Document
advertisement
12.4 Spektroskopia. Widmo promieniowania elektromagnetycznego Metody spektroskopowe, takie jak spektroskopia w podczerwieni IR, spektroskopia w nadfiolecie UV oraz spektroskopia jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, różnią się od spektrometrii mas tym, że są oparte na oddziaływaniu z falą elektromagnetyczną o różnej długości i energii, a nie z wysokoenergetyczną wiązką elektronów. Z obszarem promieniowania widzialnego sąsiadują obszary promieniowania podczerwonego i nadfioletowego. Gdy cząsteczka związku organicznego zostaje „uderzona" przez wiązkę promieniowania elektromagnetycznego, absorbuje energię odpowiadającą określonej długości fali, lecz przepuszcza promieniowanie o innej długości fali. Jeśli naświetlimy próbkę substancji organicznej promieniowaniem o różnych długościach fali oraz ustalimy, które promieniowanie jest absorbowane, a które nie ulega absorpcji (jest przepuszczane przez próbkę), to uzyskamy widmo absorpcyjne danego związku. Wynik takiego doświadczenia jest przedstawiony w postaci wykresu zależności ilości energii promieniowania przepuszczonego od długości fali. Promieniowanie o różnej długości fali, czyli o różnej energii, może powodować różne zmiany w cząsteczce, jednakże każda z nich dostarcza informacji o strukturze, jeśli widmo jest odpowiednio interpretowane. Istnieje wiele rodzajów spektroskopii, w których wykorzystywane są różne obszary widma elektromagnetycznego. Zacznijmy od tego, co dzieje się z cząsteczką organiczną, gdy zaabsorbuje ona energię promieniowania podczerwonego. 12.5 Spektroskopia w podczerwieni (IR) związków organicznych Fragment widma elektromagnetycznego pokrywający obszar promieniowania podczerwonego odpowiada długościom fali nieco większym niż światło -5 widzialne (7,8-10 cm) aż do długości fali ok. l0-2 cm ,.Długości fali w obszarze IR zwykle podaje się w mikrometrach (l m = l0-6 m = 10-4 cm), natomiast częstość wyraża się najczęściej w liczbach falowych, v, a nie w hercach. Liczba falowa jest odwrotnością długości fali, a jednostką, w której się ją wyraża, są odwrotne centymetry [cm''].Tak więc użytecznym obszarem wykorzystywanym do celów spektroskopii IR jest obszar od ok. 4000 cm~1 do 400 cm"1. Gdy na cząsteczkę pada promieniowanie elektromagnetyczne, wówczas może nastąpić absorpcja energii, ale jedynie wtedy, gdy częstość promieniowania odpowiada różnicy energii pomiędzy dwoma poziomami oscylacyjnymi. Gdy cząsteczka absorbuje promieniowanie IR o częstości rezonansowej, następuje zwiększenie amplitudy jej drgań. Ponieważ każda z absorbowanych częstości promieniowania odpowiada konkretnym drganiom w obrębie cząsteczki, możemy przypisać odpowiednie ruchy w cząsteczce odpowiednim pikom na widmie IR. Następnie, interpretując te ruchy, możemy stwierdzić, jakie grupy funkcyjne są obecne w cząsteczce. 12.6 Interpretacja widm absorpcyjnych IR Jeśli dwa związki organiczne mają identyczne widma IR, prawie na pewno są to dwa identyczne związki. Większość grup funkcyjnych daje charakterystyczne pasma absorpcyjne, których położenie w widmie nie zależy od rodzaju cząsteczki. 13.1 Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) Ze względu na fakt, że jądra atomów mają ładunek dodatni, te wirujące ładunki jądra zachowują się jak maleńkie magnesy, a tym samym mogą oddziaływać z zewnętrznym polem magnetycznym (które określamy jako Ho). Bez zewnętrznego pola magnetycznego spiny jąder magnetycznych są nieuporządkowane. Gdy jednak umieścimy próbkę zawierającą takie jądra pomiędzy biegunami silnego magnesu, wówczas przyjmą one określoną orientację. Wirujące jądra 1H i 13C, zachowujące się jak maleńkie magnesiki, mogą również ustawić się wzdłuż linii zewnętrznego pola magnetycznego w dwojaki sposób: równolegle do linii pola lub antyrównolegle. Orientacja równoległa jest nieznacznie trwalsza i w ten sposób nieco faworyzowana (ma niższą energię) aniżeli orientacja antyrównoległa Jeśli tak uporządkowany układ spinów zostanie poddany działaniu promieniowania elektromagnetycznego o odpowiedniej częstości, nastąpi absorpcja energii i spiny z niższego poziomu energetycznego „przeskoczą" na poziom wyższy. Zjawisko takie, gdy następuje pochłanianie energii i przeskok na poziom wyższy, określamy mówiąc, że jądra są w rezonansie z zastosowanym w eksperymencie promieniowaniem; stąd wynika nazwa metody magnetyczny rezonans