Analytická Chemie

MOLEKULOV SPEKTROMETRIE prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 1 Optick analytick metody studium elektromagnetick zen interakce vyuit ltka zmna energie zen emise, absorpce (kvantovan) jin vlastnosti zen (rychlost en, sten roviny kmitu polarizovanho zen) OPTICK METODY SPEKTROSKOPICK spektrum E = f ()) elmag. zen NESPEKTROSKOPICK (index lomu, hel) prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 2 Optick analytick metody SPEKTROSKOPIE OPTICK HMOTNOSTN S = f (vlnov dlka) S tok foton S = f (m.z-1) S tok iont analogie opt. spektra ionizace absorpc energie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 3 Oblasti elektromagnetickho zen a spektrln metody oblast zen (m)m)) E-8 (cm)-1) v (Hz) E12 E22 E (eV)

E8 E-6 E10 E6 typ. excit. m)etoda kosmick z. E20 gama z. E-5 E9 E19 E6 E16 Mssbauerova s. vnitn el. RTG spektrosk. E5 RTG z. E-2

at. jdra E2 poznmka E12 = 1012 atd prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 4 Oblasti elektromagnetickho zen a spektrln metody MOLEKULOV S. oblast zen (m)m)) E-2 (cm)-1) v (Hz) E6 E16 E (eV) E2 UV vzdlen 0,2 E4 E15 6,2 0,4

E4 E14 3,1 0,8 E4 E14 1,5 UV blzk viditeln IR blzk 2 E3 E14 0,6 20 500 E13 0,06 IR stedn IR vzdlen 100

mikrovlnn 100 E12 typ. excit. m)etoda valenn el. AAS, AES, AF, MAS valenn el. molekulov luminiscence valenn el. vibrace a rotace molekul Infraerven a Ramanova spektroskopie rotace mol. Mikrovlnn rotace mol. spektroskopie E-2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

5 Oblasti elektromagnetickho zen a spektrln metody oblast zen (m)m)) 100 (cm)-1) v (Hz) 100 E12 E (eV) E-2 mikrovlnn typ. excit. m)etoda rotace mol. E4 1 E10 E-4 radar E6 E-2

E8 E-6 E8 E-4 E6 E-8 E10 E-6 E4 E-10 televize radiov vlny prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie spiny elektr. Paramagnetick reson. sp. (ESR) jadern spiny Nuklern magnetick resonann sp. (NMR) 6 Elektromagnetick zen

hmota ltka pole elektrick magnetick POLARIZOVAN ZEN NEPOLARIZOVAN ZEN prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 7 Elektromagnetick zen charakter vlnov korpuskulrn (fotoelektrick jev)

Planckv zkon E 2 E1 h - kmitoet, ) - vlnov dlka, c - rychlost svtla c (ve vakuu), f - frekvence c v c; N ; N - absolutn index lomu v danm prosted N 1 v c = 299 792 458 m.s-1 - nezvis na prosted (tj. na indexu lomu) ) v c 1 ) - zvis na indexu lomu N vlnov dlka je ve vzduchu (skle atd) vdy krat ne ve vakuu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 8 Elektromagnetick zen energie zen

1 ~ poet vln na jednotku dlky vlnoet ~ , ~ c (vakuum ) h c h pmo mrn frekvenci (kmitotu) vlnotu nepmo mrn vlnov dlce jednotky: ): 1 nm = 10-3 m = 10m = 10-6 mm = 10-9 m nepovolen: (angstrm) = 0,1 nm = 10-10 m rozlien spekt. ar a ka spekt. intervalu v atomov spektroskopii: 1 pm (pikometr) = 10-3nm -1; cm-1 1 K (KAYSER) : m~ prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 9

Elektromagnetick zen standardy vlnovch dlek vlnov norml primrn standard oranov sp. ra kryptonu Kr86 605,7802106 nm sekundrn standard ry Fe, Ne, Kr fze t 2 2 t T u1 A sin 2 t 1 fzov posun u 2 A sin 2 t 2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 10 Elektromagnetick zen

je charakterizovno frekvenc (kmitotem) vlnovou dlkou rychlost energi A2 (tverec amplitudy) polarizac koherenc prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 11 Kvalitativn a kvantitativn aspekty zen KVALITA - poloha maxima signlu na ose ), , KVANTITA - velikost signlu

pi dan hodnot ), , pedpoklady kvality a kvantity 1) 2) 3) 4) citlivost (smrnice kalibran zvislosti S = k.c + g, minimln vliv osnovy na citlivost) selektivita rozlien signl interference (pesnost x sprvnost) linearita S = k.c + g pesnost opakovatelnost reprodukovatelnost MEN SIGNLU - FOTOMETRIE prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 12 Men energie transportovan zenm vymezen prostoru transportu svazek paprsk, obalov plocha (kuelov) divergentn

1) konvergentn dQe d e ZIV TOK [W] (tok zen) dt kosinov zi Lamb. zkon energie vyzen do prostoru za jednotku asu de Le dS d cos d - element prostorovho hlu [sr] dS - element plochy zie - hel, kter svr normla ploky dS se smrem toku (max pi = 0) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 13 Men energie transportovan zenm 2) 3) Z [W.sr-1.m-2] Le - podl pipadajc na jednotkovou plochu povrchu zie, vyslan do jednotkovho prostorovho hlu ve smru paprsku, kter svr s normlou plochy dS hel ZIVOST Ie

d e d 4) INTENZITA VYZEN 5) d e Ee dA OZEN A ozen plocha [W.sr-1] Me d e dS [W.m-2] [W.m-2] prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 14 Fotometrie OBJEKTIVN SUBJEKTIVN

(objektivn men zivho toku v celm rozsahu vlnovch dlek) (oblast 400-760 nm viditeln svtlo dve subjektivn srovnn metody) Qe ziv energie [J], [W.s] J = m2.kg.s-2 Q svteln mnostv [lm.s] lumensekunda [cd.s.sr] e ziv tok, tok zen [W] = [J.s-1] tok svtla, svteln tok [lm] = [cd.sr] Ie zivost [W.sr-1] I svtivost kandela [cd] intenzita ozaovn, ozen [W.m-2] E osvtlen [lx] = lux, [cd.m-2.sr]

z, mrn zivost [W.sr-1.m-2] L jas [cd.m-2] expozice, osvit [J.m-2] H expozice, osvit [lx.s], luxsekunda prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 15 Fotometrie kandela (SI) svtivost absolutn ernho tlesa v kolmm smru k povrchu velikosti 1/600 000 m2 pi teplot tuhnut platiny a pi tlaku 101,325 kPa mechanick ekvivalent svtla ziv tok svtla ) = 555 nm (OKO), jeho svteln tok je 1 LUMEN

M = 0,00147 W.lm-1 Km = 680 lm.W-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 16 Typy interakc zen - hmota ABSORPCE EMISE FLUORESCENCE emisi pedchz excitace srkov - ionty (atom. metody) ziv (fotonov buzen) - fluorimetrie, fluorescence proudem elektron molekulov atomov emisn SPEKTROSKOPIE

absorpn fluorescenn prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 17 Schma jednopaprskovho mkovho spektrofotometru SPEKOL 1 - svteln zdroj 2 - kondenzor 3 - zrcadlo 4 - vstupn trbina 5 a 7 - kolimtorov objektiv 6 - mka na odraz 8 - vstupn trbina 9 - kyveta se vzorkem 10 - barevn filtr 11 - selenov fotolnek 12 - nastaven vlnovch dlek 13 - tranzistorov zesilova 14 - indikan pstroj prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 18 Molekulov spektroskopie soubor metod zaloen na vyuit tch vlastnost molekul,

kter jsou spojeny s ptomnost KOVALENTNCH a KOORDINANCH VAZEB spektrum) zvislost veliiny mrn velikosti zivho toku nebo jeho bytku na veliin mrn energii monochromatickho zen (tj. na ), , ) rozdlen metod podle interakce ltka-zen podle spektrln oblasti podle signlu emisn absorpn prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 19 Interakce zen s hmotou energetick hladiny jader atom vnitn energetick hladiny elektron EE ENERGIE MOLEKULY translan ET (nen kvant.) pohybov rotan ER (plynn kup.)

vibran EV EM = ET + ER + EV + EE EE > EV > ER > ET KVANTOVAN ENERGIE rotan Energetick vibran hladiny elektronov MOLEKULOV SPEKTROSKOPIE v UV, VIS, IR, MW OBLASTI SPEKTRA pechody spektra rotan vibran elektronov SPEKTROSKOPIE prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 20 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra podle typu kvantovho pechodu

elektronick spektroskopie (vibran pechody) podle spektrln oblasti UV-VIS 50 - 800 nm IR 1 - 100 m = 10m MW 1 - 10 mm 1) UV-VIS absorp. spektroskopie 2) luminiscenn spektroskopie vibran spektroskopie (rotan-vibran pechody) Ramanova spektroskopie (kombinan rozptyl zen) rotan spektroskopie (rotan pechody) Ramanova spektroskopie

Infraerven absorpn spektroskopie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie Mikrovlnn spektroskopie absorpn 21 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra vbrov pravidla dovolen pechody: zmna diplmomentu molekuly prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 22 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra ROTAN SPEKTRUM (jen plyny) 50 m = 10m - 1 mm ROTAN-VIBRAN SPEKTRUM

(kapalina) 800 nm - 50 m = 10m prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie ELEKTRONICK SPEKTRUM (50) 200 - 800 nm 23 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra VUV (vakuov UV) 50 - 200 nm vzdlen UV VIS SPEKRLN OBLASTI blzk UV 200 - 400 nm viditeln 400 - 800 nm elektronick Ram)an. NIR (blzk IR) = 12500 - 5000 cm-1 IR (I) stedn IR = 5000 - 500 cm-1 rotanvibran vzdlen IR = 500 - 100 cm-1

rotan mikrovlnn oblast prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 24 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra signl: emisn, absorpn (luminiscenn) absorpn-spektrometrick veliiny tok - dopadajc 0 - proputn transm)itance absorptance absorbance T 0 T 0

100 % 1 T 0 0 0 T 100 % 0 T 1 1 0 100 T 100 0 % A log 0 0 A logT 100 A log 2 logT % T %

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 25 Molekulov spektroskopie i UV, VIS, IR, MW oblasti spektra 0 ln Anat lnT l c linern funkc c, l je dekadick logaritmus BUNSENOVA varianta 0 log / l c A log T 0 10 l c Anat 2,303 A prepocet prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 26 Absorpn molekulov spektroskopie

v UV-VIS oblasti, podstata spekter molekulov orbitaly metoda MO-LCAO 1 c1 a c 2 b 2 c1 a c 2 b prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 27 Absorpn molekulov spektroskopie v UV-VIS oblasti, podstata spekter symbolika molekulovch orbital osov kvantov slo analogie vedlejho (orbitlnho) kvantovho sla l atom ) kvantuje hlov (orbitln) moment hybnosti elektronu na dan energetick hladin molekuly p h 1 2 ) 0 1 2 3 4 , - vazebn; *, * - antivazebn orbital celkov orbitln kvantov slo L pro atomy

orbital 0 1 2 3 4 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie i 28 Pauliho princip hladina max. 2 elektrony (opan spiny) celkov spinov kvantov slo S s i 1 si 2 1 2 1 - pro elektrony anitparaleln; ms

2 + pro elektrony paraleln; ms zaplnn hladiny S = 0 multiplicita 2S + 1 tpen hladin symbol energetick hladiny molekuly (term) 2S+1 dublety 2 2 2 triplet 3 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 29 Rozlien podle symetrie SUD f(x) = f(-x) funkce LICH f(-x) = - f(x) sud - nemn funkce pi inverzi dle potku sou. znamnko lich - mn molekulov orbitaly sud g index lich u GERADE, UNGERADE prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 30 0 sym)etrick podle osy spojujc jdra 0 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 31 atomov s s g , u 0 atomov p p g , u u , g 0 1 atomov d d g , u u , g g , u 0

1 2 vazebn orbitaly valenn protivazebn orbitaly ELEKTRONY subvalenn (obsazen vnitn hladiny) nevazebn (zstvaj v pvodnch atomovch orbitalech) voln elektronov pry nevazebn molekulov orbitaly prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 32 Multiplicita term dsledek kombinace prostorovch a spinovch funkc TRIPLET 2 elektrony paraleln spin 1 1

s1 ; s 2 2 2 antiparaleln spin 1 1 s1 ; s 2 2 2 S s1 s 2 1 2S 1 3 S s1 s 2 0 2S 1 1 SINGLET ET E S ET 1 E S 1 ET 2 E S 2 E ETn E Sn singletov-tripletov tpen vm)nn interakce prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 33

Typy elektronickch pechod v molekulch a jejich projevy ve spektru , , n, *, * energie: < < n < * < * CHROMOFOR oblast molekuly lokalizace elektronickch pechod pi absorpci 6 typ: * * * * n * n * prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie (*) (*) (*) (*) (n*) (n*) mal vznam 34 Typy elektronickch pechod v molekulch a jejich projevy ve *

spektru vzdlen UV oblast (< 150 nm) 1) jednoduch vazby v nasycench HC nespecifick informace mal vyuit n * 2) i blzk UV oblast molekuly s volnmi el. pry (v nevazeb. orbitalech) O, S, N; E, ) = f (ELEKTRONEGATIVITY); m men elektronegativita, tm del ) CH3Cl, CH3Br, CH3I 173 nm 258 nm * 3) nenasycen sloueniny VUV (C2H4 175 nm) konjugace del ) n *

4) 270 290 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 35 Chemick teorie barevnosti CHROMOFORY a AUXOCHROMY VIS 400 760 nm) 1) 2) CHROMOFOR nositel barevnosti funkn skupiny, strukturn prvky AUXOCHROM vazba na chromofor prohlouben barevnosti (voln el. pry schopn konjugace s el. systmem chromoforu) auxochrom chromofor posun a zmna r Posun k delm ) - BATHOCHROMN (erven) ke kratm ) - HYPSOCHROMN (modr) vzrst = HYPERCHROMN posun r pokles = HYPOCHROMN posun prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 36

Chemick teorie barevnosti vznamn absorpn psy pi dlouhch vln. dlkch nejcharakteristitj pro danou ltku pechod elektronu mezi hladinami s nejmen E z obsazenho orbitalu s nejvt energi HOMO Highest Occupied Molecular Orbital do volnho orbitalu s nejni energi LFMO Lowest Free Molecular Orbital poloha absorpnho psu een Schrdingerovy rovnice, aproximativn metody , n orbitaly, zanedbn elektronov aproximace (Hckel) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 37 Tvar a vibran struktura absorpnch ps Franck Condonv princip max. pekryvy vlnovch funkc (max. signl) prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 38 Tvar a vibran struktura absorpnch ps Franck Condonv princip vibrace molekuly 10-12 s pechody elektron 10-15 s 1) 2) nejpravdpodobnj zmna vibranho stavu pechod elektronu ze stavu E probhne pi zachovn mezijadern vzdlenosti tato vzdlenost me odpovdat stlaen konformaci vazby a proto dodaten jdra zaujmou energeticky nejvhodnj polohu maximln souin vibronickch funkc zkladnho a excitovanho stavu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 39 Vbrov pravidla

uruj zda je urit pechod elektron dovolen nebo zakzan 1) zakzan jsou pechody, pi nich se mn m)ultiplicita (tj. pechody mezi singletovmi a tripletovmi stavy) 2S + 1 podmnka abs. pechodu S = 0 vjimka: pechody triplet (exc.) singlet (zkl.) (FOSFORESCENCE) spinov zakzan pechody S = si prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 40 Vbrov pravidla podmnkou absorpce zen je zm)na diplovho m)om)entu molekuly 2) moment pechodu Rmn

m R n d R mn 0 - podmnka absorpce R - vektor diplmomentu; m , n - vlnov funkce stav m,n , - symetrick meze integrace; d - prostorov element INTEGRL SOUIN: LICH funkce = 0 (plochy se eliminuj) SUD funkce 0 (plochy se staj) sud x sud = lich x lich = SUD sud x lich = lich x sud = LICH R je funkce lich aby R mn 0 , pak mus bt m , n tak lich m sud kdy n lich a naopak prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

41 Vbrov pravidla jedna z vln. funkc (excit. nebo zkl. stavu) mus bt lich, druh pak sud symetricky zakzan (dovolen) pechody analogie u atomovch orbital s sud, p lich, d sud, f lich s p, p d, d f DOVOLEN s s, p p, d d, f f, s d, p f ZAKZAN molekulov orbitaly zakzan pechody gg uu absorpn psy intenzivn (dovolen pechody) slab (zakzan pechody) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 42 Vbrov pravidla absorpce zvis na hlu mezi R a el. vektorem 3)

elektromagnetickho zen MAX 0 statick orientace molekul el. vektor elmag. z. kmit ve vech smrech v rovin kolm na smr en prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 43 Vbrov pravidla intenzita absorpnho psu Rmn sla osciltoru (Oscillator Strength) f mn 8 c mn 2 R mn 3h e 2 poloka = ka v polovin vce max

2 ~2 f mn 4,32 10 9 d~ ~1 symetrick ps f mn 4,32 10 9 max ~ prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 44 Elektronick spektra dleitch td ltek ALIFATICK NENASYCEN UHLOVODKY 1) dvojn a trojn vazby, * pechody NV izolovan dvojn vazby (< 200 nm) a) C2H4 175 nm, substituce alkyly vede k posunu 175 200 nm

spektrum X-(CH2)n-Y je podobn spektru smsi 50% X-(CH2)n/2-H a Y-(CH2)n/2-H, kde X, Y jsou chromofory konjugovan nsobn vazby b) delokalizovan -elektrony interakce chromofor: z molekulovch orbital samostatnch chromofor vznikaj konjugac chromofor nov molekulov orbitaly s odlinmi energiemi C4H6 BUTADIEN prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 45 Alifatick nenasycen uhlovodky BUTADIEN 4 atomov orbitaly 2p vlnov funkce 1, 2, 3, 4 4 molekulov orbitaly 2, 1, 1*, 2* vlnov fce 1, 2, 3, 4, linern kombinace AO c1=c3 c2=c4 1 c11 2 c22

