ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΓΕΩΠΟΝΙΚΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΘΗΝΩΝ Γενικό Τμήμα Εργαστήριο Χημείας, Καθηγητής Μόσχος Πολυσίου 1
ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Αντικείμενα της Οργανικής Χημείας Μεταξύ των άλλων είναι και η Μελέτη της δομής των οργανικών ενώσεων 1. Στερεοχημεία των οργανικών ενώσεων 2. Φασματοσκοπία Φασματοσκοπικές Μέθοδοι Ανάλυσης 2
ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Στερεοχημεία Μελετά τα χαρακτηριστικά της γεωμετρίας των μορίων. Μελετά τον τρόπο με τον οποίο τα άτομα των μορίων είναι διευθετημένα στο χώρο τα μεν από τα δε και τις πιθανές επιπτώσεις αυτής της διευθέτησης στη χημική συμπεριφορά. 3
ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Πώς μπορεί να γίνει η μελέτη της στερεοχημείας των μορίων; Με τη χρήση Φασματοσκοπικών Μεθόδων Ανάλυσης 4
ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Οπτικές Τεχνικές Τεχνικές, στις οποίες μετριέται η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία πηγάζει από την ύλη ή αλληλεπιδρά με αυτή. Χρησιμοποιούνται όλες οι περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Φασματοσκοπικές Μη Φασματοσκοπικές 5
ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ Οπτικές Τεχνικές Φασματοσκοπικές Τεχνικές Βασίζονται στην ικανότητα διαφόρων ουσιών να εκπέμπουν ή να αλληλεπιδρούν με ακτινοβολίες χαρακτηριστικών συχνοτήτων και στη μέτρηση φασμάτων (μήκος κύματος, ισχύς - ένταση της ακτινοβολίας). Μη Φασματοσκοπικές Δεν χρησιμοποιούνται φάσματα αλλά βασίζονται στην άλληλεπίδραση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και ύλης, η οποία συνεπάγεται αλλαγή στη διεύθυνση ή τις φυσικές ιδιότητες της ακτινοβολίας. Ατομική Φασματοσκοπία Μοριακή Φασματοσκοπία 6
Οπτικές Τεχνικές Φασματοσκοπικές 1. Φασματοσκοπία ατομικής εκπομπής 2. Φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης 3. Φασματοσκοπία Υπεριώδους-Ορατού 4. Φασματοσκοπία Υπερύθρου 5. Φασματοσκοπία Raman 6. Φθορισμομετρία ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ 7. Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού Μη Φασματοσκοπικές 1. Διαθλασιμετρία 2. Νεφελομετρία 3. Πολωσιμετρία κ.ά. Ατομική Φασματοσκοπία Μοριακή Φασματοσκοπία 7
Μοριακές Φασματοσκοπικές Τεχνικές ΟΡΓΑΝΙΚΗ ΧΗΜΕΙΑ 1. Φασματοσκοπία Υπεριώδους-Ορατού 2. Φασματοσκοπία Υπερύθρου 3. Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού 4. Φασματομετρία Μαζών 8
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 9
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα 10
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Τμήμα Ακτινοβολίας Μήκος Κύματος Ακτίνες Χ 0,3-100 Å Υπεριώδες 200-400 nm Ορατό 400-800 nm Εγγύς Υπέρυθρο 0,8-2,5 μm (10000-4000 cm -1 ) Υπέρυθρο 2,5-15 μm (4000-400 cm -1 ) Άπω Υπέρυθρο 15-200 μm (400-10 cm -1 ) Μικροκύματα 0,2-7,0 mm Ραδιοσυχνότητες 100-10000 m 11
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Είναι μια μορφή ενέργειας με: - κυματικές (ηλεκτρομαγνητικό κύμα-ενεργειακό κύμα) και - σωματιδιακές (δέσμη σωματιδίων-φωτονίων) ιδιότητες. Χαρακτηρίζεται από: α) το μήκος κύματος ή τη συχνότητα, β) την ισχύ ή την ένταση. 12
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Μήκος Κύματος (λ): Η απόσταση μεταξύ δυο γειτονικών κορυφών του ηλεκτρονικού φάσματος. Μονάδες: Α ή nm στο UV-Vis, μm στο IR. Συχνότητα (ν): Ο αριθμός των κυμάτων που διέρχονται από ένα σημείο στη μονάδα του χρόνου. Μονάδες: Hz, αντιστοιχεί σε ένα (1) κύμα (κύκλο) ανά δευτερόλεπτο. Κυματαριθμός ( v ): Ορίζεται ως το αντίστροφο του μήκους κύματος στο κενό και ισούται με τον αριθμό των κυμάτων ανά cm. Mονάδα: cm -1. 13
