Це розділ аналітичної хімії, який займається визначенням структури аналізованої хімічної сполуки, включаючи атоми, які вона містить, і спосіб їх взаємозв’язку. Він охоплює цілий набір методів, які дозволяють отримати таку інформацію. Ми часто проводимо повний спектр структурних аналізів, якщо ми синтезуємо нову сполуку, щоб підтвердити можливу структуру, а також підтвердити продукти, припущені під час хімічної реакції. Найнадійнішими методами є спектральний аналіз, який є таким аналізом, який дає результат у формі спектрів певних зв’язків. Такий вид графічних представлень дає змогу зчитувати типи елементів, що існують у зразку, енергії зв’язків, а також систему молекул та їх атомів. Великою перевагою спектрального аналізу є те, що для проведення експерименту достатньо навіть незначної кількості речовини. Найточніші методи, які використовуються в структурному аналізі: спектроскопія ядерного магнітного резонансу, інфрачервона спектроскопія, УФ-видима спектроскопія, рентгенівська кристалографія, мас-спектрометрія, раманівська спектроскопія та мікроаналіз.
Спектроскопія ядерного магнітного резонансу (ЯМР).
Під час вимірювання ми використовуємо електромагнітне випромінювання в діапазоні від 60 до 900 МГц, яке несе невелику порцію енергії. Це дозволяє збудити переходи між різними рівнями, які мають низький енергетичний бар’єр. Це характерно для квантових станів, які тісно пов’язані з магнітними властивостями ядер атомів, які будують хімічні молекули. Важливим аспектом цих властивостей є спін, який макроскопічно відображається у фізиці у вигляді кутового моменту. Якщо ми візьмемо, наприклад, протон з позитивним зарядом, який також має спін, рух заряду є повністю впорядкованим, що, у свою чергу, відображає макроскопічний потік струму. Це завжди супроводжується утворенням магнітного поля, а сам протон стає свого роду магнітом. Там, де немає зовнішнього магнітного поля, просторова орієнтація такого диполя не має взаємозв’язків; це безкоштовно. Однак, якщо ми прикладемо зовнішнє магнітне поле, диполі розташуються вздовж поля, утворюючи впорядковану систему. Подаючи відповідну кількість енергії, можна повернути оберт у визначені положення відносно ліній зовнішнього магнітного поля. Це можливо, лише якщо магнітне квантове число цієї молекули дорівнює -½ або ½. Для таких квантових станів можна збуджувати енергетичні переходи за допомогою електромагнітного випромінювання з відповідною енергією. Для ядер, які мають більше нуклонів, ми також можемо спостерігати зв’язки між структурою атомного ядра та його квантовим числом.
- Атомні ядра, які містять парну кількість протонів і нейтронів, характеризуються квантовим спіновим числом (I), рівним 0, тому також значення спіну може дорівнювати лише 0. Внаслідок цього неможливо збудити енергетичні переходи. Така ситуація існує в кількох ізотопах, які є важливими для аналізу органічної хімії: 12 C і 16 Ми не можемо отримати спектри ЯМР для таких ізотопів.
- Ядра, побудовані з парного числа нуклонів одного типу і непарного числа нуклонів іншого типу, мають квантове спінове число ½ або кратне йому. До таких ядер належать 13 C, 15 N, 19 F і 31 P, і вони поводяться подібно до протонів. Ці ізотопи, для яких ми можемо отримати спектр ЯМР, надзвичайно цінні для аналітичної хімії.
- Якщо ядро містить непарну кількість протонів і нейтронів, квантове спінове число дорівнює загальній кількості. Найважливішим прикладом є ядро дейтерію 2. Це дає можливість використовувати його в розчинниках, і, отже, його резонансний сигнал є сигналом стабілізації поля та калібрування шкали для спектрометрів ЯМР.
Спектральна інтерпретація дозволяє нам, залежно від типу ЯМР, визначити цінну інформацію, наприклад, 1 Н ЯМР показує кількість і тип присутніх груп протонів і пропонує структурні фрагменти. Спектр 13 C ЯМР представлятиме сигнали, що відповідають атомам вуглецю в точках, характерних для різних груп.
Інфрачервона (ІЧ) спектроскопія
Ця методика дозволяє спостерігати спектри коливань молекул в діапазоні від 4000 до 400 см -1 . Збудження, яке дозволяє сформувати спектр, пов’язане з вібрацією зв’язків і зміною кутів між зв’язками як всередині, так і поза площиною. Спектр показує залежність пропускання від хвильового числа, причому чим менше пропускання, тим інтенсивніше поглинання. Смуги поглинання, видимі в спектрі, є специфічними для коливань зв’язків залежно від спектрального діапазону:
- область нижче 1500 см -1 може включати розширювальні вібрації CO, CN і CC, а також деформуючі вібрації,
- діапазон 2000–1500 см -1 включає розтяжні коливання подвійних зв’язків C=O, C=N, C=C,
- протяжні коливання потрійних зв’язків видно в діапазоні 2500–2000 см -1 ,
- діапазон 4000–2500 см -1 показує розширені коливання зв’язків OH, NH і CH.
Спектральна інтерпретація дозволяє ідентифікувати функціональні групи, присутні в структурі, і визначити загальну структуру сполуки, включаючи її ароматність і можливу насиченість.
Спектроскопія UV-Vis
У цьому методі використовується спектр електромагнітного випромінювання в діапазоні від 200 до 780 нм. Його теоретичною основою є поглинання енергії в ультрафіолетовій області, що еквівалентно переходам електрона з основного стану в збуджений. Він квантований, що означає, що він точно відповідає різниці між рівнями енергії. Чим менша різниця, тим більша довжина хвилі поглинутого випромінювання. Спектр складається зі смуг поглинання і представлений як співвідношення поглинання (A) до довжини хвилі (λ). Спектроскопія UV-Vis зазвичай використовується для підтвердження або виключення наявності хромофорів, тобто груп атомів, здатних поглинати електрони. Іноді це також допомагає визначити взаємну позицію цих груп.
Мас-спектрометрія (MS)
Цей метод дозволяє досліджувати речовини за допомогою спектра мас атомів і молекул, що містяться в речовині. Вони піддаються іонізації в газоподібній фазі, а потім розділяються на основі співвідношення маси до заряду іонів. Маючи спектр, отриманий в MS-аналізі, ми можемо визначити значення мас і відносний вміст інгредієнтів досліджуваної речовини. Також метод дозволяє ідентифікувати різні фрагменти конструкції. Дроблення молекул здійснюється шляхом послідовного розпаду зв’язків з найменшою енергією. Інтенсивність отриманих іонних пучків безпосередньо залежить від довговічності катіонів, що утворюються, і від швидкості наступних стадій фрагментації. Використання цієї методики спрямоване на визначення молекулярної маси, хімічного складу та структурного дизайну частинок, чистоти речовини та ідентифікації забруднень. Його перевагами є точність, широкий спектр застосування та роздільна здатність на рівні кількох атомних одиниць маси.
