Utilizarea metodelor spectrometrice 

56711

(RMN­UV­ VIS­IR­MS) pentru studiul structurii si compozitiei produselor 

OSD

RU ID

 5alimentare

Proiect P

O

Conf. dr. ing. George MARTON

Denumirea programului de studii: Chimie alimentaraAn: I Sem: I

Adresa de contact: Polizu 1‐3, Bucuresti 

E‐mail: al_marton@chim.upb.ro

Tel: 021‐4023940

Cuprins

56711

Introducere. 

Generalitati

Tipuri de spectroscopii

OSD

RU ID

 5Spectroscopia optica

Spectroscopie de absorbtieSpectroscopia de UV‐Vis

Proiect P

O

Spectroscopia de IR

Spectroscopie de emisieSpectroscopia de fluorescenta

Spectroscopia de fosforescenta

Spectroscopia de imprastiereSpectroscopia Raman

S t i d R t M ti N l (RMN)Spectroscopia de Rezonanta Magnetica Nucleara (RMN)

Spectroscopia de Masa

Bibliografie1 M di M M b ( dit ) “S t l M th d i F d A l i ” M l D kk I

56711

1. Magdi M. Mossoba (editor), “Spectral Methods in Food Analysis”, Marcel Dekker Inc., New York, 1999 

2.  R. Martin Smith, “Understanding Mass Spectra: A Basic Approach”, John Wiley & Sons, Inc. 2004

OSD

RU ID

 53.  Jerry Workman, Jr. Lois Weyer, “Practical Guide to Interpretive Near‐InfraredSpectroscopy”, CRC Press Taylor & Francis Group, 2008

4.  Semih Ötles, “Methods of Analysis of Food Components and Additive”, CRC Press Taylor & Francis Group, 2004

Proiect P

OTaylor & Francis Group, 2004

5.  Francis Rouessac, Annick Rouessac“, Chemical analysis : modern instrumentation and methods and techniques”,  John Wiley & Sons Ltd, 2007

6.  Steen Kjær Andersen, Per Waaben Hansen and Hans Villemoes Andersen, “Vibrational Spectroscop in the Anal sis of Dair Prod cts and Wine” John Wile &“Vibrational Spectroscopy in the Analysis of Dairy Products and Wine”,  John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2002

7.  J. Michael Hollas, “Modern Spectroscopy”, John Wiley & Sons Ltd, 2004

Spectroscopiaoptica

56711

Marimi• Lungimea de unda intre 200 nm si 50000 nm

• Frecventa intre 6 THz 1500 THz

OSD

RU ID

 5Frecventa intre 6 THz 1500 THz

• λ=c/ν

(c=viteza luminii [ms‐1], ν= frecventa [Hz])

• E=h ν

Proiect P

OE h ν

(h=constanta lui Planck 6.62606896(33)×10−34 Js)

• N=1/λ [cm‐1]

• E =E l+E ib+E +E (E l>E ib>E >E )Etot=Eel+Evib+Erot+Etr   (Eel>Evib>Erot>Etr)

• Eel  ‐ spectre Uv‐Vis

• Evib+Erot – spectre IR

• E – spectre microundeErot  spectre microunde

• Etr nu produce spectre • Fig din wikipedia

EnergieNumar de

undaLungimea de

undaFrecventa

υ

Spectral Properties, Application and Interactions of Electromagnetic Radiation

56711

Raze

λTip

RadiatieTip

SpectroscopieTip

Transitie Cuantica

Kcal/mol

Electron volt,eV cm-1 cm Hz

Emisie Rx

OSD

RU ID

 5

Ul

egama9.4 x 107 4.9 x 106 3.3 x 1010 3 x 10-11 1021

9.4 x 103 4.9 x 102 3.3 x 106 3 x 10-7 1017Raze X

Emisie Rx

Absorbtie, emisie Rx

Nuclear Electronica (strat interior)

Proiect P

O

VisibleUltra violet

9.4 x 101 4.9 x 100 3.3 x 104 3 x 10-5 1015

9 4 x 10-1 4 9 x 10-2 3 3 x 102 3 x 10-3 1013 Infrarosu

Absorbtie UV

Absorbtie IRVibratii Moleculare

Electronica (strat exterior)

R di

9.4 x 10 4.9 x 10 3.3 x 10 3 x 10 10

9.4 x 10-3 4.9 x 10-4 3.3 x 100 3 x 10-1 1011Micro-unde

Absorbtie microunde

Rezonanta

Rotatie Moleculara

Stari de spin Radio

9.4 x 10-7 4.9 x 10-8 3.3 x 10-4 3 x 103 107 Radiomagnetica nucleara

induse magnetic

Spectroscopia UV‐Vis

56711

• Produsa de tranzitiile electronilor de valenta (HOMO – LUMO)

