Štrukturálna analýza

Nukleárna magnetická rezonančná (NMR) spektroskopia

Pri meraní využívame elektromagnetické žiarenie v rozsahu 60 až 900 MHz, ktoré nesie malú porciu energie. To umožňuje budenie prechodov medzi rôznymi úrovňami, ktoré majú nízku energetickú bariéru. Toto je charakteristické pre kvantové stavy, ktoré sú úzko spojené s magnetickými vlastnosťami jadier atómov, ktoré vytvárajú chemické molekuly. Dôležitým aspektom týchto vlastností je spin, ktorý sa vo fyzike makroskopicky odráža vo forme momentu hybnosti. Ak vezmeme napríklad protón s kladným nábojom, ktorý má tiež spin, pohyb náboja je úplne usporiadaný, čo zase odráža makroskopický tok prúdu. Toto je vždy sprevádzané tvorbou magnetického poľa a samotný protón sa stáva akýmsi magnetom. Tam, kde nie je vonkajšie magnetické pole, priestorová orientácia takéhoto dipólu nemá žiadne vzájomné vzťahy; Je to zadarmo. Ak však aplikujeme vonkajšie magnetické pole, dipóly sa umiestnia pozdĺž poľa a vytvoria usporiadaný systém. Dodaním vhodného množstva energie je možné otáčať rotáciu do určených polôh vzhľadom na čiary vonkajšieho magnetického poľa. To je možné len vtedy, ak sa magnetické kvantové číslo tejto molekuly rovná -½ alebo ½. Pre takéto kvantové stavy je možné vybudiť energetické prechody s využitím elektromagnetického žiarenia s príslušnou energiou. Pri jadrách, ktoré majú viac nukleónov, môžeme pozorovať aj vzťahy medzi štruktúrou atómového jadra a jeho kvantovým číslom.

1. Atómové jadrá, ktoré obsahujú párny počet protónov a neutrónov, sú charakterizované kvantovým spinovým číslom (I) rovným 0, takže aj spinová hodnota sa môže rovnať iba 0. V dôsledku toho nie je možné vybudiť energetické prechody. Takáto situácia existuje pri niekoľkých izotopoch, ktoré sú dôležité pre analýzy organickej chémie: ^12C a ¹⁶ Pre takéto izotopy nemôžeme získať NMR spektrá.
2. Jadrá vytvorené z párneho počtu nukleónov jedného typu a nepárneho počtu nukleónov iného typu majú kvantové spinové číslo ½ alebo jeho násobok. Takéto jadrá zahŕňajú ^13C , ^15N , ^19F a ^31P a správajú sa podobne ako protóny. Tieto izotopy, pre ktoré môžeme získať NMR spektrum, sú mimoriadne cenné pre analytickú chémiu.
3. Ak jadro obsahuje nepárny počet protónov a neutrónov, kvantové spinové číslo sa rovná celkovému množstvu. Najdôležitejším príkladom je jadro deutéria ² To umožňuje jeho použitie v rozpúšťadlách a následne je jeho rezonančný signál signálom stabilizácie poľa a kalibrácie stupnice pre NMR spektrometre.

Spektrálna interpretácia nám umožňuje v závislosti od typu NMR určiť cenné informácie, napríklad1H ^NMR ukazuje množstvo a typ prítomných skupín protónov a navrhuje štruktúrne fragmenty. ^Spektrum13C NMR bude prezentovať signály zodpovedajúce atómom uhlíka v bodoch charakteristických pre rôzne skupiny.

Infračervená (IR) spektroskopia

Táto technika umožňuje pozorovať oscilačné spektrá molekúl v rozsahu od 4000 do 400 cm- ¹ . Excitácia, ktorá umožňuje vytvorenie spektra, súvisí s vibráciou väzieb a zmenou uhlov medzi väzbami v rovine aj mimo nej. Spektrum ukazuje závislosť priepustnosti od vlnového čísla a čím je priepustnosť nižšia, tým je absorpcia intenzívnejšia. Absorpčné pásy viditeľné v spektre sú špecifické pre vibrácie väzieb v závislosti od spektrálneho rozsahu:

1. oblasť pod 1500 cm- ¹ môže zahŕňať predlžujúce sa vibrácie CO, CN a CC, ako aj deformujúce vibrácie,
2. rozsah 2000–1500 cm ^-1 zahŕňa rozširujúce sa vibrácie dvojitých väzieb C=O, C=N, C=C,
3. rozširujúce sa vibrácie trojitých väzieb sú viditeľné v rozsahu 2500–2000 cm- ¹ ,
4. rozsah 4000–2500 cm ^-1 ukazuje rozširujúce sa vibrácie väzieb OH, NH a CH.

Spektrálna interpretácia umožňuje identifikovať funkčné skupiny prítomné v štruktúre a určiť všeobecnú štruktúru zlúčeniny vrátane jej aromaticity a možného nasýtenia.

UV-Vis spektroskopia

Táto metóda využíva spektrum elektromagnetického žiarenia v rozsahu 200 až 780 nm. Jeho teoretickým základom je absorpcia energie v ultrafialovej oblasti, ktorá je ekvivalentná prechodom elektrónov zo základného do excitovaného stavu. Je kvantovaná, čo znamená, že presne zodpovedá rozdielu medzi energetickými hladinami. Čím menší je rozdiel, tým dlhšia je vlnová dĺžka absorbovaného žiarenia. Spektrum je zložené z absorpčných pásov a prezentované ako vzťah absorbancie (A) k vlnovej dĺžke (λ). UV-Vis spektroskopia sa zvyčajne používa na potvrdenie alebo vylúčenie prítomnosti chromoforov, tj skupín atómov schopných absorbovať elektróny. Niekedy pomáha aj určenie relatívnej pozície tých skupín.

hmotnostná spektrometria (MS)

Táto metóda nám umožňuje skúmať látky s využitím spektra hmotností atómov a molekúl obsiahnutých v látke. V plynnej fáze prechádzajú ionizáciou a potom sa separujú na základe pomeru hmotnosti k iónovému náboju. Po odvodení spektra v MS analýze môžeme určiť hodnotu hmotností a relatívny obsah zložiek testovanej látky. Metóda tiež umožňuje identifikovať rôzne fragmenty štruktúry. Fragmentácia molekúl sa uskutočňuje po sebe idúcimi rozkladmi väzieb s najnižšou energiou. Intenzita výsledných iónových lúčov priamo závisí od trvanlivosti vytváraných katiónov a od rýchlosti nasledujúcich fáz fragmentácie. Použitie tejto techniky je zamerané na určenie molekulovej hmotnosti, chemického zloženia a štruktúrneho dizajnu častíc, čistoty látok a identifikácie kontaminantov. Medzi jeho výhody patrí presnosť, široké možnosti použitia a rozlíšenie na úrovni niekoľkých jednotiek atómovej hmotnosti.