προκαλείται αύξηση της έντασης της απορρόφησης. (δ) υποχρωμικό φαινόμενο (hypochromic effect) όταν προκαλείται μείωση της έντασης μιας απορρόφησης Υπεριώδη και Ορατή Φασματοσκοπία στην Οργανική Χημεία Στο τμήμα αυτό θα παρουσιασθούν πιο συστηματικά οι διάφορες ομάδες οργανικών ενώσεων και οι περιοχές όπου απορροφούν στα φάσματα UV-VIS Ενώσεις με διπλούς και τριπλούς δεσμούς Τα άκυκλα αλκένια, όπως το αιθυλένιο (CH 2=CH 2), απορροφούν κοντά στα 180 nm, ως αποτέλεσμα της π π*, μετάβασης. Η υποκατάσταση υδρογόνων με αλκύλια προκαλεί μετατόπιση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος. Όταν και τα 4 υδρογόνα υποκατασταθούν τότε η απορρόφηση εμφανίζεται σε μήκος κύματος πάνω από 200 nm. R H C C 177 nm H H R H C C trans- 180 nm H R R H C C R H cis- 180 nm 200 nm R R C C R R Στις κυκλικές ολεφίνες, όπως το κυκλοεξένιο, η μέγιστη απορρόφηση (λ max) είναι στα 190 nm, ενώ σε πολυκυκλικά συστήματα, όσο πιο υποκατεστημένος είναι ο διπλός δεσμός, τόσο μεγαλύτερη η μετατόπιση της κυκλοεξένιο απορρόφησης προς μεγαλύτερα μήκη κύματος. Τα συζυγή διένια παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τη UV φασματοσκοπία. Το φάσμα του 1,3-βουταδιενίου σε διάλυμα εξανίου, για παράδειγμα, δείχνει σημαντική διαφορά από το φάσμα μιας απλής ολεφίνης ή ενός διενίου με συζυγιακούς διπλός δεσμούς. CH 2=CΗ CH=CH 2 λ max =217 nm (ε = 21000) CH 2=CΗ CH 2 CH 2 CH=CH 2 λ max =185 nm (ε = 20000) 231

240 Στην περίπτωση κυκλικών ενώσεων με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς όπως τα κυκλικά διένια, διακρίνονται δύο περιπτώσεις: ο τύπος Α με τους διπλούς δεσμούς και στους δύο δακτυλίους και ο τύπος Β με τους διπλούς δεσμούς μόνο στον έναν δακτύλιο. Με βάση την ερευνητική υπολογίσθηκε ότι η θέση της απορρόφησης μεταβάλλεται κυκλικό διένιο τύπου Α κυκλικό διένιο τύπου Β κατά κανονικό τρόπο, όπως και με την υποκατάσταση για τις χρωμοφόρες ομάδες. Οι παρατηρήσεις αυτές οδήγησαν στην επεξεργασία σειράς κανόνων από τους Woodward (1941) και Fieser (1959) για τη μετατόπιση των απορροφήσεων ανάλογα με τον τύπο της ένωσης. Ένα παράδειγμα στην κατηγορία αυτή είναι το φάσμα: Σχήμα Φάσμα UV της ένωσης εργοστερόλης. Το φάσμα παρουσιάζει 4 χαρακτηριστικές απορροφήσεις στα 261, 271, 282 και 294 nm σε διάλυμα αιθανόλης. Με βάση τους κανόνες Woodward- Fieser, μπορεί να υπολογισθεί η απορρόφηση στα 282 nm (κύρια απορρόφηση) σε σχέση με τη χρωμοφόρο ομάδα και οι άλλες με προσαύξηση, ανάλογα με την υποκατάσταση γύρω από τους συζυγιακούς διπλούς δεσμούς Πολυένια (polyenes) Είναι ενώσεις με πολλούς συζυγιακούς διπλούς δεσμούς. Τα φάσματα τους στο υπεριώδες παρουσιάζουν μία ισχυρή απορρόφηση με αρκετές κορυφές, η μία κοντά στην άλλη. Για παράδειγμα, το φάσμα της ένωσης trans- CH 3 (CH=CH ) 5 CH 3 έχει κορυφές στα 298, 315, 330 και 340 nm. Παρατηρήθηκε, ότι καθώς αυξάνεται ο αριθμός των συζυγιακών διπλών δεσμών, η μετατόπιση της θέσης 232

241 του λ max μεταβάλλεται κατά +30 nm και μετά από 6 συζυγιακούς διπλούς δεσμούς το μόριο απορροφά στο ορατό φως και τελικά φθάνει σε ένα οριακό σημείο χωρίς παραπέρα αύξηση. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η κίτρινη χρωστική β-καροτένιο με 11 συζυγιακούς διπλούς δεσμούς. Σύμφωνα με τον κανόνα το λ max θα πρέπει να ξεπερνούσε τα 400 nm, ωστόσο με το οριακό σημείο στους 6 συζυγιακούς διπλούς δεσμούς, το λ max εμφανίζεται στα 452 nm. β-καροτένιο Καρβονυλικές ενώσεις C O Το καρβονύλιο είναι χρωμοφόρος ομάδα και απορροφά στο υπεριώδες. Η ακετόνη εμφανίζει δύο κορυφές απορρόφησης στα 190 και 280 nm (σε κυκλοεξάνιο) που αντιστοιχούν σε π π* και n π* μεταβάσεις αντίστοιχα. Σε διάλυμα όμως αιθανόλης η τελευταία κορυφή εμφανίζεται στα 270,5 nm, γεγονός που δείχνει ότι οι απορροφήσεις του καρβονυλίου εξαρτώνται από το διαλύτη, αντίθετα με ότι συμβαίνει σε μη πολικές ενώσεις, όπως τα διένια. Με υποκατάσταση στην α-θέση η κορυφή απορρόφησης της μετάβασης n π* μετατοπίζεται βαθμιαία προς μεγαλύτερο μήκος κύματος. Οι αλειφατικές αλδεΰδες εμφανίζουν κορυφές στα 190 και 290 nm. Η δεύτερη απορρόφηση, συνήθως, δεν επηρεάζεται από υποκαταστάσεις στην α-θέση ως προς το καρβονύλιο. Οι ενόνες (enones), ενώσεις που έχουν διπλό δεσμό σε συζυγιακή θέση ως προς το διπλό δεσμό του καρβονυλίου, παρουσιάζουν ίδια χαρακτηριστικά όπως τα διένια. Αυτό γίνεται γιατί η συζυγία μειώνει την ενεργειακή διαφορά μεταξύ της κατειλημμένης δεσμικής τροχιάς και της χαμηλότερης μη δεσμικής. Τα φάσματα των ενονών παρουσιάζουν μία έντονη απορρόφηση στην περιοχή nm που οφείλεται σε π π* μετάβαση. Επίσης είναι δυνατό να ανιχνευθεί μία ασθενής κορυφή γύρω στα nm που αφορά μετατοπισμένη απορρόφηση μίας n π* μετάβασης. Υπάρχουν διάφοροι εμπειρικοί κανόνες για τον προσδιορισμό της μετατόπισης, ανάλογα με την υποκατάσταση, για δύο ομάδες ενονών(woodward, Fieser, Scott) Α και Β: 233

242 Α Β (φυσικά στους υπολογισμούς πρέπει να λαμβάνεται υπόψη και η επίδραση του διαλύτη). Έτσι για παράδειγμα η ένωση 4-μεθυλο-3-πεντεν-2-ονη παρουσιάζει μέγιστη απορρόφηση στα 237 nm, ενώ με τους παραπάνω κανόνες υπολογίσθηκε στα 239 nm Οξέα, εστέρες, λακτόνες και λακτάμες Τα κορεσμένα οξέα παρουσιάζουν μία ασθενή απορρόφηση του καρβονυλίου στα nm που έχει μικρή διαγνωστική αξία. Ωστόσο το καρβονύλιο για οξέα με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς (ο ένας είναι του καρβονυλίου) παρουσιάζει ισχυρή απορρόφηση, λόγω των επιτρεπόμενων ηλεκτρονικών μεταβάσεων. Έτσι το κροτονικό οξύ (CH 3CH=CHCOOH) παρουσιάζει λ max στα 205 nm σε διάλυμα εξανίου. Η μορφή της καμπύλης (της κορυφής) της απορρόφησης ενός οξέος διαφέρει ελάχιστα από αυτή του ανάλογου άλατος νατρίου ή του εστέρος. Το ίδιο συμβαίνει και με τους κυκλικούς εστέρες ή λακτόνες: (CH 2 ) n C O O Τα α,β ακόρεστα αμίδια απορροφούν στα 200 nm, ενώ εμφανίζεται και μια δεύτερη απορρόφηση στα nm στο υπεριώδες φάσμα των α,βακόρεστων λακταμών (κυκλικά αμίδια): (CH 2 ) n C NH O Αρωματικές ενώσεις Το βενζόλιο απορροφά στα 184, 203 και 254 nm (μικρής έντασης απορρόφηση) σε διάλυμα εξανίου. Η αντικατάσταση υδρογόνων από αλκύλια έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση της τελευταίας απορρόφησης προς μεγαλύτερα μήκη κύματος και ισχυρότερη απορρόφηση. Για παράδειγμα: 234

243 Ένωση λ max (nm) H 3 C CH , 2, 4, 5-τετραμεθυλοβενζόλιο 279 βενζοϊκό οξύ (C 6H 5COOH) 273 κινναμωμικό οξύ (C 6H 5-CH=-COOH) 273 Τα πολυκυκλικά αρωματικά συστήματα εμφανίζουν παρόμοια φάσματα, ενώ η μετατόπιση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των βενζολικών δακτυλίων. Χαρακτηριστικές απορροφήσεις στο υπεριώδες για πολυκυκλικά συστήματα παρουσιάζονται στο σχήμα Σχήμα Απορροφήσεις UV για πολυκυκλικά αρωματικά συστήματα. Τα διφαινύλια παρουσιάζουν παρόμοια φάσματα. Η εισαγωγή υποκαταστατών σε ορθο-θέση προκαλεί αύξηση της o- γωνίας μεταξύ των δύο δακτυλίων με αποτέλεσμα να μειώνεται η ηλεκτρονική ρευστότητα μεταξύ των συζυγιακών διπλών δεσμών (καλύτερη συζυγία όταν οι δακτύλιοι βρίσκονται στο ίδιο επίπεδο). Για παράδειγμα: 235

244 CH 3 λ max 249 nm λ max nm Επιπλέον αλκυλίωση σε άλλες θέσεις των δακτυλίων προκαλεί βαθμιαία μείωση της συζυγίας των δεσμών. Τα στυρένια και τα στιλβένια παρουσιάζουν διαφορές στα φάσματα UV σε σχέση με το βενζόλιο. Στην περίπτωση του στυρολίου, η αλλαγή στο φάσμα υποδηλώνει την επίδραση του επιπλέον διπλού δεσμού στο σύστημα των π-ηλεκτρονιακών τροχιών του δακτυλίου. CH 3 λ max 248 nm H 3 C λ max 245 nm CH 3 Ωστόσο η επίδραση αυτή περιορίζεται από στερεοχημικούς παράγοντες, όπως τα μεθύλια στις 2, 4 και 6 θέσεις που εμποδίζουν το μόριο να διατηρηθεί στο αυτό επίπεδο. Το στιλβένιο παρουσιάζει cis- και trans- διαμορφώσεις που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους στη θέση του λ max, ενώ αντίθετα υπάρχει διαφορά στην ένταση των απορροφήσεων. cisλ max =224 nm (ε=24000) λ max =280 nm (ε=10500) transλ max =228 nm (ε=16400) λ max =295 nm (ε=29000) Στις φαινόλες έχουμε την επίδραση της ομάδας υδροξυλίου με τα δύο αμέτοχα (αδέσμευτα) ηλεκτρόνια του οξυγόνου, που μπορούν να συζευχθούν με το π-ηλεκτρονικό τροχιακό σύστημα του βενζολικού δακτυλίου. Η σύζευξη αυτή προκαλεί νέες απορροφήσεις στο υπεριώδες στην περιοχή nm. Οι νέες αυτές κορυφές απορροφήσεων αποκαλούνται κορυφές ηλεκτρονιομεταφοράς. Η φαινόλη παρουσιάζει μία κορυφή στα 270 nm, που είναι μετατοπισμένη, και μία πιο έντονη στα 254 nm του βενζολίου, καθώς και μία 236

245 κορυφή στα 210 nm. Η ηλεκτρονική μεταφορά διευκολύνεται με τη δημιουργία ανιόντος (β) της φαινόλης που έχει ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος και μεγαλύτερη ένταση: OH O O C CH 3 O C CH 3 O O (α) (β) λ max 235 nm (ε=9400) (γ) (δ) λ max 261 nm (ε=300) Ωστόσο, ο συντονισμός μεταξύ των υποκατεστημένων ομάδων στην ένωση (γ,δ) του φαινυλοξικού εστέρα, για παράδειγμα, ελαττώνει τη σύζευξη του αδέσμευτου ζεύγους ηλεκτρονίων του οξυγόνου και του βενζολικού δακτυλίου, με αποτέλεσμα το φάσμα να είναι όμοιο με ενός απλού μεθυλεστέρα, ο οποίος παρουσιάζει μόνο τοπική ηλεκτρονική διέγερση. Για διϋποκατεστημένους βενζολικούς δακτυλίους (R-C 6H 4-R ) υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες ενώσεων: (α) όταν οι υποκαταστάτες είναι ομάδες ηλεκτρονικά συμπληρωματικές (π.χ. ΝΗ 2 και ΝΟ 2) και βρίσκονται σε πάρα-θέση. Τότε υπάρχει μετατόπιση προς τα μεγαλύτερα μήκη κύματος (ερυθρή μετατόπιση). H 2 N N O O O 2 N NO 2 (α) λ max =375 nm (ε=16000) (β) (β) εάν οι δύο ομάδες βρίσκονται σε ορθο- ή μετα-θέση μεταξύ τους ή όταν είναι σε πάρα-θέση, αλλά δεν είναι ηλεκτρονικά συμπληρωματικές, όπως στην περίπτωση της ένωσης (β), τότε το παρατηρούμενο φάσμα είναι σχεδόν ίδιο με αυτό των δύο ξεχωριστών ομάδων (χρωμοφόρων) που δεν αλληλεπιδρούν. 237

246 Πίνακας Μέγιστα απορροφήσεων για μονοϋποκατεστημένους βενζολικούς δακτυλίους C 6H 5-R. R λ max (nm) & ε (διάλυμα: Η 2Ο ή ΜeΟΗ H NH + 3 Me I Cl Br OH OMe SO 2NH 2 CN CO - 2 CO 2H NH 2 O - NHAc COMe CH=CH 2 CHO Ph OPh NO (7400) (7500) (7000) (7000) (7400) (7900) (6200) (6400) (9700) (13000) (8700) (11600) (8600) (9400) (10500) (9800) (14000) (11400) (18300) (11000) (7800) (204) (160) (225) (700) (190) (192) (1450) (1480) (740) (1000) (560) (970) (1430) (2600) (750) (2000) (500) (1800) Πίνακας Μέγιστα απορροφήσεων για διϋποκατεστημένους βενζολικούς δακτυλίους R-C 6Η 4-R.(σε αιθανόλη) R R Θέση λ max (nm) & ε OH OMe NH 2 OH CHO NO 2 o- o- o (6000) (11000) (16000) (2630) (4000) (5000) 405 (6000) OH OMe NH 2 Ph OH CHO NO 2 Ph m- m- m- m (2200) (8300) (16000) (44000) (28000) (1500) OH OMe NH 2 Ph OH CHO NO 2 Ph p- p- p- p (5100) (14800) (5000) (25000) (2700) (16000) 238

247 Στις αρωματικές αμίνες το ελεύθερο ηλεκτρονικό ζεύγος της αμινομάδας έχει το ίδιο αποτέλεσμα όπως και του υδροξυλίου των φαινολών (ανιλίνη: λ max 207, 230 και 280 nm). Για τις αρωματικές κετόνες υπάρχει χαρακτηριστική ένωση η ακετοφαινόνη (C 6H 5-COCH 3) που έχει 4 κορυφές απορροφήσεων στα 199, 246, 279 και 320 nm,η απορρόφηση στα 320 nm είναι μία n π* μετάβαση με τοπική ηλεκτρονική διέγερση της καρβονυλικής ομάδας. Ο Scott (1964) μελέτησε μεγάλο αριθμό αρωματικών κετονών και δημιούργησε ένα σύστημα υπολογισμού της βασικής απορρόφησης στα 246 nm, που μετατοπίζεται ανάλογα με τον υποκαταστάτη. Αρωματικά οξέα και εστέρες: το βενζοϊκό οξύ (C 6H 5COOH) παρουσιάζει απορροφήσεις λ max 202, 230 και 279 nm. Η απορρόφηση στα 230 nm θεωρείται βασική (ή θεμελιώδης) και με βάση την απορρόφηση ο Scott δημιούργησε μια σειρά από κανόνες για τον υπολογισμό των απορροφήσεων μεγάλου αριθμού υποκατεστημένων αρωματικών οξέων. Σχήμα Φάσματα UV-VIS των (από κάτω προς τα πάνω) (1) βενζόλιο, (2) τολουόλιο, (3) φαινόλη, (4) βενζενοσουλφοναμίδιο, (5) p-χλωροφαινόλη, (6) βενζοϊκό οξύ, (7) p-τολουϊκό οξύ, (8) p-χλωροανιλίνη, (9) p-υδροξυβενζοϊκό οξύ (ανιόν), (10) p- υδροξυβενζοϊκό οξύ, (11) p-υδροξυβενζαλδεΰδη, (12) p-υδροξυκετοφαινόνη, (13) p- νιτροφαινόλη (ανιόν). 239

248 Σχήμα Φάσματα UV-VIS της φαινόλης, της θειοφαινόλης, της ανισόλης και της θειοανισόλης σε διάφορους διαλύτες. Σχήμα Φάσματα UV-VIS του 9,10-διφαινυλοανθρακενίου (σε αιθανόλη), του 3,4-βενζοφλουορενίου (σε 95% αιθανόλη) και βενζοανθρενίου (σε αιθανόλη). 240

249 Ετεροκυκλικές ενώσεις Μερικές αντιπροσωπευτικές ενώσεις: Πυρόλιο, φουράνιο και θειοφαίνιο: πενταμελή συστήματα με ένα ετεροάτομο που παρουσιάζουν φάσματα παρόμοια με αυτό το βενζολίου. N O S πυρρόλιο λ max 210 nm λ max 240 nm Φουράνιο λ max 200 nm λ max 205 nm λ max 211 nm Θειοφαίνιο λ max 231nm Πυριδίνες: η πυριδίνη, με το ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων του αζώτου, είναι ισοηλεκτρονική με το βενζόλιο (δηλαδή έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων) και τα φάσματά τους συμπίπτουν. Η πυριδίνη έχει μία επιπλέον απορρόφηση στα 270 nm (σε διάλυμα εξανίου) που οφείλεται σε n π* μετάβαση του αμέτοχου ηλεκτρονικού ζεύγους του αζώτου. Η θέση της απορρόφησης αυτής εξαρτάται από τον διαλύτη. Η παρουσία υδροξυλομάδας σε παρα-θέση στον πυριδινικό δακτύλιο επιτρέπει την ταυτομερείωση σε ενόλη (β) ή ως αμίδιο (γ). Το φάσμα των β και γ είναι διαφορετικό και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ποσοτική ανάλυση. OH O N (α) λ max 195 nm λ max 251 nm λ max 270 nm N (β) N H (γ) Κινολίνες και ισοκινολίνες: Η κινολίνη παρουσιάζει απορροφήσεις στα 226, 270, 300 και 313 nm, η ισοκινολίνη στα 218, 266, 305 και 318 nm (σε διαλύτη κυκλοεξάνιο). Οι απορροφήσεις τους είναι παρόμοιες με αυτές του ναφθαλινίου, εκτός από την ένταση των κορυφών στα μεγαλύτερα μήκη κύματος. 241

250 N N κινολίνη ισοκινολίνη λ max 226 nm λ max 218 nm λ max 270 nm λ max 216 nm λ max 300 nm λ max 305 nm λ max 330 nm λ max 318 nm Ινδόλες και παράγωγα: Η ινδόλη παρουσιάζει απορροφήσεις στα 260, 262 και nm (σε διαλύτη κυκλοεξάνιο). Η απορρόφηση στα 262 εξαφανίζεται ή μεταβάλλεται για υποκαταστάσεις με αλκύλια στους δακτυλίους. ινδόλη N H Φασματοσκοπία UV και Mελέτες Kινητικής Xημικών Mεταβολών Η φασματοσκοπία UV χρησιμοποιείται ευρύτατα και για μελέτες χημικής κινητικής με σημαντικές εφαρμογές στην ανόργανο και οργανική χημεία. Στο σχήμα παρουσιάζetai το παράδειγμα της μεταβολής των απορροφήσεων, με αλλαγή του ph του διαλύματος, της ένωσης 4,4,6,6- τετραμεθλο-2-ισο-βαλερυλοκυκλοεξάνιο -1,3,5-τριόνης. Σχήμα Μεταβολές στην UV απορρόφηση με μεταβολή του ph. (α) 1.22, (β) 3.38, (γ) 4.31, (δ) 4.73, (ε) 5.41, (ζ)

251 OH O O O O O O OH O O OH O (α) (β) (γ) (δ) (ε) Ισοσβεστικό σημείο στα 256 mμ (Chan & Hassall, J Chem Soc, 1956, 3497). OH O O Σχήμα Μελέτη κινητικής αντίδρασης με φασματοφωτόμετρο UV-VIS. Σειρά φασμάτων UV για την αντίδραση νανοσωματίων Ag σε φιλμ με 350 nm ακτινοβολία σε 0, 2, 4, 6, 90 min. 243

252 Βιβλιογραφία Φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού, θωρία και εφαρμογές στην οργανική χημεία. 1. Gillan AE, Stern ES. Introduction to Electronic Absorption Spectroscopy in Organic Chemistry. E Arnold, London, Jaffe HH, Orchin M. Theory and Applications of UV Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Scott AI. Interpretation of the Ultraviolet Spectra of Natural Products. Pergammon Press, Oxford, Rao CNR. Ultra-Violet and Visible Spectroscopy: Chemical Applications. Butterworths, London, Sutton D. Electronic Spectra of Transition Metal Complexes. McGraw-Hill, London, Stern ES, Timons CJ. Electronic Absorption Spectroscopy in Organic Chemistry. Arnold E, London, Knowles A, Burgess C. Practical Absorption Spectroscopy. Chapman and Hall, Vols 1-3, London, 1981, Burgoss C, Knowles A. Techniques in VIS and UV Spectroscopy Series. Chapman and Hall, London, Denney R, Sinclair R. Visible and Ultraviolet Spectroscopy (Analytical Chemistry by Open Learning Series. John Wiley and Sons, Chichester, Perkampus HH, Grinter HC, Thelfall (translator). UV-VIS Spectroscopy and its Applications. Springer Verlag, New York, Görog S. Ultraviolet-Visible Spectrophotometry in Pharmaceutical Analysis. CRC Press, Boca Raton, Fl, Thomas MJK. Ultraviolet and Visible Spectroscopy. Wiley, Sussex, Gottwald W, Heinrich KH. UV/VIS Spectroscopie für Anwender. Wiley- VCH, Weinheim, Misra P, Dubinski MA, Dubinski MA. Ultraviolet Spectroscopy and UV Lasers. Marcel Dekker, New York, Συλλογές φασμάτων υπεριώδους-ορατού. 1. Lang L. Absorption Spectra in UV and VIS Regions. Academic Press, New York, Vols 1-20, UV Atlas of Organic Compounds. Butterworths, London, Simons WW (ed). The Sadtler Handbook of Ultraviolet Spectra. Sadtler- Heyden, Philadelphia, Phillips JP, Bates D, Feuer H, Thyagarajan BS. Organic Electronic Spectral Data. John Wiley & Sons, Vols 1-24, Penkampus HH. UV-VIS Atlas of Organic Copmpounds. Wiley-VCH, Weinheim,