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία Mονοχρωματική Ακτινοβολία: όταν χαρακτηρίζεται από μια μόνο συχνότητα. Όλα τα φωτόνια της έχουν την ίδια ενέργεια, η οποία αντιστοιχεί σε μοναδικό μήκος κύματος. Ενέργεια Φωτονίου: Ε = hν = hc/λ h = σταθερά του Planck = 6,6262x10-27 erg.s. Ισχύς (P): είναι η ενέργεια της δέσμης που προσπίπτει σε μια δεδομένη επιφάνεια ανά δευτερόλεπτο. Ένταση (Ι): είναι η ισχύς της ακτινοβολίας από μια σημειακή πηγή ανά μονάδα στερεάς γωνίας. 14
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Οι οργανικές ενώσεις όταν εκτεθούν στην ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, απορροφούν ενέργεια σε συγκεκριμένα μήκη κύματος. Αν ακτινοβολήσουμε ένα δείγμα με ενέργεια πολλών διαφορετικών μηκών κύματος και εντοπίσουμε ποια απορροφώνται και ποια διέρχονται, μπορούμε να προσδιορίσουμε το φάσμα απορρόφησης μιας ένωσης. Το φάσμα απορρόφησης στην περιοχή του υπεριώδους ορατού του β- καροτενίου 15
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Που βασίζονται; Στην ικανότητα διαφόρων ουσιών να αλληλεπιδρούν (να απορροφούν ή να εκπέμπουν) με ακτινοβολίες χαρακτηριστικών συχνοτήτων. Τι μετριέται; Η απορρόφηση (Α) ή η διαπερατότητα (Τ) του δείγματος, η ισχύς-ένταση της ακτινοβολίας. Τι προκύπτει; Το φάσμα, που είναι η απεικόνιση της απορρόφησης, της διαπερατότητας ή της έντασης της ακτινοβολίας σε συνάρτηση με το μήκος κύματος της. 16
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ 1. Υπεριώδους-ορατού (Ultraviolet-Visible UV-Vis) Οι απορροφήσεις οφείλονται σε διεγέρσεις ηλεκτρονίων σθένους 2. Υπερύθρου (Infra Red IR) Οι απορροφήσεις οφείλονται σε διεγέρσεις δονήσεως, παραμορφώσεως και περιστροφής των δεσμών των μορίων 3. Πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (Nuclear Magnetic Resonance NMR) Η απορρόφηση ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας της περιοχής των ραδιοσυχνοτήτων προκαλεί διεγέρσεις των ατομικών πυρήνων που βρίσκονται μέσα σε μαγνητικό πεδίο 4. Φασματομετρία μαζών (Mass Spectrometry-MS) Δημιουργία ιονικών θραυσμάτων 17
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (Ultra Violet Visible, UV-Vis) Τα συζυγιακά μόρια μπορούν να απορροφούν ακτινοβολία στην περιοχή του Υπεριώδους - Ορατού του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Οι περιοχές από τα 200 έως τα 400 nm, για το Υπεριώδες (UV, Ultra Violet) και από τα 400 έως τα 800 nm, για το Ορατό (Vis, Visible), είναι οι πιο χρήσιμες στην οργανική χημεία. 18
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Που βασίζεται; Τα ηλεκτρόνια σθένους των στοιχείων διαφόρων μορίων, κατά την επίδραση UV-Vis ακτινοβολίας, απορροφούν ενέργεια (E=hv) και διεγείρονται από τη βασική τους κατάσταση, σε μια αντιδεσμική κατάσταση υψηλότερης ενέργειας. σ* π* n αντιδεσμικά Μη δεσμικά (αδεσμικά) E π σ δεσμικά Η απορρόφηση ορατής ή υπεριώδους ακτινοβολίας προκαλεί διεγέρσεις ηλεκτρονίων της εξωτερικής στιβάδας. 19
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Οργανολογία Τα φασματοφωτόμετρα διακρίνονται σε: Απλής δέσμης Διπλής δέσμης 20
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Χρωμοφόρες Αυξόχρωμες ομάδες Τα φάσματα UV-Vis παίρνονται σε αραιά διαλύματα και έχουν τη μορφή ταινιών ή καμπυλών. Α π ο ρ ρ ό φ η σ η (Α) λmax Μήκος κύματος (λ, nm) Φάσμα απορρόφησης Το τμήμα του μορίου που είναι υπεύθυνο για την απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας καλείται χρωμοφόρο. Αυτό μπορεί να είναι μία χαρακτηριστική ομάδα, ένας απομονωμένος πολλαπλός δεσμός ή ένα σύστημα πολλαπλών δεσμών. 21
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Χρωμοφόρες Αυξόχρωμες ομάδες Χρωμοφόρες ομάδες: περιέχουν ακόρεστο σύστημα (C=O, C=C, C=N, N=O, N=N κ.ά.). Η ύπαρξή τους προκαλεί το φαινόμενο της βαθυχρωμίας. Υπερχρωμία Υψοχρωμία Βαθυχρωμία Υποχρωμία Αυξόχρωμες ομάδες: είναι κορεσμένες ομάδες με ελεύθερα ζεύγη ηλεκτρονίων, (-CΗ 3, -ΟΗ, -ΟR, -NH 2, αλογόνα). Η ύπαρξή τους σε ένα μόριο 22 αυξάνει την ένταση της απορρόφησης (υπερχρωμία).
