Transcript CH2 - UTB
Infrarot-Spektroskopie (IR) Die folgende Präsentation entspricht den Infrarotes Licht regt Moleküle Schwingung (und Buch Rotation) Teilkapiteln 12.2.5 biszur12.4. aus dem an. Die Bindungen absorbieren Licht bei bestimmten, für sie „Chemie erleben“ (Wawra/Dolznig/Müllner). charakteristischen Frequenzen. Am kann Beispiel vonmit Kohlendioxid Man das einem sieht das etwa so aus: Da die Texte teilweise übereinander gelegt Musikinstrument sind, muss man im Power-Point auf vergleichen Bildschirm-Präsentationen schalten, um alle Texte und AnimationenJesehen zu können. nach Länge und Spannung gibt jede Saite Viel Vergnügen. einen bestimmten Ton = bestimmte Im infraroten Bereich hat daher eine jeder Stoff ein anderesFrequenz Spektrum. Edgar Wawra Man verwendet diese Methode, um einen Stoff zu charakterisieren oder um Verunreinigungen eines fremden Stoffes festzustellen. Man kann aus den Schwingungen auf die Art der Bindungen und weiter auf die Struktur des betreffenden Moleküls schließen. Das ist etwa die Situation von jemanden, der aus den Tönen eines Musikinstrumentes dessen Konstruktion errechnet, ohne das Instrument selbst gesehen zu haben. Ein Infrarot-Spektrometer sieht zum Beispiel so aus: Man kann die beobachteten Frequenzen bestimmten Bindungen zuordnen Frequenz cm-1 Bindung 3400 H N 2 2900 H3C 2000-2400 C >1700 C <1700 + 1600 C , -CH2 nichts Aldehyde, Ketone, Ester passt nicht C und C 0 C 0 Säureamide 1500 Fingerprintbereich C C Infrarot-Spektroskopie Raman-Spektroskopie (IR) Laser-Licht wird eingestrahlt und das Streulicht untersucht. Etwas regtdem Moleküle Schwingung (und vomInfrarotes StreulichtLicht trat mit Stoff inzur Wechselwirkung undRotation) verschob an.seine Die Bindungen absorbieren Licht beider bestimmten, für sie dabei Wellenlänge um einen Betrag, der Schwingungscharakteristischen Frequenzen. energie entspricht. Das ist bei z.B. bei dieser d- d+ dSchwingung nicht der Fall, sie ist daher im Infrarot unsichtbar. Mit Raman bestimmt man gerade die Schwingungen, die im Infrarot nicht nachweisbar sind. Damit eine Schwingung im Infrarot absorbiert, muss sich bei dieser Schwingung die Ladungsverteilung im Molekül ändern. Da der apparative Aufwand groß ist, wird Raman-Spektroskopie nur in speziellen Fällen angewendet. Massenspektrometrie (MS) Dafür wird die Probe verdampft und mit Elektronen hoher Energie beschossen. Diese schlagen aus den Molekülen der Probe ebenfalls ein Elektron heraus, sodass positiv geladene Ionen zurückbleiben. M ———> M+ Massenspektrometrie (MS) Dafür wird die Probe verdampft und mit Elektronen hoher Energie beschossen. Diese schlagen aus den Molekülen der Probe ebenfalls ein Elektron heraus, sodass positiv geladene Ionen zurückbleiben. Häufig kommt es dabei vor, dass das Molekül zerbricht. Dann haben wir geladene Bruchstücke. Nun wird das Ion in einem elektrischen Feld beschleunigt, und in einem anschließenden Magnetfeld abgelenkt. Natürlich werden dabei kleinere (leichtere) Ionen stärker abgelenkt, als größere (schwere), sodass man eine Auftrennung in die verschiedenen Ionengrößen erhält. Man kann dann direkt deren relative Molekülmasse ablesen. So ein Massenspektrometer kann recht handlich sein … oder ein riesiges Ding. -CO.NH2 CH3.CH2CH3.CH2.CO- M+ ist normalerweise der letzte, hohe Peak. Daneben gibt es immer noch einen kleinen Peak, der darauf beruht, dass Kohlenstoff auch immer etwas 13C enthält. NMR Kernspinresonanz, „nuclear magnetic resonance“ Bringt man sie in ein Magnetfeld, Protonen haben Ladung richten sie sich aus. Dabei gibt es und Spin (~ Drehrichtung). zweidaher mögliche Sie verhalten sich