Analitik kimyanın, içerdiği atomlar ve bunların birbirine bağlanma şekli dahil olmak üzere analiz edilen kimyasal bileşiğin yapısını belirleme ile ilgilenen bir bölümüdür. Bu tür bilgilerin elde edilmesini sağlayan bir dizi tekniği kapsar. Olası yapıyı doğrulamak ve aynı zamanda kimyasal reaksiyon sırasında varsayılan ürünleri doğrulamak için yeni bir bileşik sentezlersek, genellikle tam kapsamlı yapısal analizler gerçekleştiririz. En güvenilir teknikler, belirli ilişkilerin spektrumları şeklinde bir sonuç veren bu tür analizler olan spektral analizlerdir. Bu tür grafik temsiller, numunede bulunan element tiplerini, bağlantı enerjilerini ve molekül sistemini ve atomlarını okumayı mümkün kılar. Spektral analizlerin büyük bir avantajı, eser miktardaki bir maddenin bile deney yapmak için yeterli olmasıdır. Yapısal analizde kullanılan en kesin teknikler şunlardır: nükleer manyetik rezonans spektroskopisi, kızılötesi spektroskopisi, UV-Vis spektroskopisi, X-ışını kristalografisi, kütle spektrometrisi, Raman spektroskopisi ve mikroanaliz.
Nükleer manyetik rezonans (NMR) spektroskopisi
Ölçüm sırasında, enerjinin küçük bir kısmını taşıyan 60 ila 900 MHz aralığında elektromanyetik radyasyon kullanıyoruz. Bu, düşük enerji bariyerine sahip farklı seviyeler arasındaki geçişlerin uyarılmasını sağlar. Bu, kimyasal molekülleri oluşturan atomların çekirdeklerinin manyetik özellikleriyle yakından bağlantılı olan kuantum durumlarının karakteristiğidir. Bu özelliklerin önemli bir yönü, fiziğe makroskopik olarak açısal momentum şeklinde yansıyan spindir. Örneğin, pozitif yüklü ve spini de olan bir protonu ele alırsak, yükün hareketi tamamen düzenlidir ve bu da makroskobik bir akım akışını yansıtır. Buna her zaman bir manyetik alan oluşumu eşlik eder ve protonun kendisi bir tür mıknatıs haline gelir. Dış manyetik alanın olmadığı yerde, böyle bir dipolün uzamsal yöneliminin karşılıklı ilişkisi yoktur; ücretsizdir. Bununla birlikte, bir dış manyetik alan uygularsak, dipoller düzenli bir sistem oluşturmak için kendilerini alan boyunca konumlandıracaktır. Uygun miktarda enerji sağlayarak, dönüşü dış manyetik alan çizgilerine göre belirli konumlara döndürmek mümkündür. Bu ancak o molekülün manyetik kuantum sayısı -½ veya ½’ye eşitse mümkündür. Bu tür kuantum halleri için, uygun enerji ile elektromanyetik radyasyon kullanımı ile enerji geçişlerini uyarmak mümkündür. Daha fazla nükleona sahip çekirdekler için, bir atom çekirdeğinin yapısı ile kuantum sayısı arasındaki ilişkileri de gözlemleyebiliriz.
- Çift sayıda proton ve nötron içeren atom çekirdeği, 0’a eşit kuantum spin sayısı (I) ile karakterize edilir, dolayısıyla spin değeri de yalnızca 0’a eşit olabilir. Sonuç olarak, enerji geçişlerini uyarmak imkansızdır. Böyle bir durum, organik kimya analizleri için önemli olan birkaç izotopta mevcuttur: 12 C ve 16 Bu tür izotoplar için NMR spektrumları elde edemeyiz.
- Bir türden çift sayıda nükleon ve başka bir türden tek sayıda nükleondan oluşan çekirdeklerin kuantum spin sayısı ½ veya katlarıdır. Bu tür çekirdekler 13 C, 15 N, 19 F ve 31 P’yi içerir ve protonlara benzer şekilde davranırlar. NMR spektrumunu elde edebileceğimiz bu izotoplar, analitik kimya için son derece değerlidir.
