Analyysimenetelmät

KE3: Molekyylit ja mallit 5/5

Spektroskopia

Sidos 3: Luku 12

Keskeiset asiat:

  • sähkömagneettinen säteily

  • spektri

  • IR-spektroskopia

  • NMR-spektroskopi

  • \(^1\)H-NMR-spektri

Sähkömagneettinen säteily

  • on aaltoliikettä, joka kuljettaa energiaa
  • virittää molekyylejä
  • eri säteilylajeja, joilla on eri aallonpituus ja energia
    • ​eri säteilylajit aiheuttavat erilaisia virittyneitä tiloja molekyyleihin

IR-spektroskopia

  • perustuu molekyylin ja infrapunasäteilyn väliseen vuorovaikutukseen:
    • molekyylin sidokset värähtelevät
      luonnollisesti eri aallonpituuksilla
    • molekyylin absorboima
      säteilyenergia saa molekyylin
      sidosten värähtelyn voimistumaan

aaltoluku (\(\mathrm{cm^{-1}}\)) kuvaa värähdysliikkeen energiaa

Vesimolekyylin IR-spektri

\(\mathrm{3\:915\ cm^{-1}}\)

\(\mathrm{3\:803\ cm^{-1}}\)

\(\mathrm{1\:664\ cm^{-1}}\)

transmittanssi kuvaa sitä, kuinka suuri osa säteilystä läpäisee näytteen

  • spektriä voidaan käyttää tiettyjen funktionaalisten ryhmien tunnistamiseen
  • eri ryhmien aaltoluvut listattu esim. MAOLiin

IR-spektroskopia

sormenjälkialue

\((<1\:500\ \mathrm{cm}^{-1})\)

  • molekyylille tyypilliset värähdykset näkyvät täällä
  • tunnistus voidaan varmistaa vertaamalla sormenjälkialuetta oletettuun spektriin

funktionaaliset ryhmät \((>1\:500\ \mathrm{cm}^{-1})\)

  • vaikuttavat absorptiopiikin paikkaan
  • intensiteettiin
  • muotoon

IR-spektri

  • Eri sidokset aiheuttavat spektriin erilaisia piikkejä

osa funktionaalisista ryhmistä näkyy sormenjälkialueella

tämän perusteella ei voi tunnistaa yhdistettä

O - H

C = O

C - O

Etaanihapon IR-spektri

IR-spektrit MAOLissa

NMR-spektroskopia

  • perustuu atomiytimien vuorovaikutukseen säteilyn kanssa
    voimakkaassa magneettikentässä
  • NMR-spektrin piikit kuvaavat ytimiä erilaisissa kemiallisissa ympäristöissä
  • spektrin vaaka-akseli kuvaa kemiallista siirtymää eli sitä, kuinka paljon ytimen kemiallinen ympäristö poikkeaa
    vertailuaineesta

Etanolin \(^1\mathrm{H}\)-NMR-spektri

vedyt kiinni hiilessä, jossa on kiinni yksi hiili

vedyt kiinni hiilessä, jossa on kiinni
yksi hiili ja OH

OH-ryhmän vety

  • Miksi spektrissä on kolme piikkiä?
  • mitä lähempänä elektronegatiivisinta atomiydintä vety on, sitä suurempi siirtymä on

erot absorptioissa hyvin pieniä

H-NMR-spektroskopia

Esimerkki

Kuinka monta piikkiä on 2-pentanolin H-NMR-spektrissä?

