Jde o oddělení analytické chemie, které se zabývá určováním struktury analyzované chemické sloučeniny, včetně atomů, které obsahuje, a způsobu jejich vzájemného propojení. Zahrnuje celou sadu technik, které umožňují získání takových informací. Pokud syntetizujeme novou sloučeninu, často provádíme celou řadu strukturních analýz, abychom potvrdili možnou strukturu, ale také potvrdili produkty předpokládané během chemické reakce. Nejspolehlivějšími technikami jsou spektrální analýzy, což jsou takové analýzy, které dávají výsledek v podobě spekter jednotlivých vztahů. Tento druh grafického znázornění umožňuje odečíst typy prvků existujících ve vzorku, energie vazeb a systém molekul a jejich atomů. Velkou výhodou spektrálních analýz je skutečnost, že k provedení experimentu stačí i stopové množství látky. Nejpřesnější techniky používané ve strukturní analýze jsou následující: nukleární magnetická rezonanční spektroskopie, infračervená spektroskopie, UV-Vis spektroskopie, rentgenová krystalografie, hmotnostní spektrometrie, Ramanova spektroskopie a mikroanalýza.
Spektroskopie nukleární magnetické rezonance (NMR).
Při měření využíváme elektromagnetické záření v rozsahu 60 až 900 MHz, které nese malou porci energie. To umožňuje buzení přechodů mezi různými úrovněmi, které mají nízkou energetickou bariéru. To je charakteristické pro kvantové stavy, které jsou úzce spojeny s magnetickými vlastnostmi jader atomů, které tvoří chemické molekuly. Důležitým aspektem těchto vlastností je spin, který se ve fyzice makroskopicky odráží ve formě momentu hybnosti. Vezmeme-li například proton s kladným nábojem, který má také spin, pohyb náboje je zcela uspořádaný, což zase odráží makroskopický tok proudu. To je vždy doprovázeno vytvořením magnetického pole a samotný proton se stává jakýmsi magnetem. Tam, kde není vnější magnetické pole, nemá prostorová orientace takového dipólu žádné vzájemné vztahy; je to zdarma. Pokud však aplikujeme vnější magnetické pole, dipóly se umístí podél pole a vytvoří uspořádaný systém. Dodáním vhodného množství energie je možné otočit spin do určených poloh vzhledem k čarám vnějšího magnetického pole. To je možné pouze v případě, že se magnetické kvantové číslo této molekuly rovná -½ nebo ½ . Pro takové kvantové stavy je možné vybudit energetické přechody s využitím elektromagnetického záření s příslušnou energií. U jader, která mají více nukleonů, můžeme také pozorovat vztahy mezi strukturou atomového jádra a jeho kvantovým číslem.
- Atomová jádra, která obsahují sudý počet protonů a neutronů, jsou charakterizována kvantovým spinovým číslem (I) rovným 0, takže i hodnota spinu se může rovnat pouze 0. V důsledku toho není možné vybudit energetické přechody. Taková situace existuje u několika izotopů, které jsou důležité pro analýzy organické chemie: 12C a 16 Pro takové izotopy nemůžeme získat NMR spektra.
- Jádra sestavená ze sudého počtu nukleonů jednoho typu a lichého počtu nukleonů jiného typu mají kvantové spinové číslo ½ nebo jeho násobek. Mezi taková jádra patří 13C , 15N , 19F a 31P a chovají se podobně jako protony. Tyto izotopy, pro které můžeme získat NMR spektrum, jsou extrémně cenné pro analytickou chemii.
- Pokud jádro obsahuje lichý počet protonů a neutronů, kvantové spinové číslo se rovná celkovému množství. Nejdůležitějším příkladem je jádro deuteria 2 To umožňuje jeho použití v rozpouštědlech a následně je jeho rezonanční signál signálem stabilizace pole a kalibrace stupnice pro NMR spektrometry.
Spektrální interpretace nám umožňuje v závislosti na typu NMR určit cenné informace, např.1H NMR ukazuje množství a typ přítomných skupin protonů a navrhuje strukturní fragmenty. Spektrum13C NMR bude prezentovat signály odpovídající atomům uhlíku v bodech charakteristických pro různé skupiny.
Infračervená (IR) spektroskopie
Tato technika umožňuje pozorovat oscilační spektra molekul v rozsahu od 4000 do 400 cm -1 . Buzení, které umožňuje vytvoření spektra, souvisí s vibrací vazeb a změnou úhlů mezi vazbami, a to jak uvnitř, tak vně roviny. Spektrum ukazuje závislost propustnosti na vlnovém čísle a čím nižší je propustnost, tím intenzivnější je absorpce. Absorpční pásy viditelné ve spektru jsou specifické pro vibrace vazeb v závislosti na spektrálním rozsahu:
- oblast pod 1500 cm -1 může zahrnovat rozšiřující se vibrace CO, CN a CC a také deformující vibrace,
- rozsah 2000–1500 cm -1 zahrnuje rozšiřující vibrace dvojných vazeb C=O, C=N, C=C,
- rozšiřující se vibrace trojitých vazeb jsou viditelné v rozsahu 2500–2000 cm -1 ,
- rozsah 4000–2500 cm -1 vykazuje rozšiřující se vibrace vazeb OH, NH a CH.
Spektrální interpretace umožňuje identifikovat funkční skupiny přítomné ve struktuře a určit obecnou strukturu sloučeniny, včetně její aromaticity a možného nasycení.
UV-Vis spektroskopie
Tato metoda využívá spektrum elektromagnetického záření v rozsahu 200 až 780 nm. Jeho teoretickým základem je absorpce energie v ultrafialové oblasti, která je ekvivalentní elektronovým přechodům ze základního do excitovaného stavu. Je kvantovaný, což znamená, že přesně odpovídá rozdílu mezi energetickými hladinami. Čím menší je rozdíl, tím delší je vlnová délka absorbovaného záření. Spektrum se skládá z absorpčních pásů a prezentuje se jako vztah absorbance (A) k vlnové délce (λ). UV-Vis spektroskopie se obvykle používá pro potvrzení nebo vyloučení přítomnosti chromoforů, tj. skupin atomů schopných absorbovat elektrony. Někdy také pomáhá určit relativní pozici těchto skupin.
hmotnostní spektrometrie (MS)
Tato metoda nám umožňuje zkoumat látky s využitím spektra hmotností atomů a molekul obsažených v látce. Procházejí ionizací v plynné fázi a poté jsou separovány na základě poměru hmotnosti k iontovému náboji. Po odvození spektra v MS analýze můžeme určit hodnotu hmotností a relativní obsah složek testované látky. Metoda také umožňuje identifikovat různé fragmenty struktury. Fragmentace molekul se provádí po sobě jdoucími rozklady vazeb s nejnižší energií. Intenzita výsledných iontových paprsků přímo závisí na trvanlivosti vznikajících kationtů a na rychlosti následných fází fragmentace. Použití této techniky je zaměřeno na stanovení molekulové hmotnosti, chemického složení a strukturního designu částic, čistoty látek a identifikaci kontaminantů. Mezi jeho přednosti patří přesnost, široké možnosti použití a rozlišení na úrovni několika jednotek atomové hmotnosti.
