Forschungsmodul Inorganic Chemistry - Exam

Aufgabe 1)

Die Röntgenkristallographie ist eine etablierte Methode zur Bestimmung der dreidimensionalen Struktur von kristallinen Festkörpern. Dabei werden Röntgenstrahlen auf einen Kristall gerichtet, um ein Beugungsmuster zu erzeugen, das Aufschluss über die Anordnung der Atome im Kristallgitter gibt. Das Grundprinzip basiert auf dem Bragg'schen Gesetz \( n \lambda = 2d \sin(\theta) \) und der Interferenz der gebeugten Strahlen. Der Prozess umfasst die Kristallpräparation, die Verwendung einer geeigneten Strahlenquelle und die Detektion der Beugungsmuster. Die Auswertung erfolgt durch Fourier-Transformation, um die Elektronendichteverteilung zu bestimmen, was wiederum zur Ermittlung von Strukturdetails wie Bindungslängen und -winkeln führt. Diese Technik findet Anwendung in der Analyse der Strukturen von Proteinen, Medikamenten sowie anorganischen und organischen Molekülen.

a)

Berechne den Winkel \(\theta \) eines Röntgenstrahls, wenn die Ordnung \( n \) gleich 1 ist, die Wellenlänge \(\lambda \) des Röntgenstrahls 0.154 nm beträgt und der Abstand der Netzebenen \(d \) 0.3 nm ist. Verwende das Bragg'sche Gesetz.

Lösung:

Lösung des Teilübungsaufgabe

Um den Winkel θ eines Röntgenstrahls zu berechnen, wenn die Ordnung n gleich 1 ist, die Wellenlänge λ des Röntgenstrahls 0.154 nm beträgt und der Abstand der Netzebenen d 0.3 nm ist, verwenden wir das Bragg'sche Gesetz:

• Bragg'sches Gesetz: \[ n \lambda = 2d \sin(\theta) \]

Schritte zur Berechnung:

• Gegeben sind:
  • n = 1
  • λ = 0.154 nm
  • d = 0.3 nm
• Formel umstellen, um θ zu berechnen:\[ \sin(\theta) = \frac{n \lambda}{2d} \]
• Einsetzen der gegebenen Werte:\[ \sin(\theta) = \frac{1 \cdot 0.154 \, \text{nm}}{2 \cdot 0.3 \, \text{nm}} = \frac{0.154}{0.6} \]
• Berechnung:\[ \sin(\theta) = 0.2567 \]
• Um θ zu finden, nehme den Arkussinus (Inversen Sinus) des Wertes:\[ \theta = \sin^{-1}(0.2567) \approx 14.89\text{°} \]

Ergebnis:

Der Winkel θ des Röntgenstrahls beträgt ungefähr 14.89 Grad.

b)

Erkläre den Prozess der Kristallpräparation und warum es wichtig ist, einen hochqualitativen Kristall für die Analyse zu verwenden.

Lösung:

Erklärung des Prozesses der Kristallpräparation

Die Kristallpräparation ist ein kritischer Schritt in der Röntgenkristallographie, da die Qualität des erhaltenen Kristalls maßgeblich die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der daraus gewonnenen Strukturdaten beeinflusst. Dieser Prozess umfasst mehrere wichtige Schritte:

• Puratierung und Löslichkeitsprüfung: Die Reinheit der Probe ist entscheidend. Verunreinigungen können das Wachstum hochwertiger Kristalle verhindern. Daher muss die Probe oft gereinigt und auf ihre Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln getestet werden.
• Kristallwachstum: Hier gibt es verschiedene Techniken, wie z.B. Verdampfungsmethoden oder das langsame Abkühlen von Lösungen. Ziel ist es, Bedingungen zu schaffen, unter denen große und gut geordnete Kristalle wachsen können.
• Selektion und Optimierung: Die gewachsenen Kristalle werden inspiziert, und diejenigen von höchster Qualität werden ausgewählt. Manchmal werden Wachstumsbedingungen angepasst, um die Qualität weiter zu verbessern.
• Handhabung und Montage: Hochwertige Kristalle müssen vorsichtig gehandhabt werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Sie werden dann auf eine Vorrichtung montiert, die die Röntgenstrahlenanalyse ermöglicht.

Warum hochqualitative Kristalle wichtig sind

Die Qualität der Kristalle beeinflusst maßgeblich die Ergebnisse der Analyse:

• Genauigkeit des Beugungsmusters: Hoch qualitative Kristalle erzeugen klare und interpretable Beugungsmuster, was entscheidend für die Bestimmung der Atompositionen und Strukturdetails ist.
• Reduzierung von Fehlern: Verunreinigungen und strukturelle Unregelmäßigkeiten können zu ungenauen Daten und Fehlinterpretationen führen.
• Verlässlichkeit der Ergebnisse: Gut geordnete Kristalle führen zu konsistenten und reproduzierbaren Ergebnissen, was besonders in der Forschung und bei der Entwicklung von Medikamenten wichtig ist.

Insgesamt ist die Kristallpräparation also ein fundamentaler Schritt in der Röntgenkristallographie, da nur mit hochwertig präparierten Kristallen zuverlässige und präzise dreidimensionale Strukturen ermittelt werden können.

c)

Diskutiere die Rolle der Fourier-Transformation bei der Auswertung der Beugungsdaten und wie sie zur Bestimmung der Elektronendichteverteilung beiträgt.

Lösung:

Rolle der Fourier-Transformation bei der Auswertung der Beugungsdaten

Die Fourier-Transformation ist eine zentrale mathematische Methode in der Röntgenkristallographie, die es ermöglicht, aus den Beugungsdaten eines Kristalls die dreidimensionale Elektronendichteverteilung zu rekonstruieren. Diese Verteilung gibt Aufschluss über die Positionen der Atome im Kristall und deren chemische Bindungen.

Prozess der Fourier-Transformation:

• Sammlung der Beugungsdaten: Bei der Röntgenkristallographie wird der Kristall mit Röntgenstrahlen bestrahlt, und das resultierende Beugungsmuster wird detektiert. Diese Muster resultieren aus der Interferenz der Strahlen, die von den Atomen gestreut werden.
• Mathematische Umwandlung: Die gemessenen Beugungsintensitäten werden mittels Fourier-Transformation in die Elektronendichteverteilung umgewandelt. Die grundlegende Formel der Fourier-Transformation in diesem Kontext lautet:

\[\rho(x,y,z) = \frac{1}{V} \sum_{hkl} F(hkl) \, e^{2\pi i (hx + ky + lz)} \]

• Hierbei ist \(\rho(x,y,z)\) die Elektronendichte an Punkt \((x,y,z)\) im Kristall, \(V\) das Volumen der Elementarzelle, \(F(hkl)\) die Strukturamplitude des Reflexes \((hkl)\).

Schlüsselrollen der Fourier-Transformation:

• Datenumwandlung: Die Fourier-Transformation wandelt die im Beugungsmuster erhaltenen Frequenzdaten in räumliche Elektronendichteverteilungen um, die dann interpretiert werden können.
• Bestimmung der Atompositionen: Die Elektronendichteverteilung zeigt die räumlichen Positionen der Atome im Kristall. Dies ermöglicht die Bestimmung von Bindungslängen und -winkeln sowie anderer strukturrelevanter Details.
• Analyse von Unregelmäßigkeiten: Durch die Rekonstruktion der tatsächlichen Elektronendichte können Fehler und Unregelmäßigkeiten in den gemessenen Beugungsmustern identifiziert und korrigiert werden.

Das Phasenproblem:

Ein kritisches Problem bei der Anwendung der Fourier-Transformation ist das sogenannte Phasenproblem. Während die Beugungsintensitäten (\(|F(hkl)|^2\)) direkt gemessen werden können, enthalten diese keine Informationen über die Phasen (\(\phi(hkl)\)) der Strukturamplituden. Um diese fehlenden Phaseninformationen zu rekonstruieren, werden Methoden wie die Molekulare Ersatzmethode oder die Anomale Dispersion eingesetzt.

Bedeutung der Fourier-Transformation:

• Ermöglichung von dreidimensionalen Strukturanalysen: Erst durch die Fourier-Transformation werden die gemessenen Beugungsdaten in eine räumliche Struktur überführt, was ein detailliertes Verständnis der atomaren Anordnung im Kristall ermöglicht.
• Analytische Vielseitigkeit: Die Fourier-Transformation ist ein kritisches Instrument nicht nur in der Röntgenkristallographie, sondern auch in anderen Bereichen wie der Elektronenmikroskopie und der Kernspinresonanz (NMR).

Zusammenfassend ist die Fourier-Transformation eine unerlässliche Methode in der Röntgenkristallographie. Sie ermöglicht die Umwandlung abstrakter Beugungsmuster in detaillierte dreidimensionale Elektronendichteverteilungen, die die Grundlage für das Verständnis der atomaren Struktur und chemischen Bindungen eines Kristalls bilden.

d)

Nenne zwei spezifische Anwendungen der Röntgenkristallographie in der chemischen und biologischen Forschung und erkläre, welche Informationen dadurch gewonnen werden können.