- Bir çekirdek tek sayıda proton ve nötron içeriyorsa, kuantum spin sayısı toplam miktara eşittir. En önemli örnek, döteryum 2’nin çekirdeğidir. Bu, çözücülerde kullanılmasını mümkün kılar ve sonuç olarak rezonans sinyali, NMR spektrometreleri için alan stabilizasyonu ve ölçek kalibrasyonunun bir sinyalidir.
Spektral yorumlama, NMR tipine bağlı olarak değerli bilgileri belirlememize izin verir, örneğin ‘ H NMR, mevcut proton gruplarının miktarını ve tipini gösterir ve yapısal fragmanları önerir. 13C NMR spektrumu, farklı grupların karakteristik noktalarında karbon atomlarına karşılık gelen sinyaller sunacaktır.
Kızılötesi (IR) spektroskopi
Bu teknik, 4000 ila 400 cm- 1 aralığındaki moleküllerin salınım spektrumlarını gözlemlemeyi mümkün kılar. Bir spektrum oluşturmaya izin veren bir uyarım, bağların titreşimi ve bağlar arasındaki açıların hem düzlem içinde hem de dışında değişmesi ile ilgilidir. Spektrum, geçirgenliğin dalga sayısına bağımlılığını gösterir ve geçirgenlik ne kadar düşükse, emilim o kadar yoğun olur. Spektrumda görülebilen absorpsiyon bantları, spektral aralığa bağlı olarak bağların titreşimine özgüdür:
- 1500 cm -1’in altındaki bir alan CO, CN ve CC’nin genişleyen titreşimlerinin yanı sıra deforme edici titreşimleri içerebilir,
- 2000–1500 cm- 1 aralığı, C=O, C=N, C=C çift bağlarının genişleyen titreşimlerini içerir,
- üçlü bağların uzayan titreşimleri 2500–2000 cm- 1 aralığında görülebilir,
- 4000–2500cm -1 aralığı, OH, NH ve CH bağlarının genişleyen titreşimlerini gösterir.
Spektral yorumlama, yapıda bulunan fonksiyonel grupları tanımlamayı ve aromatikliği ve olası doygunluğu dahil olmak üzere bileşiğin genel yapısını belirlemeyi mümkün kılar.
UV-Vis spektroskopisi
Bu yöntem, 200 ila 780 nm aralığında bir elektromanyetik ışınlama spektrumu kullanır. Teorik temeli, temel durumdan uyarılmış duruma elektron geçişlerine eşdeğer olan ultraviyole alanındaki enerji emilimidir. Kuantize edilir, yani enerji seviyeleri arasındaki farka tam olarak karşılık gelir. Fark ne kadar küçük olursa, emilen radyasyonun dalga boyu o kadar uzun olur. Spektrum absorpsiyon bantlarından oluşur ve absorbans (A) ile dalga boyu (λ) arasındaki ilişki olarak sunulur. UV-Vis spektroskopisi genellikle kromoforların, yani elektronları absorbe edebilen atom gruplarının varlığını doğrulamak veya dışlamak için kullanılır. Bazen bu grupların göreli konumlarını belirlemeye de yardımcı olur.
Kütle spektrometresi (MS)
Bu yöntem, maddede bulunan atom ve molekül kütlelerinin spektrumunu kullanarak maddeleri incelememizi sağlar. Gaz fazında iyonlaşmaya uğrarlar ve daha sonra kütle-iyon yük oranına göre ayrılırlar. MS analizinde elde edilen spektruma sahip olarak, test edilen maddenin kütlelerinin değerini ve bileşenlerin göreli içeriğini belirleyebiliriz. Yöntem ayrıca yapının çeşitli parçalarının tanımlanmasını da mümkün kılar. Molekül parçalanması, en düşük enerjili bağların ardışık ayrışmasıyla gerçekleştirilir. Ortaya çıkan iyon ışınlarının yoğunluğu doğrudan oluşan katyonların dayanıklılığına ve sonraki parçalanma aşamalarının hızına bağlıdır. Bu tekniğin kullanımı, parçacıkların moleküler kütlesini, kimyasal bileşimini ve yapısal tasarımını, madde saflığını ve kirletici tanımlamasını belirlemeyi amaçlar. Avantajları arasında doğruluk, geniş bir uygulama yelpazesi ve birkaç atomik kütle birimi seviyesinde bir çözünürlük yer alır.
