Znajomość struktury cząsteczki jest niezmiernie ważnym elementem - tak w projektowaniu procedur analitycznych prowadzących do wykrywania i oznaczania tych substancji, jak i w planowaniu przemian chemicznych (reakcji) prowadzących do modyfikacji struktury, mającej na celu otrzymanie związków o założonych właściwościach fizycznych i chemicznych. W niektórych przypadkach wystarczy nam znajomość struktury na poziomie pozwalającym napisać uproszczony wzór strukturalny, innym razem konieczna jest głęboka znajomość wszelkich relacji między składowymi cząsteczki (długości wiązań, kątów między nimi, budowa sieci krystalicznej itp.). Badania struktury cząsteczki należą do jednych z bardziej złożonych i skomplikowanych i wymagają głębokiej wiedzy chemicznej, fizycznej i ... matematycznej, oraz "naukowego zacięcia" - bowiem są to badania nie tylko dość złożone, ale na dodatek pośrednie. O strukturze wnioskujemy (obliczamy) na podstawie obserwacji zachowań cząsteczki w różnych warunkach. Trochę to przypomina próby opisania legendarnego yeti, którego nikt nie widział, lecz podejmowano próby jego opisania posługując się wyłącznie znajomością śladów, które pozostawiał (o ile to były jego ślady !).
Poniżej znajdziesz króciutkie omówienie poszczególnych metod i technik przydatnych przy określaniu budowy cząsteczki. Obok większości z nich znajdziesz linki do nieco mniej ogólnych opisów tych metod, lecz nie miej złudzeń - nawet dość obszerny opis to tylko encyklopedyczny skrót. Na temat każdej z tych metod napisano opasłe podręczniki zawierające, tak teoretyczne rozważania jak i techniczne opisy zastosowań. Jeśli zainteresują Cię te techniki, to materiału do studiowania starczy Ci na długo - może nawet na całe życie - bo ich praktyczne zastosowania wciąż ulęgają zmianom, doskonali się technika, pojawiają się nowe zastosowania itp.
Chciałbym tu od razu wyjaśnić, że wymieniając tu akurat te, a nie inne metody, kieruję się ich popularnością i znaczeniem w procesie ustalania struktury (a także w procesie poznawania zasad rządzących przyrodą) - nie są to jednak jedyne i nawet czasem nie najważniejsze metody. Bez obawy popełnienie błędu można bowiem uznać, że wnioski dotyczące struktury cząsteczki można wysnuwać praktycznie z każdych badań o charakterze chemicznym czy fizykochemicznym, że wspomnę tylko o refraktometrii, polarymetrii czy konduktometrii.
Najpopularniejszymi metodami analitycznymi, pozwalającymi w stosunkowo prosty sposób uzyskać wiele informacji na temat struktury cząsteczki są metody spektroskopowe. Spektroskopia jest to dział analityki zajmujący się oddziaływaniem niesprężystym promieniowania elektromagnetycznego i materii. Promieniowanie elektromagnetyczne to rozchodzenie się w przestrzeni kolejno pola elektrycznego i indukowanego przez niego pola magnetycznego, które z kolei indukuje pole elektryczne. Z długością fali promieniowania elektromagnetycznego związana jest ściśle wielkość kwantów energii niesionej przez to promieniowanie:
E = h·ν
gdzie: E - wielkość energii kwantu niesionego przez promieniowanie, ν - częstotliwość promieniowania, h - stała Plancka
Ponieważ częstotliwość ν jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali λ (ν = c/λ, gdzie c - prędkość światła w próżni a λ długość fali) promieniowanie o dłuższych falach niesie mniejsze kwanty energii. Dlatego promieniowanie γ o bardzo dużych energiach kwantów (długość fali poniżej 0,1 nm) jest zdolne do destrukcji cząsteczek i jest dla istot żywych bardzo niebezpieczne, zaś dobrze nam znane promieniowanie z zakresu światła widzialnego (długości fal 350 - 900 nm) zmienia właściwości materii w bardzo ograniczonym zakresie (reakcje fotochemiczne, np. naświetlenie AgBr w fotografii) i jest do życia większości istot wręcz konieczne.