253 Μοριακή θεωρία τροχιακών, συμμετρία, δομή και φασματοσκοπία. 1. Pauling IL. The Nature of Chemical Bond, and the Structures of Molecules and Crystals. Cornell Univ Press, New York, 1969 (3 rd ed). 2. Streitwieser A. Molecular Orbital Theory for Organic Chemists. John Wiley & Sons, New York, Jaffe HH, Orchin M. Symmetry in Chemistry. John Wiley & Sons, New York, Dewar MJS. The Molecular Orbital Theory of Organic Chemistry. McGraw- Hill, New York, Woodward RB, Hoffman R. The Conservation of Orbital Symmetry. Verlag Chemie, Weinheim, Urch DS. Orbitals and Symmetry. Penguin, London, Orchin M, Jaffe HH. Symmetry, Orbitals and Spectra. Wiley-Interscience, New York, Coulson CA. The Shape and Structure of Molecules. Clarendon Press, Oxford, Harris DC, Bertolucci MD. Symmetry and Spectroscopy: An Introduction to Vibrational and Electronic Spectroscopy. Oxford University Press, New York, Richards WG, Scott PR. Structure and Spectra of Atoms. John Wiley & Sons, London, Douglas BE, Hollingsworth CA. Symmetry in Bonding and Spectra: An Introduction. Academic Press, New York, Hehre WJ, Radom L, Schleyer PV, Pople J. AB INITIO Molecular Orbital Theory. Wiley-Interscience, New York, Christofferson RE. Basic Principles and Techniques of Molecular Quantum Mechanics. Springer, New York, Atkins PW. Molecular Quantum Mechanics. Oxford Univrsity Press, Oxford, Advances in Quantum Theory. Vol. 31. Quantum Systems in Chemistry and Physics. Harcourt Publishers, New York, Öhrm Y. Elements of Molecular Symmetry. John Wiley & Sons, New York,

254 246

255 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΩΔΕΚΑΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ Η φασματομετρία μαζών (mass spectrometry) είναι μια από τις σημαντικότερες μεθόδους προσδιορισμού δομής και μοριακού βάρους των οργανικών ενώσεων. Τα νεώτερα μηχανήματα φασματομετρίας μαζών έχουν νέα συστήματα κενού, ποικίλες τεχνικές ιονισμού, μεγάλη διαχωριστική χρωματογραφική ικανότητα, αναλυτές απλής και διπλής εστίασης, θραυσματοποίση και υψηλής ποιότητας διαχωρισμό μοριακών θραυσμάτων και ποικιλία ανιχνευτών (διαφορικός, υπεριώδους-ορατού, φθορισμού, ηλεκτροχημικός, κ.λπ). Η καταγραφή του φάσματος γίνεται με εξαιρετική ακρίβεια, επιδέχεται διορθώσεις και με τεράστιες βάσεις δεδομένων μπορεί κανείς να έχει τη σύγκριση της αναζητούμενης δομή των οργανισών ενώσεων που αναλύει. Η νέα τεχνολογία της συζευμένης φασματομετρίας μαζών ή δίδυμης φασματομετρίας (tandem LC-MS-MS) με τετραπολικό αναλυτή μαζών (TSQ, Triple Stage Quadrupole) έχει βελτιώσει σημαντικά την ανάλυση θραυσμάτων πολικών ενώσεων Φασματογράφος Μαζών Ο Φασματογράφος μαζών (ΦΜ) είναι ένα όργανο που με τη βοήθεια ηλεκτρονικού βομβαρδισμού τεμαχίζει την ουσία που μελετάται παράγοντας ιόντα. Τα ιόντα αυτά επιταχύνονται με τη βοήθεια ισχυρού μαγνητικού πεδίου και συλλέγονται από τον ανιχνευτή σε διαστήματα ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. Ο Φασματογράφος μαζών απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήματα (12.1 και 12.2). Σχήμα Φασματογράφος μαζών. Σχηματική αναπαράσταση της εισαγωγής του δείγματος, της περιοχής ιονισμού, επιτάχυνση και διαχωρισμό των θραυσμάτων ιόντων με την επίδραση μαγνητικού πεδίου. 247

256 Η παραγωγή ιόντων στο φασματογράφο μαζών γίνεται με βομβαρδισμό του ατμού της ουσίας (που προηγούμενα έχει εξαερωθεί σε υψηλή θερμοκρασία) με ηλεκτρόνια. Ο ατμός που παράγεται με εξάτμιση περνάει στο θάλαμο παραγωγής ιόντων σε χαμηλή πίεση των mm Hg και βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια ενέργειας ev (που παράγονται από ένα ηλεκτρικό νήμα). Ενέργεια της τάξης των ev ανταποκρίνεται στο δυναμικό ιονισμού (ionization-potential) των περισσότερων οργανικών ενώσεων και έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία θετικών ιόντων με την αφαίρεση ενός τουλάχιστον ηλεκτρονίου από το οργανικό μόριο, δηλαδή ev + M + e M + e. Τα ιόντα που παράγονται καλούνται μοριακά ιόντα (molecular ions). Καθώς η ενέργεια των ηλεκτρονίων με τα οποία βομβαρδίζεται το δείγμα αυξάνεται και πέρα των 15 ev, τα μοριακά ιόντα υπόκεινται σε νέα διάσπαση παράγοντας θραύσματα ιόντα (fragment ions) που είναι χαρακτηριστικά της μοριακής δομής της οργανικής ένωσης. Έχει βρεθεί ότι με ενέργεια ηλεκτρονίων περίπου 70 ev πραγματοποιείται συστηματική θραυσματοποίηση δεσμών του μορίου, που μπορεί να αναπαραχθεί σε σημαντικό βαθμό. Με ενέργειες ηλεκτρονίων άνω των 70 ev παρατηρείται σχηματισμός ολοένα και αυξανόμενου αριθμού διπλάφορτισμένων ιόντων, που οφείλεται στην αφαίρεση δύο ηλεκτρονίων από το μόριο ή το μοριακό ιόν του δείγματος. Σχήμα Σχηματική εικόνα του φασματογράφου μαζών με απλό μαγνητικό αναλυτή των θραυσμάτων ιόντων (α). Σχηματικό διάγραμμα τετραπολικού μαγνητικού αναλυτή (β). 248

257 Τα θετικά ιόντα που σχηματίζονται με αυτό τον τρόπο αποβάλλονται από το χώρο ιονισμού εφαρμόζοντας ηλεκτροστατικό πεδίο με ειδικούς δίσκους που επιταχύνουν τα ιόντα μέσα από τις κεντρικές οπές προς τη σχισμή Α (Σχήμα 12.1.). Τα επιταχυνθέντα ιόντα εισέρχονται στο χώρο του μαγνητικού αναλυτή (πόλοι ενός ισχυρού μαγνήτη) για τον τελικό διαχωρισμό τους ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. O μαγνητικός αναλυτής είναι ένα σύστημα ισχυρών μαγνητών που το μαγνητικό του πεδίο διαπερνά το διάδρομο της πορείας των μοριακών και άλλων ιόντων προς μαγνητικό διαχωρισμό. Συνήθως ο μαγνήτης σχηματίζει τοπικό μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ανοιχτής βεντάλιας με γωνία 60 ή 90 0, που έχει την ικανότητα να εκτρέπει τα θετικά ιόντα προς τον συλλέκτη. Σχήμα Φασματογράφος Μαζών. Το σύστημα ανάλυσης ιόντων. Φασματοσκοπία μαζών με αέριο χρωματογράφο (GC MS) και αυτόματη δειγματοληωία πολλών δειγμάτων. 249

258 Η επιτάχυνση ενός ιόντος με φορτίο e - σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο με δυναμικό V του δίνει κινητική ενέργεια 1/2mv 2 (όπου m είναι η μάζα και v η τελική ταχύτητα). Η δυναμική του ενέργεια λοιπόν είναι: 2 ev ( δυναμικ ή) = 1/ 2mv ( κινητική) (12.1) Όταν το ιόν μπαίνει μέσα στο μαγνητικό πεδίο υπόκειται την επίδραση μιας κεντρομόλου δύναμης, Ηev, που εξισορροπείται από μια φυγόκεντρο, mv 2 /r (όπου r η ακτίνα από το σχήμα 12.3) 2 Hev = mv / r (12.2) Οι εξισώσεις (12.1 και 12.2) συνδυάζονται στην 12.3: 2 2 m / e = H r / 2v (12.3) Από την εξίσωση 12.3 φαίνεται ότι ο φασματογράφος μαζών μπορεί να διαχωρίσει ιόντα σύμφωνα με το πηλίκο της μάζας/φορτίο και όχι μόνο ως προς τη μάζα τους. Έτσι δύο ιόντα με μάζες (m) + και (2m) 2+ θα διασχίσουν την ίδια τροχιά για το αυτό μαγνητικό πεδίο Η και δυναμικό επιτάχυνσης V. Ωστόσο, πρέπει να σημειώσουμε ότι τα περισσότερα ιόντα που παράγονται κατά τη θραυσματοποίηση οργανικών ενώσεων στον φασματογράφο μαζών έχουν φορτίο 1+. Το φάσμα μαζών συνήθως καταγράφεται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και μεταβαλλόμενο δυναμικό επιτάχυνσης, που καλείται σάρωση τάσης ή ηλεκτρική σάρωση (voltage or electric scan) και μπορεί να πραγματοποιηθεί σε δευτερόλεπτα. Αντίθετα, σταθερή V και μεταβαλλόμενο Η, που καλείται μαγνητική σάρωση (magnetic scan), είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε μικρό χρονικό διάστημα, λόγω της επαγωγικής αντίστασης του μαγνήτη που δε μπορεί να μεταβληθεί ταχύτατα. Το φάσμα λοιπόν του δείγματος, όπου τα διάφορα ιόντα διαγράφουν διαφορετικές τροχιές ανάλογα με το πηλίκο m/z, παράγεται μεταβάλλοντας την ηλεκτρική τάση μεταξύ 4000 και 400 Volts. Για να επιτευχθεί μεγάλης ακρίβειας διαχωριστική ικανότητα στον φασματογράφο μαζών, τα ιόντα κινούνται μέσα στο σωλήνα του φασματομέτρου κάτω από υψηλό κενό, 10-7 mm Hg. Η διαχωριστική ικανότητα φασματογράφοy μαζών μετριέται από το ύψος της κοιλάδας μεταξύ δύο κορυφών ίσης έντασης. Συνήθως η διαχωριστική ικανότητα θεωρείται ικανοποιητική όταν το ύψος της κοιλάδας είναι μικρότερο του 10% των κορυφών. Η διαχωριστική ικανότητα ενός φασματογράφου μαζών εξαρτάται από τρεις παράγοντες: (α) την ακτίνα που διαγράφουν οι τροχιές των ιόντων, (β) το εύρος των σχισμών στους επιταχυντές και το συλλέκτη και (γ) η ομοιομορφία της κινητικής ενέργειας των ιόντων με το ίδιο m/e*, καθώς εισέρχονται στο χώρο του διαχωριστή.... Σε παλαιότερη βιβλιογραφία οι μονάδες για τα ιόντα ήταν m/e. Σε νεότερη βιβλιογραφία τα ιόντα αναφέρονται ως mass-to-charge ratio δηλαδή κλάσμα μάζας/φορτίο (m/z). 250

259 Μία από τις τελευταίες τεχνικές βελτιώσεις που εφαρμόσθηκαν σε φασματογράφο μαζών για καλύτερη διαχωριστική ικανότητα είναι η επιπλέον εισαγωγή ενός ηλεκτροστατικού πεδίου στη μονάδα του αναλυτή, που επιτρέπει αρχική εστίαση των ιόντων με την αυτή κινητική ενέργεια μέσα από μια σχισμή και μετά επιτάχυνση από το μαγνητικό πεδίο προς το συλλέκτη. Οι φασματογράφοι αυτοί καλούνται διπλής εστίασης (doublefocusing instruments). Υπάρχουν επίσης και διάφορες παραλλαγές του φασματογράφου μαζών που παρουσιάζουν ειδικευμένη διαχωριστική ικανότητα. Ένα τέτοιο όργανο είναι το φασματόμετρο χρόνου πτήσης (time-of-flight) όπου ο ιονισμός πραγματοποιείται κατά μικρά χρονικά διαστήματα (μs), ώστε τα παραγόμενα ιόντα από τη θραυσματοποίηση της ένωσης καταγράφονται με βάση το χρόνο που χρειάζεται να διανύσουν σωλήνα ορισμένου μήκους (l m), υπό την επίδραση κενού και να καταλήξουν στον ανιχνευτή. Τα όργανα αυτά χρησιμοποιούνται για τη μελέτη ενώσεων που παράγουν ασταθή θραύσματα, αν και η διαχωριστική τους ικανότητα είναι αρκετά μειωμένη. Σχήμα Φασματογράφος Μαζών. Τύπος MS VG 70 SE. Διπλής εστίασης, υψηλής διακριτικότητας MS με γεωμετρία ΒΕ. (Ανάλυση μαζών μέχρι 5000 Da). Μια άλλη μέθοδος φασματομετρίας μαζών είναι η φασματομετρία μαζών-κυκλοτρονιακού συντονισμού ιόντων (ICR-MS, Ion-cyclotron resonance Mass Spectrometry) που αποτελεί συνδυασμό ΦΜ και NMR. Η τεχνική αυτή έχει μεγάλη διαχωριστική ικανότητα και εφαρμόζεται για τη μελέτη αντιδράσεων που γίνονται κατά τη διάρκεια του ιονισμού του δείγματος, πράγμα που δεν μπορεί να μελετηθεί με τα κοινά φασματόμετρα μαζών. 251

260 Σχήμα Φασματογράφος Μαζών. Duals cell Fourier Transform Ion Resonance mass Spectrometer (FT/ICR-MS) με μαγνήτη 3Τ (Tesla). [Matrix assisted laser desorption ionization (MALDI)]. FINNIGAN FT/MS Τέλος, υπάρχει και η τεχνική του τετραπολικού φασματόμετρο μαζών (QMS, Quadrupole Mass Spectrometer), όπου τα ιόντα κινούνται μεταξύ τεσσάρων κυλινδρικών ηλεκτροδίων που τροφοδοτούνται διαγωνίως με εναλλασσόμενη τάση (υψηλής συχνότητας) και συνεχή τάση. Με τον τρόπο αυτό τα παραγόμενα ιόντα κινούνται στο κέντρο και κατά μήκος των 4 κυλίνδρων, μεταβάλλοντας τα δυναμικά του εναλλασσομένου και συνεχούς ρεύματος και ακολούθως φτάνουν στον ανιχνευτή. Η διαχωριστική ικανότητα των QMS είναι μικρότερη των κοινών ΦΜ, αλλά έχουν την ικανότητα καταγραφής ιόντων μέχρι της τάξης των 1000 m/z. Επίσης, τα νέα φασματόμετρα μαζών δίδυμης ή συζευμένης ή σε σειρά φασματομέτρων (tandem MS/MS spectrometry) έχουν επιφέρει σημαντική ακρίβεια των μετρήσεων δειγμάτων με χαμηλές συγκεντρώσεις (ρύπανση υπολείμματα φαρμάκων, κλπ) Σχήμα Σχηματική εικόνα λειτουργίας και διάταξης του Time-of-Flight Φασματογράφου Μαζών (TOF MS). Επίδραση στο στερεό δείγμα με ακτίνες λέιζερ. Ο ανακλαστής είναι μια σειρά δακτυλίων που λειτουργεί ως καθρέπτης ιόντων. Η πορεία των ιόντων εκτίθεται σε παλμογράφο σε συνάρτηση με το χρόνο. 252

261 Σχήμα Παράδειγμα φάσματος μαζών για το Φουλλερένιο C60 (fullerene C60) με τη μέθοδο TOF-MS). Σχήμα Φασματογράφος Μαζών: Bruker BIOTOF II, Reflectron ESI-TOF instrument. [20000 resolving power. ESI & APCI capabilities]. Σχήμα Φασματογράφος Μαζών FINNIGAN MAT 95 MS διπλής εστίασης και υψηλής διακριτικότητας [double-focusing, high resolution MS]. 253

262 12.2. Καταγραφή και παρουσίαση του φάσματος μαζών Η καταγραφή και παρουσίαση του φάσματος μαζών είναι το τελικό στάδιο της τεχνικής. Οι βελτιώσεις των τελευταίων χρόνων και η εισαγωγή ηλεκτρονικού υπολογιστή στην παρουσίαση των αποτελεσμάτων έχει κάνει την τεχνική του ΦΜ μια από τις σημαντικότερες για την πιστοποίησης δομής οργανικών ενώσεων. Ωστόσο υπάρχουν δύο βασικές δυσκολίες στην καταγραφή του φάσματος: (α) ο καταγραφέας πρέπει να αντιδρά ταχύτατα στην εμφάνιση των διαφόρων ιόντων του δείγματος (μια ένωση με ΜΒ 350 δίνει τουλάχιστον 300 κορυφές που πρέπει να σαρωθούν σε λιγότερο από 0,5 s), (β) η ποικιλία των εντάσεων των φασματικών γραμμών που πρέπει να καταγραφούν είναι αρκετά μεγάλη (μεταξύ 1 και 1000), αν και οι ασθενείς γραμμές δεν παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον στην ερμηνεία του φάσματος. Τα προβλήματα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα τη χρησιμοποίηση παλμογράφων για την καταγραφή των φασμάτων μαζών. Ο καταγραφέας αποτελείται από μια σειρά γαλβανόμετρα καθρέπτες με διαφορετική ευαισθησία που εκτρέπονται από το ενισχυμένο ρεύμα του συλλέκτη, καθώς δέχεται τα διάφορα φορτισμένα ιόντα. Οι καθρέπτες αντανακλούν ακτίνα υπεριώδους ακτινοβολίας σε μια κινούμενη ταινία φωτογραφικού χαρτιού που αποτυπώνει το φάσμα. Ο χρόνος ανταπόκρισης ενός τέτοιου συστήματος είναι αρκετά ταχύς. Σήμερα όμως τα ΦΜ είναι εφοδιασμένα με ηλεκτρονικό υπολογιστή που είναι ενσωματωμένος με το μηχάνημα και η καταγραφή γίνεται πλέον ηλεκτρονικά. Ένας τρόπος λοιπόν είναι η καταγραφή με γαλβανόμετρα, που επιτρέπουν πιστοποίηση μικρών αλλά σημαντικών κορυφών του φάσματος του δείγματος, ενώ στην πράξη, λόγω της δυσκολίας που υπάρχει στην κατανόηση του φάσματος του σχήματος 12.5, χρησιμοποιείται η καταγραφή σε κάθετες ευθείες γραμμές διαφορετικού ύψους (το ύψος είναι ανάλογο με τη σχετική αφθονία του ιόντος που αντιπροσωπεύει) και σε αποστάσεις σύμφωνα με το μοριακό βάρος/φορτίο του ιόντος. Η καταγραφή αυτή καλείται bar graph (ραβδογράφημα). Στην κορυφή κάθε γραμμής τυπώνεται (από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή) η ακριβής θέση της στην κλίμακα m/z εκτός από τις πολύ μικρές (Σχήμα 12.10). Σχήμα Καταγραφή φάσματος ΦΜ ως bar graph της ένωσης Α (γραφική παράσταση ραβδογράφημα). 254

263 Το πιο άφθονο ιόν, που χαρακτηρίζεται ως βασική γραμμή του φάσματος, έχει αυτόματα σχετική αφθονία 100% και οι άλλες γραμμές λαμβάνουν ανάλογες τιμές που φαίνεται από το ύψος τους. Οι πιο πολλές από τις φασματικές γραμμές έχουν ικανοποιητικό ύψος ώστε να μπορούν να διακριθούν και με το μάτι, άλλες όμως είναι πολύ μικρές και για αυτό καταγράφονται με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή Επεξεργασία Δείγματος και Τεχνική Φασμάτων Μαζών. Η ποσότητα δείγματος για ένα φάσμα μαζών πρέπει να είναι τουλάχιστον ένα μmole (για τη δημιουργία πίεσης τουλάχιστον 10-2 mm Hg) για έναν όγκο 3 λίτρων στους 150 C, δηλαδή περίπου 0,1 έως 0,2 mg για τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Οι θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για την εξαέρωση του δείγματος στον ΦΜ βρίσκονται μεταξύ C, ανάλογα με το σημείο ζέσης της ουσίας. Η καλύτερη θερμοκρασία στην πράξη είναι κάτω από 200 C, γιατί παράγεται υψηλή πίεση του ατμού, ακόμη και από οργανικές ενώσεις με μεγάλο μοριακό βάρος. Όσο πιο χαμηλή είναι η πίεση του ατμού τόσο πιο δύσκολη η εκκένωση του δείγματος από το θάλαμο ιονισμού, με αποτέλεσμα τη μέτρια ποσοτική ανάλυση του δείγματος. Το δείγμα (ανόργανες και οργανικές ενώσεις) εισάγεται στον φασματογράφο με διάφορες τεχνικές, ανάλογα με τη φυσική κατάσταση του δείγματος, που καλούνται συστήματα έγχυσης (injection systems). Τα αέρια εισάγονται σε σφραγισμένες αμπούλες που με ειδικούς δειγματοληπτικούς συνδέσμους προσαρμόζονται στο στόμιο εισαγωγής φασματογράφου. Οι υγρές ενώσεις εισάγονται με ειδικές υποδερμικές σύριγγες, που διαπερνούν ένα πώμα ελαστικού πυριτίου. Για τις στερεές ενώσεις υπάρχουν διάφορες τεχνικές, όπως τήξη και εισαγωγή ως υγρό, πυκνά διαλύματα σε διαλύτες μικρού μοριακού βάρους (π.χ. αιθανόλης) κ.λπ. Ο συνδυασμός αέριας χρωματογραφίας (GC) και φασματογράφου μαζών (MS) έλυσε αρκετά προβλήματα της τεχνικής εισαγωγής του δείγματος σε θάλαμο ιονισμού. Για δείγματα που μπορούν να αναλυθούν και να διαχωριστούν με την αέρια χρωματογραφία και μετά να πιστοποιηθούν με τον φασματογράφο, υπάρχει ένας ιδανικός συνδυασμός (GC-MS). Ο αποκλεισμός παραπροϊόντων και μικρών προσμίξεων από το δείγμα με την αέρια χρωματογραφία βελτιώνει σημαντικά τα φάσματα μαζών. Η καθαρότητα των δειγμάτων δεν παίζει τόσο ρόλο στα φάσματα των μαζών (αντίθετα από ότι θα αναμένονταν), αλλά εξαρτάται από το δείγμα και τις προσμίξεις του, καθώς και την περιοχή του φάσματος που θεωρείται σημαντική για την πιστοποίηση της δομής του. Εάν η ερμηνεία του φάσματος γίνεται αποκλειστικά για μεγάλου μοριακού βάρους θραύσματα, τότε οι προσμίξεις μικρού ΜΒ δεν επηρεάζουν σημαντικά το φάσμα. Το ίδιο και με το διαλύτη που χρησιμοποιείται για τις στερεές ενώσεις. Επίσης, εάν οι προσμίξεις είναι ουσίες μεγάλου ΜΒ και υψηλού σημείου ζέσης, τότε δεν εμφανίζονται στο φάσμα (αν και τέτοιες ενώσεις τείνουν να καταστρέφουν το εσωτερικό του μηχανήματος). 255

