Strukturanalys

Kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi

Under mätningen använder vi elektromagnetisk strålning i intervallet 60 till 900 MHz, som bär en liten del av energin. Detta möjliggör excitering av övergångar mellan olika nivåer som har en låg energibarriär. Detta är karakteristiskt för kvanttillstånd, som är nära kopplade till magnetiska egenskaper hos kärnorna i de atomer som bygger kemiska molekyler. En viktig aspekt av dessa egenskaper är spinn, som makroskopiskt återspeglas i fysiken i form av rörelsemängd. Om vi till exempel tar en proton med positiv laddning, som också har ett spinn, är laddningens rörelse totalt ordnad, vilket i sin tur speglar ett makroskopiskt strömflöde. Detta åtföljs alltid av bildandet av ett magnetfält, och protonen i sig blir en sorts magnet. Där det inte finns något externt magnetfält, har den rumsliga orienteringen av en sådan dipol inga inbördes samband; det är gratis. Men om vi applicerar ett externt magnetfält kommer dipolerna att placera sig längs fältet för att bilda ett ordnat system. Genom att tillföra en lämplig mängd energi är det möjligt att vrida spinnet till specificerade positioner i förhållande till linjerna i det externa magnetfältet. Detta är endast möjligt om det magnetiska kvanttalet för den molekylen är lika med -½ eller ½ . För sådana kvanttillstånd är det möjligt att excitera energiövergångar med användning av elektromagnetisk strålning med lämplig energi. För kärnor som har fler nukleoner kan vi också observera samband mellan strukturen hos en atomkärna och dess kvantnummer.

1. Atomkärnorna som innehåller ett jämnt antal protoner och neutroner kännetecknas av kvantspinntalet (I) lika med 0, så även spinvärdet kan bara vara lika med 0. Följaktligen är det omöjligt att excitera energiövergångar. En sådan situation finns i flera isotoper som är viktiga för analyser av organisk kemi: ¹² C och ¹⁶ Vi kan inte erhålla NMR-spektra för sådana isotoper.
2. Kärnorna byggda av ett jämnt antal nukleoner av en typ och ett udda antal nukleoner av en annan typ har ett kvantspinntal på ½ eller dess multipel. Sådana kärnor inkluderar ^13C , ^15N , ^19F och ^31P , och de beter sig på samma sätt som protonerna. Dessa isotoper, för vilka vi kan erhålla NMR-spektrum, är extremt värdefulla för analytisk kemi.
3. Om en kärna innehåller ett udda antal protoner och neutroner är kvantspinntalet lika med den totala kvantiteten. Det viktigaste exemplet är kärnan av deuterium ^2. Detta gör det möjligt att använda det i lösningsmedel, och följaktligen är dess resonanssignal en signal om fältstabilisering och skalkalibrering för NMR-spektrometrar.

Spektraltolkning tillåter oss, beroende på typen av NMR, att bestämma värdefull information, till exempel ^visar ‘H NMR kvantiteten och typen av de nuvarande grupperna av protoner och föreslår de strukturella fragmenten. Spektrum av ^13C NMR kommer att presentera signaler som motsvarar kolatomer i punkter som är karakteristiska för olika grupper.

Infraröd (IR) spektroskopi

Denna teknik gör det möjligt att observera oscillationsspektra för molekyler i intervallet från 4000 till 400 ^cm-1 . En excitation som gör det möjligt att bilda ett spektrum är relaterad till vibrationen av bindningar och ändringen av vinklar mellan bindningar, både inom och utanför planet. Spektrum visar transmittansens beroende av vågtalet, och ju lägre transmittans desto mer intensiv absorption. Absorptionsbanden som är synliga i spektrumet är specifika för vibrationen av bindningar, beroende på spektralområdet:

1. ett område under 1500 cm ^-1 kan inkludera utvidgade vibrationer av CO, CN och CC samt deformerande vibrationer,
2. intervallet 2000–1500 cm ^-1 inkluderar utvidgade vibrationer av C=O, C=N, C=C dubbelbindningar,
3. förlängande vibrationer av trippelbindningar är synliga inom området 2500–2000 cm ^-1 ,
4. intervallet 4000–2500 cm ^-1 visar utvidgade vibrationer av OH-, NH- och CH-bindningar.

Spektraltolkning gör det möjligt att identifiera de funktionella grupper som finns i strukturen och att bestämma föreningens allmänna struktur, inklusive dess aromaticitet och eventuell mättnad.

UV-Vis spektroskopi

Denna metod använder ett elektromagnetiskt strålningsspektrum i intervallet 200 till 780 nm. Dess teoretiska grund är energiabsorptionen i det ultravioletta området, vilket är ekvivalent med elektronövergångar från det grundläggande till det exciterade tillståndet. Den är kvantifierad, vilket betyder att den exakt motsvarar skillnaden mellan energinivåerna. Ju mindre skillnaden är, desto längre våglängd har den absorberade strålningen. Spektrumet är sammansatt av absorptionsband och presenteras som förhållandet mellan absorbans (A) och våglängd (λ). UV-Vis-spektroskopin används vanligtvis för att bekräfta eller utesluta närvaron av kromoforer, dvs grupper av atomer som kan absorbera elektroner. Ibland hjälper det också att bestämma den relativa positionen för dessa grupper.

Masspektrometri (MS)

Denna metod gör det möjligt för oss att undersöka ämnen med hjälp av spektrumet av massorna av atomer och molekyler som finns i ämnet. De genomgår jonisering i gasfasen och separeras sedan baserat på laddningsförhållandet mellan massa och jon. Med det spektrum som härrör från MS-analys kan vi bestämma värdet av massor och det relativa innehållet av ingredienser i det testade ämnet. Metoden gör det också möjligt att identifiera olika fragment av strukturen. Molekylfragmentering utförs genom på varandra följande nedbrytningar av bindningar med lägst energi. Intensiteten hos de resulterande jonstrålarna beror direkt på hållbarheten hos de katjoner som bildas och på hastigheten för de efterföljande fragmenteringsstegen. Användningen av den tekniken syftar till att bestämma partiklars molekylmassa, kemiska sammansättning och strukturella design, ämnesrenhet och identifiering av föroreningar. Dess fördelar inkluderar noggrannhet, ett brett utbud av applikationer och en upplösning i nivå med flera atommassaenheter.