Titlu slideDisciplinele de Chimie si Biochimie Agroalimentara

Universitatea de Stiinte Agricole si Medicina VeterinaraCluj-Napoca, Romania

USAMV Int. Conf. 9 Oct. 2009

CURS DE CURS DE ChimieChimie FizicaFizica sisi ColoidalaColoidala

ProgramePrograme de de studiistudiiTPPA TPPA sisi CEPA CEPA

BiotehnologiiBiotehnologii in in industriaindustria alimentaraalimentaraAn I, An I, semestrulsemestrul 11

Prof. Dr. Carmen SOCACIUProf. Dr. Carmen SOCACIU

I. STRUCTURA SI PROPRIETATILE SPECTRALE ALE ATOMILOR: principii si aplicatii

I.1. Radiaţiile electromagnetice

I.2. Dualitatea undă-corpuscul pentru particule subatomice si aplicatii ale mecanicii cuantice

I.3. Spectrele atomilor

I.4. Aplicatii ale fenomenelor de emisie, absorbţie si fluorescenţă atomică

I.1. Radiaţiile electromagnetice Unde sinusoidale care se deplaseaza cu viteza luminii pe o directe perpendiculara

Frecventa (ν )= densitatea undei, proportionala cu energia undeiLungimile de undă pot fi exprimate şi în angstromi (A), 1A = 10-8 cm, in cm iar frecvenţele pot fi exprimate şi în cm-1 considerând relaţia : λν = c , unde c- viteza luminii (300000 km/sec). In mod simplificat se poate considera ν = 1/λ, deci în acest caz ν este inversul lui λ şi este exprimat în cm-1.

Caracteriticile radiatiilor electromagnetice

Clasificarea radiaţiilor în funcţie de lungime de undă şi frecvenţă.

Tip de radiaţie Lungime de undă (cm) Frecvenţa (Hz)

Radiaţii cosmice 10-10 3 x 1020

Raze g 10-9 3 x 1019

Raze X 10-8 - 10-7 3x1018 - 3x1017

Raze ultraviolete (UV) 10-6 - 10-5 3x1016 - 3x1015

Lumina vizibilă (VIS) 10-5 - 10-4 3x1015 - 3x1014

Raze infraroşii (IR) 10-4 - 10-3 3x1014 - 3x1013

Unde ultrascurte 10-2 - 10-1 3x1012 - 3x1011

Microunde 1 3 x 1010

Unde radio 3 x 105 1 x 105

El arată apoi că pot avea loc tranziţii între diferite valori permise de energie : când un oscilator (particulă în mişcare) trece de la o energie permisă mare la o energie permisă mică, el

emite energie ΔE cu frecvenţă ν :ΔE = hν

unde h (constanta lui Planck)= 6,6256 x 10-27 erg sec

Variaţii de energie şi aspectul undelor rezultate la emisia unui foton.

Dualitatea undă-corpuscul pentru particule subatomice şi aplicaţii ale mecanicii cuanticeDovezile experimentale : caracterul corpuscular al radiaţiei electromagnetice şi caracterul

ondulatoriu al particulelor. Exemplu- fenomenul fotoelectric, radiaţia electromagnetică (pe care fizica clasică o consideră exclusiv undă) prezintă şi caracteristici ale particulelor (corpusculare).

Caracterul corpuscular este susţinut de existenţa unor particule purtătoare de unităţi de energie (= hν) numite fotoni, definiţi de Planck. Savantul De Broglie a utilizat corelaţiile de mai sus pentru a explica comportamentul de undă al electronilor în mişcarea lor în jurul nucleului atomic.

Caracterul de undă poate fi exprimat în general de relaţia Planck ΔE = hν şi relaţia lui Einstein ΔE= mc2,care prin combinare dau egalitatea:

hν = mc2, considerând c = λν, relaţia devine λ = h/mc.

I.2. Dualitatea undă-corpuscul pentru particule subatomice si aplicatii ale mecanicii cuantice

Tranzitii electronice, Cf. postulatelor lui Bohr1. Pe aceeasi orbita electronii nu schimba energie2. La trecerea de pe un nivel pe altulse emite sau absoarbe energie

Absorbtie de E

Emisie de E

Miscarea particulelor subatomice ( electroni)Exprimata ca functie de unda

Exprimata ca particula•Translatie (miscare pe diferite straturi - n)•Rotatie pe orbita ( l) si in jurul axei proprii ( spin - s)•vibratie

VibratieRotatie

Ce caracterizează rotaţia în spaţiu tridimensional? Miscare orbitala si miscare de spin.

Spinul electronic şi orientările sale faţă de axa z.

Miscarea pe orbite (straturi si substraturi)

NUMERE CUANTICE

N- numar cuantic principal – defineste numarul stratului

l = 0, 1, 2, ....n-1 nr.cuantic secundar orbital - defineste tipul de orbital ( substrat)

s = 1/2 nr.cuantic de spin

ml = 0, ±1, ±2, ... ±l nr.cuantic magnetic orbital

ms = ±1/2 nr.cuantic magnetic de spin

NUMERE CUANTICE

Se schimba energie la trecerea electronilorde pe un nivel pe altul:-se cedeaza energie cind electronul trece de pe nivel superior pe nivel inferior-se absoarbe energie cind electronul trece de pe nivel inferiorpe nivel superior

Numr cuantic magnetic – orbital si de spin

MOMENT MAGNETIC ORBITAL

MOMENT MAGNETIC DE SPIN

ORBITALI – spatiul ‘probabil’ in care se misca un electron

CONFIGURATIA ELECTRONICA

Asezarea electronilor pe straturi si substraturi ( orbitali) in ordinea crescatoare a energiei