264 Στην αντίθετη περίπτωση, όπου το φάσμα ερμηνεύεται από τις μικρής μάζας φασματικές γραμμές, για τα θραύσματα που παράγονται κατά τον ιονισμό έχουν χαμηλή σταθερότητα, τότε οι προσμίξεις παρεμβάλλονται στο φάσμα και δυσκολεύουν την ερμηνεία του Προσδιορισμός Μοριακού Βάρους και Μοριακού Τύπου με Φασματογράφο Μαζών. Με τον φασματογράφο μαζών μπορούν να προσδιορισθούν το ΜΒ μιας ένωσης χρησιμοποιώντας λιγότερο από ένα mg. Συνήθως με το ΜΒ μπορεί να προσδιορισθεί ο στοιχειώδης μοριακός τύπος με στοιχειακή ανάλυση και συνεπώς τον εμπειρικό τύπο της χημικής ένωσης. Το μοριακό ιόν τύπου M σχηματίζεται με την απώλεια ενός ηλεκτρονίου από το μόριο του δείγματος κατά τον βομβαρδισμό του με ηλεκτρόνια M + e M + 2e. Εάν η φασματική γραμμή του μοριακού ιόντος προσδιοριστεί με ακρίβεια στο φάσμα, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε το ΜΒ της ένωσης. Ωστόσο, αυτό δεν είναι πάντοτε δυνατό, γιατί μόνο το 80-90% των οργανικών ενώσεων δίνουν χαρακτηριστική γραμμή του μοριακού ιόντος σε φάσμα μαζών. Για τον ακριβή προσδιορισμό του M απαιτείται συστηματική επαλήθευση και πολύ καθαρό δείγμα. Η σταθερότητα του μοριακού ιόντος και η ένταση της φασματικής γραμμής (% σχετική αφθονία) εξαρτάται από τη δομή της ένωσης. Τα π- ηλεκτρονιακά συστήματα (τροχιακά) στο μόριο τείνουν να σταθεροποιήσουν το μοριακό ιόν. Έτσι οι κυκλικές ενώσεις με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς (και διάφορες ομάδες στο δακτύλιο με διπλούς δεσμούς) παρουσιάζουν σταθερό μοριακό ιόν. Η σειρά με την οποία οι διάφορες ομάδες οργανικών ενώσεων παρουσιάζουν σταθερότητα μοριακού ιόντος και φθείνουσα % σχετική αφθονία είναι: αρωματικές ενώσεις, ετεροκυκλικές ενώσεις, κυκλοαλκάνια, μερκαπτάνες, σουλφίδια, συζυγή διένια, αλδεΰδες, κετόνες, αλκένια, καρβοξυλικά οξέα, αμίδια, αλκυλαγονίδια, νιτρίλια, αλκοόλες, ακετάλες. Οι γενικοί κανόνες για την εμφάνιση και ένταση του μοριακού ιόντος μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω. Η εμφάνιση φασματικών γραμμών μικρής έντασης από (υποτιθέμενη) αρωματική ένωση είναι συνήθως ύποπτη ως πρόσμιξη. Η έντονη φασματική γραμμή για αλκοόλες μάλλον οφείλεται σε διάσπαση (π.χ. αφαίρεση νερού, Μ-18). Οι φασματικές γραμμές των μοριακών ιόντων έχουν πάντοτε άρτιες τιμές (για το κλάσμα m/z), εκτός και αν το οργανικό μόριο περιέχει περιττό αριθμό ατόμων αζώτου, κανόνας που ισχύει για όλες τις οργανικές ενώσεις με στοιχεία C, H, N, P, S, O, Se και αλογόνα (δηλ. τα κοινά στοιχεία). Επίσης χαμηλές πιέσεις στην πηγή ιονισμού επιτρέπουν τη σύγκρουση μορίων και ιόντων με αποτέλεσμα να λαμβάνονται υδρογόνα από το μοριακό ιόν, αν και είναι σπάνια περίπτωση. Στην περίπτωση όμως αυτή εμφανίζεται φασματική γραμμή μοριακού ιόντος με τιμή m/z Μ+1. Όταν υπάρχει υποψία για μια τέτοια διεργασία, επιβάλλεται αλλαγή της πίεσης στην πηγή 256

265 ιονισμού. Ένας άλλος τρόπος για την πιστοποίηση του M + είναι η ανεύρεση χαρακτηριστικών γραμμών για ορισμένα τυποποιημένα θραύσματα οργανικών ενώσεων. Για παράδειγμα, ένωση με αλκύλια, γενικά, παρουσιάζει θραύσματα-ιόντα με m/z = Μ 15 που οφείλεται στην απώλεια μεθυλίου ( CH 3, ΜΒ = 15). Ό χημικός ιονισμός (chemical ionization) είναι η μέθοδος όπου το δείγμα αναμιγνύεται με ένα αέριο (μεθάνιο ή ισοβουτάνιο) που βρίσκεται σε υψηλότερη πίεση (δείγμα ~10-4 Torr, αέριο~1 Torr), και το μίγμα βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια. Με το βομβαρδισμό ιονίζεται το αέριο (το CH 4 για παράδειγμα δίνει τα ιόντα CH 4 και CH 3 ). Στην υψηλή πίεση του αερίου συμβαίνουν διάφορες συγκρούσεις ιόντων και μορίων που οδηγούν στην παραγωγή δευτερευόντων ιόντων όπως: CH 4 + CH 4 CH 5 + CH 3 και CH 3 + CH 4 C 2 H 5 + H 2 με μικρή περίσσεια εσωτερικής ενέργειας. Τα δευτερεύοντα αυτά ιόντα συγκρούονται με τα μόρια του δείγματος παράγοντας ιόντα. Μια δεύτερη μέθοδος ιονισμού καλείται ιονισμός πεδίου και εκρόφησης (field ionization & field desorption), όπου ο ιονισμός λαμβάνει μέρος σε πηγή που αποτελείται από μια αιχμηρή άνοδο και μια κάθοδο σε σχήμα σχισμής. Μεταξύ του χώρου ανόδου καθόδου εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού 10 KV που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην άνοδο. Τα μόρια του δείγματος, σε αέρια κατάσταση, εισερχόμενα στο πεδίο αυτό ιονίζονται με την απώλεια ηλεκτρονίων και έλκονται προς την άνοδο. Τα μοριακά ιόντα έχουν πολύ μικρή περίσσεια εσωτερικής ενέργειας. Η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για σάκχαρα, φυσικά προϊόντα και άλλες σύνθετες οργανικές ενώσεις. Η μέθοδος ιονισμού με ηλεκτροψεκασμό (Electrospray Ionization, ESI) χρησιμοποιείται συχνά σε συγχρονα φασματόμετρα LC-MS/MS. Στην βελόνα ιονισμού εφαρμόζεται υψηλό δυναμικό, 3-4 kv, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται σταγονίδια με ηλεκτρικά φορτία στην επιφάνειά τους. Η πυκνότητα του φορτίου αυξάνεται σε κρίσιμο σημείο και οι σταγόνες διαιρούνται σε μικρότερες μέχρι να παραχθούν μικροσκοπικά σταγονίδια. Λόγω απωθητικών δυνάμεων εισέρχονται στο ΦΜ με τη βοήθεια φακών εστίασης και αναλύονται.χρησιμοποιείται για την ανάλυση πολικών μορίων Διεργασίες Θραυσματοποίησης των Μορίων στον Φασματογράφο Μαζών Με το βομβαρδισμό των χημικών μορίων με ηλεκτρόνια στον ΦΜ προκαλείται ιονισμός των μορίων. Όταν η ενέργεια της ηλεκτρονικής δέσμης αυξηθεί, από ev στην αρχή σε ev, τότε τα μοριακά ιόντα αποκτούν υψηλό βαθμό υπερδιέγερσης που έχει ως αποτέλεσμα την κατάτμηση τους σε μικρότερα ιόντα. Η διεργασία κατάτμησης ή θραυσματοποίησης δεν είναι τυχαία, αλλά οδηγεί σε θραύσματα του μορίου, 257

266 ανάλογα με τους δεσμούς, που είναι αρκετά σταθερά. Τα θραύσματα εκείνα που βρίσκονται σε μεγάλη σχετική αφθονία έχουν άμεση σχέση με τη μοριακή δομή του δείγματος. Όλη σχεδόν η διεργασία θραύσης είναι ενδομοριακή, λόγω του ότι η χαμηλή συγκέντρωση και πίεση του δείγματος στο χώρο ιονισμού περιορίζει ουσιαστικά τις αντιδράσεις μεταξύ των μορίων. Τα διάφορα είδη ιόντων που προκύπτουν από τον ιονισμό σε φασματογράφο μαζών είναι: Μετασταθή ιόντα. Η κατάτμηση του αρχικού ιόντος, που προκύπτει από τη σύγκρουση με τη δέσμη των ηλεκτρονίων, δίνει ένα καινούργιο, θυγατρικό ιόν και ένα ουδέτερο μόριο ή μία ρίζα: m 1 m 2 + ουδέτερο μόριο R C R + C π.χ. Συνήθως οι φασματικές γραμμές αντιστοιχούν στο αρχικό m 1 και τα θυγατρικά m 2 ιόντα, αυτό όμως δεν είναι απόδειξη ότι ένα m + 2 έχει σχηματισθεί από το m + 1 με μια μόνο διάσπαση. Εάν το m + 1 επιταχυνθεί πριν τη διάσπαση του, τότε καταγράφεται στο φάσμα ως m 1 +, ενώ εάν διασπασθεί στην πηγή ιονισμού σε m 2 +, τότε καταγράφεται μόνο το m 2 +. Στην ενδιάμεση περίπτωση, όπου το m + 1 διασπάται σε m + 2 ενώ επιταχύνεται, τότε το θυγατρικό m + 2 δεν καταγράφεται ως m 1 ή ως m 2, αλλά ως m * με μια ευρεία φασματική ταινία λόγω της μικρής διαχωριστικής ικανότητας μεταξύ των δύο. Το ιόν αυτό, m *, καλείται μετασταθές ιόν (metastable ion). Ιόντα με περιττό ή άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων. Για την πλειοψηφία των οργανικών ενώσεων τα μοριακά τους ιόντα είναι ρίζες ή ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Το σύμβολο M χρησιμεύει για να υποδείξει τη ρίζα, έχοντας υπόψη ότι έχει απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο και όχι ότι προστέθηκε, όπως τείνει να νομισθεί με το συμβολικό τρόπο γραφής. Απώλεια ενός ουδέτερου μορίου από το μοριακό ιόν έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός τμηματικού ιόντος με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Όλα τα ιόντα με περιττό αριθμό, περιλαμβανομένου και του μοριακού ιόντος, έχουν τιμές με άρτιο αριθμό m/z, εκτός και αν έχουν περιττό αριθμό ατόμων αζώτου στο μόριο τους. Για παράδειγμα: C 7 H 6 O 2 C 7 H 5 O + HO m/z 122 m/z 105 C 6 H 7 N C 6 H 6 N + H m/z 93 m/z 92 Συνήθως, ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων είναι λιγότερα από τα ιόντα με άρτιο αριθμό στα φάσματα μαζών, αλλά όπου εμφανίζονται είναι συχνά μεγάλης δομικής σημασίας. 258

267 12.6. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αφθονία των Ιόντωνθραυσμάτων κατά τη Θραυσματοποίηση Η σπουδαιότητα μιας διεργασίας θραύσης ή κατάτμησης στην ΦΜ αφορά κυρίως την αφθονία των ιόντων που παράγονται κατά τη διεργασία αυτή. Εάν το φάσμα μαζών είναι υψηλής διακριτικής ικανότητας τότε μια ιδιαίτερη φασματική γραμμή, άγνωστη στον ερευνητή, μπορεί να αντιστοιχεί σε δύο ή περισσότερα ιόντα-θραύσματα με διαφορετική στοιχειακή αναλογία, π.χ. m/z 43 μπορεί να είναι C 3H 7 + ή C 2H 3O +. Επιπλέον, η αφθονία ενός ιδιαίτερου ιόντος εξαρτάται από τη σχετική ταχύτητα απομάκρυνσης του, καθώς και από τις ταχύτητες άλλων διεργασιών (και υπάρχουν αρκετές) που συμβάλλουν στο σχηματισμό του. Σχήμα Φασματογραφία Μάζας των ενώσεων ο- και m-διμεθοξυφαινολών. Η θραυσματοποίηση των ομάδων μετά το μοριακό ιόν (138 Μ ) είναι διαφορετική. Ο συμβολισμός που χρησιμοποιείται στην ΦΜ για τη διεργασία θραύσης είναι συνήθως το μικρό κυρτό βέλος και αντιπροσωπεύει την ετερολυτική διάσπαση (heterolytic cleavage) ενός δεσμού: X Y X + Y Η ομολυτική διάσπαση (hemolytic cleavage) ενός δεσμού παρουσιάζεται με το σύμβολο του μικρού κυρτού βέλους με μισή κεφαλή: X Y X Y X + Y Η απλή σχάση (simple fission) είναι ένας όρος που αναφέρεται: (α) στην ομολυτική διάσπαση ενός δεσμού ιόντος με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων, που παράγει ένα ιόν-θραύσμα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων συν μία ρίζα: A B A + B 259

268 (β) σε μια ετερολυτική διάσπαση ενός δεσμού ιόντος με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων που παράγει ένα ιόν-θραύσμα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων συν ένα ουδέτερο μόριο: A B A + B Γενικά, οι απλές διασπάσεις παράγουν ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων (διάσπαση δεσμού) από το αρχικό ιόν. Οι σχετικές ταχύτητες των διεργασιών αυτών εξαρτώνται από τις ενέργειες ενεργοποίησης που απαιτούνται για το σχηματισμό των μεταβατικών καταστάσεων, που οδηγούν τελικά στα προϊόντα. Εάν οι δομές των ενώσεων κατά τις μεταβατικές καταστάσεις ευνοούν τις δομές των προϊόντων, αντί των αρχικών ιόντων, τότε η σταθερότητα των προϊόντων συνδέεται με την αφθονία των ιόντων θραυσμάτων. Παραδείγματα μεταβατικών καταστάσεων είναι γνωστά, όπως για τη διακλάδωση αλυσίδας άνθρακα και σχηματισμό καρβανιόντων ή καρβοκατιόντων (κατιόντα οργανικών ενώσεων με επίπεδη διάταξη, φορτισμένα λόγω αφαίρεσης μιας ομάδας και των ηλεκτρονίων του δεσμού που την ένωνε με τον άνθρακα) και στα φαινόμενα συντονισμού (συζυγιακά ή μεσομέρειας), ιδιαίτερα με το σχηματισμό καρβοκατιόντων δίπλα σε ετεροάτομο με ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων (π.χ. άζωτο): C N C N Οι διεργασίες αποβολής και ανακατάταξης-μετάθεσης (elimination & rearrangement) είναι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αφθονία των ιόντων-θραυσμάτων κατά την πορεία θραυσματοποίησης. Στις διεργασίες αυτές δύο ή περισσότεροι δεσμοί του μορίου διασπώνται και μερικά άτομα ή ομάδες μεταφέρονται από ένα τμήμα του μορίου σε ένα άλλο. Ο τύπος αυτός μεταφοράς συνήθως αφορά ένα άτομο υδρογόνου. Τις περισσότερες φορές και οι δύο διεργασίες περιλαμβάνουν ένα ιόν-θραύσμα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και ένα ουδέτερο μόριο. Περιπτώσεις ιόντων με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων, που υπόκεινται σε ανακατάταξη και παράγουν ιόνταθραύσματα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων και ένα ουδέτερο μόριο, είναι σπάνιες. Κατά τη διεργασία αποβολής, το υδρογόνο μεταφέρεται και καθίσταται τμήμα του απομακρυνόμενου ουδέτερου μορίου, ενώ στη διεργασία ανακατάταξης το υδρογόνο μεταφέρεται στο ιόν-θραύσμα που βρίσκεται με τη μορφή ρίζας: A B A + B H A BH A H + B H αποβολή H ανακατάταξη 260

269 Η σταθερότητα των προϊόντων κατά τις διεργασίες αυτές καθορίζει και τη σπουδαιότητα κάθε μιας από αυτές. Επίσης η σταθερότητα των ουδέτερων μορίων που παράγονται κατά τις διεργασίες αυτές είναι εξαιρετικής σημασίας. Τα τμήματα του μορίου που συνήθως αποβάλλονται από το αρχικό ιόν είναι υπό τη μορφή των απλών ενώσεων H 2O, CH 3COOH, HCN, HX (όπου Χ αλογόνο) και H 2S, ενώ κατά την ανακατάταξη του ιόντος παράγονται ενώσεις όπως RCH=CH 2, RC CH, RCH=C=O και CO 2. Επίσης πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι οι δύο αυτές διεργασίες συμβαίνουν συνήθως μέσω μιας κυκλικής ενδιάμεσης ένωσης, με αποτέλεσμα να συμβαίνει συγχρόνως διάσπαση του δεσμού και αμέσως σχηματισμός νέου Διεργασία Θραυσμαυτοποίησης για τις Διάφορες Ομάδες Ενώσεων της Οργανικής Χημείας Παρακάτω θα εξετασθούν διάφορες ομάδες ενώσεων της Οργανικής Χημείας και τις κυριώτερες διεργασίες θραυσματοποίησης του αρχικού ιόντος στα φάσματα μαζών Κορεσμένοι άκυκλοι υδρογονάνθρακες (αλκάνια) Το φάσμα μαζών αλκανίων αποτελείται συνήθως από ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων. Έτσι για παράδειγμα, το μοριακό ιόν διασπάται με μια απλή σχάση οδηγώντας σε ένα ιόν με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων και μία ρίζα: C ( C ) n C C C C C ( C ) n C C C + C Το θυγατρικό ιόν που προκύπτει υπόκειται ξανά σε απλή σχάση δίνοντας τον ίδιο τύπο ιόντων: C ( C ) n C C C C ( C ) n C + C C ουδέτερο μόριο ολεφίνης Το αποτέλεσμα είναι μια ομόλογη σειρά ιόντων με τιμές m/z C nh 2 n+ 1. Οι φασματικές γραμμές των ιόντων ακολουθούνται από γραμμές μικρότερης έντασης με τιμές m/z =1, 2 ή 3 μονάδες μικρότερες λόγω απώλειας υδρογόνων. Η παρουσία διακλαδώσεων στην αλυσίδα των ατόμων άνθρακα μπορεί να πιστοποιηθεί από τη μεγαλύτερη σταθερότητα των δευτεροταγών και τριτοταγών καρβοκατιόντων που προκύπτουν από απλή σχάση στο σημείο της διακλάδωσης. 261

270 Σχήμα Φάσματα μαζών του κ-εξανίου και του 2,3-διμεθυλο-βουτανίου. Στο φάσμα μαζών του κανονικού εξανίου η σειρά ιόντων-θραυσμάτων + με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων C nh 2n+1 είναι με τιμές m/z 29, 43, 57 και 71 και + δύο χαρακτηριστικές γραμμές της σειράς C με m/z 27 και 41. nh 2n 1 Στην περίπτωση του 2,3-διμεθυλο-βουτανίου τα ιόντα-θραύσματα της + σειράς C nh 2n+1 εμφανίζονται με τις φασματικές γραμμές 27, 43 και 71, ενώ η φασματική γραμμή 57 μόλις διακρίνεται. Ακόμη και η κορυφή 29 είναι μειωμένης έντασης σε σχέση με την αντίστοιχη του κ-εξανίου. Τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν με τη δομή της ένωσης, που είναι δύσκολο να + + διασπασθεί, παράγοντας C 4H 9 (m/z 57) ή C 2H 5 (m/z 29). Η απλή σχάση δίνει ισοποροπυλικό καρβοκατιόν (α, m/z 43), και μία ισοπροπυλική ρίζα 262

271 (β, m/z 43), που αντιπροσωπεύουν βασικές φασματικές γραμμές, δηλαδή 100% σχετική αφθονία. H H (α) C CH 3 C CH 3 (β) CH 3 CH Αλκένια και αλκίνια Τα φάσματα μαζών των περισσότερων αλκενίων παρουσιάζουν ιδιαίτερες φασματικές γραμμές μοριακών ιόντων. Συνήθως ο βομβαρδισμός με ηλεκτρόνια απομακρύνει ένα από τα ηλεκτρόνια του π-δεσμού, αφήνοντας τον υπόλοιπο σκελετό των ατόμων άνθρακα αναλλοίωτο. Η διεργασία + + διάσπασης δημιουργεί ιόντα με συντακτικούς τύπους C nh 2n+1 και C nh 2n 1. Τα cis- και trans- ισομερή παρουσιάζουν τα ίδια σχεδόν φάσματα μαζών. Ένα ενδιαφέρον ιόν-θραύσμα των αλκενίων είναι το αλλυλικό, με τιμή m/z 41: R CH 2 CH CH 2 R + CH 2 CH CH 2 CH 2 CH CH 2 m/z 41 Επίσης τα φάσματα μαζών των κυκλοαλκενίων παρουσιάζουν ιδιαίτερες φασματικές γραμμές μοριακών ιόντων. Μετακίνηση δεσμών σε κυκλοαλκένια δεν παρουσιάζει διαφορά στα φάσματα, πράγμα που δυσκολεύει την εντόπιση διπλών δεσμών στη δομή του μορίου. Το κυκλοεξένιο παρουσιάζει ένα χαρακτηριστικό τύπο θραύσης που αντιπροσωπεύει το αντίθετο της αντίδρασης Diells-Alder. + C C Σχήμα Φάσμα μαζών του 1-βουτενίου. 263

272 Τα φάσματα μαζών των αλκινίων είναι παρόμοια με των αλκενίων. Οι φασματικές γραμμές των μοριακών ιόντων είναι συνήθως ισχυρές και η διεργασία θραύσης παρόμοια με αυτήν των αλκενίων. Παράδειγμα θραυσματοποίησης αλκινίου: π.χ. το προπίνιο. H C C CH 2 R R + HC C CH 2 HC CH CH 2 m/z 39 Σχήμα Φάσμα μαζών για το 1-πεντίνιο Αλδεΰδες και κετόνες. Η παρουσία χαρακτηριστικών (δραστικών) ομάδων στις οργανικές ενώσεις δημιουργεί μεγαλύτερη ποικιλία διαστάσεων, σε σχέση με αυτές που μελετήθηκαν παραπάνω, για κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Στην περίπτωση των αλδεϋδών και κετονών, για να μελετηθεί η διεργασία θραυσματοποίησης των μορίων τους πρέπει να γίνει αποδεκτό ότι η απλοποιημένη μορφή του μοριακού τους ιόντος είναι: R 1 1 R 1 + R 2 C O (α) C O R 2 2 R 2 + R 1 C O (β) όπου το φορτίο είναι εντοπισμένο σε μια περιοχή του μορίου. Μια απλή σχάση του μορίου των αλδεϋδών και κετονών δίπλα στο καρβονύλιο έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία δύο κατιόντων (α, β) που σταθεροποιούνται με μεσομέρεια ή συντονισμό. 264