[±²] Główną cechą, różniącą zachowania w mikroświecie cząsteczek, atomów i cząstek elementarnych (mechanika kwantowa) od zachowań w świecie makro (mechanika niutonowska) jest zasada kwantowania energii. Polega ona w największym skrócie na tym, że jeżeli np. elektron na orbitalu s charakteryzuje się energią E1, a na orbitalu p - E2, to aby przenieść elektron z s na p należy mu dostarczyć energię równą ΔE = E2 - E1 w postaci pojedynczego kwantu (porcji). Można wywołać to przejście działając na niego np. promieniowaniem elektromagnetycznym o długości fali niosącej takie właśnie kwanty energii (patrz wzór powyżej). Mówimy wtedy, że dzięki zgodności niesionego przez promieniowanie o długości fali λ kwantu energii z różnicą poziomów energetycznych elektronu na orbitalach s i p nastąpiło pochłonięcie energii i zjawisko przejścia elektronu na wyższy poziom energetyczny. Jeżeli na ten elektron podziałamy falą elektromagnetyczną o innej długości, zjawisko przejścia elektronu z orbitalu s na orbital p nie nastąpi, bowiem dostępny kwant energii będzie albo "za duży" (krótsze fale) albo "za mały" (dłuższe fale).
Pochłonięty kwant energii, jeżeli nie spowoduje nieodwracalnych zmian w cząsteczce, np. rozerwania wiązania, zostaje po jakimś czasie z cząsteczki wyemitowany, często też w postaci energii promieniowania elektromagnetycznego. Te dwa zjawiska - pochłaniania przez cząsteczkę określonych kwantów energii i ich emitowania (fluorescencja, fosforescencja, promieniowanie rentgenowskie, emisja wzbudzonych atomów) leżą u podstaw spektroskopii. Analizując długości fal pochłanianych i emitowanych przez cząsteczkę i porównując je z energiami przejść w obrębie poszczególnych elementów cząsteczki (znanych bądź z doświadczenia bądź z wyliczeń mechaniki kwantowej) można wnioskować o obecności tych elementów w badanej strukturze. Należy tu pamiętać, że nieznaczne zmiany wielkości pochłanianych kwantów energii będą występować w grupie przemian podobnego typu (np. przejścia elektronów walencyjnych - UV/Vis czy zmiany energii o obrębie wiązań - IR) zaś o rzędy wielkości różnić się będą kwanty powodujące przemiany w różnych elementach struktury (UV - elektrony walencyjne, IR - energie wiązań, NMR - orientacja jąder w polu magnetycznym). Należy też być świadomym tego, że o strukturze cząsteczki będziemy mogli mówić dopiero wtedy, gdy połączymy informacje cząstkowe, uzyskane poszczególnymi metodami. Nie ma (i chyba nigdy nie będzie) takiej metody, która dostarczała by informacji o wszystkich elementach składowych struktury cząsteczki.
| |
 |
|
UV (ultrafiolet)
Promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu ultrafioletu (~100-350 nm) i światła widzialnego (~350-900 nm) niesie kwanty energii zgodne, co do wielkości, z różnicami poziomów energetycznych elektronów walencyjnych cząsteczki. Wykorzystywany do badań tzw. ultrafiolet kwarcowy (200-350 nm) jest w stanie powodować przejścia elektronów wiązań typu π (wiązania wielokrotne), a światło z zakresu widzialnego, niosąc jeszcze mniejsze kwanty energii, powoduje przejścia o jeszcze mniejszej różnicy między stanem podstawowym a wzbudzonym (sprzężone wiązania wielokrotne, przeniesienie elektronu), stąd zdecydowana większość związków chemicznych jest bezbarwna, tzn. nie pochłania fal z zakresu widzialnego. Tak więc na podstawie wartości pochłanianej długości fali (λmax) i natężenia tego zjawiska (εmax - molowy współczynnik absorpcji) możemy wnioskować o istnieniu wiązań wielokrotnych, ich sprzęganiu (wzajemne położenie) oraz istnieniu w cząsteczce układów aromatycznych. Spektroskopia w ultrafiolecie i świetle widzialnym jest dość prosta w wykonaniu i interpretacji, niesie jednak stosunkowo niewiele informacji o budowie cząsteczki i to na dość niskim poziomie szczegółowości.
