Molekülspektroskopie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Ein Forscher verwendet die Fourier-Transform-Infrarot (FTIR) Technik, um das Infrarotspektrum eines organischen Moleküls zu analysieren. Das FTIR-Instrument nutzt ein Interferometer, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das anschließend mittels Fourier-Transformation in ein frequenzabhängiges Infrarotspektrum umgewandelt wird. Der Spektralbereich reicht von 400 cm^-1 bis 4000 cm^-1. Die Ergebnisse sollen zur Strukturaufklärung und Identifizierung von Substanzen sowie zur Untersuchung der Molekülumgebung verwendet werden.

a)

Beschreibe den grundlegenden Aufbau und die Funktionsweise eines FTIR-Interferometers. Gehe dabei insbesondere auf die Rolle des Strahlteilers und der beweglichen Spiegel ein.

Lösung:

Grundlegender Aufbau und Funktionsweise eines FTIR-Interferometers:

Ein FTIR (Fourier-Transform-Infrarot) Interferometer ist ein zentrales Instrument in der Infrarotspektroskopie. Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines FTIR-Interferometers können wie folgt beschrieben werden:

• Lichtquelle: Das Interferometer beginnt mit einer breitbandigen Infrarotlichtquelle, die Strahlung über einen weiten Bereich von Infrarotfrequenzen emittiert. Diese Frequenzen decken den Bereich ab, der typischerweise von 400 cm^-1 bis 4000 cm^-1 reicht.
• Strahlteiler: Nach der Lichtquelle trifft das Infrarotlicht auf einen Strahlteiler. Der Strahlteiler teilt den Lichtstrahl in zwei gleichwertige Strahlen auf. Ein Strahl wird zur feststehenden Spiegel geleitet, und der andere Strahl wird zur beweglichen Spiegel reflektiert.
• Bewegliche Spiegel: Die beweglichen Spiegel spielen eine kritische Rolle in der Funktionsweise des Interferometers. Der Spiegel bewegt sich kontinuierlich hin und her, um die optische Weglänge des reflektierten Strahls zu ändern. Diese Bewegung führt zu Interferenzeffekten, wenn die beiden Strahlen nach der Reflexion wieder zusammengeführt werden. Durch die Veränderung der Weglänge des beweglichen Spiegels werden alle möglichen Phasendifferenzen durchlaufen.
• Interferenzmuster: Die beiden Strahlen werden am Strahlteiler wieder zusammengeführt, wo sie Interferenzen erzeugen. Diese Interferenzen führen zu einem Interferenzmuster, das von der optischen Wegdifferenz zwischen den beiden Strahlen abhängt.
• Detektor: Das resultierende Interferenzmuster wird von einem Detektor gemessen. Der Detektor zeichnet die Intensität der infraroten Strahlung als Funktion der Wegdifferenz auf. Das erzeugte Signal wird als Interferogramm bezeichnet.
• Fourier-Transformation: Um das Interferogramm in ein spektrales Signal umzuwandeln, wird eine mathematische Fourier-Transformation verwendet. Diese Transformation wandelt das Interferogramm in ein frequenzabhängiges Infrarotspektrum um, das die Absorptions- oder Transmissionseigenschaften des untersuchten Moleküls zeigt.

Insgesamt ist der Strahlteiler für die Aufteilung des Lichts in zwei Teile verantwortlich, und die beweglichen Spiegel erzeugen die notwendige Variabilität der optischen Weglänge, um die Interferenzeffekte zu erzeugen, die zur Aufnahme des Interferogramms führen. Diese Komponenten sind wesentlich für die korrekte Funktion eines FTIR-Interferometers.

c)

Angenommen, das resultierende Infrarotspektrum zeigt eine starke Absorptionsbande bei 1720 cm^-1. Welche Informationen kannst Du aus dieser Bande über die chemische Struktur des untersuchten Moleküls ableiten? Nenne mögliche funktionelle Gruppen, die für diese Absorptionsfrequenz typisch sind, und beschreibe kurz die zugrunde liegende molekulare Schwingung.