273 R R C O R C O R C O απλή διεργασία θραυσματοποίησης + R Η σταθερότητα της ρίζας R ( R 1 ή R 2 ) είναι βασικός παράγοντας, που ρυθμίζει ποια από τις δύο διεργασίες ευνοείται. Συνήθως, όσο μεγαλύτερο το R τόσο πιο εύκολα αποβάλλεται. Στην περίπτωση των αλδεϋδών δεν ευνοείται η απώλεια ενός υδρογόνου, αλλά της ομάδας R με την εμφάνιση στα φάσματα μαζών μιας ισχυρής γραμμής με m/z 29, σύμφωνα με το σχήμα: R C O R + H C O (m/e 29) H Οι κετόνες δίνουν δύο ιόντα-θραύσματα του γενικού + τύπουcnh 2 n+ 1CO (m/z 43, 57, 71, κλπ), αλλά δυστυχώς οι φασματικές αυτές γραμμές πέφτουν πάνω στις ίδιες τιμές m/z με τα ιόντα της σειράς + C (π.χ. CH 3CO + και C 3H + 7 είναι ισοβαρή ιόντα με m/z 43). nh 2n+1 Τα κατιόντα που προκύπτουν από την πρώτη σχάση δέχονται μια καινούργια σχάση με την αποβολή του σταθερού μορίου του μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Η θραυσματοποίηση αυτή οδηγεί σε ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων της σειράς C : R + nh 2n+1 C O R + CO Επίσης οι αλδεΰδες και οι κετόνες δέχονται ανακατατάξεις του μορίου τους. Μία από αυτές, η ανακατάταξη Mc Lafferty συμβαίνει εάν υπάρχει γ- υδρογόνο σε ένα από τα R 1 ή R 2 αλκύλια. H C C C C O + H C C C C O (γ-) (β-) (α-) R (αλκένιο) R Στην ανακατάταξη αυτή το γ-υδρογόνο μεταφέρεται στο οξυγόνο του καρβονυλίου και απομακρύνεται από ένα αλκένιο. Η διεργασία οδηγεί σε ένα ιόν με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και με m/z 44 +nx14 (δηλ. 44, 58, 72, 86, κλπ). Οι αλδεΰδες χωρίς αλκύλιο (R H) είναι οι μόνες καρβονυλικές ενώσεις που δίνουν φασματική γραμμή με τιμή m/z 44: 265

274 H H C C O H H m/z 44 Σχήμα Φάσμα μαζών της βουτανάλης. Τα φάσματα μαζών της βουτανάλης και βουτανόνης (Σχήματα και 12.16) είναι χαρακτηριστικά των αλδεϋδών και των κετονών. Σχήμα Φάσμα της βουτανόνης. Η γραμμή m/z 44 (βουτανάλη) είναι χαρακτηριστική και προκύπτει από την ανακατάταξη Mc Lafferty. 266

275 H CH 2 CH 2 CH 2 C O H H 2 C CH 2 + H 2 C C O H (m/z 44) H Οι άλλες φασματικές γραμμές έχουν τιμές m/z για ιόντα της σειράς + + C nh 2n+1 ή CnH 2 n+ 1CO (m/z 29, 43, 57) και πολύ κοντά σε αυτές τις γραμμές άλλες με απώλεια υδρογόνων (m/z 27, 41). Η φασματική γραμμή 29 έχει αποδειχθεί ότι αντιστοιχεί στα ισοβαρή ιόντα C 2H + 5 και HCO +. Η βουτανόνη δεν έχει γ-υδρογόνο και για αυτό δεν υπάρχει αφθονία φασματικών γραμμών για ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Η βασική γραμμή 43 αντιπροσωπεύει το ιόν CH 3CO + μετά την απώλεια της αιθυλορίζας (CH 3CΗ 2 ). Η απώλεια μεθυλικής ρίζας (που δεν ευνοείται) δίνει το ιόν CH 3CΗ 2CO + (m/z 57), αλλά με πολύ μικρή αφθονία. Πρέπει να σημειωθεί ότι και στα δύο φάσματα η φασματική γραμμή του μοριακού ιόντος (Μ + ) έχει μεγάλη αφθονία Αρωματικές ενώσεις. Τα φάσματα μαζών των αρωματικών ενώσεων παρουσιάζουν σταθερό μοριακό ιόν, λόγω του συστήματος των αρωματικών π-ηλεκτρονίων, που συνήθως δίνει μια ισχυρή φασματική γραμμή. Η θραυσματοποίηση του αρωματικού δακτυλίου, στο βενζόλιο, απαιτεί αρκετή ενέργεια και για αυτό δεν εμφανίζεται με μεγάλη αφθονία όπως δείχνει και το φάσμα του βενζολίου. Σχήμα Φάσμα μαζών του βενζολίου. 267

276 Μια πολύ συνηθισμένη θραύση στις αρωματικές ενώσεις είναι στο σημείο που βρίσκονται ενωμένες διάφορες χαρακτηριστικές ομάδες, αλλά δεν οδηγεί σε αφθονία ιόντων γιατί το κατιόν του φαινυλίου δεν είναι αρκετά σταθερό (Χ, ΝΟ 2, ΟR, αλογόνο, κλπ). X -X + X HC CH C 4 H 3 (m/z 51) Δεύτερη ενδιαφέρουσα απλή σχάση σε αρωματικές ενώσεις είναι σε αβδεσμό ως προς το βενζολικό πυρήνα. Επειδή αυτός ο τύπος θραυσματοποίησης παράγει ένα θετικό φορτίο δίπλα στο αρωματικό σύστημα των π-ηλεκτρονίων, το ιόν αυτό σταθεροποιείται με συντονισμό και είναι σταθερότερο του φαινυλίου. Οι φασματικές γραμμές των ιόντων αυτών βρίσκονται σε αφθονία στα φάσματα μαζών. H 2 C R R + R C CH (m/z 91) (m/z 65) Όταν το αλκύλιο που ενώνεται με το βενζολικό πυρήνα είναι προπύλιο ή μεγαλύτερου αριθμού ατόμων άνθρακα, τότε επικρατεί ένας τύπος ανακατάταξης Mc Lafferty. Για παράδειγμα το βουτυλοβενζόλιο με εμφάνιση φασματικής γραμμής με τιμή m/e 92. H H 2 C CH 2 CH H CH 3 CH 2 H H + CH 2 CH CH 3 (m/z 92) 268

277 Σχήμα Φάσμα μαζών προπυλοβενζολίου. Άλλα είδη ανακατάταξης σε αρωματικές ενώσεις έχουν ως αποτέλεσμα την αποβολή φορμαλδεΰδης (HCHO), μονοξειδίου του άνθρακα, νερού ή αλκοόλης (ROH). O (α) CH 2 H + CH 2 O (m/z 78) (β) + CO O O O (γ) C O R C O + ROH (R=H,CH 3 ) X H X (X=O, NH, CH 2 ) 269

278 Καρβοξυλικά οξέα, εστέρες και αμίδια. Για τα καρβοξυλικά (ή καρβονικά οξέα) παρουσιάζεται απλή σχάση του διπλού δεσμού, δίπλα στην καρβονυλική ομάδα του μοριακού ιόντος σε δύο κατευθύνσεις. R X C O 1 R + X C O 2 X + R C O (X=OH, OR, NH 2, NR 2 ) Η κατέυθυνση 1 ευνοείται, στην περίπτωση των οξέων και αμιδίων, με το σχηματισμό HO C O + (m/z 45) και Ν 2Ν C O + (m/z 44), ενώ η κατέυθυνση 2 ευνοείται για τους εστέρες και τα τριτοταγή αμίδια. R R'O C O R'O + R C O Οξέα με γ-υδρογόνα (3 άνθρακες μετά το καρβονύλιο) παρουσιάζουν την κατάταξη Mc Lafferty και παράγουν μια έντονη φασματική γραμμή για την τιμή m/z 60. Σχήμα Φάσμα μαζών του βουτυρικού οξέος Αλκοόλες, φαινόλες και μερκαπτάνες (θειόλες). Η φασματική γραμμή για το μοριακό ιόν των πρωτοταγών και δευτεροταγών αλκοολών είναι συνήθως μικρής σχετικής αφθονίας. Η πιο σημαντική διεργασία θραυσματοποίησης του μοριακού ιόντος είναι η 270

279 απώλεια ενός αλκυλίου. Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός ατόμων άνθρακα του αλκυλίου τόσο πιο εύκολα αποσπάται, λόγω μεγαλύτερης σταθερότητας. R' R R C OH R + C OH R'' R Έτσι στο φάσμα της 1-βουτανόλης η ισχυρή φασματική γραμμή με m/e 31 οφείλεται στην απώλεια μιας ομάδας ατόμων με τη μορφή ιόντος CH 2=OH +. Σχήμα Φάσμα μαζών 1-βουτανόλης (ή βουταν-1-όλης). Μια άλλη απλή θραυσματοποίηση στις αλκοόλες είναι η απόσπαση νερού. Η σημασία της διεργασίας αυτής αυξάνεται όσο αυξάνει ο αριθμός των ατόμων άνθρακα. Η απόσπαση H 2O από την 1-βουτανόλη δίνει την ισχυρή φασματική γραμμή m/z 56. Συνήθως, η απόσπαση νερού γίνεται είτε με αφυδάτωση από τις θερμές επιφάνειες του χώρου ιονισμού είτε, εάν έχει προλάβει να σχηματισθεί το μοριακό ιόν, με τον παρακάτω μηχανισμό, μέσω μιας κυκλικής ενδιάμεσης δομής: (CH 2 ) n RHC CHR' RHC (CH 2 ) n CHR' + H2 O H H O Στην περίπτωση της 1-βουτανόλης, η απόσπαση νερού έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της γραμμής 28 που είναι σχετικά ασθενής, ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. 1-πεντανόλη) η αντίστοιχή γραμμή είναι πιο έντονη 271

280 και μάλιστα η φασματική γραμμή με την μεγαλύτερη αφθονία. Οι γραμμές αυτές συμβολίζονται ως Μ-18. Οι φαινόλες συνήθως χάνουν CO (ΜΒ=28) και εμφανίζουν ισχυρές φασματικές γραμμές σε m/z, Μ-28. Επίσης οι φαινόλες χάνουν τη ρίζα (ΗCO ) και παρουσιάζουν γραμμές σε Μ-29 ως προς το μοριακό ιόν. Οι φασματικές αυτές γραμμές φαίνονται στο φάσμα μαζών της 2- μεθυλοφαινόλης (ο-κρεζόλης) στο ακόλουθο σχήμα. Σχήμα Φάσμα μαζών της 2-μεθυλοφαινόλης. Οι θειόλες (R SH) παρουσιάζουν ισχυρότερη φασματική γραμμή για το Μ + από τις αλκοόλες. Οι δύο κατευθύνσεις της θραύσης της 2- βουτανοθειόλης είναι: CH C 2 H 3 CH SH m/z 61 CH SH C 2 H 5 H 3 C 2 C 2 H 5 SH + CH 3 m/z 75 Το τμηματικό ιόν που σχηματίζεται από την πορεία 2, υπόκειται σε ανακατάταξη και μετά απώλεια αιθυλενίου (CH 2=CH 2) δίνει το ιόν με m/z 47 CH = S + 2 H. CH 2 CH SH CH 2 H 272

281 Αμίνες. Οι αμίνες μπορούν να πιστοποιηθούν εύκολα με φασματογραφία μαζών από τις τιμές των μοριακών ιόντων τους. Ενώσεις με περιττό αριθμό ατόμων αζώτου έχουν πάντοτε περιττού-αριθμού μοριακό βάρος. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις αλειφατικών (άκυκλων) αμινών η φασματική γραμμή του Μ + είναι πολύ ασθενής. Η πιο συνηθισμένη θραυσματοποίηση είναι η β-θραύση: H H H R C N R + C N H H H H H Στις σχάσεις αυτές, όσο πιο μεγάλο το R τόσο πιο εύκολη η απόσπαση. Έτσι για πρωτοταγείς αμίνες χωρίς διακλαδώσεις στον άνθρακα, δίπλα στο άζωτο, η πιο ισχυρή φασματική γραμμή είναι m/z 30. Η σχάση αυτή μπορεί να συμβεί σε δευτεροταγείς και τριτοταγείς αμίνες. R H 2 C NH 2 R + H 2 C NH 2 m/z 30 Σχήμα Φάσμα μαζών της αιθυλαμίνης. Οι αρωματικές αμίνες παρουσιάζουν ισχυρή φασματική γραμμή για το μοριακό ιόν. Επίσης παρουσιάζουν μια δεύτερη γραμμή κατά μία μονάδα μικρότερη λόγω απώλειας ενός υδρογόνου από το Μ +. Η διεργασία θραύσης για την ανιλίνη είναι: H H H H NH 2 NH + H + HCN + H m/z 93 m/z 92 m/z 66 m/z

282 Αλογονωμένες οργανικές ενώσεις (αλκυλαλογονίδια, RX). Στα αλκυλαλογονίδια η φασματική γραμμή του Μ + είναι πιο έντονη στα αλκυλοϊωδίδια και λιγότερο ισχυρή στα αλκυλοβρωμίδια, χλωρίδια και φθορίδια. Επίσης, όσο ο αριθμός των ατόμων άνθρακα στο αλκύλιο μεγαλώνει και οι διακλαδώσεις στον α-άνθρακα πληθαίνουν, τόσο μειώνεται η ένταση της φασματικής γραμμής του Μ +. Η πιο απλή σχάση και η πιο σημαντική στα αλκυλαλογονίδια, είναι η απώλεια ενός αλογόνου. Επίσης τα αλκυλαλογονίδια μπορούν να υποστούν και την απώλεια υδραλογόνου, ΗΧ, με την παρακάτω διεργασία: R H 2 C H 2 C + X RCH CH 2 HX Ένα άλλο χαρακτηριστικό των ενώσεων αυτών είναι η παρουσία δύο ασθενών φασματικών γραμμών για δύο μοριακά ιόντα (δύο για το καθένα), μόνο για RCl και RBr. Το φαινόμενο είναι αποτέλεσμα της ισοτοπικής σύνθεσης των ενώσεων που περιέχουν χλώριο (ΜΒ=35.37) και βρώμιο (ΜΒ=81.79). Σχήμα Φάσμα μαζών του 1-βρωμοεξανίου. Στις αρωματικές αλογονωμένες ενώσεις το Μ + παρουσιάζεται συνήθως ως έντονη φασματική γραμμή. Η πιο σημαντική θραύση του μορίου αφορά το σχηματισμό ιόντος C 6H 5 + και απώλεια αλογόνου. 274

283 Αμινοξέα. Στην περίπτωση των αμινοξέων, όπως και με τα στεροειδή, τριγλυκερίδια και άλλα φυσικά προϊόντα, η εμφάνιση των μοριακών ιόντων είναι δύσκολο να πιστοποιηθεί στα φάσματα μαζών. Η βασική διεργασία θραύσης του μορίου των αμινοξέων είναι η απώλεια καρβοξυλίου με την παρακάτω σειρά: O R CH C O H R CH NH 2 + CO 2 H NH 2 m/z 45 m/z 45 Στην περίπτωση της λευκίνης η πορεία θραύσης του μορίου είναι: H 3 C H 3 C CH CH 2 CH CO 2 H NH 3 CO 2 H H 3 C H 3 C CH H 3 C H - H CH 2 C NH 3 H 3 C CH CH 2 C H NH 2 m/z 87 m/z 86 Σχήμα Φάσμα μαζών της λευκίνης Ερμηνεία Φασμάτων Μαζών. Παραδείγματα. Για την ερμηνεία φασμάτων (ΦΜ) απαιτείται συστηματική επεξεργασία των στοιχείων και προσεκτική εκτίμηση των μοριακών βαρών των θραυσμάτων (τμηματικών ιόντων) και ιδιαίτερα του αρχικού μοριακού 275

284 ιόντος Μ + (λόγω σημαντικών παρανοήσεων που μπορεί να δημιουργηθούν κατά την ανάγνωση του φάσματος). Ο ερευνητής πρέπει να πάρει υπόψη του τη μέθοδο σύνθεσης της ένωσης, τις φυσικές σταθερές της και τις άλλες φασματοσκοπικές μεθόδους (IR, UV, NMR, κλπ) σε ότι αφορά τη δομή της. Η σειρά με την οποία αποτιμά ένα ΦΜ είναι: (α) Εκτιμάται το m/z για το Μ +. Πολλές φορές η φασματική γραμμή είναι πολύ ασθενής ή περιβάλλεται από άλλες (προσμίξεις κ.λπ). Εάν ο αριθμός m/z για το Μ + είναι άρτιος, τότε υπάρχει άζωτο ή ο αριθμός των ατόμων αζώτου στο μόριο είναι άρτιος. Αντίθετα, με περιττό αριθμό του Μ + η ένωση περιέχει περιττό αριθμό ατόμων αζώτου. (β) Γίνεται εκτίμηση των φασματικών γραμμών για την παρουσία διπλού δεσμού και αρωματικού δακτυλίου, συγκρίνοντας την ένταση της γραμμής για το Μ + σε σχέση με το υπόλοιπο φάσμα. (γ) Καταγράφονται με τη σειρά οι κυριότερες φασματικές γραμμές (αυτό γίνεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή του οργάνου) και σημειώνονται τα τμηματικά ιόντα με άρτιο και περιττό αριθμό m/z. Οι τιμές για ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύουν ανακατατάξεις ή απώλεια ιόντος και έχουν μεγάλη δομική σημασία. (δ) Καταγράφονται οι διαφορές των τιμών m/z μεταξύ Μ + και των τμηματικών ιόντων με σκοπό τον προσδιορισμό ουδετέρων μορίων (π.χ. Η 2Ο, HCN, HX, CO, CO 2, κλπ). (ε) Προτείνονται δομές για τα πιο άφθονα ιόντα και συγκεντρώνονται τα διάφορα τμηματικά ιόντα σε συνδυασμούς που μπορεί να αφορούν πιθανές μοριακές δομές της ένωσης. (στ) Επιβεβαιώνουμε, εφ όσον είναι δυνατό, το φάσμα του δείγματος με ουσία της ίδιας ή παραπλήσιας. Παράδειγμα1: Το φάσμα μαζών της ένωσης C 5H 12S (ΜΒ=104). Σχήμα Φάσμα μαζών της C 5H 12S. Το μοριακό ιόν Μ + έχει τιμή m/z 104 και συνοδεύεται από δύο ισοτοπικές φασματικές γραμμές με τιμές 105 και 106, που είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη (για την φυσική αφθονία ισοτόπων των στοιχείων και 276

285 παραδείγματα υπολογισμών βλ. στις επόμενες σελίδες). Η σχετική ένταση των φασματικών γραμμών (το ύψος τους) των ιόντων Μ, Μ+1, και Μ+2 είναι 10 6, 24 4, 5. Η σχετικά μεγάλη τιμή του M+2 δηλώνει την παρουσία ενός ατόμου θείου στο μόριο (το θείο S, έχει τρία ισότοπα μάζας: 32 με φυσική αφθονία 95.03%, 33 με φυσική αφθονία 0.75% και 34 με φυσική αφθονία 4.22%). Από τον άρτιο αριθμό του μοριακού βάρους προκύπτει ότι δεν υπάρχει άζωτο ή ο αριθμός των αζώτων πρέπει να είναι άρτιος. Η ένταση της γραμμής Μ + είναι ένδειξη για την παρουσία τουλάχιστον 5 ατόμων άνθρακα. Ένας πιθανός μοριακός τύπος είναι C 5H 12S (υπάρχουν απλοί τρόποι υπολογισμού των αναλογιών των εντάσεων με βάση τη φυσική αφθονία των ισοτόπων των στοιχείων). Στο φάσμα μαζών υπάρχουν δύο ενδιαφέροντα τμηματικά ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και τιμές m/e 70 (Μ-34) και m/z 42 [Μ-(34+28)]. Η απώλεια 34 μονάδων αντιστοιχεί στην ένωση H 2S και υποδεικνύει την ύπαρξη μιας θειόλης (RSH). Η φασματική γραμμή (m/e 42) αντιπροσωπεύει το τμήμα C 3H 6 +, που σχηματίστηκε με την αποβολή H 2S και CH 2=CH 2 (MB=28) από το μοριακό ιόν. Η διεργασία θραύσης μπορεί να εξηγηθεί με δύο εναλλακτικές δομές (α, β), που μέσα από κυκλικές (6 άνθρακες) μεταβατικές καταστάσεις μπορούν να οδηγήσουν στο m/e 42. H 3 C CH H S H H 3 C CH H 2 C H S H H 2 C CH 2 CH 2 CH C H C H 3 C 2 H 2 (α) (m/z 42) (β) CH 2 Οι πιο χαρακτηριστικές φασματικές γραμμές, για ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων είναι m/z 55, 41 και 24 και οφείλονται στα ιόντα + C nh 2n 1, πράγμα που επιβεβαιώνει την ύπαρξη ανθρακικής αλυσίδας. Η φασματική γραμμή m/z 47 με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων, είναι μια α-σχάση που σημαίνει πρωτοταγή θειόλη. Η φασματική γραμμή με m/z 61 οφείλεται στο ιόν που περιέχει το άτομο του θείου, δηλ. C 2H 5S +, υπογραμμίζοντας τη βασική δομική μονάδα που δίνει τους παρακάτω συντακτικούς τύπους: R H 2 C C H2 S H H S H 2 C CH 2 + R Τέλος, η ισχυρή φασματική γραμμή με m/z 29 (C 2H 5 +) είναι ένδειξη ότι η ένωση είναι 1-πεντανοθειόλη και όχι 3-μεθυλο-1-βουτανοθειόλη [CH 3CH(CH 3)CH 2CH 2SH] που μπορεί να δώσει το ιόν C 2H 5 + με αρκετά περίπλοκη ανακατάταξη του μορίου. 277

286 Παράδειγμα 2: Το φάσμα μαζών της ένωσης με μοριακό τύπο C 7H 6O 2 και με μοριακό ιόν Σχήμα Φάσμα μαζών του C 7H 6O 2. Από το φάσμα ΦΜ φαίνεται ότι η φασματική γραμμή του Μ + είναι η ισχυρότερη (100% αφθονία). Το γεγονός αυτό και οι φασματικές γραμμές με m/e 76, 66, 65, 39 και 38 καθιστούν φανερό την ύπαρξη βενζολικού δακτυλίου. Επίσης η ελαφρά ισχυρότερη φασματική γραμμή με 121 (και η 29, που μπορεί να είναι CHO + ) δείχνουν ότι η ένωση μπορεί να είναι αρωματική αλδεΰδη. Το άλλο τμήμα του μορίου πρέπει να είναι ένα υδροξύλιο (ΟΗ). Συμπεραίνουμε ότι η C 7H 6O 2 είναι υδροξυβενζαλδεΰδη. O (m/e 93) HO C H - H HO C O - CO HO C O - HO m/e

