Spektroskopia w świetle i nadfiolecie [4,133,137,189-191]

Spektroskopia w świetle widzialnym i nadfiolecie (UV-VIS) wykorzystuje zjawisko absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez atomy wchodzące w skład analizowanej próbki. Zmiany stanów elektronowych cząsteczki, wynikające z przejścia elektronów z niższych poziomów energetycznych na wyższe, są wywołane przez doprowadzenie energii, która odpowiada długości fali świetlnej zawartej w przedziale 100–800 nm, czyli obejmującej zakres nadfioletu i światła widzialnego. Za pochłanianie

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

nadfioletu i światła widzialnego są odpowiedzialne tzw. grupy chromoforowe w cząsteczce.

Należą do nich: –C=O, –N=N, –N=O, pierścień benzenowy itp., a więc te fragmenty cząsteczki, które zawierają układy π-elektronowe. Wprowadzenie do cząsteczki dodatkowych podstawników lub grup funkcyjnych, jak również zmiana rodzaju rozpuszczalnika, powoduje przesunięcie batochromowe – przesunięcie pasma absorpcji w kierunku fal dłuższych lub przesunięcie hipsochromowe – przesunięcie pasma absorpcji w kierunku fal krótszych.

Metoda spektroskopii elektronowej (UV-VIS) służy głównie do identyfikacji układów wiązań sprzężonych istniejących w cząsteczkach badanego związku, a także do określania charakteru podstawników tychże układów i zaburzeń przestrzennych, naruszających ich planarność. Technika ta umożliwia także potwierdzenie obecności (lub jej braku) wiązania wodorowego oraz badanie zaburzeń wywołanych wiązaniem wodorowym w całym sprzężonym układzie auksochromoforowym cząsteczki. Metoda spektroskopii UV-VIS pozwala na badanie trzech typów wiązań wodorowych: międzycząsteczkowych wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami substancji rozpuszczonej, międzycząsteczkowych wiązań wodorowych pomiędzy cząsteczkami substancji rozpuszczonej i cząsteczkami rozpuszczalnika oraz wewnątrzcząsteczkowych wiązań wodorowych. Tworzeniu wiązania wodorowego, wewnątrz- lub międzycząsteczkowego, towarzyszy obniżenie energii elektronowego stanu podstawowego oraz zmiana energii stanów wzbudzonych, co przekłada się na niejednakowe przesunięcia pasm odpowiadających różnym typom przejść elektronowych. Przejawem spektralnym obecności wiązania wodorowego jest przesunięcie hipsochromowe pasm n–π* oraz przesunięcie batochromowe, połączone ze wzrostem natężenia pasm π–π*. Jednoczesne pomiary elektronowych widm absorpcji i emisji umożliwiają badanie wiązania wodorowego również w stanach wzbudzonych. Należy zauważyć, że efekty wywołane tworzeniem się międzycząsteczkowych wiązań wodorowych nakładają się często na efekty wywołane działaniem sił dyspersyjnych oraz oddziaływań dipolowych. Wyżej wspomniane efekty oraz dodatkowo konieczność uwzględnienia roli stanów wzbudzonych powodują, że interpretacja widm związków, zwłaszcza posiadających kilka chromoforów, wymaga stosowania zaawansowanego formalizmu teoretycznego.

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

1.9.4. Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) [3,8,11,36,133-136, 184,186-187,192-198]

Kolejną metodą spektroskopową mającą ogromne znaczenie w chemii organicznej, biochemii, ale i w dziedzinie badania wiązań wodorowych jest spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego. Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego polega na absorpcji lub emisji promieniowania elektromagnetycznego przez jądra atomowe o niezerowym spinie (np. ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ³¹P, itd.) znajdujące się w statycznym polu magnetycznym, po ich wzbudzeniu przez zewnętrzne, zmienne pole magnetyczne o częstości radiowej.

Oddziaływanie momentu magnetycznego jądra atomowego z zewnętrznym polem magnetycznym fali elektromagnetycznej prowadzi do powstania układu jądrowych poziomów energetycznych. Obecność poziomów energetycznych umożliwia wzbudzanie przejść między nimi poprzez absorpcję kwantów o odpowiedniej energii, uwidocznioną jako układ linii spektralnych, a więc badanie substancji metodą spektroskopii absorpcyjnej.

W strukturalnych badaniach cząsteczek organicznych, najczęściej i najchętniej wykorzystywaną metodą NMR jest rezonans ¹H NMR. Wysoka zawartość izotopu ¹H w przyrodzie oraz duży współczynnik magnetogiryczny protonu powodują, że intensywności sygnałów są znaczne. Położenie sygnału w widmie ¹H NMR jest określane za pomocą tzw.

protonowego przesunięcia chemicznego. Przesunięcie chemiczne sygnałów, δ, mówi o środowisku chemicznym protonów odpowiedzialnych za generację danego sygnału. Na

wartość i kierunek przesunięcia chemicznego, δ, mają wpływ zarówno czynniki wewnętrzne, wynikające z budowy danej cząsteczki, jak i czynniki zewnętrzne związane z warunkami w których wykonuje się pomiar (temperatura, rozpuszczalnik czy stężenie roztworu).

