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