NMR, IČ, Raman

Metody strukturní analýzy –
NMR, IČ, Raman
Pavel Matějka
Metody strukturní analýzy
– NMR, IČ, Raman
1. NMR
1.
2.
3.
4.
Princip metody a základy instrumentace
Základy pro interpretaci spekter
NMR pevné fáze
NMR v nehomogenním poli
2. Vibrační spektroskopie
1.
2.
3.
4.
Obecné principy
Infračervená spektrometrie – techniky měření
Ramanova spektrometrie – techniky měření
Základy interpretace spekter
NMR spektrometrie
- teoretické základy
spin nukleonů, spin jádra, kvantová čísla
energetické stavy jádra v magnetickém poli
rezonanční podmínka
- NMR experiment a instrumentace
pulsní metody, pulsní sekvence
relaxační procesy, FID, Fourierova transformace
- NMR spektra a jejich interpretace
chemický posun, spin-spinové interakce
integrální intenzita
vícedimenzionální NMR
NMR spektrometrie
- teoretické základy
• spin jádra, kvantová čísla
spinový rotační moment (moment hybnosti)
 kvantové číslo jaderného spinu I
 pro NMR - jádra s I  0
 I = 0 - sudé hmotnostní a atomové číslo - 12C, 16O
 I = celočíselné - sudé hmotnostní a liché atomové číslo
- 14N, 10B, 2H
 I = polovinové - liché hmotnostní číslo
- 1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P
 projekce spinu magnetické kvantové číslo
jaderného spinu - MI
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
gyromagnetický poměr
NMR spektrometrie
- teoretické
základy
• energetické stavy
jádra v magnetickém
poli
POPULACE
STAVŮ
N
N
 E 
 exp  
 kT 
NMR spektrometrie
- klasické přiblížení
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
spin-mřížková
spin-spinová
NMR spektrometrie
- relaxační procesy
NMR spektrometrie
- relaxační procesy
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie
jednodimenzionální
NMR spektrometrie
jedna sonda
1- magnety
2- kyveta se vzorkem
3- vysílací cívka
4- přijímací cívka
NMR spektrometrie
NMR spektrometrie - interpretace
orbitaly s
orbitaly p
sousední atomy
NMR spektrometrie - interpretace
NMR spektrometrie – interpretace
CHEMICKÉ POSUNY - 1H
základní přehled
NMR spektrometrie – interpretace
CHEMICKÉ POSUNY - 13C
základní přehled
NMR spektrometrie – interpretace
• CHEMICKÉ POSUNY
- vlivy chemického okolí
- indukční efekt
- deformace elektronové hustoty v okolí
měřeného jádra (vazba, elektronegativita …)
NMR spektrometrie – interpretace
• CHEMICKÉ POSUNY
- vlivy chemického okolí
- indukční efekt
- deformace elektronové hustoty v okolí
měřeného jádra (vazba, elektronegativita …)
NMR spektrometrie – interpretace
• CHEMICKÉ POSUNY
- vlivy chemického okolí
- vlastnosti aromatického kruhu
- indukční „cívka“
NMR spektrometrie – interpretace
INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz
- nepřímé spin-spinové interakce
- vliv spinových stavů jader v okolí
- zprostředkován vazebnými e- HOMONUKLEÁRNÍ
- HETERONUKLEÁRNÍ
DEKAPLINK - DECOUPLING
NMR spektrometrie – interpretace
NMR spektrometrie – interpretace
INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz
NMR spektrometrie – interpretace
INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz
- možnosti vzájemné orientace více spinů
NMR spektrometrie – interpretace
INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz
