v [Hz]
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY (NMR) Mechanizm powstawania sygnału rezonansowego:
METODY SPEKTROSKOPOWE: MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY (NMR) Częstotliwość rezonansowa danego jądra zależy od:
typu badanego jądra (czyli rodzaju pierwiastka chemicznego);
mocy aparatu (tj. natężenia pola magnetycznego porządkującego spiny badanych jąder);
jego otoczenia chemicznego, czyli indukcji lokalnego pola magnetycznego, zależnej od ilości oraz typu atomów sąsiadujących.
Niewielkie różnice w częstotliwościach rezonansowych jąder tego samego pierwiastka sprawiają, że generują one sygnały rezonansowe w różnych miejscach osi częstotliwości, co umożliwia zastosowanie spektroskopii NMR do celów praktycznych.
BADANIA STRUKTURALNE
A
A B
B
C
D C
D E E
METODY SPEKTROSKOPOWE: MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY (NMR) Najważniejsze dwuwymiarowe eksperymenty NMR:
GCOSY;
DQF-COSY;
TOCSY;
HSQC;
HMBC;
HETCOR;
NOESY;
ROESY.
BADANIA STRUKTURALNE
STRYCHNINA GCOSY
METODY SPEKTROSKOPOWE: ELEKTRONOWY REZONANS PARAMAGNETYCZNY (EPR) Spektroskopia EPR opiera się na tych samych fundamentach teoretycznych, co spektroskopia NMR – z tą różnicą, że wzbudzaniu ulegają spiny elektronów, a nie jąder atomowych.
I. Próbka umieszczana jest w silnym, zewnętrznym polu magnetycznym, którego wymagane natężenie jest dużo niższe, niż dla zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego.
II. Spiny elektronowe wzbudzane są kwantami promieniowania elektromagnetycznego o około 1000-krotnie wyższej energii, niż w przypadku spinów jądrowych, co oznacza, że częstotliwości rezonansowe elektronów odpowiadają promieniowaniu mikrofalowemu, a nie radiowemu.
Zasadniczym ograniczeniem techniki EPR jest fakt, że obserwowalnemu wzbudzeniu mogą ulegać wyłącznie elektrony niesparowane. Oznacza to, że związki badane przy pomocy spektroskopii rezonansu elektronowego muszą być:
wolnymi rodnikami;
kompleksami z paramagnetycznymi jonami metali.
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI (IR)
Spektroskopia IR opiera się na fakcie, iż częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego z zakresu podczerwieni odpowiadają częstotliwościom drgań własnych wiązań atomowych (zjawisko rezonansu).
W co najmniej kilkuatomowych cząsteczkach może wystąpić kilka rodzajów drgań:
rozciągające symetryczne i asymetryczne;
nożycowe;
wahadłowe;
deformacyjne poza płaszczyznę;
skręcające.
Częstotliwość rezonansowa (liczba falowa) określonego typu drgań danego wiązania chemicznego zależy od typu atomów tworzących wiązanie oraz ich otoczenia chemicznego.
Zakres widma IR poniżej 1000 cm-1 jest unikalny dla danego związku chemicznego i może służyć do jego szybkiej identyfikacji (tzw. fingerprint).
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI (IR) Spektroskopia IR; fingerprint – przykład:
BADANIA STRUKTURALNE
IZOEUGENOL EUGENOL
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA W PODCZERWIENI (IR) Spektroskopia IR – przykład:
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: DICHROIZM LINIOWY (LD)
Technika dichroizmu liniowego polega na pomiarze różnicy absorpcji przez molekułę spolaryzowanego liniowo promieniowania elektromagnetycznego (UV, VIS, IR) w kierunku równoległym (A║) oraz prostopadłym (A┴) do orientacji (osi) badanej cząsteczki.
Warunek – makroskopowa orientacja cząsteczek w próbce:
kryształ;
… a jeżeli nie dysponujemy kryształem, orientację należy wymusić, np. poprzez:
rozciąganie folii polimerowej;
naprężenia ścinające w przepływie laminarnym;
zewnętrze pole elektryczne/magnetyczne, etc.
Należy jednak pamiętać, że wymuszona orientacja cząsteczek nigdy nie jest całkowita, a jej stopień zależy od kształtu badanych molekuł – najłatwiej orientacji ulegają cząsteczki długie i stosunkowo sztywne.
Ogólne równanie dichroizmu liniowego: LD = A║ - A┴
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: DICHROIZM LINIOWY (LD) Dichroizm liniowy – przykład:
BADANIA STRUKTURALNE
Dla DNA: LD = A║ - A┴ < 0 Zastosowania:
rozróżnienie form DNA w roztworze (A, B, Z);
śledzenia zmian strukturalnych w roztworze;
śledzenie zjawiska kompleksowania z ligandami.
A║ ≈ 0 A ┴ > 0
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA ABSORPCJI ELEKTRONOWEJ – UV/VIS, DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD), DICHROIZM KOŁOWY (CD)
Jedne z pierwszych metod spektroskopowych, stosowanych w badaniach strukturalnych związków organicznych.
