lamber-berovzakon bojai strukturamolekula specifičnarotacija · d optički inaktivna, n l =n d...
TRANSCRIPT
•Lamber-Berov zakon
•Boja i struktura molekula
•Specifična rotacija
Grotus-Draperov zakon:
I0 = IA + IT + IR
RTAI
I
I
I
I
I RTA ++=++=000
1
apsorpcijatransparencija
refleksija
Energy levels in molecules are a morecomplicated than those in atoms
‘Clean’ electronicenergy levels
Each electronic energy level hasmany vibrational levels and each ofthese has many rotational states
Vo
V1
V1
Vo
Rotational Energy Levels
Vibrational Energy Level
Electronic Energy Levels A few of the many rotational -vibrational - electronic transitions possible
Figure 1. Energy level diagram illustrating the energy changes associated with absorptionof electromagnetic radiation
Energetski nivoi u molekulima su mnogosloženiji od onih u atomima
Svaki elektronski nivo ima mnogovibracionih a svaki vibracioni mnogorotacionih nivoa
Čisti elektronskienergetski nivoi
Atomski
Molekulski
Figure 2.The ground state consists of one electronic energy level, one or more vibrational energy levels, and a very large number of rotational energy states.The excited state has the same features. The result of transitions between all
Wavelength
these levels is a broad spectrum, rather than a series of narrow lines.
ABSORBANCE
Line Emission Spectra for Atoms
Broad Absorption Spectrum for Molecules
Linijski emisioni spektar atoma
Širok apsorpcioni spektar molekula
Osnovno stanje se sastoji od jednog elektronskog energetskog nivoa, jednog ili više vibracionih i velikog broja rotacionih stanja. Slično je sa pobuñenim stanjima. Pri prelazu
izmeñu svih ovih nivoa nastaje širok spektar a ne niz oštrih linija
Količina apsorbovane svetlosti je proporcionalna koncentraciji analita.
A = f[analit]: A = m[analit] + b
Zračenje i spektroskopija
Molekulskerotacije
7.5 x 10-4 – 3.75 x 10-3mikrotalasna
Molekulskevibracije
7.8 x 10-7 – 3 x 10-4infracrvena
elektroni veza1.8 x 10-7 – 7.8 x 10-7UV- vidljiva
unutrašnjielektroni
1 x 10-9 – 1 x 10-8X-zraci
Nuklearni5 x 10-13 – 1.4 x 10-10Gama zraci
PrelaziTalasna dužina: λλλλ, mZračenje
UV: 180 – 380
Vid: 380 – 780
nanometri nm 1nm = 1 x 10-9m
Fotoni ili talasni paketi energije E =
hc/λλλλE
λ
Intenzitet svetlosti, I, je energija u jedinici vremena po jediničnom prostornom uglu
Shematski prikaz jednostavnog spektrometra
Transparencija je T=I/I0
II0
IIzzvovoññenjeenje LambetLambet--BeerBeer--ovogovog
zakonazakona
Izvorsvetlosti Disperzioni element Uzorak
Detektorsvetlosti
IzvoñenjeIzvoñenje A=A=εεεεεεεεcbcb
IcdxdI ε−=
Smanjenje intenziteta svetlosti je srazmerno intenzitetuzračenja, debljini sloja dx i koncentraciji c:
ε konstanta proporcionalnosti
Upadna svetlost
Propuštena svetlostI I-dI
Rastvor kojiapsorbuje
IcdxdI ε−=
cdxI
dIε−=
Deljenjem obe strane sa I
Sada integralimo obe strane
∫∫ ε−=bI
I
cdxI
dI
00
I I-dI
Sada integralimo obe strane: ∫∫ ε−=bI
I
cdxI
dI
00
cbI
I
I
Iε−=×=
00
log303.2ln
acbAT ==− log
Dobija se:
acbcbI
I=
ε=
303.2log 0
Beer-Lambert-ov zakon
A =a c b
Lambert-ov zakon
A ∝ b
Beer-ov zakon
A ∝ c
+
c - koncentracija
ε konstanta proporcionalnosti je ekstinkcioni koeficijent
a- molarna apsorptivnost.
a je nagib zavisnosti
A od c.
