01403223

1

Spectroscopyp py

เปนการศกษาอนตรกรยา (interaction) ระหวางสสารเปนการศกษาอนตรกรยา (interaction) ระหวางสสารและรงสคลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic radiation)

อาศยหลกการดดกลน (absorb) หรอเปลง (emit) รงสคลนแมเหลกไฟฟาของสารคลนแมเหลกไฟฟาของสาร

สารแตละชนดจะดดกลนหรอเปลงรงสคลนแมเหลกไฟฟาในชวงทแตกตางกน ขนอยกบโครงสรางของสารนนของสารนน

2

Electomagnetic radiationg

รงสคลนแมเหลกไฟฟารงสคลนแมเหลกไฟฟา- มสมบตเปนทงคลน (wave) และอนภาค

(เรยกวา โฟตอน) เมอเปนอนภาค เมอเปนอนภาค

E = hE = พลงงาน h = คาคงทของ Planck = 6.6 x 10-34 J/sec

= ความถ ความถ

3

Electomagnetic radiationg

เมอเปนคลน เมอเปนคลน หรอ c

c

ป

เมอเปนทงคลนและอนภาค

chhE

ความถสง ความยาวคลนสน พลงงานของรงสเพมขน

hhE

ความถสง ความยาวคลนสน พลงงานของรงสเพมขน

4

Order of Electomagnetic radiation

5

Spectroscopyp py

ประโยชนประโยชน- ใชในการศกษาพนธะในโมเลกลสารอนทรย- ใชในการวเคราะหหาโครงสรางสารอนทรย

การแสดงผล - เรยกวา สเปกตรม (Spectrum)

6

Basic Spectroscopy

1 Ultraviolet Visible Spectroscopy1. Ultraviolet-Visible Spectroscopy

2 Infrared Spectroscopy2. Infrared Spectroscopy

3. Nuclear Magnetic Resonance g

Spectroscopy

4. Mass Spectrometry

7

Spectrometer

ป ใ ใ ป โ โ ป เปนเครองมอทใชในการศกษาทางสเปกโทรสโกป สวนประกอบหลก สวนประกอบหลก

f l th b ti source of wavelength absorption

radiation selector cell

signal radiationindicator detector

8

Ultraviolet-Visible Spectroscopyp py

ใชวเคราะหไดทงดานคณภาพและปรมาณ เปนการตรวจวดการดดกลนแสงของสารในชวง

- ultraviolet (200-400 nm)

- visible (400-800 nm)

เปนการวเคราะหหมฟงกชนทไมอมตว เปนการวเคราะหหมฟงกชนทไมอมตว-C=C- -C=C-C=C-

C=O, C=N, N=O

9

Ultraviolet-Visible Spectroscopyp py

หลกการ

- โมเลกลดดกลนพลงงานชวง UV หรอ VIS เพอ กระตนให e- วงนอกสด (valence electron) ยายไปอยในระดบพลงงานทสงขนระดบพลงงานทสงขน

การเปลยนแปลงระดบพลงงานการเปลยนแปลงระดบพลงงาน- เกยวของกบ e- ทพนธะ และ non-bonding g

electron10

UV-VIS Spectroscopy

แสงทดดกลนไวจะกระตนให e- ยายจาก HOMO จาก ground state ไปอยใน LUMO ท excited state โดยเฉพาะ

สารทมพนธะไพ (pi bond)

E

h

ground state excited state11

ground state excited state

UV-VIS Spectroscopy

Electronic transition ทสาคญ* In alkanes* I b l d* In carbonyl compounds* In alkenes, carbonyl compounds,

alkynesn * In oxygen nitrogen sulfur n In oxygen, nitrogen, sulfur,

halogensn * In carbonyl compounds

12

UV-VIS Spectroscopy

โมเลกลตอไปนเกด electronic transition แบบใดไดบาง1. Dimethyl ether

CH ÖCHCH3 Ö CH3

2. Trimethylamine CH3NCH3CH3

CH33. Cyclohexene

13

UV-VIS SpectroscopyAlkene Conjugate diene

( LUMO )4

Antibonding

gy excitation3 ( LUMO )

molecularorbitals

Energ excitation

excitation

( HOMO )Bonding

l l ( HOMO )

2 ( HOMO ) molecularorbitals

1

CH2 = CH2 CH2 = CHCH = CH2

14ethylene max= 165 nm 1,3-butadiene max= 217 nm

UV-VIS Spectroscopy

จานวน t t d มากขน จานวน unsaturated มากขน - E นอยลง สารดดกลนรงสท ยาวขน E นอยลง สารดดกลนรงสท ยาวขน- สารจะมส และดดกลนรงสชวง visible