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Επίδραση της συζυγίας στα φάσματα UV-Vis Γιατί μερικές οργανικές ενώσεις είναι έγχρωμες, ενώ άλλες όχι; 1,3-βουταδιένιο, λ max : 217 nm (άχρωμο) β-καροτένιο, λ max : 455 nm (έγχρωμο) H αύξηση της συζυγίας μετατοπίζει το λmax της απορρόφησης από την περιοχή του UV στην περιοχή του Vis. 23
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Απορροφήσεις μερικών χαρακτηριστικών συζυγιακών μορίων Ονομασία Δομή λ max (nm) 24
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) β-καροτένιο β-καροτένια all-trans 9-cis 15-cis 25
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Χλωροφύλλη Χλωροφύλλη α: Χ= CH 3 Χλωροφύλλη β: Χ= CHΟ 26
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Χλωροφύλλη α: Χ= CH 3 27
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Όταν ένα αντικείμενο απορροφά εκλεκτικά ένα τμήμα της ορατής ακτινοβολίας, (400-800nm) εμείς βλέπουμε το τμήμα της ακτινοβολίας που δεν απορροφήθηκε, οπότε το αντικείμενο εμφανίζεται έγχρωμο. To χρώμα που παρατηρούμε oνομάζεται συμπληρωματικό χρώμα του χρώματος που απορροφήθηκε 28
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Η σχέση ανάμεσα στο μήκος κύματος του ορατού φάσματος του φωτός που απορροφούν οι ενώσεις και στο χρώμα που παρατηρείται Περιοχή φάσματος 400-420 nm Κίτρινο Χρώμα που παρατηρείται Φυσικά προϊόντα λ max απορρόφησης 420-440 nm Πορτοκαλί β-καροτένιο (καρότο) 452 nm 440-490 nm Κόκκινο Λυκοπένιο (τομάτα) 474 nm 490-570 nm Ιώδες (μοβ) Κυανιδίνη (άνθη) 545 nm 570-585 nm Βαθύ γαλάζιο (μπλε) 585-620 nm Γαλάζιο 620-780 nm Πράσινο α- χλωροφύλλη (πράσινα φύλλα) 420 & 680 nm 29
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Προσδιορισμός της δομής μιας ένωσης Τα φάσματα UV-Vis δίνουν γενικές πληροφορίες για τη δομή μιας ένωσης Μη εξειδικευμένες πληροφορίες. Απορρόφηση λmax Ένταση απορρόφησης Παρουσία ορισμένης ομάδας 280 nm Ασθενής >C=O 250 nm Έντονη Βενζολικός δακτύλιος 30
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Ποσοτική ανάλυση Ο νόμος των Beer-Lambert Ανιχνευτής Μονοχρωμάτορας Ανιχνευτής Ανιχνευτής Α= log(po/p) = -logt = log(100/%t) = αbc g/l = εbc mol/l A = Aπορρόφηση (Absorbance). Καθαρός αριθμός. Po = Ισχύς της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. P = Ισχύς της εξερχόμενης από το διάλυμα ακτινοβολίας. Τ = Διαπερατότητα (Transmittance) = P/Po που εκφράζεται συνήθως επί τοις % Τ. c = η συγκέντρωση του διαλύματος σε mol/l ή g/l. b = το μήκος της διαδρομής που διάνυσε η δέσμη μέσα στο διάλυμα σε cm. α = σταθερά αναλογίας, απορροφητικότητα (absorptivity) όταν η c εκφράζεται σε g/l. ε = σταθερά αναλογίας, μοριακή απορροφητικότητα (molar absorptivity) όταν η c εκφράζεται σε 31 mol/l.
