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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
MICROWAVE SPECTROSCOPY OF ALKALOIDS:
THE CONFORMATIONAL SHAPES OF NICOTINE
Jens-Uwe Grabow, Santiago Mata, Juan Carlos López,
I. Pena, C. Cabezas, Susanna Blanco, Jóse Luis Alonso
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Departamento de Química-Física y Química-Inorgánica
Universidad de Valladolid
Columbus 2010
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Rotational Spectra:
Unambiguous Fingerprint
Sevoflurane
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
A. Lesarri, A. Vega-Toribio, R. D. Suenram, D. J. Brugh, J.-U. Grabow, Phys.Chem.Chem.Phys., in press(2010).
Columbus 2010
Large Species/Multiple Conformers:
Challenging Identification of Fingerprints
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Enflurane
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Columbus 2010
Coaxial oriented Beam-Resonator Arrangement (COBRA):
molecular excitation
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
before excitation pulse:
dipole moments cancel

1μs
t
MW pulse
single particle, Schrödinger equation:

H  i
wavefunction

H,    i 
density matrix
ensemble properties, von Neumann equation
density matrix:
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
  (t )  (t ) 
ab

   aa
  (t )  (t ) 
bb
 ba

J.-U. Grabow, W. Stahl, Z. Naturforsch. 45a, 1043 (1990).
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
molecular interaction with radiation
short stimulus Density Matrix formalism
w   aa  bb
u   ab  ba
v  i(  ab  ba )
 aa  bb  0
thermal population:
(no) coherence:
 ab  ba  0
1 0

0 0 

many two-level systems
„π/2“ pulse
Eb
Ea
 12
  i
2
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
i
2
1
2



population equillibration:  aa  bb  0
coherence:
ab , ba  0
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Coaxial oriented Beam-Resonator Arrangement (COBRA):
molecular response
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
after excitation pulse:
oscillating macroscopic dipole moment
E
T = 100μs
MW signal
t
Time Domain, FID
Fourier Transform
Frequency Domain, Spectrum
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
U. Andresen, H. Dreizler, J.-U. Grabow, W. Stahl, Rev.Sci.Instrum. 61, 3694 (1990).
Materialien
J.-U. Grabow, W. Stahl, H. Dreizler, Rev.Sci.Instrum. 67, 4072 (1996).
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
“coaxially oriented beam resonator arrangement“
(COBRA) FTMW-Spectrometer
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
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COBRA FT-MW Spectrometer
Hannover
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
10mW…200mW
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
FWHM: 3 kHz
bandwidth: < 1 MHz
range: 2-26.5 GHz
J.-U. Grabow, W. Stahl, H. Dreizler, Rev. Sci. Instr. 67 (1996) 4072.
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
molecular interaction with radiation
fast passage Density Matrix formalism
w   aa  bb
u   ab  ba
v  i(  ab  ba )
 aa  bb  0
thermal population:
(no) coherence:
 ab  ba  0
1 0

0 0 

many two-level systems
„π/2“ pulse
Eb
Ea
 12
  i
2
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
i
2
1
2



population equillibration:  aa  bb  0
coherence:
ab , ba  0
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IMPACT FT-MW
Valladolid
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
1W…20W
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Inphase/Quadraturephase-Modulation-Passage Acquired-Coherence-Technique
Columbus 2010
Inphase/Quadraturephase-Modulation-Passage Acquired-Coherence-Technique
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
(IMPACT) FTMW - Spectrometer
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Columbus 2010
Inphase/Quadraturephase-Modulation-Passage Acquired-Coherence-Technique
(IMPACT) FTMW - Spectrometer
Pulse Sequence Generation
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Computer
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Digitizer
Arbitrary Waveform Generation
HF electronics
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
IMPACT FT-MW Spectrometer
first-day spectral examples
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Nicotine:
Two Conformations
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
IMPACT FT-MW Spectrometer
The alkaloid nicotine
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
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Nicotine:
Two Conformations
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Trans-a
Trans-b
Th
Exp.
A / MHz
B / MHz
C / MHz

2063,676
580,305
550,970
-0.96106215
2059,56080 (70)
579,870499 (173)
549,322724 (203)
aa / MHz
bb / MHz
cc / MHz
2,180927
2,661291
-4,842218
Th
2048,750
583,709
554,739
-0.96121897
Qua N1
Qua N5
2,1327 (165)
2,5793 (152)
-4,7119 (152)
2,099717
2,604833
-4,704551
Qua N8
aa / MHz
bb / MHz
cc / MHz
a
b
c
total
E (h)
ΔE zpe MP2 / cm-1
-1,130406
3,148936
-2,018530
2,266
-0,151
-1,258
2,596
-497,6200972
0
Exp.
2045,68593 (92)
583,257787 (144)
552,824539 (151)
2,0620 (178)
2,5666 (322)
-4,6286 (322)
Qua N21
-1,1672 (128)
3,3328 (131)
-2,1656 (131)
0,912761
3,175922
-4,088683
-1,490
0,439
-2,635
3,059
-497,6191493
208,040002
0,8753 (178)
3,1669 (319)
-4,0423 (319)
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Columbus 2010
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
IMPACT FT-MW Spectrometer
field focussing reflector / coaxial LASER ablation
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
LASER
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Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
IMPACT FT-MW Spectrometer / LASER ablation
amino acid proline: first results
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Columbus 2010
IMPACT FT-MW Spectrometer
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
1W…20W
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
targeted resolution:
FWHM: ~3 kHz
bandwidth: 1 GHz (x n)
range: 2-26.5 GHz
Inphase/Quadraturephase-Modulation-Passage Acquired-Coherence-Technique
Columbus 2010
Institut für Physikalische Chemie & Elektrochemie, Lehrgebiet A
Acknowledgement
Wolfgang Rogge
Feinmechanikwerkstatt Institut für Physikalische Chemie
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Land Niedersachsen
Ministerio de Ciencia e Innovacion
Zentrum für
Festkörperchemie
&
Neue
Materialien
Junta de Castilla y Leon
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