Veličina a (ε) zavisi od talasne dužine.
Fosfat u morskoj vodi talasna duzina 880nm
y = 0.12078x - 0.00193R2 = 0.99989
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
concentration uM
A
ε
Jedinice akoncentracija-1.dužina-1
tj.: dm3 mol-1 cm-1
• Apsorpcioni spektar
• Analitička prava
C1
C2
350 400 450 λλmax
A1
A2
A3
A
AX
340350
370
390
410
C C C C1 X 3 C
a) b)
A
Ograničenja Beer-ovog zakona
• Realna– Pri velikim koncentracijama dešavaju se efekti
interakcije izmeñu apsorbujućih vrsta
• Hemijska– Analit disosuje/asosuje ili reaguje sa rastvaračem
• Instrumentalna– ε = f(λ); većina svetlosnih izvora su polihromatski a ne
isključivo monohromatski
– rasejana svetlost nastala refleksijom na monohromatoru
a) Kvalitativno: A =a c l
Mnoge organske funkcionalne grupe imaju dobro definisane apsorpcione
karakteristike: λmax & ε ili a (obično u UV)
- napraviti rastvor poznate koncentracije (c)
- snimiti spektar izmeñu 180 i 350nm
- identifikovati λmax, izračunati ε ili a
Prelazni metali često obojeni zbog prelaza izmeñu d orbitala –
apsorbuju u vidljivoj oblasti,broj pikova i λmax & ε
identifikuju metalni jon & geometriju
SWH p560
Ne-obojeni analiti mogu reagovati dajući obojena
jedinjenja npr. PO43-
Apsorpcioni Spektar
Io I
Uzorak
b- Dužina ćelije
T, je transparencija. Ona je deo upadne svetlosti
propušten kroz uzorakT = I/Io
A, apsorbancija je definisana kaoA = log10(Io/I)= -log10(T)
Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u vezujućim
orbitalama analitaPr: Mesta nezasićenih veza u
oprganskim molekulima, npr. dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) π→ π *, ilid →d prelazi u metalnim kompleksima
ili Metal d → ligand prelazi
λmax
talasna dužina na kojoj je A
maksimalno
KMnO4
b) Kvantitativna analiza
i) <Koristi se Beer-Lambert-ova jednačinaA =ab c
- pripremiti rastvore analita i dodati reagense (ako su neobojeni)
- meriti apsorbanciju na poznatim λmax i b
- Naći a i izračunati c.
Molarne apsorptivnosti nisu precizno poznate, stoga ovakva izračunavanja nisu precizna.
Teško se radi ovako
ii) Koristiti kalibracione krive – uobičajen metod.
-Prepremiti set standarda i dodati reagense
-Meriti njihove apsorbancije na λmax
-Nacrtati A u funkciji od c standard:
-Izmeriti apsorbanciju analita
-Očitati za izmerenu apsorbanciju analita (uzorka) koncentraciju ili iz analitičke prave izračunati koncentraciju analita
Phosphate in marine water wavelength 880nm
y = 0.12078x - 0.00193R2 = 0.99989
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
concentration uM
A
Boja i struktura molekula
�Položaj i oblik apsorpcionih traka različitih supstancija u VIZ i
UV delu spektra u vezi je sa strukturom tih supstancija
�Atomi ili atomske grupe čija ekscitacija elektrona dovodi do
apsorpcije fotona nazivaju se hromoforama i njihovo prisustvo u
molekulu odgovorno je za boju supstancije
�Najčešće hromofore u organskim molekulima su atomske grupe sa
dvostrukim i trostrukim vezama u kojima su elektroni labavije
vezani
�Hromofrne grupe su: −−−−C=C−−−−, −−−−N=N−−−−, −−−−C=O−−−−, -N=O- itd.
�Joni prelaznih metala kao i usamljeni parovi elektrona u
radikalima predstavljaju hromofore
Boja supstancije je odreñena neapsorbovanim delom
kontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je
propušten i koji je komplementaran sa apsorbovanim
delom bele svetlosti.
