71984059 metode analitice perform ante aplicate in cercetarea farmaceutica uv ir ms rmn

Upload: ileana-manciulea

Post on 05-Oct-2015

27 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

UV-IR-MS-RMN

TRANSCRIPT

  • Metode optice de analiz

    Aceste metode utilizeaz proprietile optice ale substanelor.Metodele spectrale de analiz se bazeaz pe utilizarea fenomenelor de emisie

    sau de interaciune a radiaiei electromagnetice cu atomii sau moleculele substanei de analizat (absorbie).

    Emisia sau absorbia radiaiilor electromagnetice de ctre sistemul cercetat duce la apariia unui semnal analitic ce d informaii despre compoziia calitativ i cantitativ a substanei analizate.

    Intensitatea semnalului analitic este proporional cu numrul de particule care au cauzat acest semnal, deci cu concentraia componentului ce se determin.

    n cazul metodelor spectrale de absorbie, semnalul analitic este absorbana.

    Spectrofotometria prin absorbia luminii (metode absorbiometrice)

    Spectrofotometria se bazeaz pe proprietatea substanelor de a absorbi selectiv radiaiile electromagnetice i este folosit pentru identificarea i determinarea cantitativ a acestora.

    Spectrele de absorbie se obin la trecerea unui fascicol de radiaii continue prin substana de analizat care poate absorbi o parte din energia acestuia. Cantitatea de energie absorbit este n funcie de structura i de numrul moleculelor sau al atomilor substanei cu care interacioneaz fascicolul de radiaii.

    Radiaia electromagnetic ce constituie lumina este caracterizat (ca de altfel toate radiaiile electromagnetice) prin lungime de und ( ), frecven ( ), respectiv energie () corelate prin expresia: = h , n care:

    = distana n linie dreapt cuprins ntre dou maxime consecutive ale unei unde);

    = frecvena radiaiei (numrul de oscilaii pe secund); = 1/T;T = perioada, ce reprezint intervalul de timp dintre dou maxime consecutive.c = viteza luminii = 3.1010 cm/s.Numrul de unde cuprinse ntr-un cm se numete numr de und: = 1/

    (cm).Fiecare radiaie luminoas poart o energie - cuant de energie - ce este

    proporional cu frecvena acesteia: = h. = h.c/

    1

  • h = constanta lui Planck = 6,62.10-27 erg.s se msoar n:- microni ( ) 1 =10-6 m = 10-3 mm- milimicroni (m ) 1m = 10-9 m = 10-6 mm- nanometri (nm) 1nm = 10-9 m = 10-3 .1 nm = 10-9 m = 10-7 cm = 10; 1 = 10-8 cm = 10-1 nm = 10-10 m; 1mm = 10-6 m = 10-4 cm = 103 nm.Funcie de lungimea de und a radiaiilor electromagnetice, domeniile spectrale

    sunt cele indicate n tabelul 1.

    Tabelul 1. Domeniile spectrale funcie de lungimea de und

    Dup cum se poate observa i din relaia , aceste mrimi sunt invers proporionale, deci la lungimi de und mari, energiile sunt mici i invers.

    O cuant luminoas (un foton) poate fi absorbit de un atom sau molecul, dac prin aceasta atomul sau molecula trec la unul din nivelele de energie superioare ce difer de starea de plecare prin energia fotonului.

    Energia moleculei () este dat de suma energiilor electronice, de vibraie i de rotaie:

    = electronice + vibraie + rotaieExist dou tipuri de salturi de energie molecular obinute n mod diferit:- prin excitaii electronice, ce corespund energiilor radiaiilor cu cuprins

    ntre 200 i 800 nm, implicnd saltul electronilor pe nivele energetice superioare - un orbital de antilegtur - acestea determin spectrele de absorbie n UV i VIS (spectre electronice);

    2

  • - prin excitaiile moleculare determinate de radiaiile IR ( = 2,0 - 25 m, domeniul cel mai utilizat) rezult spectrele moleculare (de rotaie vibraie sau spectrele IR)

    - de rotaie 100 - 15000 m; - de vibraie 1,5 - 100 m.

    Absorbia radiaiei electromagnetice de o anumit lungime de und este dependent de caracteristicile structurale ale moleculei i d o indicaie asupra prezenei acesteia, figura 1.

    Figura 1. Absorbia radiaiei electromagnetice

    Trecnd printr-o prob un fascicol luminos cu diverse lungimi de und se constat c, la anumite valori ale lui , radiaia electromagnetic este absorbit .

    O nregistrare a cantitii de lumin absorbit de o prob funcie de lungimea de und se numete spectru de absorbie, figura 2.

    Figura 2. Spectrul de absorbie

    Aceste spectre de absorbie sunt produse de diferite tipuri de tranziii pe care le pot suferi electronii din atomi sau molecule: tranziie electronic (spectre UV-VIS); tranziie de vibraie (spectre IR) n care nucleele dintr-o molecul se mic fa de altul de-a lungul unei axe care le unete; tranziie de rotaie (spectre de microunde) n care moleculele prezint o micare de rotaie n jurul unei axe ce trece prin centrul de greutate al moleculei, fiind perpendicular pe dreapta ce unete cele dou nuclee (dac este o molecul diatomic)

    Pentru a se obine spectre electronice este nevoie de o energie mai mare dect n cazul spectrelor de absorbie n IR , tabelul 2.

    3

  • Tabelul 2. Energia i lungimea de und corespunztoare energiei interneTipul de energie intern Domeniul, eV corespunztoare

    energieiRotaie 1,24.10-2 - 1,24. 10-4 100 - 10 mVibraie 0,828 - 0,0124 1,5 - 100 mElectronic 8,28 - 0,828 150 1500 nm

    Absorbia energiei luminoase n domeniul UV-VIS poate produce urmtoarele fenomene:

    - trecerea electronilor dintr-un orbital de legtur s sau p, ocupat de electroni n stare fundamental, n orbitali de antilegtur s* sau p*, neocupai n stare fundamental, dar posibil de a fi ocupai n stare excitat;

    - trecerea din orbitali de non legtur n (electroni neparticipani) n orbitali s* sau p*, figura 3.

    Figura 3. Tranziii electronice posibile

    Tranziiile ss* sunt date de substanele ce conin numai legturi simple - -; acestea necesit o energie foarte mare, iar informaiile obinute sunt prea puin importante pentru a da indicaii asupra structurii substanelor.

    Tranziiile electronice produc benzile de absorbie prezente n spectrul unei substane, benzi caracteristice anumitor grupri de atomi. Aceste benzi pot fi deplasate sub influena unor factori structurali sau a unor factori de mediu (de exemplu solventul etc.). Deplasarea poate fi:

    - batocrom: maximum se deplaseaz spre lungimi de und mai mari (spre rou). Deplasarea batocromic produs la trecerea unei substane covalente n combinaia ionic este numit halocromie (are loc o extindere a sistemului cromofor).

    4

  • - hipocrom: maximum de absorbie se deplaseaz spre lungimi de und mai mici (violet) i intensitatea maxim de absorbie este influenat de factori structurali i de mediu.

    Creterea intensitii absorbiei se numete efect hipercromic, scderea intensitii absorbiei se numete efect hipocromic.

    n figura 4 sunt prezentate i alte fenomene ce apar n cazul absorbiei luminii de ctre moleculele substanelor.

    VR 3

    VR 1

    VR 2 VR 4

    S0

    1C

    S1

    T1

    ISC1

    ISC2

    A F P

    A - Absorbie ; F - Fluorescen; P - Fosforescen; VR - Vibraie de relaxare; IC - Conversie intern; ISC - ncruciare intersisteme.

    Figura 4. Fenomene posibile ce apar la absorbia radiaiei luminoase de ctre atomi sau molecule

    Msurtorile spectrofotometrice cantitative se bazeaz pe legea de absorbie BouguetLambertBeer: descreterea intensitii fascisolului dup ce a strbtut un strat absorbant este proporional cu grosimea stratului i concentraia acestuia.

    I / Io = 10- cl ; I = Io.10

    - cl

    unde: I = intensitatea luminii transmise (ce prsete proba);Io = intensitatea luminii incidente (ce ptrunde n prob);

    = coeficient molar de extincie sau absorbtivitate molar;

    5

  • c = concentraia soluiei ce absoarbe (n mol/L);l = grosimea stratului absorbant (cm).I / Io = T = transmitan sau transmisie - este deci raportul dintre intensitatea

    luminii transmise I i intensitatea luminii incidente Io.Aplicnd logaritmul pentru Io / I rezult:

    log (Io / I) = log (1 / T) = cl = A = E = D = absorban (A), extincie (E) sau densitate optic (D).

    Deci, legea care st la baza spectrofotometriei se exprim simplu:A = .c.lLegea de baz a spectrofotometriei spune c absorbana (extincia) este

    proporional cu concentraia i cu grosimea stratului absorbant.O alt mrime utilizat n spectrofotometrie rezult tot din relaia de mai sus.

    Raportul A / c.l = a = absorbtivitate sau coeficient de extincie (k), n care c este concentraia (n g / L) (alt unitate de concentraie dect molaritatea) i l este grosimea stratului absorbant (n cm).

    Dac n relaia de mai sus, l = 1 cm, c = 1 mol/L, relaia devine:A = se numete n acest caz absorbtivitate molar (absorban molar sau

    coeficient molar de extincie). Aceast mrime este o caracteristic a moleculei i variaz numai cu lungimea de und. Deci, prin absorbtivitate molar se nelege absorbana unei soluii cu concentraia de 1 mol / L i grosimea stratului absorbant de 1 cm, la o anumit lungime de und.

    O alt mrime utilizat este absorbana specific (coeficient de extincie specific sau simplu extincie specific).

    Se noteaz A cm11% (FR X) sau E cm1

    1% i reprezint absorbana unui strat de soluie cu concentraia 1% (m/v) i grosimea de 1 cm, la o anumit lungime de und. Este de asemenea o constant ce caracterizeaz fiecare substan.

    Sensibilitatea unei metode se poate vedea dup valoarea lui i A. Prin urmare, sub numele de absorbiometrie sau spectrofotometrie prin

    absorbie a luminii se neleg toate metodele ce au la baz urmtorul principiu: un fascicol luminos, de o anumit lungime de und, strbate proba de analizat i dup proporia n care este absorbit radiaia luminoas, se determin cantitatea de substan absorbant.