15

UV-VIS Spectroscopy

16

UV-VIS Spectra

Ultraviolet-visible spectrum of -carotene

max

17

UV-VIS Spectra

Ultraviolet-visible spectrum of lycopene stereoismers

18

UV-VIS Spectroscopy

Chromophore : หมฟงกชนโดดเดยวทสามารถดดกลน รงสชวง 200-800 nm

ประกอบดวย unsaturated group ม -e-

C=C C=O N=O CN CC

ใ Auxochromes : หมทเกาะอยกบ chromophores แลวทาให มการดดกลนแสงท ยาวขนหรอสนลง

19

มการดดกลนแสงท ยาวขนหรอสนลง

UV-VIS Spectroscopy

Auxochrome : หมทเกาะตดกบ chromophore แลวทาให - โมเลกลดดกลนรงสท ยาวขนและดดกลนรงสมากขน

(intensity มากขน) (intensity มากขน) e.g. -OH -NH2 -OR -Cl บนเบนซน2

20

UV-VIS Spectroscopy

NH2 NH3

Benzene254 nm

Aniline280 nm

Anilinium254 nm

- NH2 เปน auxochrome, e- ท N-atom เกด conjugate กบ ใ ไป -e- ของ benzene ทาใหเลอนไปท ยาวขน

- Aniline กลายเปน anilinium จะไมม e- คโดดเดยว จงดด กลนแสงคลายเบนซน

21

UV-VIS Spectroscopy

Auxochrome : หมทเกาะตดกบ chromophore แลวทาให - โมเลกลดดกลนรงสท สนลงกวาเดม

พบเมอม CO เปน chromophore และม a ochrome - พบเมอม CO เปน chromophore และม auxochromeตดกบ carbonyl group

O O O O

CH3 C H CH3 C Cl CH3 C NH2 CH3 C OH

239 235nm 214nm 204239 nm 235 nm 214 nm 204 nm

22

UV-VIS SpectroscopyPolynuclear aromatic hydrocarbon

23

วงเบนซนเพมขน ดดกลนท ยาวขน

UV-VIS Spectroscopy

Unsaturated functional groupp py

- double bondj t C C C C- conjugate C = C - C = C

- conjugate ระบบใหญj g ญ ชวงการดดกลนแสง

- double bond นอยกวา 200 nmconjugate 200 400 nm - conjugate 200 – 400 nm

- conjugate ระบบใหญ เกดสารมส 24400 – 800 nm

Infrared Spectroscopy Infrared radiation อยระหวางยาน visible และยาน microwave

near infrared (0 8 2 5 m หรอ 12500 4000 cm-1)- near infrared (0.8-2.5 m หรอ 12500-4000 cm 1)- infrared region (2.5-15 m หรอ 4000-666 cm-1)- far infrared (15-200 m หรอ 666-50 cm-1)

รงสในยานความยาวคลน 4000-666 cm-1 เปนยานทนามาใชใน spectroscopyp py

41 101)( xcm

25

10)(

)( xm

cm

IR Spectroscopy

เมอโมเลกลไดรบรงสอนฟราเรด ทาใหเกดการสน (vibration) และหมน (rotation) ในโมเลกล

พนธะโคเวเลนตระหวางอะตอมในโมเลกลเกดการสน 2 แบบ 2 แบบ

- การสนแบบยด (stretching vibration) การสนแบบยด (stretching vibration)- การสนแบบงอ (bending vibration, bond bending)

26

IR Spectroscopy

การสนแบบยด (Stretching vibration)( g )- การสนตามแนวพนธะ ทาใหพนธะหดสนหรอยาวขน

27

IR Spectroscopy

การสนแบบงอ (Bending vibration)( g )- การสนทไมเปนไปตามแนวพนธะ ทาใหมมพนธะเกด

การเปลยนแปลง

28

IR Spectroscopy

ใชวเคราะหหาหมฟงกชนของสารอนทรยalkane (C-H) alkene (C=C) alkyne (CC)alkyl halide (C-X) alcohol (C-O) aromaticcarboxylic acid carbonyl compound (C=O) etccarboxylic acid carbonyl compound (C=O) etc.