Tranzitii permise in Uv‐Vis Tranzitii electronice in formaldehida

OSD

RU ID

 5

H

C O

Proiect P

OH

C

H

OH

π→π*

H

n→π*

C

H

O

E

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Tranzitiile electronice cu subnivele de vibratie si rotatie

Spectrul rezultat (structura fina si hiperfina)

• Legea Lambert‐Beer

a εlc 0l l lI IA T l

56711

a=εlc 0

0

log log logA T lcI I

ε= − = − = =

• Abateri datorate fenomenelor optice

OSD

RU ID

 5

I0 2 1

0 2 1

2

2

( )( )

rII

η ηη η

−

+=

Ir

Proiect P

O

Pierderi prin reflexie

I

Pierderi prin imprastiere (Tyndall si Raman)Pierderi prin imprastiere (Tyndall si Raman)

• Abateri datorate erorilor instrumentale

•

56711

La maximum de absorbanta o eroare de masurare a lungimii de unda nu are 

consecinte importantea

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Pe panta peak ului erorile de masurare aPe panta peak‐ului erorile de masurare a lungimii de unda au consecinte majore

λ

Determinarea compozitiei amestecurilor binare

56711

aSe poate aplica legea Lambert Beer

OSD

RU ID

 5

λ1λ2

Se poate aplica legea Lambert‐Beer independent  

Proiect P

O

λ

56711

' ' '1 2

" " "1 2

X Y X Y

X Y X Y

A lc lc

A lc lc

e e

e e+

+

= +

= +

OSD

RU ID

 5

Se construieste un sistem de doua

Proiect P

OSe construieste un sistem de doua ecuatii cu doua necunoscute prin determinarea ε la doua lungimi de unda diferite pentru fiecare 

t λ’ i λ’’componenta λ’ si λ’’

Spectroscopiade fluorescenta si fosforescentaTranzitii electronice in fluorescenta si fosforescenta

E

56711

fluorescentafosforescenta

E

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

E0E0

SpectroscopiaRaman

56711

• Se produce datorita imprastierii luminii de catre molecule

Niveluri 

OSD

RU ID

 5energetice virtuale

Proiect P

OStari energeticede vibratie

Absorbtie Imprastiere Imprastiere ImprastiereAbsorbtie in IR

Imprastiere Rayleigh

Imprastiere Raman Stokes

ImprastiereRaman anti‐Stokes

• Proportia de lumina imrastiata este dependenta de lungimea de unda

56711Aimp

di este diamentrul particuleid1>d2

OSD

RU ID

 5

1imp nA

λ∝

Proiect P

Onλ d1

λ

d2

λ

S t l R b t l CCl

56711

Spectrul Raman brut al CCl4

Linii StokesLi i R l i h

OSD

RU ID

 5Linia Rayleigh

Proiect P

O

Linii anti‐StokesLinii anti Stokes

Spectrele IR siRaman ale alcoolului etilic

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Spectroscopiade infra‐rosu (IR)2J=1

etcsubnivele

56711Produsa de vibratiile moleculare 

peste care se suprapun sub‐nivele de rotatie J=3

J=4

Evib=5/2hν0

nivelsubnivele

v=2J=1J=0

subnivelerotationale

OSD

RU ID

 5de rotatie

ergi

a

Evib=3/2hν0J=1J=2

J 3

J=0

nivelvibrational

subnivelerotationale

v=1

Proiect P

OEne

J 3

J=4

nivelsubnivele

Evib=1/2hν0J=1J=2

J=3

ΔJ= 0

J=0

ΔJ +1 ΔJ= 1

nivelvibrationalrotationale

v=0

ΔJ= 0ΔJ= +1 ΔJ= -1

Tranzitii Δv = 1

ramura Pramura Qramura R

ν1

ν1

ν1

CO S

56711

1

ν2ν2

ν1

ν2

OSD

RU ID

 5

ν3ν3

ν3

Proiect P

O

++ _ ν4 +

_ν4+

Are loc de fapt rotatia moleculei++ _ ν4+

Vibratiile moleculei liniare simetrice de CO23 5

Vibratiile moleculei liniare de COS3n‐5

Vibratiile moleculei de apa3n‐6

3n‐5 3n‐5

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Spectre IR ale unor uleiuri vegetaleSpectre IR ale unor uleiuri vegetale

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Analiza PCA a spectrelor IR ale uleiurilor anterioare

SpectrometriaRMN

56711

Orientarea momentelor magnetice in absenta  cimpului exterior (a) si in prezenta acestuia (b)

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Variația energiei in funcție de intensitatea câmpului magnetic exterior

56711

exterior

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Intensitea cimpului magnetic exterior 

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Efectul de dezecranare produs de curentul de inel din compusii aromatici

56711

curent de inelIn interiorul buclei de curentcâmpul electric produs este opus

OSD

RU ID

 5câmpul electric produs este opuscâmpului exterior in timp ce inexteriorul buclei liniile de câmpsunt paralele cu câmpul exterior si

î ă d â d

Proiect P

Ose însumează cu acesta producânddezecranarea atomilor de hidrogen(δ=6,5‐8 ppm)

In cazul grupării carbonilefectul de dezecranare esteprodus intr‐un spațiu conic pedirecția dublei legăturidirecția dublei legături

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

56711In cazul dimetilformamidei

rotația in jurul legăturiiazot carbon este

OSD

RU ID

 5azot‐carbon esteîmpiedicata la temperaturinormale, dar latemperatura ridicata

Proiect P

Orotația devine posibila sicele doua semnale alegruparilor metil secontopesccontopesc.