signál CH2
štěpený sousední
CH3
signál CH3
štěpený
sousední
CH2
NMR - interpretace
Pascalův trojúhelník
1
1
1
1
1
1
1
2
3
4
5
6
1
3
6
10
15
1
1
4
10
20
1
5
15
1
6
1
NMR spektrometrie – interpretace
INTERAKČNÍ KONSTANTY - Hz
- spektra 1. řádu
- diference mezi chemickými posuny
mnohem větší než spin-spinové
interakční konstanty
LZE IDENTIFIKOVAT SKUPINY
CHEMICKY EKVIVALENTNÍCH JADER
(např. dva protony na volně rotující -CH2)
NMR - interpretace
INTENZITA SIGNÁLU - pro 1H
- integrace plochy pásů pro jednotlivé
chemické posuny
- úměra k počtu protonů v dané
skupině
např. poměr ploch CH3 : CH2 : CH
3 : 2 : 1
NMR - interpretace
1.0
0.9
O
H3C
O
CH3
0.8
CH3
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
0.07
0.28
4.5
4.0
3.5
0.65
3.0
2.5
2.0
1.5
NMR - interpretace
2.20
2.10
2.00
1.90
1.80
1.70
1.60
1.50
1.40
1.30
1.20
1.10
1.00
0.90
0.80
0.70
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.00
7.0
6.5
6.0
5.5
5.0
4.5
4.0
3.5
NMR - interpretace
NMR - interpretace
13C
NMR
- nedekaplovaná
- dekaplovaná
- J - modulovaná - APT test
- attached proton
- pozitivní signály - C, CH2
- negativní signály - CH, CH3
25.93
43.44
NMR - interpretace
H3C
13.76
O
0.9
0.8
22.24
1.0
CH3
0.7
29.73
0.6
0.5
77.47
77.05
76.63
0.4
0.3
209.17
0.2
0.1
0.0
250
200
150
100
50
0
129.82
129.69
NMR - interpretace
1.0
O
0.9
H3C
0.8
0.7
0.6
0.5
77.55
77.13
76.69
0.1
130.18
129.16
145.51
0.2
134.24
0.3
21.82
191.93
0.4
0.0
250
200
150
100
50
0
2D NMR
2D NMR
homonukleární
heteronukleární
http://www.chem.queensu.ca/facilities/NMR/nmr/webcourse/
2D NMR - homonukleární
2D COSY
– přes vazby
Correlated
SpectroscopY
total
2D TOCSY
Nuclear
Overhauser
enhancement
2D NOESY
přes prostor
– přes
vazby
NMR – spektrometr
picoSpin-45 /levný, malý
picoSpin-45
 Specifications










Larmor frequency 45 MHz +/- 1 MHz
Nucleus proton
Sample form liquid
Resolution
better than 100 ppb
Signal-to-noise ratio 300 for water, single shot
Magnet type permanent
Capillary
300 micron ID
Weight 10.5 lbs.
Dimensions
7"W x 5.75"H x 11.5"D
Power
115/230 VAC, 50/60Hz, 150 W
Úvod vibrační spektroskopie
- závislost spekter
na periodickém pohybu
Každá čára vibračního (IČ, Ramanova) spektra
je svými vlastnostmi závislá
na počtu a hmotě společně kmitajících atomů
molekuly,
na jejich prostorovém uspořádání a
na vnitřně molekulovém silovém poli.
Prof. Dr. Arnošt Okáč
Výklad k základním operacím v chemické analyse
JČMF 1948
Pohyb v prostoru
volné částice – translační pohyb
1 atom
2 atomy
3 stupně
volnosti
2 x 3 stupně
volnosti
N atomů
N x 3 stupně
volnosti
Pohyb v prostoru
vzájemně vázané částice
2 atomy spojené vazbou - LINEÁRNÍ MOLEKULA
2 x 3 stupně volnosti ~ 6
JEN 3 translace těžiště
2 stupně volnosti - rotace molekuly
1 stupeň volnosti – vibrace – periodický pohyb
3 atomy spojené vazbami - LOMENÁ MOLEKULA
3 x 3 stupně volnosti ~ 9
JEN 3 translace těžiště
3 stupně volnosti - rotace molekuly
3 stupeň volnosti – vibrace
Pohyb v prostoru
vázané částice
N atomů spojených vazbou - LINEÁRNÍ MOLEKULA
N x 3 stupně volnosti ~ 3 N
JEN 3 translace těžiště
2 stupně volnosti - rotace molekuly
3 N - 5 stupňů volnosti - vibrace
N atomů spojených vazbou - LOMENÁ MOLEKULA
N x 3 stupně volnosti ~ 3 N
JEN 3 translace těžiště
3 stupně volnosti - rotace molekuly
3 N - 6 stupňů volnosti - vibrace
Infračervená spektrometrie
Podstata vibrační spektroskopie
vibrační (vibračně-rotační) stavy
- počty vibračních stavů
- počet vibračních modů (stupňů volnosti)
3N-6 (3N-5 - lineární molekuly), N - počet atomů
- pro každý stupeň volnosti - vibrační frekvence
- potenciálová křivka
- sada stavů (hladin)
Infračervená spektrometrie
Podstata vibrační spektroskopie
TYPY VIBRAČNÍCH MODŮ
- valenční vibrace - změna délky vazby
- symetrická, antisymetrická, asymetrická
- deformační vibrace - změna vazebných úhlů
- nůžková, deštníková, kývavá, vějířová, kroutivá
- rovinná, mimorovinná
- symetrická, antisymetrická, asymetrická
Pohyb atomů v molekule
TYPY VIBRACÍ
VIBRACE
• VALENČNÍ – ZMĚNA délky vazby/vazeb
» SYMETRICKÁ
» ANTISYMETRICKÁ
Pohyb atomů v molekule
TYPY VIBRACÍ
VIBRACE
• DEFORMAČNÍ - změny úhlů (vazebné úhly,
torsní úhly)
• nůžková,
kolébavá,
kývavá,
kroutivá
Infračervená spektrometrie
Podstata vibrační spektroskopie
VIBRAČNÍ FREKVENCE
- model harmonického oscilátoru
plus anharmonicita
- hmotnost atomů
- síla vazby
- vliv typu pohybu v rámci dané skupiny
atomů
Infračervená spektrometrie
Podstata vibrační spektroskopie
POTENCIÁLOVÁ KŘIVKA
- model harmonického oscilátoru
plus anharmonicita
- síla vazby
- vliv typu pohybu v rámci dané skupiny
atomů
Infračervená spektrometrie
Podstata vibrační spektroskopie
ENERGIE STACIONÁRNÍCH STAVŮ
- model harmonického oscilátoru
plus anharmonicita
- frekvence vibrace
- tvar potenciálové křivky
Infračervená spektrometrie
Podstata infračervené absorpce
jednofotonový přechod
mezi dvěma stacionárními
vibračními (vibračně-rotačními) stavy molekuly,
jejichž energie jsou E1 a E2,
vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího
záření
o frekvenci nabs =  E2 - E1  / h
hnabs = E2 - E1
hnvib = E2 - E1 
pro fundamentální přechody
Vibrační spektroskopie
svrchní tón
- overton
fundametální
přechod
fundametální
přechod
Infračervená spektrometrie
Podstata infračervené absorpce
jednofotonový přechod
mezi dvěma stacionárními
vibračními (vibračně-rotačními) stavy molekuly,
jejichž energie jsou E1 a E2,
vyvolaný interakcí s fotonem dopadajícího
záření
o frekvenci nabs =  E2 - E1  / h
hnabs = E2 - E1
hnvib = E2 - E1 
pro fundamentální přechody
Infračervená spektrometrie
Podstata infračervené absorpce
přechody mezi
vibračními (vibračně-rotačními) stavy
- typy možných přechodů při absorpci IČ záření
- v rámci jednoho vibračního modu
- fundamentální (změna kvantového čísla
o jednotku)
- vyšší harmonické - svrchní tóny
- zahrnuto více vibračních modů
- kombinační
Infračervená spektrometrie
Oscilující dipólový moment
pohyb molekuly spojený se změnou elektrického
dipolového momentu
vede k absorpci (nebo k emisi) záření
 p 
 q
p  p0  
 q  0
p - aktuální dipólový moment
p0 - dipólový moment v rovnovážné poloze
q - normální souřadnice vibračního módu
Infračervená spektrometrie
Základní výběrové pravidlo infračervené
absorpce
p
0
q
INTENZITA PÁSŮ ÚMĚRNÁ kvadrátu
ZMĚNY DIPOLOVÉHO MOMENTU BĚHEM
VIBRAČNÍHO POHYBU