| |
|
IR - podczerwień
Spektroskopia w podczerwieni dotyczy zmian energetycznych zachodzących w wiązaniach jako całości, a wiec zmian spowodowanych oscylacją wiązań (wydłużanie i skracanie się wiązań) jak również ich deformacja (zmianami kątów między sąsiednimi wiązaniami). Daleka podczerwień (fale dłuższe niż 20 000 nm; 20 µm) powoduje zmiany energii rotacji całej cząsteczki, ale ponieważ dotyczy szczególnych przypadków, nie będziemy się nią tu zajmować. Podobnie rzecz się ma z bliską podczerwienią (~1500 nm; 1,5 µm). Zakres podczerwieni analitycznej najczęściej wykorzystywany i niosący najwięcej szczegółowych informacji to zakres 4 000 cm-1 do 400 cm-1 (2,5 - 25 µm; 2 500 - 25 000 nm).
Wszystkie wiązania w cząsteczce ulegają dwóm podstawowym typom zmian - oscylacji (skracanie i wydłużanie wiązania z określoną amplitudą i częstotliwością) oraz deformacji (zmiany kąta między danym wiązaniem a określonym elementem cząsteczki - innym wiązaniem czy płaszczyzną pierścienia lub wiązania podwójnego). Każda z tych zmian wiąże się z pochłonięciem odpowiedniego kwantu energii, czyli zdolnością absorpcji promieniowania podczerwonego o ściśle określonej długości fali. W widmie IR manifestuje się to podstawowymi pasmami walencyjnymi (oscylacje) i deformacyjnymi (zmiany kątów). Ponieważ jednak cząsteczka to nie prosta suma wiązań, ale pewna całość, występują w niej również złożone ruchy - np. wiązanie oscylujące jednocześnie wychyla się poza płaszczyznę pierścienia. Taki złożony ruch to nowa jakość, pochłonięcie innego kwantu niż tylko związanego z oscylacja i deformacją. W widmie pojawiają się pasma kombinacyjne.
Analiza ilości, położenia i natężenia poszczególnych pasm walencyjnych, deformacyjnych i kombinacyjnych, zwana interpretacja widma, przynosi dużą ilość wiadomości na temat poszczególnych elementów struktury, które należy złożyć w spójną całość. Interpretacja widm IR nie należy do rzeczy łatwych, ale poprawnie przeprowadzona dostarcza bardzo dużo i bardzo szczegółowych wiadomości na temat budowy cząsteczki.
| |
|
|
NMR - jądrowy rezonans magnetyczny
NMR (Nuclear Magnetic Resonance) jest techniką bazującą na zjawisku rezonansu jądrowego, tzn. pochłanianiu przez cząsteczkę (dokładniej - jądra atomowe budujących ją atomów) promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości charakterystycznej dla danego pierwiastka i danych okoliczności. Odkrywcy tego zjawiska otrzymali Nagrody Nobla w latach pięćdziesiątych dwudziestego wieku, zaś za twórcze jego zastosowanie w medycynie (tomografia komputerowa NMR) przypadł Nobel roku 2003.
