Lamber-Berov zakon Boja i struktura molekula. Specifična rotacija

Transcription

1 Lamber-Berov zakon Boja i struktura molekula Specifična rotacija

2 Grotus-Draperov zakon: I 0 = I A + I T + I R 1 = I I A 0 + I I T 0 + I I R 0 = A + T + R refleksija apsorpcija transparencija

3 Energetski Energy levels nivoi in u molecules molekulima are su a mnogo more složeniji complicated od onih than u atomima those in atoms Svaki Each electronic elektronski energy nivo level ima hasmnogo vibracionih many vibrational a svaki levels vibracioni and each of mnogo these has many rotational states rotacionih nivoa Čisti Clean elektronski electronic energetski energy levels nivoi V 1 V o Electronic Energy Levels A few of the many rotational - vibrational - electronic transitions possible Atomski V 1 V o Rotational Energy Levels Vibrational Energy Level Figure 1. Energy level diagram illustrating the energy changes associated with absorption of electromagnetic radiation Molekulski

4 Linijski Line Emission emisioni Spectra for spektar Atoms atoma A B S O R B A N C E Wavelength Osnovno stanje se Figure sastoji 2.The od ground jednog state consists elektronskog of one electronic energetskog energy level, one or more nivoa, jednog ili više vibracionih i vibrational energy levels, and a very large number of rotational energy states. velikog The broja excited rotacionih state has the same stanja. features. Slično The result je of transitions sa pobuđenim between all stanjima. Pri prelazu these levels is a broad spectrum, rather than a series of narrow lines. između svih ovih nivoa nastaje širok spektar a ne niz oštrih linija Broad Absorption Spectrum for Molecules Širok apsorpcioni spektar molekula

5 Zračenje Količina apsorbovane svetlosti je proporcionalna koncentraciji analita. A = f[analit]: A = m[analit] + b Talasna dužina: λ, m Zračenje i spektroskopija Prelazi UV: Vid: nanometri nm 1nm = 1 x 10-9 m λ Gama zraci X-zraci UV- vidljiva 5 x x x x x x 10-7 Nuklearni unutrašnji elektroni elektroni veza E infracrvena mikrotalasna 7.8 x x x x 10-3 Molekulske vibracije Molekulske rotacije Fotoni ili talasni paketi energije E = hc/λ

6 Izvođenje Lambet-Beer Beer-ovog zakona Upadna svetlost I I-dI Rastvor koji apsorbuje Propuštena svetlost Smanjenje intenziteta svetlosti je srazmerno debljini sloja dx i koncentraciji c: di = εicdx ε konstanta proporcionalnosti

7 di = εicdx I I-dI Deljenjem obe strane sa I di I = εcdx Sada integralimo obe strane I I 0 di I = b 0 εcdx

8 Sada integralimo obe strane: I I 0 di I = b 0 εcdx Dobija se: ln I I 0 = log I I 0 = εcb I log 0 I ε = cb = acb logt = A = acb

9 Beer-Lambert-ov zakon A =a c b Beer-ov zakon A c + c - koncentracija A = m[analit] + d Lambert-ov zakon A b ε konstanta proporcionalnosti je ekstinkcioni koeficijent a- molarna apsorptivnost. a je nagib zavisnosti A od c. Veličina a (ε) zavisi od talasne dužine. Jedinice a koncentracija -1.dužina -1 tj.: dm 3 mol -1 cm -1 A Fosfat u morskoj vodi talasna duzina 880nm y = x R 2 = ε concentration um

10 Apsorpcioni spektar Analitička prava A A A C 2 A A X C 1 A λ λ max a) b) C C C C 1 X 3 C

11 Ograničenja Beer-ovog zakona Realna Pri velikim koncentracijama dešavaju se efekti interakcije između apsorbujućih vrsta Hemijska Analit disosuje/asosuje ili reaguje sa rastvaračem Instrumentalna ε = f(λ); većina svetlosnih izvora su polihromatski a ne monohromatski rasejana svetlost nastala refleksijom na monohromatoru

12 SPEKTROFOTOMETAR Shematski prikaz jednostavnog spektrometra Izvor svetlosti Disperzioni element Uzorak I 0 I Detektor svetlosti Intenzitet svetlosti, I, je energija u jedinici vremena, po jedinici površine, po jediničnom prostornom uglu Transparencija je T=I/I 0

13 a) Kvalitativno: A =a c l Mnoge organske funkcionalne grupe imaju dobro definisane apsorpcione karakteristike: λ max & ε ili a (običnouuv) - napraviti rastvor poznate koncentracije (c) - snimiti spektar između 180 i 350nm - identifikovati λmax, izračunati ε ili a Prelazni metali često obojeni zbog prelaza između d orbitala apsorbuju u vidljivoj oblasti, broj pikova i λ max & ε identifikuju metalni jon & geometriju -O h vs T d SWH p560 Ne-obojeni analiti mogu reagovati dajući obojena jedinjenja npr. PO 4 3-