IR spectrum ลกษณะพคชลงp แกนตง เปน % transmittance แกนนอน เปนเลขคลน, ลกษณะของ band strong (s), medium (m),

แหลม (sharp) กวาง (broad)29

แหลม (sharp) กวาง (broad)30

แตละ functional groupมรปแบบการดดกลนแนนอนไมวาจะอยในสารใด

Functional group class Band position(cm-1) Intensity of absorptionAlkane, alkyl groups CH 2850 - 2960 Medium to strongAlkenes CH

CC3020 – 31001650 - 1670

Medium Medium

Alkynesy es CH CC

33002100 – 2260

StrongMedium

Alk l h lidAlkyl halides CCl

CBr600 – 800500 – 600

500

StrongStrongStCI 500 Strong

AlcoholsOH 3400 – 3640 Strong ,broad

31CO 1050 – 1150 Strong

Functional group class Band position(cm-1) Intensity of absorptiong p p ( ) y f pAromatics

3030 M di CH 3030 Medium

C C1600 , 1500 Strong

CC C

C

Amines NH

C N3310 – 35001030 1230

Medium M diCN 1030 , 1230 Medium

Carbonyl compounds CO 1670 - 1780 StrongCarboxylic acid C H 2500 – 3100 Strong very broadNitriles

32

NitrilesC N 2210 – 2260 Medium

IR Spectroscopy

การวเคราะห IR spectrum- สนใจเฉพาะ bands ทสาคญของหมฟงกชนของ

สารอนทรยแตละชนดเชนเชน

แอลคน (R-CH=CH2) ตองม band ของ CH ท 3020-3100 cm-1

1CC ท 1650-1670 cm-1

33

Alkane

CHC-H bending

2850-2960

CH2CH3

CH3

CH2

Alkene

3020-3100

1650-1670

34

Alkyney

3300 2100-2260

35

Aromatic

37

1 - butanol (R-CH2-OH)

3400-3640

38

สารประกอบคารบอนล - C = O AldehydeAldehyde

39

2 – heptanone

40

OC b li id R C OHCarboxylic acid , R-C-OH

41

Nuclear Magnetic Resonance S tSpectroscopy

เปนการศกษาสมบตของนวเคลยสในอะตอม ในนวเคลยส เปนการศกษาสมบตของนวเคลยสในอะตอม ในนวเคลยส มโปรตอนและนวตรอน โดยโปรตอนเปนอนภาคทมประจ อะตอมบางชนดมนวเคลยสทม spin อะตอมทจะวเคราะหดวย NMR ไดตองม nucleus spin = ½

1H 13C 15N 19F 31Pe.g. 1H 13C 15N 19F 31P nucleus หมนรอบตวเอง ทาใหเกด magnetic field เมอมnucleus หมนรอบตวเอง ทาใหเกด magnetic field เมอม magnetic field จากภายนอกมากระทา จะทาให spin เรยงตว ใหม

NMR Spectroscopyp py

พลงงานพลงงาน

E = h

ไมมสนามแมเหลกภายนอก เมอมสนามแมเหลกภายนอก

สนามแมเหลก B0

45

NMR Spectroscopy

46

NMR Spectroscopy

ชนดของ NMR 1H NMR (proton NMR), 13C (carbon NMR) etc.

1H, 13C NMR เปนการศกษา hydrogen หรอ carbon nuclei

ประโชนของ 1H NMR หรอ 13C NMR

- บอกสภาวะของอเลกตรอนรอบนวเคลยสหรอ H, C

- บอกพนธะเคมหรอการจดเรยงตวของ

47H, C ในโมเลกล

NMR Spectrometer

ความถของคลนวทยทใช สนามแมเหลกขนาดของเครอง NMR จงวดเปน 60 100 270 400 MHzขนาดของเครอง NMR จงวดเปน 60, 100, 270, 400 MHz

1H NMR Spectrum

Chemical shift ( , ppm)

peak area (integration)

signal spitting49

signal spitting

1H NMR Spectrum

Chemical Shift

- ตาแหนงการเกด resonance เทยบกบสารอางอง (TMS)- แปรผนตามความแรงของ magnetic field ภายนอกแปรผนตามความแรงของ magnetic field ภายนอก

50

1H NMR Spectrum

ExternalMagnetic

Induce magnetic fieldMagneticfield

+

B0

Circulatingelectron of bond

protonelectron of bond

51

1H NMR Spectrum

Chemical shift () = position of signal – position of TMS peak x 106( ) p g p p

spectrometer frequency

Thus, the chemical shift for the proton in chloroform is

= 1456 Hz - 0 Hz x 106 = 7.28 ppm

200 x 106 Hz

52

จานวนสญญาณใน 1H NMR spectrum- ชนดของ equivalent H ตางกน จะใหสญญาณท ตางกนดวย

CH3 O 2.11 1.01

CH3 – C – CH2 – C – CH3CH3 2 323 2.32

tetramethylsilaney

TMS

(ppm)