jądrowy. Dokładna energia, albo, inaczej mówiąc, częstość promieniowania elektromagnetycznego konieczna do rezonansu, zależy zarówno od natężenia zewnętrznego pola magnetycznego, jak i od rodzaju jądra. Jeśli zastosowane jest bardzo silne zewnętrzne pole magnetyczne, różnice energii pomiędzy poziomami spinów stają się większe, a tym samym konieczne jest użycie promieniowania o wyższej częstości (wyższej energii) do wywołania rezonansu. Przy słabszym polu magnetycznym wymagana jest mniejsza energia do spowodowania „przeskoku" spinu z poziomu niższego na wyższy. Wszystkie jądra pierwiastków, które mają nieparzystą liczbę protonów oraz wszystkie jądra, które mają nieparzystą liczbę neutronów, wykazują właściwości magnetyczne. Jedynie jądra, które składają się z parzystej liczby protonów i parzystej liczby neutronów, nie wykazują zjawiska rezonansu magnetycznego 13.2 Natura zjawiska absorpcji w NMR W rzeczywistości jednak częstości rezonansowe nie są identyczne dla wszystkich jąder 'H oraz ^C. Każde jądro atomowe w cząsteczce jest otoczone przez chmury elektronów. Gdy cząsteczka znajdzie się w zewnętrznym polu magnetycznym, wówczas także elektrony zachowują się jak miniaturowe magnesiki, tworząc własne, lokalne pole magnetyczne. To pole magnetyczne pochodzące od chmury elektronowej w cząsteczce działa przeciwnie do linii pola zewnętrznego, co powoduje, że efektywne pole magnetyczne działające na jądra będzie nieco mniejsze niż pole zewnętrzne Hefektywne = Hzewnętrzne - Hlokalne W opisie tego efektu używa się pojęcia ekranowania (przesłaniania) jądra przez otaczającą je krążącą chmurę elektronów. Spektroskopia NMR różni się od spektroskopii IR tym, że skala czasowa obu tych technik jest zdecydowanie inna. Absorpcja promieniowania IR przez cząsteczkę, powodująca zmiany jej stanów oscylacyjnych, jest procesem praktycznie natychmiastowym. Proces NMR wymaga znacznie dłuższego czasu. Z tego powodu spektroskopia NMR może być wykorzystywana do mierzenia szybkości i energii aktywacji procesów bardzo szybkich. 13.3 Przesunięcie chemiczne Widma NMR przedstawiane są w postaci graficznej zależności intensywności absorpcji od natężenia polamagnetycznego, które jest odłożone na osi poziomej i wzrasta od lewej strony widma do prawej (rys. 13.5). Tak więc lewa strona widma to obszar słabego pola magnetycznego, a prawa strona widma to obszar silnego pola magnetycznego3. Niekiedy używa się zamiennie pojęć: słabe pole, niskie pole lub przesuniecie w dot pola (ang. downfield) w celu określenia, że sygnał jest lub zostat przesunięty w kierunku lewej strony widma. Analogicznie silne pole, wysokie pole lub przesunięcie w górę pola (ang. upfield) oznacza przesunięcie sygnału w prawą stronę widma. Pojęcia te są integralnie związane z określeniami ekranowanie (przesłanianie), co oznacza przesuniecie w górę pola, oraz odekranowanie (odsłanianie) — przesunięcie w dot pola (przyp. ttum.).W praktyce jako wzorzec wykorzystuje się najczęściej tetrametylosilan (TMS, (CH3)4Si), który jest dodawany w niewielkiej ilości do badanej substancji, tak że sygnał wzorca obserwuje się jednocześnie z sygnałami badanej substancji. Pozycję sygnału absorpcyjnego w widmie, przy której absorbuje określone jądro magnetyczne (to znaczy następuje zjawisko rezonansu) — w stosunku do sygnału wzorca — określa się pojęciem przesunięcia chemicznego. Przyjmuje się, że sygnał wzorca oznacza punkt zerowy, natomiast sygnały absorpcyjne badanych substancji są najczęściej obserwowane przy niższych polach, czyli znajdują się po lewej stronie od sygnału TMS. Widma NMR są kalibrowane w skali delta (skala ). =obserwowane przesunięcie chemiczne (wyrażona w Hz odległość od sygnału TMS) /częstość spektrometru NMR wyrażona w MHz 13.7 Rozszczepienie spinowo-spinowe w widmie 1 H NMR Jak dotychczas we wszystkich omawianych przypadkach w widmie 1 H NMR każdy rodzaj protonów w cząsteczce powodował powstanie pojedynczego, osobnego piku absorpcji w widmie. Warto jednak zauważyć, że w wielu wypadkach sygnał absorpcji protonów ulega rozszczepieniu na wiele składowych zwanych multipletem. Za zjawisko to, zwane rozszczepieniem spinowospinowym, odpowiedzialne jest oddziaływanie (sprzężenie) sąsiadujących ze sobą spinów jądrowych. Inaczej mówiąc, maleńkie, lokalne pole magnetyczne każdego z jąder wpływa na pole magnetyczne jąder sąsiadujących. Różnice w ekranowaniu (przesłanianiu lub