Φασματοσκοπία Υπεριώδους Ορατού (UV-Vis) Εφαρμογές 1. Προσδιορισμός της δομής μιας ένωσης 2. Ποιοτικός προσδιορισμός μιας χημικής ένωσης 3. Ποσοτική ανάλυση μιας χημικής ένωσης ή μίγματος χημικών ενώσεων κ.ά. 32
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (Infra Red,IR) Η ενδιάμεση περιοχή του υπέρυθρο (Mid IR) 2,5-50 μm χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της δομής οργανικών μορίων. 33
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Έννοια κυματαριθμού Συνήθως στο IR αντί του μήκους κύματος ή της συχνότητας χρησιμοποιείται η έννοια του κυματαριθμού ο οποίος ορίζεται ως το αντίστροφο του μήκους κύματος. κυματαριθμός (cm ) (cm) 1 1 μήκος κύματος Έτσι αν λ=5,814 μm (1μm=10-4 cm), τότε λ=5,814.10-4 cm v 1 4 5, 814.10 cm 1720cm 1 34
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Που βασίζεται; Μόρια με μόνιμη διπολική ροπή, η οποία μεταβάλλεται κατά τη παραμόρφωση του μορίου, απορροφούν στην περιοχή του υπερύθρου. Η μεταβολή της διπολικής ροπής οφείλεται στις διάφορες δονήσεις του μορίου. Οι δονήσεις (vibrations) μπορεί να είναι τάσης (stretching) ή κάμψης (bending). Οι δονήσεις κάμψης μπορεί να είναι κλυδωνισμού ( rocking), σείσης (wagging), ψαλιδισμού (scissoring), στρέβλωσης (twisting) κ.α. Απαραίτητες προϋποθέσεις απορρόφησης μιας συχνότητας υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι: Το μόριο να παρουσιάζει μόνιμη διπολική ροπή. Η συχνότητα της προσπίπτουσας υπέρυθρης ακτινοβολίας να είναι ίση με τη συχνότητα τάσης, κάμψης, κλυδωνισμού κ.λ.π. 35
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Διάφοροι τύποι δονήσεων Δονήσεις τάσης 36
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Διάφοροι τύποι δονήσεων Δονήσεις κάμψης 37
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Οργανολογία 38
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Φάσμα IR αιθανόλης ( CH 3 CH 2 OH) 39
Absorbance Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Συσχέτιση δονήσεων και απορροφήσεων Οξικός αιθυλεστέρας 1,0 1239 C-O (O-C=O) C=O 1764 C-H 2991 C-H 1378 C-O (R-O-C=O) 1054 0,0 4000 Wavenumbers (cm -1 ) 400 40
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Ερμηνεία Φασμάτων Σ ένα υπέρυθρο φάσμα διακρίνονται δύο περιοχές: Α) των χαρακτηριστικών ομάδων (4.000 1.500 cm -1 ) 4000-2500 cm -1 N-H, C-H, O-H (δονήσεις τάσης) 3300-3600 N-H, O-H 3000 C-H 2500-2000 cm -1 C C και C N (δονήσεις τάσης) 2000-1500 cm -1 διπλοί δεσμοί (δονήσεις τάσης) C=O 1680-1750 C=C 1640-1680 cm -1 Β) των δακτυλικών αποτυπωμάτων (1.500-600 cm -1 ) Για την αναγνώριση και απόδοση των κορυφών ενός φάσματος υπάρχει η δυνατότητα αναφοράς σε πίνακες που περιέχουν τις διάφορες χαρακτηριστικές ομάδες με τους αντίστοιχους κυματαριθμούς 41
Ερμηνεία Φασμάτων Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) 42
Ερμηνεία Φασμάτων Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) 43
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Φάσματα συστατικών του φυτού Crocus sativus L. -ΟΗ C-Η C=O C-O C-O R 1 O Κροκίνες CH 3 CH 3 O OR 2 C=O C-O O CH 3 CH 3 R1, R2 =β-d-γεντιοβιοζυλ ή β-d-γλυκοζυλ C-Η C-O Διμέθυλοκροκετίνη CH 3 CH 3 O C-Η -ΟΗ C=O C-O H 3 CO O HO OCH 3 CH 3 CH 3 Κροκετίνη CH 3 CH 3 O OH O CH 3 CH 3 Τα φάσματα IR πιστοποιούν την παρουσία χαρακτηριστικών ομάδων Η απουσία ορισμένων απορροφήσεων μπορεί να αποκλείσει την ύπαρξη μιας ομάδας. Συνεπώς είναι στοιχεία πολύτιμα για την εύρεση της δομής μιας άγνωστης 44 ένωσης
