230 likes | 372 Views
Látható (VIS). Középső vagy analitikai IR (MIR). Mikrohullám (MW). Közeli IR (NIR). Távoli IR (FIR). ~. n / cm 1. 12 500 4 000 400 20. Az infravörös sugárzás tartományokra osztása. Jelenség. rezgési felhangok. szerves molekulák alaprezgései.
E N D
Látható (VIS) Középső vagy analitikai IR (MIR) Mikrohullám (MW) Közeli IR (NIR) Távoli IR (FIR) ~ n / cm1 12 500 4 000 400 20 Az infravörös sugárzás tartományokra osztása Jelenség rezgési felhangok szerves molekulák alaprezgései nagyamplitudójú rezgések, fémkomplexek, fémorganikus mol. rezg., kismolekulák forgása, rácsrezgések minőségi analízis, szerkezeti információ elsősorban szerkezeti információ Alkalmazás elsősorban mennyiségi analízis (pl. műanyag-, élelmiszeripar) Optikai elemek (ablakok, lencsék, mintatartók) kvarcüveg ↓ üvegszáloptika használatának lehetősége Ionrácsos anyagok: KBr, NaCl, CsCl, CaF2, ZnSe, KRS5 (TlBr/TlI) Si, Ge polietilén
Víz Széndioxid IR: Raman: + IR: + Raman: + szimmetrikus nyújtás (vegyértékrezgés) szimmetrikus nyújtás IR: + Raman: IR: + Raman: + aszimmetrikus nyújtás aszimmetrikus nyújtás IR: + Raman: IR: + Raman: + + - + (degenerált) hajlítás (deformációs rezgés) hajlítás Normálrezgések Kölcsönös kizárási szabály: inverzió centrummal rendelkező molekulák esetében egy normál rezgés vagy csak IR, vagy csak Raman aktív lehet.
ABSZORBCIÓS IR Diszperziós elem (rács v. prizma) vagy interferométer: Diszperziós és Fourier-transzformációs (FT-IR) készülék Forrás (feketetest sugárzó → fehér fény) Rés és egyéb optikai elemek Minta Detektor EMISZZIÓS IR Forrás=minta REFLEXIÓS IR RAMAN SPEKTROSZKÓPIA Polarizációs szűrő (polarizációs Raman mérésekhez) Lézer (monokromatikus fényforrás) Infravörös és Raman spektroszkópia n0 n0±ni Stokes, anti-Stokes
Infrared spectroscopy exploits the fact that molecules have specific frequencies at which they rotate or vibrate corresponding to discrete energy levels (vibrational modes). These resonant frequencies are determined by the shape of the molecular potential energy surfaces, the masses of the atoms and, by the associated vibronic coupling. In order for a vibrational mode in a molecule to be IR active, it must be associated with changes in the permanent dipole. In particular, in the Born-Oppenheimer and harmonic approximations, i.e. when the molecular Hamiltonian corresponding to the electronic ground state can be approximated by a harmonic oscillator in the neighborhood of the equilibrium molecular geometry, the resonant frequencies are determined by the normal modes corresponding to the molecular electronic ground state potential energy surface. Nevertheless, the resonant frequencies can be in a first approach related to the strength of the bond, and the mass of the atoms at either end of it. Thus, the frequency of the vibrations can be associated with a particular bond type.
The Raman effect occurs when light impinges upon a molecule and interacts with the electron cloud of the bonds of that molecule. The incident photon excites one of the electrons into a virtual state. For the spontaneous Raman effect, the molecule will be excited from the ground state to a virtual energy state, and relax into a vibrational excited state, which generates Stokes Raman scattering. If the molecule was already in an elevated vibrational energy state, the Raman scattering is then called anti-Stokes Raman scattering.
