Het is een afdeling van de analytische chemie die zich bezighoudt met het bepalen van de structuur van de geanalyseerde chemische verbinding, inclusief de atomen die deze bevat en de manier waarop ze onderling verbonden zijn. Het omvat een hele reeks technieken die het verkrijgen van dergelijke informatie mogelijk maken. We voeren vaak een hele reeks structurele analyses uit als we een nieuwe verbinding synthetiseren, om de mogelijke structuur te bevestigen, maar ook om de producten te bevestigen die tijdens de chemische reactie zijn aangenomen. De meest betrouwbare technieken zijn spectraalanalyses, dit zijn analyses die een uitkomst geven in de vorm van de spectra van bepaalde relaties. Dit soort grafische weergaven maakt het mogelijk om de soorten elementen in het monster, de verbindingsenergieën en het systeem van moleculen en hun atomen uit te lezen. Een groot voordeel van spectraalanalyses is het feit dat zelfs een kleine hoeveelheid van de stof voldoende is om een experiment uit te voeren. De meest nauwkeurige technieken die bij structurele analyse worden gebruikt, zijn de volgende: nucleaire magnetische resonantiespectroscopie, infraroodspectroscopie, UV-Vis-spectroscopie, röntgenkristallografie, massaspectrometrie, Raman-spectroscopie en microanalyse.
Nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie
Tijdens de meting gebruiken we elektromagnetische straling in het bereik van 60 tot 900 MHz, die een klein deel van de energie draagt. Dit maakt de excitatie mogelijk van overgangen tussen verschillende niveaus die een lage energiebarrière hebben. Dit is kenmerkend voor kwantumtoestanden, die nauw verband houden met de magnetische eigenschappen van de kernen van de atomen waaruit chemische moleculen bestaan. Een belangrijk aspect van die eigenschappen is de spin, die in de natuurkunde macroscopisch wordt weerspiegeld in de vorm van impulsmoment. Als we bijvoorbeeld een proton nemen met een positieve lading, dat ook een spin heeft, is de beweging van de lading totaal geordend, wat op zijn beurt een macroscopische stroom weergeeft. Dit gaat altijd gepaard met de vorming van een magnetisch veld en het proton zelf wordt een soort magneet. Waar geen extern magnetisch veld is, heeft de ruimtelijke oriëntatie van zo’n dipool geen onderlinge relaties; het is gratis. Als we echter een extern magnetisch veld aanleggen, zullen de dipolen zich langs het veld positioneren om een geordend systeem te vormen. Door een geschikte hoeveelheid energie te leveren, is het mogelijk om de spin naar gespecificeerde posities te draaien ten opzichte van de lijnen van het externe magnetische veld. Dit kan alleen als het magnetische kwantumgetal van dat molecuul gelijk is aan -½ of ½ . Voor dergelijke kwantumtoestanden is het mogelijk om energietransities op te wekken met behulp van elektromagnetische straling met de juiste energie. Voor kernen die meer nucleonen hebben, kunnen we ook relaties waarnemen tussen de structuur van een atoomkern en het kwantumgetal.
- De atoomkernen die een even aantal protonen en neutronen bevatten, worden gekenmerkt door het kwantumspingetal (I) gelijk aan 0, dus ook de spinwaarde kan slechts gelijk zijn aan 0. Bijgevolg is het onmogelijk om energieovergangen op te wekken. Een dergelijke situatie bestaat in verschillende isotopen die belangrijk zijn voor de analyses van organische chemie: 12 C en 16 We kunnen geen NMR-spectra verkrijgen voor dergelijke isotopen.
- De kernen opgebouwd uit een even aantal nucleonen van het ene type en een oneven aantal nucleonen van een ander type hebben een kwantumspingetal van ½ of een veelvoud daarvan. Dergelijke kernen omvatten 13 C, 15 N, 19 F en 31 P, en ze gedragen zich op dezelfde manier als de protonen. Deze isotopen, waarvan we het NMR-spectrum kunnen verkrijgen, zijn uiterst waardevol voor de analytische chemie.