    Metoda se numete absorbiometrie fotometric sau spectrofotometrie prin absorbie sau nc spectrocolorimetrie; denumirea de colorimetrie este improprie, acesta definind n realitate metodele de analiz pentru specificarea i descrierea culorilor.

    Metodele absorbiometrice au cunoscut o evoluie considerabil i datorit tehnicilor moderne de lucru i aparaturii folosite.

    6

  • Domenii de aplicare i avantaje

    Datorit perfecionrii aparaturii i metodelor de lucru, spectrofotometria UV-VIS a devenit o metod performant, cu o eroare mic = 0,25 - 0,5%, comparabil cu a metodelor titrimetrice. (la nceput mai ales n cazul analizei urmelor precizia lsa de dorit.

    Principalele avantaje:- se pot aplica pentru dozarea majoritii substanelor. n cazul n care compusul

    nu absoarbe lumina, poate fi transformat printr-o reacie chimic adecvat ntr-un compus colorat ce absoarbe lumina.

    - folosirea reactivilor organici a condus la realizarea unor metode de determinare a urmelor de substan.

    - sunt metode rapide, prin msurarea direct, fr a fi necesar adugarea de soluie titrat. n multe cazuri se poate evita separarea altor componente, iar prin folosirea unor reactivi specifici i prin controlul strict al reaciei se poate elimina interferena ionilor strini (controlul pH-ului, lungime de und convenabil aleas, utilizarea solvenilor organici pentru extragerea complecilor colorai, utilizarea unor reacii redox etc.).

    - prin metodele spectrofotometrice se poate pune n eviden punctul de echivalen ntr-o metod titrimetric (titrare spectrofotometric).

    Schema bloc a unui spectrofotometru de absorbie n UV i vizibil este urmtoarea:

    Sursa de radiaii este n mod obinuit o lamp de incandescen (cu filament de wolfram) pentru domeniul vizibil, iar pentru domeniul ultraviolet o lamp cu hidrogen sau deuteriu etc.

    Cuvele i monocromatorul pentru domeniul vizibil sunt confecionate din sticl iar pentru ultraviolet din cuar.

    n prezent pentru selectarea radiaiei monocromatice se folosesc mai puin prismele i mai mult reelele de difracie.

    Solventul folosit pentru realizarea soluiilor, mai ales pentru determinri n UV, trebuie s nu absoarb n domeniul cu maximul de absorbie pentru prob, tabelul 3.

    Tabelul 3. Domeniul de absorbie n UV pentru unii solveni

    Solventul Domeniul n care absoarbe (nm) SolventulDomeniul n care

    absoarbe (nm)Apa pn la 190 Diclormetan 200 230

    7

  • n-Hexan pn la 195 1,2-Dicloretan 200 233Metanol 200 210 Cloroform 200 250Etanol 200 210 Acetat de etil 200 260Ciclohexan 200 210 Tetraclorur de carbon 200 265Eter etilic 200 210 Dimetilformamid 200 270Acetonitril 200 212 Benzen 200 2801,4-Dioxan 200 220 Toluen 200 285Izooctan 200 220 Piridin 200 305Glicerin 200 230 Aceton 200 - 330

    Metode de dozare

    Metode directe

    In cazul substanelor la care se cunoate valoarea absorbanei specifice sau molare determinarea se face astfel:

    Se msoar absorbana (densitatea optic - D, A, E) a soluiei de analizat si folosind relaia A = .c.l se determin concentraia cunoscnd valoarea lui i l, (l reprezint grosimea cuvei i de regul este de 1 cm = 10 mm).

    Dac pentru o substan se cunoate valoarea absorbanei specifice, se poate calcula concentraia n substana de analizat pe baza relaiei:

    c A

    A cm=

    11% => c n g% (m/v)

    Calculul se face n modul urmtor:A cm1

    1% ..................................1 g/100 mlA ................................. c g/100 ml

    Se poate folosi i metoda curbei de etalonare (calibrare) innd cont de faptul c A = f(c), vezi figura 5.

    n acest scop se prepar o serie de soluii etalon crora li se determin absorbana la lungimea de und caracteristic analitului ( max). Se reprezint grafic variaia absorbanei n funcie de concentraia, obinndu-se curba de etalonare. Folosind absorbana probei prelucrat n acelai mod cu soluiile etalon, prin interpolare, se afl din curba de calibrare cioncentraia analitului.

    8

  • Figura 5. Curba de calibrare n spectrofotometria de absorbie

    Pentru a avea o bun precizie, concentraiile soluiilor se aleg astfel nct valorile absorbanelor s fie cuprinse n domeniul 0,20 - 0,80.

    Metode indirecte

    La soluia de analizat se adaug un reactiv ce determin scderea absorbanei (de exemplu prin formarea unui complex). Curba de etalonare va avea forma urmtoare, figura 6:

    Figura 6. Curba de calibrare n cazul n care reactivul determin scderea absorbaneiPrin determinarea absorbanei se afl concentraia.

    Metoda diferenial

    Este o tehnic spectrofotometric n care soluia de referin (martorul) conine componentul major din prob iar spectrul nregistrat reprezent diferena dintre absorbana probei i a soluiei de referin.

    9

  • Deosebirea fa de metodele clasice const n nlocuirea martorului clasic cu aceast soluie de referin.

    De exemplu, la determinarea liganzilor pentru anumite enzime, soluia de referin este constituit din enzima i solvent iar proba conine enzim i ligandul n acelai solvent.

    Titrimetrie spectrofotometric

    Se determin punctul de echivalen ntr-o titrare prin msurarea variaiei absorbanei funcie de volumul de soluie adugat. Se reprezint grafic aceast variaie. Punctul de inflexiune reprezint volumul de echivalen. Curbele de titrare pot avea formele (1) in cazul in care solutia titrata este colorata si la titrare culoarea dispare, sau (2) cazul in care produsul de reactie este colorat, figura 7.

    Figura 7. Stabilirea punctului de echivalen spectrofotometric

    Spectre derivate

    Spectrul de absorbie este reprezentarea grafic a absorbanei funcie de lungimea de und, )(fA = - spectru de ordin 0. n scopul analitic acest spectru poate fi derivat, obinndu-se spectrele derivate:

    - de ordinul nti:

    )('fddA =

    - de ordinul doi:

    )("fd

    Ad2

    2

    =

    - de ordinul n:

    )(fd

    Ad nn

    n

    =

    10

  • n figura 8 sunt prezentate efectele derivrii unui spectru cu un singur maxim de absorbie.

    Derivata I-a se obine prin reprezentarea vitezei de variaie a absorbanei n funcie de lungimea de und, spectrul ncepe i se termin la valoarea zero, trecnd prin zero la aceeai valoare a lungimii de und corespunztoare maximului de absorbie.

    Figura 8. Spectre derivate

    Principala caracteristica a derivatei de ordin doi este un minim la aceeai lungime de und ca i maximul din spectrul de ordin zero.

    Derivata a patra prezint o band pozitiv cu un maxim la aceeai lungime de und ca i maximul din spectrul de ordin zero.

    Prin transformarea spectrului UVVIS n derivate de ordin I sau II se obine de regul un profil mult mai complex dect n cazul spectrului de ordin zero.

    Spectrul derivat accentueaz diferenele dintre benzile spectrului, poate rezolva suprapunerea benzilor i, cel mai important, poate a reduce efectul interferenelor.

    11

  • Spectrele derivate pot fi utilizate la confirmarea identitii unui compus prin compararea cu spectrele unor compui de referin. Dac spectrele sunt similare compuii sunt identici.

    Un efect nedorit al procesului de derivare este scderea raportului semnal / zgomot odat cu creterea gradului de derivare.

    Aplicaii

    Efectuarea unei determinri cantitative (dozri) spectrofotometrice sau elaborarea unei noi metode de dozare cuprinde urmtoarele etape de lucru:

    a) Studiul reaciei chimice ce st la baza determinrii (reacie de culoare) implicnd:

    - alegerea reactivului de culoare, - a solventului, stoechiometria reaciei, - viteza de apariie a culorii, - stabilitatea n timp a speciei colorate, - influena diferiilor factori asupra reaciei de culoare (pH, temperatur, ordinea

    adugrii reactivilor, prezena speciilor strine, interfereni), - sensibilitatea reaciei de culoare, - domeniul optim de concentraie.b) Studiul aspectului fizic al determinrii: alegerea lungimii de und la care

    compusul colorat prezint absorban maxim i a metodei de msurare.c) Verificarea valabilitii legii Lambert-Beer.d) Construirea curbei de etalonare.e) Msurarea absorbanei probei de analizat (prelucrat n aceleai condiii cu

    etalonul) i deducerea valorii concentraiei de pe curba de etalonare.

    Sensibilitatea metodei spectrofotometrice depinde de doi factori: sensibilitatea reaciei de culoare i sensibilitatea nregistrrii (observrii) diferenelor mici de absorban.

    Sensibilitatea reaciei de culoare este proporional cu coeficientul molar de extincie al substanei ce absoarbe.

    Pe baza unor considerente teoretice se poate prevedea c valoarea maxim a lui este de ordinul 105 (100000).

    Sandell afirma c: sensibilitatea (S) unei reacii de culoare este dat de cantitatea de substan ( g) dintr-un strat de soluie cu seciunea de 1 cm2 ce produce o absorban egal cu 0,001 (de exemplu, sensibilitatea reaciei Fe2+ cu o-fenantrolin

    este 0,05 g/cm2; iar pentru Mn2+ dup oxidare la MnO4- este 0,1 g/cm2).

    Prin analogie cu legea BouguetLambertBeer:

    12

  • Acest coeficient S, este definit de Kortm ca fiind cantitatea de substan exprimat n mg coninut ntr-un litru de solvent ce determin o absorban egal cu 0,001 pentru o grosime a stratului absorbant de 1 cm.

