6.6. Apsorpcija zračenja 6.7. Optička aktivnost Lamber-Berov zakon Boja i struktura molekula 6.7. Optička aktivnost Specifična rotacija

Apsorpcija zračenja Grotus-Draperov zakon: I0 = IA + IT + IR refleksija transparencija apsorpcija

Energetski nivoi u molekulima su mnogo složeniji od onih u atomima Svaki elektronski nivo ima mnogo vibracionih a svaki vibracioni mnogo rotacionih nivoa Čisti elektronski energetski nivoi Atomski Molekulski

između svih ovih nivoa nastaje širok spektar a ne niz oštrih linija Linijski emisioni spektar atoma Osnovno stanje se sastoji od jednog elektronskog energetskog nivoa, jednog ili više vibracionih i velikog broja rotacionih stanja. Slično je sa pobuđenim stanjima. Pri prelazu između svih ovih nivoa nastaje širok spektar a ne niz oštrih linija Širok apsorpcioni spektar molekula

A = f[analit]: A = m[analit] + b Količina apsorbovane svetlosti je proporcionalna koncentraciji analita. A = f[analit]: A = m[analit] + b UV: 180 – 380 Vid: 380 – 780 nanometri nm 1nm = 1 x 10-9m Zračenje i spektroskopija Zračenje Talasna dužina: , m Prelazi Gama zraci 5 x 10-13 – 1.4 x 10-10 Nuklearni X-zraci 1 x 10-9 – 1 x 10-8 unutrašnji elektroni UV- vidljiva 1.8 x 10-7 – 7.8 x 10-7 elektroni veza infracrvena 7.8 x 10-7 – 3 x 10-4 Molekulske vibracije mikrotalasna 7.5 x 10-4 – 3.75 x 10-3 Molekulske rotacije  Fotoni ili talasni paketi energije E = hc/ E

Izvođenje Lambet-Beer-ovog zakona Shematski prikaz jednostavnog spektrometra I Izvor svetlosti Disperzioni element I0 Uzorak Detektor svetlosti Intenzitet svetlosti, I, je energija u jedinici vremena po jedinici površine po jediničnom prostornom uglu Transparencija je T=I/I0

Izvođenje A=ecb Smanjenje intenziteta svetlosti je srazmerno debljini Upadna svetlost Propuštena svetlost Rastvor koji apsorbuje I I-dI Smanjenje intenziteta svetlosti je srazmerno debljini sloja dx i koncentraciji c:  konstanta proporcionalnosti

Deljenjem obe strane sa I Sada integralimo obe strane I-dI Deljenjem obe strane sa I Sada integralimo obe strane

Sada integralimo obe strane: Dobija se:

Beer-Lambert-ov zakon A =a c b A = m[analit] + d  Beer-ov zakon A  c Lambert-ov zakon A  b + c - koncentracija konstanta proporcionalnosti je ekstinkcioni koeficijent a- molarna apsorptivnost. a je nagib zavisnosti A od c. Veličina a () zavisi od talasne dužine. Jedinice a koncentracija-1.dužina-1 tj.: dm3 mol-1 cm-1

Apsorpcija zračenja Apsorpcioni spektar Analitička prava

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

Mnoge organske funkcionalne grupe imaju dobro definisane apsorpcione Kvalitativno: A =a c  Mnoge organske funkcionalne grupe imaju dobro definisane apsorpcione karakteristike: max &  ili a (obično u UV) - napraviti rastvor poznate koncentracije (c) - snimiti spektar između 180 i 350nm - identifikovati max, izračunati  ili a Prelazni metali često obojeni zbog prelaza između d orbitala – apsorbuju u vidljivoj oblasti, broj pikova i max &  identifikuju metalni jon & geometriju - Oh vs Td SWH p560 Ne-obojeni analiti mogu reagovati dajući obojena jedinjenja npr. PO43-

A, apsorbancija je definisana kao A = log10(Io/I) = -log10(T) Apsorpcioni Spektar T, je transparencija. Ona je deo upadne svetlosti propušten kroz uzorak T = I/Io Uzorak Io I A, apsorbancija je definisana kao A = log10(Io/I) = -log10(T) b- Dužina ćelije Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u vezujućim orbitalama analita Pr: Mesta nezasićenih veza u oprganskim molekulima, npr. dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) →  *, ili d →d prelazi u metalnim kompleksima ili Metal d → ligand prelazi max talasna dužina na kojoj je A maksimalno KMnO4