odsłanianiu) poszczególnych jąder znajdują swoje odzwierciedlenie w nieco różniących się przesunięciach chemicznych sygnałów różnych jąder znajdujących się w odmiennym otoczeniu chemicznym. Oprócz tego, że na jądra oddziałują pola magnetyczne spowodowane ruchem elektronów, także magnetyczne jądra sąsiadujące mają swój wpływ na efektywne pole magnetyczne. Regułę o charakterze ogólnym (zwaną regutą n + l) można sformułować w sposób następujący: protony, które mają w sąsiedztwie n równocennych protonów, są rozszczepione na n + l sygnałów w widmie NMR. Odległość pomiędzy pikami multipletu (wyrażona w Hz) nazywana jest stałą sprzężenia i oznaczana symbolem J. Stałe sprzężenia mierzy się w hercach i najczęściej mają one wartość w zakresie 0—18 Hz. Stała sprzężenia jest identyczna dla obu sprzęgających się grup i nie zależy od rodzaju spektrometru i natężenia jego pola magnetycznego. Ponieważ stała sprzężenia jest odzwierciedleniem oddziaływania pomiędzy dwoma sąsiadującymi grupami protonów, niekiedy możliwe jest wskazanie w skomplikowanym widmie NMR, które z poszczególnych grup sprzęgają się ze sobą, a to umożliwia dedukcję dotyczącą struktury cząsteczki. Jeśli dwa multiplety mają identyczną stałą sprzężenia, najprawdopodobniej ze sobą oddziałują, a protony powodujące takie sprzężenia sąsiadują ze sobą w cząsteczce. Tak więc rozszczepienie spin-spin w cząsteczce można ująć w kilka podstawowych reguł: l. Równocenne chemicznie protony nie wykazują sprzężenia spinspin, czyli nie sprzęgają się ze sobą. Równocenne protony mogą znajdować się na tym samym atomie węgla lub na różnych atomach, jednakże ich sygnał nie ulega rozszczepieniu przez chemicznie identyczne protony. 2. Jeśli proton, którego sygnał rezonansowy obserwujemy w widmie, ma n równo-cennych sąsiadujących z nim protonów, to sygnał rezonansowy ulega rozszczepieniu na multiplet o krotności n + l i stałej sprzężenia J. Protony, które w cząsteczce są odległe o więcej niż dwa atomy węgla, z reguły nie sprzęgają się ze sobą, chociaż niekiedy obserwuje się niewielką stałą stałą sprzężenia, jeśli są rozdzielone wiązaniem . 3. Dwie grupy protonów sprzęgających się ze sobq wykazują identyczną statq sprzężenia J. Podsumowanie: Gdy jądra magnetyczne, takie jak 'H i ^C, zostaną umieszczone w silnym polu magnetycznym, ich spiny ulegają uporządkowaniu i orientują się równolegle lub antyrównolegle do linii sił zewnętrznego pola magnetycznego. Pod wpływem napromieniowania falami elektromagnetycznymi o częstości radiowej rf, następuje absorpcja energii i „przeskoczenie" spinu z poziomu energetycznie niższego (orientacja równoległa) na wyższy (orientacja antyrównolegla). Absorpcja tej energii rf może być rejestrowana, a po wzmocnieniu oraz zapisaniu przedstawiona jako widmo magnetycznego rezonansu jądrowego (widmo NMR). Typowe widmo 'H NMR uzyskuje się przez poddanie próbki działaniu promieniowania elektromagnetycznego rf o stałej częstości i powolną, ciągłą zmianą natężenia pola magnetycznego. Rezonans każdego z nierównocennych protonów 'H w cząsteczce obserwuje się przy nieco innym natężeniu pola, co jest przyczyną pojawiania się sygnałów rezonansowych charakterystycznych dla poszczególnych protonów. Dokładna pozycja sygnału rezonansowego (piku) jest określana mianem przesunięcia chemicznego. Przesunięcie chemiczne zależy od otoczenia elektronowego badanego jądra w cząsteczce. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego poruszające się elektrony indukują małe, lokalne pole magnetyczne, które powoduje ekranowanie sąsiadujących jąder magnetycznych. Wykres widma NMR jest kalibrowany w skali , gdzie 1=1ppm (część milionowa) częstości spektrometru. Najczęściej stosowanym wzorcem (standardem) jest tetrametylosilan (TMS), względem którego określa się przesunięcie chemiczne zarówno w 1H NMR, jak i 13C NMR, gdyż związek ten wykazuje sygnał absorpcyjny przy wyjątkowo silnym polu. Pik rezonansowy pochodzący od TMS pojawia się w widmie po prawej jego stronie (przy wysokim polu), a wartość jego przesunięcia chemicznego jest arbitralnie przyjęta za = O ppm. Oprócz tego, sąsiadujące spiny jąder ulegają sprzę- ganiu, co powoduje rozszczepienie sygnałów rezonansowych na multiplety. Sygnał re- zonansowy NMR protonu, który sąsiaduje z n równocennymi protonami, jest rozszczepiony w widmie na n +1 pików (reguta n + l), a odległość pomiędzy liniami multipletu mierzona w hercach