3 c33 4 c44 2 1 = + + + + 1 2 = + + - - 1* 3 = +

- - + 2* 4 = + - + - atomy DELOKALIZOVAN ORBITALY delokalizovan orbitaly vznik kombinac 2 vazebnch orbital a 2 protivazebnch * orbital skupin CH2 = CH - (shodnch s etylenem) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 46 Alifatick nenasycen uhlovodky vazebn 1 = c11 + c22 2 = c 3 3 + c 4 4

* protivazebn 3 = c11 - c22 4 = c33 - c44 DELOKALIZOVAN 1, 2 < 3, 4 2 : 1 = 1 + 2 = c11 + c22 + c33 + c44 1 : 2 = 1 - 2 = c11 + c22 - c33 - c44 1*: 3 = 3 - 4 = c11 - c22 - c33 + c44 2*: 4 = 3 + 4 = c11 - c22 + c33 - c44 2 * > 1 * > 1 > 2 VAZEBN PROTIVAZEBN 2 < < 1 1* < * < 2* prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 47

Alifatick nenasycen uhlovodky konjugace snen E mezi HOMO 1 a LFMO 1* ve srovnn s C2H4 gg pechody: 1 1* (del )); 1* 2* ZAKZAN SYMET. 2 2* (krat )); 2* 1* uu E (1 1*)BUTA < E ( *)ETHYL m)ax = 217 nm) BUTA prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 48 Alifatick nenasycen uhlovodky nejdlouhovlnj ps nejvt vznam, N V1 pechod srie linernch polyen nenasycen alternujc uhlovodky n poet nenasycench konjugovanch vazeb prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 49 Alifatick nenasycen uhlovodky

alternujc uhlovodky poet dvojnch vazeb roste E pechodu N V1 kles m)ax roste (Bathochromn posun) barevnost roste (intenzita absorpce) max A n B A, B konstanty = f (R1, R2), kde R1-(CH=CH)n-R2 R1, R2 tak n BARVA: 4-5 lut 8 oranov 15 fialov vysok hodnoty n konvergence bathochromnho posunu konst. hodnot prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 50

Alifatick nenasycen uhlovodky izomery TRANS - CIS - trans lep dipolrn struktura, vy stabilizace excitovanho stavu vt snen E mezi excitovanm a zkladnm stavem ve srovnn s cis absorpn ps k vym) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 51 Alifatick nenasycen uhlovodky acetylen + polyiny trojn vazba krat, el. silnji poutny, (hybridizace sp), x, y, x*, x*, * acetylen 2 absorpn psy pro * pechody

C2H2 173 nm maxima intenzivnch nejdlouhovlnjch ps polyin jsou posunuta o 50 nm ke kratm ) ve srovnn s polyeny (stejn M) s rostouc konjugac roste proto )max pechodu * rychleji ne )max pechodu n * pekryt psu n * (N Q) intenzivnjm psem * (N V1) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 52 Alifatick nenasycen uhlovodky pklad: n * * nasyc. 280 290 nm max 15 170 nm konjug. s. 320 330 nm

max = 15-30 210 240 nm max 6000 20 000 konjug. s. 270 nm max 25 000 nenasycen ketony a aldehydy nenasycen kyseliny a jejich derivty absorbuj pi kratch ) ne prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 53 Alifatick nenasycen uhlovodky polyiny vrazn vibran struktura pi konjugaci vce ne 2 trojnch vazeb m)ax 100 000 - 500 000 jedny z nejvych hodnot v org. slouenin, pina:

linern struktura sp hybridizace vt poet -elektron POLRNJ STRUKTURA LEP ROZDLEN EXCITOVANHO STAVU NBOJ prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 54 Elektronick spektra dleitch td ltek DERIVTY ALIFATICKCH UHLOVODK 2) pechody n * (VUV) nasycen ethery, alkoholy, thioly, aminy, alkylhalogenidy * n * C He 2s22p2

O He 2s22px2py1pz1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 55 Derivty alifatickch uhlovodk FORMALDEHYD PECHODY kyslk kyslk n1 (2py) * n2 (2sp) * symetricky zakzan slab psy (max=10-60) nasycen sloueniny: aldehydy 270 - 290 nm ketony org. kyseliny 200 - 220 nm estery amidy * symetricky dovolen vzdlen UV oblast

zakzan pechody jsou umonny v dsledku vibranho poruen symetrie molekulovch orbital prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 56 Derivty alifatickch uhlovodk AZOSKUPINA - N = N - nejdel vln. dlka n1 * dal pechody: n2 *, *; vliv CIS-TRANS nap. diazomethan, max = 1200, )max = 410 nm chromofory s nevazebnmi pry konjugace s nsobnmi vazbami sniovn E mezi: n a * (N Q) a * (N V1) s rostoucm potem n konjugovanch dvojnch vazeb se sniuje vce

rozdl mezi a * ne rozdl n a * prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 57 Elektronick spektra dleitch td ltek 3) AROMATICK UHLOVODKY, JEJICH HETEROANALOGA A SUBSTITUN DERIVTY alternujc uhlovodky kad atom jednoho druhu je obklopen pouze atomy opanho druhu nealternujc uhlovodky A.U. ,maj molekulov orbitaly s energetickmi hladinami symetricky rozloenmi kolem stedn hodnoty prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 58 Aromatick uhlovodky, jejich heteroanaloga a substitun derivty

benzen a kondenzovan aromatick uhlovodky a) 6x pz orbital 3x + 3x * E (1 2) = E (1 2) degenerace pechod 1 2 a 2 1 se ru dky konfiguran interakci (interakce excitovanch stav) vyjden linern kombinace prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 59 Benzen a kondenzovan aromatick uhlovodky 11p-PS (1La) 12-PS (1Lb) 21-PS (1Ba,b) 3 pechody 3 absorpn psy BATHOCHROMN POSUN S ROSTOUC N (JADER BENZ.) prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 60 Aromatick uhlovodky, jejich heteroanaloga a substitun derivty substitun derivty benzenu b) t psov systm benzenu zachovn bathochrom)n posun vlivem substituent intenzita abs. ps roste vlivem substituce (poruen symetrie -el. systmu) potlaen vibran struktury velikost bath. posunu: P-PS: 200 210 a 240 nm - R, - X (alkyly halogenidy) INDUKTIVN EFEKT stejn vliv na G i E stav mrn bath. posun , p ps prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 61 Substitun derivty benzenu - OH, - OR, - NH2, - NR2 auxochrmy +M EFEKT interakce n elektron s systmem benz. jdra zven el.

hustoty bathochromn posun ps a vzrst abs. koef. ()max = 270 290 nm) - NO2, - COOH, - COR, -CHO, C N v konjugaci s benzen. jdrem, bathochrom. posun, vzrst , p ps, souasn -M EFEKT prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 62 Substitun derivty benzenu nejvt vliv na polohu absorpnch ps maj chromoforn substituenty s nenasycenmi vazbami (-elektrony v konjugaci s -el. benzenovho jdra) 1) 2) vrazn bathochromn posun a hyperchromn posun (max) dvod: nov molekulov orbital = monost pechodu obsahuj-li chromofory voln el. pry pechod n * dal ps chromoforn subtituent je oddlen od skupinou (nap. - CH2 -), kter brn konjugaci spektrum m aditivn charakter smsi a chromoforu

SUBSTITUCE POTLAEN VIBRAN STRUKTURY omez se monost vibrace PINY vzroste poet vibranch hladin a pechod pekryt vibranch ps prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 63 Aromatick uhlovodky, jejich heteroanaloga a substitun derivty heterocyklick sloueniny c) nasycen: n * absorpce < 200 nm (jako alifatic.) aromatick: 6-lnkov , pyridin izoelektronick N poruen symetrie systmu zven absorpce prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 64 Heterocyklick sloueniny 5-lnkov: elektronegativita: O > N > S

zapojen el. pru do systmu: O < N < S n * pechody * )max max )max max 200 nm 10 000 250 nm 1 n * 210 nm 16 000 340 nm 300 235 nm 4 500 * prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 65 Elektronick spektra dleitch td ltek 4)

ORGANICK BARVIVA nkolik konjugovanch chromofor funkn skupiny obsahuj heteroatomy a jsou oddleny: soustavou lichho potu methionovch skupin se stdajcmi se jednoduchmi a dvojnmi vazbami - CH = methionovou skupinou se dvma strukturou uhlkem se 3 s sten chinoidn s st. chinoid. strukturou prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 66 Organick barviva trifenylmetanov barvivo: BENZAURIN kysel koncov funkn skupiny vstupuj do konjugace svmi vol. el. pry maj ionoidn charakter (nboje)

trifenylmetanov barvivo: MALACHITOV ZELE bazick toton koncov skupiny nejdokonalej konjugace nejvt bathochromn a hyperchromn posun X nesymetrick substituenty krat vlnov dlky prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 67 Elektronick spektra dleitch td ltek 5) ANORGANICK IONTY A KOMPLEXY KOV kovov ionty Mn+ ATOMOV ORBITALY (pechody atomovm spektrm jednoduch anionty (Cl-, Br-, I-) anionty vceatomov (koval. vazby: MOLEKULOV ORBITALY CO32-, SO42- org. chromoform)

komplexy s ligandy TEORIE LIGANDOVHO POLE MOLEKULOV ORBITALY prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 68 Anorganick ionty a komplexy kov ionty pechodnch prvk hybridizace d2sp3, sp3d2 OKTAEDRICK HYBRIDIZACE vnitn orbitalov (nzkospinov) KOMPLEXY vnorbitalov (vysokospinov) (d4, d5, d6, d7) CFT, ACFT, LFT teorie ligandovho pole, teorie krystalovho pole prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 69 Anorganick ionty a komplexy kov

SPEKTRLN PECHODY 1) LFT d d pechody v atomovch orbitalech multiplicidn spinov zakzan slab absorpn psy d pechody mezi d orbitaly kationt Mn+ d orbitaly ligand X, XMO nesta uvaovat jen elektrostatickou interakci kov-ligand podle LFT, ale kombinaci: 2) s, p, d AO kom , MO ligandu MO

energie orbital v poad: LIGAND < LIGAND < (n-1) dkov < nskov < npkov prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 70 Anorganick ionty a komplexy kov 1) nejastji oktaedrick uspodn: centr. at. + 6 ligand 6 LIG + (s, p, d) orbitaly kovu 6 2) nebo + 6x (sp3d2) hybridizovan 6 * 6 LIG + p, d orbitaly kovu 6 , 6 * max. 12e mal rozdly mezi energiemi obsazench a neobsazench MO absorpce ve viditeln oblasti, mnoho ps prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 71 Elektronick spektra dleitch

td ltek 6) SPEKTRA PENOSU NBOJE (CHARGE-TRANSFER) donor 2 molekuly blzko sebe elektronu akceptor excitace z obsazenho orbitalu donorovho do neobsazenho orbitalu akceptoru vznik charge-transfer komplex nov absorpn ps = ps penosu nboje, mal rozdl E, del vlnov dlky VIDITELN OBLAST BAREVN LTKY donory: n, , akceptory: , , v jd v organickch rozpoutdlech uhlovodky halogenov rozp. fialov (jako pry I2) rozpoutdla s heteroatomem s volnm el. prem kyslkat pechody mezi MO jodu rozp., pyridin hnd pechody el. pru O na MO jdu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

72 Vnitn a vnj efekty ovlivujc elektronick spektra 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) chromoforn systm konjugovanch nenasycench vazeb zven konjugace bathochromn posun + hyperchromn posun snen konjugace hypsochromn + hypochromn posun zapojen dalho strukturnho prvku s , n elektr. induktivn a mezomern efekt tvorba komplex sterick efekty tautomerie vliv rozpoutdla vliv pH 1.-5. vnitn vlivy 6. a 7. vnj prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 73 Vnitn a vnj efekty ovlivujc

elektronick spektra 4. STERICK EFEKTY BIMESITYL absorpce pi stejn vlnov dlce jako mesityl, ale 2-nsobn intenzita 5. TAUTOMERN ROVNOVHY t. formy maj odlin konjugovan systmy prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 74 Vnitn a vnj efekty ovlivujc elektronick spektra 6. VLIV ROZPOUTDLA interakce: ovlivnn:

dispersn ELEKTROSTATICK INTERAKCE na vt vzdlenost dipl-dipl vodkov vazba na krtkou vzdlenost charge-transfer komplexy uspodn elektron v prostorovho momentu diplovho momentu zkladnm stavu excitovanm stavu poloha abs. ps, int. abs. se mn vt polarita silnj interakce nepolrn rozpoutdla spektra rozpoutnch ltek odpovdaj spektrm v parch polrn rozpoutdla stabilizuj polrnj strukturu molekuly prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 75 Vliv rozpoutdla interakce dipl dipl: excit. stav polrnj struktura

1) stabilizace * snen energie pechodu * bathochrom). pos. 2) stabilizace n elektron snen e. nevaz. orbitalu zven e. pechodu n * hypsochrom). posun vodkov vazba pedevm spektra ltek s (alkoholy, H2O) vodk. vazby , polrn protick rozpoutdla v karbonyl. sloueninch v excit. stavu diplov struktury * stabilnj H-vazby ne nepolrn formy v zkl. stavu snen E excit. hladiny snen E BATHOCHROMN POSUN prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 76 Vliv rozpoutdla H-VAZBA stabilizuje voln elektronov pr snen e. hladiny n orbitalu n * se zv E HYPSOCHROMN POSUN (ke kratm )max) pklad: aceton v nepolrnm C-H, )max 279 nm v H2O )max = 264,5 nm

n * identifikace ps n * pechod ve spektrech vpoet sly H-vazby z posunu podmnky pro volbu rozpoutdla pro UV-VIS spektra: rozpustnost ltky inertnost rozpoutdla propustnost rozpoutdla v oblasti men spektra H2O, EtOH, MeOH, n-hexan, n-heptan, petrolter, cyklohexan prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 77 Vliv rozpoutdla ABSORPN HRANY (transparentn pi ) > x) n-pentan benzen H2O > 200 nm > 280 nm n-heptan >210nm toluen aceton > 330 nm n-hexan

m-xylen > 290 nm acetonitril > 210 nm diethyleter > 220 nm pyridin > 305 nm cyklo-pentan cyklo-hexan > 210nm pentan sirouhlk > 380 nm N,N-DMF > 310 nm CCl4 > 265 nm MeOH 210 nm chloroform > 245 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie EtOH 78 Vnitn a vnj efekty ovlivujc elektronick spektra 7. VLIV pH elektronick spektra ltek s acidobazickmi vlatsnostmi uvolnn adice H+ zmna konjugovanho chromofornho systmu

fenol fenolt anilinium anilin pyridinium - pyridin navc el. pr pro konjug. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 79 Vliv pH ACIDOBAZICK INDIKTORY azosloueniny, ftaleiny, sulfoftaleiny chinoidn -el. struktura vstupuje do konjugace s 2 benzenovmi jdra + pibvaj voln el. pry na kyslcch vstup do interakce s -el. systmy dal substituenty (thymolftalein) BATHOCHROMN POSUN m)ax = 602 nm) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 80 Vliv pH

rzn absorbujc formy stanoven disocianch (ionizanch) konstant ze spektro fotometrickch men A f pH HA H A AA A c l ; AHA HA l c; 1.pH 2.pH A A A HA HA l 3.pH l-dlka kyvety vude stejn, H A H A A log K logH A A K HA A A A A c A HA konst . HA

HA A A A A HA - vliv iontov pK pH sly log A A - extrapolace AHA, AA A prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 81 Empirick vpoty elektronickch spekter X kvantitativn chemick vpoty PRAVIDLA PRO VPOET )max 1)

WOOD WARD-FIESEROVA pravidla a) uhlovodky s 2-5 konjug. dvoj. vazbami zklad: dien )max 217 nm) pspvek pro: + homoanulrn dien + 36 nm) (2 dvojn vazby uvnit stejnho kruhu) + dal dvojn vazba v konjugaci + 30 nm) + exocyklick dvojn vazba + 5 nm) + substituenty na nenasyc. uhlcch - R + 5 nm) - X + 5 nm) - OR - 6 nm) b) polyeny > 5 konjug. dvoj. vazeb c) nenasycen konjugovan aldehydy a ketony prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 82 Empirick vpoty elektronickch spekter 2) 3) NIELSENOVA pravidla , nenasycen karboxylov kyseliny a estery SCOTTOVA pravidla typ substituovanho acetofenonu

R alkyl nebo zbytek kruhu, -OH, aryl, H atd. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 83 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti principiln schma pstroje pro UV-VIS spektroskopii jedno paprskov pstroj ZDROJ ZEN MONOCHROMTOR dvou paprskov pstroj ZDROJ ZEN ABSORBUJC SYSTM IDLO ZIVHO TOKU ABS. SYSTM VZOREK, ST.