1s2, 2s2,2p6,3s2,3p6,4s2,3d10,4p6, etc…

E

E

Ocuparea orbitalilor se facein ordinea cresterii energiei

�

---�

4s

2

3d

10

---�

4p

6

---�

5s

2

4d

10

---�

5p

6

---�

6s

2

4f

14

--

5d

1

SISTEMUL PERIODIC AL ELEMENTELOR

TRANZITII SPECTRALE

Când electronul unui atom hidrogenoid suferă o tranziţie, De la nivelul cu numere cuantice n2, l2, ml2

la un alt nivel de energie mai joasă n1, l1, ml1,

are loc o variaţie de energie ΔE şi este eliberat excesul de energie h νsub forma unui foton ( radiaţieelectromagnetica cu frecvenţă ν)

I.3. Spectrele atomilor

Pentru descrierea structurii interioare (electronice) a atomilor se aplicaprincipiile mecanicii cuantice. Se poate face distincţia dintre atomii hidrogenoizi (monoelectronici) şi atomii polielectronici 9 complecsi).

Un atom hidrogenoid este un atom liber sau un ion cu un singur electron, cum suntde exemplu H, He+, Li2+, U91+.

Cedare de energie la tranzitiide pestraturi superioarepestraturi inferioare

Spectrul reprezintă înregistrarea schimbului de energie in timpul tranzitiilorexprimate prin frecvenţa sau lungimea de undă a radiaţiei emise sau absorbite.

Linii spectrale caracteristice atomilor hidrogenoizi.

Serii de linii

n2 n1 Regiune spectrală

activaLyman 1 2,3,4. UV

Balmer 2 3,4,5... VIS

Paschen 3 4,5,6... IR

Brackett 4 5,6,7... IR

Pfund 5 6,7,8... IR

Spectrul hidrogenului şi descompunerea în

linii spectrale de tip Balmer, Lyman, Paschen, Brackett.

TRANZITIILE SPECTRALE DETERMINA FORMAREA SPECTRELOR

Pentru atomii hidrogenoizi regulile de selecţie sunt :Δl = ±1 Δml = 0, ±1

REGULI DE SELECTIE LA TRANZITII ELECTRONICE

Exemplu- tranzitie de la n=3 la n=2

In stare staţionară există un moment unghiular,

determinat de un număr cuantic unghiular j, care

poate lua două valori distincte pentru un l dat :

j = l ± 1/2

regula de selecţie pentru j :Δj = 0, ±1

Asezarea pestraturi sisubstraturie reflectata in sistemulperiodic prinperioade

Spectrele atomiceI.4. Aplicatii ale fenomenelor de emisie, absorbţie si

fluorescenţă atomică

EMISIE

TIPURI DE SPECTRE

SPECTRELE METALELOR ALCALINE

METALELE ALCALINE au în stare fundamentală un singur electron de valenţă pe un orbital s, restul electronilor formând straturi complete. Se comporta ca Hidrogenul !!!

• In absorbţie, spectrul metalelor alcaline prezintă o singură serie în care liniile converg spre o limită urmată de spectrul continuu. In cazul Na există aprox 57 linii, din care linia frontală este linia galbenă D, următoarele fiind situate în domeniul UV.

• Spectrul de emisie în VIS şi UV este mai complicat decât cel de absorbţie, fiind suprapuse 4 serii.

FORMAREA SPECTRELOR DE RAZE X

Formarea seriilor de linii spectrale X.

Expulzarea unui electron de pe stratul 1 ,urmata de o cascada de emisii prin “caderea” altor electronipe locurile vacante

Emisie, absorbţie si fluorescenţă atomică

Pentru a provoca fenomenele de emisie sau absorbţie atomică este nevoie de energie.Surse care produc radiaţia necesară declanşării acestor fenomene:arcul electric, scânteia electrică sau flacăra. Cu cât temperaturile realizate sunt mai mari, se pot vedea tot mai multe tranziţii electronice din atomi sau ioni. Cea mai veche metodă de analiză, cea mai sensibilă, simplă şi rapidă o reprezintă spectrometria de flacără.

Flacăra = rezervorul de atomi (locul de disociere al acestora) şi spaţiul (cuva) în care atomii emit sau absorb energia.

Există trei metode care folosesc flacăra :

spectrometria de emisie atomică, spectrometria de absorbţie atomică spectrometria de de fluorescenţă atomică

Emisie Hidrogen

Flacăra are rolul de a furniza energia termică necesară evaporării cristalelor,descompunerii moleculelor în atomi şi excitării atomilor.