Infračervená spektrometrie
p
0
q
SILNĚ ABSORBUJÍ
IČ záření
Cl
H
HCl, H2O, CO2, SO2, NxOy – skleníkové plyny
alkoholy, karbonylové a karboxylové sloučeniny
nitroderiváty, sulfo-deriváty
halogenderiváty
anorganické soli a komplexní sloučeniny
Infračervená spektrometrie
ANALYZOVANÉ TYPY MATERIÁLŮ
- plyny - analýza složení zemního plynu
- monitoring vzdušných polutantů
- kapaliny, roztoky - analýza olejů
- analýza odpadních vod
- analýza mléka
- práškové vzorky - analýza léčiv, drog, trhavin
- analýza rud, hnojiv
- fázové rozhraní - povrchová analýza
Infračervená spektrometrie
- instrumentace
Infračervená spektrometrie
- instrumentace
Infračervená spektrometrie
- TRANSMITANČNÍ MĚŘENÍ
- plyny - plynové kyvety - optická délka 1 cm - 10 m
- roztoky - kapalinové kyvety - 0,01 mm - 10 mm
- kapaliny - kapalinové kyvety - 0,002 mm - 0,05 mm
- pevné látky - suspenze s Nujolem, Fluorolube kapalinové kyvety
- tablety s KBr
Infračervená spektrometrie
- Reflexní techniky
ATR
Infračervená spektrometrie
- Reflexní techniky
DRIFT
Infračervená spektrometrie
- Reflexní techniky
SPEKULÁRNÍ REFLEXE
Infračervená spektrometrie
- INTERPRETACE SPEKTER a
IDENTIFIKACE LÁTEK
- důkazy funkčních skupin - charakteristické pásy
- interpretační tabulky
- síla vazby, hmotnosti atomů, typ vibrace
- identifikace látek - “otisk palce“
- knihovny spekter - tištěné
- elektronické
Infračervená spektrometrie
1,1
1,0
2935
- INTERPRETACE SPEKTER a
IDENTIFIKACE LÁTEK
CYCLOHEPTANE, 98%
0,9
0,8
0,6
0,5
0,4
2869
0,3
0,2
1462
Absorbance
0,7
0,1
3000
2000
Wavenumbers (cm-1)
1000
Infračervená spektrometrie
0,9
632
2935
2870
1,0
1-Hexy ne, 99%
3307
1,1
2960
- INTERPRETACE SPEKTER a
IDENTIFIKACE LÁTEK
0,8
1462
0,6
0,5
0,3
0,2
1380
1247
0,4
2117
Absorbance
0,7
0,1
300 0
200 0
W av enu mber s ( c m- 1)
100 0
Schéma hladin
svrchní tón
- overton
fundametální
přechod
fundametální
přechod
Ramanova spektrometrie
Sir Chandrasekhara
Venkata Raman
1888 – 1970
Nobel Cena za fyziku 1930
A New Type of Secondary Radiation
C. V. Raman and K. S. Krishnan, Nature, 121(3048), 501, March 31, 1928
The experiments we have made have confirmed this anticipation, and shown
that in every case in which light is scattered by the molecules in dust-free
liquids or gases, the diffuse radiation of the ordinary kind, having the same
wave-length as the incident beam, is accompanied by a modified scattered
radiation of degraded frequency.
Ramanova spektroskopie


P  E
Klasické přiblížení
- Indukovaný dipólový moment
úměrný intenzitě elektrického pole
Rayleigh
Stokes
anti-Stokes
Základní výběrové pravidlo
Ramanova rozptylu
změna polarizovatelnosti během vibračního pohybu

0
q
Principy Ramanovy a
FT Ramanovy spektroskopie
Vibrační frekvence molekul jsou nezávislé na
tom, zda je studujeme infračervenou
nebo Ramanovou spektroskopií,
avšak intenzity spektrálních linií
budou pro obě spektroskopické techniky
zřetelně odlišné.
Principy Ramanovy a
FT Ramanovy spektroskopie
V Ramanově spektru je intenzita pásů
úměrná
druhé mocnině změny polarizovatelnosti
během vibračního pohybu
(δα/δq)2,
zatímco v infračerveném spektru
je úměrná
druhé mocnině změny dipólového momentu.