Jądra atomowe, jako elementy ruchome (wirowanie wokół osi) i obdarzone ładunkiem elektrycznym (dodatnim) wytwarzają wokół siebie pole magnetyczne. Są więc paramagnetykami, które w zewnętrznym polu magnetycznym ustawiają się zgodnie z liniami sił tego pola (ustawienie równoległe). Ze względu jednak na działanie sił zewnętrznych, głównie słabych pól magnetycznych, pochodzących od sąsiednich jąder w cząsteczce, wektor magnetyczny jądra nie ustawia się idealnie równolegle do linii sił pola zewnętrznego, tylko wiruje pod niewielkim kątem do nich, tak że jego wektor zatacza okręg precesji.
Częstotliwość ruchu precesyjnego zależy między innymi od charakterystyki jądra (rodzaju pierwiastka) zaś od częstotliwości precesji i otoczenia w jakim znajduje się badane jądro (budowa cząsteczki) zależy częstotliwość absorbowanego promieniowania elektromagnetycznego. Tak więc znajdując częstotliwość pochłanianego promieniowania możemy ustalić rodzaj pierwiastka i scharakteryzować jego chemiczne otoczenie - a więc w sposób pośredni określić strukturę cząsteczki. Ponieważ zjawisko rezonansu magnetycznego w cząsteczce jest bardzo czułe na wpływy środowiska (struktury cząsteczki) wartości absorbowanej częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego bardzo precyzyjnie opisują badana strukturę. Podobnie jak w spektroskopii w podczerwieni, widmo NMR dostarcza bardzo wielu i bardzo precyzyjnych wiadomości o strukturze - wymaga jednak dużej wiedzy i doświadczenia, bowiem inaczej odkodowanie tych wiadomości jest niemożliwe.
| |
|
Spektrometria mas
Jest to metoda dostarczająca informacji o masie cząsteczkowej badanego związku i o jego "słabych punktach", czyli wiązaniach ulegających najszybciej rozerwaniu. Cząsteczki badanego związku w źródle jonów są przeprowadzane w jony dodatnie (tzw. macierzyste) poprzez wybicie z cząsteczki jednego elektronu walencyjnego. Jony macierzyste w większości przypadków zyskuję w czasie jonizacji taki nadmiar energii, że ulegają szybko dalszemu rozpadowi na jony potomne o różnym składzie, obojętne cząsteczki i rodniki. Pod wpływem pola elektrycznego, a potem i magnetycznego, dodatnio naładowane jony macierzyste i potomne są przyspieszane, "segregowane" według masy i wychwytywane przez detektor. Wynikiem analizy masowej jest zestawienie zawierające udziały poszczególnych jonów potomnych i jonu macierzystego w całkowitym prądzie jonowym - tzw. widmo masowe. Na podstawie widma masowego określa się masę cząsteczkową badanej substancji (masa jonu macierzystego) i masę oraz skład poszczególnych jonów. Pozwala to na ustalenie prawdopodobnej struktury związku. Podobnie jak w innych metodach o strukturze dowiadujemy się nie wprost a jedynie poprzez logiczne powiązanie składu i struktury powstałych jonów ze strukturą badanej cząsteczki.
Spektrometria mas może z powodzeniem zastąpić analizę elementarną i termograwimetryczną w badaniach strukturalnych i badaniach czystości substancji. Niestety jedną (jedyną?) z jej wad jest stosunkowo wysoka cena koniecznej aparatury.
| |
|
|
Atomowa spektroskopia
Atomowa spektroskopia absorpcyjna i emisyjna dość luźno są związane z ustalaniem struktury, należą jednak ściśle do tematu spektroskopia i dlatego też zostaną tu pokrótce omówione.