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Συγκρίνοντας το φάσμα «άγνωστης» ένωσης με βάση δεδομένων φασμάτων γνωστών ενώσεων μπορούμε να ταυτοποιήσουμε την «άγνωστη» ένωση. 45
Φασματοσκοπία Υπέρυθρου (IR) Εφαρμογές 1. Προσδιορισμό της δομής ενός μορίου (εύρεση λειτουργικών (χαρακτηριστικών) ομάδων). 2. Ποιοτική και ποσοτική ανάλυση μιας χημικής ένωσης. 46
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Spin: Θεμελιώδης ιδιότητα της ύλης και αφορά την ιδιοπεριστροφή (αυτοπεριστροφή) ενός υποατομικού σωματιδίου (πρωτονίου, ηλεκτρονίου, νετρονίου) γύρω από έναν φανταστικό άξονα. Παίρνει τιμές -1/2 ή +1/2. Λόγω της περιστροφής το σωματίδιο εμφανίζει ιδιοστροφορμή (P) ή spin. 47
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Πυρηνικό spin: Οι πυρήνες έχουν στροφορμή (Ρ) η οποία δίνεται από τον τύπο: P I(I 1) Βασικές έννοιες όπου h 2 Το Ι λέγεται πυρηνικό spin και παίρνει τιμές ακέραιες ή ημιακέραιες (0,1/2,1, 3/2 κλπ), ανάλογα με το είδος του πυρήνα. Φάσματα NMR δίνουν οι πυρήνες με Ι 0. Τέτοιοι είναι οι πυρήνες που έχουν τουλάχιστον έναν από τους ατομικό και μαζικό αριθμό με περιττές τιμές. Έτσι οι πυρήνες: 1 13 17 H(I 1/ 2), C(I 1/ 2), O(I 5/ 2), F(I 1/ 2, P(I 1/ 2), H(I 1), N(I 1) κ.α. 19 31 2 14 1 7 Δίνουν φάσματα NMR. 48
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Πυρηνικό spin (Ι) Η ύπαρξη του spin οδηγεί στη δημιουργία κυκλικού ηλεκτρικού ρεύματος (βρόχος ρεύματος). Άρα δημιουργείται ένα μαγνητικό πεδίο. Επομένως το πρωτόνιο συμπεριφέρεται ως ένα μαγνητικό δίπολο ή ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. 49
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Μαγνητική ροπή (μ) Λόγω της ύπαρξης του μαγνητικού διπόλου εμφανίζεται μαγνητική ροπή (μ) η οποία δίνεται από τον τύπο: μ=γ.ρ γ= γυρομαγνητικός λόγος, σταθερά η οποία εξαρτάται από τον πυρήνα. Για το 1 Η είναι 26,753 s -1 gauss -1 50
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Το διάνυσμα της στροφορμής και της μαγνητικής ροπής είναι συγγραμικά με φορά που καθορίζεται από τον γυρομαγνητικό λόγο. 51
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Απουσία εξωτερικού πεδίου, οι μαγνητικές ροπές προσανατολίζονται τυχαία. Όταν ένας πυρήνας βρεθεί σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τότε, σύμφωνα με την κβαντομηχανική, οι στροφορμές, και άρα και οι μαγνητικές ροπές, μπορούν να προσανατολιστούν σε 2Ι + 1 κατευθύνσεις σε σχέση με την ένταση Β 0 του μαγνητικού πεδίου. Δηλαδή οι πυρήνες με Ι =1/2, μπορούν να προσανατολιστούν σε δύο κατευθύνσεις. Β 0 Β 0 α-spin (χαμηλότερη ενέργεια) β-spin (υψηλότερη ενέργεια) 52
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Όταν ένα σύνολο από τους προηγούμενους πυρήνες βρεθεί μέσα σε ένα μαγνητικό πεδίο, η πλειονότητα θα βρεθεί σε κατάσταση α-spin. Όσο ισχυρότερο είναι το μαγνητικό πεδίο τόσο η διαφορά ενέργειας μεταξύ των δύο καταστάσεων αυξάνει με αποτέλεσμα περισσότεροι πυρήνες να βρίσκονται σε κατάσταση α-spin. ΔΕ Κατεύθυνση μαγνητικού πεδίου Τιμή έντασης Β 0 53
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Που βασίζεται; Βασικές έννοιες Η διαφορά ενέργειας ΔΕ, μεταξύ α- και β- spin δίνεται από τον τύπο: h.v Επομένως αν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, συχνότητας ν, προσπέσει στους πυρήνες, τότε οι πυρήνες συντονίζονται και διεγείρονται από την α- στη β- κατάσταση. Η συχνότητα ν αντιστοιχεί στις ραδιοσυχνότητες. Για Β 0 =1,4 Τ=1,4.10 4 Gauss η συχνότητα συντονισμού για τους πυρήνες 1 Η είναι 60 MHz ενώ για τους πυρήνες 13 C 15 MHz. 0 Άρα αν δεν υπήρχαν οι α- και β- καταστάσεις δεν θα υπήρχαν φάσματα NMR. Σε πυρήνες με Ι=0 (άρτιος ατομικό και μαζικός αριθμό) υπάρχουν 2.0+1=1 καταστάσεις και δεν δίνουν φάσματα NMR. 54