    S-au elaborat un numr foarte mare de metode de dozare att pe compui anorganici ct i organici. Practic, orice substan poate fi dozat i printr-o metod spectrofotometric, dac se utilizeaz o reacie de culoare adecvat pentru VIS sau UV. Contribuii n domeniu: Sandell, Charlot, Babko etc.

    Vom prezenta n continuare cteva exemple de dozri, cu referire la substane de interes farmaceutic.

    Dozarea alcaloizilor

    Determinarea spectrofotometric a alcaloizilor se bazeaz pe proprietatea acestora de a forma compui colorai cu o serie ntreag de reactivi att din categoria reactivilor generali ai alcaloizilor ct i reactivi specifici unei anumite structuri chimice.

    Alcaloizi ca stricnina, chinina, cinconina etc. reacioneaz cu acidul picric formnd precipitate colorate care dup separare i dizolvare n amoniac se determin spectrofotometric (sarea de amoniu a acidului picric este colorat n galben).

    Se mai poate aplica extracia picratului respectiv ntr-un solvent organic convenabil ales i msurarea absorbanei soluiei obinute.

    Sarea Reinecke (tetratiocianodiaminocrom III) NH4[Cr(SCN)4(NH3)2] formeaz cu alcaloizii precipitate colorate ce se separ, se spal, se dizolv n aceton i se msoar absorbana.

    Heteropoliacizii precipit alcaloizii din mediu acid, precipitatele obinute fiind reduse dup separare i purificare, cu TiCl2, SnCl2, SO32- etc. la albastru de molibden sau de wolfram funcie de heteropoliacidul utilizat la precipitare (metoda albastrului de wolfram i de molibden).

    Alcaloizi cum ar fi codeina, vincamina, alcaloizi din Solanacee etc. precipit cu reactivul Wasiky (p-dimetilaminobenzaldehida).

    Derivaii barbiturici

    Derivaii barbiturici pot fi determinai att n UV ct i n VIS. Determinrile n UV se fac la max = 220 nm n mediu acid i 240-245 nm n mediu bazic.

    De exemplu barbitalul (veronalul) la pH = 10 absoarbe la 240 nm prezentnd %1cm1A = 538, ciclobarbitalul %1cm1A = 423 iar fenobarbitalul %1cm1A = 431.

    13

  • Pentru determinarea n vizibil se utilizeaz reactivi de culoare: de exemplu pentru fenobarbital acetatul de cobalt i izopropilamin. ( max = 560 nm).Acidul ascorbic

    Spectrul de absorbie n UV trasat n soluie de HCl 0,01N prezint max = 245 nm i A cm1

    1% =695, iar n tampon fosfat de pH = 6,4 max = 265 nm, A cm11% = 945.

    Pentru domeniul vizibil se utilizeaz o serie ntreag de reacii de culoare cum ar fi reacia produsului de oxidare (acidul dehidroascorbic) cu hidrazine => hidrazone colorate.

    n reacia cu diclorfenilindofenol se obine o curb descendent (decolorare).

    Sulfamide

    Metodele de dozare ale sulfamidelor sunt prezentate n tabelul 4.

    Tabelul 4. Absorbana specific pentru cteva sulfamideSulfamida max (UV) %1cm1A

    Sulfapiridina 240 620 (ap)Sulfapiridina 261 680Sulfapiridina 270 857Sulfadiazina 270 844 (etanol)Tolbutamid 228 500 (etanol)

    Pentru compui ce nu absorb n UV se aplic reacii chimice ce conduc la produi cu absorbie n UV.

    De exemplu, alcaloizii formeaz cu clorura de p-nitrozobenzoil un ester (esterul p-nitrozobenzoic) cu max = 253 nm.

    Aminele primare i secundare

    Aminele primare i secundare reacioneaz cu anhidrida cinamic n acetonitril formnd amida cinamic ce prezint absorban maxim la 305 nm (acidul cinamic

    C6H5_CH=CH_COOH).Aminoacizii (ca i aminele de fapt) formeaz cu clorura de anisil

    dimetilaminoftaleina, respectiv sulfonamide cu max = 284-290 nm i 320-350 nm.Cationi metalici

    Civa dintre reactivii folosii pentru determinarea spectrofotometric a cationilor sunt consemnai n tabelul 5.

    14

  • Tabelul 5. Reactivi folosii pentru determinarea spectrofotometric a unor cationi.

    Reactivul Ionul ce se determin max maxAlizarina Zr 525 5,3.103Acidul cromotropic Ti 460 1,7.104Difeniltiocarbazona Pb 520 6,6.1048-hidroxichinoleina Al 386 6,6.103Nitrozo-R (sare de Na) Co 500 1,5.1041,10-fenetrolina Fe (II) 508 1,1.104Piridilazonaftol Zn 515 2,3.104Ditiocarbamat de Na Cu 436 1,3.105Bis - baze Schiff Mn 460 9,8.104

    Hormonii corticosteroizi

    Hormonii corticosteroizi (hidrocortizon, flumetazona, fluocinolona, prednisolona etc.) prezint maxim de absorbie la max = 240 nm, %1cm1A = 400.

    Pentru dozri n vizibil, reacia cu albastru de tetrazoliu max = 525 nm.

    Acidul salicilic i derivaii si

    Acidul salicilic i derivaii si se determin prin reacia cu Fe3+ n mediu neutru, obinndu-se compui cu max = 525 nm.

    Determinarea concentraiei a dou substane n amestec, avnd maximum de absorbie la lungimi de und apropiate

    Se poate rezolva determinarea spectrofotometric a unor amestecuri ce conin dou componente chiar dac spectrele lor se suprapun parial, prin msurarea absorbanei probei la dou lungimi de und corespunztoare maximelor de absorbie ale celor dou componente. Aceast determinare se poate realiza datorit faptului c absorbanele sunt aditive.

    S-a constatat c spectrul de absorbie a unui amestec de doi componeni (x i y) este echivalent cu rezultatul nsumrii spectrelor caracteristice celor 2 componeni x i y, figura 9.

    15

  • Figura 9. Spectrul de absorbie a doi compui x i y (separat) i n amestec.

    Prin urmare, dac se determin absorbana probelor la lungimile de und 1 , 2 caracteristice componenilor x i y (este vorba de max) se pot scrie urmtoarele ecuaii:

    A A A A b c A b cX Y X x Y y 1 1 1 11

    11

    =+ = + % % ; A A A A b c A b cX Y X x Y y 2 2 2 2

    12

    1=

    + = + % %

    n aceste ecuaii s-a inut seama de faptul c absorbana total la cele dou lungimi de und este determinat de suma componentelor x i y (conform spectrului de absorbie)

    Prin rezolvarea sistemului de ecuaii, rezult:

    cA A A A

    b A A A Ax

    Y Y

    X Y X Y

    =

    1 21

    2 11

    11

    21

    21

    11

    % %

    % % % %( ) ; c

    A A b c

    A by

    X x

    Y

    =

    2 21

    21

    %

    %

    unde:cx = concentraia componentului x n prob (% m/v);cy = concentraia componentului y n prob;A 1 = absorbana probei la lungimea de und 1;A 2 = absorbana probei la lungimea de und 2;Ax1

    1% = absorbana specific a componentei x la lungimea de und 1;Ax2

    1% = absorbana specific a componentei x la lungimea de und 2;Ay1

    1% = absorbana specific a componentei y la lungimea de und 1;Ay2

    1% = absorbana specific a componentei y la lungimea de und 2;b = grosimea stratului absorbant (cm), (n general b = 1 cm).

    16

  • Pentru a calcula absorbana specific a celor dou componente la cele dou lungimi de und (dac nu se cunoate) se folosesc soluii etalon de concentraie 1% (m/v).

    Se poate determina concentraia i folosind coeficientul molar de extincie (A = .c.b), sistemul de ecuaii fiind asemntor. Se va deduce n acest caz concentraia soluiei de analizat n moli/L.

    Coeficientul molar de extincie, dac nu este cunoscut, se determin experimental prin msurarea absorbanei soluiei etalon la cele dou lungimi de und.

    De exemplu: A = 0,750; c = 4,63.10-4 M; b = 1 cm. = A/(c.b) = 0,750 / 4,63.10-4 = 1577 cm-1. M-1

    17

  • Spectrometria I.R.

    Radiaiile IR constituie partea spectrului electromagnetic cu lungimea de und superioar radiaiilor vizibile i inferioare undelor radio.

    Spectrul electromagnetic

    Radiaiile IR sunt constituite din:- IR apropiat 750 - 2500 nm (0,75 - 2,5 m);- IR mijlociu 2500 - 50000 nm (2,5 - 50 m);- IR ndeprtat 50000 - 1000000 nm (50 - 1000 m).(1 nm = 10-9 m = 10-7 cm)De obicei, pentru radiaiile IR, se exprim n m sau numr de unde

    (1 m = 10-4 cm = 10-6 m = 103 nm = 104)= numr de unde = 1/ ; (se exprim n cm-1).Legtura ntre i am vzut-o deja: = 1/ (cm) = 104/ ( m) deoarece 1 m = 10-4 cm.Exemplu: = 2,5 m = 2500 nm = 2,5.10-4 cm = (1/2,5). 104 = 4000 cm-1

    Domeniul ce prezint cel mai mare interes pentru analiza organic este foarte limitat i cuprinde vibraiile cu ntre 2,5 - 25 m, respectiv 4000 - 400 cm-1.

    Energia acestor radiaii este prea mic pentru a produce modificri n structura electronic a moleculelor sau atomilor absorbani, dar este suficient pentru a produce modificri n energia lor de vibraie sau rotaie.

    Prin analogie cu spectrele UV-VIS, spectrul IR este reprezentarea grafic a procentului de energie absorbit (absorbana sau transmisia) funcie de lungimea de und exprimat n m sau frecven exprimat n cm-1 (numr de unde).

    Radiaiile IR a cror lungime de und depete 100 m sunt absorbite de moleculele substanelor, modificndu-le energia de rotaie. Aceast absorbie este

    18

  • cantitativ, motiv pentru care un spectru de rotaie molecular prezint un ansamblu de linii fine.

    n schimb, radiaiile cu lungime de und mai mic (1 - 100 m), deci cu energii mai mari, sunt capabile, atunci cnd sunt absorbite, s produc modificri - tranziii - n energiile de vibraie molecular. Aceste tranziii sunt cuantificate i ele, dar spectrele de vibraie nu vor mai prezenta linii ci benzi mai mult sau mai puin late, datorit faptului c fiecrei tranziii de energie de vibraie i se pot asocia tranziii de energie de rotaie.