287 12.9. Φυσική Αφθονία Ισοτόπων Στοιχείων και η Σημασία τους στα Φάσματα Μαζών. Για την περίπτωση των μοριακών ιόντων στα φάσματα μαζών, πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο αριθμός των ισοτόπων των στοιχείων. Τα διάφορα στοιχεία (C, H, O) που καταγράφονται με την ΦΜ έχουν δύο ή και περισσότερα ισότοπα. Η φυσική αφθονία των πιο συνηθισμένων στοιχείων που απαντούν στις οργανικές ενώσεις παρατίθενται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας Στοιχείο Υδρογόνο Άνθρακας Άζωτο Οξυγόνο Φθόριο Φωσφόρος Θείο Χλώριο Φυσική αφθονία ισοτόπων Μάζα % Μάζα % Μάζα % Εκτός από το βρώμιο, το ελαφρότερο ισότοπο είναι και το πιο άφθονο σε όλα τα στοιχεία. Όταν υπολογίζεται (ή μετράται) το μοριακό ιόν (που κατά συνέπεια συνδέεται με το μοριακό βάρος), είναι φυσικό να προσδιορίζονται τα πιο άφθονα ισότοπα των στοιχείων. Ωστόσο, το φάσμα μαζών είναι ευαίσθητο και καταγράφει την παρουσία των ιόντων που προκύπτουν από μόρια που περιέχουν ένα ή περισσότερα ισότοπα των στοιχείων. Έτσι αντί για μία μόνο φασματική γραμμή του Μ + παρουσιάζεται μια συστάδα γραμμών (molecular-ion cluster) με Μ, Μ+1, Μ+2, κ.λπ. Άνθρακας, υδρογόνο οξυγόνο και άζωτο (ισότοπα). Για παράδειγμα στο φάσμα του μεθανίου, θα παρατηρηθεί ότι το Μ + αποτελείται από δύο γραμμές, m/e 16 από το ( 12 C 1 H 4) + και m/e 17που οφείλεται κυρίως στο ( 12 C 1Η 2 2H 2) +. Η παρουσία μοριακών ιόντων με m/e 18, που μπορεί να οφείλεται είτε στο ( 13 C 1 Η 3 2H) +, είτε στο ( 12 C 1 Η 2 2H 2) + είναι αμελητέα, λόγω της πολύ χαμηλής φυσική αφθονίας του ισοτόπου 2 Η (0.02%), καθιστώντας έτσι αδύνατο το συνδυασμό ενός δεύτερου 2 Η ή ακόμη και ενός 13 C. Με την προϋπόθεση ότι τα δυναμικά ιονισμού των 12 C 1 H 4 και 13 C 1 H 4 είναι όμοια (μια λογική υπόθεση), τότε η αναλογία της έντασης των γραμμών θα είναι (λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική αφθονία του 13 C): M + M = =

288 Στην περίπτωση ενός πιο σύνθετου υδρογονάνθρακα, για παράδειγμα του C 30H 62, η συστάδα των γραμμών των μοριακών ιόντων θα αποτελείται τουλάχιστον από τρεις γραμμές αρκετής έντασης (ώστε να διακρίνονται). Οι τιμές τους θα ένια m/e 422, 423 και 424 (Μ, Μ+1 και Μ+2). Η γραμμή Μ+2 δεν είναι πλέον αμελητέα, γιατί η παρουσία 30 ατόμων άνθρακα σημαίνει ότι τα μόρια που περιέχουν δύο άτομα 13C θα οδηγήσουν σε μια σημαίνουσα γραμμή Μ+2. Η αναλογία της έντασης των γραμμών (ή κορυφών) θα είναι: M M λόγω της φυσικής αφθονίας του ατόμου 13 C. Ο μεγάλος αριθμός ατόμων υδρογόνου σημαίνει ότι, η συνεισφορά τους στην κορυφή Μ+1 λόγω 2 Η ενισχύεται αντίστοιχα, έτσι ώστε: M + M (από τα άτομα 2Η μόνο) Η τελική αναλογία των δύο γραμμών (κορυφών) για την ένωση C 30H 62 θα είναι: M ( ) M Επίσης, η αναλογία των δύο γραμμών (Μ+2/Μ)Χ100 θα έχει χαρακτηριστική τιμή που προσδιορίζεται από τη φυσική αφθονία των ισοτόπων άνθρακα και υδρογόνου. Ο παραπάνω υπολογισμός της έντασης των φασματικών γραμμών είναι μια προσέγγιση. Ωστόσο, οι Beynon και Williams υπολόγισαν τις αναλογίες (Μ+1)/Μ και (Μ+2)/Μ για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς των ατόμων C, H, O καιν Ν μέχρι μοριακού βάρους 500. Πρέπει να έχουμε υπόψη ότι, η συστάδα του μοριακού-ιόντος πρέπει να έχει κάποια λογική ένταση για να μπορεί να μετρηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια. Ένας κατά προσέγγιση υπολογισμός μπορεί να επιτευχθεί και με τη φόρμουλα C WH XN YO Z: M = 1.08W X M Y M = M ( 1.08W X ) Z Παρόμοιες υποθέσεις και υπολογισμοί ισχύουν και για ισότοπα των στοιχείων θείου και αλογόνων. Όταν περιέχονται σε οργανικές ενώσεις. 280

289 Συνδυασμός αερίου χρωματογράφου και φασματογράφου μαζών. Το πιο σημαντικό πρόβλημα στη φασματογραφία μαζών ήταν μέχρι πρόσφατα η καθαρότητα του δείγματος. Ακόμη και ελάχιστες ποσότητες προσμίξεων ή παράγωγα της ένωσης μπορούν να δώσουν πολλές ανεξήγητες φασματικές γραμμές που θα δυσκολέψουν την ερμηνεία του φάσματος. Εάν όμως το δείγμα περάσει μέσα Από τη στήλη διαχωρισμού ενός αέριου χρωματογράφου (ΑΧ) τότε παραλαμβάνεται σε τελείως καθαρή κατάσταση (θα είναι ένα από τα κλάσματα της χρωματογράφησης). Οι ποσότητες (10-12 μέχρι 10-3 g) που εξέρχονται μετά τη χρωματογράφηση είναι στην αέρια φάση και σε ιδανικές συνθήκες για να περάσουν στο θάλαμο ιονισμού του ΦΜ, με την προϋπόθεση να απομακρυνθεί το φέρον αέριο (συνήθως ήλιο). Η απομάκρυνση του φέροντος αερίου γίνεται με φίλτρα (από συντηγμένο γυαλί) ή με μεμβράνες, ενώ η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι με την επίδραση του κενού. Το φέρον αέριο και το κλάσμα της οργανικής ένωσης διαβιβάζονται, μετά το διαχωρισμό τους από τον ΑΧ, σε ένα ακροφύσιο διαχωρισμού (jet separator). Με τον τρόπο η οργανική ένωση (σε αέρια κατάσταση), που είναι πιο βαριά από το ήλιο, περνάει στο σύνολό της κατά μήκος του υψηλού κενού (μεταξύ των δύο ακροφυσίων) στο θάλαμο ιονισμού, ενώ το μικρού μοριακού βάρους αέριο διαχέεται πλαγίως, κάτω από την επίδραση του κενού. Σχήμα Αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (GC-MS). 281

290 Σχήμα Ανάλυση δείγματος οργανοσεληνιακής ένωσης με HPLC-MS. Χρωματογράφημα HPLC-ICP-MS (ion-pair reversed-phase) υγρής χρωματογραφικής υψηλής πίεσης. (α) (β) Σχήμα (α) Φάσμα ESI-MS ισοτοπικό προφίλ, (β) I-MS/MS φάσμα με ιόν m/z 198 για την σεληνομεθειονίνη (ενζυματική υδρολάση της ζύμης).(ιcp-ms: inductively coupled plasma-mass spectrometry, ESI: electrospray ionization, MALDI: matrix-induced laser desorption ionization. Ο ΑΧ είναι άμεσα συνδεδεμένος με τον ΦΜ και το φάσμα μαζών κάθε μιας ουσίας στο μίγμα καταγράφεται καθώς εγκαταλείπει τη στήλη διαχωρισμού. Με τον τρόπο αυτό, που υποβοηθείται σε σημαντικό βαθμό τελευταία με ηλεκτρονική καταγραφή του χρωματογραφήματος και ευχέρεια 282

291 ακριβούς διαχωρισμού, γίνεται και η ανίχνευση μικρών ποσοτήτων προσμίξεων και η πιστοποίηση τους. Ένα παράδειγμα που μπορούμε να αναφέρουμε εδώ, είναι ο διαχωρισμός και πιστοποίηση με ΑΧ-ΦΜ (GC-MS) των εκατοντάδων οργανικών ενώσεων που περιέχονται στο άρωμα του καφέ. Ως αναλυτική μέθοδος, η GC-MS εφαρμόζεται με μεγάλη επιτυχία στην ανάλυση (ρουτίνας πλέον) φαρμάκων, φυτοφαρμάκων, στεροειδών και μεταβολιτών στο αίμα και τα ούρα, τοξικών ουσιών στα τρόφιμα, τοξικών ουσιών στο πόσιμο νερό, κλπ. Παρά τους περιορισμούς και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει ο συνδυασμός GC-MS (απαιτείται ταχύτατη καταγραφή του φάσματος, ορισμένες αντιδράσεις ισομερισμού μέσα στη στήλη διαχωρισμού του αέριου χρωματογράφου περνούν απαρατήρητες, μικρές ποσότητες του φέροντος αερίου διαφεύγουν στο θάλαμο ιονισμού, κλπ). Η ανάγνωση του φάσματος και η σύγκριση του με φάσματα από μια συλλογή φασμάτων σε τράπεζα πληροφοριών είναι πλέον εργασία απλή με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή που φέρουν όλοι οι νέοι φασματογράφοι μάζας. Σχήμα Φασματογράφος HPLC-MS Μοριακά Ιόντα θραύσματα και οι Οργανικές Ενώσεις από τις Οποίες Προκύπτουν Πίνακας Μοριακά ιόντα θραύσματα και οι οργανικές ενώσεις από τις οποίες προκύπτουν. Μάζα ιόντος Τύπος ιόντος ή ουδέτερο μόριο Ομάδα ενώσεων ή δομική ομάδα από τις οποίες προκύπτει το μοριακό ιόν ή το ουδέτερο μόριο C CH + CH 2, N +, N 2 ++, CO ++ Τα ιόντα προκύπτουν από μεγάλο αριθμό οργανικών ενώσεων, κατά τη θραύση τους στο φασματογράφο μαζών. 283

292 CH 3 + O, NH 2 +, O 2 ++ OH +, NH 3 H 2O, NH4 + H 3O +, F + HF,Φ ++, CH 2CN ++ C 2H 2O ++ CO 2 ++ Nα C 2 C 2H + C 2H 2, CN + C 2H 3 +, HCN C 2H 4,CO, N, HCNH + C 2H 5 +, CHO + Ν-αιθυλαμίνες, μεθυλο-ομάδες ως υποκατα-στάτες σε ανθρακική αλυσίδα, κλπ. (α) μεθάνιο (CH4) σπανίως (β) οξυγόνο (Ο): νιτροενώσεις, σουλφόνες, εποξείδια, Ν-οξείδια. (α) (ΟΗ): οξέα (ιδιαίτερα αρωματικά), υδροξυλαμίνες, τεταρτοταγείς αλκοόλες, σουλφοξείδια, νιτρο ενώσεις. (β)(νη 3): πρωτοταγείς αμίνες. (Η 2Ο): αλκοόλες, μερικά καρβοξυλικά οξέα, αλδεΰδες, κετόνες, λακτόνες, κλπ. (F): φθορίδια. (Η F): υδροφθορίδια. Τα ιόντα προκύπτουν από διάφορες οργανικές ενώσεις (το Να από ενώσεις που είναι άλατα νατρίου). Ακετυλένια στο τέλος της ανθρακικής αλυσίδας. (α) (C 2H 2): αρωματικές ενώσεις. (β) (CN): νιτρίλια. (α) (C 2H 3): βινυλο ενώσεις (τέλος ανθρακι-κής αλυσίδας), μερικοί αιθυλοεστέρες και Ν-αιθυλαμίδια. (β) (ΗCN): αρωματικό Ν, νιτρίλια. (α) (C 2H 4): από διάφορες οργανικές ενώ-σεις, κυκλοεξένια, αιθυλοεστέρες, προπυ-λοκετόνες, προπυλoϋποκατεστημένες αρωματικές ενώσεις. (β) (CΟ): αρωματικό Ο, κινόνες, λακτόνες. (γ) (Ν 2): διαζω ενώσεις. 284

293 CΗ 2Ο,CΗ 2ΝΗ 2,ΝΟ +, C 2Η 6, ΒF, Ν 2Η 2 CΗ 3Ο +,CΗ 3ΝΗ 2,CF +, Ν 2Η 3 + Ο 2,CΗ 3ΟΗ,S,Ν 2Η 4 CH 3OH 2 +, SH +, CH 2F + (α) (C 2H 4): διάφορες οργανικές ενώσεις, προ-κύπτει σε μεγάλη σχετική αφθονία. (β) (CΗΟ): φαινόλες, φουράνια, αλδεΰδες. (α) (C 2H 6): αιθυλο αλκάνια. (β) (CΗ 2Ο): κυκλικοί αιθέρες, λακτόνες, πρωτο-ταγείς αλκοόλες. (γ) (ΝΟ): νιτρο και νιτρωδο ενώσεις (ενδεικτικό για άζωτο). (α) (CH 3Ο): μεθυλοεστέρες, μεθυλοαιθέρες, πρωτοταγείς αμίνες. (β) (CH 3ΝΗ 2): Ν μεθυλαμίνες. (γ) (Ν 2Η 3): υδραζίδια (α) (CH 3ΟΗ): μεθυλοεστέρες, μεθυλοαιθέρες. (β) (S) σουλφίδια. (γ) (Ο 2): κυκλικά υπεροξείδια. 34 SH 2, (OH+OH) (α) (CH 3 Η 2Ο): διάφορες οργανικές ενώσεις (ενδεικτικό οξυγόνου). (β) (SH): (ενδεικτικό για θείο). (γ) (CH 2F): φθορομεθυλο ενώσεις SH 3 +, Cl +, (OH+H 2O) HCl, C 3 +, (H 2O+H 2O) C 3H + C 3H 2 C 3H + 3 C 3H 4, CH 2CN +,Φ (α) (SH 2): διάφορες οργανικές ενώσεις (ενδει-κτικό για θείο). (β) (ΟΗ+ΟΗ): νιτροενώσεις. (α) (Cl): χλωρίδια. (β) (ΟΗ +Η 2Ο): νιτροενώσεις (ενδεικτικό για 2 οξυγόνα). (α) (ΗCl): χλωρίδια. (β) (Η 2Ο +Η 2Ο): (ενδεικτικό για 2 οξυγόνα). Διάφορες οργανικές ενώσεις. Αρωματικές ενώσεις. (CH 2CΝ): κυανομέθυλο ενώσεις. 285

294 Βιβλιογραφία: Φασματομετρία Μαζών 1. Benyon JH. Mass Spectrometry and its Applications to Organic Chemistry. Elsevier, Amsterdam, Bierman K. Mass Spectrometry: Organic Chemical Applications. Mc Graw- Hill, New York Budsikiewicz H, Djerassi C, Williams DH. Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds. Holden-Day, San Francisco, Kiser RN. Introduction to Mass Spectrometry and its Applications. Prentice- Hall, New Jersey, Hill HC. Introduction to Mass Spectrometry. Heyden, London, Benyon JH, Saunders RA, Williams A. The Mass Spectra of Organic Molecules. Elsevier, Amsterdam, White FA. Mass Spectrometry IN Science and Technology. John Wiley and Sons, New York, Shrader SR. Introductory Mass Spectrometry. Allyn and Bacon, Boston, Williams DH, Howe I. Principles of Organic Mass Spectrometry. McGraw- Hill, London, Johnstone RAW. Mass Spectrometry for Organic Chemists. Cambridge University Press, Cambridge, Litsow MR, Spalding TP. Mass Spectrometry of Inorganic and Organometallic Compounds. Elsevier, New York, McLafferty FW. Interpretation of Mass Spectra. Benjamin, London, 1973, University Books, California, 1980 (3 rd ed). 13. McFadden W. Techniques of Combined Gas Chromatography/Mass Spectrometry: Applications in Organic Analysis. Wiley-Interscience, New York, Mayer JR. The Mass Spectrometer. Wykeham publ, London, Rose ME, Johnstone RAW. Mass Spectrometry for Chemists and Biochemists. Cambridge University Press, Cambridge, McLafferty FW, Venkatavaghavan. Mass Spectra Correlations. Amercan Chemical Society, Washington DC, Message GM. Practical Aspects of Gas Chromatography/ Mass Spectrometry. John Wiley and Sons, Chichester, Chapman JR. Practical Mass Spectrometry. John Wiley and Sons, New York, Gaskell S.(ed). Mass Spectrometry in Biochemical Research. John Wiley and Sons, New York, White FA, Wood GM. Mass Spectrometry: Applications in Science and Engineering. Wiley-Interscience, New York, Karasek FW (ed). Mass Spectrometry in Environmental Sciences. Plenum, New York, Duckworth HE, Barber RC, Venkatasubramanian VS. Mass Spectrometry. Cambridge University Press, Cambridge, 1986 (2 nd ed). 286

295 23. Burlingame AL, Castagnoli N.(eds). Mass Spectrometry in the Health and Life Sciences. Elsevier, Amsterdam, Davis R, Frearson M. Mass Spectrometry (Analytical Chemistry by Open Learning Series). John Wiley and Sons, Chisester, McLafferty FW, Stanffer DB. Wiley/NBS Registry of Mass Spectral Data. John Wiley and Sons, New York, Eight Peak Index of Mass Spectra (by the Mass Spectrometry Data Centre). Royal Society of Chemistry, London, 1988 (3 rd ed). 27. Busch KL, Glish G. Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry Techniques and Applications of Tandem MS. VCH Verlag, New York, McLaffery FW, Abrhamm S. Registry Of Spectral Data. John Wiley and Sons, New York, Constantin E, Scnell B. Mass Spectrometry: Principles and Applications. John Wiley and Sons, New York, Chapman JR. Practical Organic Mass Spectrometry. A Guide for Chemical and Biochemical Analysis. John Wiley & Sons, Chichester, Lee Ta. A Beginner s Guide to Mass Spectral Interpretation. John Wiley & Sons, Chchester, Sparkman OD. Mass Spec. Desk Reference. Global View Publishers, New York, Niess W, ed. Current Practice of Gas Chromatography-Mass Spectrometry. Marcel Dekker, Oxford, Downard K. Mass Spectrometry: A Foundation Course. Royal Society of Chemistry, Cambridge, Smith RM. Understanding Mass Spectra. A Basic Approach, 2 nd ed, Wiley- Interscience, New York, McMaster MC. GC/MS. A Practical User s Guide. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ,

296 288

297 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟΤΡΙΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΟΙΑ RAMAN Εκτός από τις μεθόδους ανάλυσης της δομής των οργανικών ενώσεων που εξετάσθηκαν στα προηγούμενα κεφάλαια υπάρχουν και άλλες μέθοδοι που έχουν πιο εξειδικευμένες φασματοσκοπικές εφαρμογές στην Οργανική Χημεία και οι οποίες διερευνούν κβαντωμένες ενεργειακές αλληλεπιδράσεις στην εσωτερική δομή του χημικού μορίου. Αναφέρουμε εδώ την Φλογοφωτομετρία, την Φασματοσκοπία Ατομικής Απορρόφησης, την τεχνική της Στιγμιαίας Φωτόλυσης, την Φασματοσκοπία Ακτίνων-Χ, την Φασματοσκοπία Mössbaner, την Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία κ.α., που είναι μερικές από τις εξειδικευμένες μεθόδους φασματοσκοπίας. Αντίθετα, η Φασματοσκοπία Raman είναι μία από τις σημαντικές φασματοσκοπικές τεχνικές, που μπορούν να δώσουν χρήσιμες πληροφορίες για τη δομή χημικών μορίων, αν και η διδασκαλία της μεθόδου είναι περιορισμένη Βασικές αρχές της Φασματοσκοπίας Raman Η φασματοσκοπία Raman (Raman Spectroscopy) στηρίζεται στο φαινόμενο διάχυσης μιας ακτίνας φωτός καθώς περνάει μέσα από μια διαφανή ουσία. Εάν χρησιμοποιηθεί ακτίνα μονοχρωματικής ακτινοβολίας, τότε η ενέργεια που διαχέεται αποτελείται σχεδόν εξ ολοκλήρου (98%) από ακτινοβολία συχνότητας παρόμοιας με αυτή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (διάχυση Rayleigh), αλλά ένα μέρος της αποτελείται από μερικές διακεκριμένες συχνότητες άνω και κάτω από τη συχνότητα της προσπίπτουσας. Η διάχυση αυτή ονομάζεται Raman (παρατηρήθηκε από τον Raman το 1928). Σήμερα στη φασματοσκοπία Raman χρησιμοποιούνται ακτίνες λέιζερ με πολύ στενή περιοχή συχνοτήτων (σχεδόν μόνο μία διακεκριμένη συχνότητα). Η ακτίνα αυτή υπόκειται σε δύο είδη διάχυσης όταν περάσει μέσα από το δείγμα. Οι φασματικές γραμμές των οποίων η συχνότητα είναι μικρότερη της συχνότητας της προσπίπτουσας ακτινοβολίας λέιζερ καλούνται γραμμές Stokes (Stokes lines) και οφείλονται στη σύγκρουση φωτονίων με μόρια που βρίσκονται στη θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση, ενώ οι φασματικές γραμμές με συχνότητα μεγαλύτερη καλούνται γραμμές anti Stokes (anti-stokes lines), και οφείλονται στη σύγκρουση φωτονίων με μόρια που βρίσκονται σε διεγερμένες ενεργειακές καταστάσεις. Στη δεύτερη αυτή περίπτωση η περίσσεια ενέργειας μεταφέρεται στα φωτόνια καθώς τα μόρια επανέρχονται στην αρχική θεμελιώδη ενεργειακή κατάσταση. Η εξήγηση του φαινομένου Raman κατά την κβαντομηχανική είναι η παρακάτω. Όταν ακτινοβολία (φωτόνια) συχνότητας ν και ενέργειας h (h 289

298 είναι σταθερά Planck) προσπέσει πάνω σε μόρια μιας ένωσης τότε υπόκεινται ελαστικές διαθλάσεις (σχεδόν χωρίς απώλεια ενέργειας) και ένας ανιχνευτής, σε ορθή γωνία ως προς την κατεύθυνση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας, μπορεί να δεχθεί διαθλώμενα φωτόνια ενέργειας hv και συχνότητας ν. Εάν όμως υπάρξει ανταλλαγή ενέργειας κατά τη διάρκεια των ανελαστικών συγκρούσεων μεταξύ φωτονίων και μορίων, πράγμα που συμβαίνει στην πραγματικότητα, τότε τα μόρια κερδίζουν ή χάνουν ποσότητα ενέργειας,, σύμφωνα με τους νόμους της κβαντομηχανικής. Η διαφορά ενέργειας, ΔΕ, μεταξύ δύο επιτρεπόμενων καταστάσεων αντιπροσωπεύει αλλαγές στη δονητική και/ή περιστροφική ενέργεια του μορίου. Στην περίπτωση του φαινομένου Raman οι κβαντικές ενεργειακές μεταβολές οφείλονται στη δυνατότητα πόλωσης (polarizability) του χημικού μορίου, δηλαδή την ικανότητα ενός ατόμου ή μορίου να υποστεί διαχωρισμό των κέντρων θετικού και αρνητικού φορτίου μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Κατά την κλασική θεωρία, ένα χημικό μόριο μέσα σε ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο υφίσταται ένα είδος ελαστικής στρέβλωσης του σχήματος της δομής του, με αποτέλεσμα οι θετικά φορτισμένοι πυρήνες να έλκονται προς τον αρνητικό πόλο του πεδίου και τα ηλεκτρόνια προς τον θετικό. Η μετατόπιση των κέντρων των φορτίων προκαλεί μια επαγωγική διπολική ροπή (induced electric dipole moment) και το μόριο λέγεται ότι είναι πολωμένο. Η τιμή του επαγόμενου δίπολου, μ, εξαρτάται από το μέγεθος του εφαρμοζόμενου πεδίου και από την ευκολία με την οποία το σχήμα του μορίου μπορεί να στρεβλωθεί: μ = α E (13.1) όπου α είναι η σταθερά επιδεκτικότητας πόλωσης (polarizability) του μορίου (ή πολωσιμότητα). Στην περίπτωση του διατομικού μορίου του υδρογόνου, Η 2, η πολικότητα είναι ανισότροπη, δηλαδή τα ηλεκτρόνια του δεσμού μετατοπίζονται πιο εύκολα από ένα ηλεκτρικό πεδίο που εφαρμόζεται κατά μήκος του δεσμού, παρά κάθετα προς αυτόν. H H H H Μια πιο παραστατική περιγραφή της πολικότητας ενός μορίου στις διάφορες κατευθύνσεις γίνεται με το ελλειψοειδές πολικότητας, όπου το ελλειψοειδές φαίνεται από δύο μεριές που είναι κάθετες μεταξύ τους. Σχήμα Ελλειψοειδή ενός μορίου. Όταν τέτοια μόρια υποβληθούν σε μια δέσμη ακτινοβολίας συχνότητας ν, τότε το ηλεκτρικό πεδίο που υφίσταται κάθε μόριο (λόγω του δίπολου) ποικίλει σύμφωνα με την εξίσωση: Ε = Ε οημ2πνt (13.2) 290