[analit]uzorak = (A – c)/m b) Kvantitativna analiza i) <Koristi se Beer-Lambert-ova jednačina A =ab c pripremiti rastvore analita i dodati reagense (ako su neobojeni) meriti apsorbanciju na poznatim max i b Naći a i izračunati c. Molarne apsorptivnosti nisu precizno poznate, stoga ovakva izračunavanja nisu precizna. Teško se radi ovako ii) Koristiti kalibracione krive – uobičajen metod. Prepremiti set standarda i dodati reagense Meriti njihove apsorbancije na max Nacrtati A prema c: A = m[analit]standards + c Izmeriti apsorbanciju analita Izračunati koncentraciju analita [analit]uzorak = (A – c)/m

Boja i struktura molekula Boja supstancije je određena neapsorbovanim delom kontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je propušten i koji je komplementaran sa apsorbovanim delom bele svetlosti. Položaj i oblik apsorpcionih traka različitih supstancija u VIZ i UV delu spektra u vezi je sa strukturom tih supstancija Atomi ili atomske grupe čija ekscitacija elektrona dovodi do apsorpcije fotona nazivaju se hromoforama i njihovo prisustvo u molekulu odgovorno je za boju supstancije Najčešće hromofore u organskim molekulima su atomske grupe sa dvostrukim i trostrukim vezama u kojima su elektroni labavije vezani Hromofrne grupe su: C=C, N=N, C=O, -N=O- itd. Joni prelaznih metala kao i usamljeni parovi elektrona u radikalima predstavljaju hromofore

Mineral obojen zbog apsorpcije metalnog jona

Boja kompleksa prelaznih metala Rubin Korund Al2O3 sa nečistoćama Cr3+ Safir Korund Al2O3 sa nečistoćama Fe2+ i Ti4+ oktaedarski raspored gde metalni centar ima koordinacioni broj 6 Smaragd Beril AlSiO3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr3+

Vidljivi spektar Talasna dužina

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

Oduzimanjem apsorbovane svetlosti dolazimo do boje koju vidimo

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

Ljubičasto obojen filter apsorbuje žutu i zelenu boju bele svetlosti

Rastvori halogena u CCl4 Fluor-bezbojan Hlor-apsorbuje ljubičasto i plavo-žuto zelen Brom-apsorbuje plavo i deo zelenog-mrko crven Jod-apsorbuje zeleno-roze ili purpuran

Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa ligandima koje metali vezuju Svi kompleksi sadrže Co(III) i 5NH3

Alura crveno, boja za hranu Generalno ravan molekul prstenovi ugljenikovih atoma Azotovi atomi povezuju prstenove Elektroni u prstenovima pokrtetljivi i apsorbuju svetlost. Većina boja koje se koriste u industriji hrane su slične strukture.

Kristalno ljubičasto Molekul sa konjugovanim pi () vezama

Boja i struktura Batohromni efekat predstavlja pomeranje apsorpcionog maksimuma prema većim talasnim dužinama što se postiže ubacivanjem nezasićenih konjugovanih grupa. Hipsohromni efekat je suprotan od batohromnog i predstavlja pomeranje apsorpcionog maksimuma prema kraćim talasnim dužinama ubacivanjem npr. CH2 grupe. Hiperhromni efekat predstavlja povećanje apsorbancije apsorpcione trake uvođenjem auksohromnih grupa kao što su OH, OR, OCH3, NH2 u kiseloj sredini ili antiauksohromne grupe CN, CO, NO koje deluju u baznoj sredini. Hipohromni efekat nastaje kada strukturne promene u molekulu dovode do snižavanja apsorbancije apsorpcionog maksimuma usled strukturnih promena u molekulu.

Optička aktivnost

Polarizacija EM zračenja

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

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

Polarizacija EM zračenja Polarizacioni filter može izmeniti nepolarizovanu u linerno polarizovanu EM zračenje. Dobar primer je polaroid filter koji se sastoji od paralelno postavljenih izduženih molekula. Samo svetlost polarizovana duž izvesnog pravca prolazi kroz filter, dok je normalna komponenta potpuno apsorbovana.   Vertikalno polarizovana komponenta EM zračenja prolazi. Nepolarizovano EM zračenje Horizontalno polarizovana komponenta je apsorbovana

Polarizacija se može dobiti od nepolarizovanog zraka selektivnom apsorpcijom refleksijom rasejavanjem

Polarizacija EM zračenja Linearno polarizovano zračenje se vrši u jednoj ravni i vrh električnog vektora opisuje sinusoidu. Linearno polarizovana svetlost odgovara superpoziciji levo i desno cirkularno polarizovanim talasima istog intenziteta. y x z y y x z z y x z y z