    Intensitile bezilor de absorbie sunt indicate fie prin transmisie T, fie prin absorban A (D,E).

    Transmisia = energia fascicolului IR dup trecerea prin prob / energia fascicolului IR la intrarea n prob;

    T = I/I0.A = log (1/T) = log(I0/I)T% = (I/I0).100T% = transmitan]a substanei de analizat (n procente);I = intensitatea luminii transmise;I0 = intensitatea luminii incidente.Exist dou tipuri de vibraii moleculare:- vibraii de alungire (stretching) i- vibraii de deformare (bending)O vibraie de alungire este cea n cursul creia doi atomi se apropie i se

    deprteaz periodic de-a lungul axei lor comune (se modific continuu distana interatomic).

    ntr-o vibraie de deformare, sunt modificate i unghiurile dintre legturi, iar n spectrul IR vor fi observate numai cele care antreneaz variaii periodice ale mementului de dipol al moleculelor. Sunt perturbri ce survin n repartiia sarcinilor electrice n interiorul moleculei din cauza diverselor vibraii care sunt responsabile de interaciunea ce se produce ntre molecul i cmpul electromagnetic oscilant al radiaiei IR. Vibraiile de deformare sunt de patru tipuri: forfecare, legnare, rsucire, basculare.

    Considernd un grup de atomi aezai neliniar de forma AX2, acesta va cuprinde 3 vibraii: alungire, deformare n plan i deformare n afara planului. n general, pentru o molecul ce cuprinde n atomi, se vor nregistra 3n-6 (3 3-6 = 3 pentru AX2) tipuri de vibraii fundamentale (figura 1).

    19

  • Figura 1. Tipuri de vibraii fundamentale pentru o molecul tip AX2

    Acest numr teoretic al tipurilor de vibraii (i de frecvene de absorbie) nu corespunde numrului de benzi de absorbie din spectru. Se pot observa benzi suplimentare ce corespund frecvenelor armonice ale frecvenei fundamentale sau benzilor de combinaie a cror frecven este egal cu suma frecvenelor celor dou vibraii fundamentale.

    Deasemenea, anumite benzi, previzibile teoretic, pot s nu apar din diferite motive:

    - frecvena fundamental este n afara domeniului 2,5-15 m;- banda fundamental are o intensitate prea mic pentru a fi vizibil n spectru;- dou frecvene fundamentale sunt foarte apropiate i se confund etc.Calculul frecvenei ce corespunde vibraiei de alungire a unei legturi, poate s

    se fac apelnd la legea lui Hooke.Aceasta se bazeaz pe un model mecanic al vibraiei de alungire pentru o

    molecul diatomic, considerat a fi format din dou mase reunite printr-un resort (oscilator armonic)

    yx

    MyMx

    Se obine relaia: MyMxMyMx

    fc2

    1

    +

    pi=

    n care: = frecvena n cm-1 (numr de unde);c = viteza luminii (cm.s-1);f = constanta de for a legturii (n dyne.cm-1);Mx i My = masele atomilor x i y (n grame).

    20

  • n general, constanta de for a legturii este de ordinul a 5.105 dyn/cm pentru legturi simple, respectiv de 2 sau de 3 ori mai mare pentru legturi duble respectiv triple.

    Prin aplicarea formulei n cazul legturii C-H, considernd masele celor doi atomi 19,8.10-24 g respectiv 1,64.10-24 g (M1 = 12 g.mol-1/6.1023 atomi.mol-1 = 19,8.1024; M2 = 1 g.mol-1/6.1023 atomi.mol-1 = 1,66.10-24), frecvena de vibraie a acestei legturi va fi 3040 cm-1 (3,3 m).

    n realitate, frecvena pentru legturile C-H din gruprile metil i metilen apare la 2960 i 2850 cm-1.

    Imprecizia calculului se explic prin aceea c nu s-a inut cont i de influena atomilor vecini legturii C-H. nlocuind H cu deuteriu frecvena de vibraie a legturii C-D apare la valori mai mari ale lui ca la C-H, fapt ce servete la atribuirea frecvenelor de vibraie C-H diverselor grupri prezente n molecul.

    Calcule asemntoare celui de mai sus permit s se prevad urmtoarele domenii de frecven pentru:

    CC C O C H 1300-800 cm-1

    (7,7-12,5 m)

    C C OC NC NO1900-1500 cm-1

    (5,3-6,7 m)

    CC NC 2300-2000 cm-1(4,4-5,0 m)

    Pentru a aduce mai mult precizie n calculul frecvenelor de vibraie prin relaia lui Hooke, este necesar s se in seama simultan de masa atomilor i de energiile de legtur. Creterea constantei de for joac un rol mai important dect creterea masei atomilor.

    Astfel, legtura F-H va absorbi la o frecven mai ridicat dect legtura C-H (4138 cm-1 fa de 2862 cm-1).

    Energia utilizat pentru o vibraie de deformare este n general mai slab dect energia unei vibraii de alungire i benzile caracteristice din spectrul IR apar spre frecvene mai mici dect cele corespunztoare vibraiilor de alungire.

    Domeniile atribuite diverselor frecvene de alungire i de deformare sunt indicate n tabelele ce cuprind frecvenele sau lungimile de und caracteristice ctorva grupe de atomi.

    Influena legturii de hidrogen asupra frecvenei de vibraie trebuie luat n seam deoarece micoreaz frecvenele de alungire i mrete frecvenele de deformare.

    21

  • Aparatura

    Un spectrofotometru cu dublu fascicol, comport cinci pri principale:

    1 2 3 4 5

    1. Sursa de radiaii IRRadiaiile IR se obin la temperatura de 1000-1800C. Sursa este constituit fie

    dintr-un filament Nernst (oxizi de zirconiu, thoriu i ceriu fixai pe un liant), fie baghet Globar (carbur de siliciu). Ambele sunt aduse la temperatura de lucru prin trecerea unui curent electric.

    Energia emis de o surs Globar este maxim n regiunea 5500-5000 cm-1 i descrete spre numere de und mai mici (la 600 cm-1 descrete de 600 ori). Filamentul Nernst emite maximum de energie spre 7100 cm-1 i scade de 1000 ori spre frecvene mai coborte.

    Radiaia ce pleac de la surs este mprit n dou fascicole: unul traverseaz proba, cellalt substana de referin.

    2. Compartimentul pentru probeCompartimentul pentru probe cuprinde loca[ul cuvelor pentru proba de analizat

    i de referin. Celulele (cuvele) sunt foarte diferite funcie de substana de analizat.

    3. Fotometrul

    Fotometrul este dispozitivul care realizeaz msurarea intensitii fascicolului ce strbate proba comparativ cu a celui de referin.

    Fascicolul de referin reflectat de un sistem de oglinzi, cade pe o oglind turnant ce realizeaz un fascicol intermitent cu o frecven ntre 8 i 13 cicluri pe secund, dup care trece printr-o fant i cade pe fotocelul.

    Concomitent, fascicolul ce strbate proba cade printr-un sistem de oglinzi pe aceeai oglin turnant i apoi prin aceeai fant, pe detector.

    Se poate spune c cele dou radiaii au fost combinate ntr-un singur fascicol modelat cu o frecven ce depinde de viteza de rotaie a oglinzii turnante. Cele dou fascicole pot fi echilibrate cu ajutorul unui dispozitiv de atenuare, piptene, ce absoarbe mai mult sau mai puin fascicolul de referin. Cu ajutorul unui servomecanism atenuatorul echilibreaz cele dou fascicole; micarea acestuia este apoi nregistrat funcie de lungimea de und, realizndu-se spectrul IR de absorbie.

    4. Monocromatorul

    22

  • Monocromatorul realizeaz separarea unei radiaii monocromatice folosind prisme speciale, transparente la IR.

    Astfel, o prism din NaCl este utilizabil satisfctor n domeniul 4000-650 cm-1, cele din CaF2 numai n domeniul 4200-1300 cm-1, iar cele din KBr i CsBr sunt mai indicate pentru domeniul 1100-385 cm-1.

    n prezent, utilizarea reelelor de difracie este din ce n ce mai acceptat, datorit numeroaselor avantaje.

    Se spune c un aparat are o putere de rezoluie cu att mai mare cu ct separ un domeniu de lungimi de und mai ngust. Cu ct fanta prin care trece fascicolul este mai mic, rezoluia este mai mare. Nu se poate lucra ns cu fante foarte mici (nguste) deoarece intensitatea radiaiei emise de surs scade, mai ales la lungimi de und mari.

    La aparatele moderne, lrgimea fantei este reglat astfel nct intensitatea fascicolului s rmn prectic constant.

    5. Detectorul nregistratorul

    Detectorul - nregistratorul (receptorul) este un dispozitiv ce furnizeaz dateleprivind intensitatea fascicolului ce strbate proba. n general, se utilizeaz trei

    tipuri de detectori: detectori termici, piroelectrici i fotoconductori. Se mai folosete celula pneumatic sau celula Golay - bazat pe energia total care acioneaz asupra detectorului, flexibil i foarte sensibil, util n domeniul 0,8-1000 m.

    Detectorii termici folosesc efectul caloric al fascicolului de lumin. Se utilizeaz termocuplul i bolometrul.

    n cazul termocuplului, energia fascicolului nclzete lucul de sudur a dou lame bimetalice, fora electromotoare ce ia natere fiind funcie de energia incident.

    n cazul bolometrului, nclzirea are ca efect modificarea valorii unei rezistene, modificare ce este dependent de energia incident.

    Deci, orice modificare a intensitii fascicolului probei, comparativ cu cel de referin, se traduce printr-un semnal electric care se nregistreaz.

    Att termocuplul ct i bolometrul sunt utilizate pentru domeniul 0,8-400 m, dar nu au sensibilitate prea mare.

    Detectorii piroelectrici sunt confecionai din materiale dielectrice cu proprieti termice i electrice speciale. Cel mai utilizat material este triglicin-sulfatul deuterat.