0.2
0.1
350 0
0.3
300 0
250 0
200 0
c m- 1
150 0
1172
11271155
0.0
100 0
640
551
814
734
1030
961
0.4
1266
Raman
1594
0
633
733
859
1028
1152
1124
813
1662
1585
1508
1463
1452
1428
1398
1297
1265
Vanillin
959
1855
1984
IR
1716
V-6j-ATR-
1452
1429 1299
0.5
vzorek V6 1664
20
1511
0.6
2844
40
3019
2945
2861
60
3032
2947
80
3163
%T
100
3073
Int
Rozdíly IČ a Ramanovy spektrometrie
Principy Ramanovy a
FT Ramanovy spektroskopie
0,7
vz. 16 IR
0,6
2248 CN
Abs
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,10
vz. 16
Raman
2248 CN
0,0
0,12
Int
0,08
0,06
0,04
0,02
3000
2000
Wavenumbers (cm-1)
1000
Experimentální výhody
• možnost měření ve vodném prostředí
 nízká intenzita Ramanova rozptylu pro vodu
 používané optické materiály nejsou citlivé na vlhkost
• možnost měření ve skleněných nádobách
 měření v uzavřených ampulích - např. pod vakuuem
• snadné využití skelné vláknové optiky
• minimální požadavky na úpravu pevných
vzorků
• intenzivní pásy -C=C-, -N=N-, -S-Sa dalších symetrických vibrací
Ramanova spektrometrie
Zdroj záření
• Slunce a filtry
• rtuťová výbojka
• LASERY
monochromatické
koherentní
• oči
• fotografické desky
Detekce světla
• fotonásobiče
• CCD čipy
Instrumentace
The following experiment seems to us to be decisive: between the
scattering quartz crystal and the spectrograph slit we placed a quartz
vessel which was filled with mercury vapors and totally absorbed light
with a wavelength of 2536 A. We did not obtain this line in the
spectrogram, but obtained only the satellites.
G.S. Landsberg, L.I. Mandelstam, 1928
 zdroj excitujícího záření
 excitační optika
 vzorkový prostor
 sběrná optika
 „odlišení“ záření o různé energii
 detekce záření
 akviziční elektronika
 ukládání a zpracování dat
Schéma Ramanova disperzního přístroje
Instrumentace
 přenosné přístroje – „ruční“, mobilní
 stolní kompaktní spektrometry
 stolní spektrometry s volbou excitační
vlnové délky
 stolní mikrospektrometry
 vědecké systémy
 průmyslové univerzální systémy
 aplikačně přizpůsobené
(jednoúčelové) systémy
Studované materiály
VZORKY
 anorganické -
korozní vrstvy
- povrchy pevných disků, křemík
- amorfní uhlík, diamanty
 organické - supramolekulární systémy
- systémy na nosičích
 polymery - fotolabilní materiály
in vitro, in vivo
 geologické - minerály, horniny
 biologické -
 archeologické - od paleolitu po novověk
Intensity (a.u.)
80
sp3
DLC
uhlíková
vrstva
1346
100
sp2
1330
x1000
1581
Analýza uhlíkatých materiálů
60
40
20
sp3
diamant
0
500
1000
1500
Wavenumber (cm-1)
2000
Použití spektrálních dat
• Interpretace spekter – strukturní analýza,
identifikace látek – spektrální knihovny
• Intenzita pásů – kvantitativní analýza
• Časově rozlišená spektra – kinetické studie
• Teplotně závislá spektra
• Analýza směsí – identifikace subspekter –
faktorová analýza
ANALÝZA kůže – jednoúčelové zařízení
River Diagnostics Model 3510 Skin Analyzer
http://www.riverd.com/instrumentation.htm
Speciální techniky
 rezonanční - RR
 povrchem zesílený - SERS
 rezonanční povrchem zesílený SERRS
 hrotem zesílený - TERS
 fotoakustický - PARS
 hyperRaman
 koherentní anti-Stokes - CARS
 koherentní Stokes - CSRS