Mineral obojen zbog apsorpcije metalnog jona
Boja kompleksa prelaznih metala
Rubin
Korund
Al2O3 sa nečistoćama Cr3+
Safir
Korund
Al2O3 sa nečistoćama Fe2+ i Ti4+
Smaragd
Beril
AlSiO3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr3+
oktaedarski raspored gde metalni
centar ima koordinacioni broj 6
Vidljivi spektar-380 do 780 mnm
Talasna dužina
Ako supstancija ovdeapsorbuje......
ovde sejavlja boja
Oduzimanjem apsorbovane svetlosti dolazimo do boje koju vidimo
Rastvor kompleksa titana(III) ima ljubičastu boju jer apsorbuje žuto i zeleno
Ljubičasto obojen filter apsorbuje žutu i zelenu boju bele svetlosti
Rastvori halogena u CCl4
Fluor-bezbojanHlor-apsorbuje ljubičasto i plavo-žuto zelenBrom-apsorbuje plavo i deo zelenog-mrko crvenJod-apsorbuje zeleno-roze ili purpuran
Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa
ligandima koje metali vezujuSvi kompleksi sadrže Co(III) i 5NH3
Alura crveno, boja za hranu
• Generalno ravan molekul
• prstenovi ugljenikovih atoma
• Azotovi atomi povezuju prstenove
• Elektroni u prstenovima pokrtetljivi i apsorbuju svetlost.
• Većina boja koje se koriste u industriji hrane su slične strukture.
Kristalno ljubičasto• Molekul sa konjugovanim pi (π) vezama
C N(CH3)2
N(CH3)2
N(CH3)2
Crystal Violet
(Intense Violet Color)
+ OHC N(CH3)2
N(CH3)2
N(CH3)2
OH
Colorless Product
Boja i struktura
�Batohromni efekat predstavlja pomeranje apsorpcionog
maksimuma prema većim talasnim dužinama što se postiže
ubacivanjem nezasićenih konjugovanih grupa.
�Hipsohromni efekat je suprotan od batohromnog i predstavlja
pomeranje apsorpcionog maksimuma prema kraćim talasnim
dužinama ubacivanjem npr. CH2 grupe.
�Hiperhromni efekat predstavlja povećanje apsorbancije
apsorpcione trake
�Hipohromni efekat nastaje kada strukturne promene u molekulu
dovode do snižavanja apsorbancije apsorpcionog maksimuma
usled strukturnih promena u molekulu.
Uvoñenjem auksohromnih grupa kao što su OH, OR, OCH3, NH2 u kiseloj sredini ili antiauksohromne grupe CN, CO, NO koje deluju u baznoj sredini dolazi do promene položaja ili intenziteta apsorpcionog maksimuma.
Polarizacija EM zračenja
Polarizacija EM zračenja
EM zračenje se sastoji od oscilacija električnog i magnetskog polja, uzajemno normalnih. Generalno, oscilacije električnog polja se NE dešavaju u odreñenoj (y,x) ravni. Zračenje nije polarizovano.
λ
Polarizacija EM zračenjayyyy
xxxx
zzzz
xxxx
zzzz
yyyy
xxxx
zzzz
yyyy
xxxx
zzzz
yyyy
xxxx
zzzz
yyyy
xxxx
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
Kada EM zračenje nije polarizovano, svi tipovi oscilacija su jednako verovatni. Kao posledica, ravan oscilacija EM zračenja varira haotično sa vremenom.
Polarizacija EM zračenjaPolarizacioni filter može izmeniti nepolarizovanu u linerno polarizovanu EM zračenje. Dobar primer je polaroid filter koji se sastoji od paralelno postavljenih izduženih molekula. Samo svetlost polarizovana duž izvesnog pravca prolazi kroz filter, dok je normalna komponenta potpuno apsorbovana.
Nepolarizovano EM zračenje
Horizontalno polarizovana komponenta je apsorbovana
Vertikalno polarizovana komponenta EM zračenja prolazi.
��PolarizaPolarizacciija se moja se možže dobiti e dobiti od nepolarizovanog zrakaod nepolarizovanog zraka
��seleselektivnom apsorpcijomktivnom apsorpcijom
��reflerefleksijomksijom
��rasejavanjemrasejavanjem
Polarizacija EM zračenja
Linearno polarizovano zračenje se vrši u jednoj ravni i vrh električnog vektora opisuje sinusoidu. Linearno polarizovana svetlost odgovara superpoziciji levo i desno cirkularno polarizovanim talasima istog intenziteta.