    Celula fotoconductiv - semiconductor din PbS sau PbSe utilizat pentru domeniul 0,7-3,3 m.

    Starea fizic a probei

    Spectrele IR se pot nregistra pentru toate substanele, idiferent de starea de agregare.

    1. Gazele i lichidele cu punct de fierbere sczut sunt examinate n celule speciale, n prealabil vidate. n acestea i lichidele cu punctul de fierbere sczut se

    23

  • volatilizeaz i se realizeaz de fapt spectrul vaporilor. Pentru cele cu punctul de fierbere mai ridicat, pentru a avea loc volatilizarea, celulele pot fi nclzite. n cazul gazelor drumul optic poate atinge i 40 m.

    2. Lichidele pot fi examinate n stare pur sau n soluie, folosind cuve speciale cu grosimea ntre 0,005 mm i 0,1 mm, cantitatea de produs variind ntre 1 i 10 mg. Dac se folosesc soluii, acestea se introduc n cuve cu grosimea de 0,1-1,00 mm; concentraiile soluiilor pot fi de 0,05-10% (1-15 mg substan). Celula cu proba martor conine solventul; are grosimea fix sau variabil i se plaseaz pe traiectoria fascicolului de referin, fiind confecionat din acelai material i avnd aceeai grosime cu cuva pentru prob. Materialul din care sunt confecionate cuvele trebuie s fie transparent pentru lumina infraroie (clorur de sodiu, bromur de potasiu, fluorur de litiu).

    Soluiile i lichidele mai pot fi examinate i sub forma uni film ntre dou ferestre.

    Spectrul nregistrat n cazul soluiilor cuprinde att benzile de absorbie ale substanei dizolvate ct i benzile caracteristice solventului. Din acest motiv, solvenii utilizai pentru analiza IR trebuie s fie anhidri, transpareni n domeniul de lungimi de und explorat i s nu formeze legturi de hidrogen cu substana de cercetat

    n tabelul 5 sunt prezentai civa dintre solvenii mai utilizai cu indicarea regiunilor transparente.

    Tabelul 1. Solvenii utilizai pentru analiza IRSolventul Regiuni transparente

    CS2 860-880, 1450-1650, 2200-2400CCl4 700-860, 960-1010, 1350-1400, 1490-1600Perclorbutadien 800-980 ; 1050 - 1080 ; 1500 - 1550Nujol 1390-1500, 2700-3000Fluorolube tot domeniul

    3. Solidele se pot examina n IR prin trei procedee: suspensie ntr-un lichid vscos, dispersie solid sub form de pastil obinut prin comprimare, film (pelicul) depus pe o lam transparent la IR.

    Suspensiile se obin prin amestecarea a 2-5 mg prob solid cu o pictur de nujol (ulei de parafin cu punct de fierbere ridicat), fluorolube (amestec de hidrocarburi fluorurate) sau hexaclorbutadien. Suspensia astfel obinut este examinat sub forma unui film subire plasat ntre dou plci din sare transparent la IR, folosind pentru compensare solventul fixat ntre plci din acelai material i aceeai grosime.

    24

  • Pastilele sunt obinute prin comprimarea puternic a unui amestec omogen obinut din 1 mg substan de analizat i 100 - 400 mg KBr anhidr, de puritate spectral; amestecul se introduce ntr-o matri special i se comprim la o presiune de cteva sute kg/cm2. Se nregistreaz spectrul IR fa de un comprimat preparat n aceleai condiii ns fr substana de analizat.

    Filmele depuse pe o plac se utilizeaz mai rar i numai pentru substanele care pot fi topite i solidificate sau pentru cele care se dizolv ntr-un solvent nepolar, uor volatil.

    Indiferent de maniera n care se pregtete proba de analizat, aceasta trebuie s fie anhidr.

    Interpretarea spectrelor. Aplicaii

    Pentru a se putea realiza o interpretare corect a spectrelor IR care s conduc la rezultate concludente, trebuie ndeplinite urmtoarele condiii:

    - spectrofotometrul IR s aib o bun rezoluie;- substana studiat s fie bine purificat;- aparatul folosit s fie corect etalonat.Etalonarea aparatului se face nregistrnd spectrul unui film din polistiren

    pentru care se cunosc n mod riguros poziiile benzilor de absorbie caracteristice.Deasemenea, trebuie avut n vedere faptul c nu se pot stabili complet diversele

    moduri de vibraie a unei molecule i din acest motiv, interpretarea unui spectru IR se face prin compararea empiric a mai multor spectre.

    Cea mai mare parte a frecvenelor de vibraie a unui grup de atomi variaz destul de mult de la o molecul la alta, datorit vibraiilor foarte complexe ce pot exista n aceasta. Totui, anumite frecvene, cum ar fi cele care rezult din alungirea legturilor C-H i C=O, variaz foarte puin de la o molecul la alta ceea ce ajut la stabilirea structurii studiate, tabelul 2.

    Tabelul 2. Frecvenele de vibraie pentru unele grupri.Tipul de legtur Domeniul (cm-1)

    C-H 2840-3000CH aromatic 3000-3100CH alchine 3300C=C olefine 1640-1680C=C alchine 2150-2260C=C aromatic 1450-1600C-O alcool, eter, acizi, esteri 1080-1300C=O aldehide, cetone, acizi, esteri 1690-1760O-H alcool, fenol 3590-3640C N vinil 2210-2260C-Cl 600-800

    25

  • Orice concluzie la care s-a ajuns, prin reperarea unei benzi a spectrului trebuie confirmat prin examinarea acestei regiuni din spectru. De exemplu, dac constatm existena unei benzi caracteristice - vibraie de alungire - pentru gruparea C=O din funcia aldehid ( =1690 cm-1), trebuie s ne asigurm c exist n spectru i banda caracteristic de alungire a legturii C-H din grupul CHO la 2750 cm-1 (3,63 ). La fel atribuirea unei benzi carbonil dintr-un ester ( CO =1750 cm-1) trebuie s fie confirmat prin observarea unei benzi intense situat ntre 1310 i 1100 cm-1 (7,6 - 9,1 m) corespunztoare alungirii legturii C-O a gruprii ester.

    n foarte multe cazuri benzile sunt deplasate datorit formrii legturii de hidrogen.

    Regiunile mai importante pentru un examen preliminar sunt cele situate peste 1350 cm-1 (pn la 2000 cm-1) i cele cuprinse ntre 900 i 650 cm-1. Benzile corespunztoare regiunilor intermediare sunt complexe.

    Pentru a confirma structura unei substane, pe lng spectrele IR, se folosesc i spectrele de mas, UV, RMN etc.

    Moleculele cu un numr mare de atomi admit i un foarte mare numr de vibraii normale, ceea ce face ca interpretarea spectrelor s fie dificil.

    Pornind de la un numr foarte mare de spectre ale substanelor cunoscute, s-au tras concluzii general valabile, spectrometria IR empiric fiind foarte util.

    Nu exist doi compui organici cu spectrul IR identic i din acest motiv spectrul IR a devenit un criteriu de identificare a fiecrei substane organice, asemntor cu amprentele digitale la oameni. Domeniul de frecven sub 1500 cm-1, fiind caracteristic fiecrei substane, a primit denumirea de regiune a amprentei digitale. Coincidena acestei regiuni n spectrele a dou substane este o dovad a identitii lor.

    Spectrele IR pot constitui i o dovad a puritii unei substane. Apariia unor benzi suplimentare fa de spectrul substanei pure dovedete prezena unor impuriti. Desigur, va fi ma uor decelat o singur impuritate dect mai multe nsumnd aceeai concentraie.

    Unele reacii chimice n care reactantul i produsul de reacie prezint benzi caracteristice individuale se pot urmri comod i sigur cu ajutorul spectrelor IR (dispare banda reactantului i apare cea a produsului de reacie).

    n cazul cromatografiei pe coloan a unui amestec de produi, identificarea diferitelor fraciuni se poate face i prin spectroscopie IR, mai ales dac produii sunt incolori.

    Toate tipurile de molecule, organice i anorganice, cu foarte mici excepii, absorb n domeniul IR. Din acest motiv, spectrofotometria IR ofer posibiliti de determinare pentru un numr mare de substane. Mai mult, datorit unicitii spectrului IR, specificitatea acestei metode va fi atins sau depit de un numrm relativ mic de alte metode analitice.

    Specificitatea i-a gsit aplicaii mai ales n analiza amestecurilor de compui organici foarte nrudii.

    Analiza unui amestec de hidrocarburi

    26

  • O aplicaie tipic a spectroscopiei cantitative IR este analiza unui amestec de izomeri C8H10 ce conin o-xilen, m-xilen, p-xilen i etilbenzen.

    Spectrele pentru aceti compui n domeniul 12 - 15 m, n ciclohexan prezint benzi maxime (peak-uri) caracteristice individuale la 13,47 m, 13,01 m, 12,58 m i 14,36 m. Totui, datorit suprapunerii benzilor de absorbie, absorbana unui amestec la oricare din aceste lungimi de und, nu este n ntregime determinat de concentraia unui singur component. De aceea se determin absorbanele molare pentru fiecare din aceti patru compui la cele patru lungimi de und. Cu acestea pot fi scrise patru ecuaii care permit calcularea concentraiei fiecrei specii, prin msurarea absorbanei amestecului la cele patru lungimi de und (vezi UV-VIS).

    Determinarea poluanilor din aerDeterminarea poluanilor din aer necesit metode sensibile, rapide i foarte

    specifice pentru o mare varietate de compui chimici. Spectrofotometria IR ndeplinete aceste cerine mai mult chiar dect alte metode analitice.

    Proba de aer ce conine cinci specii chimice n concentraii cunoscute, a fost analizat cu un instrument computerizat, utiliznd o celul gazoas de 20 m. Datele au fost imprimate n 1 - 2 minute de la injectarea probei.

    Spectrometre IR cu transformare Fourier

    Spectrometrele n infrarou cu transformare Fourier ofer avantajele unei neobinuit de mari sensibiliti, rezoluie i vitez de achiziie a datelor (tot spectrul este achiziionat n mai puin de o secund). Din pcate, aceste instrumente sunt mult mai scumpe i mai complexe.