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Informatia in domeniul timp (FID) si in domeniul frecventa (Spectru)Trecerea de la o reprezentare la cealalta se face printr‐o transformare Fourier

APT=ATTACHED PROTON TEST

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

DEPT=DISTORTIONLESS ENHANCEMENT BY POLARIZATION TRANSFER

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Spectrul 1H‐RMN al vitaminei C

56711

13C‐ RMN

OSD

RU ID

 5

DEPT 135

Proiect P

ODEPT 135

Spectrul 13C‐RMN si DEPT ale vitaminei C

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Spectrul  COSY al vitaminei C

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Spectrul HMQC al vitaminei C

Spectrometriade masa

56711

• Se bazează pe fragmentarea moleculelor organice prinbombardarea acestora cu electroni si determinarea maseifragmentelor rezultate si abundenta acestora

OSD

RU ID

 5fragmentelor rezultate si abundenta acestora

Proiect P

O

Mecanismulde fragmentare

56711CH3CH2CH3

OSD

RU ID

 5

+ e

+

Proiect P

OCH3CH2 CH3+ •+

•+

+ 2e

CH3CH2 CH3 CH3CH2 CH3++ • •+

Fragmentarea 2‐Metilpentanului

56711

CH3CH2CH2 CHCH3

CH3

+• +

OSD

RU ID

 5

CH3+•

Usor

Usor

CH3CH2CH2 3

m/e 43

CH3

Proiect P

O

CH3CH2CH2CHCH3

/ 86Mai dificil

CH3 CH3CH2CH2CHm/e 71

+• +

m/e 86

CH3CH2 CH2CHCH3

CH3+• +

m/e 57

Spectrul de masa al 2‐Metilpentanului

56711

10043

C H 3

OSD

RU ID

 5

60

80 C H 3C H 2C H 2C HC H 3

C H 3

Proiect P

O

40

60

7120 57

71

86, M+

m/z10 20 30 40 50 60 70 80 90

Spectrul de masa al pentanului

56711

43

80

100 CH3CH2CH2CH2CH3

OSD

RU ID

 5

60

80

5742

Proiect P

O

20

40

72 M+

41

392720

10 20 30 40 50 60 70

72, M+3929

10 20 30 40 50 60 70m/z

Acizii grași

56711

Peak-ul molecular al acizilor grași liniari este slab dar de obicei identificabil.Peak-ul caracteristic (uneori este si peak de baza) este la m/e 60 datoritatranspoziției McLafferty.

OSD

RU ID

 5

.O C H RH

H 2C C HR..+

Proiect P

O

O HH•

+

COHC H2

C H 2

CHOC H 2

O H

H O CO

C H 2

•• +•

•

Transpozitia McLafferty a FAME si a compusilor aromatici

56711

• +• •O CR2

H

R2C CH2

OSD

RU ID

 5

CCH3OCH2

CH2

2 2

Proiect P

O

•• +••• +

• ••

+O

H OH

CCH3OO

H

CCH3O

•

CCH3OCH2

3CH2

CCH3OCH2•

•

/ 74m/e 74

Compusi aromatici

56711

+•

-H -CO

C H2O H O H

•

OSD

RU ID

 5

m/e 108 m/e 107

+

Proiect P

O

+

-H 2

HH HH

+

H 2

HH

H

m/e 79[C 6H 7]+ m/e 77

[C 6H 5]+

Spectrul de masa al acizilor grasi si esterilor metilici ai acizilor grasi

56711

OSD

RU ID

 5Proiect P

O

Lucrari de laborator

56711• Aplicații ale spectroscopiei UV‐Vis in analize calitative si cantitative

• Aplicații ale spectroscopiei IR in analize calitative si cantitative

OSD

RU ID

 5• Aplicații ale spectroscopiei IR in analize calitative si cantitative

• Aplicații ale spectroscopiei MS in analize calitative si cantitative

• Aplicații ale spectroscopiei 1D si 2D RMN in identificări structurale ale unor

Proiect P

O• Aplicații ale spectroscopiei 1D si 2D RMN in identificări structurale ale unor

compuși izoltați din produse alimentare

• Aplicații ale spectroscopiei 1D si 2D RMN in analize cantitative si calitative

efectuate direct pe fluide alimentare

• Analiza structurala complexa bazata pe corelații intre informații spectrale

• Dozarea unui aditiv alimentar prin metode spectrale.