Lösung:

Interpretation der Absorptionsbande bei 1720 cm^-1:

Eine starke Absorptionsbande bei 1720 cm^-1 liefert wertvolle Informationen über die chemische Struktur des untersuchten Moleküls. Diese spezifische Frequenz ist typisch für bestimmte funktionelle Gruppen, die charakteristische molekulare Schwingungen aufweisen. Im Folgenden sind mögliche funktionelle Gruppen sowie die zugrunde liegende molekulare Schwingung beschrieben:

• Carbonylgruppe (C=O): Die Carbonylgruppe ist eine der häufigsten Ursachen für eine starke Absorptionsbande um 1720 cm^-1. Das C=O-Streckschwingen ist für diese Frequenz typisch.

Die Carbonylgruppe kommt in verschiedenen organischen Verbindungen vor, darunter:

• Aldehyde: Aldehyde zeigen eine starke C=O-Streckschwingung in diesem Bereich.
• Ketone: Ketone haben eine ähnliche C=O-Streckschwingung, die ebenfalls um 1720 cm^-1 liegt.
• Ester: Auch Ester können eine Absorptionsbande aufgrund der C=O-Streckschwingung in diesem Bereich zeigen, wobei die genaue Frequenz leicht variieren kann (typischerweise um 1735-1750 cm^-1).
• Säuren: Carbonsäuren weisen ebenfalls starke C=O-Streckschwingungen auf, jedoch können diese Frequenzen oft geringfügig niedriger liegen (etwa 1700 cm^-1).
• Amide: Amide zeigen C=O-Schwingungen, aber diese liegen typischerweise etwas niedriger (etwa 1650-1700 cm^-1).

• Zugrunde liegende molekulare Schwingung:

Die Bande bei 1720 cm^-1 entspricht der Streckschwingung der Carbonylgruppe (C=O). Bei dieser Schwingung bewegen sich die Kohlenstoff- und Sauerstoffatome entlang der Bindungsachse aufeinander zu und voneinander weg. Diese spezifische Schwingung ist stark und gut definiert im Infrarotspektrum, da die Carbonylbindung eine starke Dipolmomentänderung während der Schwingung erfährt.

Somit deutet eine starke Absorptionsbande bei 1720 cm^-1 darauf hin, dass das untersuchte Molekül eine carbonylhaltige funktionelle Gruppe enthält, höchstwahrscheinlich eine Aldehyd- oder Ketogruppe. Eine genaue Identifizierung erfordert jedoch eine weiterführende Analyse und die Berücksichtigung anderer Banden im IR-Spektrum.

Aufgabe 2)

Analyse von IR-SpektrenIn dieser Aufgabe sollst Du Absorptionsbanden im Infrarot (IR)-Spektrum nutzen, um funktionelle Gruppen zu identifizieren und die molekulare Struktur einer Verbindung zu bestimmen. Verwende die folgenden Informationen, um die Fragen zu beantworten:

• 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

a)

1. Identifizierung funktioneller Gruppen: Gegeben sei das IR-Spektrum einer unbekannten Verbindung. Die Hauptabsorptionsbanden liegen bei 3450 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹, 2930 cm⁻¹ und 1460 cm⁻¹. Identifiziere die möglichen funktionellen Gruppen, die für diese Absorptionsbanden verantwortlich sein könnten. Begründe Deine Antwort.

Lösung:

1. Identifizierung funktioneller Gruppen: Gegeben sei das IR-Spektrum einer unbekannten Verbindung. Die Hauptabsorptionsbanden liegen bei 3450 cm⁻¹, 1720 cm⁻¹, 2930 cm⁻¹ und 1460 cm⁻¹. Identifiziere die möglichen funktionellen Gruppen, die für diese Absorptionsbanden verantwortlich sein könnten. Begründe Deine Antwort.Um die funktionellen Gruppen zu identifizieren, nutzen wir die charakteristischen Wellenzahlenbereiche:

• 3450 cm⁻¹: Dies fällt in den Bereich der O-H-Streckschwingung (3500-3200 cm⁻¹), die breit und stark ist. Dies deutet auf das Vorhandensein einer Hydroxylgruppe (O-H) hin.
• 1720 cm⁻¹: Dies liegt im Bereich der C=O-Streckschwingung (1750-1680 cm⁻¹), die scharf und stark ist. Dies deutet auf das Vorhandensein einer Carbonylgruppe (C=O) hin.
• 2930 cm⁻¹: Diese Banden fallen in den Bereich der C-H-Streckschwingungen (3300-2800 cm⁻¹), was auf C-H-Bindungen hinweist, die in vielen organischen Verbindungen zu finden sind.
• 1460 cm⁻¹: Diese liegt im Fingerabdruckbereich (1500-500 cm⁻¹), und obwohl sie nicht eindeutig einer spezifischen funktionellen Gruppe zuzuordnen ist, könnte dies auf CH2- und CH3-Verbindungen deuten, was in Alkylgruppen vorkommen kann.

Schlussfolgerung: Basierend auf den gegebenen Absorptionsbanden und den charakteristischen Wellenzahlenbereichen kann angenommen werden, dass die unbekannte Verbindung die folgenden funktionellen Gruppen enthält: eine Hydroxylgruppe (O-H) auf Grund der Bande bei 3450 cm⁻¹, eine Carbonylgruppe (C=O) auf Grund der Bande bei 1720 cm⁻¹, sowie Alkylgruppen (C-H) auf Grund der Bande bei 2930 cm⁻¹. Die Bande bei 1460 cm⁻¹ könnte zusätzliche Strukturelemente der Verbindung anzeigen, die spezifisch identifiziert werden könnten, insbesondere durch weitere Analyse des Fingerabdruckbereichs.

b)

2. Strukturaufklärung: Basierend auf den in Teil 1 identifizierten funktionellen Gruppen, schlage eine mögliche Struktur für die unbekannte Verbindung vor. Zusätzlich, erklär wie der Fingerabdruckbereich (1500-500 cm⁻¹) zur Bestätigung Deiner Struktur beitragen kann. Nutze Skizzen und Referenzdatenbanken, wenn notwendig.

Lösung:

2. Strukturaufklärung: Basierend auf der Analyse der Hauptabsorptionsbanden im IR-Spektrum in Teil 1 haben wir identifiziert, dass die folgende unbekannte Verbindung folgende funktionelle Gruppen enthalten könnte:

• Eine Hydroxylgruppe (O-H) bei 3450 cm⁻¹
• Eine Carbonylgruppe (C=O) bei 1720 cm⁻¹
• Alkylgruppen (C-H) bei 2930 cm⁻¹

Unter Berücksichtigung dieser funktionellen Gruppen könnten wir zu einem Molekül gelangen, das eine Kombination dieser Gruppen aufweist. Eine mögliche Struktur wäre ein Carbonsäureester oder eine Carbonsäure. Diese weist sowohl eine Hydroxyl- als auch eine Carbonylgruppe auf.Vorschlag für die Struktur:Wir schlagen vor, dass die unbekannte Verbindung eine Carbonsäure sein könnte. Eine Carbonsäure enthält eine Hydroxylgruppe (O-H) und eine Carbonylgruppe (C=O). Ein einfaches Beispiel wäre Essigsäure (CH₃COOH). Hier ist eine Skizze der möglichen Struktur:

• Essigsäure (CH₃COOH):

Bestätigung durch den Fingerabdruckbereich:Der Bereich von 1500-500 cm⁻¹ ist einzigartig für jede Verbindung und enthält komplexe Schwingungen, die für eine spezifische Molekülstruktur charakteristisch sind. Um unsere vorgeschlagene Struktur zu bestätigen, können wir das IR-Spektrum mit Referenzspektren von bekannten Substanzen in Datenbanken vergleichen.Wenn das Fingerabdruckspektrum der unbekannten Verbindung mit dem der Essigsäure übereinstimmt, können wir unsere vorgeschlagene Struktur bestätigen. Der Abgleich der charakteristischen Banden im Fingerabdruckbereich wird somit als zusätzlicher Nachweis herangezogen, dass die unbekannte Verbindung tatsächlich Essigsäure oder eine ähnliche Carbonsäure ist.Zur Unterstützung der Strukturaufklärung kann auf Referenzdatenbanken, wie die NIST IR-Spektren-Datenbank, zurückgegriffen werden, die zahlreiche IR-Spektren von bekannten Verbindungen enthält. Ein Vergleich des Fingerabdruckbereichs des unbekannten Spektrums mit den in der Datenbank verfügbaren Spektren wird helfen, die Struktur der unbekannten Verbindung endgültig zu bestätigen.