    Spectrometrele cu transformare Fourier nu conin elemente dispersive, toate lungimile de und fiind detectate i msurate simultan. Pentru a separa lungimile de und este necesar modularea semnalului sursei n aa fel nct s poat fi decodat prin transformare Fourier, o operaie matematic ce necesit utilizarea unui calculator de mare vitez.

    Spectrometrele IR tradiionale sunt cunoscute ca instrumente dispersive. Odat cu apariia instrumentelor pe baz de calculator i microprocesor, aceste instrumente clasice au fost nlocuite n mare parte de spectrometre n infrarou cu transformare Fourier (FTIR), care prezint mai multe avantaje. n loc de un monocromator tip reea de difracie, un instrument FTIR folosete un interferometru pentru a obine spectrul.

    Schema de baz a unui instrument cu interferometru este urmtoarea, figura 2.Radiaia de la o surs IR convenional este mprit n dou raze, una care pleac spre o oglind cu poziie fix i alta care pleac spre o oglind n micare. Atunci cnd

    27

  • razele sunt reflectate, una este deplasat puin (defazat) fa de cealalt. nainte de a trece prin prob, se produce interferena tuturor radiaiilor monocromatice din raz. Astfel, prin prob trec simultan toate lungimile de und, iar interferena se modific n timp prin deplasarea oglinzii cu o vitez liniar. Rezultatul absorbiei radiaiei de ctre prob este un spectru obinut n timp, numit interferogram, ce reprezint intensitatea absorbiei ca funcie de diferena de drum optic dintre cele dou raze. Folosind un microprocesor, aceasta este convertit n domeniu de frecvene, cu ajutorul unei operaii matematice numite transformare Fourier (de unde i numele de spectrometru IR cu transformare Fourier); n urma acestui proces se obine un spectru infrarou convenional.

    Avantajul principal al unui instrument cu interferometru este faptul c se proceseaz mai multe date simultan. Prin prob trec toate radiaiile odat, fa de instrumentele clasice n care proba era expus succesiv cte unui domeniu ngust.

    Detector

    S

    Prob

    Oglind mobil

    Oglind fix

    Surs infrarou

    Figura 2. Schema de baz a unui instrument cu interferometru

    Acest proces conduce la creterea raportului semnal-zgomot i la obinerea n cteva secunde a unui spectru cu o rezoluie comparabil sau chiar mai bun dect la folosirea unei reele de difracie.

    Principiile interferometrului i a transformrii Fourier sunt cunoscute de peste un secol, dar aplicaiile practice au trebuit s atepte apariia tehnicilor digitale de calcul cu ajutorul calculatorului.

    28

  • Spectrometria de mas

    Spectrometria de mas este o metod instrumental de analiz a compuilor organici avnd la baz fragmentarea moleculelor n ioni de mas diferit cu sarcin pozitiv i separarea lor n fascicule de ioni cu aceeai mas folosind concomitent interaciunea acestora cu un cmp electric i magnetic.

    n principiu, are loc bombardarea substanei de cercetat cu un fascicul de electroni, urmat de accelerarea ionilor formai i separarea lor funcie de mas prin aciunea concomitent a unui cmp electric i magnetic.

    Un spetrometru de mas cuprinde:- un compartiment de producere a ionilor sub aciunea unui fascicul de

    electroni (1);- un compartiment de accelerare a ionilor n cmp electric longitudinal (2);- un compartiment de separare n cmp magnetic transversal funcie de

    raportul m/e (3);- un compartiment de detectare a ionilor (4)

    1. Ionizareamoleculelor

    2. Accelerarea ionilor`n cmp electric

    3. Separarea ionilor`n cmp magnetic

    4. Detectareaionilor separa]i

    Cnd detectorul (4) este o plac fotografic, care este impresionat mai mult sau mai puin funcie de numrul ionilor, aparatul se numete spectrograf.

    Aparatele moderne nregistreaz curentul ionic (proporional cu numrul de ioni) sub form de spectru, funcie de masa ionilor i de abundena lor; asemenea aparate se numesc spectrometre de mas.

    Majoritatea spectrometrelor de mas realizeaz separarea ionilor pozitivi, deoarece la bombardarea moleculelor de cercetat (cel mai adesea organice) cu un fascicul de electroni se expulzeaz un electron din molecul formndu-se un ion pozitiv.

    Diferena esenial a spectrometriei de mas de celelalte metode spectrale const n aceea c dup nregistrarea spectrului substanei cercetate, aceasta nu mai poate fi recuperat, fiind transformat n ioni, pe cnd n celelalte metode au loc numai modificri n starea fizic a substanei.

    Schema unui spectrometru de mas cu focalizare magnetic este redat n figura 1:

    29

  • Figura 1. Schema unui spectrometru de mas

    - Proba este introdus n spectrometru i vaporizat;- Ionii de sarcin z (un multiplu al sarcinii electronului) sunt produi prin

    bombardarea probei cu un flux de electroni n camera de ionizare; energia electronilor trebuie s fie mai mare de 70 eV (1eV = 96,5 KJ.mol-1; 70 eV = 6750 KJ.mol-1)

    - Ionii rezultai sunt accelerai ntr-un cmp electric cptnd o energie cinetic similar cmpului;

    - Ionii de mas m sunt deviai n cmp magnetic funcie de raportul m/z pe diferite traiectorii circulare;

    - Variind tria cmpului magnetic se pot focaliza pe detector ionii de o anumit mas m (m/z) ;

    - Ionii focalizai sunt detectai i se nregistreaz spectrul de mas.Spaiul interior al spectrometrului de mas este puternic vidat.Fiecrui raport m/z i corespunde o traiectorie de o anumit raz:

    2A2

    HU2

    emr =

    n cmp electric energia de accelerare este egal cu energia cinetic:

    2mvUe

    2

    A = (1) unde:

    m - masa (Kg); e - sarcina ionului; v - viteza ionului (m/s); UA - tensiunea de accelerare (V).

    n cmp magnetic fora magnetodinamic este egal cu fora centrifug:

    rmvveH

    2

    = (2) sau rmveH = (3)

    unde:H - intensitatea cmpului magnetic (T - tesla); r - raza traiectoriei ionului (m).Rezult c viteza are expresia:

    30

  • mreHv = (4)

    nlocuind n relaia (1) valoarea lui v din expresia (4) obinem:

    2

    222

    A m2reHmUe

    = (5) sau 22A reHUm2 = (6)

    de unde rezult c:

    2A2

    HU2

    emr = (7) i

    A

    22

    U2Hr

    em

    = (8) sauA

    22

    U2Hr

    zm

    = (9)

    Spectrul de mas: ionii rezultai prin bombardarea compusului organic sunt instabili i se fragmenteaz aproape instantaneu. Spectrul de mas al unui compus organic constituie reprezentarea abundenei relative a fragmentelor de scindare, purttoare de sarcini pozitive, n funcie de raportul m/e al acestor particule.

    Drept etalon al abundenei se consider, de regul, cel mai intens maxim din spectru - picul de baz - base peak. Atribuind acestuia valoarea 100% se pot determina cu uurin abundenele relative ale tuturor ionilor. ntruct abundenele sunt foarte diferite ca valoare, uneori picurile cele mai importante prezint n spectru intensiti extrem de mici (abundene foarte reduse). De regul, spectrul de mas se d sub form grafic (figura 2).

    40 60 80 100 120 140 160 180 2000

    400000

    800000

    1200000

    1600000

    2000000

    M/Z ->

    Abundance CAFEINA

    384255 67

    8082

    94

    109

    122124 137 150 164165 179

    194

    196

    Figura 2. Spectrul de mas al cafeinei

    n cazul analizelor cantitative, se nregistreaz cantitatea total de ioni (curentul ionic total); nlimea unui pic red ponderea procentual a acelui maxim din cantitatea total a ionilor. n acest caz se impune o nsumare riguroas a intensitilor tuturor ionilor din spectru pn la M (masa molecular).

    31

  • Aplicaii

    Spectrometria de mas se poate folosi att n analiza calitativ ct i n cea cantitativ.

    Spectrometrele de mas se folosesc mult cuplate cu un gaz cromatograf pentru detectarea i nregistrarea componentelor separate prin gaz cromatografie.

    Tehnica mixt gaz cromatografie pe coloane capilare - spectrometrie de mas (GC-MSD) ct si cromatografia de lichide de inalta performanta cu detector spectrometru de masa a putut fi realizat practic datorit faptului c metodele necesit cantiti mici de prob i de acelai ordin de mrime (de la miligrame la nanograme).

    Spectrometria de mas folosete i la determinri de mase moleculare i structuri ale substanelor organice necunoscute prin:

    - furnizarea masei moleculare exacte;- posibilitatea stabilirii unei formule brute;- prin aducerea unei dovezi asupra existenei posibile a unor elemente

    structural caracteristice (alturi de alte metode: RMN, IR etc.).

    Aplicaii n chimia organic

    Procesul de ionizare a unei molecule poate avea loc n dou moduri:- cu formare de ioni negativi prin nglobarea electronului (mai rar):

    M + e _> M-fenomen cunoscut sub numele de "absorbie de rezonan".- cu formarea unui ion pozitiv (cel mai frecvent) prin expulzarea unui electron

    din molecul:

    M + e _> 2e + M+Dac energia electronilor este mic (5 - 10 eV), se formeaz aa numitul "ion

    molecular" avnd aceeai mas ca a moleculei. Ionul molecular format este destul de instabil i se descompune rapid desfcndu-se ntr-un numr mare de fragmente, de regul cu formarea unui radical i a unui ion:

    M+ _> R + I+Radicalul fiind neutru din punct de vedere electric nu va fi observat cu

    spectrometrul de mas. Procesul poate avea loc n mai multe etape.Fragmentrile moleculelor n spectrometrul de mas rspund la urmtoarele trei

    tendine:- formarea de ioni ct mai stabili;- formarea de radicali ct mai stabili;- eliminarea de particule neutre stabile (N2, CO2, H2O etc.).Dintre picurile unui spectru prezint interes deosebit:- picul molecular;

    32

  • - picul de baz care reprezint etalonul de msurare a intensitii;- picurile datorate contribuiilor izotopice.De exemplu, n cazul hidrocarburilor saturate:- ionii moleculari sunt instabili i prin pierderea unui ion de hidrogen se

    formeaz ioni de carboniu primari cu formula general: [CnH2n+1]+ .O reacie important de scindare a acestora este pierderea unei molecule de

    etilen, dar se pot scinda radicali liberi alchil sau atomi de hidrogen.

    . .+H R CH2 2CH CH 2CH

    +

    +..

    R CH2 2CH 2CH 2CH+

    +R CH2 2CH 2CH 2CH+

    +CH2CH2CH22CHR

    Ionii cu sarcin electric se stabilizeaz prin mezomerie iar ionii carboniu trec n ioni mai stabili.

    Ionizarea moleculelor de analizat se poate face folosind ca reactiv un gaz (metan, metilpropan sau amoniac) care introdui n camera de ionizare, n urma bombardrii cu electroni, produc ioni moleculari, care, reacioneaz apoi cu moleculele probei cu apariia ionilor de tip MH+ ; au loc reaciile:

    Reactia primar: CH4 + e- CH4+ + e- + e- electron ion electronul din electronul (ionizare) rapid molecular reactivul gaz ncetinit Reaciile secundare: CH4+ CH3 + H CH4+ + CH4 CH5+ + CH3 (Autoprotonare)

    ionul reactant

    CH3+ + CH4 C2H5+ + H2

    Coliziune cu molecula din proba M : M + CH5+ MH+ + CH4 (ionul M+1)molecula moleculadin prob protonatM + C2H5+ MC2H5+ (ionul lui M+29)

    Daca M este de tipul RH:RH + CH5+ R+ + CH4 + H2 (ionul M-1)

    Astfel de ionizare se numete ionizare chimic (IC).n spectrul de mas obinut prin ionizare chimic picul ionului molecular

    predomin. Avantajul acestui tip de ionizare este creterea sensibilitii deteciei la valori de ordinul femtogramelor (10-15g).

    33

  • Spectroscopia de rezonan magnetic nuclear(RMN)

    Spectroscopia RMN este o metod instrumental de analiz avnd la baz msurarea absorbiei de ctre proba, aezat ntr-un cmp magnetic exterior, a radiaiei electromagnetice (de rezonan) n regiunea frecvenelor radio.

    n comparaie cu spectrometria UV, VIS i IR unde erau implicai n absorbia radiaiei electromagnetice electronii, n RMN sunt implicate nucleele atomilor.

    Bazele teoretice ale spectroscopiei RMN au fost puse de W. Pauli n 1924 care a prevzut n mod cert prezena spinului magnetic. Verificarea experimental s-a fcut n 1946 independent de ctre F. Bloch, Stanford i E. Purcell. n 1952 Bloch i Purcell au primit premiul Nobel pentru aceste realizri.

    n 1953 apare primul spectrometru RMN de nalt rezoluie ce a fost folosit i pentru studii privind structura chimic a substanelor. n prezent spectroscopia RMN a cptat o extindere deosebit n chimia organic, anorganic, biochimie, medicin etc.

    Teoria rezonanei magnetice nucleare

    Unele nuclee, asemntor electronilor, prezint un moment magnetic de spin ce se poate orienta ntr-un cmp magnetic exterior efectund o micare de precesie cu o anumit frecven i care poate intra n rezonan cu o radiaie electromagnetic extern (din domeniul radio).

    Deoarece energia nucleelor este mult mai mare ca a electronilor, va necesita pentru orientarea spinului un cmp magnetic mai intens.

    Nucleele unor atomi (H1, C13, N15, F19, P31 etc.) avnd numrul cuantic de spin I =1/2, execut ca i electronii o micare de rotaie n jurul propriei axe - micare de spin. Momentul mecanic de spin al nucleului este cuantificat conform relaiei:

    PIh I I= +

    21

    pi( )

    unde: I - numr cuantic de spin.Ca i n cazul electronului, nucleul n rotaie, fiind ncrcat, va reprezenta un

    curent electric, care va crea un cmp magnetic (magnet elementar) a crui ax coincide cu cea a spinului.

    Comparnd protonul cu electronul vom constata c viteza de rotaie a protonului este mult mai mic dect a electronului deoarece protonul are momentul de inerie mult mai mare. Aceasta echivaleaz cu un curent elementar mult mai slab i deci un moment magnetic mult mai mic. Unitatea de moment magnetic este "magnetonul nuclear" - n - dat de relaia:

    34

  • pi

    nh e

    mpcgauss cm= =

    40 5 10 24 3

    n care: eo = sarcina; mp = masa protonului; h = constanta lui Planck.Valoarea magnetonului nuclear este de aproximativ 2000 ori mai mic dect

    magnetonul electronului care are masa de aproximativ de 2000 ori mai mic. Ca i electronul nucleul cnd este supus aciunii unui cmp magnetic exterior se

    va comporta ca un giroscop, axa sa de rotaie efectund o micare circular (de precesie) "precesia Larmour" n jurul axei cmpului magnetic exterior (figura 1).

    Figura 1. Precesia Larmour

    Pentru orice nucleu n cmp magnetic exterior sunt posibile numai orientrile pentru care proieciile momentului magnetic pe axa acestui cmp sunt date de

    produsul: gn.nI. n unde:gn - factor giromagnetic nuclear (pentru proton g = 5,585);nI - numrul cuantic magnetic nuclear (poate lua 2I + 1 valori, de la -I la +I); n - magnetonul nuclear.

    Pentru proton care are I = 1/2 exist doar dou orientri ( 1212 + ) a cror

    nclinare fa de axa cmpului este de aproximativ 54.Orientarea n sensul cmpului magnetic este mai stabil (energie mai mic),

    dect cea n contra cmpului (energie mai mare).Diferena de energie ntre cele dou orientri este dependent de cmpul

    magnetic exterior (H). E = n.gn.H, unde: gn - factor giromagnetic nuclear; n - magnetonul nuclear;H - cmpul magnetic exterior (Tesla, 1T = 10000 gauss).Pentru ca protonul s interacioneze cu o cuant de radiaie electromagnetic

    este necesar ca aceasta s aib exact energia E. Numai n acest caz cuanta de energie

    35

  • electromagnetic va putea fi absorbit de proton i prin urmare i va inversa spinul i va trece din starea de energie joas n starea de energie nalt (figura 2).

    Figura 2. Interaciunea protonului cu o cuant de radiaie electromagnetic

    Condiia de rezonan va fi dat de relaia: E = h. = n.gn.H, i deci, mrimea frecvenei de rezonan - - este:

    = E/h = ( n.gn.H) / hsau = 2pi . = 2pi .( n.gn.H) / h = H , = H / 2pi

    E = h H / 2piunde: - frecvena Larmor - raportul giromagneticFrecvena de rezonan poate fi calculat i cu relaia: = n H / h I, unde:I = numrul cuantic de spininnd cont c precesia Larmor se face cu o frecven egal cu a cuantelor de

    radiaie electromagnetic absorbit, va reprezenta n acelai timp viteza unghiular a precesiei.

    Diferena de energie ntre cele dou orientri este foarte mic n cazul protonului (comparativ cu electronul). De exemplu, n cmp magnetic de 14000 Gauss, frecvena de rezonan corespunde la 60 MHz, unde cu frecvene n domeniul radio.

    n general, la introducerea unei probe n cmpul magnetic exterior, tendina tuturor nucleelor este de a se aranja n acelai sens cu cmpul. n momentul rezonanei, protonii cu orientare paralel trec, ca urmare a absorbiei de energie, n orientare antiparalel.

    36

  • Cedarea energiei absorbite pentru restabilirea echilibrului iniial are loc prin

    fenomene de relaxare: relaxare spin-reea _ energia este cedat reelei (probei) sub

    form de cldur _ i relaxare spin-spin _ energia este cedat pentru modificarea spinului.

    Spectrul RMN, reprezint curba absorbiei de energie electromagnetic de ctre compusul studiat n funcie de cmpul magnetic aplicat (sau frecven).

    Spectrul RMN se realizeaz folosind un spectrometru RMN cu schema prezentat n figura 3:

    Figura 3. Schema de principiu a unui spectrometru RMN

    Cmpul magnetic, H, pe care l manifest cu adevrat un nucleu nu este cmpul exterior, H0, aplicat ci cmpul magnetic exterior modificat de vecintile locale ale nucleului, electrice i magnetice. Cmplu exterior, H0, este modificat de ecranarea magnetic manifestat de electronii legturilor nconjurtoare. Deci, valoarea observat a lui H este dependent de vecintile moleculare ale protonului ce dau semnalul (absoarbe sau emite unde de radiofrecven).

    n spectrometrul RMN proba este plasat ntr-un tub n centrul cmpului magnetic, H0, i este iradiat cu unde de radiofrecven . Unul din cei doi factori H0 sau se pot modifica . Deoarece cmpul H este proporional cu frecvena, proba de analizat este supus fie unui cmp magnetic constant H0 i variind frecvena, fie invers.

    Deoarece fiecare proton primete un anumit cmp aplicat i o frecven corespunztoare cu cea de rezonan funcie de vecintile sale, va fi emis un semnal de o anumit frecven ce poate fi captat de o bobin receptoare (aezat perpendicular pe bobina oscilatorului de radiofrecven ), pentru a nu capta frecvena generatorului.

    37

  • Spectroscopia RMN prezint importan major pentru chimia organic,

    ajutnd la elucidarea structurii moleculelor, deoarece factorul giromagnetic _ gn_ i

    deci frecvena de rezonan, depind n mare msur de vecintatea atomic a nucleului respectiv.

    Rezonana magnetic a protonului cu spinul 1/2 (I = 1/2) prezint importan deosebit pentru studiul compuilor organici, deoarece majoritatea acestora prezint n molecul i atomi de hidrogen. Faptul c izotopul C12, O16 i O18 nu au moment magnetic de spin i deci nu dau fenomene de rezonan magnetic nuclear, prezint un avantaj, uurnd interpretarea spectrelor RMN - protonice.

    n prezent se execut spectroscopie RMN pentru F19, C13, P13 i N15 (toate cu I = 1/2).

    Deplasarea chimic

    Protonul, n orice combinaie, se gsete nconjurat de un nor electronic ce manifest o ecranare fa de cmpul magnetic exterior H0 datorit cmpului magnetic He asociat curentului electric produs de electronul n micare.

    Drept urmare asupra protonului nu acioneaz ntregul cmp magnetic aplicat, cu alte cuvinte la o frecven dat a oscilatorului (undelor radio) semnalele de rezonan a diferitelor categorii de protoni apar la cmpuri exterioare mai intense dect cel corespunztor unui proton liber. La fel se ntmpl ntr-un cmp magnetic constant, rezonana are loc la frecvene mai mici ale oscilatorului (unde radio).

    Gradul de ecranare a protonului difer dup modul n care este legat protonul n molecul. Spre exemplu, n molecula de etanol, protonul cel mai puin ecranat este cel din gruparea OH, cel legat de oxigen; mai ecranai sunt cei din gruparea CH2 i mai ecranai cei din gruparea CH3.

    La frecven constant a oscilatorului, variind intensitatea cmpului magnetic apare un semnal de rezonan mai nti pentru protonul din OH, apoi la o valoare mai mare a cmpului pentru CH2 i n sfrit la o valoare i mai mare pentru CH3 , figura 4.

    Figura 4. Semnalul de rezonan pentru proton funcie de gradul de ecranare

    38

  • Diferena dintre intensitatea cmpului magnetic de rezonan (sau frecvena de rezonan - Hz) i cea pentru protonul liber se numete deplasare chimic i se consider fa de o linie arbitrar.

    Diferenele de ecranare ale diferitelor categorii de protoni, funcie de modul de legare n molecul sunt foarte mici.

    Se exprim n ppm i se noteaz cu .

    = (Hstandard - Hproton) / Hstandard; ppm = (Hs - Hp).106/Hs = ( standard - proton) / standard; ppm = ( s -

    p).106/ s

    Pentru tipurile uzuale de protoni, deplasrile chimice au valori ale lui cuprinse ntre 1 i 10.

    Dup cum am vzut punctul de zero nu poate fi corect fixat i din acest motiv distana ntre diferitele semnale RMN se msoar fa de poziia unui compus standard (standard extern cnd este introdus n prealabil n aparat sau standard intern cnd este dizolvat n prob).

    Standardul d un singur semnal intens i ngust la una din extremitile scalei. Cel mai utilizat este tetrametilsilanul - TMS - (CH3)4Si lichid cu pf = 27C, formnd un semnal corespunztor celor 12 protoni echivaleni i puternic ecranai.

    Valoarea deplasrii chimice este aceeai indiferent dac se lucreaz cu un aparat de 40, 60 sau 100 MHz (frecvena radio a oscilatorului), precum i dac se exprim funcie de cmp sau frecven.

    Este preferabil s se lucreze la frecvene mai mari, 60 sau 100 MHz (chiar mai mult - 220 MHz) pentru care corespunde un cmp mai intens i se realizeaz o extincie mai mare, cu alte cuvinte un raport semnal/zgomot mai mare, spre deosebire de alte ramuri ale spectrometriei, unde coeficienii de extincie depind foarte mult de structur.

    De exemplu, gruparea carbonil n IR nu are aceeai valoare n aldehide, cetone sau esteri, pe cnd n RMN, intensitatea semnalului unui proton este aceeai indiferent de gradul de protonare.

    Intensitatea benzilor de absorbie RMN este proporional cu numrul protonilor responsabili de absorbie.

    Majoritatea spectrometrelor RMN traseaz pe spectru i curbele integrale. Se compar valorile relative ale integralelor diferitelor semnale ele fiind n acelai raport ca i numrul diferitelor categorii de protoni.

    Dm un exemplu de spectru RMN n figura 5.

    39

  • Figura 5. Spectru RMN (lA / lB = nr. protoni A / nr. protoni B).

    Deplasrile chimice ale ctorva tipuri reprezentative de protoni sunt redate n tabelul 1.

    Tabelul 1. Deplasrile chimice pentru gruprile metil, metilen i metin din diverse combinaii.

    Structura , ppmM = CH3 M = CH2 M = CHAlifatici substituii

    M-Cl 3,0 3,5 4,0 M-Br 2,7 3,4 4,1 M-NO2 4,3 4,4 4,6 M-OH (sau OR) 3,2 3,4 3,6 M-O- 3,8 4,0 4,6 M-OC(=O)R 3,6 4,1 5,0 M-C=C 1,6 1,9 - CCM 1,7 2,2 2,8 M-C(=O)H 2,2 2,4 - M-C(=O)R 2,1 2,4 2,6 M-C(=O) 2,4 2,7 3,4 M-C(=O)OR 2,2 2,2 2,5 M- 2,2 2,6 2,8

    Alifatici substituii M-C-Cl 1,5 1,8 2,0 M-C-Br 1,8 1,8 1,9 M-C-NO2 1,6 2,1 2,5 M-C-OH (sau OR) 1,2 1,5 1,8 M-C-OC(=O)R 1,3 1,6 1,8 M-C-C(=O)H 1,1 1,7 - M-C-C(=O)R 1,1 1,6 2,0 M-C-C(=O)OR 1,1 1,7 1,9

    M-C- 1,1 1,6 1,8

    40

  • Aplicaiile RMN

    Una din aplicaiile RMN a fost i este identificarea grupelor funcionale cum ar fi OH n alcooli i fenoli, acizi carboxilici, protonii (hidrogenul) din olefine, hidrogenul acetilenic, din amine, amide.

    Deci, prin spectroscopia RMN a protonilor se poate realiza identificarea i elucidarea structurii unor molecule organice, metal-organice i biochimice.

    Un spectru RMN, ca i un spectru IR adesea este suficient pentru identificarea unui compus organic.

    Pentru o identificarea sigur i pentru a stabili o structur este necesar a se corobora spectrele RMN cu alte determinri: spectre IR, UV, analiza elemental C, H, N, spectre de mas etc.

    n prezent pe lng spectroscopia RMN a protonilor se folosete i cea pentru F19 (identificarea acestui element n compui cu fluor), C13 i N13.

    n analiza cantitativ spectrosopia RMN poate fi folosit pentru faptul c exist o proporionalitate ntre aria picurilor i numrul de nuclee responsabile pentru pic.

    Dac, spre exemplu, se cunoate aria semnalului pe proton, aria unui pic poate fi folosit pentru a stabili concentraia speciei respective.

    Practic se folosete un standard intern, comparndu-se aria picului standard sau a compuilor de analizat, cu condiia ca aria picului standard s nu depeasc nici unul dintre picurile probei.

    Pentru calibrare se folosesc cel mai mult derivai organici de silan, avnd picurile protonilor cu localizare nalt.

    Dezavantajul principal al analizei cantitative RMN este costul ridicat al aparaturii i dificultatea analizei probelor complexe care se rezolv mai uor prin alte tehnici.

    Rezonana magnetic nuclear este n mod obinuit folosit pentru determinarea structurii substan elor, dar exist i multe alte aplicaii importante ale sale.

    Spectroscopia RMN de relaxare poate fi folosit pentru a evalua proporia dintre faza solid i cea lichid din produse alimentare ce conin multe lipide, cum ar fi margarinele. Metoda se bazeaz pe faptul c timpul de relaxare spin-spin al protonilor din faza lichid este mai mare dect al celor din faza solid. Dac se nregistreaz variaia intensitii semnalului protonilor n timp, se obin dou curbe, corespunztoare celor dou faze. Prin extrapolarea acestor curbe se obin intensiti ale semnalului care sunt proporionale cu cantitatea relativ de protoni din faza lichid i solid.

    Aplicaiile RMN n medicin devin tot mai comune, de la simple studii dinamice la diagnosticarea anormalitii esuturilor.

    Studiul prin RMN-13P al sngelui i al fluidelor celulare permite monitorizarea n timp real a pH-ului sanguin, tehnic necesar n cazul diabeticilor. Absena insulinei poate conduce la nivele toxice ale aciditii intracelulare, caz n care o perfuzie cu hidrogenocarbonat de sodiu poate ajuta la restabilirea pH-ului intracelular normal. Monitorizarea are loc prin msurarea deplasrii chimice ntre semnalele fosforului

    41

  • organic i a celui anorganic. Acest lucru este posibil deoarece semnalul RMN al fosforului anorganic depinde mult de pH i se poate deplasa cu pn la 1 ppm pentru o unitate de pH. Aria fiecrui pic se poate utiliza pentru a calcula concentraia relativ a fiecrui compus organic (de exemplu ATP), i n consecin se poate evalua starea metabolic a esuturilor.

    Folosirea RMN-1H pentru scanarea corpului uman a devenit un fapt obinuit. Intensitatea semnalelor RMN-1H depinde att de densitatea protonic ct i de timpul de relaxare al acestora. n consecin, protonii din ap, proteine, lipide, carbohidrai i alte substane ar trebui s prezinte semnale diferite. Totui, principalele specii care au densiti de protoni suficient de mari pentru a da un semnal apreciabil sunt apa i lipidele. Vecintile nucleelor care intr n rezonan dau acestora timpi de relaxare diferii, i deci semnale diferite. n consecin se pot diferenia diferitele organe ale corpului.

    Imaginile obinute se numesc imagini de rezonan magnetic (s-a renunat la termenul nuclear pentru a evita asocierea cu radiaiile nucleare) i arat asemntor cu imaginile ob inute cu ajutorul razelor X. Imaginile de rezonan magnetic se pot achiziiona pentru un singur organ sau pentru tot corpul. Imaginile esuturilor moi se pot realiza n orice plan, obinndu-se date complementare cu cele obinute prin raze X pentru esuturile tari. Scanarea dureaz aproximativ 20 min, i de aceea subiectul trebuie s pstreze nemicat zona ce va fi scanat n interiorul unui magnet cu diametru mare.

    Nu se cunosc efecte secundare asociate cu aceast tehnic, ceea ce nseamn c o persoan (incluznd indivizii tineri i cei sensibili) poate fi scanat n mod regulat pentru a monitoriza evoluia anumitor stri patologice cum ar fi cancerul sau scleroza multipl.

    42