IDLO Z. TOKU IDLO Z. TOKU MONOCHROMTOR ABS. SYSTM REFEREN. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie MRN INDIKTOR ABSORPCE MRN INDIKTOR ABSORPCE IDLO Z. TOKU 84 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti SPEKTROFOTOMETR ZK SBW, HRANOL MKA OBJEKTIVN

FOTOMETR HODNOCEN ABSORPCE SUBJEKTIVN FOTOMETR (VIZULN) SPEKTRLN KVALITA ZEN FILTRY, IROK SBW SUBJEKTIVN KOLORIMETR, KOMPARTOR VCHYLKOVOU ZPSOB MEN METODOU KOMPENZAN JEDNO- I DVOU- PAPRSKOV SUBSTITUN prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 85 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti

zkladn prvky pstroj zdroje zen, monochromtory a filtry, kyvety a rozpoutdla, idla zen, zen pro miteln zeslabovn zivho toku, pomocn optika zdroje zen vodkov lampa: spojit spektrum 200-375 nm, U = 80-100 V, I = 1,3 A, oblouk, kemen. oknko deuteriov lampa: spojit spektrum od 160 nm, 3x vy intenzita ne H-lampa xenonov vbojka: spojit spektrum UV-VIS, pouze nkolik ar, U = 20-50 V, I = 3-200 A, zaplen vf 10-50 kV, oblouk-xenon v kemenn bace rtuov lampa: arov zdroj, kalibrace spektrofotometr ry: VIS: 404,7 nm; 435,8 nm; 546,1 nm; 577,8 nm UV: 365,0 nm; 334,2 nm; 302,2 nm; 253,6 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 86 Zdroje zen

spektrln lampy: vbojky s oxidovmi elektrodami, intenzivn rov spektra (jako Hg-lampa) wolframov lampa: spojit spektrum VIS-NIR: 350-1300 nm, citliv na napt: emise U3-U4 (zmna spektr. charakteristiky), max. emise pro barevnou teplotu vlkna 2600-3000 K rel. rozloen energie ernmu tlesu halogen (Br, I) halogenid wolframu LASER: Light Amplification by Stimulated Emission Radiation: aktivn prosted rezontor zdroj pro erpn energie do aktivnho prosted prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 87 LASER stimulovan emise = foton pi interakci s atomem (molekulou) zpsob pechod at. (mol.) do zkl. stavu vyz se druh foton (stejn ), smr, fze asov a prostorov koherence) podmnky S.E.: inverzn populace N2/N1 = 1 Boltzmann. zkon

Thladinov systm doba ivota: 21 10-4 - 10-3 s (metastab.) 32 10-8 s prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 88 LASER rezontor mnohonsobn odraz zen (dutina) a interference. FABRY-PERROT INTERFEROMETR dv zrcadla (jedno polopropustn), nebo zrcadlo + rot. hranol, zrcadlo + mka, DLKA = ()/2) * r charakter zen: fluorescenn spektra monochromatick koherentn 1 J - 20 J intenzivn pulsn reim: erpac mechanismus reim rezontoru pulsy 10-7 10-12 s, 109 W/cm2 hustota, vkony 50 MW (nanosekundy) Q-switch klovan lasery zken polariztory periodick sten polariz. svtla - propoutn

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 89 LASER LASER plynn kapaln pevn druhy LASER rubn (Al2O3 Cr) Nd: sklo Nd: YAG (Y-Al-grant) Sm: CaF2

emise kontinuln pulsn He-Ne barvivov lasery erpn el. vboj v plynech penos excit. energ. laserem blesk. svtlem kout. zdrojem (Xe) elektrony (svazek) ohem. energie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

90 LASER pro MAS v UV-VIS: BARVIVOV LASERY kyveta s barvivem v roztoku mezi reflekt. mku a polopropustn zrcadlo vstup ladn = vt poet barviv (Kumariny, Rhodaminy, Kresyl. viole, fluoresceiny): 358 641 nm) erpn: N2, Nd: YAG laser prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 91 Instrumentace pro spektroskopii v UV a VIS oblasti monochromtory a filtry filtry: kivka propustnosti T = f (T), poloka ) pro T max/2, ) pro Tmax/10 vymezuje sp. i propoutnho zen vsledn vliv na ziv tok: - emisn spektrum zdroje - kivka propustnosti filtru - kivka citlivosti (spektrln charakt.) detektoru Tmax

integrln propustnost filtru 2 A I 10 S d 0 T 1 2 I 0 S d S) citlivost detektoru 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 92 Filtry barevn absorpn filtry: a) pevn skla vybarven oxidy kov skla s vrstvou elatiny s org. barvivem

poloka () pi Tmax/2) 20-80 nm) b) kapalinov kyvety s roztoky: CuSO4.5H2O, CuCl2.5H2O, CoSO4.7H2O, KMnO4, malachitov zele, kys. pikrov, voda = tepeln filtr, roztok NaNO2, KNO2, propout VIS, abs. UV prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 93 Filtry interferenn filtry: princip: Interference zen pi mnohonsobnm odrazu mezi dvma polopropustnmi odrazovmi plochami, kter ohraniuj dielektrikum o vysokm indexu lomu. maxima propustnosti interferenn podmnka m max 2d n sin sin 1, 90 8 nm,T 60 90% prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 94 Filtry

interferenn filtry: a) jednoduch b) posuvn (klnovit vrstva diel. roste )) c) psov (5-25 vrstev) stdn malho a velkho indexu lomu mezi metaliz. vrstvami prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 95 Monochromtory a) b) c) kolimtorov st (vstupn trbina v ohnisku objektivu kolimtoru) disperzn systm 1. mka na odraz 2. hranol kamerov st kamerov objektiv snm vystupujc monochromatick svazky monochromatick odraz vstupn trbiny prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 96 Hranolov pstroje

SNELL N sin v 1 n12 2 sin v 2 N1 = lmav hel = deviace paprsk 1 hel dopadu (vzduch hranol) 1 hel lomu (vzduch hranol) 2 hel dopadu (hranol vzduch) 2 hel lomu (hranol vzduch) minimln deviace sin n sin 2 2 nejkvalitnj obraz vstupn trbiny nejvt rozliovac schopnost hel 1 = 1 - 1 hel 2 = 2 - 2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 97 Spektrln pstroje

3) linern disperze, hlov disperze rozliovac schopnost svtelnost ad 1) 1) 2) dn = charakteristick disperze materilu d d = hlov disperze hranolu (hel mezi paprsky 2 vlnovch d dlek, ) d) = 0,1 nm 2 sin d 2 dn dn 2 tg

1 d n d 2 d 2 1 n 2 sin 2 2 2 sin n 2 1 2 1 n 2 sin 2 2

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 98 1) Linern disperze, hlov disperze sin d reciprok linern disperze dl f d d nm mm 1 d n sin nebo tg 2 dn

dl 2 f d d co nejmen dl tm lep rozlien = 90, n = f ()) hyperbolick zvislost prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 99 2) Rozliovac schopnost Rayleighovo kritrium 1 2 2 R

1 2 dn R b d b zkladna hranolu d R a d a prmt disp. lenu kolmo ke smru paprsku materil hranol: poadovan vlastnosti propustnost pro zen v irok oblasti spektra isotropn, homogenn odoln vi vlivm atmosfry opracovateln do vysokho lesku (dn/d)) mlo zvisl na teplot prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 100 2) Rozliovac schopnost tuh ltky

krystalick (kemen, kazivec, halit) am)orfn (sklo, taven kemen) kapaliny (dut hranoly + H2O, CS2, krystal propustnost n KI KBr LiF CaF2 250 nm - 31 m = 10m 210 nm - 28 m = 10m 120 nm - 7 m = 10m 120 nm - 9 m = 10m 1,6634 1,5581 1,39177 1,43385 SiO2 185 nm - 3,5 m = 10m 1,54426 - krystal

NaCl KCl skla UV skla 200 nm - 17 m = 10m 200 nm - 21 m = 10m 360 nm - 2,2 m = 10m od 300 nm 1,45848 - taven 1,54431 1,49038 1,6634 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 101 2) Rozliovac schopnost krystalick kemen: 1) dvojlom X jedin smr = optick osa kemene jeden paprsek, v jinch smrech 2 2) rotan polarizace (kmitov rovina linern polarizovanho svtla se st jako kdyby se ilo svtlo stejnm smrem, ale dvma rznmi rychlostmi zdvojen obrazu i ve smru optick osy kemen pravo- a levotoiv kombinace hranol Cornnho hranol: pravotoiv + levotoiv eliminace efekt kombinace optickch st:

objektiv kolimtoru + kemen objektiv kamery - kemen prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 102 Typy hranol 60 hranol minimln deviace pro )1 Broca-Pellin s konstantn deviac pro kad ) vstupn a vst. paprsek h. 90 Littrow Runefordv hranol K korunov sklo F flintov sklo Fry Amiciho pmohledn hranol )1 paprsek neodchlen

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 103 Mky disperze svtla na zklad ohybu (difrakce) m)ka na prchod na odraz d sin sin m - hel dopadu n - poet vryp/mm d - mkov konstanta - hel difrakce reciprok linern disperze d cos dl m f n prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

104 Mky hlov disperze m)ky 1) d m d d cos (co nejvt) hlov disperze je minimln pro 0 tj. pro paprsky mlo odlin od normly hlov vzdlenost dvou svazk konstantnho ) je konstantn hlov disperze mky nezvis na vlnov dlce rozdly proti hranolu spektrum - mka linern spektrum pro 0 d m - hranol nelinern d odchlen )

d - mka nejvce dlouh vlny (erven) - hranol nejvce krtk vlny (modr) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 105 Mky 2) hlov vzdlenost 2 sousednch spekter m d sin (spektrum du m, = 0) m 1 d sin sin sin d sin hlov vzdlenost d m je mka hust, tm je hlov vzdlenost

dalho du spektra vt. Max: = 90 podmnka vzniku spektra alespo 1. du: = = 90 - krajn ppad: m. ) = d(1+1) m 2 a m prakticky = < 90 2 d aby 1. d byl cel, mus bt alespo spektrum 2. du ve smru roviny mky tj. = = 90 a pro m = 2 d = ) pklad: ) = 800 nm d = 8.10-4 m 1250 vryp/mm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 106 Mky 3) hlov e spektra 1, 2 m 1 d sin m 2 d sin sin sin m 2 1 d rozliovac schopnost m)ky 4) hlov disperze

d cos m m N d cos R ; R N m m d cos d cos N m 1 N m R l N d cos prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie potebn poet vryp N pro dosaen urit rozliovac schopnosti pi uritm du spektra

107 Mka + Spektrln pstroj N = 6 (celkov poet vryp mky) sin 2 N rozdlen int. svtla v ohybovm obrazci = ohyb na trbin sin 2 rozdlen svtla v interferennm obrazci = interference svazk z jednotlivch trbin sin 2 N sin 2 vsledn rozdlen sin 2 sin 2 N I I 0 2 sin2 d sin sin s sin sin

d ka vrypu s ka trbiny S rostouc N roste strmost hlavnch max, jejich velikost N2, sekundrn max se stvaj zanedbateln. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 108 Typy mek ROVINN 1) a) b) monochromtory: CZERNY-TURNER EBERT (jedno velk zrcadlo) reciprok linern disperse monochromtoru s rovinnou mkou m n 2i konst . arc sin i 2 cos i znamnka:

+ orientace mky ke vstupn trbin ( > ) orientace mky k vstupn trbin ( < ) d cos dl m n f m d spektra n poet vryp/mm f ohniskov vzdlenost zobraz. zrcadla prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 109 Mka ryt v rovin (energie hlavn v 0-tm du) profilov vrypy soustedn energie do uritho hlu (odleskov hel, BLAZE EFFECT) hel maximln odrazivosti je 2 pro B LITTROWOVA KONFIGURACE 2 sin 2 sin m n B )B vlnov dlka blaze-efektu

lze vypotat pro dan d, pi jak )B bude maximum energie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 110 Luminiscenn spektroskopie podstata luminiscence fotoluminiscence sekundrn zen po absorpci primrnho (budcho, excitanho) zen z UV, VIS fluorescence 10-6 s 10-9 s fosforescence 10-6 s 10+2 s prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 111 Luminiscenn spektroskopie 1) EXCITACE 10-15 s Franck-Condonv princip S0 S1, S2 2) VNITN KONVERZE 10-12 - 10-14 s S2 S1 3) VIBRAN RELAXACE 10-12 - 10-13 s v = 4,3,2,1 v = 0 (srky)

pechody S1 S0 1) 2) 3) 4) neziv vnitn konverze 10-5 - 10-7 s (srky teplo) ziv pechod - FLUORESCENCE 10-6 - 10-9 s intersystem crossing S1 T1 10-7 - 10-11 s ziv pechod FLUORESCENCE T1 S0 10-6 - 102 s - neziv deaktivace fotochemick reakce - pemna m. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 112 Luminiscenn spektroskopie emise svtla ltkou, kter je zpsoben: svtlem fotoluminiscence fluorescence, fosforescence chemicky chemiluminiscence teplem termoluminiscence zvukem sonoluminiscence mechanicky mechanoluminiscence bankovky ochrann

fluorescenn prvky tonik obsahuje chinin svtluka fluorescenn barviva, uprosted roztok chininsulftu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie Noctiluca scintillans 113 Fluorescenn spektroskopie emise UV, VIS zen pi pechodu z vibran hladiny v = 0 excitovanho singletovho stavu S1 do rznch vibranch hladin zkladnho stavu S0 beze zmny multiplicity: singlet singlet S1 S0 azulen S2 S0 fluorescenn spektrum ()max, tvar ps) nezvis na vlnov dlce budicho zen (to vak mus mt uritou minimln energii) EXCITACE (ABSORPCE): S0, v = 0 S1, v = 0,1,2,3,4,

FLUORESCENCE (EMISE): S1, v = 0 S0, v = 0,1,2,3,4, 1) 2) fluorescenn spektrum je dlouhovlnnj ne exctitan pechody (S0 v = 0 S1 v = 0) a (S1 v = 0 S0 v = 0) (tj. pechody 0 0) maj teoreticky stejnou ) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 114 Fluorescenn spektroskopie plat FRANCK-CONDONV princip fluoresc. pechod probhne pi zachovn mezijadern vzdlenosti ta se zmn dodaten. nejpravdpodobnj takov pechod, kdy max. pekryv vlnovch funkc: vln. fce excit. stavu S1 pi v = 0 s vln. funkc zkl. stavu S0 nejintenzivnj vibran ps Absorpnho spektra vib. podhladinm excit. stavu vibran struktura Fluorescennho spektra vib. podhladinm zkl. stavu podobn 1) vibran podhladiny stav S0 a S1

2) podobn geometrie stav S0 a S1 )F (0-0) > )A (0-0); )F bathochromn posun: interakce molekul a ltky s molekulami rozpoutdla: interakce dipl dipl, vodkov vazba stabilizace vce EXCITOVANHO STAVU polrnj ne stav zkladn ZRCADLOV SYMETRICK PSY A F prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 115 Franck-Condonv princip v okamiku vybuzen m molekula v excit. stavu stejnou strukturu okol jako ve stavu zkladnm, tato struktura m vy energii ne rovnovn uspodn, do kterho molekula pejde dodaten z rovnovnho uspodn dochz k fluorescenci pi fluorescenci je vlivem rozpoutdla E mezi S1 a S0 men ne pi absorpci )F(0-0) > )A(0-0) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 116

Stokesv posun fluorescenn spektrum je posunuto k delm vlnovm dlkm ne pvodn absorpn spektrum a je k nmu zrcadlov symetrick rozdl vlnovch dlek absorpnho (excitanho) a emisnho maxima emitovan zen m vt vlnovou dlku a tud ni energii E h c prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 117 Doba ivota fluorescence F doba vyhasnn excitovanho stavu F 1 ki i ki rychlostn konstanty relaxanch proces (fluoresc., vnit. konverze,

mezisyst. pechod, zhen, fotochem. reakce ) kF fmn (sla osciltoru) max, OF skuten doba trvn fluorescence: OF 10 4 max prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 118 Kvantov vtek fluorescence F kF F k i OF F = 0,0001 1 pomr mezi potem emitovanch a absorbovanch kvant (podl el., kter se vracej do S0 s vyzenm fotonu) F int ensita fluorescence I f int ensita absorpce Ia

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 119 Intenzita fluorescence je mrn kvantovmu vtku a absorbovanmu toku zen I F k F 0 k F 0 1 10 l c 0 dopadajc tok, zeslaben tok exponenciln zvislost limita I F ,0 k F 0 IF 1 10 l c I F ,0 log I F ,0 I F ,0 I F l c - linearizace IF = f (c) rozvoj v du 2 3

2,303 l c 2,303 l c I F 0 F k 1 1 2,303 l c ... 2! 3! I F 2,303 k l c F 0 pro A 0,02 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 120 Intenzita fluorescence zhen fluorescence 1) molekuly akceptoru, kter odnm energii excitovan molekule akceptor me mt vlastn fluorescenci zhen jeho pravdpodobnost roste s dobou F kyslk ( odstrann z rozpoutdla probublvnm inert. plynu) skupina C=O (i v rozpoutdlech) ionty: stupe zhen roste s polrizovatelnost a deformabilitou iont (zhejcch), tj. s rostouc kovalent. charakt.

anionty: F- < NO3- < SO42- < ac < (COO)2- < Cl- < Br- < SCN- < I- kationty: Cu2+, Ni2+, Fe2+, Fe3+, Mn2+ (vakantn d-orb.) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 121 Intenzita fluorescence samozhen fluorescence 2) a) koncentran zhen (VAVILOV) F 2,303 F ,0 10 k c c nelinearita 0 pokles kvantovho vtku od prahov hodnoty c0 I F 2,303 k 0 F ,0 1 10 l c 10 k c c0

b) vnitn konverze molekul disipace energie na neziv formy, roste s rostouc teplotou, zvis na viskozit roztoku a koncentraci c) vnitn filtran efekt budc zen 0 se prchodem vzorkem zeslabuje, je-li pekryv excitanho (absorpnho) a fluorescennho spektra zeslaben IF stenou reabsorpc prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 122 Fluorescenn spektroskopie fluorescenn spektrum excitan IF = f ()ex), m se pi konst. )em emisn IF = f ()em), )ex = konst. budc zen excitan spektrum je toton s absorpnm plat pro istou ltku je to kritrium istoty

trojrozmrn diagramy IF = f ()em, )ex) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 123 Fluorescence a chemick struktura pedpoklad: ptomnost systmu snadno delokalizovatelnch elektron konjugovanho systmu -elektron KVANTOV CHEMICK VPOTY, EMPIRICK PRAVIDLA EMPIRICK PRAVIDLA PRO FLUORESCENCI 1) nen-li siln absorpce < 250 nm nen fluorescence jestlie nejdlouhovlnnjs abs. ps > 250 nm a odpovd * molekula fluoreskuje (zpravidla nkolik kondenzovanch jader jestlie nejdlouhovlnnj ps absorpn n * velmi slab fluorescence, nebo mal pechodov pravdpodobnost, naopak ISC T1 FOSFORESCENCE (aromatick aldehydy, ketony, karbonov kyseliny) m je vt max nejdlouhovlnnjho abs. psu * S0 S1 a m je tento ps vce posunut k delm ), tm vt IF 2)