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Οργανολογία 55
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Τα κύρια χαρακτηριστικά ενός φάσματος NMR είναι: 1. Η χημική μετατόπιση (Chemical shift) (δ). 2. Η σχάση της απορρόφησης, σχάση spin-spin ή φαινόμενο της spin-spin σύζευξης (spin-spin coupling). -CH 3 -CH 2 Br J TMS 7 6 5 4 3 2 1 0 χημική μετατόπιση (δ) ppm Φάσμα 1 Η NMR του βρωμοαιθανίου (CH 3 CH 2 Br) 56
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα δημιουργούν επαγωγικά αντίθετο μαγνητικό πεδίο σε σχέση με το εξωτερικά εφαρμοζόμενο, δηλαδή τα ηλεκτρόνια προστατεύουν τον πυρήνα από την επίδραση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το πραγματικά εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο να έχει ένταση Β Π =Β 0 (1-σ), όπου σ= παράγοντας χημικής μετατόπισης (chemical shift) ή σταθερά πυρηνικής προστασίας (nuclear shielding constant). Οι τιμές του σ είναι της τάξης 10-6 -10-5. Όταν το σ είναι θετικό, η συχνότητα συντονισμού μετατοπίζεται σε μεγαλύτερες τιμές πεδίου (διαμαγνητική προστασία) ενώ όταν είναι αρνητικό σε μικρότερες τιμές πεδίου (παραμαγνητική αποπροστασία). 57
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Όσο μεγαλύτερη η ηλεκτρονιακή πυκνότητα γύρω από τον πυρήνα τόσο μεγαλύτερη η ηλεκτρονιακή προστασία (διαμαγνητική προστασία). Επομένως αν σε ένα χημικό δεσμό Η-Χ, ο Χ είναι δότης ηλεκτρονίων θα αυξάνει η ηλεκτρονιακή προστασία ενώ αν είναι δέκτης, ο πυρήνας του υδρογόνου αποπροστατεύεται (παραμαγνητική αποπροστασία). Δηλαδή στη χημική μετατόπιση επιδρά το επαγωγικό φαινόμενο. 58
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Από τον τύπο Β Π =Β 0 (1-σ) φαίνεται ότι η θέση συντονισμού ενός πυρήνα υδρογόνου εξαρτάται από την Β 0. Με βάση τον παραπάνω τύπο η θέση συντονισμού αλλάζει ανάλογα με το Β 0. Για το λόγο αυτό καθιερώθηκε η χημική μετατόπιση(δ) η οποία εκφράζει τη μετατόπιση θέσης συντονισμπού ενός πυρήνα υδρογόνου από τη θέση συντονισμού μιας ουσίας αναφοράς (τετραμεθυλοσιλάνιο, (CH 3 ) 4 Si-TMS). 0.10 6 Δ 0 = η συχνότητα λειτουργίας του ραδιοπομπού (Hz) Δ= η διαφορά συχνότητας συντονισμού του υπό εξέταση πυρήνα και της συχνότητας συντονισμού των πρωτονίων της ουσίας αναφοράς (Hz). 59
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Η μετατόπιση δ εκφράζεται σε ppm και τότε δίνεται απευθείας από τον τύπο 0 Έτσι όταν ένα 1 Η συντονίζεται σε όργανο 60 MHz, σε συχνότητα 120 MHz κάτω από τη συχνότητα συντονισμού του TMS η χημική μετατόπισή του θα είναι 120 120 60 2ppm 60
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Σε ένα άλλο φασματόμετρο NMR των 100 MHz, ο συντονισμός του ίδιου 1 Η θα εμφανιστεί στα 200 MHz κάτω από τη συχνότητα συντονισμού του TMS, οπότε η χημική μετατόπισή του θα είναι 200 200 100 2ppm Επομένως η χημική μετατόπιση ενός πυρήνα είναι ανεξάρτητη και του φασματομέτρου και της έντασης του μαγνητικού πεδίου. 61
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) (Προστασία) (Αποπροστασία) (Κορυφή αναφοράς) (Χαμηλό πεδίο) (Διεύθυνση σάρωσης πεδίου) (Υψηλό πεδίο) 62
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Χημική μετατόπιση δ, (Chemical shift) Φάσμα 1 Η NMR του οξικού μεθυλεστέρα 63
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR 1 Η NMR Χημικές μετατοπίσεις 64