- Als een kern een oneven aantal protonen en neutronen bevat, is het kwantumspingetal gelijk aan de totale hoeveelheid. Het belangrijkste voorbeeld is de kern van deuterium 2. Dit maakt het mogelijk om het in oplosmiddelen te gebruiken, en bijgevolg is het resonantiesignaal een signaal van veldstabilisatie en schaalkalibratie voor NMR-spectrometers.
Spectrale interpretatie stelt ons in staat om, afhankelijk van het type NMR, waardevolle informatie te bepalen, de 1H NMR toont bijvoorbeeld de hoeveelheid en het type van de aanwezige groepen protonen en suggereert de structurele fragmenten. Het spectrum van 13C NMR zal signalen presenteren die overeenkomen met koolstofatomen in punten die karakteristiek zijn voor verschillende groepen.
Infrarood (IR) spectroscopie
Deze techniek maakt het mogelijk om de oscillatiespectra van moleculen in het bereik van 4000 tot 400 cm -1 waar te nemen. Een excitatie die het vormen van een spectrum mogelijk maakt, is gerelateerd aan de trilling van bindingen en de verandering van hoeken tussen bindingen, zowel binnen als buiten het vlak. Het spectrum toont de afhankelijkheid van transmissie van het golfgetal, en hoe lager de transmissie, hoe intensiever de absorptie. De absorptiebanden die zichtbaar zijn in het spectrum zijn specifiek voor de trilling van bindingen, afhankelijk van het spectrale bereik:
- een gebied kleiner dan 1500 cm -1 kan zich uitstrekkende trillingen van CO, CN en CC evenals vervormende trillingen omvatten,
- het bereik van 2000–1500 cm -1 omvat zich uitbreidende trillingen van C=O, C=N, C=C dubbele bindingen,
- zich uitbreidende trillingen van drievoudige bindingen zijn zichtbaar binnen het bereik van 2500–2000 cm -1 ,
- het bereik van 4000–2500 cm -1 toont toenemende trillingen van OH-, NH- en CH-bindingen.
Spectrale interpretatie maakt het mogelijk om de functionele groepen die aanwezig zijn in de structuur te identificeren en om de algemene structuur van de verbinding te bepalen, inclusief de aromaticiteit en mogelijke verzadiging.
UV-Vis-spectroscopie
Deze methode maakt gebruik van een elektromagnetisch bestralingsspectrum in het bereik van 200 tot 780 nm. De theoretische basis is de energieabsorptie in het ultraviolette gebied, wat overeenkomt met elektronenovergangen van de basistoestand naar de aangeslagen toestand. Het is gekwantiseerd, wat betekent dat het exact overeenkomt met het verschil tussen energieniveaus. Hoe kleiner het verschil, hoe langer de golflengte van de geabsorbeerde straling. Het spectrum is samengesteld uit absorptiebanden en gepresenteerd als de relatie tussen absorptie (A) en golflengte (λ). De UV-Vis-spectroscopie wordt meestal gebruikt voor het bevestigen of uitsluiten van de aanwezigheid van chromoforen, dwz groepen atomen die elektronen kunnen absorberen. Soms helpt het ook om de relatieve positie van die groepen te bepalen.
Massaspectrometrie (MS)
Deze methode stelt ons in staat om stoffen te onderzoeken met behulp van het spectrum van de massa’s van atomen en moleculen in de stof. Ze ondergaan ionisatie in de gasfase en worden vervolgens gescheiden op basis van de massa-ion-ladingsverhouding. Door het spectrum in MS-analyse af te leiden, kunnen we de waarde van massa’s en het relatieve gehalte aan ingrediënten van de geteste stof bepalen. De methode maakt het ook mogelijk om verschillende fragmenten van de structuur te identificeren. Molecuulfragmentatie wordt uitgevoerd door opeenvolgende ontbindingen van bindingen met de laagste energie. De intensiteit van de resulterende ionenbundels hangt rechtstreeks af van de duurzaamheid van de kationen die worden gevormd en van de snelheid van de daaropvolgende fragmentatiestadia. Het gebruik van die techniek is gericht op het bepalen van de moleculaire massa, de chemische samenstelling en het structurele ontwerp van deeltjes, de zuiverheid van de stof en de identificatie van verontreinigingen. De voordelen zijn onder meer nauwkeurigheid, een breed scala aan toepassingen en een resolutie op het niveau van verschillende atomaire massa-eenheden.