Ausrichtungen. wie winzige Magnete. parallel energieärmer antiparallel energiereicher Der Übergang von einer Ausrichtung zur anderen kann durch Energiezufuhr bewirkt werden, d.h. dass die Protonen Strahlung einer bestimmten Energie (bestimmten Frequenz) absorbieren. Diese Frequenz ist nicht völlig gleich, sie ändert sich mit der chemischen Umgebung des Protons. In Atomkernen mit gerader Protonenanzahl hebt sich das aber auf, weil sich die Protonen mit ihren Spins gegenseitig neutralisieren. Nur bei ungerader Anzahl von Protonen im Kern kann der Effekt beobachtet werden. Solche Kerne sind 19F und 31P, vor allem aber Wasserstoff 1H. Das hätte wenig Sinn, wenn man damit Wasserstoff nur nachweisen könnte. d Doch da das Signal von der chemischen Umgebung abhängt, kann man feststellen, WIE diese Wasserstoffe gebunden sind. CH3-C- 0.9 CH3-C-O- 1.4 CH3-CO-R 2.2 CH3-N 2.3 CH3-O-R 3.3 -C-CH2-C 1.4 -C-CH2-CO-N- 2.2 -C-CH2-CO-R 2.4 Und dann gibt es noch eine ganz besondere Spezialität: Wasserstoffe lassen sich nämlich auch von anderen Wasserstoffen beeinflussen, die in unmittelbarer Umgebung stehen. Da der Energieunterschied gering ist, sind Wasserstoffe etwa zu 50% parallel, zu 50% antiparallel. Ein anderer Wasserstoff daneben spaltet das eigene Signal daher im Verhältnis 1:1 auf und zeigt so ein doppeltes Signal. Bei zwei Wasserstoffen, gibt es drei Möglichkeiten: beide parallel einer parallel, der andere antiparallel, bzw. einer antiparallel, der andere parallel beide antiparallel Benachbarte Wasserstoffe spalten daher ihre Signale in ein Triplett im Verhältnis 1: 2 :1 auf. Und das geht so weiter, bei drei Wasserstoffen haben wir vier Möglichkeiten, die acht möglichen Kombinationen entsprechen: 1x alle parallel 3 x zwei parallel, eins antiparallel 3 x eins parallel, zwei antiparallel 1x alle antiparallel Benachbarte Wasserstoffe spalten daher ihre Signale in ein Quartett im Verhältnis 1: 3: 3 :1 auf. So etwa sieht ein NMR-Labor aus. Triplett, zwei H-Atome benachbart Quartett, drei H-Atome benachbart Amino- und alkoholische H´s geben ein unscharfes Signal d CH3-C- 0.9 CH3-C-O- 1.4 CH3-CO-R 2.2 CH3-N 2.3 CH3-O-R 3.3 -C-CH2-C 1.4 -C-CH2-CO-N- 2.2 -C-CH2-CO-R 2.4 Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: C4H8O Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die Zu den Bruchstücken: folgenden Spektren: Kohlenstoff: 15 CH3- zwei Drittel von 72 = 48, CH3.CH2.CH229 CH3.CH2also C4 C2H3O 43 CH3.CH2.CH2- oder auch C2H3O ??? Das Massenspektrum gibt Wasserstoff: : usw. ein Zehntel von 72 = 7, uns aus dem M+ Peak die also 7 H H87 relative Molekülmasse. also H CH3.CH2- Sauerstoff: Rest: 72 – 48 – 7 = 17, also O Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: CH3.CH2.CH2C2H3O cm-1 3400 H N 2 2900 H3C gibt es nicht , -CH2 CH 3.CH2- C C und C C C C gibt es nicht 2000-2400 >1700 C <1700 + 1600 C 0 Aldehyde, Ketone, Ester 0 Säureamide 1500 Fingerprintbereich gibt es nicht C4H8O CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 R-COO-R Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: CH3.CH2.CH2C2H3O CH3.CH2- C4H8O CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 Wir haben zwei Wasserstoffe, die drei anderen benachbart Man sind, kann aus der Fläche der Signale unddas dreiMengenverhältnis Wasserstoffe, die der Wasserstoffe bestimmen isoliert stehen. CH3.CH2 .CO.CH3 3 3 2 Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: C4H8O CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 Ende der Präsentation d CH3.CH2.CH2CH3-CC2H3O CH3-C-O- CH3.CH2- 3 0.9 1.4 CH3-CO-R 2.2 CH3-N 2.3 CH3-O-R 3.3 -C-CH2-C 1.4 -C-CH2-CO-N- 2.2 -C-CH2-CO-R 2.4 3 2 CH3.CH2 .CO.CH3