299 κα το επαγόμενο δίπολο υπόκειται σε δονήσεις συχνότητας ν: μ = α E = α Ε οημ2πνt (13.3) Ένα τέτοιο δονούμενο δίπολο εκπέμπει ακτινοβολία της δικιάς του συχνότητα δόνησης, πράγμα που δίνει την κλασική εξήγηση διάχυσης Rayleigh. Εάν, επιπλέον, το μόριο υπόκειται σε εσωτερική κίνηση, όπως δόνηση ή περιστροφή, που μεταβάλλει περιοδικά την πολικότητά του, τότε το δονούμενο δίπολο θα υπερθέσει πάνω στην κύρια δόνηση και τη δονητική ή περιστροφική του δόνηση. Σε γενικές γραμμές, το φάσμα Raman παράγεται όταν η μοριακή δόνηση ή περιστροφή ενός μορίου προκαλεί κάποια μεταβολή στην πολικότητά του. Οι μεταβολές πολικότητας είναι δύο ειδών: (α) ποσοτική και (β) μεταβολή της κατεύθυνσης του ελλειψοειδούς πολικότητας. Η διαφορά από τα φάσματα υπερύθρου και μικροκυμάτων είναι ότι σε αυτά η μοριακή δόνηση ή περιστροφή παράγει αλλαγές του ηλεκτρικού δίπολου και όχι της πολικότητας. Παράδειγμα οι διάφορες μεταβολές του ελλειψοειδούς πολικότητας στο μόριο του νερού κατά μήκος των τριών συντεταγμένων: H O H H O H H O H Σχήμα Ελλειψοειδή πολικότητας του μορίου του Η 2Ο. Τα φάσματα Raman είναι συνδυασμός από αμιγή περιστροφικά φάσματα Raman και αμιγή δονητικά φάσματα Raman, που μπορούν να καταγραφούν με ευαίσθητα φασματογραφικά όργανα. Διατομικά και μικρού μοριακού βάρους τριατομικά μόρια παρουσιάζουν περιστροφικά φάσματα Raman και οι φασματικές γραμμές μπορούν να καταγραφούν με μεγάλη διακριτική ικανότητα. Από τις αποστάσεις των γραμμών μπορεί κανείς να υπολογίσει το μήκος των δεσμών των μορίων. Έτσι, ομοπυρηνικά μόρια, όπως το Ο 2, το Η 2 κ.λπ, δεν προσφέρονται για φασματοσκοπία IR ή μικροκυμάτων, γιατί δεν παρουσιάζουν διπολική ροπή, ενώ παρουσιάζουν περιστροφική κίνηση Raman. Τα περιστροφικά φάσματα Raman αποκαλύπτουν δομικές λεπτομέρειες που θα ήταν αδύνατο να μελετηθούν με άλλες φασματοσκοπικές μεθόδους. Στην περίπτωση των δονήσεων Raman, υπάρχουν δύο γενικοί κανόνες: (α) οι συμμετρικές δονήσεις εμφανίζουν έντονες φασματικές γραμμές, ενώ οι μη συμμετρικές δίνουν συνήθως ασθενείς και ορισμένες φορές πολύ ασθενείς, και (β) τον κανόνα του αμοιβαίου αποκλεισμού (rule of mutual exclusion) που υπογραμμίζει ότι, εάν ένα μόριο έχει κέντρο συμμετρίας τότε οι δονήσεις του είναι ενεργές στο φάσμα Raman, ενώ είναι ανενεργές στο φάσμα ΙR, και εκείνες που είναι ενεργές στο IR είναι ανενεργές στο φάσμα Raman. Εάν το μόριο δεν έχει κέντρο συμμετρίας, τότε μερικές 291

300 (αλλά όχι απαραίτητα όλες) οι δονήσεις μπορεί να είναι ενεργές στα φάσματα Raman και IR. Η σύγκριση φασμάτων IR και Raman μπορεί να δώσει χρήσιμες πληροφορίες για τη συμμετρία ή μη ενός μορίου. IR RAMAN Σχήμα Σύγκριση φασμάτων IR και Raman για το βενζοϊκό οξύ. Το φάσμα Raman έχει παραμέτρους 4880 Α, 200 Μ, υπό μορφή σκόνης Πιστοποίηση δομής μορίων με Raman και Υπέρυθρη Φασματοσκοπία. Ο συνδυασμός φασμάτων IR και Raman δίνει περισσότερες πληροφορίες για τη δομή των χημικών μορίων. Μερικά παραδείγματα, με μικρού μοριακού βάρους ανόργανα μόρια (CO 2, N 2O, SO 2, NO 2, ClO 3 και ClF 3) βοηθήσουν στην εξακρίβωση των αρχών πάνω στις οποίες μπορούν να συνδυασθούν οι δύο μέθοδοι. Πρώτα ένα τριατομικό μόριο ΑΒ 2. Είναι το μόριο γραμμικό ή μη γραμμικό, και εάν είναι γραμμικό, είναι συμμετρικό, Β Α Β ή ασύμμετρο, Β Β Α. Στην περίπτωση του CO 2 και N 2O υπάρχουν ορισμένες φασματικές γραμμές στο φάσμα του IR, που σημαίνει ότι το μόριο τους είναι γραμμικό. Ο κανόνας αμοιβαίου αποκλεισμού υπογραμμίζει ότι, π.χ. το CO 2 έχει κέντρο 292

301 συμμετρίας (O C O), ενώ το N 2O δεν έχει (Ν Ν O), γιατί μόνο το N 2O παρουσιάζει φασματικές ταινίες απορρόφησης που είναι κοινές στα δύο είδη φασμάτων (IR και Raman). Στην περίπτωση του CO 2 για συμμετρική τάση δεν υπάρχει μεταβολή της διπολικής ροπής, αλλά της πολικότητας, άρα η συμμετρική τάση του μορίου είναι ενεργή μόνο στο φάσμα Raman. Σχήμα Συμμετρικές τάσεις στο μόριο του CO 2. Αντίθετα, στην ασύμμετρη τάση του μορίου η διπολική ροπή μεταβάλλεται, αλλά δεν υπάρχει αλλαγή της πολικότητας, άρα η ασύμμετρη τάση είναι μόνο ενεργός στο φάσμα IR: O C O hv O C O + O C O Για το μόριο του SO 2, εμφανίζονται τρεις φασματικές στα 519, 1151 και 1361 cm -1 και στα δύο φάσματα. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι το μόριο δεν έχει κέντρο συμμετρίας. Στο φάσμα του IR οι 3 φασματικές γραμμές παρουσιάζονται ως ένα σύμπλεγμα λεπτών γραμμών λόγω της περιστροφικής κίνησης. Οι ενδείξεις είναι ότι το μόριο δεν είναι γραμμικό: O S O Σε ένα άλλο τριατομικό μόριο, CS 2, οι δονήσεις του είναι τεσσάρων ειδών, 3Ν 5 = 4. Η ένταση των γραμμών Raman εξαρτάται από την αλλαγή της πολικότητας καθώς τα άτομα διασχίζουν τις θέσεις ισορροπίας κατά τη δόνηση. Όπως φαίνεται και στο σχήμα 13.5., η πολικότητα είναι ένα μέτρο του πόσο εύκολα ένα ηλεκτρονικό νέφος μετατοπίζεται λόγω της πυρηνικής κίνησης. Δηλαδή, ή ένταση των απορροφήσεων Raman εξαρτάται από το πόσο διαφορετικά σχήματα έχουν τα ηλεκτρονικά νέφη πριν και μετά την ισορροπία. Στην περίπτωση CS 2 είναι ένα γραμμικό τριατομικό μόριο με δονήσεις συχνότητας ν 1, ν 2 και ν 3 (ν 4) διπλά εκφυλισμένη. 293

302 Σχήμα Δονήσεις του CS 2 και συνοδευόμενες αλλαγές της πολικότητας. Η δόνηση ν 3 είναι εκφυλισμένη, η δόνηση ν 4 είναι κάθετη στο επίπεδο του χαρτιού. Στη δόνηση ν 1 (συμμετρική) δεν υπάρχει αλλαγή της διπολικής ροπής, άρα ανενεργός στο IR. Ωστόσο οι κατευθύνσεις των διπολικών ροπών μεταβάλλονται ανάλογα από την θέση του ηλεκτρονικού νέφους, αριστερά ή δεξιά του άνθρακα (ασύμμετρη τάση και κάμψη), στις ν 2, ν 3 και ν 4, δηλαδή είναι ενεργές στο IR. Η εικόνα είναι διαφορετική για το Raman. Στην ν 1 το σχήμα των ηλεκτρονικών νεφών είναι διαφορετικό και εξαρτάται από το κατά πόσο το μόριο έχει επεκταθεί ή συρρικνωθεί. Η ν 1 είναι ενεργός στο Raman. Στις δονήσεις ν 2, ν 3 και ν 4 τα σχήματα των ηλεκτρονικών νεφών είναι πανομοιότυπα πριν και μετά τις δονήσεις σε σχέση με το σημείο ισορροπίας. Οι δονήσεις αυτές είναι ανενεργές στο Raman. Παρόμοιες καταστάσεις παρουσιάζουν και τα τετρατομικά μόρια, του τύπου ΑΒ 3 με 3Ν-6 = 6 βασικές δονήσεις, αν και ο αριθμός των συχνοτήτων τους μειώνεται λόγω εκφυλισμού όταν υπάρχει κάποιο σημείο συμμετρίας Τεχνική Φασματοσκοπίας Raman Η φασματοσκοπία Raman είναι κυρίως φασματοσκοπία εκπομπής και το φασματόμετρο που χρησιμοποιείται είναι σχεδόν παρόμοιο με αυτό της ορατής περιοχής του φωτός. Η βασική διαφορά βρίσκεται στην πηγή της ακτινοβολίας. Το διάγραμμα ενός τυπικού φασματομέτρου Raman και η εικόνα ενός μοντέρνου μηχανήματος στο Σχήμα

303 Σχήμα 13.6.Διαγραμματική παρουσίαση της διαμόρφωσης των συσκευών στο φασματοφωτόμετρο Raman. Φασματοφωτόμετρο Raman (Nicolet Almega dispersive Raman system) με ενσωματωμένο μικροσκόπιο και ισχυρές ακτίνες λέιζερ. Το σύστημα έχει και τράπεζα πληροφοριών για φάσματα Raman χημικών ενώσεων. Σε παλαιότερες εποχές χρησιμοποιούνταν λάμπες υδραργύρου, αλλά σήμερα οι φθηνές πηγές ακτινών λέιζερ προκάλεσαν ριζικές αλλαγές στη μέθοδο Raman. Οι πηγές ακτινών λέιζερ δίνουν μια στενή, υψηλής ακρίβειας μονοχρωματική ακτίνα φωτός, που μπορεί να συγκεντρωθεί σε ένα μικρό δείγμα (~1 ml) και που περιέχει σχετικά μεγάλη ενέργεια, μέσα σε πολύ μικρή περιοχή συχνοτήτων. Παλαιότερα απαιτούνταν ml δείγματος και η μέθοδος καταγραφής του φάσματος διαρκούσε αρκετό χρόνο. Η λάμπα υδραργύρου χρησιμοποιείται μόνο για αέρια δείγματα ουσιών. Το δείγμα της ουσίας διαλύεται σε κατάλληλο διαλύτη και τοποθετείται σε λεπτούς δειγματοληπτικούς σωλήνες που είναι σφραγισμένοι στο ένα άκρο. Η ακτινοβολία των ακτινών λέιζερ προσπίπτει κατά μήκος του σωλήνα. Στερεές ουσίες υπό μορφή σκόνης ή σε διαφανή πλακίδια είναι επίσης κατάλληλες για μελέτη με ακτίνες λέιζερ. Επίσης υπάρχουν και άλλα πλεονεκτήματα των ακτινών λέιζερ, όπως ότι λειτουργούν σε χαμηλότερες συχνότητες και δεν προκαλούν φθορισμό του δείγματος. Με τον τρόπο αυτό η διάχυση Rayleigh περιορίζεται σημαντικά 295

304 και μπορε ι κανείς να μελετήσει το φάσμα Raman μέχρι και την περιοχή των 20cm -1 (περιοχή που είναι δύσκολο να μελετηθεί με τη φασματοσκοπία IR). Η ακτινοβολία που διαχέεται από το δείγμα κατευθύνεται με καθρέπτες σε ένα φασματόμετρο που λειτουργεί στην περιοχή του ορατού. Ο μονοχρωμάτορας αποτελείται από ένα πρίσμα χαλαζία ή φράγμα περίθλασης, όπως στο φασματόμετρο IR. Η ακτινοβολία, στην περίπτωση των λέιζερ ανιχνεύεται με ένα φωτοηλεκτρικό ανιχνευτή, του οποίου τα σήματα μετά από ενίσχυση καταγράφονται σε οθόνη Η/Υ όπου μπορούν να επεξεργασθούν, να ερμηνευθούν με σύγκριση (τράπεζα φασμάτων) και μετά να εκτυπωθούν Με το φάσμα Raman λαμβάνονται σχεδόν οι ίδιες πληροφορίες για τη δομή των χημικών μορίων όπως και στις φασματοσκοπικές μεθόδους IR και μικροκυμάτων, με μόνο μειονέκτημα τη φτωχή διακριτική ικανότητα των φασματικών γραμμών. Τα φασματόμετρα Raman έχουν πολλές πρακτικές εφαρμογές σε τεχνολογικά εργαστήρια (πολυμερή, αρχαιολογία κ.λπ). Σχήμα Φασματόμετρο Raman. Holobrobe Research Raman Microiscope (Kaiser Optical Systems, MI, USA). Φασματοφωτόμετρο με υψηλή διακριτική ικανότητα με ενσωματωμένο μικροσκόπιο και με πολλές πρακτικές εφαρμογές. Σχήμα Φασματόμετρο Raman και μικροσκόπιο. (Bruker,

305 Σχήμα Φασματόμετρο FT-Raman(RAMII, Bruker). ( Σχήμα Φασματόμετρο Raman. ( Mε τα νεότερα φασματόφωτομετρα Raman η τεχνική βελτιώθηκε σημαντικά και η διακριτική ικανότητα είναι υψηλής στάθμης. Στα επόμενα σχήματα παρουσιάζοντα παραδείγματα φασμάτων Raman ορισμένων οργανικών ενώσεων. 297

306 Σχήμα Σύγκριση φασμάτων IR και Raman της ένωσης F 3C C C C C CF 3. Από τα φάσματα IR και Raman (σχήμα ), παρατηρείται ότι απουσιάζουν ισχυρές απορροφήσεις φασματικών γραμμών στην περιοχή 1300 μέχρι 2000 cm -1, καθώς και άνω των 2300 cm -1. Αυτό είναι μια ένδειξη ότι δεν υπάρχουν ομάδες CH, NH, C O, C C, κ.λπ. Με μόνη εξαίρεση την ταινία 1180 cm -1, το φάσμα Raman δεν παρουσιάζει κοινές φασματικές γραμμές με το φάσμα IR. Το γεγονός αυτό σημαίνει ότι το μόριο που μελετάται είναι απλό και συμμετρικό. Υπάρχει όμως η ισχυρή απορρόφηση IR στα 2200 cm -1 και η ισχυρή Raman στα 2240 cm -1, ένδειξη για την ύπαρξη τριπλού δεσμού. Αφού όμως υπάρχουν δύο ταινίες απορρόφησης, σημαίνει ότι έχουν τουλάχιστον δύο συζυγιακούς τριπλούς δεσμούς. Η ισχυρή απορρόφηση στα 1200 cm -1 (IR) είναι ένδειξη για φθορο υδρογονάνθρακα. Αιθέρες και εστέρες εμφανίζουν απορροφήσεις στην περιοχή αυτή, αλλά εάν δεν υπάρχει ισχυρή απορρόφηση Raman στα 940 cm -1 (μαζί με την απουσία της απορρόφησης για CH) καθιστά την υπόθεση αδύνατη. Η σύνθετη μορφή της ταινίας IR στα 1200 cm -1 υποδεικνύει ότι το φθόριο είναι της μορφής CF 2 ή CF 3. Οι πιθανές δομές είναι : F 3 C C C C N F 3 C C C C C CF 3 298

307 Η παρουσία αζώτου πιστοποιείται με στοιχειακή ποιοτική ανάλυση, σε περίπτωση απουσίας αζώτου η δεύτερη δομή είναι η ζητούμενη. Σχήμα Φάσματα FT-Raman για δείγματα πολυαιθυλενίου χρησιμοποιώντας τη συχνότητα 1064 nm για ενεργοποίηση. (α) υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο, (b) χαμηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο, (c) πολύ χαμηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο. Σχήμα Φάσμα Raman της βουτυραλδεΰδης, CH 3CH 2CH 2CHO. 299

308 Οι τεχνικές φασματοσκοπίας Raman έχουν σημαντικές εφαρμογές σε πολλούς κλάδους της επιστήμης. Βιοχημικές μεταβολές μπορούν να μελετηθούν με την μικροσκοπική εικονοποίηση φασμάτων. Με τη φασματοσκοπία Raman εξετάζονται οι αλληλεπιδράσεις των δονήσεων δεσμών με το φως (λέιζερ) και παρέχονται χρήσιμες πληροφορίες για το ενδοπεριβάλλον σύνθετων συστημάτων. Οι πληροφορίες αυτές εικονοποιούνται και καθίσταται πιο εύκολη η μελέτη τους. Σχήμα Εξειδικευμένες τεχνικές φασματοσκοπίας Raman. Φωτομικρογραφία και εικόνα Raman ιστών του εγκεφάλου ποντικού (οι έγχρωμες περιοχές αντιπροσωπεύουν το φάσμα offset Raman που παρουσιάζεται στα δεξιά). Πίνακας Χαρακτηριστικές απορροφήσεις Raman για διάφορες ομάδες οργανικών ενώσεων. Κυματαριθμοί (cm -1 ) Είδος δόνησης Ομάδα οργανικών ενώσεων ή/και οργανικών μορίων δεσμική ΟΗ δόνηση τάσης αλειφατικές αλκοόλες CH δόνηση τάσης αλκυλο ακετυλένια δεσμική ΝΗ δόνηση τάσης δευτεροταγή αμίδια δεσμική ΝΗ δόνηση τάσης πυραζόλες 3103 αντισυμμετρική =CH 2 αιθυλένιο (αέριο) δόνηση τάσης αρωματική CH δόνηση παράγωγα βενζολίου τάσης συμμετρική =CH 2 δόνηση C=CH 2 παράγωγα τάσης συμμετρική CH 3 κανονικά αλκάνια C Ν δόνηση τάσης αλειφατικά νιτρίλια 300

309 1974 C C δόνηση τάσης ακετυλένιο (αέριο) συμμετρική C=O δόνηση 5-μελείς κυκλικοί ανυδρίτες τάσης C=O δόνηση τάσης αλειφατικές αλδεΰδες C= C δόνηση τάσης μονοφθοροαλκένια C=Ν δόνηση τάσης σεμικαρβαζόνες (στερεά) συμμετρική C O δόνηση καρβοξυλικά οξέα τάσης (κυκλικό διμερές) 1614 C= C δόνηση τάσης κυκλοπεντένιο αντισυμμετρική ΝΟ 2 δόνηση πρωτοταγή νιτρο αλκάνια τάσης δόνηση τάσης δακτυλίου ανθρακένια CH 3 συμμετρική δόνηση κανονικά αλκάνια στρέβλωσης CH 2 δόνηση στρέβλωσης και κανονικά αλκάνια κλυδωνισμού δόνηση δακτυλίου p-υποκατεστημένα παράγωγα βενζολίου δόνηση δακτυλίου ο-διϋποκατεστημένα παράγωγα βενζολίου εντός επιπέδου CH παραμόρφωση μονοϋποκατεστημένα βενζόλια 933 δόνηση δακτυλίου αλκυλο κυκλοβουτάνια συμμετρική C O C αλειφατικοί αιθέρες δόνηση τάσης C C δόνηση τάσης κ-αλκάνια ανθρακικού σκελετού 877 Ο Ο δόνηση τάσης υπεροξείδιο του υδρογόνου δόνηση δακτυλίου πάρα υποκατεστημένα βενζόλια C 4O δόνηση τάσης σκελετού τριτοταγείς αλκοόλες 709 C Cl δόνηση τάσης CH 3Cl C Br δόνηση τάσης πρωτοταγή βρωμο αλκάνια παραμόρφωση δακτυλίου μονοϋποκατεστημένα βενζόλια SS δόνηση τάσης διαλκυλο τρισουλφίδια C Ι δόνηση τάσης τριτοταγή ιωδο αλκάνια παραμόρφωση σκελετού μονο αλκυλο ακετυλένια 267 συμμετρική CBr 4 δόνηση CBr 4 (σε διάλυμα) τάσης παραμόρφωση σκελετού αλειφατικά νιτρίλια 301

310 13.4. Βιβλιογραφία: Φασματοσκοπία Raman 1. Szymanski HA (ed). Raman Spectroscopy: Theory and Practice, Plenum Press, New York, vol I, 1967, vol II, Gilson TR, Hendra PJ. Laser Spectroscopy. Wiley-Interscience, New York, Loader A. Basic Laser Spectroscopy. Heyden, London, Tobin MC. Laser Raman Spectroscopy. Wiley-Interscience, New York, Konigstein JA. Introduction to the theory of Raman effect. Reidel D, Dodrecht-Holland, Anderson A (ed). The Raman effect: Theory (vol I), Applications (vol 2). Marcel Dekker, New York, 1971, Demtröder W. Laser Spectroscopy. Springer-Verlag, Berlin, Freeman SK. Applications of Laser Raman Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Colthup NC, Daly LH, Wiberley SE. Introduction to IR and Raman Spectroscopies. Academic Press, New York, 1975 (2 nd ed). 10. Dollish FR, et al. Characteristic Raman Frequencies of Organic Compounds. John Wiley and Sons, London, Grasseli JG, et al. Chemical Applications of Raman Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Strommen DP, Nakamoto K. Laboratory Raman Spectroscopy. Wiley and Sons, Chichester, Baranska H, Labudzinska A, Terpinski J. Laser Raman Spectroscopy: Analytical Applications. John Wiley and Sons, New York, Spiro TG (ed). Biological Applications of Raman Spectroscopy. John Wiley and Sons, New York, Clark RJH, Long DA (eds). International Conference on Raman Spectroscopy. John Wiley and Sons, Chichester, Pelletier MJ. Analytical Applications of Raman Spectroscopy. Blackwell, Oxford, McCreery RL. Raman] Spectroscopy for Chemical Analysis. Wiley- Interscience, New York, Gremlich HU, Yan B. Infrared and Raman Spectroscopy of Biological Materials. Marcel Dekker, New York, Lewis IR, Edwards HGM (eds). Handbook of Raman Spectroscopy, Marcel Dekker, New York, Mayo DW. Course Notes on the Interpretation of Infrared and Raman Spectra. Wiley-Interscience, New York, Smith E. Modern Raman Spectroscopy: A Practical Approach. John Wiley and Sons, Sussex, Edwards HGM, Chalmers JM (eds). Raman Spectroscopy in Archaeology & Art History. Royal Society of Chemistry, Cambridge,