3) 4) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 124 Empirick pravidla pro fluorescenci nejastj pklady: polykondenzovan aromatick uhlovodky s potem kondenzovanch jader roste konjugovan systm BATHOPCHROMN A HYPERCHROMN POSUN emisnho f. spektra ANELACE jader LINERN anthracen )max = 379 nm ANGULRN fenanthren )max = 347 nm zvten konjugace SUBSTITUCE ARYLEM prohlouben konjugace a zven fluorescence x sterick brnn 2)

STABILIZACE KOPLANRN POLOHY vazbou nebo mstkem zabrnn voln otivosti 1) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 125 Empirick pravidla pro fluorescenci substituce substituenty, kter poskytuj elektrony ke konjugaci s -el. systmem BATHOCHROMN A HYPERCHROMN POSUN potlaen vibran struktury 5) tak indukn efekt poad vlivu: CR3 < CH3 < SR < SH < NH2 < OR < OH F 0,0001 F 0,5 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 126 Vlivy vnj a)

vliv pH excit. stav me mt jinou kyselost ne zkl. b) vliv fixace polohy soust molekuly tvorbou chelt, molekula sama nefluoreskuje, ale fluoresk. chelt: zabrn se voln otivosti kationty s 2, 8 a 18 elektrony ve vnj slupce Be2+, Mg2+, Zn2+, Al3+, Sc3+, Ga3+ azoltky, azomethinov barviva analytick vyuit vliv rozpoutdel halogenovan rozpoutdla (CH2Cl2, CHCl3) a rozp. s karbonyl. sk. (aceton) sniovn a zhen fluorescence c) polarita (permitivita) rozpoutdel energetick zmny stav S n *, S * - i zmna jejich poad nefluoreskuje v nepolrnm a fluoreskuje v polrnm CHINOLIN ne v hexanu, fluoresk. v C2H5OH prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 127 Instrumentace pro fluorescenn spektroskopii

fluorimetry spekrln fluorimetry men spekter excitanch fluorescennch prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 128 Instrumentace pro fluorescenn spektroskopii zdroj UV D2 nebo Xe vbojka, Hg vb. rov sp. VIS W lampa laditeln barvivov lasery excitan spektrum ovlivnno emisn spekt. charakt. Xe lampy - disperzn prvky

interferenn filtry jednoduch fluorimetry sklenn filtry (m pouze intenzitu zen, nikoli spektra) sady excitanch a emisnch interf. filtr mkov monochromtor pro fluorescenn zen 2 mkov monochromtory pro excit. i fluorescenn zen detektory - PMT (FN) m vlastn spekt. charakteristiku emisn spektrum ovlivnno promnlivou citlivost detektoru s vlnovou dlkou prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 129 Korigovan spektra korekce emisnho spektra ocejchovnm fotonsobie na fluorescenn standard: CHININ BISULFT (tabel. hodnoty) korekce excitanho spektra na spektrln charakteristiky Xe lampy

s pouitm referennho fotonsobie s plochou sp. odezvou vstupn trbina promnliv ky prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 130 Metodika men F relativn veliina pevn fluorescenn standardy nebo roztoky nastaven vchylky na 100 (maximum) nap. na nejkonc. standard bisulft chininu, fluoresceinan Na, rhodamin B postup: excitan spektrum) se registruje pi pokusnm nastaven )(em) )(em)max zmnou ) excitanho monochromtoru s nalezenm )(ex)max se registruje em)isn (fluoresc.) spektrum) zmna )em emisnho monochromtoru nalezen )(em)max cel postup se opakuje: )(em)max1 )(ex)max1 do dosaen konst. polohy )(em)max2 )(ex)max1

modr asov stl fluorescence = 0,51 v 0,5 M H2SO4 BISULFT CHININU )(ex)max = 355 nm )(em)max = 445 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 131 Stanoven kvantovho vtku fluorescence (CHBS standard) x st F F x st A st Ax PARKER F F x st

A absorbance F plochy fluoresc. sp. nebo x st )ex(st) = )ex(x) A x max,em st Ax st (max,em ) BABKO fluorescenn standard mus mt aktivn aktivn absorpn maximum a fluorescenn maximum blzk ltce, jej kvant vtek se uruje prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 132 Aplikace fluorimetrie OBLAST ANORGAN. VZORKY anionty PKLADY CN-, SiO32-, SO42-, F- KLINICK kationty

elektrolyty Al3+, Be2+, Cd2+, Fe3+, Mg2+, REM, Zn2+ Ca2+, Mg2+, PO43- steroidy lipidy proteiny aminokys. imunologic. enzymy drogy metabolity vitamny estrogen, progesteron, testosteron cholesterol, triglyceridy albumin tryptofan, tyrosin, fenylalanin fluoresk. antigeny, protiltky dehydrogenzy, transaminzy, fosfatzy barbiturty, salicylty, LSD krevn cukr, porfyriny A, B1, B2, B6, C, D, E liva antibiotika, antimalovika (biochem.) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 133

Aplikace fluorimetrie OBLAST ZEMDL. POTRAVINY VZORKY jako ANORG. + pr. ltky proteiny v mlce pesticidy DDT PKLADY chlorofyl, pigmenty prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 134 Aplikace fluorimetrie OBLAST PE O ZDRAV (EKOLOGIE) PRMYSL SOUDN EXPERTIZY VZORKY/METODY kontaminovan mat. bakteriolog. vzorky intoxikovan TK imunolog. vzorky screening stopovac techniky

drogy jedy st orgn oleje, tuky mazac PKLADY insekticidy potn bakteri Be, Cd, Pb protiltky histidinemie men rychlosti prtoku, mchn, obh (cirkulace) LSD, salicylty guinacvin (atebrin) pirozen fluorescence steln zbran, obti prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 135 Aplikace fluorimetrie OBLAST ZNEITN VODY A VZDUCHU (ENVIRONMENT. ANALZA) VZORKY/METODY kationty, anionty pesticidy stop. techniky aromty ve spol.

PKLADY DDT rychlost prtoku pyren, chrysen, benzpyren prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 136 Pklady metod Stanoven prvk na bzi chelt s org. inidly nebo ternrnch kom)plex 1) inidla: polyhydroxyflavony, 8-hydroxychinolin, dihydroxyazobarviva, azomethiny od aromatickch hydroxyaldehyd (salicylaldehyd), hydroxyarylhydrazony, rhodamin B, polyfenoly, fenolkarbonov kyseliny, benzoin vhodn ionty prvk: el. konfigurace s2p6, s2p6d10 dn vakantn d-orbitaly: Al3+, Ga3+, In3+, Be2+, BIII, ZrIV, HfIV, ThIV, Sc3+, GeIV, SnIV, Zn2+, Ca2+, Mg2+, La3+, Y3+, lanthanoidy lanthanodiy (Tb, Eu) s polyfenoly, 1,10-fenanthrolinem, 1,3-enoliz. diketony, 2-thenoyltrifluoraceton sklenn kyvety fial. fluorescence nelze pout

i kemenn kyvety 380 nm, kdy )exc 220-280 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 137 1) Stanoven prvk na bzi chelt s org. inidly nebo ternrnch komplex zhen fluorescence: voda z PE stiek, neistoty i vznik nedouc fluorescence FLUORESCEINAN SODN zelen, lutozel. fluoresc. CHLORID RHODAMINU B erven f. (H2O, slab kys, alk.) zelen f. (v H2SO4) = 0,85 0,1 M NaOH; 0,05 M Na2CO3 )exc max = 495 nm )em max = 508 nm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 138 1) Stanoven prvk na bzi chelt s org. inidly nebo ternrnch komplex vtek fluorescence

kvantov vtek KV N EM I EM I EM N ABS I ABS I 0 I energetick vtek ERG E EM N h EM EM 1 E EXC N EXC h EXC ERG N EM h EM EM KV N EXC h EXC EXC EXC EM EM EXC STOKES ERG KV prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

139 Pklady metod Fluorim)etrick indikace ekvivalennho bodu pi EDTA titraci 2) stanoven Ca2+, Sr2+, Ba2+ v ptomnosti fluorexonu pi pH = 12, fluoreskuj chelty indiktoru Fluorescenn acidobazick indiktory 3) -naftalamin chininbisulft akridin pH 3,4-4,8, kys.f.(-) alk.f. fialov pH 3,0-5,0, kys.f. modr alk.f. fialov pH 4,8-6,6, kys.f.zelen alk.f. modr prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 140 Pklady metod Redukn fluorescence 4)

nkter ionty pechod. prvk po redukci NH2OH nebo amalg Zn (Cu+, Fe2+, V2+) redukuj aromatick karbonov kyseliny (kys. ftalov, benzoov, 1,3-benzendikarbonov) na radikl peroxokyselina (modr f.) stanoven paramagnetickch iont Oxidan fluorescence 5) Hg2+ oxiduje Thiomin (pH = 7-8) Thiochrom (fluor.) Stanoven organickch slouenin 6) xanthenov derivty (fluorescein, rhodamin) porfyrin, alkaloidy, hormody, vitamny, anthracen, fenanthren, salicylan, acetylsalicylov kyselina prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 141 Kvaziarov molekulov fluorescence (efekt polskho)

nzk teploty (77 K, 10-15 K) jemn struktura emisnch (fluorescennch) maxim na pozad emisnho psu aromty, polykondenzty men ve ztuenm stavu rozpoutdel (N-alkany) ka maxim 10 cm-1, m se: naftalen v N-pentanu benzpyren, antracen v N-heptanu naftacen v N-nonanu pyren v N-hexanu koronen v N-oktanu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 142 Kvaziarov molekulov fluorescence (efekt polskho) Polykondenzovan kancerogenn uhlovodky CD = 10-11 g org. sloueniny experimentln uspodn: excitan zdroj: laser

dispersn zen: mkov monochromtory kyveta: 3 mm kemenn trubika (do Dewar. ndoby) vhodn jako detekce k separanm metodm: TLC, GC, HPLC prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 143 Fluorescence v pevn fzi TAVENINY a) intenzivn zelenolut fluorescence UO22+ v taveninch 30% NaF + 70% (Na-K)CO3; 98% NaF + 2% LiF; 10% NaF + 45% K2CO3; roztaven sms se zahv 10 minut pi 650C a nech se pomalu vychladnout excitace 300 nm, emise 538, 555, 576, 601 nm CD = 10-8 g U v 50 mg taveniny, ru nkter kovy geologie, biologick tekutiny prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

144 Fluorescence v pevn fzi NOSIE POLOVODIOVHO TYPU V PTOMNOSTI STOPOVCH AKTIVTOR (IONTY PECHODNCH PRVK) b) vznik luminiscence po vpraven malho mnostv analytu jako aktivtoru do nosie polovodiovho typu a po jeho vyhn pi zven nebo vysok teplot nosie: CaO, CaSO4, NaF, Na2B4O7, BaSO4, CaCO3 pklad: vyhan rozeten CaO s malm mnostvm H2O, pokropen roztokem vzorku, po excitaci UV emise lutozelen pro SbIII modrofialov pro BiIII, po vyhn na 900C aktivtory (analyty): Tl, Sn, Sb, Bi, lanthanoidy nap. vanadt Ca aktivovan po 60 min hn pi 1000C lantanoidy emise: ervenooranov - Sm, Eu 10-4 % lut - Dy prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 145 b) Nosie polovodiovho typu v ptomnosti stopovch aktivtor

vklad jevu: aktivtor v polovodiovm nosii umon lokalizaci energetickch hladin v zakzanm psmu luminiscenn centra (L) donory elektron metastabiln hladiny (M) akceptory elektron pi excitaci el. z valennho do vodivostnho psu (UV z.) zstv kladn dra ve val. psmu, kter postupuje vzhru a pitom rekombinuje s elektronem z (L) v zakzanm psmu tm umon fluorescenci, tj. pechod pvodnho elektronu z vodivostnho psmu do (L) jestlie pejde elektron do (M), pak umon fosforescenci pi zptnm pechodu pes vodivotn psmo do (L) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 146 Fosforescenn spektroskopie (Fosforimetrie)

emise UV-VIS zen pi pechodu z nulov vibran hladiny excitovanho tripletovho stavu T1 do rznch vibranch hladin zkladnho singletovho stavu S0 zmna multiplicity zakzan pechod x spinorbitln interakce kad vln. funkce s uritm spinem zsk sloku jin multiplicity singletov a tripletov stavy se sms fluorescenn (ani fosforescenn) spektrum nezvis na vlnov dlce budcho zen fosforescenn spektrum posunuto k vym ) (tripletov stavy maj ni energii ne singletov) fosfor. spektrum m vibran strukturu (jako fluor.) doba ivota 10-6 s a 102 s velk pravdpodobnost ztrty energie nezivm pechodem vnitn konverz srkami s molekulami fotochemickou reakc nelze mit pi laboratorn teplot prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 147

Fosforescenn spektroskopie (Fosforimetrie) zhen paramagnetickmi ltkami (kyslk) je nutn roztoky dokonale odvzdunit men: pi 77 K (kapaln N2) tuh sklovit prsvitn roztok. sms rozp.: (C2H5)2O : isopentan : EtOH 5 5 : 2 instrumentace fosforoskopy a fluorimetry s nstavcem : vzorek v zk kemenn kyvet uloen v Dewarov ndob (N2 kapaln) vyuit dlouhho trvn fosforescence vzorek se stdav excituje a pak emituje: becquerelv fosforimetr mechanick rotujc peruova 1000 ot/min

kontinuln zdroj = vysokotlak Hg lampa pulsn zdroj (Xe lampa) m = 10s - pulsy prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 148 Fosforescenn spektroskopie (Fosforimetrie) APLIKACE alkaloidy, pesticidy, liva, aminokyseliny, proteiny kinetika: 1. du: F F exp t t 0 stedn doba trvn dosvitu (fosforescence) = t pi Ft = F0/e zvislost na dob ozaovn: t F Fmax 1 exp

fosforescence smsi analyt-metoda asovho rozlien t Ft F0 exp n Ft Ft i i 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 149 Infraerven spektroskopie absorpce elmagnetickho zen: 12 500 100 cm-1 zmny vibranch, rotan-vibranch a rotanch stav I (IR) blzk 12 500 5 000 cm-1 stedn 5 000 500 cm-1 vzdlen 500 100 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 150

Infraerven spektroskopie 1) VIBRACE MOLEKUL linern harmonick osciltor 100 4 000 cm-1 F k w pohyb. rovnice x vch. x 0 cos fz. posun pot. v t 2 = 0 t - frekvence t - as x - vchylka F - sla m - hmotnost II. Newtonv zkon d 2x F m 2

dif. rce: dt 2 d x m 2 k w een dif. rce dt 1 2-atom. k pro vlnoet mol. 2 m redukovan hmotnost 1 k ~ 2c M M prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie m1 m2 m1 m2

151 Vibrace molekul Potenciln energie 1 E p kw 2 2 2 M w 2 2 klasick mechanika libovoln zmny kvantov mechanika diskrtn hodnot energie celistv nsobky h. mon hodnoty energie osciltoru dny Schrdinger. rc vibran stavy vibran kvantov slo v 1 v 0, 1, 2, 3, ... E h v 2 energie 2-atomov molekuly ze Schrdingerovy rovnice E h

k 1 v 2 M 2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 152 Vibrace molekul vibran vlnov funkce vln. funkce liner. harm. osciltoru y2 H v y v Nv exp 2 Nv vibran konstanta (zvis na v) y x 1 2 k M 4 h Hermitv polynom Hv(y)

Hv(y) zvis na hodnot v: v=0 H0 = 1 v=1 H1 = 2y v=2 H2 = 4y2 - 2 v=3 H3 = 8y3 - 12 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 153 Vibrace molekul vibran kvant. slo = poet uzl vln. funkce (body, v nich v mn sv znamnko) v2dx v 2 * dx pravdpodobnost nalezen molekuly ve vzdlenosti (v intervalu) x; x dx klasick osciltor

m vy v, tm vt piblen klasick a kvantov mechaniky prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 154 Vibrace molekul prostorov rozdlen pravdpodobnostn vlnov funkce pro jednotliv vibran hladiny + velikost pekryvu funkc v zkl. a excit. stavu kvantov mechan. vpoty pravdpodobnosti pechodu mezi rznmi vib. hladinami tchto stav pedpov tvaru absorpnch i emisnch (fluorescennch) ps HARMONICK x 1 E pot Fdx kx 2 2 0 ANHARMONICK 2 1 1 E h v h a v ... 2 2 konstanta anharmonicity fundament. normln

f h 1 a prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 155 Vibrace molekul harmonick osciltor vbrov pravidlo v = +1 pi absorpci za normln teploty v = 0 fundamentln vibrace anharmonick osciltor v = 1, 2, 3, vy harmonic. overtone v > 1 vt excit. energie: v = 2; E2 = 2E1; v = 3; E3 = 3E1 absorpn psy vych harmonickch vibrac jsou posunuty k vym vlnotm (kratm vln. dlkm) NIR, > 5 000 cm-1 intenzita absorpce kles o 1 a 2 dy s pechodem od zkl. vibrace k vym harmonickm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 156

Vibrace molekul vibrace probhaj v prostoru x, y, z rovina xy LISSAJAVSOVY OBRAZCE silov konstanty kx, ky, kz rzn frekvence kad ze 3 fundamentlnch vibrac N-atomov molekuly linern nelinern stupe volnosti: 3N 5 3N 6 poet stup volnosti uruje poet zkl. vibrac vpoty frekvenc vibrac teoretick pedpovdi vstupn data: 1) hmotnosti atom 2) valenn hly 3) dlky vazeb 4) silov konstanty prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 157 Vibrace molekul

energie a frekvence vibrac omezeny eenm Schrdingerovy rovnice pi harmonickm pohybu (model) lze povaovat E vibrac N-atomov molekuly pro jednotliv stupn volnosti za navzjem nezvisl n n 1 celkov vibran energie E E i i v i 2 i 1 i 1 n = 3N 5 (lin. mol) n = 3N 6 (nelin. mol) teoreticky zajmav, praktick analza empirick souvislosti s potem atom roste poet abs. ps sloit spektra prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 158 Infraerven spektroskopie