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Spin- spin σύζευξη (spin-spin coupling) - Πολλαπλότητα των κορυφών Το μαγνητικό πεδίο το οποίο επιδρά σε ένα πυρήνα εξαρτάται επιπλέον και από τα μαγνητικά πεδία που προέρχονται από γειτονικούς πυρήνες. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Διχλωροακεταλδεϋδη (CHCl 2 CH=O). Τα δύο πρωτόνια θα αναμέναμε να δώσουν δύο ταινίες απορρόφησης ενώ δίνουν τέσσερεις. 65
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Spin- spin σύζευξη (spin-spin coupling) - Πολλαπλότητα των κορυφών Ας ονομάσουμε τους δύο πυρήνες Η Α και Η Β. Κάποιοι πυρήνες Η Α είναι σε κατάσταση α-spin και κάποιοι σε β-spin. Επομένως θα έχουμε δύο διαφορετικού τύπου επιδράσεις στον πυρήνα Η Β και άρα δύο ταινίες απορρόφησης (πολλαπλότητα κορυφών). Η απόσταση μεταξύ των δύο ταινιών απορρόφησης λέγεται σταθερά σύζευξης (J) και μετριέται σε Hz. Το ίδιο ισχύει για τους πυρήνες Η Β. Επομένως συνολικά παρατηρούνται τέσσερεις ταινίες απορρόφησης. J 66
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Spin- spin σύζευξη (spin-spin coupling) - Πολλαπλότητα των κορυφών ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ Η παρουσία ισοδυνάμων γειτονικών πυρήνων με spin I=1/2 προκαλεί σχάση της απορρόφησης σε n+1 κορυφές. Η πολλαπλότητα μιας κορυφής αφαιρώντας μία κορυφή μας δείχνει τον αριθμό των γειτονικών πρωτονίων. J 67
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Ένταση κορυφής - Ολοκλήρωση Ένταση κορυφής είναι το εμβαδόν της επιφάνειας που περικλείεται από μια κορυφή. Το εμβαδόν το μετράμε αυτόματα με ηλεκτρονικό ολοκληρωτή, ο οποίος βρίσκεται ενσωματωμένος στον φασματογράφο NMR, με τη μορφή ενός βήματος. Το ύψος του βήματος μετρούμενο σε αυθαίρετες μονάδες είναι ανάλογο του εμβαδού της κορυφής. Με την ολοκλήρωση προσδιορίζεται ο σχετικός αριθμός των πρωτονίων. 52 2, 5x2 5 21 21 1x2 2 21 32 1, 5x2 3 21 Αναλογία πρωτονίων 5:2:3 C 6 H 5 CH 2 OCH 3 TMS 68
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 1 Η NMR Τα φάσματα 1 Η NMR δίνουν από όλες τις φασματοσκοπικές μεθόδους τις περισσότερες πληροφορίες. 1. οι χημικές μετατοπίσεις (δ). 2. Τα σχετικά εμβαδά των κορυφών 3. Η πολλαπλότητα των κορυφών Οδηγούν στην εύρεση της δομής μια άγνωστης ένωσης 69
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 13 C NMR Η φασματοσκοπία 13 C NMR μας επιτρέπει να απαριθμήσουμε τους άνθρακες ενός μορίου. Φάσμα 13 C NMR του οξικού μεθυλεστέρα Η φασματοσκοπία 1 Η NMR παρέχει πληροφορίες για τη σύνδεση υδρογόνων-ανθράκων, κατανομή των υδρογόνων στους άνθρακες. Φάσμα 1 Η NMR του οξικού μεθυλεστέρα 70
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) 13 C NMR Χημικές μετατοπίσεις 71
Φασματοσκοπία Πυρηνικού Μαγνητικού Συντονισμού (NMR) Ιατρική εφαρμογή του NMR Απεικόνιση Μαγνητικού Συντονισμού (Magnetic Resonance Imaging, ΜRI) Μαγνητική τομογραφία εγκεφάλου 72
Φασματομετρία Μαζών (MS) Η Φασματομετρία μαζών είναι μια τεχνική μέθοδος μέτρησης της μάζας και συνεπώς της σχετικής μοριακής μάζας (μοριακό βάρος) ενός μορίου. 73
Φασματομετρία Μαζών (MS) Που βασίζεται; Στην παραγωγή ιόντων, συνήθως με θετικό φορτίο, από ένα δείγμα που βρίσκεται σε αέρια φάση και σε υψηλές συνθήκες κενού, και στη συνέχεια στο διαχωρισμό τους ανάλογα με το πηλίκο m/z (μάζα / φορτίο). 74
Φασματομετρία Μαζών (MS) Φασματομετρία Μαζών (Mass Spectrometry, MS) Μια μικρή ποσότητα δείγματος εισάγεται στο φασματόμετρο. Βομβαρδίζεται με μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας (70eV) Όταν ένα ηλεκτρόνιο προσκρούσει σε ένα μόριο, εκτοπίζει ένα ηλεκτρόνιο σθένους του μορίου, δημιουργώντας μια κατιονική ρίζα. Οργανικό μόριο Κατιονική ρίζα 75