14 Apsorpcioni Spektar I o U z o r a k I b- Dužina ćelije T, je transparencija. Ona je deo upadne svetlosti propušten kroz uzorak T = I/I o A, apsorbancija je definisana kao A = log 10 (I o /I) = -log 10 (T) Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u vezujućim orbitalama analita Pr: Mesta nezasićenih veza u oprganskim molekulima, npr. dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) π π *, ili d d prelazi u metalnim kompleksima ili Metal d ligand prelazi λ max talasna dužina na kojoj je A maksimalno KMnO 4

15 b) Kvantitativna analiza i) <Koristi se Beer-Lambert-ova jednačina A =ab c - pripremiti rastvore analita i dodati reagense (ako su neobojeni) - meriti apsorbanciju na poznatim λ max 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 Phosphate in marine water wavelength 880nm -Meriti njihove apsorbancije na λ max -Nacrtati A prema c: A = m[analit] standards + c -Izmeriti apsorbanciju analita -Izračunati koncentraciju analita [analit] uzorak = (A c)/m 0.3 A y = x R 2 = concentration um

16 Boja i struktura molekula Boja supstancije je određena neapsorbovanim delom kontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je propušten i koji je komplementaran sa apsorbovanim delom bele svetlosti. 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

17 Mineral obojen zbog apsorpcije metalnog jona

18 Boja kompleksa prelaznih metala Rubin Korund Al 2 O 3 sa nečistoćama Cr 3+ Safir Korund Al 2 O 3 sa nečistoćama Fe 2+ i Ti 4+ oktaedarski raspored gde metalni centar ima koordinacioni broj 6 Smaragd Beril AlSiO 3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr 3+

19 Vidljivi spektar Talasna dužina

20 Ako supstancija ovde apsorbuje... ovde se javlja boja

21 Oduzimanjem apsorbovane svetlosti dolazimo do boje koju vidimo

22 Rastvor kompleksa titana(iii) ima ljubičastu boju jer apsorbuje žuto i zeleno

23 Ljubičasto obojen filter apsorbuje žutu i zelenu boju bele svetlosti

24 Rastvori halogena u CCl 4 Fluor-bezbojan Hlor-apsorbuje ljubičasto i plavo-žuto zelen Brom-apsorbuje plavo i deo zelenog-mrko crven Jod-apsorbuje zeleno-roze ili purpuran

25 Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa ligandima koje metali vezuju Svi kompleksi sadrže Co(III) i 5NH 3

26 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.

27 Kristalno ljubičasto Molekul sa konjugovanim pi (π) vezama N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 2 OH C N(CH 3 ) 2 + OH C N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 2 N(CH 3 ) 2 Crystal Violet (Intense Violet Color) Colorless Product

28 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. CH 2 grupe. Hiperhromni efekat predstavlja povećanje apsorbancije apsorpcione trake uvođenjem auksohromnih grupa kao što su OH, OR, OCH 3, NH 2 u kiseloj sredini ili antiauksohromne grupe CN, CO, NO koje deluju u baznoj sredini. Hipohromni efekat nastaje kada strukturne promene u molekulu dovode do snižavanja apsorbancije apsorpcionog maksimuma usled strukturnih promena u molekulu.

29

30 Polarizacija EM zračenja

31 Polarizacija EM zračenja EM zračenje se sastoji od oscilacija električnog i magnetskog polja, uzajemno normalnih. Generalno, oscilacije električnog polja se NE dešavaju u određenoj (y,x) ravni. Zračenje nije polarizovano. λ

32 Polarizacija EM zračenja y x z x z y x z y x z y x z y x z y z y z y z y z y z y z y Kada EM zračenje nije polarizovano, svi tipovi oscilacija su jednako verovatni. Kao posledica, ravan oscilacija EM zračenja varira haotično sa vremenom.

33 Polarizacija EM zračenja Polarizacioni 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. Vertikalno polarizovana komponenta EM zračenja prolazi. Nepolarizovano EM zračenje Horizontalno polarizovana komponenta je apsorbovana

34 Polarizacija se može e dobiti od nepolarizovanog zraka selektivnom apsorpcijom refleksijom rasejavanjem

35 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 y polarizovanim talasima istog intenziteta. z x z y x z y y z x y z

36 Linearno polarizovana svetlost

37 Poređenje linearno i cirkularno polarizovane svetlosti Vektor E (električnog polja) linearno polarizovane svetlosti (takođe 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). Treba uočiti da vrh električnog vektora opisuje spiralni trag u prostoru (koji može biti u smeru kazaljke na sdatu ili suprotnom) 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., n L n D optički inaktivna, n L = n D optički aktivna, n L n D

38 Optički aktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan polarizovane svetlosti c n n v v t l d l d ' ) ( ' ' l l l = = Δ λ π λ π θ l 2 ) ( 2 = Δ = Δ l n d n t c Δθ L-komponenta (spora) D - komponenta (brza) v d