6 piikkiä

Esimerkki

Laboratorion pöydällä on oheinen H-NMR-spektri ja spektrin vieressä pullot etyylimetyylieetteriä ja dimetyylieetteriä. Voidaanko spektrin avulla päätellä varmasti, kumman kemikaalin spektristä on kyse?

kaksi erilaista ympäristöä

Suhdekaavan määrittäminen

Sidos 3: Luku 13

Keskeiset asiat:

  • suhdekaava

  • suhdekaavan laskeminen massaprosenteista

  • massaspektrometria

  • molekyylikaavan laskeminen suhdekaavasta

Suhdekaava

  • ilmoittaa eri alkuaineatomien suhteelliset määrät aineessa
  • suhdekaavan kertoimet ovat pienimmät mahdolliset kokonaisluvut, joilla suhteelliset määrät voi ilmoittaa
  • voidaan määrittää kokeellisesti \(\rightarrow\) empiirinen kaava
  • orgaaniselle yhdisteelle voidaan ilmaista joskus muodossa \(\mathrm{(CH_2O)_n}\)

Molekyylikaava

Suhdekaava

glukoosi

etikkahappo

\mathrm{C_6H_{12}O_6}
\mathrm{C_2H_{4}O_2}
\mathrm{CH_{2}O}

glukoosi

etikkahappo

\mathrm{CH_{2}O}

Massaspektrometria

  • perustuu yhdisteen hajottamiseen ja varaamiseen elektronisuihkulla
  • spektristä voidaan lukea tutkitun yhdisteen moolimassa
  • spektrin vaaka-akseli kuvaa molekyylin palasten massoja

toiseksi viimeinen piikki kertoo moolimassan

C-13-isotoopin aiheuttama M+1-piikki

Esimerkki

Polttoanalyysin perusteella yhdisteen massaprosenttinen koostumus on C (62,04 %), H (10,41 %), O (27,55 %). Piirrä yhdisteen rakennekaava, kun IR-spektrin pohjalta on päätelty, että yhdisteessä on karbonyylihiili. Ohessa on näytteestä ajettu massaspektri ja H-NMR-spektri.

1) Suhdekaava

Massaprosenttinen koostumus: C (62,04 %), H (10,41 %), O (27,55 %).

Oletetaan, että yhdistettä on 100 g.

Alkuaineiden suhde saadaan jakamalla ainemäärät pienimmällä ainemäärällä.

\approx3
\approx6
\begin{aligned}n(\text{C}):n(\text{H}):n(\text{O})\end{aligned}
=3:6:1

Suhdekaava: \((\mathrm{C_3H_6O})_n\)

n=\frac{m}{M}

2) Molekyylikaava

toiseksi viimeinen piikki

 \(M(\mathrm{yhdiste})=58\ \mathrm{\frac{g}{mol}}\)

M((\mathrm{C_3H_6O})_n)=M(\text{yhdiste})
58{,}078n=58
\|:58{,}078
n\approx1

Molekyylikaava: \(\mathrm{C_3H_6O}\)

3) Piirretään mahdolliset rakennekaavat

Yhdiste sisältää karbonyylihiilen eli hiilen, johon on sitoutunut kaksoissidoksella happi.

\(\rightarrow\) aldehydi tai ketoni

4) H-NMR-spektrin tulkinta

Spektrissä on kolme piikkiä, joten yhdisteestä löytyy kolme erilaista vedyn ympäristöä. Yhdisteen täytyy siis olla propanaali.

5) Tarkistus MarvinSketchillä (ei tarvitse liittää ratkaisun osaksi)

H-NMR-spektri näyttää samalta!

H-NMR

Massaprosenttinen koostumus on sama!

Massaspektrin piikit ovat samoissa kohdissa!

massaspektri

Extraesimerkki

Laboratorioanalyysissä todettiin, että C-vitamiinin massasta 40,9 % hiiltä, 4,57 % vetyä ja 54,5 % happea. Mikä on C-vitamiinin suhdekaava?

Ratkaisu:

Oletetaan, että C-vitamiinia on 100 g.

n(\text{C}):n(\text{H}):n(\text{O})
=3{,}405...:4{,}533...:3{,}406...
=1:1{,}33..:1{,}00...

jaetaan kaikki ainemäärät pienimmällä ainemäärällä

=3:4:3

kerrotaan kaikki ainemäärät sellaisella luvulla, että ainemääriksi tulee kokonaisluvut

Suhdekaava on \((\mathrm{C_3H_4O_3})_n\).

Aina suhdekaavaan ei tule heti kokonaislukuja...