Φασματομετρία Μαζών (MS) Φασματομετρία Μαζών (Mass Spectrometry, MS) Οι περισσότερες κατιοντικές ρίζες θραυσματοποιούνται και προκύπτουν μικρά θραύσματα, με θετικό φορτίο και ηλεκτρικά ουδέτερα. M + e - M + + 2 e - Μ + Μ + 1 + Μ 2 Μ + 1 Μ+ 2 + Μ 3 76
Φασματομετρία Μαζών (MS) Τα θραύσματα ταξινομούνται μέσω ενός ανιχνευτή, με βάση το φορτίο του m/z, και τα καταγράφονται ως κορυφές. Οθόνη Η/Υ 77
Φασματομετρία Μαζών (MS) Γράφημα: Φάσμα Μαζών στον άξονα των x (x-axis) η μάζα (m/z) και στον άξονα y (y-axis) ο αριθμό των ιόντων δεδομένης μάζας. H υψηλότερη κορυφή ονομάζεται βασική κορυφή (100%). Οι άλλες κορυφές αναφέρονται ως % της βασικής κορυφής Η κορυφή που έχει το μεγαλύτερο m/z αποκαλείται μητρική κορυφή ή μοριακό ιόν (M+) Κορυφές των υπολοίπων θραυσμάτων. 78
Φασματομετρία Μαζών (MS) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ 1. Το μεθάνιο δίνει μητρική κορυφή (m/z = 16) και θραύσματα 15 και 14. Μοριακό ιόν, Μ + 79
Φασματομετρία Μαζών (MS) 2. Προπάνιο Φάσμα Μαζών του προπανίου (C 3 H 8, MB = 44) 80
3. Βενζοϊκός μεθυλεστέρας Φασματομετρία Μαζών (MS) Μοριακό Ιόν ή Μητρική Κορυφή Μ + ή (Μ+1) + -- Βασική Κορυφή Η μεγαλύτερη κορυφή -- Κορυφές Θραυσμάτων Το φάσμα μαζών κάθε οργανικής ένωσης είναι μοναδικό και οδηγεί στην ταυτοποίηση της. 81
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΑΛΥΣΗΣ Σε τι διαφέρουν οι φασματοσκοπικές τεχνικές υπερύθρου, υπεριώδους ορατού και πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού από τη φασματομετρία μαζών όσον αφορά την αιτία που τις προκαλεί; Οι φασματοσκοπικές τεχνικές υπερύθρου, υπεριώδους ορατού και πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού καταγράφουν την αλληλεπίδραση μορίων με ηλεκτρομαγνητική ενέργεια (ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) ενώ η φασματομετρία μαζών καταγράφει την αλληλεπίδραση των μορίων με υψηλής ενέργειας ηλεκτρονική δέσμη (δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας). 82
ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 1. Η μεθανόλη παρουσιάζει λ max στα 222 nm, το κυκλοεξένιο στα 182 nm και η ριβοφλαβίνη (βιταμίνη Β2) στα 450 nm. Χαρακτηρίστε τα παραπάνω μόρια ως έγχρωμα ή άχρωμα και εξηγείστε την απάντησή σας. 2. Δίνονται οι χημικές ενώσεις: 1-πεντένιο, 1,3-πενταδιένιο, 2,4- πενταδιενάλη. Κατατάξτε τις παραπάνω ενώσεις κατά αυξανόμενη τιμή του μέγιστου μήκους κύματος απορρόφησης (λ max ) και δικαιολογείστε την επιλογή σας. 3. Το φάσμα υπερύθρου της 1-βουτανόλης παρουσιάζει έντονες ταινίες απορρόφησης στη περιοχή 3600-2800 cm -1 αλλά όχι στη περιοχή 1750-1700 cm -1. Εξηγείστε τις παραπάνω παρατηρήσεις. 4. Πόσες διαφορετικές ταινίες απορρόφησης μπορούν να παρατηρηθούν στα φάσματα 1 Η-ΝΜR των: βουτανίου, 1-χλωροβουτανίου και 1,4- διχλωροβουτανίου. Εξηγείστε την απάντησή σας. 83
ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΑΣΚΗΣΕΙΣ 5. Δίνεται το παρακάτω φάσμα μαζών. Ποια η σχετική μοριακή μάζα (μοριακό βάρος) της χημικής ένωση; Εξηγείστε την απάντησή σας. 84
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Οργανική Χημεία, John McMurry, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 6 η έκδοση (1996), Τόμος Ι, Κεφ. 12, 13,14. 2. Οργανική Χημεία, L.G. Wade, JR., Εκδόσεις Τζιόλα (2012), 7 η έκδοση, Κεφ. 12, 13, 15. 3. Μαθήματα Οργανικής Χημείας, Ν.Ε. Αλεξάνδρου Α.Γ. Βάρβογλη, Εκδόσεις Ζήτη, Γ έκδοση (1981), Κεφ.5. 85