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzz
yyyy
zzzzxxxx
xxxx
xxxx
Linearno polarizovana svetlost
Poreñenje linearno i cirkularno polarizovane svetlosti
Vektor E (električnog polja) linearno
polarizovane svetlosti (takoñe se zove i polarizovana svetlost u ravni)-osciluje u ravni sa promenjljivim intenzitetom (konstantan pravac a modulisana amplituda).
Nasuprot tome vektor E cirkularno
polarizovane svetlosti osciluje sa konstantnom amplitudom menjejući pravac (modulisani pravac).
Optička aktivnost znači da supstancija interaguje različito sa levo i desno cirkularno polarizovanom svetlošću manifestujući dva različita ali povezana fenomena:
1) Optička rotacija – posledica različitih indeksa prelamanja za desno i levo cirkularno polarizovanu svetlosta -- tj., nL≠≠≠≠ nD
optički inaktivna, nL= nD optički aktivna, nL≠≠≠≠ nD
Treba uočiti da vrh električnog vektora opisuje spiralni trag u prostoru (koji može biti u smeru kazaljke na sdatu ili suprotnom)
Optički aktivne supstancije su providne supstancije koje
obrću ravan polarizovane svetlosti
c
nn
vvt ld
ld
')('' lll −=−=∆
λπ
λπ
θl2
)(2
⋅−=⋅∆=∆ ld nntc
∆θ
L-komponenta (spora)
D - komponenta (brza)vd
• Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno da li su L ili D-oblik.
Optička aktivnost
OPTIČKA AKTIVNOST
OPTIČKI AKTIVNE SUPSTANCIJE ROTIRAJU
RAVAN POLARIZACIJE POLARIZOVANE SVETLOSTI
KOJA JE RAZLIKA
IZMEðU DESNE I
LEVE RUKE?
NAŠ SVET JE SVET DEŠNJAKA
SPIRALNE STEPENICE SE PENJU NAVIŠE U SMERU KAZALJKE NA
SATU
APPROX. 90% SU DEŠNJACIAPPROX. 10% LEVACI
Ova grupa atoma je ISPRED, ali ide IZA pri rotaciji
Molekuli, kao i vaše ruke, koji ne mogu da se rotacijom ili pomeranjem poklope sa svojim ogledalskim likom su hiralni.
Louis Pasteur
Pateur je osećao da se enantiomeri mogu razlikovati/razdvojiti samo živim organizmima
Dvojno prelamanje(u kristalu kalcita)
Optička aktivnost (zove se i “hiralnost”)
Neke supstancije obrću ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke na satu (“desnogiri”) a neki u suprotnom smeru kazaljke na satu(“levogiri”).
Obrtanje ravni polarizovane svetlosti srazmerno je rastojanju. Optička aktivnost je otkrivena 1811 od strane Arago-a.
Optička aktivnost (zove se i “hiralnost”)
�Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ilikristalne rešetke. Zavisno od toga optička aktivnost može biti:
�Permanantna kada se ova osobina ne gubi sa promenom stanja date supstancije
�Promenjljiva kada se optička aktivnost javlja samou kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji
Promenjljiva optička aktivnost-desnogirii levogiri materijali
Većina prirodnih materijala ne pokazuje hiralnost, ali oni koji to pokazuju su optički aktivni
Ovi oblici kvarca imaju istu hemijsku formulu i strukturu ali suogledalske slike jedan drugoga. Jedan oblik kvarca obrće ravan polarizovane svetlosti u desno i smeru kazaljke na satu a drugi u suprotnom smeru.
Promenom stanja supstancije, odnosno narušavanjem spiralnograsporeda čvorova kristalne rešetke, gubi se optička aktivnost. Ovakvo ponašanje pokazuje kvarc, natrijum hlorat ili kalijum bromat
Levogiri i desnogiri molekuli
Ključni molekuli života su skoro svi levogiri. Šećer je jedna od najhiralnijih poznatih supstancija.
Molekuli pogrešne hiralnosti mogu izazvati ozbiljne bolesti (npr.talidimid) dok je drugi “enantiomer” bezopasan.