311 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΚΑΤΟΤΕΤΑΡΤΟ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΥ ΠΑΡΑΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΥ Εισαγωγή στη Φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού H φασματοσκοπία Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (Electron Paramagnetic Resonance, EPR) ή Συντονισμού Ηλεκτρονικού Spin (Electron Spin Resonance, ESR), είναι παρόμοια με τη φασματοσκοπία NMR, αλλά το φάσμα στην περίπτωση της ESR παράγεται από το συντονισμό του ηλεκτρονικού spin μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο με την επίδραση ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Με τη βοήθεια της τεχνικής Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (ΗΠΣ) παρατηρούμε τις μεταβάσεις μεταξύ των διαφόρων κβαντικών ενεργειακών καταστάσεων της μαγνητικής ροπής ενός ασύζευκτου ηλεκτρονικού spin ( ) μέσα σε ένα εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Παραμαγνητισμός: κάθε φορτισμένο σωματίδιο που περιφέρεται γύρω από τον εαυτό του ή περιστρέφεται γύρω από ένα κεντρικό σημείο συμπεριφέρεται ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης με τους πόλους του κατά μήκος του άξονα περιστροφής του. Το ίδιο συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια, στα άτομα ή τα μόρια, που δρουν ως μαγνητικά δίπολα. Γενικά, τα σταθερά μόρια δεν είναι παραμαγνητικά γιατί τα ηλεκτρόνια τους συνδυάζονται σε ομάδες ή ζευγαρώνουν (paired) ( ) με αντίθετα spin και τα μαγνητικά τους δίπολα αλληλοαναιρούνται. Μόνο όταν το μόριο περιέχει περιττό αριθμό ηλεκτρονίων, π.χ. ΝΟ και ΝΟ 2, ή όταν στην θεμελιώδη κατάσταση το μόριο περιλαμβάνει δύο ηλεκτρόνια με παράλληλα spin ( ), π.χ. το Ο 2, τότε εμφανίζεται μαγνητική ροπή, το μόριο καλείται παραμαγνητικό και τις ιδιότητες των παραμαγνητικών μορίων μπορέί κανείς να τις μελετήσει με τη φασματοσκοπία ΗΠΣ. Ασύζευκτα ηλεκτρόνια παρουσιάζουν διάφορες χημικές ενώσεις σε φυσική κατάσταση ή όταν παρασκευάζονται τεχνητά υπό ορισμένες συνθήκες. Εκτός από τα ΝΟ, ΝΟ 2 και Ο 2, παραμαγνητικές ιδιότητες παρουσιάζουν τα ιόντα (μετάλλων) στοιχείων μετάπτωσης και τα σύμπλοκά τους, Fe 3+, [Fe(CN) 6 ] 3-, καθώς και οι ελεύθερες ρίζες (free radicals) που σχηματίζονται ως ενδιάμεσες ενώσεις (ασταθείς) χημικών αντιδράσεων ή κατά την ακτινοβολία μορίων με UV, ακτίνες-χ και υποατομικά σωματίδια. Η ΗΠΣ χρησιμοποιεί σχετικά μικρούς μαγνήτες, από ό,τι η φασματοσκοπία NMR όπου οι πυρήνες είναι βαρύτεροι, συνήθως ισχύος 0,3 Tesla και ακτινοβολία της περιοχής των μικροκυμάτων, περιοχή όπου επιτυγχάνεται ο συντονισμός του ηλεκτρονικού spin. 303

312 14.2. Συντονισμός Ηλεκτρονικής Αυτοστροφορμής (Spin) Το ηλεκτρόνιο περιστρέφεται γύρω από το κέντρο της μάζας του, δηλαδή παρουσιάζει στροφορμή του spin (spin angular momentum) μέσω δε αυτής της ορμής, μαγνητική ροπή του spin. Στροφορμή περιφοράς (orbital angular momentum) Στροφορμή spin (spin angular momentum) Μαγνητική ροπή περιφοράς (orbital magnetic moment) Μαγνητική ροπή του spin (spin magnetic moment) Σχήμα Στροφορμή και μαγνητική ροπή ηλεκτρονίου από αυτοπεριφορά και spin. Σύμφωνα με τη θεωρία της κβαντομηχανικής, το spin του ηλεκτρονίου μπορεί να πάρει δύο προσανατολισμούς, α και β, σε σχέση με μια επιλεγμένη κατεύθυνση. Οι δύο αυτοί προσανατολισμοί αφορούν τα ανύσματα στροφορμής του m s ħ (ħ = h/2π), όπου m s = ± 1/2. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική ροπή του spin (αυτοστροφορμή) μπορεί να πάρει μόνο δύο προσανατολισμούς σε σχέση με ένα εφαρμοζόμενο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Φαινόμενο Zeeman: Σύμφωνα με το φαινόμενο αυτό η ενέργεια ενός ηλεκτρονίου μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο περιορίζεται σε δύο μόνο τιμές, που αναλογούν στους δύο προσανατολισμούς. Οι ενέργειες αυτές είναι: Em S = 2μ B ms B όπου m s = ± 1/2 είναι ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός ηλεκτρονικού spin (magnetic quantum number of electron spin) και Β είναι το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο (σε προηγούμενα κεφάλαια το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο συμβολίζονταν με Η) και μ Β είναι η σταθερά Bohr magneton eħ/2m e (m e είναι η μάζα ηλεκτρονίου). Το φαινόμενο Zeeman είναι ανάγκη να μελετηθεί πιο διεξοδικά. Από τη στιγμή που οι στροφορμές του ηλεκτρονίου, λόγω περιφοράς και spin, συνοδεύονται από αντίστοιχες μαγνητικές ροπές, αναμένεται ότι η εφαρμογή εξωτερικού μαγνητικού πεδίου θα μεταβάλλει το φάσμα του ατόμου. Η στροφορμή λόγω περιφοράς ενός ηλεκτρονίου (κατά τον άξονα-z) έχει τιμές m l ħ. 304

313 H μαγνητική ροπή μπορεί να γραφεί ως μ z = γ e m e h, όπου γ e είναι το e γυρομαγνητικό πηλίκο του ηλεκτρονίου γ = e. Το αρνητικό πρόσημο 2me είναι το αρνητικό φορτίο του ηλεκτρονίου, ενώ συγχρόνως υπογραμμίζει ότι η μαγνητική ροπή είναι αντίθετης κατεύθυνσης (αντιπαράλληλης) του ανύσματος της στροφορμής. Επίσης, ο συνδυασμός e/2m e και ħ/2π δίνει μ Β = eħ/2m e με θετικό πρόσημο, που είναι όπως φαίνεται το Bohr magneton. Το τμήμα της μαγνητικής ροπής, κατά τον άξονα-z, γράφεται: μ z e e ( eh / me ) me = μ Bml = γ m h = 2 (14.1) Εάν εφαρμοσθεί μαγνητικό πεδίο Β (Β = Η z ) κατά τον άξονα-z, τότε η ενέργεια της στροφορμής γίνεται -μ z Β (αυτό είναι αποτέλεσμα της βασικής θεωρίας του μαγνητισμού). Έτσι ένα ηλεκτρόνιο με κβαντικό αριθμό m l (τροχιακός κβαντικός αριθμός) έχει ενέργεια: E = μ B = m B (14.2) z μ B Για την περίπτωση ενός p-ηλεκτρονίου με l=1, o m l μπορεί να πάρει τις τιμές +1, 0, -1. Ηλεκτρόνια σε αυτές τις τροχιές έχουν την ίδια ενέργεια, απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίο, όταν όμως εφαρμοσθεί μαγνητικό πεδίο, ο εκφυλισμός καταργείται και ένα ηλεκτρόνιο με m l = 1 ανέρχεται ενεργειακά κατά το μέγεθός μ Β Β, αυτό με τιμή m l = 0 παραμένει στο ίδιο επίπεδο και ένα τρίτο με m l =-1 κατέρχεται ενεργειακά κατά -μ Β Β. Το φαινόμενο Zeeman είναι ότι ο παρατηρητής βλέπει τρεις γραμμές αντί για μία. Το φαινόμενο αυτό καλείται κανονικό φαινόμενο Zeeman (normal) και ο διαχωρισμός των φασματικών γραμμών είναι πολύ μικρός (της τάξης ~1cm -1 ). Ωστόσο, πιο συχνό είναι το ανώμαλο φαινόμενο Zeeman (anomalous) όπου αντί τριών γραμμών εμφανίζονται περισσότερες, λόγω της επίδρασης του ηλεκτρονικού spin. H μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου δεν είναι γ e m e h, αλλά 2γ e m e h λόγω του ηλεκτρονικού spin, που προστίθεται στη μαγνητική ροπή λόγω περιφοράς. Η τιμή με το 2 είναι αποτέλεσμα της σωστής επίλυσης του μαθηματικού προβλήματος, λαμβάνοντας υπόψη τη θεωρία της σχετικότητας. Η ακριβής τιμή είναι και καλείται g e (g-factor, g= spectroscopic splitting factor, φασματοσκοπικός συντελεστής διάσπασης) συντελεστής διάσπασης Landé (Landé splitting factor). l 305

314 Σχήμα Ενεργειακά επίπεδα ενός p-ηλεκτρονίου με Ι=1 και τιμές m l =+1, m l =0 και m l =-1. Εάν αντικατασταθούν οι δύο ενεργειακές καταστάσεις του ηλεκτρονίου Ε 1/2 και Ε -1/2 οι εξισώσεις θα γίνουν: E = 2 B1/ 2B και E = 2 B ( 1/ 2) B 1/ 2 μ 1 / 2 μ δηλαδή E1 / 2 = μ B B και E 1 / 2 = μ B B. Η διαφορά ενέργειας για τις δύο καταστάσεις του spin είναι: ΔE = E E 2μ B (14.3) 1 / 2 1/ 2 = Εάν το δείγμα βαπτισθεί σε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας ν, τότε τα ασύζευκτα ηλεκτρονικά spin του δείγματος έχουν ενεργειακά επίπεδα που μπορούν να συντονισθούν με την ακτινοβολία (όταν το μαγνητικό πεδίο είναι Β), με την εξίσωση: Δ E = hv = 2μ B (14.4) B Στην ιδανική αυτή περίπτωση, τα ενεργειακά επίπεδα του ηλεκτρονικού spin βρίσκονται σε συντονισμό με την ακτινοβολία και τα ηλεκτρόνια απορροφούν ενέργεια από το περιβάλλον. Στην περίπτωση του συντονισμού, παρατηρείται ισχυρή απορρόφηση και τα spin των ηλεκτρονίων προτρέπονται να μεταβούν από τις ενεργειακές καταστάσεις (β) στις (α). Η τεχνική λοιπόν του ΗΠΣ είναι η μελέτη του συντονισμού μορίων με ασύζευκτα ηλεκτρονικά spin σε σταθερή τιμή συχνότητας ακτινοβολίας, μεταβάλλοντας το μαγνητικό πεδίο. B 306

315 14.3. Λεπτή και Υπέρλεπτη Υφή των Φασματικών Γραμμών στα Φάσματα ΗΠΣ Η φασματοσκοπία ΗΠΣ παρουσιάζει σημαντικό ενδιαφέρον λόγω της λεπτής και υπέρλεπτης υφής των φασματικών γραμμών. Η λεπτή υφή είναι η κατάτμηση του φάσματος σε μεγάλο αριθμό γραμμών με κέντρο τη θέση της μοναδικής συχνότητας που αναφέρθηκε προηγούμενα. Η λεπτή υφή είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του spin ενός ηλεκτρονίου με το spin άλλου ηλεκτρονίου στο ίδιο μόριο ή ιόν με δύο παράλληλα ( ) ασύζευκτα ηλεκτρόνια (κυρίως κρυσταλλικές ενώσεις), ενώ η υπέρλεπτη υφή είναι αποτέλεσμα της σύζευξης (coupling) του ασύζευκτου ηλεκτρονικού spin με γειτονικά spin πυρήνων, με τον ίδιο τρόπο που παρατηρείται και στον πυρηνικό μαγνητικό συσντονσιμό (NMR). Σε περιπτώσεις όπου δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια συνυπάρχουν σε ένα άτομο, έχουν δηλαδή παράλληλα spin ( ), τότε υπάρχουν αλληλεπιδράσεις των δύο spin και ο αριθμός των φασματικών γραμμών αυξάνεται. Το ολικό spin S, για δύο ασύζευκτα ηλεκτρόνια σε ένα μοριακό τροχιακό είναι: 1/2+1/2 = 1 (δηλαδή, τα δύο ηλεκτρόνια φαίνονται να έχουν στροφορμή spin μόνο όταν οι δύο ροπές μπορούν να προστεθούν). Οι τρεις πιθανοί προσανατολισμοί αντιστοιχούν στις τρεις κβαντικές καταστάσεις (ή κβαντικοί αριθμοί του spin), m s = +1, 0, -1. Όταν εφαρμοσθεί μαγνητικό πεδίο Β, τότε τα ενεργειακά επίπεδα διαχωρίζονται με αυξανόμενο το Β, ενώ το m s =0 επίπεδο παραμένει αμετάβλητο. Κανονικές μεταβάσεις συμβαίνουν σε συχνότητες μεταξύ +1 και 0 ή 0 και 1 επίπεδα, δηλαδή Δm s =1, αλλά επειδή οι μεταβάσεις συμβαίνουν για την ίδια τιμή Β, παρατηρείται μόνο μία απορρόφηση. Στο Σχήμα 14.3 φαίνονται οι ενεργειακές μεταβάσεις μεταξύ των επιπέδων. (α) (β) Σχήμα (α) Ηλεκτρονική κατανομή μαγνητικών ενεργειακών επιπέδων με αυξανόμενο εξωτερικό μαγνητικό περδίο Β, (β) Ηλεκτρονική κατανομή και με την ύπαρξη εσωτερικού (κρυσταλλικού) ηλεκτρικού πεδίου. 307

316 Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις υπάρχει ένα εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο (ιδιαίτερα σε κρυστάλλους) που επηρεάζει τη μετατόπιση του επιπέδου m s = 0, όπως φαίνεται στο σχήμα 14.3 (β). Ο κανόνας Δm s = ±1 εφαρμόζεται, οι μεταβάσεις όμως +1 και 1 γίνονται σε διαφορετικές τιμές του Β και λαμβάνονται δύο, αντί μίας, απορροφήσεις. Το φαινόμενο αυτό της κατάτμησης των φασματικών γραμμών καλείται φαινόμενο μηδενικού-πεδίου ή κρυσταλλικού-πεδίου (zero-field ή crystal-field effect) και είναι αρκετά σημαντικό σε πολλές οργανικές ενώσεις στα φάσμα ΗΠΣ. Επίσης το φαινόμενο παράγει ανισοτροπία, που μετράται ως η διαφορά γωνίας μεταξύ της κατεύθυνσης του Β σε σχέση με τον άξονα του κρυστάλλου του δείγματος. Ανάλογα με την γωνία υπάρχουν διαφορετικ ες επιδράσεις του εσωτερικού ηλεκτρικού πεδίου και των ηλεκτρονικών spin. Η λεπτή υφή του φάσματος ΗΠΣ εξαρτάται από το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και την γωνία Β ως προς τον κρυσταλλικό άξονα. Στην περίπτωση ενός πρωτονίου (m I = ±1/2), σε μια ελεύθερη ρίζα, η μικρή μαγνητική ροπή του πρωτονίου έχει ως αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα ασθενές μαγνητικό πεδίο στο άμεσο περιβάλλον του. Όταν πλησιάσει ένα ηλεκτρόνιο, το ηλεκτρονικό του spin υπόκειται την επίδραση του μαγνητικού πεδίου του πρωτονίου, εκτός από το εξωτερικό εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Το ολικό μαγνητικό πεδίο θα είναι: Βολ = B + am, όπου α είναι μια σταθερά Ι υπέρλεπτης σύζευξης (hyperfine coupling constant). Εάν αντικατασταθεί ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin με τις δύο τιμές του m I = ±1/2 στην εξίσωση, τότε θα γίνει: Β ολ = B +1/ 2a και Β ολ = B 1/ 2a. Τα μισά μόρια του δείγματος έχουν πρωτόνια με m I = +1/2 και τα άλλα μισά με m I = -1/2. Άρα τα μισά θα συντονίζονται, μετά την εφαρμογή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, για hv = 2μ B ( B + 1/ 2a) και τα άλλα μισά για hv = 2μ B ( B 1/ 2a). Έτσι, αντί μιας φασματικής γραμμής, το φάσμα θα παρουσιάζει δύο γραμμές που θα διαχωρίζονται από μαγνητικό πεδίο μεγέθους α (σε Gauss) σε ίσες αποστάσεις και από τις δύο πλευρές, με κέντρο την αρχική συχνότητα συντονισμού του ηλεκτρονικού spin, και κάθε μία στο μισό της ολικής έντασης. 308

317 Σχήμα Κατάτμηση του σήματος ΗΠΣ από την υπέρλεπτη επίδραση μεταξύ ασύζευκτου ηλεκτρονικού spin και πρωτονίου [A: ένταση απορρόφησης, Β: μαγνητικό πεδίο, α: σταθερά υπέρλεπτης διάσπασης (hyperfine splitting constant)]. Ένα άλλο παράδειγμα είναι η σύζευξη με τον πυρήνα 14 Ν που έχει spin I = 1, μαγνητικούς κβαντικούς αριθμούς spin +1, 0, -1. τότε στην περίπτωση αυτή η υπέρλεπτη υφή του φάσματος θα είναι αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης του πυρήνα 14 Ν με το spin του ηλεκτρονίου. Στο Σχήμα 14.5 φαίνονται οι τρείς φασματικές γραμμές σε ίσες αποστάσεις μεταξύ τους και της αυτής έντασης, που είναι χαρακτηριστικό γνώρισμα των ελευθέρων ριζών με το μονήρες ασύζευκτο ηλεκτρόνιο πάνω στο άζωτο. Σχήμα Υπέρλεπτη υφή φάσματος από τη σύζευξη 14 Ν (Ι=1) και ασύζευκτου ηλεκτρονίου. 309

318 Όταν υπάρχουν αρκετοί μαγνητικοί πυρήνες στο μόριο (π.χ. ελεύθερη ρίζα), τότε κάθε ένας θα συνεισφέρει στην υπέρλεπτη υφή του φάσματος. Εάν για παράδειγμα, υπάρχουν δύο πρωτόνια τότε το φάσμα κατατέμνεται σε 4 γραμμές. Επίσης η σταθερά υπέρλεπτης σύζευξης, α, μπορεί να διαφέρει για ισότιμα πρωτόνια ή πυρήνες άλλων στοιχείων. Στην περίπτωση της ελεύθερης ρίζας CH 2 CH 3, τα δύο πρωτόνια ( CH 2 ) είναι ισότιμα και α 1 = α 2, έτσι και οι φασματικές γραμμές από 4 γίνονται 3 με εντάσεις Ο γενικός κανόνας είναι: ελεύθερη ρίζα που περιέχει Ν ισότιμα πρωτόνια, τότε το φάσμα κατατέμνεται σε Ν+1 γραμμές, με ένταση γραμμών που δίνεται από το τρίγωνο Pascal: Ν ένταση και κατανομή ( ) Η ρίζα του βενζολίου C 6 H 6 παρουσιάζει 7 γραμμές με κατανομή εντάσεων , που σημαίνει ότι και τα 6 πρωτόνια είναι ισότιμα. Σχήμα Το EPR φάσμα της ρίζας βενζολίου. 310

319 14.4. Τεχνική Φασματοσκοπίας Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού (EPR). Τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται στη φασματοσκοπία ΕSR είναι της τάξης 0,1 1 Tesla (1-10 KGauss). Συνήθως χρησιμοποιείται μαγνητικό πεδίο 0,3 Tesla με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία συχνότητας 10 GHz (10 10 c/s) ή μήκος κύματος 3 cm -1. To μαγνητικό πεδίο 0,3 Τ χρησιμοποιείται στα περισσότερα εμπορικά ΗΠΣ φασματόμετρα και ενισχύεται με σωληνοειδές πηνίο για την παράγωγη εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου ισχύος μερικών μτ (microtesla) και μια γεννήτρια σάρωσης για να σαρώνει το ευρύ πεδίο, απαραίτητο στη φασματοσκοπία ΗΠΣ. Η πηγή ακτινοβολίας, που βρίσκεται στην περιοχή των μικροκυμάτων, παράγεται μέσω της βαλβίδας Klystron. Το φάσμα ΗΠΣ λαμβάνεται με την καταγραφή της απορρόφησης της ακτινοβολίας καθώς το μαγνητικό πεδίο σαρώνεται (scanning). Σχήμα Φασματόμετρο ΗΠΣ με τον ηλεκτρομαγνήτη στα δεξιά και στο επάνω τμήμα τον μετρητή της ακτινοβολίας μικροκυμάτων. Το δείγμα εισάγεται ανάμεσα στους μαγνήτες σε ειδικό υποδοχέα και ρυθμίζονται διάφοροι παράγοντες (Field set, Scan range, Microwave frequency, Microwave power, Modulation amplitude, Scan time, Time constant και Receiver Gain)με το Η/Υ. Το φάσμα εμφανίζεται τμηματικά στην οθόνη, επξεργάζεται, συγκρίνεται και προσομοιώνεται. H καταγραφή του φάσματος είναι η γραφική παράσταση της πρώτης παραγώγου συνάρτησης της καμπύλης της απορρόφησης ως προς το μαγνητικό πεδίο (da/db), και αυτό γιατί υπάρχει καλύτερη σχέση σήματος/θορύβου από ό,τι με την απλή γραφική παράσταση της απορρόφησης ως προς το μαγνητικό πεδίο. Τα μικροκύματα μεταφέρονται από το κλύστρον στο δείγμα και μετά στον ανιχνευτή με κυματο-οδηγούς. Τα νεότερα φασματόμετρα ΗΠΣ έχουν πλήρη αυτοματισμό και ισχυρούς μαγνήτες. 311

