Molekülspektroskopie - Cheatsheet.pdf

Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Technik

Definition:

Methode zur Erfassung des Infrarotspektrums von Molekülen durch Messung der Interferenzmuster von Infrarotstrahlen; verwandelt zeitabhängige Signale in frequenzabhängige Spektren mittels der Fourier-Transformation.

Details:

• Mithilfe eines Interferometers wird das Infrarotspektrum eines Moleküls erfasst.
• Durchlaufende Strahlung wird in ein Interferenzmuster (Interferogramm) umgewandelt.
• Die Fourier-Transformation wandelt das Interferogramm in ein Infrarotspektrum um.
• Sensibel auf Schwingungen und Rotationen von Molekülen.
• Spektralbereich typischerweise zwischen 400 und 4000 cm^-1.
• Anwendung: Strukturaufklärung, Identifizierung von Substanzen, Untersuchung der Molekülumgebung.

Interpretation von IR-Spektren

Definition:

Analyse von Absorptionsbanden zur Identifikation funktioneller Gruppen und Bestimmung molekularer Struktur.

Details:

• Absorptionsbanden: charakteristische Wellenzahlenbereiche für funktionelle Gruppen
• Fingerabdruckbereich: 1500-500 cm⁻¹, einzigartig für jede Verbindung
• O-H-Streckschwingung: 3500-3200 cm⁻¹ (breit, stark)
• C=O-Streckschwingung: 1750-1680 cm⁻¹ (scharf, stark)
• C-H-Streckschwingung: 3300-2800 cm⁻¹
• C=C-Streckschwingung: 1680-1600 cm⁻¹
• Referenzdatenbanken zur Spektren-Identifikation

Prinzipien der Kernspinresonanz

Definition:

Grundlagen der Kernspinresonanz (NMR) - magnetische Eigenschaften von Atomkernen zur Untersuchungen von Molekülstrukturen

Details:

• Atomkerne mit Spin eq 0 in Magnetfeld -> verschiedene Energieniveaus
• Resonanzbedingung: \(u = \frac{\text{Energieunterschied}}{h}\)
• Magnetfeldstärke \(\text{B}_0\) und gyromagnetisches Verhältnis \(\text{\gamma}\): \(\frac{\text{dE}}{\text{dH}} = \text{\gamma} \text{B}_0\)
• Larmorfrequenz: \(u_L = \text{\gamma} \frac{\text{B}_0}{2\text{\pi}}\)
• NMR-Spektren -> chemische Verschiebungen, Kopplungsmuster
• Relaxation -> Rückgang zum Gleichgewichtszustand

Chemische Verschiebung und Kopplungskonstanten

Definition:

Chemische Verschiebung: Differenz der Resonanzfrequenzen verschiedener Kerne relativ zu einem Referenzstandard in NMR-Spektroskopie. Kopplungskonstanten: Maß für die Wechselwirkung zwischen benachbarten Kernen ('Spin-Spin-Kopplung').

Details:

• Chemische Verschiebung (\textdelta): Ausdruck für unterschiedliche elektronische Umgebungen der Protonen
• Einheit der chemischen Verschiebung: ppm
• Typische Werte: \textdelta=0-10 ppm für \textsuperscript{1}H-NMR
• Kopplungskonstante (J): gibt an, wie stark Spins benachbarter Kerne miteinander interagieren
• Einheit der Kopplungskonstanten: Hz
• Typische Größenordnung: 0-20 Hz für \textsuperscript{1}H-NMR

Zweidimensionale NMR-Techniken (2D-NMR)

Definition:

Technik der Kernspinresonanzspektroskopie, ermöglicht korrelierte Informationen zwischen den Kernen, Darstellung von Wechselwirkungen und Kopplungen.

Details:

• Erzeugt Spektren mit zwei Frequenzachsen
• Transiente vs. korrelierte Signale
• Wichtige 2D-NMR-Techniken: COSY, HSQC, NOESY
• Verwendung von Fourier-Transformation zur Spektrenanalyse
• Erhöhte Auflösung und Strukturaufklärung von Molekülen
• Zeitdomainen: t1 und t2

Grundlagen der elektronischen Übergänge

Definition:

Elektronische Übergänge sind Änderungen der Energiezustände von Elektronen in einem Molekül, ausgelöst durch die Absorption oder Emission von Photonen.

Details:

• Elektronenübergänge zwischen Quantenzuständen: Anregung und Relaxation
• Übergänge: fördern und besetzen Molekülorbitale
• Grund- und angeregte Zustände
• Energieunterschiede bestimmen Spektren
• Franck-Condon-Prinzip: Übergangswahrscheinlichkeit
• E = hν, wobei E die Energie, h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Frequenz des Photons ist

Lambert-Beer'sches Gesetz

Definition:

Gesetz zur Beschreibung der Abschwächung von Lichtintensität beim Durchgang durch eine absorbierende Substanz.

Details:

• Formel: \[ A = \epsilon \cdot c \cdot d \] mit \( A \): Absorption, \( \epsilon \): molarer Absorptionskoeffizient, \( c \): Konzentration, \( d \): Schichtdicke.
• Linearität: \( A \) ist proportional zu \( c \) und \( d \).
• Gültigkeit: nur für monochromatisches Licht und geringe Konzentrationen.
• Anwendung: Quantitative Bestimmung von Stoffkonzentrationen in der Lösung.

Molekülinteraktionen mit Wasserstoffbrückenbindungen und van-der-Waals-Kräften

Definition:

Interaktionen zwischen Molekülen über Wasserstoffbrückenbindungen (stark, spezifisch) und van-der-Waals-Kräfte (schwach, universell).

Details:

• Wasserstoffbrückenbindungen: H-Atom zwischen zwei elektronegativen Atomen (O, N, F).
• van-der-Waals-Kräfte: London (Dispersion), Debye (induzierte Dipole), Keesom (permanente Dipole).
• Stärke: Wasserstoffbrücke (10-40 kJ/mol) > Dipol-Dipol > Dispersion (0.4-4 kJ/mol)
• Wichtige Formeln: Coulomb-Gesetz für elektrostatische Kräfte: