Advanced Spectroscopic Techniques - Cheatsheet

Grundlagen der IR-Spektroskopie: Prinzipien und Instrumentierung

Definition:

IR-Spektroskopie untersucht molekulare Schwingungen und Rotationen, indem infrarotes Licht absorbiert und die resultierenden Spektren analysiert werden.

Details:

• Grundprinzip: Absorption von IR-Strahlung führt zu quantisierten Änderungen von Schwingungszuständen.
• Wellenzahl \(\tilde{u} = \frac{1}{\lambda}\) beschreibt Energie; üblicherweise in cm⁻¹.
• IR-Bereich: 4000-400 cm⁻¹
• Hauptinstrument: FT-IR (Fourier-Transform-Infrarotspektrometer)
• Beispiel: Beer-Lambert-Gesetz \[A = \log \left( \frac{I_0}{I} \right) = \epsilon \cdot c \cdot d \]

Chemische Verschiebung und Kopplungskonstanten (NMR)

Definition:

Chemische Verschiebung: Resonanzfrequenz eines Kernspins in Abhängigkeit seines elektronischen Umgebung. Kopplungskonstanten: Maß für die Wechselwirkung zwischen Kernspins.

Details:

• Chemische Verschiebung (\textbackslash delta): Gemessen in ppm. Referenz: TMS bei 0 ppm.
• Verschiebung abhängig von Elektronenverteilung.
• Abschirmung und Deshielding beeinflussen chemische Verschiebung.
• Kopplungskonstanten (J): Gemessen in Hz.
• Spin-Spin-Kopplung führt zu Aufspaltung in Multiplets.
• Kopplungskonstanten liefern Strukturinformationen über benachbarte Atomkerne.
• \textbackslash delta und J liefern zusammen detaillierte Strukturinformationen.

Prinzipien der Ionisationstechniken (EI, CI, ESI, MALDI) in der Massenspektrometrie

Definition:

Ionisationstechniken in der Massenspektrometrie: Methoden zur Erzeugung von Ionen aus Analyt-Molekülen für die nachfolgende Analyse im Massenspektrometer.

Details:

• Elektronenionisation (EI): Hochenergetische Elektronen treffen auf Moleküle, führen zu Fragmentierung. Gut geeignet für kleine, volatile Moleküle.
• Chemische Ionisation (CI): Moleküle werden mit Reagenzien-Gas ionisiert (meist Methan, Ammoniak). Erzeugt weniger Fragmentierung als EI.
• Elektrospray-Ionisation (ESI): Probenlösung wird in einen feinen Spray überführt. Erzeugt hauptsächlich Mehrfachionen. Ideal für große Biomoleküle.
• Matrix-unterstützte Laserdesorption/Ionisation (MALDI): Analyt wird mit einer Matrix bestrahlt, Laser entfernt Moleküle. Gut für große Moleküle (Proteine, Polymere).

Theoretische Grundlagen der Röntgenbeugung (XRD)

Definition:

Röntgenbeugung (XRD) nutzt Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen zur Bestimmung atomarer und molekularer Strukturen.

Details:

• Bragg'sches Gesetz: \( n\lambda = 2d\sin(\theta) \)
• Bravais-Gitter: beschreibt die regelmäßige Anordnung der Atome im Kristall
• Beugungsbedingungen abhängig von der Wellenlänge \( \lambda \) und dem Kristallgitterabstand \( d \)
• Intensität der Beugung abhängig von der Strukturamplitude
• Miller-Indizes \( (hkl) \) kennzeichnen Kristallebenen

Theorie und Prinzipien der ESR-Spektroskopie

Definition:

ESR-Spektroskopie untersucht ungepaarte Elektronen in einem magnetischen Feld mithilfe ihrer Elektronenspinresonanz.

Details:

• Grundprinzip: Wechselwirkung von ungepaarten Elektronen mit einem externen Magnetfeld.
• Frequenz des Mikrowellenstrahls: \( u = \frac{g \beta B_0}{h} \)
• g-Faktor: Maß für das magnetische Moment des Elektrons.
• Spin-Hamiltonian:\[ \text{H}_{\text{spin}} = g \beta B_0 S + \text{H}_{\text{Hyperfine}} \]
• Hyperfeinwechselwirkung: Wechselwirkung zwischen Elektronenspin und Kernen (Nukleonen).
• Verwendung zur Charakterisierung von molekularen Strukturen, Reaktionsmechanismen und magnetischen Eigenschaften von Materialien.

Multidimensionale NMR-Techniken

Definition:

Erweiterung der eindimensionalen NMR, bei der Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Kernen untersucht werden.

Details:

• 2D-NMR: Verbindet zwei Frequenzdimensionen, z.B. COSY, NOESY, HSQC.
• 3D-NMR: Verbindet drei Dimensionen, hilfreich für die Analyse großer Moleküle.
• 4D-NMR und höher: Komplexere Analysen, meist in der Strukturanalyse von Proteinen genutzt.
• Signalzuweisungen basierend auf chemischen Verschiebungen und Kopplungskonstanten.
• Nutzen: Detaillierte molekulare Strukturen, Identifizierung von Bindungswinkeln, Konformationen.

Analyse von Fragmentierungsmustern in der Massenspektrometrie

Definition:

Analyse von Fragmentierungsmustern hilft bei der Identifikation und Strukturaufklärung von Molekülen in der Massenspektrometrie.

Details:

• Fragmentierungsmuster: Zerfall von Ionen in charakteristische Fragmente
• Regeln: Hinschauen auf m/z-Werte (Massen-zu-Ladung-Verhältnis)
• Common Fragments: Einfache Abspaltung (z.B. -CH3, -OH, -H2O)
• Reaktionen: α-Spaltung, Induktive Spaltung, McLafferty-Umlagerung
• Peak Interpretation: Basispeak (höchster Peak), Molekülionenpeak (M+)
• Anwendungen: Peptidsequenzierung, Identifikation von Verunreinigungen, Strukturaufklärung

Interpretation von IR-Spektren zur Identifikation funktioneller Gruppen

Definition:

IR-Spektren analysieren, um funktionelle Gruppen zu identifizieren

Details:

• Funktionelle Gruppen haben charakteristische Schwingungsfrequenzen
• Absorptionsbanden in spezifischen Bereichen des IR-Spektrums
• Typische Bereiche (cm\textsuperscript{-1}):
  • OH: 3200-3600 (breit)
  • CH: 2850-3000
  • CO (Carbonyl): 1700-1750
  • C=C: 1600-1675
• Spektrumnormen: Transmitanz (%) vs. Wellenzahl (cm\textsuperscript{-1})
• Vergleich mit Referenzspektren und literaturbekannten Banden