Me=metal

EMISIA ATOMICA

Metal Simbol Culoarea flacarii

Bariu Ba Galben-verde

Calciu Ca Rosu

Cupru Cu Verde

Plumb Pb Albastru

Litiu Li Roz

Potasiu K Violet

Sodiu Na Galben-portocaliu

Strontiu Sr Rosu inchis

Emisia specifica (culoarea flacarii)

SPECTROMETRUL DE EMISIE ATOMICA ( FLAMFOTOMETRU)

Determinare metale alcaline (Na, K) si alcalino-pamintoase (Ca, Mg)

Ionizare in flacara de acetilena sau metan, cu plasma sau lumina laser

ABSORBTIA ATOMICA

ABSORBTIE ATOMICA- metale tranzitionale si grele

Spectrometru cu Absorbtie Atomica AA-6300 cu cuptor de grafit GFA-EX7i si statie de preparare a probei ASC-6100

FLUORESCENTA ATOMICA

Ex. DeterminareaAu din roci

II. METODE DE INVESTIGARE A STRUCTURII MOLECULARE

II.1. Legaturi chimiceII.2. Spectrometria de raze XII.3. Spectrometria de absorbţie molecularăII.3.1. Spectrele de absorbţie electronică (UV-VIS) si analiza spectrofotometricaII.3.2. Spectrometria de absorbţie in Infraroşu (IR) si aplicaţii II.4. Spectrometria RES si RMN II.5. Spectrometria de masa

II.1. LEGATURI CHIMICE Proces chimic de punere in comun de electroni – LEGATURA COVALENTArezulta FORMAREA de MOLECULE

ATOMII POT FORMA IONI (+ sau -). ASOCIEREA IONILOR DE SEMN CONTRAR FORMEAZA COMPUSI CHIMICI

IONICI CARE NU SUNT MOLECULE

NEPOLAR

POLARA(dipol)

APA ( H2O)

TEORIA LEGATURII DE VALENTA Formarea legaturilor se face prin suprapunere de orbitali puri sau hibrizi

HIBRIDIZAREA

Amestec de orbitali puri ( s,p,d) cu formare de orbitali hibrizi de energii intermediare

Tipuri de hibridizari

sp3

sp2

sp

LEGATURI σ si π

s-p

p-p

Legaturi simples-p, p-p (axiale σ)siduble p-p (π)

H2C=CH2

HC≡CH

LEGATURI π

localizate

delocalizate

BENZENC6H6

H2C=CH2

TEORIA ORBITALILOR MOLECULARI Formarea legaturilor se face prin suprapunere de

orbitali de legatura σ sau antilegatura σ*

Molecula de H2 Molecula de HF

LEGATURI DONOR-ACCEPTOR IN COMBINATII COMPLEXEOrbitali spd

Relaţia dintre domeniul spectroscopic, λ şi tipurile de excitări electronice in molecule

Radiaţie Lungimi de undă Tipuri de excitări

Raze X 3 pm - 3 nm Tranzitii intre nivele de e-interiori

Raze ultraviolete (UV)

3 nm-360 nm Tranziţii e- σ (UV Indepărtat)

Tranziţii e- π şi n ( UV apropiat)

Vizibil (VIS) 400 nm ( Violet) -700 nm (Roşu)

Tranziţii e- din sisteme conjugate π

Infraroşu (IR) 700 nm - 3 mm vibraţii (alungire şi deformare) şi rotaţii

moleculareMicrounde 3 mm - 30 cm rotaţii moleculare

SPECTROMETRIA MOLECULARA

Serii de linii în spectrul de absorbţie şi emisie X.

II.2. SPECTROMETRIA DE RAZE X

APLICATII ALE DIFRACTIEI CU RAZE X

DIFRACTIE CU RAZE X

Aplicatii ale spectrometriei de raze X- determinarea structurii cristaline

II.3. SPECTROMETRIA MOLECULARA DE ABSORBTIE

ClasificareIn functie de radiatia absorbita ( din domeniul UV, Vis, sau IR) se clasifica in:

Spectrometrie UV-VisSpectrometrie IR

II.3.1. SPECTROMETRIA UV-Vis

Ep - energia potentiala• in starea fundamentala (Ep0)• stare excitata Ep* (energie inalta)

Ep*

Ep0

Ex:

H3C-CH3; H3C-OH, H3C-NH2;H2C=CH2, H2C=O

Aspectul spectrelor UV-Vis

190-360 nm = UV360-800 nm = VIS

Spectrometru UV-Vis

Relaţii între tipurile de tranziţii UV-Vis şi structura cromoforilor.============================================================

Tranziţie Cromofor Exemplu λmax(nm) Domeniu==========================================================

σ -- σ* alcani CH4, C2H6 125,135 UV îndepărtat

n -- σ * C=O CH3-CO-CH3 188,279 UV CH3CHO 293 “

C-OH CH3OH 210 “C-NH2 CH3NH2 230 “

π -- π * C=C C2H4 165 UVC=C C2H2 173 “C=C C6H6 280 “

n -- π* C=O CH3-CO-CH3 188,279 UV

şi π -- π* CONH2 CH3CONH2 208 UVC=N CH3CN 160 “N=O CH3(CH2)3NO 300,665 UV, VISNO2 CH3NO2 271 UVCOOH CH3COOH 204 “

============================================================

Relaţii între numărul legăturilor duble conjugate şi λmax la poliene.=================================================================

n Cromofor Compus λmax(nm) εmax=================================================================

1 C=C Etena 175 100002 C=C-C=C Butadiena 217 200003 C=C-C=C-C=C Hexatriena 258 350004 (-C=C-)4 Octatetraena 286 390005 (-C=C-)5 Vitamina A 328 51000

10 (-C=C-)10 β-caroten 450 14000011 (-C=C-)11 Licopina 472 170000

15 (-C=C-)15 Dehidrolicopina 528 150000=================================================================

CH3 CH CH CH O CH3 CH CH CH CH CH O

In aceeaşi clasă de cromofori conjugaţi intră şi dienele ciclice :

sau derivaţii carbonilici conjugaţi cu cromofori C=C :

λmax = 217 nm λmax = 263 nm

FLUORESCENTAMOLECULARA

S1 stare excitata

S0 stare fundamentala

ABSORBTIE cu FLUORESCENTA MOLECULARA

II.3.2. Spectrometria IR

Se masoara tranzitiile intre nivele de vibratiemoleculara, induse de o radiatie IR

( 400-4000 cm-1)

62

OscilatorOscilator armonicarmonic

VibratiiVibratii ale ale legaturilorlegaturilor din din

gruparigrupari functionalefunctionale Modalitati de vibratie

Alungire

Deformare

Prin absorbtia radiatiei IR are loc o schimbare a momentuluide dipol ca urmare a miscarii de vibratie si rotatie

Ce molecule pot absorbi radiatie IR?