ตวอยางโมเลกลทม equivalent H 1 กลม

CH – O – CH O CH3 – O – CH3

CH3 – C – CH3

Cl – CH2 – CH2 – Cl CH3 – C C – CH3

H C CH CH2 H3C CH3

C = C2

H2C CH2

H3C CH3H2C CH2

ตวอยางโมเลกลทม equivalent H มากกวา 1 กลม : สญญาณมากกวา 1 สญญาณ

CH3CH2Cl Cl

CH C H CH3CH2OCH2CH3

CH3–C–HClCH3CH2OCH2CH3 Cl

O OCH3CH2C-OH

CH3CH2 CH2CH3C C

CH CH OH

3 2 C = C H HCH3CH2OH

Peak area (Integration)

- พนทใตพคของ 1H NMR spectrum จะเปนสดสวนโ โดยตรงกบจานวน H

Methoxyacetonitrile CH O CH CNMethoxyacetonitrile CH3 – O – CH2 - CN

a : b = 3 : 2

( )

(a)a : b = 3 : 2

(b)

Peak area (Integration)

57

Signal splitting

ป ไป

Spin – spin splitting = n + 1

เมอ n เปนจานวน H ทยดกบคารบอนตวถดไปจานวนโปรตอน ลกษณะพค อตราสวน

0 Singlet 11 Doublet 1:12 Triplet 1:2:1p3 Quartet 1:3:3:14 Quintet 1:4:6:4:15 Sextet 1:5:10:10:5:1

58

5 Sextet 1:5:10:10:5:16 Septet 1:6:15:20:15:6:1

Structure Spin states of Hb Signal of Ha

HaCC

Ha HbCC

1:1

Ha HbCCH

1:2:1C C Hb

Ha Hb 1:3:3:1a bCCHb

Hb

1:3:3:1

59

Hb

ตวอยาง 1H NMR spectrum

Methyl acetoacetate

60

ตวอยาง 1H NMR spectrum

Isopropyl methyl ketone

61

ตวอยาง 1H NMR spectrum

1,1,2 - Tribromoethane

62

ตวอยาง 1H NMR spectrum

Propyl iodide

63

13C NMR Spectroscopy- ใหขอมลเกยวกบโครงสรางของคารบอนในโมเลกลของ

สารอนทรย Chemical shift อยในชวง 0-200 ppm Chemical shift อยในชวง 0 200 ppm 13C ในธรรมชาตมเพยง 1.1% ไ 13 13 ไมพบ 13C-13C splitting แตจะพบการ split

ทเกดระหวาง 13C และ 1H ทเกาะอยทคารบอนนนในการวเคราะหสามารถเลอกไดวาจะให

ป i i litti ไ t d l d 13Cปรากฏ spin-spin splitting หรอไม proton decoupled 13Cspectrum ซงจะ

64 ปรากฏลกษณะพค เปน singlet

13C NMR Spectroscopy

65

13C NMR Spectroscopy1-Hexene

66

13C NMR SpectroscopyPentanal (CH3CH2CH2CH2CHO)

67

Mass Spectrometry (MS)p y ( )

- เปนเทคนคทใชหามวลโมเลกลของสาร เปนเทคนคทใชหามวลโมเลกลของสาร- โดยโมเลกลจะถกเปลยนเปนไอออน- เรยงไอออนตามอตราสวนมวลตอประจ ( / h / ) (mass/ charge, m/z)

68

Mass Spectrometry (MS)p y ( )

Organic comp ระเหย ไอ M+ + e-ionized

molecular ion

M+ ( )M+ (พลงงานมากเกนพอ)แตกตวแตกตว

fragment ions(carbonium or radical)

69

Mass Spectrometry

การเกด ionization และ fragmentationcationradical cation

e- [B]+ [D]+

A [A]+A [A]+

-2e- molecular ion C E 2e molecular ion C E Neutral fragments

(not detected)(not detected)ionization

fragmentationsg

Mass Spectrometer

71

Mass Spectrometer

Records a mass spectrum

M t ฟ / f t Mass spectrum- กราฟระหวาง m/z ของแตละ fragment และคา relative abundance (relative ion intensity)ล e a e abu da ce ( e a e o e s y)

100%base peakbase peak

molecular ion

molecular mass (m/z)

72

( )

Mass Spectrum

methane

propane

73

Mass Spectrum

74

Mass Spectrum

CH3CH2CH2CH2CH3 [CH3CH2CH2CH2CH3]+ + e-electron beam3 2 2 2 3 [ 3 2 2 2 3]

molecular ionm/z = 72

FragmentationCH3CH2

+ +CH3CH2CH3m/z = 43

CH3CH2+ + CH2CH2CH3

m/z = 29

[CH3CH2CH2CH2CH3]+ CH3 + +CH2CH2CH2CH3

+molecular ion

/ 72m/z = 43

+CH3 + CH2CH2CH2CH3m/z = 72m/z = 15

Mass Spectrum

76

Mass Spectrum

Mass spectrum of hexane

77

Mass Spectrum

Mass spectrum of methanol

78