Lösung:

Spezifische Anwendungen der Röntgenkristallographie in der chemischen und biologischen Forschung

Die Röntgenkristallographie ist eine vielseitige Methode, die sowohl in der chemischen als auch in der biologischen Forschung weitreichende Anwendungen findet. Hier sind zwei spezifische Beispiele:

1. Bestimmung der dreidimensionalen Strukturen von Proteinen

• Anwendung: Die Röntgenkristallographie wird häufig verwendet, um die dreidimensionalen Strukturen von Proteinen zu bestimmen. Dies ist besonders wichtig in der Proteinforschung und strukturellen Biologie.
• Informationen: Anhand der durch Röntgenkristallographie gewonnenen Elektronendichtekarten können Wissenschaftler genau bestimmen, wie die Atome innerhalb eines Proteins angeordnet sind. Dies ermöglicht:
  • Die Identifizierung der aktiven Zentren und Bindungsstellen, an denen biochemische Reaktionen stattfinden.
  • Ein Verständnis der Proteinfunktion auf molekularer Ebene, indem die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Aminosäuren und anderen Molekülen untersucht werden.
  • Die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Medikamente, indem Strukturen von Protein-Liganden-Komplexen analysiert werden, was das Design von effektiven Wirkstoffen erleichtert.

2. Analyse von organischen und anorganischen Molekülen in der Chemie

• Anwendung: In der Chemie wird die Röntgenkristallographie genutzt, um die Kristallstrukturen von organischen und anorganischen Verbindungen zu bestimmen. Dabei handelt es sich um Moleküle und Komplexe mit potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen, einschließlich Materialwissenschaften und synthetischer Chemie.
• Informationen: Durch die Analyse der Kristallstrukturen können Wissenschaftler:
  • Die genauen Geometrien und Konformationen von Molekülen bestimmen, was wichtige Informationen über ihre chemischen Eigenschaften und Reaktivitäten liefert.
  • Die Wechselwirkungen zwischen Molekülen in einem Kristallgitter untersuchen, was Aufschluss über die Stabilität und mögliche Anwendungen des Materials gibt.
  • Die Bindungslängen und Bindungswinkel erfassen, was hilft, theoretische Modelle der Molekülstrukturen zu validieren und zu verfeinern.

Zusammenfassung:

Die Röntgenkristallographie ist eine zentrale Technik in der chemischen und biologischen Forschung, die detaillierte Informationen über die dreidimensionale Anordnung von Atomen in Molekülen und Kristallen liefert. Dies ermöglicht sowohl ein tieferes Verständnis der molekularen Struktur und Funktion als auch die Unterstützung bei der Entwicklung neuer Materialien und Medikamente.

Aufgabe 2)

In einem Experiment zur Bestimmung der Struktur eines monoklinen Kristalls wurden die folgenden Gitterparameter gemessen: a = 5.20 Å, b = 8.30 Å, c = 7.15 Å, α = 90°, β = 115°, γ = 90°. Die Dichte des Kristalls beträgt 2.85 g/cm³. Das Material hat eine atomare Masse von 58.5 u. Angenommen, der Kristall ist rein und besteht nur aus einem Atom pro Einheitszelle.

a)

Berechne das Volumen der Einheitszelle des Kristalls in Kubik-Ångström (ų).

Lösung:

Schritt-für-Schritt-Lösung zur Berechnung des Volumens der Einheitszelle:

• Ein monoklines Kristallsystem hat die Gitterparameter: a, b, c, α, β und γ.
• Gegebene Werte: a = 5.20 Å b = 8.30 Å c = 7.15 Å α = 90° β = 115° γ = 90°

Für ein monoklines Kristallsystem wird das Volumen der Einheitszelle V wie folgt berechnet:

\[V = a \cdot b \cdot c \cdot \sqrt{1 - \cos^2(\beta)}\]

• Setze die gegebenen Werte in die Formel ein:
• \[ \cos(115°) = -0.4226\] (abgerundet auf vier Dezimalstellen)
• \[1 - \cos^2(115°) = 1 - (-0.4226)^2 = 1 - 0.1786 = 0.8214\]
• \[\sqrt{0.8214} \approx 0.9063\]
• \[V = 5.20 \times 8.30 \times 7.15 \times 0.9063\]
• \[V \approx 5.20 \times 8.30 \times 7.15 \times 0.9063 \approx 277.54 \ Å^3\]

Das Volumen der Einheitszelle des Kristalls beträgt also etwa 277.54 ų.

b)

Bestimme die Anzahl der Atome pro Einheitszelle basierend auf der gegebenen Dichte und der atomaren Masse.