1. molecule polare cu dipol moment2. Absorbtia IR este activa cind energia radiatiei =

Diferenta dintre 2 nivele vibrationala si/sau rotationale.

Regiunile IR – IR indepartat, MIR, IR apropiat

Unele molecule covalente ( polare) pot absorbi radiatii IR de anumitefrecvente

Radiatia IR absorbita determinamodificari in miscarile de vibratiesi rotatie ale moleculelor

Benzile vibrationale de absorbtiesunt largi pentru ca include subnivele rotationale

Numai moleculele care isi schimbamomentul de dipol pot fi active in domeniul IR

PRINCIPII

Frecventa de absorbtiee egala cu ΔE dintrestarile vibrationale

65

Regiuni spectrale tipice pentru IR

1. IR apropiat (NIR): excitari multiple ale vibratiilor fundamentale (multiple level transition). Aparatura - similaraspectrometriei UV-VIS.

2. IR mediu (MIR): excitari singulare ale vibratiilor fundamentale (single level transition). Rezulta amprente spectraleIR ale moleculelor organice.

3. IR indepartat: excitari ale vibratiilor de energiejoasa si rotatii de energie inalta. Utilizat in industrie pentru controlul calitatii.

66

Example de Example de vibratiivibratii IRIR

Energii asociate cu vibratiile intre 4000 -650 cm-1

Energii rotationale maimici decit 300 cm-1

Pentru interpretarea spectrelor IR de o deosebită importanţă este poziţia, intensitatea şi forma benzilor de absorbţie,

care dau indicii privind tipurile de legături din molecule, efectele sterice sau polare interacţiunea substanţei cu solventul, etc.

67

POZITIA

BENZII

MASA REDUSA

TARIA LEGATURII

ATOMI USORI

FRECVENTA JOASA

BENZI PUTERNICE

FRECVENTA INALTA

INTENSITATEA

BENZII

SCHIMBARE IN

‘POLARITATE’

LEGATURI POLARE PUTERNICE DAU BENZI INTENSE

LATIMEA

BENZII

LEGATURA DE HIDROGEN (LH)

LH puternice daubenzi largi

Spectre IR ( Abs, T%) Spectre IR ( Abs, T%) sisi benzibenzi spectralespectrale

http://www.ftir-libraries.com/ftir_databases.htm

P P

68

Numai vibratiile care determinaschimbarea polaritatiilegaturilor formeazabenzi spectrale in IR

H2O : 3657 cm-1

3756 cm-1

1594 cm-1

4000-3000cm-1

3000-2000cm-1

2000-1500cm-1

1500-1000cm-1

O-H N-HC-H

alungiri

C≡CC≡NC-H

alungiri

C=CC=O

C-OC-FC-Cl

deformari

Energie in crestere

Regiuni importante:

1680-1750 cm-1: vibratii de alungire C=O 2700-3100 cm-1: vibratii de alungire C-H 3200-3700 cm-1: vibratii de alungire O-H si N-H

Molecule active in IRIR

A B A Bîntindere (ν) deformare (δ)

Apar în spectrul IR vibraţii de valenţă (întindere, alungire) notate cu ν şi vibraţii de deformare, notate cu δ.

alungire alungire deformaresimetrică antisimetrică

(νOH =3652 cm-1) (νOH = 3756 cm-1) (δ = 1596 cm-1)

alungire sim. alungire antisim. deformări(νCO=1340cm-1) (νCO=2350cm-1) (δ = 666 cm-1)

Tipuri de vibraṭii moleculare.

CO2

H2O

FTIR FTIR –– tehnicatehnica analiticaanalitica sensibilasensibila

Achizitia datelor este rapidaAparatule simplu de operat, rapid (o analiza- 5 min.)Ne-destructivUtil pentru determinarea diferitelor probe

(pudre, extracte, emulsii, geluri)

Metoda calitativa, mai putin cantitativaNecesita validare prin metode acurate (GC, LC)

OH stretch

CH stretch

CH bend

CO stretch

OH bend CCstretchOHa

CHa

CHa

OHa

COa

CCaEx: determinarea alcoolului etilic , rapid si fara prelucrare ( nedestructiv).Sunt marcate semnalele de alungireale legaturilor OH, CH, CO, CC

Absorbţia radiaţiilor IR de către molecule

are loc în conformitate cu cunoscuta lege Lambert-Beer A = log Io / I = E c l

unde A - absorbanţa (densitate optică sau extincţie)Io - intensitatea luminii incidente; I - intensitatea luminii transmiseE - coeficient molar de extincţiec - concentraţia în moli /l; l - grosimea stratului (cm)

Nivelele de energie vibraţională sunt indicate de un număr cuantic v, care poate lua valori integrale

E = ( v + 1/2 ) hν (stare fundamentală)

Benzi caracteristice unor grupări funcţionale========================================================Grupa Banda IR (cm-1) Observaţii========================================================