ROTACE MOLEKUL 2) 1) 2) rotan hladiny, rotan spektra tuh rotor. (rottor) vzdlenost r se nemn klasick m)echanika moment setrvanosti I = mr2 vzhledem k y; Jy = 0 I x I y m1r12 m2 r22 vzhledem k x, z; Jx = Jz m2 r plat: 1 m m r 1 2 pak 100 10 cm-1 I m1m22 m2 m12 m1 m2 2 r 2

m1m2 r 2 M r 2 m1 m2 M redukovan hmotnost Steinerova vta aplikace: moment setrvanosti lze vyjdit pomoc jedinho hm. bodu M ve vzdlenosti r od potku souadnic, kolem nj se rotace pak uvauje prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 159 Rotace molekul vlnov m)echanika rotan pohyb popsn vlnovou funkc Schrdingerova rovnice hodnoty diskrtnch energi h2 J rotan kvantov slo E r 2 J 1 J 8 I I moment setrvanosti pro tuh 2-atomov rotor prava: E h2 1 h E r 2 J 1 J r 2 J 1 J B J 1 J h c h c 8 c I 8 I

B rotan konstanta (charakteristick pro kadou molekulu) spektroskopick termy: E E ~ r r B J 2 1 J 2 B J 1 1 J 1 h c 2 h c 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 160 Rotace molekul VBROV PRAVIDLO: J = J2 J1 = 1 vlnoet abs. nebo emit. zen = 2B (J+1) J = 0, 1, 2, 3 h2 E r 2 J 1 J E roste s J kvadraticky 8 I roste s J linern = 2B (J+1) E roste linern je konstantn E E n E n 1 2n B h c h c ~ 2B konst . E h c

E 2 4 B h c E 2 3 B h c plat pro TUH rotor realn: k roste s J (vy E, rychlost) vt I men B relativn intenzity lini zvis na teplot dle N2 g 2 E r Boltzmannova vztahu exp N1 g 1 kT prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie E 2 2 B h c 161 Rotace molekul tpen rotanch hladin v dsledku: interakce moment hybnosti atom s celkovm momentem hybnosti molekuly

interakce s jadernmi spiny interakce s vnjm el. a mag. polem jemn struktura rotanch ar nelinern molekuly ni symetrie energie rotac kolem 3 prostorovch os se vzjemn li dal kvantov slo K vbrov pravidla pro nelinern molekuly J = 0; J = 1; K = 0 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 162 Interakce molekulovch rotac a vibrac rotan vibran spektra souasn zmna rotanch i vibranch stav molekuly vibran pechod + ada pechod rotanch dvouatomov molekula = harmonick osciltor + tuh rotor E E vib E rot h

k 2 M 1 h2 v J J 1 2 2 8 I energie pechodu E h k E h c ~ v 1 v 0 h c B J1 J1 1 J 0 J 0 1 2 M E rot E vib prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 163 Interakce molekulovch rotac a vibrac rotan vibran spektra VBROV PRAVIDLA:

J = 1 (linern molekuly) J = 0, 1 (nelinern molekuly) linern harmonick osc.: v: 0 1 (fundamentln vibrace) linern anharmonick osc.: v: 0 2, 3, (overtony) vibran pechod: absorpn ps s adou rotanch lini J = - 1 P vtev ni vlnoty J = + 1 P vtev vy vlnoty v r v r J = 0 Q vtev (nelinern mol.) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 164

Interakce molekulovch rotac a vibrac rotan vibran spektra ry odpovdajc pechodm mezi rotanmi hladinami nleejcmi dvma rznm vibranm stavm tvo ps hlava psu band head ~ ~0 Bm cm 2 Fortratova parabola P: m = -j R: m = j + 1 0 vlnoet nulov linie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 165 Rotan-vibran spektrum oxidu uhelnatho rotan struktura je pozorovna jen v plynn fzi rotan linie rozen:

srky molekul skupenstv kapaln pevn prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie vymizen rotan struktury 166 Vbrov pravidla a intenzita absorpnch ps v IR spektrech 1) 2) 0 x 2 I k x x0 podmnka: nenulov zmna diplmomentu

intenzita psu pravdpodobnost interakce pslun vibrace s elmag. zenm; x0 = rovnovn poloha vysok hodnota permanentnho diplu nepostauje k vysok intenzit absorpce, naopak absorbuj intenzivn i molekuly s malm diplmomentem, je-li jeho zmna velk, nap. CO molekuly H2, N2, O2 dva stejn atomy diplmoment = 0 a souasn se tak nemn neabsorbuj vceatomov molekuly: absorbuj intenzivn polrn sti tj. -NH2, -OH, -C=O, -C-F, -Si-O, atd vibrace nepolrnch st uhlkov skelet mlo intenzivn vceatomov symetrick nepolrn molekuly CS2, CH4, CCl4, absorbuj i kdy diplmoment = 0 mohou probhat vibrace, pi nich se oddluj tit + a nboj vznik a zmna diplmomentu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 167 Vbrov pravidla a intenzita absorpnch ps v IR spektrech intenzita absorpce vyjden transmitance T absorptance (1-T) jako UV-VIS absorbance

- molrn absorpn koeficient nem povahu konstanty zvis na: typu a kvalit pstroje ce trbiny ztrt zen rozptylem pozad spektra ~ ~ 2 0 ~ 2 1 A ln d d~ c l ~1 ~1 mn zvis na pstroji a prac. podmnkch: INTEGROVAN ABSORPN INTENZITA A plocha psu c koncentrace; l dlka kyvety udv se tak poloka 1/2 = ka psu v polovin vky, tj. pi A=Amax/2

tabulky IR spekter kvalitn vyjden intenzity: s (strong) siln; m) (medium) stedn; w (weak) slab; vs (very strong); vw (vey weak) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 168 Vibran frekvence a vlastnosti molekul vibrace valenn deforman - mn se vzdlenost mezi atomy - nemn se valenn hly - nemn se vzdlenost mezi atomy - mn se valenn hly vibrace viditeln fundamentln: 2,5-15 m = 10m blzk IR svrchn (vy harmonick) 2, 3 .

kombinan (souty a rozdly zkl. vibrac) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 169 Vibran frekvence a vlastnosti molekul N atom 3N stup volnosti (souadnice x, y, z) translace x, y, z 3 stupn volnosti rotace nelinern molekuly podle x, y, z 3 stupn volnosti linern molekuly podle x, y z 2 stupn volnosti linern molekula 3N 5 nelinern molekula 3N 6 st. volnosti pro vibraci 3N 5, 3N 6 = poty fundamentlnch frekvenc prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 170 Vibran frekvence a vlastnosti

molekul LINERN MOLEKULA CO2 m = 10 NELINERN MOLEKULA H2O m = 10 neaktivn symetrick antisymetrick nkov nkov - valenn vibrace - s symetrick stretching - as antisymetrick - deforman vibrace nkov scissoring kolbav rocking prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie kvav wagging

kroutiv twisting 171 Vibran frekvence a vlastnosti molekul frekvence zkladnch vibrac molekuly XY2 (CO2) (linern) 12 1 a11 a12 s 4 my symetrick valenn vibrace 1 m x 2m y a11 a12 as 4 m x m y asymetrick valenn vibrace 1 2m x 2m y a33 2 4 m x m y l deforman vibrace degenerovan 2 2

2 3 2 4 l - dlka vazby X - Y (C-O) a11 - silov konstanta vazby X - Y a12 - vliv zmny dlky jedn vazby na slu vazby druh a33 - odpor molekuly proti zmn valennho hlu mx, my - hmotnosti atom X a Y prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 172 Vibran frekvence a vlastnosti molekul n vibrac jedin abs. ps n x degenerovan IR spektrum CO2: 2 psy: vysoce symetrick molekuly max. 3x degenerovan symetrie molekuly a jej vibrace asymetrick valenn

2x degener. deforman aktivita vibrac v IR spektru, poet absorpnch ps prvky symetrie rovina zrcadlov rovina osy s rznou etnost rotan rotan reflexn sted identita bodov grupy symetrie tabulka neredukovatelnch reprezentac typy vibrac a jejich symetrie prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 173 Vibran frekvence a vlastnosti molekul

urit seskupen atom (funkn skupiny atd.) dvaj abs. psy v zkm rozmez charakteristick psy, char. frekvence, char. vibrace frekvence vibrace urit vazby se mus vrazn liit od frekv. sousednch vazeb, jinak spaen vibrac molekula kmit jako celek podmnky rozlien 1) 2) rozdl hmotnosti atom 100 % rozdl silovch konstant 25 % pklad: X-X, X=X, XX 1 : 2 : 3 nsobn vazby maj odlin vibrace pklad: C-H, N-H, O-H, S-H, C-Cl, C-Br, C-I, C-S pklad: C O N nelze C-N, C-O prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 174 Charakteristick vibrace frekvence rostou

s klesajc hmotnost atom, kter se podlej na vazb 1 k 2 M 1 2 s rostouc silovou konstantou vazby vazba CH, NH, OH trojn vazba dvojn vazba (cm-1) 3700-2400 2400-1900 1900-1500 > 3700 cm-1 < 1500 cm-1 vy harmonick - valenn vibrace tch atom - deforman vibrace (ni sil. konst. ne val. vib.) - skeletln vibrace (vib. zbytku skeletu) - kombinan (souty a rozdly zkl. frekvenc)

valenn vibrace prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie oblast charakterist. frekvenc 175 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS oblast otisku prstu vhodn pro identifikaci organickch ltek neexistuj 2 molekuly (ltky) se stejnm spektrem prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 176 < 1500 cm-1 FINGERPRINTS 3700 valenn vibrace C-H, O-H, N-H 2400 1900 valenn

vibrace CC, CN valenn vibrace C=C, C=O C=N, N=N N=O prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 1500 (cm-1) deforman val. vib. tch atom skeletln kombinan neidentifikovateln oblast otisku prstu 177 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace rozmez vlnot vliv zbytku molekuly informace o konstituci molekuly dal vlivy

skupenstv a rozpoutdla vodkov vazby hmotnosti atom elektrick v. sterick v., pnut kruhu, konformace vibran interakce (vibran spaen) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 178 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace VLIV SKUPENSTV A ROZPOUTDLA 1) tuh kryst. ltky: vzj. interakce mezi polrnmi skup. sousednch molekul OMEZEN POHYBLIVOST nov abs. psy, chyb jin abs. psy X kapaln a plynn skup. CHYB ROTAN STRUKTURA taveniny, roztoky: vt pohyblivost ne v tuhch ltkch mezimolekulrn interakce CHYB ROTAN STRUKTURA skupensk zmna: G L S

potlaen rotan struktury zen absorpnch ps posun abs. maxim ke kratm vlnotm intermolek. psoben dipl snen sly vazby sn. E prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 179 1) Vliv skupenstv a rozpoutdla pklad: (C=O), G, = 1742 cm-1 ACETON (C=O), L, = 1718 cm-1 polarita rozpoutdla roste charakter. vibrace kles (dipl-dipl. interakce, vodkov vazba) (C=O) aceton 1728 cm-1 1724 cm-1 1720 cm-1

1717 cm-1 prosted cyklohexan CCl4 dioxan HCCl3 vliv rozpoutdla na nepolrn v. C-C mal prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie polrn v. C=O O-H mal 180 1) Vliv skupenstv a rozpoutdla POLRN SKUPINY ROZPOUTDLA proton-donorov tvo stedn a siln asocity (CHCl3, CH3NO2) pokles max, rozen ps

proton-akceptorov nedochz k asociaci (CH3CH2)2O, C6H5N, THF stejn jako v CCl4 C=O, C=N, N=O, NO2, S=O max, proton-donorov slab asocity pokles max proton-akceptorov silnj asocity roste ka ps, intenz., vraznj pokles max -OH, -NH2, -NH, -SH prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 181 1) Vliv skupenstv a rozpoutdla

vpoet ps valennch vibrac polrnch skupin ve slab polrnch rozpoutdlech KIRKWOOD-BAUER-MAGATOVA rovnice g, sl vlnoty maxim v plynn f. a v. ~ ~ K 1 g sl ~ ~ roztoku g 2 1 permitivita rozp. 2 K 1 K 2 n 1 n index lomu rozp. ~ 1 2 2 1 2n 1 K, K1, K2 konst. zvisl na rozpoutdle prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

182 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace VLIV VODKOV VAZBY 2) siln interakce mezi kyselmi skupinami (donory H+) zsaditmi centry (elekronegativn atomy O, N, X) intraintermolekulrn H-vazba oslaben pvodn vazby v proton-donor. skup. nap. O-H, X-H pokles valenn vibrace nejsilnj H-vazba skupina OH voln skupina = 3640 cm-1 pklad: CH3-OH intermolekulrn v.v. = 3300 cm-1 tak rozen ps asociovanch skupin ada asocit s rzn silnmi H-vazbami pklad: karbonov kyseliny dimery irok ps -OH: 2400-3300 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

183 2) Vliv vodkov vazby rozlien intra- a intermolekulrnch H-vazeb edn roztoku pomr abs. ps monomeru a asocitu intramolekulrn v. KONSTANTN intermolekulrn v. ROSTE (rozpad asocitu) (C=O) akceptoru protonu cca jen 5-50 cm-1 H-vazba pokles max u proton-donorov skupiny (X-H): deforman vibrace rst pi vzniku H-vazby prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 184 2) Vliv vodkov vazby

pokles (O-H) s rostouc koncentrac pokles konc. monomeru; pokles signlu v (O-H) 3638 nrst signlu di-, tri-, polymeru s rost. koncentrac a pokles v (O-H) polymeru prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 185 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace VLIV HMOTNOSTI ATOM 3) zmna vlnotu pi nhrad izotopem: nejvt pi nhrad H za D v (OH) = 3600 cm-1 v (OD) = 2650 cm-1 Cl, Br, I snen vlnotu pi substituci tm X izotopov zmny O, N, C mn vrazn pklad: valenn vibrace v (C=O) v diisopropylketonu vyuit: piazovn charakt. frekvenc uritm skupinm na zklad men s izotopovmi zmnami izotopy 12C = 16O 13C = 16O 12C = 18O (cm-1) 1712 1675

1681 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 186 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace ELEKTRICK VLIVY 4) efekty: m)ezom)ern konjugan induktivn elektrostatick mezomern efekt + M zven elektronov hustoty - M snen zmna charakteru vazby zmna silov konst. zmna a)

pklad: acetofenon X p-aminoacetofenon +M v (C=O) = 1691 cm-1 v (C=O) = 1677 cm-1 +M zven polarizace C=O vazby zeslaben charakt. dvoj. vazby snen silov konst. snen vlnotu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 187 4) Elektrick vlivy - M p-nitroacetofenon snen el. hustoty na benz. jde snen polarity vazby C=O poslen char. dvoj, vazby zven silov konstanty v (C=O) = 1700 cm-1 konjugan efekt b) konjugace roste dvojn charakter konjug. vazby kles sil. konstanta kles posun k nim H3C H3C C C

O O C O H3C aceton < 1720 cm-1 > acetofenon konjugace 1691 cm-1 < benzofenon > 1650 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 188

4) c) Elektrick vlivy induktivn efekt H3C+ C - Cl - O C + O H3C H3C+ + I podporuje polarizan vazby C=O (zeslaben v.) 1720 cm-1 - I sniuje polarizaci vazby C=O (zeslen v.) 1806 cm-1

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 189 4) Elektrick vlivy elektrostatick efekt d) psoben siln elektronegat. atom a elektronodornch atom ELEKTRICKM POLEM jako interakce polrnch skupin s rozpoutdlem pklad: -halogen ketony voln rotace kolem C-C vazby H R C H Br Br R C C

C O H H O 1740 cm-1 Br odpuzuje el. O 1720 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 190 Faktory ovlivujc charakteristick vibrace STERICK VLIVY, pnut kruhu, konformace 5) 3-, 4-, 5- lnkov cykly zmna valennch hl ve srovnn s acyklickmi systmy a 6- a vce etnmi cykly hybridizace sp3 endocyklick vaz. vce char. p

exocyklick vaz. vce char. s vt podl s zkrcen vazby zven p prodlouen vazby snen sil. kons. pi poklesu potu lnk kruhu exo-vazby vy endo-vazby ni prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 191 5) Sterick vlivy pklad: v (C=O) v cykl. ketonech a v (C=C) v cykloalkenech cykloalekny cyklohexen cyklopenten cyklobuten

v (C=C) 1646 1611 1566 v (C=O) (exocykl.) 1718 1742 1784 vyuit: urovn velikosti kruhu z infraervenho spektra konforman izomery: ekvatoriln vazby axiln cykl. ketony cyklohexanon cyklopentanon cyklobutanon smr. a roztah. kruhu vt E men E ni vyuit: urovn konstituce, nap. steroidy prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 192

Faktory ovlivujc charakteristick vibrace VIBRAN INTERAKCE (VIBRAN SPAEN) 6) podmnka charakteristick vibrace vazby nezvisl vibrace na zbytku molekuly: 1) odlin hmotnosti atom od zbytku molekuly (C-H) 2) odlin silov konstanta atom od zbytku molekuly (C=C, C=O) spaen vibrace: nap. amid: v (C=O), (N-H), v (C-N) R1 H C O R1 N H C R2 AMID I 1630 1690 cm-1 C O N H pevauje