Aufgabe 3)

Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) und ihre Anwendungen: Die Kernspinresonanz (NMR) ist eine leistungsfähige Technik zur Untersuchung der Molekülstruktur durch Analyse der magnetischen Eigenschaften von Atomkernen. Atomkerne mit einem Spin ungleich null können in einem externen Magnetfeld verschiedene Energieniveaus einnehmen. Die Resonanzbedingung wird durch die Beziehung \( u = \frac{\text{Energieunterschied}}{h} \) beschrieben. Dabei hängt die Energiedifferenz zwischen den Zuständen vom Magnetfeld \( B_0 \) und dem gyromagnetischen Verhältnis \( \text{\gamma} \) ab: \( \frac{\text{dE}}{\text{dH}} = \text{\gamma} \text{B}_0 \). Die Larmorfrequenz ist gegeben durch \( \text{u}_L = \text{\gamma} \frac{\text{B}_0}{2\text{\pi}} \). NMR-Spektren zeigen chemische Verschiebungen und Kopplungsmuster zwischen benachbarten Atomkernen. Nach einer Störung kehren die Kernspins durch Relaxation in den Gleichgewichtszustand zurück.

b)

• B. Basierend auf deiner Berechnung in a, erkläre, wie sich die chemische Verschiebung in ppm ausdrücken lässt, wenn die bezogene Frequenz in einem \text{7 T}-Magnetfeld \text{300 MHz} beträgt. Nimm als Beispiel, dass die gemessene Resonanzfrequenz \( \text{u}_{\text{res}} \) für ein spezifisches Proton \text{300.5 MHz} ist. Berechne die chemische Verschiebung und erkläre kurz die Bedeutung dieses Wertes.

Lösung:

• B. Basierend auf Deiner Berechnung in A, erkläre, wie sich die chemische Verschiebung in ppm ausdrücken lässt, wenn die bezogene Frequenz in einem 7T-Magnetfeld 300 MHz beträgt. Nimm als Beispiel, dass die gemessene Resonanzfrequenz \(u_{\text{res}}\) für ein spezifisches Proton 300.5 MHz ist. Berechne die chemische Verschiebung und erkläre kurz die Bedeutung dieses Wertes.

Um die chemische Verschiebung in ppm (parts per million) zu berechnen, verwenden wir die folgende Formel:

\[ \delta_{\text{ppm}} = \frac{u_{\text{res}} - u_{\text{ref}}}{u_{\text{ref}}} \times 10^6 \]

Dabei sind:

• \(u_{\text{res}}\): die gemessene Resonanzfrequenz des Protons (300.5 MHz)
• \(u_{\text{ref}}\): die bezogene Frequenz (300 MHz)

Setzen wir die Werte ein:

\[ \delta_{\text{ppm}} = \frac{300.5 \: \text{MHz} - 300 \: \text{MHz}}{300 \: \text{MHz}} \times 10^6 \]

Durchführen der Subtraktion und Division:

\[ \delta_{\text{ppm}} = \frac{0.5 \: \text{MHz}}{300 \: \text{MHz}} \times 10^6 = \frac{0.5}{300} \times 10^6 = 1.6667 \times 10^3 \: \text{ppm} \]

Somit ergibt sich eine chemische Verschiebung von etwa 1.67 ppm.

Bedeutung des Wertes: Die chemische Verschiebung (\(\delta\)) gibt an, wie stark die Resonanzfrequenz eines Protons von einer Referenzfrequenz verschoben ist. Diese Verschiebung wird durch die chemische Umgebung des Protons verursacht und liefert Informationen über die verschiedenen elektrischen Umgebungen in einem Molekül. Eine chemische Verschiebung von 1.67 ppm bedeutet, dass das Proton in einer leicht unterschiedlichen elektrischen Umgebung im Vergleich zur Referenzfrequenz des gleichen Protons ist. In diesem Fall ist das Proton in einer Umgebung, die leicht abgeschirmt ist, oder es gibt eine kleine lokale magnetische Änderung um das Proton.