-CH3 2962i, 2872m a - as , a - sim1460m, 1380m d - as , d - sim

-CH2- 2925i, 2853i a - as , a - sim1430 - 1470m d - as , a - sim

Ciclu aromatic 3010-3040m1450-15001580,1600700-900 m-i

D.Halogenati 700-750iC-Cl 600i

Alcooli şi fenoliOH neasociat, primar 3640iOH neasociat, secundar 3630iOH neasociat, terţiar 3620iOH neasociat fenolic 3610iOH dimer 3500-3600 mOH polimer 3200-3400 iC-OH alcooli primari 1010-1075iC-OH alcooli secundari 1100-1120iC-OH fenoli 1140-1230i

-CH=O (aldehide) 2800-2900m a - CH2680-2780m a - CH1750 fi a - CO

C = O (cetone) 1715-1720fi a - CO1100-1300i d - CC

Acizi organici şi derivaţi funcţionaliCOOH 2500-3300mi a - OH

1710,1760 a - CO1420,1210 a-CO, d-OH cuplate 1320i

COOR 1735fi a - CO1050-1300fi banda esterică

CONH2 3400,3500i a - NH1650,1690fi a - CO

Ioni anorganiciNH4+ 3030-3300i bandă largă

1390-1430iCO32- 1410-1450fi

860-880mSO42- 1080-1130fi

610-680mNO3- 1350-1380fi

815-840mNO2- 1230-1250fi

800-840m

APLICATII ALE SPECTROMETRIEI IR

Determinarea structurii compuşilor organiciRecunoasterea gruparilor functionale prin comparatie cu tabelulbazei de date

Studiul legăturilor de hidrogenîn derivaţii hidroxilici vibraţia de valenţă nOH prezintă două valori caracteristice 3600-3650 cm-1 pentru OH liber şi 3200-3400 cm-1 pentru OH implicat în legături de hidrogen,

Dozări spectraleSpectroscopia IR poate fi utilizată şi în scopuri analitice, putându-se determina pe baza legii Lambert-Beer (c=λε/A) concentraţia unei substanţe dacă se cunoaşte coeficientul molar de extincţie.

O OH H

OH

OH

Spectrul proteinelor din gluten(din piine)

Diferite tipuri de specte IR ( ambalaje, dopuri, vin)

Spectrometre IR, FTIR

Principiu de functionare si spectre

Spectre si spectrometre UV-Vis si IR - comparatie

UV-Vis FTIR

II.4. METODE BAZATE PE PROPRIETĂŢILE MAGNETICE ALE SUBSTANŢELOR

Susceptibilitate magnetica, paramagnetism şi diamagnetism

Proprietăţile magnetice ale moleculelor sunt datorate momentului de dipol permanent sau indus de un câmp magnetic exterior. Momentul de dipol magnetic exprimat per unitate de volum se numeşte magnetizare M.

Dacă este indusă de un câmp magnetic exterior H, magnetizarea M are valoarea: M = χH unde χ - susceptibilitate magnetică

B- Densitatea de câmp magnetic creată în molecule în urma interacţiunii cu câmpul magnetic H : B = μ0 (H + M)

unde μ0 - permeabilitate în vid ( constantă)

•Dacă valoarea χ >0, substanţele magnetizate se numesc paramagnetice iar •dacă χ < 0, substanţele sunt diamagnetice.

Practic, orice substanţă aşezată în câmp magnetic suferă o polarizare magnetică, dobândind proprietăţi magnetice.

Factorul de proporţionalitate este susceptibilitatea magnetică.

Substanţe diamagnetice - câmpul magnetic induce moment magnetic propriu, antiparalel fata de câmpul H( ex: nemetale sau metale cu numar par de electroni)Substanţe paramagnetice - câmpul magnetic induce un moment magnetic paralel cu câmpul H(ex: Molecule cu un număr impar de electroni, NO, NO2, ClO2

B0H

Orientarea spinilor magnetici in cimp magnetic H

In absenta cimpului

Asezare dezordonata.

In cimp magnetic exterior

Ordonare prin orientare paralelasau antiparalela fata de directia cimpului.

Spinii cu orientare paralela au energiemai mica si stabilitate mai mare.

Dacă o particulă cu moment magnetic permanent se află într-un câmp magnetic exterior de intensitate H, energia potenţială a interacţiunii momentului magnetic propriu cu câmpul magnetic exterior este cuantificată.

Dacă este vorba de un atom sau ion caracterizat de un număr cuantic intern J, valorile posibile ale acestei energii sunt date de expresia:

E = - g mJ H μB

unde: mJ - număr cuantic magnetic ( 2J + 1 valori diferite) iar μB - magneton Bohr.

Astfel, în câmp magnetic, energia unui electron avind m=1/2 creşte iar energia unui electron cu m = -1/2 scade, astfel încât ΔE = g H μB

Nivele de spin electronic într-un câmp magnetic.

Rezonanţa electronică de spin (RES)

Atomii unei substanţe aşezate în câmp magnetic vor absorbi selectiv undeelectromagnetice de o anumita frecvenţă (microunde) care satisfac egalitatea :hν = g H μB

şi care reprezintă condiţia de rezonanţă electronică(absorbţia de rezonanţă).

Atomii excitaţi pot re-emite o radiaţie de aceeaşi frecvenţă iar fenomenul e denumitRezonanţă electronică de spin (RES) sau rezonanţă paramagnetică electronica (RPE).

Radiaţia cu λ= 3 cm e din regiunea de microunde a spectrului electromagnetic, Deci RES este considerată o tehnică de microunde.