Ako bi hteli da otkrijete znake života na drugoj planeti trebalo bi da potražitite hiralnost.
Enantiomeri (ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom)
Permanantna optička aktivnost
• Najčešće optička aktivnostmolekula potiče od prisustvaasimetričnog atoma (atomi čijesu valence asimetričnozaposednute, različitim atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetričniugljenikov atom. Tako kod αααα-hidroksipropionske kiselineasimetrični ugljenikov atom se nalazi u centru tetraedra, a u rogljevima su smeštene četirirazličite atomske grupe: H, COOH, CH3 i OH (od αααα-amino kiselina samo glicin ne pokazuje optičku aktivnost).
Permanantna optička aktivnost
• I drugi atomi kao: Si, N, P, S, Se, Te, Cr, Co, platinski metalii dr. mogu biti asimetričnicentri koji izazivaju optičkuaktivnost. Svi oni takoñe imajutetraedarsku strukturu. I kompleksne soli metala sakoordinacionim brojem četiri(Cu, Pb, Co, Pd i Pt), ako suvezani za različite atome iliatomske grupe takoñepokazuju optičku aktivnost. Centralni katjon može imati i koordinacioni broj 6, a molekultada ima oktaedarskustrukturu.
Inozit zbog asismetrije molekulatakoñe pokazuje optičku aktivnost
Permanantna optička aktivnost
�Optičkim enantiomeri ili antipodi su dva oblika istog optičkiaktivnog jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga. Enantiomeri imaju identične hemijske osobine sem kadareaguju sa drugim hiralnim jedinjenjima (često pokazuju i različitu rastvorljivost u rastvaračima koji se sastoje od hiralnih molekula). Posledica ove razlike u reaktivnosti je da se enantiomeri mogu razlikovati u mirisu i biološkoj i farmakološkoj aktivnosti, a samo jedan od enantiomera pokazuje ovu aktivnost. �Sintetičke supstancije sadrže uvek oba enantiomera u istimkoličinama, tako da je nagrañena smeša optički inaktivna i nazivase racematskom smešom. Amino kiseline laboratorijskisintetizovane su racematske smeše. Nasuprot tome reakcije u živimćelijama kao rezultat daju samo jedan enantiomer koji je biološkiaktivan.
Specifična rotacija
[ ]ρα
α θλ
l=
[ ]wm ρ
ααα θ
λll
100100==
[ ] [ ]θλθλ αMM =
)(180
DL nn −λ
=αλ
lugao rotacije
specifična rotacija čiste supstancije
specifična rotacija rastvora optički
aktivne supstancije
molarna rotacija
Cirkularni dihroizam
• "Dihroizam" se koristi da označi apsorpcijusvetlosti koja zavisi od pravca i javlja se kod optički aktivnih supstancija. Stogacirkularni dihroizam se odnosi na različituapsorpciju polarizovane svetlosti paralelnoili normalno na neku referentnu osu.
• “Dvojno prelamanje” se odnosi nazavisnost indeksa prelamanja od pravca
.
2) Cirkularni dihroizam- posledica razlčitih koeficijenata ekstinkcije za L i D
CPS (tj, εεεεL≠≠≠≠ εεεεD).
Polarizovana svetlost u
ravni se može smatrati da
se sastoji od L- i D
cirkularno polarizovanih
komponenata istog
intenziteta. Različita
apsorpcija L i D
komponenata, posle
prolaska kroz optički
aktivnu sredinu menja
polarizovanu svetlost u
ravni u eliptično
polarizovanu svetlost.
Tehnika optičke rotacione disperzije (ORD) ispituje zavisnost
optičke aktivnosti od talasne dužine
Cirkularni dihroizam
3) Optička rotaciona disperzija (ORD) i csirkularni dihroizam (CD) su
matematički povezane pojave i ako merite jednu drugu možete izračunati
korišćenjem postupka koji se zove Kronig-Kramers-ova transformacija.
4) CD se češće koristi od ORD za ispitivanje
biomolekula.
- Bolja rezolucija (ORD signal je proširen).
- Bolja osetljivost.
- Lakše za dešifrovanje (1:1 odnos izmeñu
apsorpcionih pikova i CD signala).
Shematski prikaz CD spektrometra