Linearno polarizovana svetlost

Poređenje linearno i cirkularno polarizovane svetlosti Vektor E (električnog polja) linearno polarizovane svetlosti (takođe se zove i polarizovana svetlost u ravni)-osciluje u ravni sa promenjljivim intenzitetom (konstantan pravac a modulisana amplituda). Nasuprot tome vektor E cirkularno polarizovane svetlosti osciluje sa konstantnom amplitudom menjejući pravac (modulisani pravac). Treba uočiti da vrh električnog vektora opisuje spiralni trag u prostoru (koji može biti u smeru kazaljke na sdatu ili suprotnom) Optička aktivnost znači da supstancija interaguje različito sa levo i desno cirkularno polarizovanom svetlošću manifestujući dva različita ali povezana fenomena: 1) Optička rotacija – posledica različitih indeksa prelamanja za desno i levo cirkularno polarizovanu svetlosta -- tj., nL nD optički inaktivna, nL= nD optički aktivna, nL nD

Optička aktivnost Optički aktivne supstancije su providne supstancije koje obrću ravan polarizovane svetlosti

Optička aktivnost Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno da li su L ili D-oblik. - Due to shape of molecule. Spatial variation of EM field over molecule. - Helix shaped molecules respond differently to left and right hand polarized light. - Angle of rotation after passing through a medium. N = number density. µ0 = permeability of vacuum.

OPTIČKA AKTIVNOST OPTIČKI AKTIVNE SUPSTANCIJE ROTIRAJU RAVAN POLARIZACIJE POLARIZOVANE SVETLOSTI

KOJA JE RAZLIKA IZMEĐU DESNE I LEVE RUKE?

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

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

Dvojno prelamanje (u kristalu kalcita)

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

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

Optička aktivnost (zove se i “hiralnost”) Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ili kristalne rešetke. Zavisno od toga optička aktivnost može biti: Permanantna kada se ova osobina ne gubi sa promenom stanja date supstancije Promenjljiva kada se optička aktivnost javlja samo u kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji

Promenjljiva optička aktivnost-desnogiri i levogiri materijali Većina prirodnih materijala ne pokazuje hiralnost, ali oni koji to pokazuju su optički aktivni Ovi oblici kvarca imaju istu hemijsku formulu i strukturu ali su ogledalske slike jedan drugoga. Jedan oblik kvarca obrće ravan polarizovane svetlosti u desno i smeru kazaljke na satu a drugi u suprotnom smeru. Promenom stanja supstancije, odnosno narušavanjem spiralnog rasporeda čvorova kristalne rešetke, gubi se optička aktivnost. Ovakvo ponašanje pokazuje kvarc, natrijum hlorat ili kalijum bromat

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

Enantiomeri (ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom)

Permanantna optička aktivnost Najčešće optička aktivnost molekula potiče od prisustva asimetričnog atoma (atomi čije su valence asimetrično zaposednute, različitim atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetrični ugljenikov atom. Tako kod -hidroksipropionske kiseline asimetrični ugljenikov atom se nalazi u centru tetraedra, a u rogljevima su smeštene četiri različite atomske grupe: H, COOH, CH3 i OH (od -amino kiselina samo glicin ne pokazuje optičku aktivnost).

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

Permanantna optička aktivnost Optičkim enantiomeri ili antipodi su dva oblika istog optički aktivnog jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga. Enantiomeri imaju identične hemijske osobine sem kada reaguju sa drugim hiralnim jedinjenjima (često pokazuju i različitu rastvorljivost u rastvaračima koji se sastoje od hiralnih molekula). Posledica ove razlike u reaktivnosti je da se enantiomeri mogu razlikovati u mirisu i biološkoj i farmakološkoj aktivnosti, a samo jedan od enantiomera pokazuje ovu aktivnost. Sintetičke supstancije sadrže uvek oba enantiomera u istim količinama, tako da je nagrađena smeša optički inaktivna i naziva se racematskom smešom. Amino kiseline laboratorijski sintetizovane su racematske smeše. Nasuprot tome reakcije u živim ćelijama kao rezultat daju samo jedan enantiomer koji je biološki aktivan.

Specifična rotacija ugao rotacije specifična rotacija čiste supstancije specifična rotacija rastvora optički aktivne supstancije molarna rotacija

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

Cirkularni dihroizam . 2) Cirkularni dihroizam- posledica razlčitih koeficijenata ekstinkcije za L i D CPS (tj, L D). Polarizovana svetlost u ravni se može smatrati da se sastoji od L- i D cirkularno polarizovanih komponenata istog intenziteta. Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično polarizovanu svetlost. Tehnika optičke rotacione disperzije (ORD) ispituje zavisnost optičke aktivnosti od talasne dužine

Shematski prikaz CD spektrometra 3) Optička rotaciona disperzija (ORD) i csirkularni dihroizam (CD) su matematički povezane pojave i ako merite jednu drugu možete izračunati korišćenjem postupka koji se zove Kronig-Kramers-ova transformacija. 4) CD se češće koristi od ORD za ispitivanje biomolekula. - Bolja rezolucija (ORD signal je proširen). - Bolja osetljivost. - Lakše za dešifrovanje (1:1 odnos između apsorpcionih pikova i CD signala). Shematski prikaz CD spektrometra