Infrarot-Spektroskopie (IR)

Präsentation zum Thema: "Infrarot-Spektroskopie (IR)"—  Präsentation transkript:

1 Infrarot-Spektroskopie (IR)
Infrarotes Licht regt Moleküle zur Schwingung (und Rotation) an. Die Bindungen absorbieren Licht bei bestimmten, für sie charakteristischen Frequenzen. Die folgende Präsentation entspricht den Teilkapiteln bis aus dem Buch „Chemie erleben“ (Wawra/Dolznig/Müllner). Da die Texte teilweise übereinander gelegt sind, muss man im Power-Point auf schalten, um alle Texte und Animationen sehen zu können. Viel Vergnügen. Edgar Wawra Bildschirm-Präsentationen Man kann das mit einem Musikinstrument vergleichen Je nach Länge und Spannung gibt jede Saite einen bestimmten Ton = eine bestimmte Frequenz Am Beispiel von Kohlendioxid sieht das etwa so aus: Im infraroten Bereich hat daher jeder Stoff ein anderes Spektrum. Man verwendet diese Methode, um einen Stoff zu charakterisieren oder um Verunreinigungen eines fremden Stoffes festzustellen.

2 Man kann aus den Schwingungen auf die Art der Bindungen und weiter auf die Struktur des betreffenden Moleküls schließen. Das ist etwa die Situation von jemanden, der aus den Tönen eines Musikinstrumentes dessen Konstruktion errechnet, ohne das Instrument selbst gesehen zu haben.

3 Ein Infrarot-Spektrometer sieht zum Beispiel so aus:

4 Man kann die beobachteten Frequenzen bestimmten Bindungen zuordnen
Frequenz Bindung C C und C C C C > C Aldehyde, Ketone, Ester < C Säureamide Fingerprintbereich cm-1 H2N H3C , -CH2 nichts passt nicht

5 Infrarot-Spektroskopie (IR)
Raman-Spektroskopie Laser-Licht wird eingestrahlt und das Streulicht untersucht. Etwas vom Streulicht trat mit dem Stoff in Wechselwirkung und verschob dabei seine Wellenlänge um einen Betrag, der der Schwingungs-energie entspricht. Infrarot-Spektroskopie (IR) Infrarotes Licht regt Moleküle zur Schwingung (und Rotation) an. Die Bindungen absorbieren Licht bei bestimmten, für sie charakteristischen Frequenzen. Das ist bei z.B. bei dieser Schwingung nicht der Fall, sie ist daher im Infrarot unsichtbar. d- d+ d- Mit Raman bestimmt man gerade die Schwingungen, die im Infrarot nicht nachweisbar sind. Damit eine Schwingung im Infrarot absorbiert, muss sich bei dieser Schwingung die Ladungsverteilung im Molekül ändern. Da der apparative Aufwand groß ist, wird Raman-Spektroskopie nur in speziellen Fällen angewendet.

6 Massenspektrometrie (MS)
Dafür wird die Probe verdampft und mit Elektronen hoher Energie beschossen. Diese schlagen aus den Molekülen der Probe ebenfalls ein Elektron heraus, sodass positiv geladene Ionen zurückbleiben. M ———> M+

7 Massenspektrometrie (MS)
Dafür wird die Probe verdampft und mit Elektronen hoher Energie beschossen. Häufig kommt es dabei vor, dass das Molekül zerbricht. Diese schlagen aus den Molekülen der Probe ebenfalls ein Elektron heraus, sodass positiv geladene Ionen zurückbleiben. Dann haben wir geladene Bruchstücke.

8 Nun wird das Ion in einem elektrischen Feld beschleunigt, und in einem anschließenden Magnetfeld abgelenkt. Natürlich werden dabei kleinere (leichtere) Ionen stärker abgelenkt, als größere (schwere), sodass man eine Auftrennung in die verschiedenen Ionengrößen erhält. Man kann dann direkt deren relative Molekülmasse ablesen.

9 So ein Massenspektrometer kann recht handlich sein …
oder ein riesiges Ding.

10 M+ ist normalerweise der letzte, hohe Peak.
-CO.NH2 CH3.CH2- CH3.CH2.CO- M+ ist normalerweise der letzte, hohe Peak. Daneben gibt es immer noch einen kleinen Peak, der darauf beruht, dass Kohlenstoff auch immer etwas 13C enthält.

11 NMR Kernspinresonanz, „nuclear magnetic resonance“
Bringt man sie in ein Magnetfeld, richten sie sich aus. Dabei gibt es zwei mögliche Ausrichtungen. Protonen haben Ladung und Spin (~ Drehrichtung). Sie verhalten sich daher wie winzige Magnete. parallel antiparallel energieärmer energiereicher

12 vor allem aber Wasserstoff 1H.
Der Übergang von einer Ausrichtung zur anderen kann durch Energiezufuhr bewirkt werden, d.h. dass die Protonen Strahlung einer bestimmten Energie (bestimmten Frequenz) absorbieren. Diese Frequenz ist nicht völlig gleich, sie ändert sich mit der chemischen Umgebung des Protons. In Atomkernen mit gerader Protonenanzahl hebt sich das aber auf, weil sich die Protonen mit ihren Spins gegenseitig neutralisieren. Nur bei ungerader Anzahl von Protonen im Kern kann der Effekt beobachtet werden. Solche Kerne sind 19F und 31P, vor allem aber Wasserstoff 1H.