Metoda ¹H NMR jest powszechnie stosowana w badaniu układów, w których cząsteczki połączone są wiązaniami wodorowymi. Utworzenie wiązania wodorowego powoduje zmiany w przesunięciach chemicznych większości protonów w cząsteczkach, tzn. następuje przesunięcie sygnałów rezonansowych protonów uczestniczących w wiązaniu wodorowym w kierunku pól magnetycznych o mniejszym natężeniu (większej wartości δ).

Zjawisko to jest wynikiem zmniejszenia ekranowania protonu uczestniczącego w wiązaniu wodorowym, czyli zmniejszenia gęstości elektronowej wokół tegoż protonu. Sygnały protonów związanych z atomami węgla ulegają przesunięciu o mniejszej wartości, bez wyraźnego preferowania kierunku. Spektroskopia ¹H NMR umożliwia także łatwe rozróżnianie wewnątrz- i międzycząsteczkowych wiązań wodorowych. Widma ¹H NMR, układów z wiązaniem wodorowym są bardzo czułe na zmiany stężenia, temperatury i rodzaj

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

rozpuszczalnika. Zmiany temperatury wpływają na stopień asocjacji cząsteczek badanej substancji (zrywanie lub tworzenie kolejnych wiązań wodorowych), podczas gdy wzrost stężenia substancji zawierającej grupy polarne czy dodatek polarnego rozpuszczalnika, sprzyja powstawaniu asocjatów związanych wiązaniem wodorowym. Rozcieńczenie izotopowe H/D wiązań wodorowych powoduje uproszczenie obrazu widma ¹H NMR badanego związku. Ten fakt ma związek z różnicą w wartościach stałych sprzężenia par atomów HH i HD, a mianowicie JHD ≈ 1/6 JHH, stąd sygnał protonu podstawionego deuteronem zanika oraz nie obserwuje się sprzężenia proton-deuteron [133].

Wszystkie jądra o różnych od zera wartościach spinu mogą być wykorzystywane w spektroskopii NMR. Mechanizm generacji tych widm oraz ich charakterystyka podlega takim samym regułom, jak w przypadku protonów. Spektroskopia ¹³C NMR jest techniką umożliwiającą bezpośrednią obserwację atomów szkieletu węglowego oraz bezpośrednie wykrywanie wielu grup funkcyjnych (w metodzie ¹H NMR grupy funkcyjne są ustalane na podstawie przesunięć chemicznych pozostałych protonów). Wadą tej metody jest mała naturalna zawartość izotopu ¹³C w przyrodzie oraz niska czułość detekcji badania jąder ¹³C [133]. Interesujący jest także wpływ wymiany izotopowej H/D na własności spektralne widm

13C NMR. Wymiana atomów wodoru na deuter powoduje znaczne zmniejszenie intensywności sygnału atomu węgla związanego z deuterem, rozszczepienie i poszerzenie sygnałów węgli oraz małe przesunięcie sygnału węgla związanego z deuterem w kierunku mniejszych wartości δ (o ok. 0.2 ppm na jeden atom deuteru). Zastąpienie atomów wodoru deuterem w badanej cząsteczce umożliwia zaznaczenie wybranych pozycji w szkielecie cząsteczki i dzięki temu identyfikowanie sygnałów zaznaczonych atomów, poprzez obserwację zmian wywołanych wymianą izotopową H/D. Pozwala to na wyciąganie wniosków o przebiegu i mechanizmie reakcji zachodzących w układach chemicznych, jak i w układach biologicznych [133].

Podsumowując, spektroskopia NMR jest wyjątkowo użyteczną techniką w badaniach strukturalnych jak i w badaniach dynamiki ruchów atomów w mostkach wodorowych.

Metoda ta pozwala na obserwację oddziaływań międzycząsteczkowych oraz śledzenie przebiegu zachodzących w układzie reakcji chemicznych pomiędzy substancjami, występującymi we wszystkich stanach skupienia. W tym celu do wybranych fragmentów

cząsteczek wprowadza się znaczone atomy – wyraźnie odznaczające się na widmie, a następnie śledzi ich losy za pomocą widm NMR. Obecnie dzięki rozwojowi elektroniki i zastosowaniu nowych technik badawczych wielkim zainteresowaniem cieszy się NMR ciała

CZĘŚĆ LITERATUROWA: ROZDZIAŁ 1

stałego, co niewątpliwie ma zastosowanie w badaniach wiązania wodorowego. Jednakże omawiany stan skupienia wprowadza pewne ograniczenia, a mianowicie widma NMR substancji w stanie krystalicznym charakteryzują się szerokimi, niesymetrycznymi sygnałami, pozbawionymi zwykle struktury subtelnej. Aby częściowo poprawić jakość otrzymanych widm NMR i uzyskać ich większą rozdzielczość wprowadzone zostały zaawansowane techniki pomiarowe, tj.: wirowanie próbki pod tzw. kątem magicznym (Magic Angle Spinning − MAS NMR), podwójne wirowanie (Double Rotation – DOR oraz Double Angle Spinning − DAS), polaryzacja krzyżowa (Cross Polarization) oraz spektroskopia dwu-wymiarowa (2D NMR) [8,133,138].