O H R1 N C R2 AMID II 1520 1570 cm-1 N H C N pevauje O N R2 AMID III 1200 1310 cm-1 C O N H C N prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 193 6) Vibran interakce (vibran spaen) Fermiho rezonance

spaen - zkl. vibrace skupiny - harmon. vibrace jin skupiny kombinace energetickch hladin z nov hladiny oba pechody maj podobnou intenzitu x harmonick v. nesp. prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 194 Infraerven spektra organickch slouenin alkany valenn vibrace C-H: v (CH3): 2960 cm-1 vas v (CH2): 2925 cm-1 vas v (CH3): 2870 cm-1 vs v (CH2): 2850 cm-1 vas v (CH): 2890 cm-1 v (CH) cyklopropan > 3000 cm-1

deforman vibrace C-H: (CH3): 1460 cm-1 as CH3 (CH3) (CH3): 1370 - 1380 s (CH2): 1470 cm-1 HC : 1365 + 1385 CH3 dublet dimethylu (CH2)n: 720 - 790 cm-1 (CH): 1340 cm-1 skeletln vibrace C-H: (CH3)3-C: 1255 + 1210 cm-1 (CH3)2-CH: 1170 + 1140 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 195 Infraerven spektra organickch slouenin alkeny

valenn vibrace C-H: v (=CH2): 3080 cm-1 v (=CH-): 3020 cm-1 2975 cm-1 valenn vibrace C=C: v (C=C) nekonjug.: 1620 - 1680 cm-1 v (C=C) konjug. s arom. syst.: 1625 cm-1 v (C=C) konjug. s C=C, C=O: 1600 cm-1 deforman vibrace C-H: (C-H), RCH=CH2: 990 cm-1 (C-H), RCH=CH2: 910 cm-1 (C-H), RRC=CH2: 890 cm-1 (C-H), RCH=CHR trans: 960 - 980 cm-1 (C-H), RRC=CHR cis: 675 - 730 cm-1 (C-H), RRC=CHR: 800 - 840 cm-1 (CH): 1410 - 1420 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 196 Infraerven spektra organickch slouenin alkyny v (C-H):

3300 cm-1 v (CC) R-CC-H: 2100 - 2400 cm-1 v (CC) R1-C=C-R2: 2190 - 2260 cm-1 (C-H): 600 - 700 cm-1 je-li vce stejnch atom ze spolenho atomu (N-H v -NH2, -NH3, C-H v CH2, CH3, CH4) rezonance vibrac vibran spraen vibrace skupiny jako celku: - ve fzi 2 psy mimo fzi prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 197 Infraerven spektra organickch slouenin symetrick vibrace asymetrick vibrace s (CH3) as (CH3) 2872 cm-1 2953 cm-1 -CH3

valenn vibrace s (CH2) as (CH2) s (NH2) 2850 cm-1 2930 cm-1 3400 cm-1 -NH2 >CH2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie as (NH2) 3500 cm-1 198 Infraerven spektra organickch slouenin deforman vibrace nkov (scissoring)

kolbav (rocking) = konst. kvav (wagging) = konst. kroutiv (twisting) = konst. vazba v rovin uspodanho okol (C-H) inplane mimorovinn okol (C-H) out of plane vibran spaen 2 dvojnch vazeb: 1,3-butadien vas = 1630 cm-1 vs = 1590 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 199 Instrumentace IR spektroskopie dvoupaprskov pstroje s optickou kompenzac automatick registrace spektra hranolov nebo mkov monochromtory

hranol mka 40-200 vryp/cm Z- zdroj, C1 cela se vzorkem, C2 srovnvac (rozpou.), SZ rotujc sektorov zrcadlo 10-12 Hz, 1 vstupn trbina, M monochromtor, M1, M2 zrcadla, 2 vstupn trbina, D detektor, E elektronika, SM servomotor, H hebenov clona, R zapisova, MM motor monochromtoru prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 200 Instrumentace IR spektroskopie pstroj pracuje v optick rovnovze monochromtor mky na odraz lep disperze a rozlien ne hranol rovinn konkvn Littrow (zrcadlo za hranolem)

materil hranol: LiF 1800 cm-1, CaF2 1100 cm-1, NaCl 650 cm-1, KBr 380 cm-1, C5Br 250 cm-1, CaI 200-1 (kles rozliovac schopnost) zdroj keramick tyinka - globar (1500C) SiC - Nernst. ty REM oxidy detektory bolometr odporov teplomr Golayova cela pneumaticky, zrcadlo + fotolnek termolnek prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 201 Technika snmn spekter vechna skupenstv PLYNY (10 cm kyvety), pry tkavch kapalin, nastaven tlaku nastaven propustnosti (optimln), nsobn prchod KAPALINY kyvety, 2 oknka distann krouek 1) 2)

KRS, AgCl oknka NaCl, chrnn polymery distann folie (krouek Pb, Al, Ag 0,01-0,1 mm) tak Au rozpoutdla: a) nesm naruovat materil oknek b) nesm reagovat se vzorkem c) mus mt dostatenou propustnost ve zvolenm intervalu vlnot d) nesm ovlivovat spektra ltek e) mus dobe rozpoutt vzorek nejlep rozpoutdla: mal symetrick molekula CCl4, CS2 mal poet absorpnch ps spektra ltek ve vce rozpoutdlech prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 202 Technika snmn spekter koncentrace roztok 5-10% pi tlouce 0,1 mm voda naruuje oknka z halogenid alkal. kov, kyvety pro prci ve vod: AgCl, BaF2, CaF2, slda H2O + D2O 500 4000 cm-1 3)

srovnvac roztok ist rozpoutdlo dvoupaprskov pstroj absorpce < 30 % pro kvantitativn men < 70 % pro kompenzaci PEVN LTKY x rozptyl zen na prach. sticch a) Nujov technika: suspenze vz. + parafin. olej (nujol) cca 5 mg vzorku, tak hexachlorbutadien, 2 destiky z NaCl absorpce NUJOLU: 3030 2860 cm-1 (valenn vib.) CH 1460 + 1374 cm-1 (deforman vib.) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 203 Technika snmn spekter b) Technika vlisk: 1-2 mg vzorku + KBr (spektr. ist) cca 100-200 mg lisovn za vakua transparentn tableta, 500 MPa men proti referenn tablet KBr LISOVN DEFORMACE x PVODN STRUKTURA odstrann vlhkosti 300C, infralampa c) Roztaven tuh ltky: vyhvan kyvety, stanoven, analza POLYMER d) Reflexn technika: pasty, pny, laky, lepidla (nelze rozpustit, lisovat, tavit) - ATR (Attenuated Total Reflection) hel dopadu > mezn hel TOTLN REFLEXE = f () spektrum - MIR (Multiple Internal Reflection) nsobn odrazy prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 204 IR spektroskopie kalibrace

1) 2) 3) vlnot (pra H2O, NH3, CH4, CO2, polystyren, inden, HCl) intenzit definovan zmna intenzity paprsku tlouky kyvety men vzdlenosti mezi interferennmi psy pi prchodu zen przdnou kyvetou vzdlen IR oblast ( < 200 cm-1, ) > 50 m = 10m) vliv absorpce par H2O a CO2 (suen, evakuovn) nkolik mek, mal vlnoty mal rozlien prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 205 Interferometrick spektrometry lep rozlien ve spektru vt ziv energie na detektoru ne mkov pstroj zrcadla:

Z1, Z5, Z6 parabolick Z2 polopropustn Z3 pohybliv Z4 fixn K kyveta + vzorek MICHELSONV INTERFEROMETR fzov posun, dobr pomr S/N spektrum = ziv energie obou paprsk po interferenci v zvislosti na poloze pohyblivho zrcadla FTS, FTIR spektrometry s Fourirovou transformac zdroj zen vysokotlak Hg vbojka detektor: Golayova cela, TGS = triglycinsulftov pyroelektrick bolometr kyveta: polyethylen, polypropylen prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 206 Vyhodnocovn spekter, aplikace

identifikace urovn struktury kvantitativn stanoven organickch ltek IDENTIFIKACE porovnn spekter, knihovny, vpo. tech. pravidlo: je-li ve spektru istho standardu vce absorpnch ps ne ve vzorku, jedn se o RZN LTKY identifikace se smsch je obtn bez pedchozho dlen Spektrometrick neutralizace do srovnvac kyvety roztok se slokou ve vzorku ji identifikovanou pokusn nastaven koncentrace diferenn spektrum postupn zjednoduen spektra prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 207 Vyhodnocovn spekter, aplikace urovn struktury tabulky charakteristickch frekvenc, urit tda ltek charakt. abs. psy na nkolika mstech ve spektru finger print jen intenzivn psy vrazn se projevuj funkn skupiny a strukturn jedn.: , -CC-, >C=C<, -C=O, -C=N, -NO2, -NH2, -OH, - COH, -COOH, -CONH2 jemnj daje:

typ substituce na aromat. kruhu velikost kruhu v cykl. syst. koncov rozvtven alkylu pravidlo: neptomnost psu chasakt. vib. pro uritou strukturn jednotkou = dkaz neptomnosti tto jednotky v molekule vskyt psu char. vib. pro uritou strukturn jednotku v urit oblasti spektra nutn prokzat dle prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 208 Intenzivn spektroskopie absorpn ps je charakterizovn: vlnotem intenzitou absorpce (A integrovan abs. intenzita)

karboxylov sloueniny urovn istoty ltek pouze neistoty s velmi intenzivnmi absorpnmi psy pravidlo: ze 2 vzork ist ten, kter m mn absorpnch ps prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 209 Kvantitativn analza nzk stabilita vysok hodnota nulov linie velk odchylky od Lambert-Beerova zkona zvislost molrnho abs. koeficientu na pstroji a podmnkch metoda kalibran kivky separan metody: GC a LC (jednoduch rozpoutdla) stanoven: v rozvtven polymer v koncovch skupin

studium: kinetiky reakc konformac H-vazeb prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 210 Ramanova spektroskopie zen rozptlen pi prchodu zkoumanou ltkou Raman, Krishnan, Landsberg, Mandeltam rozptyl na malch stekch Tyndalv na molekulch - Rayleighv () se nemn) elastick rozptyl 99 % - Ramanv () se zmn) neelastick (kombinan) rozptyl 1 % Ramanovo spektrum = intenzita rozptlenho zen na vlnov dlce vlnotu

elastick rozptyl prun srka fotonu s molekulou neelastick rozptyl neprun srka fotonu s molekulou: kinetick energie molekuly zachovna mn se vnitn energie molekuly prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 211 Ramanova spektroskopie budc zen pro Ramanovu spektroskopii nepostauje k excitaci elektronickch pechod pouze zmny vibranch a rotanch stav energie pechod je kvantovna je kvant, i vmna mezi fotonem a molekulou pi neelastick srce E E2 0 1 Planck h v0 frekvence budcho zen v frekvence Ramanova zen v Ramanv posun E1, E2 energie rotan-vibranch nebo rotanch hladin prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 212

Podmnky vzniku Ramanova spektra teorie elektrodynamiky: pohyb molekuly spojen se zmnou ELEKTRICKHO MOMENTU DIPLU vede k EMISI nebo ABSORPCI zen IR: p elektrick diplov moment: p p0 x r p0 - el. moment diplu v rovnovn poloze x0 p - efektivn nboj p0 x 0 2 p I IR x 0 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 213 Podmnky vzniku Ramanova spektra RAMAN

svtlo: E EE 0intenzita cos 2Ielektric. pole v frekvence zen indukovan diplov moment: p;i polarizovatelnost E x vchylka vibrace x 0 x x x 0 cos 2 1t Rayleigh pi E 0 x E 0 cos 2t x

0 Raman Raman 1Rayleigh 0 E 0 cos 2t x 0 E 0 cos 2 1 t cos 2 1 t 2 molekula je zdrojem zen , 1, 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 214 Podmnky vzniku Ramanova spektra 1 pi 0 E 0 cos 2t x 0 E 0 cos 2 1 t cos 2 1 t 2 Ram)an Rayleigh Antistokes Stokes podmnka Ramanovy linie jsou pozorovny mn-li se polarizovatelnost,

tj. je-li 0 x x 0 2 intenzita Ramanovch lini je mrn tverci polarizovatelnosti I 0 x x 0 ~0 ~ ~0 ~0 ~ Ramanv posun spektrum = zvislost intenzity Stokes. lini na stupnici Ramanovch posun budic = zkladn linie (linie Rayleighova rozptylu) m vlnoet 0 cm-1 infraervev vibran spektrum absorpce zen Ramanovo spektrum deformace molekul. orbital rozptyl x fluorescence pechody souasn postupn prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 215 Rayleighv rozptyl x Ramanv rozptyl prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 216 Podmnky vzniku Ramanova spektra STOKESOY LINIE ni vlnoet - energie potebn na vyvoln vibrace (shoda s vlnotem abs. ps) ~0 ~ ANTI-STOKESOVY LINIE vy vlnoet - energie, kterou ped excitovn molekula (vibr. pechod) rozptylovmu zen pi pechodu do zkl. stavu ~0 ~ podstatn slab zrcadlov obraz 1 4 intenzita Raman. spekter (plat pro rozptyl obecn) pomr intenzit anti.stokesovch a stokesovch lini 4

h I AS 0 e kT IS 0 anti-stokesovy za normln teploty jen 700 cm-1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 217 Vbrov pravidla 1) p intenzita IR ar x x intenzita Raman. ar x pklad: symetrick a antisymetrick vibrace linern molekuly Y - X symetrick vibrace molekuly s centrem symetrie

0 x 0 x0 amplituda vibrace vibrace aktivn v Ramanov spektru x diplmoment cel molekuly se nemn v IR spektru je tato vib. linie zakzan prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 218 Vbrov pravidla antisymetrick vibrace 2) x 0 v krajnch bodech stejn stavy mol. orb. x mn se diplmoment v IR spektru je tato linie dovolen v Ramanov spektru je zakzan prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

219 Vbrov pravidla aktivita vibrac v Ramanov spektru (a v IR) souvis tedy se symetri molekul RAMAN symetrick vibrace molekula se stedem symetrie alternativn zkaz Ramanova spektra doplnk IR spektra vyuit: studium symetrie molekul p pklad: CO2 Ram. IR s ~1 as ~2 ~3 ~4 ~4 3 0

0 0 0 + - 0 0 0 0 + + + intenzita Ramanovch ps (ar) vka, plocha relativn vyjden standard CCl4 tzv. koeficient rozptylu n prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 220 Plynn skupenstv 2) ROTAN STRUKTURA VIBRANCH PS IST ROTAN RAMANOVA SPEKTRA vbrov pravidla pro rotan pechody 1)

dovolen pechody RAMAN IR J=0 J=0 J=2 J=1 RAMAN 3 vtve rot. 0J=+2 ) krat QJ=0 SJ=-2 del =4B prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 221 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii 4) zdroj laser, Hg vysokotlak vbojka: 253,7; 365,0; 404,7; 435,8; 541,6 nm vzorek (kyveta) kemenn monochromtor (asto 2) detektor fotonsobi (dve fotografick deska) PLYNOV LASER He-Ne (5:1)

1) 2) 3) ) = 632,8 nm pechod 2s2 3p4 m = 10m 3,39 3s2 2p4 0,63 2s2 2p4 1,15 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 222 Plynov laser He-Ne He pomocn plyn

srkov excitace elektrony vboj v plynu excitace na hladiny metastabiln 2 1s a 23s (1 ms) penos energie z He na Ne neprunmi srkami atom atomy He pak do zkladnho stavu Ne blzk excit. hladiny 3s2 a 2s2, kter maj proti hladinm 3p4, 2p4 inverzn populaci ty maj krtkou dobu ivota 10-8s rychle se vyprazduj ba hladinu 1s spontnnm zenm prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 223 Plynov lasery pednost plynovho laseru vysok smrovost zen, neexistuje rozptyl v aktivnm prosted x pevn lasery plynov lasery He-Ne Ar+ Ar+ Kr+ Kr+ 632,8 nm 488,0 nm 514,5 nm 568,2 nm

647,1 nm 80 mW 1110 mW 1000 mW 240 mW 400 mW prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 224 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii lasery pulsn 106 W; 10-8 s stimulovan Ramanv efekt inverzn Ramanova spektra hyper-Raman. efekt kvantov chemie 1) abnormln intenzity 2) zakzan pechody kontinuln analzy 1) chemick 2) strukturn zen laseru:

polarizovan (men depolarizanho faktoru) fokusovateln na malou plochu (mal vzorky 0,05 m = 10l) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 225 Instrumentace pro Ramanovu spektroskopii excitan jednotka: zdroj + vzorek + zrcadla zeslen zen - laseru - Ramanova pomoc zrcadel Z1, Z2 pevn vzorky transmisn men reflexn men lisovan tablety prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 226

Mikrovlnn spektroskopie pouze rotan spektra pouze plynn ltky, velk zedn absorpce VF mikrovlnnho zen ) (mm) (cm-1) v (GHz) E (eV) 0,1-10 100-1 3000-30 0,01-10-4 zdroj: vysokofrekvenn osciltor (klystron) emituje zen monochromatick odpad monochromtor, je laditeln veden zen: dut vlnovod obdlnk. prezu (l=2-10 m) souasn slou jako kyveta se vzorkem detektor: Si nebo Ge detektor osciloskop:

horizontln vychylovac destiky zeslen signl z detektoru vertikln vychylovac destiky asov signl synchronizovan s frekvenc Klystronu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 227 Mikrovlnn spektroskopie vysok pesnost nastaven frekvence (10-4 %) vysok rozlien (105 x vy ne u IR spektroskopie) vkldn el. napt na kyvetu (2000 V) STARKV EFEKT = tpen rotanch lini men diplmoment vyuit: kvantitativn analza: molekula rotuje jako celek ), , v rotanch lini je charakteristick pro d. ltku; vysok rozlien identifikace neznm ltky (spektra standardnch ltek, analza sms) rozlien molekul s rznmi izotopy (35Cl, 37Cl)

men diplmoment Starkovm efektem (t 1% pesnost) uren momentu setrvanosti molekuly ur. mezijadernch vzdlenost (a 0,2 pm = pesnost) a vazebnch hl rozlien rotanch izomer a studium konformace podmnky: plynn skupenstv permanent diplov moment (zmna diplm. pi rotaci = vbrov pravidlo) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 228 Magnetick rezonann spektroskopie absorpce zen z radiofrekvenn, resp. mikrovlnn oblasti spektra vzorkem ve vnjm silnm homogennm magnetickm poli vybuzen - jader - elektron 1) Jadern (nuklern) magnetick rezonann spektroskopie (NMR) 2) Elektronov paramagnetick rezonann spektroskopie (EPR, ESR = Elektron spinov rezonann spektroskopie)

do vych energetickch stav, kter se li od nich stav ORIENTAC SPINU prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 229 NMR spektroskopie PODSTATA NMR SPEKTRA 1) vyuv se magnetickch vlastnost jader atom rotace jdra je charakterizovna momentem hybnosti ps (spin, spinov moment hybnosti) h ps I I 1 2 I jadern spinov kvantov slo, kter zvis na potu neutron a proton v jde a jejich kombinac I (0 6), nsobky nebo nula 0, , 1, 3/2, 2, 5/2, 3, 7/2, 4, 9/2, 5, 11/2, 6