320 13.5. Διεύρυνση των Φασματικών Γραμμών στη Φασματοσκοπία ΗΠΣ Όπως και στο NMR, το εύρος των φασματικών γραμμών είναι αποτέλεσμα της spin-πλέγματος αποκατάστασης, από επίδραση των παραμαγνητικών ιόντων με τη θερμική δόνηση του πλέγματος. Ο spin-πλέγμα χρόνος αποκατάστασης διαφέρει σημαντικά από μόριο σε μόριο και ανάλογα με τη θερμοκρασία. Η spin-spin αποκατάσταση είναι αποτέλεσμα του μικρού μαγνητικού πεδίου που υπάρχει στα γειτονικά παραμαγνητικά ιόντα. Ως αποτέλεσμα των πεδίων αυτών, το ολικό πεδίο ιόντων μεταβάλλεται ελαφρά και τα ενεργειακά επίπεδα μετατοπίζονται. Ακριβώς, η μετατόπιση αυτή και η κατανομή των ενεργειακών επιπέδων προκαλεί διεύρυνση του σήματος απορρόφησης στον ΗΠΣ σε αντιστοιχία με τα φάσματα πυρηνικού μαγνητικού συσντονισμού. Όπως στο NMR, έτσι και στη φασματοσκοπία ΗΠΣ η ταχύτατη χημική ανταλλαγή επηρεάζει το εύρος των φασματικών γραμμών. Απορροφήσεις σε διαφορετικές συχνότητες, για μηδενική ταχύτητα ανταλλαγής, αρχίζουν να διευρύνονται καθώς η κινητικότητα επιταχύνεται και συγκλίνουν για να δώσουν μία ευρεία φασματική ταινία στο μέσο όρο των δύο συχνοτήτων. Διεργασίες ανταλλαγής ηλεκτρονικού spin είναι συνηθισμένες μεταξύ συστημάτων ελευθέρων ριζών και επηρεάζει τη διεύρυνση των φασματικών γραμμών και την εμφάνιση του φάσματος. Παράδειγμα, τα παρακάτω φάσματα ΗΠΣ του δις-τετραβουτυλο νιτροξειδίου (ρίζας) [(CH 3 ) 3 C] 2 NO σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. Καθώς η συγκέντρωση αυξάνεται από (α) (β) (γ), η ταχύτητα της διμοριακής ανταλλαγής αυξάνεται και οι φασματικές απορροφήσεις υπόκεινται σε διαπλάτυνση, με απώλεια της λεπτής υφής του φάσματος. (α) 10-4 Μ (β)10-2 Μ (γ) 10-1 Μ [(CH 3 ) 3 C] 2 NO ελεύθερη ρίζα σε αιθανόλη στους 25 C Σχήμα Διαπλάτυνση φασματικών γραμμών σε διαφορετικές συγκεντρώσεις. 312

321 13.6. Ανάλυση Φασματικών Κορυφών στη Φασματοσκοπία ΗΠΣ Τα φάσματα ΗΠΣ μπορούν να υπολογισθούν από τη λεπτή και υπέρλεπτη υφή των μεμονωμένων ηλεκτρονίων με την επίδραση των πυρήνων στην ελεύθερη ρίζα. Τα παρακάτω παραδείγματα βοηθούν στην κατανόηση αυτής της διεργασίας εκτίμησης των φασμάτων ΗΠΣ. Φάσμα ΗΠΣ: CH 3 (ελεύθερης ρίζας μεθυλίου). Σχήμα (α) Κατάτμηση ενεργειακών επιπέδων και μεταβάσεις στο σύστημα όπου ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο συζευγνύται με τρία ισότιμα πρωτόνια ( CH 3 ) και υπόκειται στην επίδραση μαγνητικού πεδίου, (β) Μεταβάσεις και σχετικές εντάσεις φασματικών γραμμών da/db. Φάσμα ( CH 3 ) ελεύθερης ρίζας μεθυλίου: ένταση των φασματικών γραμμών Φάσμα ΗΠΣ: CH 2 OH. Υπέρλεπτη υφή φάσματος λόγω της επίδρασης δύο διαφορετικών μαγνητικών ομάδων πρωτονίων (α 1 (CH 2 )=17.4 G, α 2 (ΟΗ)=1.15 G). Η ομάδα που έχει τη μεγαλύτερη σταθερά υπέρλεπτης σύζευξης λαμβάνεται υπόψη πρώτη και μετά τμηματικά όλοι οι άλλοι πυρήνες. Κάθε ένα από τα επίπεδα ενέργειας κατατέμνονται επίσης και από κάθε ένα πυρήνα της άλλης ομάδας. Η ελεύθερη ρίζα CH 2 OH έχει τρία πρωτόνια που ανήκουν σε δύο διαφορετικές (μαγνητικά) ομάδες. Το φάσμα ΗΠΣ έχει 2Χ3=6 φασματικές γραμμές. 313

322 Σχήμα Φάσμα Ηλεκτρονικού Παραμαγνητικού Συντονισμού της ελεύθερης ρίζας που έχει δύο είδη πρωτονίων, τα δύο Η 2 και το υδρογόνο του υδροξυλίου CH 2 OH. Φάσμα EPR της ελεύθερης σταθερής ρίζας α,α-διφαινυλο-β-πικρυλουδραζύλιο, DPPH (διάλυμα σε βενζόλιο). O 2 N N N NO 2 O 2 N 314

323 Η φασματοσκοπία ΗΠΣ έχει επεκταθεί τα τελευταία χρόνια και με πιο σύνθετες τεχνικές λήψης φασμάτων ελευθέρων ριζών. Η χρήση των ηλεκτρονικών υπολογιστών βοηθάει στην προσομοίωση δύσκολων φασμάτων και οι ισχυροί μαγνήτες ευνοούν τη χρήση μικρών δειγμάτων. Επίσης η φασματοσκοπία ΗΠΣ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε συνδυασμό με το NMR και έχει σημαντικές εφαρμογές στη βιοχημεία, τη βιολογία και την ιατρική, καθώς και στις περιβαλλοντικές επιστήμες. Για περισσότερες λεπτομέρειες της τεχνικής του ΗΠΣ και των εφαρμογών του στο βιβλίο Α. Βαλαβανίδης. «Ελεύθερες Ρίζες στην Οργανική Χημεία. Χημικές ιδιότητες, φασματοσκοπία, εφαρμογές και μηχανισμοί στη σύνθεση οργανικών ενώσεων» (εκδ. Τμ. Χημείας, Παν/μιο Αθηνών, 2005) 315

324 14.7. Βιβλιογραφία: Πυρηνικός Μαγνητικός Συντονισμός (EPR) 1. Ingram DJ. Free Radicals as studied by ESR. Butterworths, London, Assenheim HM. Introduction to Electron Spin Resonance. Hilger and Watts, London, Ayscough PB. Electron Spin Resonance in Chemistry. Methuen, London, Alger RS. Electron Paramagnetic Resonance. Wiley-Interscience, New York. 5. Fu Yen T (ed). ESR of Metal Complexes. Hilger A, London, Gerson F. High Resolution ESR Spectroscopy. Wiley-Verlag Chemie, Weinheim, Poole CP, Farach HA. The Theory of Magnetic Resonance. Wiley-Interscience, New York, Wertz JE, Bolton JR. Elementary Theory and Practical Applications in ESR. McGraw-Hill, New York, 1972 and Chapman and Hall, London, 1986 (2 nd ed). 9. Blumenfeld LA, Vooevodski VV, Semenov AG. ESR in Chemistry. John Wiley and Sons, New York, Atherton NM. Electron Spin Resonance. Ellis Horwood, Chichester, Ranby B, Rabek JF. ESR Spectroscopy in Polymer Research. Springer-Verlag, Berlin, Harriman JE. Theoritical Foundation of ESR. Academic Press, New York, Symons M. Chemical and Biochemical Aspects of ESR Spectroscopy. Van Nostrand Reinhold, New York, Pryor WA (ed). Organic Free Radicals. Am Chem Society Symposium Series, Washington DC, Forester AR, Neugebauer FA (eds). Magnetic Properties of Free Radicals. Landolt-Bornstein. New Series Group II, vol 9. Springer-Verlag, Berlin, Swarts HM, Bolton JR, Borg DC. Biological Applications of Electron Spin Resonance. Wiley-Interscienc, New York, Pryor WA (ed). Free Radicals in Biology. Academic Press, New York, vol 1-6, Knowles PF, Marsh D, Battle HWE. Magnetic Resonance of Biomolecules: An Introduction to the Theory and Practice of NMR and ESR in Biological Systems. John Wiley and Sons, London, Sealy RC, Hyde JS, Antholine WE. Electron Spin Resonance: In Neuberger A, Van Deenen LLM (eds): Modern Physical Methods in Biochemistry. Elsevier, Amsterdam, Halliwell B, Gutteridge JMC. Free Radicals in Biology and Medicine. Clarendon Press, Oxford, 1985, 1986, 3 rd ed Niquel J (ed). The Handbook of Biomedicine of Free Radicals and Antioxidants. vols 1-3, CRC Press, Boca Raton, Florida,

325 22. Hayaishi O, Niki E, Kondo M, Yashikawa M (eds). Medical, Biochemical and Chemical Aspects of Free Radicals. Proceedings of the 4 th Biennial Meeting of the Society for Free Radical Research, Kyoto, Japan, 9-13 April, Elsevier, Amsterdam, Jansen EG, Blackburn BJ. Detection and Identification of short-lived free radicals by electron spin resonance trapping technique. J Am Chem Soc, 90: , Rice-Evans CA, Diplock AT, Symons MCR. Techniques in Free Radical Research. Elsevier, Amsterdam, Motherwell WB, Crich D. Free Radical Chain Reactions in Organic Synthesis. Academic Press, New York, Weil JA, Bolton JR, Wertz JE. Electron Paramagnetic Resonance: Elementary Theory and Practical Applications. Wiley, New, York, Fossey J, Lefort D, Sorba J. Free Radicals in Organic Chemistry. Wiley & Sons, Chichester, England, Alfassi ZB. N-Centered Radicals. Wiley, Chichester, Alfassi ZB. General Aspects of the Chemistry of Radicals. Viley-VCH, Weinheim, Rosen GM, Britigan BE, Halpern HJ, Pon S. Free Radicals in Biology and Detection by Spin Trapping. Oxford University Press, New York, Parsons AF. An Introduction to Free Radical Chemistry. Blackwell Science, Oxford, Perkins MJ. Radical Chemistry-The Fundamentals. Oxford University Press, New York, Sajfutdinor RG, Ivanova L. Electron Paramagnetic Resonance in Biochemistry and Biology. Klumer Academi, Dordrecht, Schweiger A, Jesch Ke. Principles of Pulse Electron Paramagnetic Resonance. Oxford Univerity Press, Oxford, Denisov ET, Denisova TG, Polidova TG. Handbook of Free Radical Initiators, Wiley, Chichester, Gerson F. Electron Spin Resonance Spectroscopy for Organic Chemists. Wiley-VCH, Weinheim, Bender C, Berliner LJ, eds. EPR: Instrumental Methods. Klumer Academic/ Plenum, Dordrecht,

326 318

327 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΠΗΓΕΣ ΚΑΙ ΒΑΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ ΕΙΚΟΝΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΩΝ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΟΓΡΑΦΩΝ ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΙ ΜΑΓΝΗΤΕΣ 319

328 ΠΗΓΕΣ ΓΙΑ ΒΑΣΕΙΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΚΑΙ ΦΑΣΜΑΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ 320

329 ΦΑΣΜΑΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, JAPAN) Welcome to Spectral Database for Organic Compounds, SDBS. This is a free site organized by National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Japan. NMR: T.Saito, K.Hayamizu, M.Yanagisawa and O.Yamamoto MS: N.Wasada ESR: K.Someno IR: S.Kinugasa, K.Tanabe and T.Tamura Raman: K.Tanabe and J.Hiraishi 321

330 (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, JAPAN) What's New [ Last Up Date 2006/ 4/14 ] RIO-DB (Research Information Database) is a multimedia one concerning various research information which are developed and accumulated as many AIST R&D projects. RIO-DB project aims to contribute to creation and promotion of new business from academic society to industrial community by spreading around the research information via internet. Following items are published as RIO-DB from TACC (Tsukuba Advanced Computing Center), and the contents will be continually revised. Standard * Research Information Data Base Chemistry Database of Standard Object Color: Spectral Reflectance Distribution and Corresponding Color Network Database System for Thermophysical Property Data Earth Sciences Geological Literature Earth Science Database Northwest Pacific Carbon Cycle Study Volcanoes, Strata, and Other Geologic Units in Japan Image Database of Geothermal Drill Core Samples NW-Pacific Marine Mineral Data Environmental Impact Research for Deep Seabed Mineral Resource Development Energy Integrated Spectral Data Base System for Organic Compounds (SDBS) C1-chemistry database Computed Property Data Base for Molecules (CPDB) Green & Sustainable Chemistry DataBase Fluorine Compounds Database Raman Spectra Database of Minerals and Inorganic Materials High Resolution Molecular Spectroscopy Data Base Super critical Fluid Database(AIST Tohoku) Energy Technology Data Base Data Base on Operations of Coal Liquefaction Bench Plant 322

331 Εισαγωγή σε Βάση Δεδομένων Φασμάτων (SDBS) Introduction to the Spectral Data Base System (SDBS) SDBS is an integrated spectral database system for organic compounds, which includes 6 different types of spectra under a directory of the compounds. The six spectra are as follows, an electron impact Mass spectrum (EI-MS), a Fourier transform infrared spectrum (FT-IR), a 1 H nuclear magnetic resonance (NMR) spectrum, a 13 C NMR spectrum, a laser Raman spectrum, and an electron spin resonance (ESR) spectrum. We started the studies on the spectral database system in early 1970s. The construction of the database in the present format was started in 1982 in a mainframe computer that was finished at the end of March In 2001, National Metrology Institute of Japan (NMIJ) under National Institute of Advanced Industrial Science and technology (AIST) started to manage and to maintain the SDBS. Currently, EI-MS spectrum, 1 H NMR spectrum, 13 C NMR spectrum, FT-IR spectrum, and the compound dictionary are active for correcting and maintenance of the data. Since 1997, SDBS has opened to the public with free of charge through TACC (Tsukuba Advanced Computing Center) as RIO-DB (Research Information Data Base). The total accumulated number of access almost reached 85 million at the end of August SDBS is a fact database that contains spectral pattern and has been an important database that sends information from Japan to all over the world. The numbers of the data present at the end of September 2004 were as follows. Compounds: ca compounds updated MS: ca spectra updated 1 H NMR: ca spectra updated 13 C NMR: ca spectra updated FT-IR: ca spectra updated Raman: ca 3500 spectra ESR: ca 2500 spectra Most of these spectra were measured in our institute

332 SDBS Information SDBS No.: 673 Compound Name: benzoic acid Molecular Formula: C 7 H 6 O 2 Molecular Weight: CAS Registry No.: Spectral Code: Mass : 13 C NMR : in CDCl 3 1 H NMR : 90 MHz in CDCl 3 IR : CCl 4 solution IR : KBr disc IR : nujol mull Raman : 4880 A,200 M,powder Chemical Information: 324

333 325

334 326

335 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΦΑΣΜΑΤΩΝ IR&NMR (Dpt of Chemistry, UCLA) Problems in NMR and IR Spectroscopy Welcome to WebSpectra - This site was established to provide chemistry students with a library of spectroscopy problems. Interpretation of spectra is a technique that requires practice - this site provides 1 H NMR and 13 C NMR, DEPT, COSY and IR spectra of various compounds for students to interpret. Hopefully, these problems will provide a useful resource to better understand spectroscopy. This project is supported by Cambridge Isotope Laboratories and the UCLA Department of Chemistry and Biochemistry Project Director NMR Facility Contributor Professor Craig A. Merlic Dr. Jane Strouse Instructional Documents Copyright 1997 Craig A. Merlic, Barry C. Fam and The Regents of University of California Awards Solving Spectral Problems Overview of NMR Spectroscopy Notes on NMR Solvents Types of NMR Spectra Introduction to IR Spectra Table of IR Absorptions NMR Links of Interest General WebSpectra Technical Notes NMR at Widener University Widener University, Pennsylvania Spectrum Archives Organic Structure Elucidation Workbook University of Notre Dame, Indiana The FTNMR Free Induction Decay Archive Pacific Lutheran University, Washington Integrated Spectral Data Base System for Organic Compounds National Institute of Materials and Chemical Research, Japan Spectroscopic Tools Software Compilation of Educational NMR Software University of York, United Kingdom Compilation of Educational NMR Software European Molecular Biology Laboratory, Germany 327

336 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΣΚΗΣΕΙΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ NH 2 O CH 3 ο-anisidine 1-amino-2-methoxybenzene C 7 H 9 NO ο-ανισιδίνη 1-Αμινο-2-μεθοξυβενζόλιο 328

337 ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΦΑΣΜΑΤΑ (National Institute of Science and Technology) Welcome to the NIST Chemistry WebBook The NIST Chemistry WebBook provides access to data compiled and distributed by NIST under the Standard Reference Data Program. The NIST Chemistry WebBook contains: Thermochemical data for over 7000 organic and small inorganic compounds: o Enthalpy of formation o Enthalpy of combustion o Heat capacity o Entropy o Phase transition enthalpies and temperatures o Vapor pressure Reaction thermochemistry data for over 8000 reactions. o Enthalpy of reaction o Free energy of reaction IR spectra for over 16,000 compounds. Mass spectra for over 15,000 compounds. UV/Vis spectra for over 1600 compounds. Gas chromatography data for over 27,000 compounds. Electronic and vibrational spectra for over 5000 compounds. Constants of diatomic molecules (spectroscopic data) for over 600 compounds. Ion energetics data for over 16,000 compounds: o o o o o o Ionization energy Appearance energy Electron affinity Proton affinity Gas basicity Cluster ion binding energies You can search for data on specific compounds in the Chemistry WebBook based on name, chemical formula, CAS registry number, molecular weight, chemical structure, or selected ion energetics and spectral properties

338 Standard Reference Data Program Data Gateway Online Databases Chemistry WebBook Hydroquinone Formula: C 6 H 6 O 2 Molecular weight: IUPAC International Chemical Identifer: o InChI=1/C6H6O2/c (8)4-3-5/h1-4,7-8H o Download the identifier in a file. CAS Registry Number: Chemical structure: This structure is also available as a 2d Mol file or as a computed 3d Mol file. Other names: 1,4-Benzenediol; p-benzenediol; p-dihydroxybenzene; p-dioxybenzene; p- Hydroquinone; p-hydroxyphenol; Arctuvin; Benzohydroquinone; Benzoquinol; Diak 5; Eldopaque; Eldoquin; Hidroquinone; Hydroquinol; HE 5; Phiaquin; Quinol; Tecquinol; Tenox HQ; 1,4-Dihydroxybenzene; 4-Hydroxyphenol; p-dioxobenzene; Hydrochinone; α- hydroquinone; β-quinol; Artra; Benzene, p-dihydroxy-; Black and White Bleaching Cream; Derma-Blanch; Dihydroxybenzene; Hydrochinon; Hydroquinole; HQ; Idrochinone; Melanex; NCI-C55834; Tequinol; USAF ek-356; 1,4-Dihydroxy-benzeen; 1,4-Dihydroxy-benzol; 1,4- Dihydroxybenzen; 1,4-Diidrobenzene; UN 2662; Dihydroquinone; Aida; component of Artra; Eldopacque; Eldopaque forte; Eldoquin forte; Hydroquinone, 1,4-benzenediol; p- Hydroxybenzene; Solaquin forte; Tecquinol tech. grade Information on this page: o Infrared Spectrum o References o Notes / Error Report Other data available: o Gas phase thermochemistry data o Condensed phase thermochemistry data o Phase change data o Reaction thermochemistry data o Henry's Law data o Gas phase ion energetics data o IR Spectrum o Mass Spectrum o UV/Visible Spectrum o Gas Chromatography Options: o Switch to calorie-based units Infrared Spectrum Go To: Top, References, Notes / Error Report 330

339 Notice: Except where noted, spectra from this collection were measured on dispersive instruments, often in carefully selected solvents, and hence may differ in detail from measurements on FTIR instruments or in other chemical environments. More information on the manner in which spectra in this collection were collected 331

340 332

341 333

342 ΒΑΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΓΙΑ ΦΑΣΜΑΤΑ (CHEM EXPER) 334

343 335

344 336

345 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΓΙΑ ΦΑΣΜΑΤΑ ΟΡΓΑΝΙΚΩΝ ΕΝΩΣΕΩΝ 337

346 Problem 7 - IR spectrum C 6 H 10 : MW = 82 Problem 7-1 H NMR spectrum (CDCl 3, 500 MHz) 338

347 Problem 7-13 C NMR spectrum (CDCl 3, 125 MHz) 339

348 ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΩΝ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑΣ ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΩΝ ΜΑΓΝΗΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΩΝ- ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΩΝ ΜΑΖΩΝ 340

349 ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ FT NIR (FOURIER TRANSFORM NEAR INFRARED SPECTROMETER) IR.jpg 341

350 ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ FT NIR (FOURIER TRANSFORM NEAR INFRARED SPECTROMETER) ΜΕ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ FT NIR (FOURIER TRANSFORM NEAR INFRARED SPECTROMETER) (ΤΗΕΡΜΟ, NICOLET) 342

351 ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ FT NIR (FOURIER TRANSFORM NEAR INFRARED SPECTROMETER) (BRUKER 22/N) ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ FT NIR (FOURIER TRANSFORM NEAR INFRARED SPECTROMETER) (BRUKER VECTOR 22-NIR) 343

352 ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ (παλαιά τεχνολογία με ηλεκτρομαγνήτες) 344

353 ΠΥΡΗΝΙΚΟΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ (ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΙ ΜΑΓΝΗΤΕΣ) NMR-300 MHz 345

354 ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΙ ΜΑΓΝΗΤΕΣ NMR (900 & 300 MHz) Ultra-Wide Bore 900 MHz NMR Magnet 346

355 ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΜΟΙ ΜΑΓΝΗΤΕΣ (SUPERCONDCUCTING MAGNETS) ΦΑΣΜΑ NMR ΔΥΟ ΔΙΑΣΤΑΣΕΩΝ (COSY 2-D) 347

356 Παράδειγμα Φάσματος δύο διαστάσεων Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (ισοϋψείς καμπύλες, contour plot): Οι άξονες F1 και F2 σε ppm 348

357 FINNIGAN FT/MS 2001 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ ΜΑΖΩΝ MS VG 70 SE 349

358 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ ΜΑΖΩΝ BRUKER BIOTOF II, REFLECTRON ESI TOF INSTRUMENT [20000 resolving, ESI & APCI capabilities] ( FINNIGAN MAT 95 ΦΑΣΜΑΤΟΓΡΑΦΟΣ ΜΑΖΑΣ (double focusing, high resolution MS) ( 350

359 ΥΓΡΗ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ (LIQUID CHROMATOGRAPHY MASS SPECTROMETRY) 351

360 TANDEM MS/MS (Συζευγμένη Φασματομετρία Μαζών) Thermo Finnigan LCQ DECA XP Plus Quadrupole Ion Trap Mass Spectrometer (Peptide Sequencing LC-MS/MS) Harvard Finnigan TSQ Mass Spectrometry Tandem LC-MS/MS ΣΧΕΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΣΥΖΥΓΜΕΝΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΜΑΖΩΝ 352

361 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΑ ΜΑΖΩΝ HIGH-PERFORMANCE MS (FT ICR MASS SPECTROMETER) (ranging from 7-12 Tesla, with Electrospray Ionizatiozation Sources) ΥΓΡΗ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ (LIQUID CHROMATOGRAPHY MASS SPECTROMETRY) 353

362 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΟ ΥΠΕΡΙΩΔΟΥΣ ΟΡΑΤΟΥ (UV-VIS) 354

363 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΟ ΥΠΕΡΙΩΔΟΥΣ ΟΡΑΤΟΥ (UV-VIS) ΚΥΨΕΛΙΔΕΣ ΚΟΥΑΡΤΖ 355

364 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΟ RAMAN ΜΕ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ 356

365 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΣ ΠΑΡΑΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ CONTINUOUS-WAVE ELECTRON PARAMAGNETIC RESONANCE html:// gov/capabs/images/epr.jpg 357