13 Das hätte wenig Sinn, wenn man damit Wasserstoff nur nachweisen könnte.
CH3-C CH3-C-O CH3-CO-R CH3-N CH3-O-R -C-CH2-C -C-CH2-CO-N -C-CH2-CO-R Doch da das Signal von der chemischen Umgebung abhängt, kann man feststellen, WIE diese Wasserstoffe gebunden sind.

14 Und dann gibt es noch eine ganz besondere Spezialität:
Wasserstoffe lassen sich nämlich auch von anderen Wasserstoffen beeinflussen, die in unmittelbarer Umgebung stehen. Da der Energieunterschied gering ist, sind Wasserstoffe etwa zu 50% parallel, zu 50% antiparallel. Ein anderer Wasserstoff daneben spaltet das eigene Signal daher im Verhältnis 1:1 auf und zeigt so ein doppeltes Signal.

15 Bei zwei Wasserstoffen, gibt es drei Möglichkeiten:
beide parallel einer parallel, der andere antiparallel, bzw. einer antiparallel, der andere parallel beide antiparallel Benachbarte Wasserstoffe spalten daher ihre Signale in ein Triplett im Verhältnis 1: 2 :1 auf.

16 Und das geht so weiter, bei drei Wasserstoffen haben wir vier Möglichkeiten, die acht möglichen Kombinationen entsprechen: 1x alle parallel 1x alle antiparallel 3 x zwei parallel, eins antiparallel 3 x eins parallel, zwei antiparallel Benachbarte Wasserstoffe spalten daher ihre Signale in ein Quartett im Verhältnis 1: 3: 3 :1 auf.

17 So etwa sieht ein NMR-Labor aus.

18 d Triplett, zwei H-Atome benachbart Quartett, drei H-Atome benachbart
Amino- und alkoholische H´s geben ein unscharfes Signal d CH3-C CH3-C-O CH3-CO-R CH3-N CH3-O-R  -C-CH2-C -C-CH2-CO-N -C-CH2-CO-R

19 Das Massenspektrum gibt uns aus dem M+ Peak die relative Molekülmasse.
C4H8O Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: Zu den Bruchstücken: CH CH3.CH CH3.CH2.CH2- oder auch C2H3O ??? : usw. Zu den Bruchstücken: CH CH3.CH CH3.CH2.CH : usw. Kohlenstoff: zwei Drittel von 72 = 48, also C4 Wasserstoff: ein Zehntel von 72 = 7, also H7 Sauerstoff: Rest: 72 – 48 – 7 = 17, also O Kohlenstoff: zwei Drittel von 72 = 48, also C4 Wasserstoff: ein Zehntel von 72 = 7, also H7 H8 Sauerstoff: Rest: 72 – 48 – 7 = 17, also O CH3.CH2.CH C2H3O Das Massenspektrum gibt uns aus dem M+ Peak die relative Molekülmasse. CH3.CH2-

20 C4H8O Ein Beispiel zur Strukturaufklärung:
Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 R-COO-R CH3.CH2.CH C2H3O C C und C C C C > C Aldehyde, Ketone, Ester < C Säureamide Fingerprintbereich cm-1 H2N H3C , -CH2 gibt es nicht CH3.CH2- gibt es nicht gibt es nicht

21 C4H8O C .C .CO.C H3 H2 H3 Ein Beispiel zur Strukturaufklärung:
Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 Wir haben zwei Wasserstoffe, die drei anderen benachbart sind, und drei Wasserstoffe, die isoliert stehen. 3 2 CH3.CH2.CH C2H3O Man kann aus der Fläche der Signale das Mengenverhältnis der Wasserstoffe bestimmen CH3.CH2- C .C .CO.C H3 H H3

22 Ende der Präsentation C4H8O C .C .CO.C H3 H2 H3
Ein Beispiel zur Strukturaufklärung: Wir haben eine unbekannte Substanz, die nur die Elemente Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff enthält. Etwa zwei Drittel der Masse ist Kohlenstoff, etwa ein Zehntel Wasserstoff. IR, MS und NMR geben uns die folgenden Spektren: CH3.CH2.CH2.CHO CH3.CH2.CO.CH3 Ende der Präsentation d CH3-C CH3-C-O CH3-CO-R CH3-N CH3-O-R  -C-CH2-C -C-CH2-CO-N -C-CH2-CO-R 3 2 CH3.CH2.CH C2H3O CH3.CH2- C .C .CO.C H3 H H3