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 230 1) Podstata NMR spektra pravidla (A = Z + N) 1) A = sud, Z = sud I = 0; ps = 0; nemagnetick j. nelze mit NMR spektra 2) A = lich I = , 3/2, 5/2, 7/2, 9/2, 11/2 jsou magnetick 3) A = sud, Z = lich I = 1, (2), 3, (4, 5), 6 jsou magnetick I = : 1H, 13C, 15N, 19F, 31P kulov symetrick rozlo. nboj I 1: nesymetricky rozlo. nboje elektrick kvadruplov moment ps je mechanick moment rotace elektricky nabit stice magnetick pole magnetick moment MAGNETICK MOMENT JDRA ps = Gyromagnetick pomr charakteristick pro jdro ur. izotopu

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 231 Podstata NMR spektra 1) 0 pklady: I = : 1H, 13C, 15N, 19F, 31P I = 3/2: 7Li, 11B, 35Cl, 37Cl, 79Br, 81Br I = 5/2: 17O, 27Al, 127I I = 7/2: 51V, 59Co I = 9/2: 93Nb, 209Bi

g e 2m g faktor spin-orbitln interakce (100) m hmotnost jdra e nboj jdra pouze 6 izotop m I = celmu slu 0: pro 114 stlch izotop vtina z nich m I = lich nsobek I = 1: 2H, 6Li, 14N I = 3: 10B, 105Eu I = 6: 50V izotopy 12C, 16O, 32S magnetick moment NEMAJ prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 232 1) Podstata NMR spektra v neptomnosti vnjho magnetickho pole nahodila orientace

magnetickch moment jednotlivch jader aplikace statickho magnetickho pole: B0 precesn pohyb Larmorova precesn frekvence L 2 L B0 tpen hladin energie E m B0 (energie interakce) E m ps B0 (- minus odpovd ps B0 ps B0 cos snen energie pi souhlasn orientaci z cos a B0 ) p z ps cos nen libovoln, Em je kvantovna

- poet monch orientac je dn magnetickm kvantovm slem mI mI nabv hodnot v rozmez I, (- I + 1), (I 1), I, celkem (2I + 1) hodnot prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 233 1) Podstata NMR spektra (2I + 1) = poet monch orientac a poet hladin Em tpen hladin je analogick Zeemanovu efektu pklad: I = ; 2 hodnoty mI: mI = + , mI = - I = 1; 3 hodnoty mI: 1, 0, -1 E m2 mI 1 2

mI E m1 1) 2) 1 2 sloky ve smru z ( = B0 ) h mI 2 h z mI 2 pz h E m mI B0 2 h E B0 B m1 pro: mI = + (paraleln orientace za 0) je ni hodnota

4 h E B0 B pro: mI = - (antiparaleln orientace za 0) je vy hodnota m2 4 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 234 1) vbrov pravidlo: mI = 1 Podstata NMR spektra pechody mezi - a + jsou ppustn pechody mezi -1 a 0, 0 a +1 jsou ppustn pechod mezi -1 a +1 nen ppustn

energie nutn k pechodu do stavu s vy magnetickou energi se zsk absorpc kvanta elmag. zen s energi rovnou energet. rozdlu mezi dvma stavy h pro I 12 h E E m 2 E m1 B0 B0 2 2 B0 L srovnme s L 2 tj. jdro v magnetickm poli absorbuje elektromagnetick zen o pesn stejn frekvenci, jako je LARMOROVA frekvence precesnho pohybu ob frekvence mus bt v rezonanci prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 235 1) Podstata NMR spektra elektromagnetick zen radiofrekvenn (vysokofrekvenn) magnetick pole B1

vektor magnetick indukce B1 kolm na vektor B0 elmag. ind. stat. pole nastv nuklern magnetick rezonance prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 236 1) Podstata NMR spektra prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 237 Magnetick vlastnosti jader atom B01T IZOTOP PRODN ZASTOUPEN (%) H 2H 10B 11B 12C 13C 1

99,99 0,01 18,83 81,17 98,89 1,11 I 1 3 3/2 0 MAGNET. MOMENT (A.m2.1027) REZONANN FREKVENCE (MHz) REL. CITLIVOST vzta. na 1H 42,58 6,54 4,58 13,66 10,70 1 1,5.10-6

14,11 4,33 9,09 13,58 0 3,55 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 0,13 1,8.10-4 238 Men NMR ply supravodivho magnetu n. elektromagnetu B0 se mn kolem rez. podmnky L B0 pi konstantn frekvenci vL pole B1 pi splnn podmnky rezonance je vzorkem absorbovna energie oscilujcho magnet. pole B1 velikost absorpce se registruje jako zmna napt v dal pijmac cvce kolm na osu magnetu i na osu cvky s RF polem

spektrum: signl = f (B0) [T] v zvislosti na ase prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 239 Men NMR R B0 zvislost rezonann frekvence vR nkterch jader na indukci vnjho mg. pole B0 gyromagnetick pomr = smrnice v silnjch polch je teba vych frekvenc lep rozlien v praxi se zpravidla nem signly jader vech izotop, ale jen jednoho sleduj se zm)ny rezonann frekvence danho jdra v zvislosti na struktue molekul, seskupen atom trendy vrobc k vym frekvencm pro men 1H: MHz, v

T, B0 40 0,94 60 1,41 80 1,88 100 2,35 220 5,17 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 240 Men NMR nzk energie kvantovanch stav a pechod mezi nimi absorpce v energeticky chud RF oblasti rozdlen potu jader mezi rzn energ. hladiny BOLTZMANN N2 g 2 h B0 E g 2

exp exp N1 g 1 kT g 1 2kT laboratorn teplota molekuly a atomy v zkladnm stavu vibranm i elektronickm X jdra piblin stejn poet v zkladnm i excitovanm stavu N1 N2 1000008 jader 1H v zkl. stavu 1000000 1H v excit. stavu pravdpodobnost pechodu B1 s rostouc B1 kles N = N2 N1 po pekroen urit hodnoty B1 N2 = N1 = nasycen vymizen signlu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 241 Men NMR dlouh doba ivota excit. stavu zk linie pina: mal pechodov pravdpodobnost do zkl. stavu pi vyzen

h.v HEISENBERGV PRINCIP teoretick poloka = 0,0X Hz, praktick = 0,X Hz je limitovna homogenitou magnetickho pole B0 ivotnost = relaxan as, neziv pechody do zkl. stavu = relaxan pechody 1) 2) SPIN MKOV RELAXACE SPIN SPINOV RELAXACE prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 242 Spin - mkov relaxace MKA = okol pozorovanho jdra (atomy, molekuly) mstn promnliv fluktuujc magnetick pole (dsledek pohybu nboje) EXCITOVAN JDRO pedv energii mce v ppad, e v mstnho pole LARMOV frekvenci

odevzdan energie teplo doba trvn = spin-mkov relaxan as T1 (v sekundch) pevrcen hodnota rychlostn konstanty viskozita kapaliny (rozpoutdla) nzk T1 (sekundy) zk ry vysok T1 (zkrcen) rozen ar prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 243 Spin - mkov relaxace PARAMAGNETICK LTKY (neprov elektrony), nap. O2 diradiklov molekula, pokles T1 evakuovn vzork

odstrann O2 probublvn inertnm plynem dal piny zkracovn T1: interakce jad. spin s jdry, kter maj kvadruplov moment (I 1) rozen lini 1H vzanch na 14N prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie N 14 244 Spin - spinov relaxace jdro v excitovanm stavu ped energii jdru stejnho druhu v zkladnm stavu (vymn si orientaci spinu), nemn se N1/N2, zkracuje se doba ivota excitovanho stavu spin spinov relaxan as T2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

245 Chemick posun 2) men spekter NMR za podmnek, kdy rezonance a absorpce JEDNOHO DRUHU JADER 1H-NMR 13C-NMR 19F-NMR spektra vhoda neprojev se signly jinch jader snadnj interpretace mnme podmnky v zkm rozmez H-NMR spektra 100 MHz 1 kHz 19F-NMR spektra 94,08 MHz 1 rezonann frekvence jader tch izotop se pi stejnch podmnkch men li podle typu sloueniny (zpsob vazby, povaha sousednch atom. skupin) monosti strukturn analzy

zvislost vR na struktue okol jader = chemick posun prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 246 Chemick posun 2) pina: msto B0 psob mstn pole Bm B0 elektrony v obalu v magnetickm poli proudy sekundrn slab mag. pole stn jdro Bm B0 B0 B0 1 = stnc konstanta - nezvis na B0 - zvis na struktue molekuly pro vyvoln rezonance je proto teba psobit B,0aby Bse

s indukc pekonal vliv stnn 0 vt el. hustota vt stnn tm vt B0 (v = konst.) tm vt v (B0 = konst.) polem el. hustota v okol jdra je sniovna elektronegativnmi skupinami v sousedstv jdra -SO3H, -COOH, -COR, -COOR, -OR, -OH, halogeny prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 247 2) elektronegativn skupina sniuje stnn = ODSTIUJ jdro 1) Chemick posun

sniuje B0 potebnou k vyvoln rezonance sniuje v potebnou k vyvoln rezonance tzv. DIAMAGNETICK EFEKT prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 248 2) Chemick posun STNN MAGNETICKY ANIZOTROPNMI SKUPINAMI zeslabovn nebo zesilovn B0 mstnmi sek. poli tvoenmi indukovanmi proudy -el. systmu benzen, aromty nejsilnj efekt protony pmo vzan na aromatick jdro souhlasn smr B0 a induk. sek. pole ODSTNN rez. pi ni B0, v 2) BENZEN 1H signly pi nich B0, v ne v nasycench, olefinickch a acetylenickch sloueninch X je-li 1H nad stedem benzenovho jdra zde B0 a sek. pole zven stnn zven vR, B0

ACETYLEN orientace v magnet. poli: osa CC je paraleln s B0 cirkulace elektron mezi orbitaly sek. mag. pole v okol 1H je orientovno B0 vysok stnn zven vR, B0 > ne u olefinickch proton prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 249 2) Chemick posun IZOLOVAN DVOJN VAZBA indukuje se cirkulace elektron uvnit orbitalu, dvoj. vazba je kolm na B , sek. magent. pole psob v mst olefin. 1H 0 souhlasn s B0 odstnn 1H snen vR, B0 ST ppm VZ 10 6 OS

rozdly rezonannch frekvenc velmi mal ( 10-5) absolutn men 1:109 nen mon u B0 , v relativn men provediteln u frekvence standard chemickho posunu TETRAMETHYLSILAN 12 ekvivalentnch 1H siln stnno elektrony jedin ostr signl pi vysok hodnot frekvence prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 250 2) Chemick posun (ppm) pars per million 10-6 pklad: 60 MHz spektrometr, signl 1H -CH3, vzan na karbonylu methylethylketonu CH3 - C - C2H5 je pi frekvenci o 130 kHz ni ne u TMS: O ST 130 6 ppm VZ 10 6 10 2,17 ppm 6

OS 60 10 zven frekvence na 100 MHz v = 217 kHz ppm = 2,17 ppm TMS = 0, mn stnn protony > TMS vce stnn protony < TMS stupnice = 10 (dve pouvan) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 251 3) Intenzita rezonannch signl je mrn potu jader a nezvis na chemickm okol pomr intenzit signl s rznm chemickm posunem udv pomr potu jader danho atomu (izotopu) v rznm chemickm okol B02 3 I I 1 S konst. N T

intenzita plocha pku Integrln kivky H spektrum nzk rozlien 1 odlinost NMR od UV, VIS: intenzita signlu ne jako propustnost nebo absorbance, jen pomrn slo prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 252 4) tpen NMR-signl, spektra 1. du MULTIPLETY SPIN-SPINOV INTERAKCE efektivn magnetick pole v mst jdra je ovlivnno: 1) stnnm elektrony chemick posun 2) nepmou spin-spinovou interakc prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 253

4) tpen NMR-signl, spektra 1. du spin-spinov interakce = interakce jadernch spin sousednch jader prostednictvm valennch elektron slab polarizace el. orbital B B0 B0 Bm opan orientace efektiv. mag. pole oslabeno (-Bm) absorpce pi vy B souhlas. orientace ef. mag. pole zesleno (+Bm) absorpce pi ni B ob orientace sousednho jdra (I = ) jsou stejn pravdpodobn abs. signl roztpen na 2 pky DUBLET symetrick podle B0 B0 , J 2 JA-X interakn konstanta (Hz) nezvis na B0 a v podmnka tpen: 1) 2) rzn atomy nap. H, F stejn izotopy v rznm chemickm strukturnm okol tzv. neekvivalentn jdra

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 254 4) tpen NMR-signl, spektra 1. du jsou-li pozorovan a sousedn jdro ekvivalentn SINGLET 1 jdro + 2 neekvivalentn sousedn jdra Bm1, Bm2 n jader r 2n multiplet pky o stejn intenzit ovlivnn jadernch spin je NEPM = pes valenn elektrony a jejich spiny poet vazeb, kter z prostedkuj spinspinovou interakci se udv prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 255 4) tpen NMR-signl, spektra 1. du

1 jdro a 2 ekvivalentn sousedn jdra Bm pklad: methylov protony vliv 2 methylenovch v CH3CH2OH stav s nulovm pspvkem je 2x vznamnj (pravdpodobnost) 1 jdro a 3 ekvivalentn sousedn jdra pklad: methylenov protony vliv 3 methylovch v CH3CH2OH prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 256 4) tpen NMR-signl, spektra 1. du pravidla: 1) 2) 0 multiplicitch - N ekvivalentnch proton psob na dan proton; maj odlin

chemick posun od ovliv. jdra; ovlivnn proton dv N+1 lini multipletu (I = ); obecn pro I je poet lini 2NI+1 0 pomru intenzit - relativn intenzity v multipletu pomru koeficient binomickho rozvoje: (x+1)N 1 1 : 1 : 4 1 : 5 : 3) 4) 1 : 1 : 2 : 1 3 : 3 : 1 : 6 : 4 : 1 10 : 10 : 5 : 1 DUBLET TRIPLET KVARTET KVINTET SEXTET N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 vzdlenosti sousednch lini uvnit danho multipletu jsou shodn a J - interakn konstanta chemick posun - odpovd stedu multipletu prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

257 tpen NMR-signl, spektra 1. du 4) podmnky platnosti pravidel o multiplicit a intenzit lini: rozdly chemickch posun signl vzj. ovliv. jader >> interakn konstanta J 10 Hz J ovlivuj-li se vzjemn 2 skupiny spin (A, X), mus vechny spiny skupiny A reagovat stejnm zpsobem se spiny skupiny X interakn konstanta JA-X mus bt stejn pro vechny dvojice jader A a X a) b) je-li splnno a) i b) SPINOV SYSTMY 1. DU NMR spektra 1. du spinov systm = soubor magneticky aktivnch jader v molekule, izolovan od mag. akt. jader ve zbytku molekuly popis spinovch systm A Z; vzdlenost jader vzdlenost v abeced

sousedn A, B, C, K, L, M X, Y, Z vzdlen A, M A, M, X, prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 258 4) tpen NMR-signl, spektra 1. du pklad: 3 skupiny jader, v rmci jedn skupiny jsou jdra IZOCHRONN, tj. maj stejn chemick posun 3 protony AMX JA-M, JA-X, JM-X ETHANOL CH3CH2OH AM2X3 JAM = 5,0 Hz JMX = 7,2 Hz JAX = 0 Hz prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 259 Spinov systmy vych d nejsou splnny podmnky:

1) 2) spektra: 1) 2) 3) 4) 5) dostaten rozdl chemickch posun rovnost interaknch konstant vt poet lini ne 2NI+1 linie nejsou rovnomrn rozmstny pomry intenzit se ned koeficientem binomickho rozvoje chemick posun nemus odpovdat stedu multipletu nelze odetat pmo chemick posuny ani interakn konstanty (nutn kvantov chemick vpoty) 20 - neplat pravidlo o intenzit lini (zcela pesn) J 6 - pestv platit pravidlo o potu lini J prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 260 Zjednoduovn spekter vych d 1) 2) men pi vy B0 nebo v princip: s rostouc B0 se J nemn roste J odstrann spin-spinovch interakc SPINDECOUPLING dvojnsobnou rezonanc princip: psobenm dodatkovho magnetickho pole B1 radiofrekvennho, s frekvenc rovnou vR jdra (A) nebo skupiny jader A, jejich interakce s ostatnmi studovanmi jdry (X) chceme odstranit dodatkov pole rychl pechody oscilace mezi rz. energ. stavy spin jader A jdra X nezachyt rzn orientace spin A, jen prmr odstrann projev interakc

SPIN-SPINOV INTERAKCE: stabiln orientace spin t = 1/J DECOUPLING odstrann spin-spinov interakce mezi jdry stejnch i rznch izotop, vznam pro jdra s kvadruplovm el. momentem (odstrann rozen signl sousednch jader) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 261 Zjednoduovn spekter vych d pouit posuvovch inidel tvorba komplex PVZ 3) PVZ paramagnetick vznik adukt s organickmi molekulami posun vR skupin proton v zvislosti na vzdlenosti: ON PVZ protony v urit skupin peveden multiplet s pekrytmi signly na jednoduch multiplety (i 1. du) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 262 Vliv chemick vmny na NMR-spektra ptomnost aktivnch = kyselch proton na heteroatomech (O, N, S: COOH, -OH, -SH, -NH, -NH2) rychl vmna H+ mezi molekulami stdn proton s opan orientovanmi spiny prmrn uspodn

1) 2) pklad: H+ z OH- skupiny CH3CH2OH zjednoduen vlivu H+ z OH na methylenov vodky -OH singlet, -CH2- kvartet (jen vliv H z CH3) chemick vmna i mezi rznmi molekulami (sms ltek, neistoty) prmrn spolen absorpce pi chemickm posunu, kter je uren chem. posuny kyselch proton ltek ve smsi a (%) zastoupenm D2O rozpoutdlo vmna H+ za D+ jin posun identifikace kyselch vodk prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 263 Vliv chemick vmny na NMR-spektra -diketony, -ketoestery (existuje keto-enol tautomerie), pomal vmna H+ mezi formami ve spektru signly obou forem 3) kvantitativn vyhodnocen pomru signl procentov zastoupen konforman izomery