In mod practic, condiţia de rezonanţă poate fi realizată prin :

prin menţinerea unui câmp magnetic H constant şi variind frecvenţa microundelor excitante

prin iradiere cu microunde de frecvenţă constantă, cand intensitatea câmpului magnetic H estevariabilă

Se inregistreaza spectrul direct (a) sau derivata (b) a spectrului RES

Spectrul RES pentru radicalii benzenici sau ai naftalinei C (derivata).

Aplicaţii ale spectrometriei RESdeterminarea structurii radicalilor liberi organici,

a ionilor liberi sau a unor substanţe paramagnetice cum sunt combinaţiile complexe ale metalelor tranziţionale.

identificarea reactiilor radicalice din procese de oxidare, fotosinteza

Rezonanţa magnetică nucleară (RMN)

Principiul Rezonanţei Magnetice Nucleare (RMN): proprietăţile magnetice ale nucleului hidrogenului sunt utilizate pentruidentificarea repartitiei protonilor in molecule si a vecinătăţilor nucleelor de hidrogen -

Datorită momentului său magnetic unghiular propriu, spinul nucleului se comportă ca un mic magnet. Daca are nucleul spin impar ½ (necuplat) cum este la 1H, 13C, 19F, 19O şi 31P aceste elemente dau rezonanta magneticaîn timp ce 12C şi 16O au spin 0, au moment magnetic zero şi nu dau rezonanţă magnetică.

Nucleul de hidrogen sau protonul H+ = 1H poate fi considerat o unitate de sarcină electrică pozitivă ( proton) ce execută o mişcare de spin în jurul axei sale şi în consecinţă generează un câmp magnetic slab H', de-a lungul axei spinului. De aceea RMN in cazul utilizarii protonilor se mai numeste si RMP (Rezonanta Magnetica Protonica)

Nivelele energetice ale unui nucleu cu spin I= 1/2 si nr.cuantic magnetic mI în absenţa sau prezenţa unui câmp magnetic exterior.

Rezonanta apare cindenergia absorbita de spinul nuclear e suficienta pentru ca el sa se inverseze(sistem Hopa-mitica…)

La aceste tranziţii variaţia numărului cuantic magnetic fiind egală cu 1, condiţia de rezonanţă va fi :

hν = gN H μNunde gN - factorul giromagnetic nuclear; μN - magnetonul nuclear

hν - energie specifica undelor radio

Reprezentarea schematică a unui spectromteru RMN.

Rezonanta RMN se obtineprin H= constant si RF- variabil,

sauprin RF=constant si H- variabil

Spinul nuclear are o miscare de precesiesi se inverseaza la momentul atingeriienergiei de rezonanta

Parametri caracteristici de interpretare a spectrelor RMN

1. Deplasarea chimică ( scara 1-10 in unitati τ) in raport cu un standard TMS

Poziţia semnalului faţă de un standard se numeşte deplasare chimică şi reprezintă modificarea vecinătăţilor magnetice ale protonului faţă de protonul din compusul standard.

3. Gradul de ecranare al unui proton

Daca un proton H are in jur electroni, el este ecranat si are nevoie de o energie maimare ( cimp mai inalt) ca sa isi inverseze spinul, deci are o deplasare chimica mai mare in unitati t.

2. Intensitatea semnalului

Intensitatea semnaluluicu o anumită deplasare chimică indică numărul de protoni echivalenticare au aceeaşi deplasare chimică.

4. Numarul semnalelorEste determinat de tipurile de protoni echivalenti dintr-un compus.

• atunci când numărul de protoni ai unui atom de C este mai mare, ecranarea este mai mare şi ei apar la valori t mai mari, de exemplu : CH < CH2 < CH3

• în cazul unor legături C-H saturate, efectul atrăgător de electroni (-I) al unor grupări electronegative ataşate determină dezecranare

• iar valorile t sunt proporţional mai mari cu cât acest efect (electronegativitatea) este mai mare. de exemplu : H-C-F <H-C-Cl <H-C-Br <H-C-I

• mărimea ciclului în compuşii ciclici nearomatici produce o dezecranare cu atât mai accentuată cu cât ciclul este mai mic, ciclopropanul având cele mai mici valori t

• nesaturarea scade valorile t , cu excepţia alchinelor care au o comportare aparte :

• O-H > C=C-H > O-C-H > C=C-C-H > C-C-H

• O=C-H > O=C-C-H > -O-C-C-H

Valorile deplasărilor chimice pentru unele tipuri de protoni :

==============================================Tip de proton Deplasare chimică

δ τ=============================================

R-CH3 0,2 9,8R2-CH2- 0,9 9,1R3CH- 1,5 8,5

C=CH (vinilic) 5,9-4,6 4,1-5,4C=CH (acetilenic) 3-2 7-8

Ar-H (aromatic) 8,5-6 1,5-4Ar-CH (benzilic) 3-2,2 7-7,8F-CH 4,5-4 5,5-6Cl-CH 4-3 6-7

Br-CH 4-2,5 6-7,5I-CH 4-2 6-8

R-O-CH 4-3,3 6-6,7R-COO-CH 4,1-3,7 5,9-6,3R-O-CO-CH 2,2-2 7,8-8R-OH 5,5-1 4,5-9Ar-OH 12-4 -2-6R-CHO 10-9 0-1R-COOH 12-10,5 -2-(-0,5)

==============================================

Exemple care indică numărul diferitelor tipuri de protoni echivalenţi în molecule :

CH3-CH3 CH3-CH2-CH2Cl CH3-CHCl-CH3 CH2=CH21 semnal 3 semnale 2 semnale 1 semnal

CH3-CH=CH2 CH3-CH2-O-CH2-CH3 CH3-O-CH2-CH2-CH33 semnale 2 semnale 4 semnale

H-C6H4-CH(CH3)2 CH3-CH2-C6H5 CH3-CH2-CH2-CH2-CH33 semnale 3 semnale 3 semnale

Numărul de semnale înregistrate coincide cu numărul de protoni echivalenţi (aflaţi în aceeaşi ambianţă).