UV/VIS
Technika służy przede wszystkim stwierdzeniu obecności chromoforów w strukturze, zwłaszcza sprzężonych; np. fragmentów aromatycznych, dienów i polienów, ketonów α,ß-nienasyconych, etc.
Widmo UV/VIS prezentuje stopień absorpcji izotropowego promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali.
Metoda niewrażliwa na czynność optyczną, tj. widma enancjomerów tego samego związku są identyczne.
Położenie maksimum/ów absorpcji dla danego chromoforu zależy od jego otoczenia chemicznego.
BADANIA STRUKTURALNE
Chromofor Przykład związku λmax (nm)
C=C 1-heksen 180
-C≡C- 1-butyn 172
fenyl toluen 261, 206.5
C=O acetaldehyd
aceton kamfora
298, 182 275, 290
295
-COOH kwas octowy 204
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA ABSORPCJI ELEKTRONOWEJ – UV/VIS, DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD), DICHROIZM KOŁOWY (CD)
Jedne z pierwszych metod spektroskopowych, stosowanych w badaniach strukturalnych związków organicznych.
UV/VIS
Technika służy przede wszystkim stwierdzeniu obecności chromoforów w strukturze, zwłaszcza sprzężonych; np. fragmentów aromatycznych, dienów i polienów, ketonów α,ß-nienasyconych, etc.
Widmo UV/VIS prezentuje stopień absorpcji izotropowego promieniowania elektromagnetycznego w funkcji długości fali.
Metoda niewrażliwa na czynność optyczną, tj. widma enancjomerów tego samego związku są identyczne.
Położenie maksimum/ów absorpcji dla danego chromoforu zależy od jego otoczenia chemicznego.
BADANIA STRUKTURALNE
Leworyna A1; λmax (nm): 360, 378, 401
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA ABSORPCJI ELEKTRONOWEJ – UV/VIS, DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD), DICHROIZM KOŁOWY (CD)
Jedne z pierwszych metod spektroskopowych, stosowanych w badaniach strukturalnych związków organicznych.
ORD (OPTICAL ROTATORY DISPERSION)
Technika służy do badań stereostrukturalnych związków optycznie czynnych.
Podstawą metody jest różnica we współczynnikach załamania światła spolaryzowanego kołowo w lewą i prawą stronę przechodzącego przez układ asymetryczny.
Widmo ORD prezentuje skręcalność molową danego związku w funkcji długości fali.
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA ABSORPCJI ELEKTRONOWEJ – UV/VIS, DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD), DICHROIZM KOŁOWY (CD)
Jedne z pierwszych metod spektroskopowych, stosowanych w badaniach strukturalnych związków organicznych.
CD (CIRCULAR DICHROISM)
Technika służy do badań stereostrukturalnych związków optycznie czynnych.
Podstawą metody jest różnica w absorpcji światła spolaryzowanego kołowo w lewą i prawą stronę przez zaburzony chiralnie chromofor (efekt Cottona; Δε = εL - εR).
Widmo CD prezentuje zazwyczaj różnicę molowego współczynnika absorpcji światła spolaryzowanego kołowo w lewo oraz w prawo danego związku w funkcji długości fali.
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: SPEKTROSKOPIA ABSORPCJI ELEKTRONOWEJ – UV/VIS, DYSPERSJA SKRĘCALNOŚCI OPTYCZNEJ (ORD), DICHROIZM KOŁOWY (CD)
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: RENTGENOGRAFIA STRUKTURALNA
Rentgenografia strukturalna bada zjawisko rozpraszania (ugięcia) promieni Röntgena przez kryształy i służy do ustalania koordynatów atomów należących do badanej struktury w trójwymiarowej przestrzeni.
Kryształ można potraktować jako nieskończony układ powtarzających się, identycznych kopii badanej molekuły, w którym – ze względu na symetrię kryształu oraz jednakową orientację cząsteczek w przestrzeni – występują powtarzające się regularnie płaszczyzny o dużej gęstości elektronowej, na których dochodzi do silnego ugięcia promieniowania X.
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: RENTGENOGRAFIA STRUKTURALNA
Przy niektórych kątach padania promieniowanie rozproszone na kolejnych płaszczyznach sumuje się, dając tzw.
refleksy. Podczas pomiaru rejestruje się intensywności oraz kierunki refleksów w przestrzeni, przy czym obydwie te wielkości zależą od:
symetrii i wielkości komórki elementarnej monokryształu;
rozmieszczenia atomów w komórce elementarnej.
BADANIA STRUKTURALNE
METODY SPEKTROSKOPOWE: RENTGENOGRAFIA STRUKTURALNA
W efekcie możliwe jest odtworzenie trójwymiarowej mapy gęstości elektronowej, wskazującej pozycje ciężkich atomów (atomy wodoru nie są obserwowane). Przy użyciu technik obliczeniowych, do uzyskanej mapy dopasowywana jest struktura badanej molekuły.
Rentgenografia strukturalna jest jedną z dwóch najważniejszych technik (obok NMR), która pozwala na ustalanie stereostruktur istotnych biologicznie cząsteczek.