4) a) b) nap. cyklohexan odlin chem. posuny axilnch a ekvatorilnch proton podle rychlosti vmny lze nalzt bu signly konform. izomer nebo prmr brzdn rotace neekvivalentn H na methylech voln rotace jedin signl Hax > Hekv (Hax Hekv) = + 0,1 a +0,7 ppm lze stanovit pomoc NMR rychlostn konstanty prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 264 Instrumentace a pracovn technika 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)

zdroj RF pole B1 (v) magnet B0 kyveta + vzorek detektor zazen pro zmnu v nebo B0 registrace signlu (zapisova, integrtor) pota vtina pstroj: v = konst.; B0 = promnn (1H-NMR) ad 2) permanentn magnety, elektromagnety se eleznm jdrem, supravodiv solenoidy chlazen kap. He zmna B0 - plov nstavce (cvky s jdrem) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 265 Instrumentace a pracovn technika homogenita magnetickho pole stabilita frekvence RF osciltoru krystal kemene (termostatovn)

dleit pro vysok rozlien (0,1-0,5 Hz) pesnost B0 1.109 opracovn ploch nstavc, nastaven jejich polohy vysok rozlien vzorky vlcov sklenn kyveta 150 x 5 mm (1 mm) umstn v soud rotace vzduchovou turbnou 50-60 Hz sten eliminace nehomogenity magnetickho pole prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 266 Instrumentace a pracovn technika detekce rezonance 1) 2) m)stkov m)etoda m se zmna indukce, ke kter dochz pi rezonanci pmo v cvce emitujc RF zen indukn m)etoda (metoda zkench cvek), dal cvka kolm na B1 i B0 vzorky

neviskzn kapaliny, 5-10%-n roztok kapalin a tuhch ltek (30-50 mg, pro mikro 2-5mg) rozpoutdla 1) 2) 3) nemaj obsahovat protony dobr rozpustnost vzork inertn CCl4, D2O, CDCl3, CD3COCD3, C6D6 chemick posuny zvis sten na pouitm rozpoutdle standardy 1) tetramethylsilan Si(CH3)4 b.v. 26C 2) hexamethyldisiloxan (CH3)3Si-O-Si(CH3)3 = 0,06 3) 2,2-dimethyl-2-silapentan-5sulfonan sodn pro vodn roztoky, = 0; prof. Viktor Kanick, Molekulov

spektrometrie 267 Instrumentace a pracovn technika vyhodnocovn spekter 1) 2) 3) pouit 1) 2) 3) 4) poet singlet a multiplet poet neekvival. H+ pomry integrovanch intenzit pomry potu H+ v jednotlivch skupinch poloha singlet a stedu multiplet charakteristika, identifikace skupin strukturn analza 1H a 13C NMR identifikace ltek kvantitativn analza smsi stanoven molekulovch hmotnost irokopsmov NMR- pevn ltky prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

268 Elektronov paramagnetick rezonance (Elektronov spinov rezonance) metoda objevena roku 1945 pi absorpci energie dochz k pechodu mezi energetickmi hladinami odpovdajcmi rznm orientacm spinu neprovch elektron m se pechody mezi rznmi kvantovanmi energetickmi stavy elektron ve vnjm magnetickm poli frekvence = GHz, (B0 = 0,33 T; vR = 9,2 GHz) podmnka vzniku spekter - neprov elektron v molekule: radikly radiklionty molekuly v excitovanm tripletovm stavu: prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

269 Elektronov paramagnetick rezonance spinov magnetick moment s e s s 1 m z 1 2 2 e - gyromagnetick pomr orbitln magnetick moment o e L L - vektor orbit.mom. hybnosti celkov magnetick moment e e J g e J

e e 2me J - vektor celk.mom. hybnosti vyjden pomoc Bohrova magnetonu B g e - LANDHO faktor spin-orbit.interakce 2,00232 e 9,273 10 24 A m 2 2me e B g e J prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 270 Elektronov paramagnetick rezonance energie interakce elektronu s polem obecn: E B0 E e J B0 pro elektron energie neroztpen hladiny

E E 0 e m z B0 mz - magnetick spinov kvant. slo mz - + zkladn stav mz - - excitovan stav E E exc E zkl 1 g B B0 1 g B B0 g B B0 2 2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 271 Elektronov paramagnetick rezonance E h g e B B0 - rozdl mezi hladinami energie neprovho elektronu, roztpenmi v magnetickm poli faktor spin-orbitln interakce (Landv faktor) m v EPR podobn vznam jako chemick posuny v NMR E, N (rozdl energi zkladnho a excitovanho stavu, rozdl populac) je mal, ale VT ne u NMR mikrovlny (cm)

m = 10B je stejn pro vechny elektrony nejsou rozdly v energii pechodu spinu v blzkosti rznch jader nepozorujeme vliv struktury na energii pechod x NMR (neprov elektron na vnj sti molekuly nen stnn) prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 272 Signl EPR jedin signl neprovho elektronu superpozice EPR signl vce neprovch elektron spinov interakce neprov elektron x jdra magneticky aktivn H vzjemn interakce mezi neprovmi elektrony v te molekule tpen signl - jako v NMR:

neprov eletron - spinov interakce s N jdry (magneticky ekvivalentnmi) 2N + 1 lini I = spinov kvantov slo jdra atomu, s nm neprov elektron interaguje, I = pro H intenzita signlu - pomry lini BINOMICK ROZVOJ prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 273 Elektronov paramagnetick rezonance velikost interakce konstanta hyper jemnho tpen ax interakn konstant v NMR ax roste s klesajc vzdlenost neprovho elektronu od jdra X rozloen pravdpodobnosti vskytu neprovho elektronu na uritm mst molekuly-radiklu (spinov hustota) identifikace radikl v koncentraci 10-11-10-12 mol.l-1 vyuit: men lze provdt v kapalnm, plynnm i pevnm skupenstv sledovn volnch radikl (elektrochemie, fotochemie)

biologick materily molekuly sorbovan na povrchu aktivnch ltek radikly pi destrukci materil elektronov struktura pechodnch prvk a organokovovch slouenin (heterogenn katalza, biochemick a biologick aplikace) defekty v krystalovch mkch prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 274 Instrumentace EPR 1) 2) 3) 4) zdroj zen - klystron - mikrovlny 27-35 GHz, konstantn frekvence zdroje magnet - indukce 1,5-5 T (promnn) vlnovod - vede zen ze zdroje do mic sondy ke vzorku a pak na krystalovou diodu - detektor

zesilova zapisova, osciloskop mic cely ve form reaktor produkce radikl udren konstantn hladiny; zven ivotnosti nzk teploty (77 K) pesn hodnoty G-faktoru radikl: standard (DPPH) = 2,0036 N,N-difenyl-N-pikrylhydrazyl prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 275 Metody zaloen na zmn smru zen a sten roviny polarizovanho svtla INTERFEROMETRIE REFRAKTOMETRIE POLARIMETRIE refraktom)etrie men refrakce smsi methanolu a ethanolu geometrick optika

index lomu SNELLV ZKON - hel dopadu - hel lomu v 1 sin n v1 rychlost en svtla v prosted 1 v 2 sin v2 rychlost en svtla v prosted 2 relativn index lomu n12 z 1 do 2 n12 1 n 21 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 276 Refraktometrie c absolutn index lomu N 1 c 2,997925 10 8 m s 1 v c rychlost svtla v vakuu N = f (hustoty ) = f (sloen, c) N - aditivn x monost vyuit pro kvalitativn analzu n12 NK index lomu (abs.) kapaliny c v1 N1 N 2 sin N 2

n12 c v2 N1 sin N1 N2 NS abs. index lomu skla max mezn hel sin max Nk Ns N k N s sin index lomu elektronov polarizace N f ,T , r relativn permitivita N 2 r r m = 10 2 r relativn permeabilita N r r 1 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie sin 1 N k N s 277 Refraktometrie

refrakce - vztah mezi hustotou a indexem lomu (Lorenz-Lorentz) specifick (mrn) refrakce R [cm .g ] N2 1 R N2 2 molrn refrakce RM [cm3.mol-1] N2 1 M RM 2 N 2 3 M molrn hmotnost -1 specifick refrakce m aditivn charakter men sloen sms (sloen sms lze vyjdit objemovm, hmotnostnm nebo molrnm zlomkem) disperze

mrn disperze molrn disperze rF rC R mF R mC rozdl mrnch refrakc pro 2 vlnov dlky; F,C ry vodkovho spektra, F 486,1 nm, C 650,3 nm n F2 1 nC2 1 2 2 n 2 nC 2 F refrakce a disperze studium struktury organickch molekul prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 278 Refraktometrie

vhody: jednoduchost rychlost mal spoteba vzorku pesnost index lomu zvis na: frekvenci zen n v teplot (t) n n 1 t t n500, nD n D25 - sodkov dublet 25C tlaku (plyny)

pepoet na normln podmnky prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 279 Refraktometry PULFRICHV 1) nem kompenzaci disperze (nutn monochromatick svtlo) lze mit index lomu i optickou disperzi zdroj zen, kondenzor, clonka, lmav hranol, kyveta, dalekohled, nastaven hlu hrub + jemn 0,05 dalekohled osten na svteln rozhran (mezn hel) n nH2 sin 2 nH - index lomu hranolu - hel lomu pesnost 10-5 jednotek indexu lomu t = 0,05 - 0,1 C prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie

280 Refraktometry ABBEHO 2) m kompenztor optick disperze lze pout polychromatick zdroj svtla pesnost 10-4 jednotek n, 0,1 C irok rozsah 1,30-1,70 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 281 Refraktometry PONORN (ZEISS) 3) lomn hranol a dalekohled maj nemnnou polohu sada 10 hranol pro zk oblasti index lomu, celkov rozsah n = 1,325 a 1,647 empirick stupnice v okulru odeet dlk

rozhran nalezen indexu lomu dle tabulek pro pslun hranol prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 282 Refraktometrie men pevnch ltek neprhledn v odraenm svtle prhledn v kapalin s velkm indexem lomu monobromnaftalen n20 = 1,6582 1) 2) podmnka pesnosti konstantn teplota temperan plt hranol ultratermostat 0,01 C - 60C +1 methanol + 1, + 99C destilovan voda + 99, + 150 C glycerol

prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 283 Refraktometrie aplikace sacharosa suina v cukernch vch a roztocch, marmeldy, sirupy, mslo, rostlinn a ivoin tuky (suina) kontrola istoty ltek (org. rozpoutdel) binrn smsi (metoda kalibran kivky) MeOH, H2O dvouslokov roztoky zmna indexu lomu s koncentrac ternrn smsi rozpoutdel (trojhelnkov diagramy) (MeOH, EtOH, H2O) pH, hustota 1) zmit hustotu 2) zmit index lomu 3) v troj. diagramu nalzt prsek

odest sloen a diferen men urovan komponenta v roztoku zreaguje, reakce mus bt spojena se zmnou indexu lomu; mn se n ped reakc a po n; rozdl mezi teoretickou hodnotou nv a namenou nn je mrn koncentraci urovan ltky c x k n k n n nv prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 284 Refraktometrie p 100 p R2 100 100 napklad: R R1 A R1, R2 - specifick refrakce istch sloek, R - smsi, - hmotov procento 1. sloky ve smsi linearita plyne z aditivity - jen v idel. smsch lze kalibrovat i pmo v indexu lomu: N N11 N 2 1 1 1 objemov zlomek

p hustota se ur pyknometricky t m 0 * * m0 t - hustota m. kapaliny (smsi) pi teplot t (20C) 0 - hustota dest. vody (20C) * - hustota vzduchu (20C) m, m0 - hmotnost m. kapaliny/vody v pyknometru oven experimentln zskanch hodnot R pro smsi vpotem podle (A) zvislost R = f(p) graficky srovnat teoretick hodnoty RM pro EtOH a MeOH z atomovch refrakc s namenmi hodnotami prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 285 Polarimetrie polarizace svtla (MALUS 1808)

korunov sklo N = 1,52 = 57 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie svtlo - pn elektromagnetick vlnn polarizace odrazem kmitn jen v rovin kolm k rovin dopadu polarizovan svtlo kmity v jedinm smru polarizan rovina je kolm k rovin kmitn je to rovina dopadu svtlo je polarizovno v rovin dopadu 286 Polarimetrie pln polarizace jen pi uritm hlu dopadu = polarizan hel BREWSTERV ZKON svtlo odraen pod Brewsterovm hlem bude linern polarizovan v rovin kolm k rovin dopadu 2

sin N sin tg N sin sin cos 2 prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 287 Polarimetrie dvojlom) svtla (E. Bartholinus 1670) islandsk vpenec paprsek se pi prchodu dl na 2 paprsky dn (o) plat Snellv zkon mimodn (e) neplat Snellv zkon optick osa krystalu paprsek se nedl rovina uren paprskem a optickou osou = hlavn rovina paprsky o i e jsou polarizovny:

o polarizovn v rovin hlavnho ezu e polarizovn v rovin kolm k hlavnmu ezu ABCD rovina hlavnho ezu dvojlom anizotropnost prosted N0 < N e N0 > N e prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 288 Polarimetrie interference o a e po vstupu: stejn frekvence, ale fzov posun: a) b) ve fzi nebo v opan fzi linern polarizace stl polarizan rovina obecn fzov rozdl polarizan rovina se ot interference eliptick polarizace k 1, 2, 3,... kruhov polarizace: drhov rozdl 2k 1

4 tvrtvlnov destika, rovnomrn oten s frekvenc svtla DICHROISMUS jeden z obou paprsk vzniklch dvojlomem se vce v danm prosted pohlcuje (turmalin) zskvn polarizovanho svtla prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 289 Polarimetrie rotan polarizace (Arago 1811) Fresnel: linern polarizovan svtlo se v opticky aktivn ltce rozkld na 2 opan kruhov pol. vlny - rzn rychlost - skld. diferenn metoda: zpsobena opticky aktivnmi ltkami: je to sten polarizan roviny linern polarizovanho svtla ltky pravo- a levotoiv (asymetrick uhlk) c - koncentrace, l - dlka drhy (opt.), s - specifick otivost s l c

srec titrace stanoven vysrench iont (bod ekvivalence) extrakn metody vytepn ltky do jinho rozpoutdla studium struktury molekul molekulov refrakce = atomovch refrakc + inkrementy (= vazebn pspvky v tabulkch) vypotench a namench hodnot mrn nebo molrn disperze studium anorganickch komplex v roztocch a dj: solvatace iont, disociace, asociace, fzov rovnovhy, chemick kinetika prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 290 Interferometrie men rozdlu index lomu mezi znmm a neznmm prostedm, vyuv se ohyb a interference svtla na trbin interferenn psy svtl a tmav pruhy prchod svtla prostedmi o rznm indexu lomu rozdln opodn paprsk posun interferennch ps mrn rozdlu indexu lomu interferometr

zdroj kolimtor dvojit svisl trbina 2 kyvety kompenzan zazen dalekohled kyveta zasahuje do poloviny vky trbiny kad ze svazk interferovanho zen se rozdl na 2 kompenzace posunu stanoven CH4, CO, CO2, dln plyny prof. Viktor Kanick, Molekulov spektrometrie 291

Recently Viewed Presentations

  • Title III &amp; Allowable Expenditures

    Title III & Allowable Expenditures

    Reasonable: Activity does not exceed that which would be incurred by a prudent person under the circumstances prevailing at the time the decision was made to incur the co What is? Allocable : A cost is allocable to a cost...
  • Introduction to Health Level Seven (HL7) Version 2.5

    Introduction to Health Level Seven (HL7) Version 2.5

    HL7.org. About HL7. Founded in 1987, Health Level Seven International (HL7) is a not-for-profit, ANSI-accredited standards developing organization dedicated to providing a comprehensive framework and related standards for the exchange, integration, sharing, and retrieval of electronic health information that supports...
  • Exam 2: Areas, perspectives, and debates AREAS: There

    Exam 2: Areas, perspectives, and debates AREAS: There

    Answer the following questions: Explain how any one core study can be considered to be located within the area of social psychology. (5) Explain how any one core study can be considered to be located within the area of biological...
  • St. Mary&#x27;s County Recreation &amp; Parks Department

    St. Mary's County Recreation & Parks Department

    St. Mary's County Gymnastics Center. Leased space on Great Mills Road. Great Mills Swimming Pool. Year round facility. Operating both recreation & competitive programs for over 600 participants. Open for birthday parties & private rentals. Classes & competitive practices are...
  • Diapositivo 1 - International Labour Organization

    Diapositivo 1 - International Labour Organization

    Assumed as a public problem: - Difficulties in financing social security - obstacle to the European social model of full employment / productivity at work/ quality of life/ social cohesion Unfair competition. substitution effect: for each undeclared worker there is...
  • The Medium Access Sublayer - unisi.it

    The Medium Access Sublayer - unisi.it

    Proxy server Summary: Repeaters, Bridges, Routers, Gateways The distinction lies mainly in the "highest" layer at which each operates. Although this terminology is fairly standard, and the preferred common usage, the term "gateway" is sometimes used in the Internet community...
  • ENGR100: Rube Goldberg Machine Competition

    ENGR100: Rube Goldberg Machine Competition

    ENGR100: Rube Goldberg Machine Competition Wei-Chih Wang ... the original rube Goldberg competition in Purdue) The MOUSETRAP game is a good example of a Rube Goldberg contraption! ... and test a series of simple machines which act in a chain...
  • Zwei-Schwerter-Lehre

    Zwei-Schwerter-Lehre

    Der Sachsenspiegel ist in vier Bilderhandschriften sowie insgesamt ca. 460 Texten und Fragmenten überliefert. 3.1.2. Zum Inhalt des Sachsenspiegel Der Sachsenspiegel umfasst zwei Rechtsbereiche, das Landrecht (LDR) und das Lehnsrecht (LNR). Die Aufteilung des LDR in drei Bücher fällt ins...