Spectrul CH3-CH2-C6H5

CUPLAJUL SPIN-SPIN si EFECTELE SALE ASUPRA SEMNALELOR RMN

La cimpuri magnetice mari ( 300-500 MHz) intre protoni vecini pot apare interactiunispin-spin care determina scindarea semnalelor in 2,3,4 sau mai multe alte semnale mic

Spectre RMN pentru compuşi cu formula moleculară C9H10O2.

DubletiTripletiCuadrupletiSemnale multiple

Spectrul alcoolului etilic la cimpuri mici si mari (cu rezolutie inalta siscindarea semnalului datorita interactiunilor spin-spin)

Rezolutie joasa

Rezolutie inalta

Aplicaţii ale spectrometriei RMN

Spectrele RMN permit cea mai detaliată interpretare structurală fata decelelalte metode spectrometrice

1. Stabilirea structurii substanţelor organice. Parametrii care dau informaţii privind structura moleculară sunt valorile deplasării chimice care indicătipul protonilor (alchilic, acetilenic, aromatic, etc.), intensitatea relativă a semnalelor care indică numărul protonilor echivalenţişi existenţa multipleţilor care dă indicaţii privind vecinătatea grupurilor de protoni echivalenţi.

Intensitatea semnalelor RMN este măsurată prin suprafaţa de sub semnal şi este proporţională cu numărul protonilor echivalenţi care provoacă semnalul.

Spectrul RMN al p-izopropil toluenului.

2. Cinetica reacţiilor chimice. Prin spectroscopie RMN poate urmări mecanismul reacţiilor atunci când reactanţii şi produşii prezintă diferenţe detectabile în spectrul RMN.de exemplu în reacţia de dimerizare a cetenei:

2 CH2=C=O → CH3-C=CH sau CH2=C-CH2

O--C=O O-C=O

(A) (B)

3. Studiul legăturilor de hidrogen . Substanţele ce conţin protoni H legaţi de O, N sau S (alcooli, fenoli, acizi carboxilici, amine,amide, etc.) prezintă modificări în spectrele RMN

CO

O H

H

II.5. SPECTROMETRIA DE MASA

Metodă de studiu a structurii moleculelor prin bombardarea acestora cu electroni în vid. Prin impactul electronilor cu proba, se formează ioni-radicali (specii cu sarcină pozitivă şi electroni lipsă în orbitali n sau π ).

Un ion-radical (numit şi ion molecular) este instabil şi se scindează (prin ionizare şi fragmentare) la radicali sau ioni pozitivi mai stabili.

Spectrul de masă arata masele separate ale fragmentelor moleculare cu sarcină (ioni). Identificarea ionului de bază (molecular) în spectru este utilă pentru determinarea masei moleculare a probei :

etc. etc.- e- ↑ ↑

A: → [A⋅]+ → B⋅ + C+ → D+ → E+→ etc↓

F⋅+ → G → etc.

Principiul metodei: prin bombardare cu un fascicul de electroni monocinetici având tensiuni diferite de accelerare (10-15 eV sau 50-100 eV în vid înaintat de 10-5 mm coloană de Hg), moleculele substanţei aflate în stare gazoasă se scindează în ioni.

Ionii rezultaţi sunt acceleraţi, deviaţi diferit într-un câmp electromagnetic în funcţie de masa lor şi studiaţi pe rând (îndeosebi ionii pozitivi dar uneori şi cei negativi). Valoarea energiei lor cinetice este mv2/2 = eV.

Dacă câmpul magnetic H este perpendicular pe direcţia de deplasare a ionilor, forţa pe care el o exercită asupra acestora este :

F = Hev/c ,unde : H -intensitate câmp; e - sarcina particulei; v - viteza particulei

c -viteza luminii

Pornind de la o moleculă neutră de tip ABCD, prin ionizare rezultă ionul pozitiv ABCD+, din care prin fragmentare pot lua naştere un număr variat de ioni şi radicali :

A+ + BCD⋅A⋅ + BCD+AB+ + CD⋅

ABCD+ →→→→ AB⋅ + CD+ABC+ + D⋅ABC⋅ + D+AD+ + BC⋅AD⋅ + BC+

Procese de ionizare şi fragmentareSub acţiunea fasciculului de electroni, molecula se scindează proporţional cu

energia acestor electroni. Dacă fasciculul de electroni are energie mică, de 9-15 eV, bombardarea substanţei de studiat are ca rezultat îndepărtarea unui electron din moleculă şi apariţia unui ion corespunzător moleculei de origine (ION MOLECULAR), M+

M + e- → M+ + 2 e-

Tensiunea electronilor la care începe fragmentarea moleculei se numeşte potenţial de apariţie a ionilor fragmentaţi.