Különbség Infravörös és Raman spektroszkópia között: IR: Direktben gerjesztjük a vibrációs energiaszinteket IR fényforrás Raman: A beeső fotonok energiaeltolódását mérjük (rugalmatlan szórás, elektron gerjesztés, más energiára tér vissza az elektron) látható tartományban gerjesztünk
Normálrezgések inverziós (esernyő) lélegző ollózó ollózó sepregető lélegző
Szimmetria és az IR/Raman aktív rezgések száma közötti kapcsolat Levezetés: Csoportelmélet IR: IR aktív rezgések száma R: Raman aktív rezgések száma pR: Polarizációs Raman: totálszimmetrikus rezgések száma
Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők Tömeg-, izotópeffektus XH vegyületben H→D csere: Sokatomos molekuláknál – csatolódások miatt – kisebb hatás Deformációs rezgéseknél –kisebb hatás Más atomok izotópcseréjénél –kisebb hatás Szubsztituensek cseréjénél is: pl. Et2CO (nCO=1720 cm1), (C9H19)2CO (nCO=1717 cm1), Kötéserősség, delokalizáció
Koordináció, ligandum kapcsolódása A) Kapcsolódási izoméria hn [Co(NH3)5(NO2)]2+ [Co(NH3)5(ONO)]2+ Szabad NO NO=1335,1250cm-1 NO=1430, 1310cm-1 NO=1470, 1065cm-1 D nitroizomer (sárga) nitritoizomer (piros) Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők B) Kötési mód
j j f f Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők Rezgési csatolások A csatolás erős, ha: a rezgések frekvenciája azonos kevés atomon keresztül kapcsolódnak egy irányba esik a két rezgés |j+> |10> |01> |j> |00> nem csatolt csatolt Rezonanciák Fermi-rezonancia |10> |02> T |01> aldehidek nCH= 2800 cm1, bCH =1400 cm1 2700, 2900 cm1 2b 2800 cm1 |00>
Ni(CO)4 2060 cm1 Co(CO)4 1890 cm1 Fe(CO)42 1790 cm1 Mn(CO)6+ 2090 cm1 Cr(CO)6 2000 cm1 V(CO)6 1860 cm1 Viszontkoordináció mértéke nő Frekvencia csökken Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők Sztérikus effektus Induktíveffektus LNi(CO)3 L vCO/cm1 PtBu3 2056 PMe3 2064 PPh3 2069 P(OMe)3 2080 PF3 2111 1822 1816 1744 nCO/cm1 -I: kevésbé ionos karakter -I: erősebb viszontkoordináció 1717 1685 Viszontkoordináció („back bonding”) nCO nyújtási frekvencia Szabad CO 2143 cm1
Forró sávok 295 K akrolein A kisenergiájú rezgési gerjesztett állapotok termikusan betöltöttek → v”=1←v’=0 átmenet mellett v”=2←v’=1, v”=3←v’=2, … átmenetek is megjelennek 70 K Felhasadások több minimumú potenciális energia felületek (PES) esetében A) Inverziós potenciálok pl. NH3 B) Jahn-Teller PES (Mexikói kalap) felhasadás mértéke ↕ gátmagasság Hasonló estek: Berry-féle pszeudorotáció, gyűrűinverziók, stb. vibronikus szintek, bonyolult spektrum Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők
T hígítatlan minta T híg oldat (aprotikus oldószer) ~ n nő Karakterisztikus kötési és csoport-frekvenciákat befolyásoló tényezők Hidrogénkötés, intermolekuláris kölcsönhatások nXH X H X H Elsődleges kötés erőssége csökken ↓ nyújtási (n) frekvencia csökken (hajlítási frekvencia, b, nő a merevebb szerkezet miatt) X Statisztikus elrendeződés ↓ jelkiszélesedés Intramolekuláris hidrogénkötés (kelátkötés): a rezgési spektrum nem változik jelentősen a hígítással Kristályszerkezet A molekulaszimmetriánál kisebb kristályszimmetria (vagy többféle kristályszerkezet: politopikus izoméria) jelfelhasadást eredményez: pl. fullerénsók
~ V=1 V=0 Gázfázisú spektrumok: rezgési-forgási átmenetek Rotációs vonalak teljes felbontása esetében a kötéstávolságok meghatározhatók Rotációs kontúrnál a rezgés illetve a molekula szimmetriája adható meg
Mátrixizolációs spektroszkópia • Gátolt diffúzió, reakcióktól • és kölcsönhatásoktól • védett környezet: • nagy hígítás fagyott nemesgázban • alacsony hőmérséklet (jellemzően 5−12 K) • egyszerű spektrum, jól felbontott jelek • egyedi konformerek • molekulakomplexek • gyökök • reakció-intermedierek • egzotikus molekulák George Pimentel (1922-1989) „Detektálási módszerek”: IR, Raman, ESR, UV-VIS és fluoreszcencia spektroszkópia Rokon technikák: szuperszonikus jet, héliumcsepp technika, kriogén (Xe, Kr) oldatok
Mátrixizolációs spektroszkópia A n-propil-nitrit IR spektruma Éles sávok → egyedi konformerek azonosíthatók Széles sávok rotációs átmenetek (rotációs kontúr) miatt Abszorbancia Széles sávok intermolekuláris kölcsönhatások miatt
Rezgési cirkuláris dikroizmus (VCD) spektroszkópia Alapjelenség: Optikailag aktív molekulák más-más mértékben nyelik el a kétféle cirkulárisan poláris fényt, miközben a rezgések gerjesztődnek ↓ kiralitás kísérleti meghatározása
Rezgési cirkuláris dikroizmus (VCD) spektroszkópia (+)-(R)-metillaktát Számított spektrumok Mért spektrum Hullámszám / cm1