Jak sama nazwa wskazuje, badaniom zostają poddane atomy poszczególnych pierwiastków - prawie wyłącznie metali. Atomizacji dokonuje się różnymi technikami, do najpopularniejszych należy rozpylenie roztworu badanej substancji w płomieniu (najczęściej acetylen-powietrze). Zatomizowany pierwiastek może pochłonąć ściśle określony kwant energii (a więc i ściśle określoną długość fali promieniowania elektromagnetycznego z zakresu UV-Vis). W takim przypadku mówimy o spektroskopii atomowej absorpcyjnej. Pewna część atomów pierwiastka w wysokiej temperaturze płomienia może "samoistnie" przejść w stan wzbudzony i następnie wyemitować nadmiar energii w postaci fali elektromagnetycznej, także o ściśle określonej, charakterystycznej dla danego pierwiastka długości. Wówczas mówimy o atomowej spektroskopii emisyjnej. To ostanie zjawisko wykorzystujemy także do prostej, wizualnej analizy jakościowej pierwiastków - świecenia płomienia na różne kolory w zależności od pierwiastka.
Mierząc długość fali absorbowanej bądź emitowanej przez badane atomy, oraz natężenie tego promieniowania, możemy oznaczyć jakościowo i ilościowo dany pierwiastek. Obecnie metoda AAS najpopularniejsze zastosowanie ma w badaniu różnych substancji na zawartość metali ciężkich - toksycznych dla człowieka.
| |
|
Analiza elementarna
Analiza elementarna powinna być właściwie omawiana na początku, jako że jest metodą stosowana zazwyczaj jako pierwsza w całym ciągu kolejnych badań strukturalnych. Nie daje nam ona bezpośrednich danych o strukturze, a jedynie określa skład pierwiastkowy - jakościowy i ilościowy. Jednak bez znajomości tego składu interpretacja wyników dalszych badań strukturalnych byłaby znacznie utrudniona.
Analiza elementarna polega na mineralizacji związku organicznego, tzn. utlenienia go aż do uzyskania prostych związków nieorganicznych (CO2; H2O; N2; SO3 itp.). Utlenienie to odbywa się w specjalnym piecu, w wysokiej temperaturze, często z użyciem katalizatorów zapewniających całkowite utlenienie całej badanej próbki. Powstałe w trakcie utlenienia gazy są wraz z gazem nośnym (powietrze lub czysty tlen) przepuszczane przez specjalne absorbery, zawierające substancję pochłaniającą wybiórczo każdy z wymienionych gazów. Na podstawie przyrostu masy każdego z absorberów określa się ilość danego związku nieorganicznego, a na tej podstawie ilość pierwiastka zawartego w analizowanej próbce. Znajomość procentowych zawartości danego pierwiastka pozwala na wyznaczenie wzoru elementarnego, z którego można obliczyć rzeczywisty wzór sumaryczny wykorzystując znajomość masy cząsteczkowej (otrzymaną np. podczas badań MS).
| |
|
Termograwimetria
Termograwimetria (TG) i termiczna analiza różnicowa (TDA) choć dość luźno łączą się z tematem badania struktury, podobnie jak analiza elementarna, mogą w sposób szybki prosty i stosunkowo tani dostarczyć wiadomości bardzo pomocnych przy ustalaniu struktury. Zasada metody polega na tym, że próbka kilku-kilkudziesięciu miligramów badanej substancji jest ogrzewana w platynowym tygielku do wysokiej temperatury (nawet 1500° C), i w czasie tego ogrzewania rejestrowana jest masa próbki (TG) i temperatura. Jednocześnie rejestrowana jest różnica temperatur między próbka a atmosferą pieca ogrzewającego próbkę (TDA). W momentach, gdy w próbce następuje reakcja rozkładu bądź spalania, a ogólniej proces egzotermiczny lub endotermiczny, temperatura próbki gwałtownie rośnie lub maleje w stosunku do temperatury otoczenia. Te energetyczne efekty procesów zachodzących w badanej próbce w powiązaniu z ubytkami masy próbki i temperaturą przemiany pozwalają na wyciąganie pewnych wniosków dotyczących struktury, w sposób podobny jak dzieje się to przy interpretacji widm masowych.
| |
|