Tipuri de ionizare

Electron Impact (EI)– proba este incalzita si bombardata cu electronirapizi care determina formarea unui ion molecular (M+) si a fragmentelor

Ionizare Chimica (CI)– proba este incalzita si ionizata in prezenta unorsubstante donori de protoni, din care rezulta fragmente ionice de masa(M+H)+ si mai putine alte fragment mici ( comparativ cu EI)

Bombardare cu atomi rapizi (Fast Atom Bombardment – proba estebombardata cu atomi grei si rezulta ioni (M+H)+ , cu fragmentareredusa. Metoda optima pentru compusi polari. Alte tehnici moderne:

Matrix Assisted Laser Desorption Ionization(MALDI)- rezulta ioni(M+H)+ Optim pentruproteine

ElectroSpray Ionization (ESI) – rezulta ioni(M+nH)n+ si (M - nH)n-

Schiţa unui spectrometru de masă: rezervor de vapori (1), filament cu anod (2), accelerator (3), separator de ioni rezultati prin fragmentare (4), colector de ioni (5), amplificator (6), înregistrator (6), frită (8), fante de intrare şi ieşire (9 şi 10), magnet (11).

Ionii se separa in ordineamasei lor molecularesi a sarcinii

Tipuri de detectori

Detector Magnetic– Cimpul magnetic separa ionii fragmentelorrezultate

Time of Flight analyzer (TOF) – ionii sunt accelerati prin tub de “zbor” (flight) si se masoara timpul petrecut in detector

Analizor cuadrupol(QA) – ionii sunt filtrati sau captati intr-un sistemcu metale incarcate electromagnetic ( Ion trap)

Analizor tip Fourier Transform Ion Cyclotron Resonance (FT ICR) –magnet care colecteaza ionii in orbite circulare si masoara energialor de rezonanta.Are cea mai inalta rezolutie si sensibilitate, f scump.

TOF-TOF

Q-TOF

Triple Quad

Doi detectori cuplati TOF

Cuplaj de filtru de masacuadrupol cu analizor TOF cu celula intermediara decoliziune

Cuplaj de doi detectori TOF cu celula de coliziune

Sisteme moderne de detectori de masa

Forma specifica a unui spectru de masa

Raportul masa/sarcina

Abundentafragmentului

(%)

Interpretarea spectrelor de masă.

Spectrele de masă sunt adevărate amprente digitale ale moleculelor şi pot fi folosite la identificarea substanţelor, lămurirea unor probleme structurale. Interpretarea spectrelor este dificilă din cauza numărului mare de linii care apar.

Elucidarea structurii unui compus organic prin analiza spectrului de masă.

Ion molecular = 107Abundenta max. (100%) corespunde valorii m/e = 92 (M-15)+. Utilizând tabele cu masele moleculare ale unor molecule,putem deduce că masa 107 poate fi atribuită etilpiridinei sau dietilpiridinei, ambele cu formula C7H9N.

15 – masa gruparii metil107-79=28 (-CH2-CH2-)79-51=28 (-CH2-CH2-)

Spectre de masă ale n-butanului, izobutenei şi a benzenului.

Intensitatea semnalului maxim se ia drept bază de comparaţie ( 100%) şi intensitatea celorlalte linii se raportează ca procente fata de acesta (abundenţă relativă). Intensitatea se exprimă în unităţi de ionizare totală, determinând contribuţia fiecărui semnal la ionizarea totală (%).Se pot observa liniile ce corespund abundenţei relative în fiecare caz, notate cu I (%) şi raportate la ionul cu abundenţă maximă.

In molecule stabile, ionul cu abundenţă maximă este numit ion molecular şi corespunde structurii moleculei iniţiale.

In spectru, abundenţa I(%) este reprezentată ca funcţie de sarcina specifică (m/e) a ionilor rezultaţi.

M-1 M+1

M

Aplicatii ale Spectrometriei de masa1. Determinarea masei moleculare prin masa ionului molecular M+

care are de obicei abundenţa cea mai mare. Valoarea masei este exactă şi se calculează în numere întregi . Aplicatii: molecule mici ( glucide, lipide, aminoacizi, medicamente)

utilizind sistem EI sau CI, ESI cuplat cu Q-TOF. Biopolimerii se determina prin metoda MALDI.

2. Determinarea structurilor moleculareDeterminarea formulei structurale, mai ales la substanţe cu masă

moleculară mare (unde apar posibilităţi variate de legare a atomilor componenţi) cere multă practică şi experienţă a evaluatorului.

Etapele determinării sunt :• identificarea ionului molecular M+ • se alege cea mai probabilă structură, pe baza studierii modelelor de

fragmentare, corelate cu regulile de fragmentare • se compară spectrul necunoscut cu al unei substanţe etalon, realizat

în aceleaşi condiţii, cu acelaşi spectrometru de masă.

Spectrometria de masa (SM) determina ioniifragmentelor rezultate dupa “spargerea” (sub actiunea electronilor accelerati) a moleculeiinitiale (M)•Spectrul de masa reprezinta abundenta nr de ioni in functie de raportul lor masa/sarcina•Analiza se face in faza gazoasa, nu in solutie• Structura poate fi elucidata prin determinareamasei fragmentelor si reconstituirea moleculeiinitiale

Concluzii

Spectrometria UV-Vis: indica prezenta de legaturiduble conjugate si compusii aromatici

Spectrometria FT-IR: indica gruparile functionale din molecule polare

Spectrometria H-NMR sau C-NMR : indica numarulde H sau C si pozitia lor in molecula, determinindstructura moleculara

Spectrometria de masa: indica masa moleculei sistructura ei pe baza gruparilor fragmentate

Ce indicatii specifice ne dau metodele de spectrometrie moleculara?