39 Optička aktivnost Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno da li su L ili D-oblik.

40 OPTIČKA AKTIVNOST OPTIČKI AKTIVNE SUPSTANCIJE ROTIRAJU RAVAN POLARIZACIJE POLARIZOVANE SVETLOSTI

41 KOJA JE RAZLIKA IZMEĐU DESNE I LEVE RUKE?

42 NAŠ SVET JE SVET DEŠNJAKA SPIRALNE STEPENICE SE PENJU NAVIŠE U SMERU KAZALJKE NA SATU APPROX. 90% SU DEŠNJACI APPROX. 10% LEVACI

43 Molekuli, kao i vaše ruke, koji ne mogu da se rotacijom ili pomeranjem poklope sa svojim ogledalskim likom su hiralni. Ova grupa atoma je ISPRED, ali ide IZA pri rotaciji

44 Dvojno prelamanje (u kristalu kalcita)

45 Louis Pasteur Pateur je osećao da se enantiomeri mogu razlikovati/razdvojiti samo živim organizmima

46 Optička aktivnost (zove se i hiralnost ) Obrtanje ravni polarizovane svetlosti srazmerno je rastojanju. Optička aktivnost je otkrivena 1811 od strane Arago-a. Neke supstancije obrću ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke na satu ( desnogiri ) a neki u suprotnom smeru kazaljke na satu ( levogiri ).

47 Optička aktivnost (zove se i hiralnost ) Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ili kristalne 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 samo u kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji

48 Promenjljiva optička aktivnost-desnogiri i 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 su ogledalske 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 spiralnog rasporeda čvorova kristalne rešetke, gubi se optička aktivnost. Ovakvo ponašanje pokazuje kvarc, natrijum hlorat ili kalijum bromat

49 Levogiri i desnogiri molekuli Ključni molekuli života su skoro svi levogiri. Šećer je jedna od najhiralnijih poznatih supstancija. Ako bi hteli da otkrijete znake života na drugoj planeti trebalo bi da potražitite hiralnost. Molekuli pogrešne hiralnosti mogu izazvati ozbiljne bolesti (npr.talidimid) dok je drugi enantiomer bezopasan.

50 Enantiomeri (ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom)

51 Permanantna optička aktivnost Najčešće optička aktivnost molekula potiče od prisustva asimetričnog atoma (atomi čije su valence asimetrično zaposednute, različitim atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetrični ugljenikov atom. Tako kod α- hidroksipropionske kiseline asimetrični ugljenikov atom se nalazi u centru tetraedra, a u rogljevima su smeštene četiri različite atomske grupe: H, COOH, CH 3 i OH (od α-amino kiselina samo glicin ne pokazuje optičku aktivnost).

52 Permanantna optička aktivnost I drugi atomi kao: Si, N, P, S, Se, Te, Cr, Co, platinski metali i dr. mogu biti asimetrični centri koji izazivaju optičku aktivnost. Svi oni takođe imaju tetraedarsku strukturu. I kompleksne soli metala sa koordinacionim brojem četiri (Cu, Pb, Co, Pd i Pt), ako su vezani za različite atome ili atomske grupe takođe pokazuju optičku aktivnost. Centralni katjon može imatii koordinacioni broj 6, a molekul tada ima oktaedarsku strukturu. Inozit zbog asismetrije molekula takođe pokazuje optičku aktivnost

53 Permanantna optička aktivnost Optičkim enantiomeri ili antipodi su dva oblika istog optički aktivnog jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga. Enantiomeri imaju identične hemijske osobine sem kada reaguju 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 istim količinama, tako da je nagrađena smeša optički inaktivna i naziva se racematskom smešom. Amino kiseline laboratorijski sintetizovane su racematske smeše. Nasuprot tome reakcije u živim ćelijama kao rezultat daju samo jedan enantiomer koji je biološki aktivan.

54 Specifična rotacija [ ] α θ λ α λ = 180l = λ α l ρ ( n L n D ) ugao rotacije specifična rotacija čiste supstancije [ ] α θ λ = α100 α100 = lm lρw specifična rotacija rastvora optički aktivne supstancije θ [ M ] [ ] θ λ = M α λ molarna rotacija

55 Cirkularni dihroizam "Dihroizam" se koristi da označi apsorpciju svetlosti koja zavisi od pravca i javlja se kod optički aktivnih supstancija. Stoga cirkularni dihroizam se odnosi na različitu apsorpciju polarizovane svetlosti paralelno ili normalno na neku referentnu osu. Dvojno prelamanje se odnosi na zavisnost indeksa prelamanja od pravca

56 . Cirkularni dihroizam 2) Cirkularni dihroizam- posledica razlčitih koeficijenata ekstinkcije za L i D CPS (tj, ε L ε D ). 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

57 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 između apsorpcionih pikova i CD signala). Shematski prikaz CD spektrometra