Lösung:

Schritt-für-Schritt-Lösung zur Bestimmung der Anzahl der Atome pro Einheitszelle basierend auf der gegebenen Dichte und der atomaren Masse:

• Gegebene Werte:
• Volumen der Einheitszelle: 277.54 ų (berechnet aus der vorherigen Aufgabe)
• Dichte des Kristalls: 2.85 g/cm³
• Atomare Masse des Materials: 58.5 u
• Umrechnungsfaktor: 1 ų = 10^{-24} cm³
• Avogadro-Konstante: 6.022 × 10^{23} mol^{-1}

Schritte zur Berechnung:

• 1. Berechne das Volumen der Einheitszelle in cm³: \[277.54 \text{ Å}^3 \times 10^{-24} \text{ cm}^3/\text{Å}^3 = 2.7754 \times 10^{-22} \text{ cm}^3\]
• 2. Berechne die Masse der Einheitszelle: \[\text{Masse} = \text{Dichte} \times \text{Volumen} = 2.85 \text{ g/cm}^3 \times 2.7754 \times 10^{-22} \text{ cm}^3 = 7.9099 \times 10^{-22} \text{ g}\]
• 3. Berechne die Masse eines Atoms: \[\text{Atomare Masse} = 58.5 \text{ u} \times \frac{1.66054 \times 10^{-24} \text{ g}}{1 \text{ u}} = 9.712159 \times 10^{-23} \text{ g}\]
• 4. Berechne die Anzahl der Atome pro Einheitszelle: \[\text{Anzahl der Atome} = \frac{\text{Masse der Einheitszelle}}{\text{Masse eines Atoms}} = \frac{7.9099 \times 10^{-22} \text{ g}}{9.712159 \times 10^{-23} \text{ g/Atom}} = 8.142 \approx 8\]

Die Anzahl der Atome pro Einheitszelle beträgt somit ungefähr 8.

c)

Diskutiere, wie die Symmetrie des monoklinen Kristalls (aufgrund der gegebenen Gitterparameter) die physikalischen Eigenschaften des Materials beeinflussen könnte. Erwähne mögliche Auswirkungen auf die optischen und magnetischen Eigenschaften sowie andere relevante physikalische Eigenschaften.

Lösung:

Diskussion: Wie die Symmetrie des monoklinen Kristalls die physikalischen Eigenschaften des Materials beeinflussen könnte Ein monokliner Kristall zeichnet sich durch seine einzigartige Symmetrie aus, die sich durch die Gitterparameter a, b, c und die Winkel α, β (nicht 90°), und γ (meist 90°) manifestiert. Hier sind einige mögliche Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften des Materials:

• 1. Optische Eigenschaften: Aufgrund der unsymmetrischen Struktur eines monoklinen Kristalls weisen diese Materialien oft anisotrope optische Eigenschaften auf. Das bedeutet, dass die optischen Eigenschaften wie die Lichtbrechung und -absorption vom Winkel des einfallenden Lichts abhängen. Dies kann zu Doppelbrechung führen, bei der ein Lichtstrahl in zwei getrennte Strahlen aufgeteilt wird, die in verschiedene Richtungen polarisiert sind. Dieser Effekt wird in optischen Geräten und in der Mineralogie zur Identifizierung von Mineralien genutzt.
• 2. Magnetische Eigenschaften: Die asymmetrische Struktur monokliner Kristalle kann auch Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften haben. Insbesondere kann die Magnetisierung entlang unterschiedlicher kristallographischer Richtungen variieren. Dies kann zu magnetischer Anisotropie führen, bei der die magnetischen Eigenschaften wie die magnetische Suszeptibilität oder Koerzitivkraft ortsabhängig sind. Solche Kristalle können spezifische magnetische Resonanzen zeigen, die in Technologien wie magnetischer Datenspeicherung und Spintronik genutzt werden.
• 3. Mechanische Eigenschaften: Monokline Kristalle besitzen Anisotropie in ihren mechanischen Eigenschaften wie Elastizität, Härte und Spaltbarkeit. Dies bedeutet, dass die Widerstandsfähigkeit gegen mechanischen Stress und die Art und Weise, wie der Kristall unter Druck oder Belastung bricht, je nach Richtung unterschiedlich ist. Diese anisotropen mechanischen Eigenschaften sind wichtig für Anwendungen, wo spezifische mechanische Robustheit oder Flexibilität in verschiedenen Richtungen benötigt wird.
• 4. Thermische Eigenschaften: Auch die thermischen Eigenschaften eines monoklinen Kristalls, wie die Wärmeleitfähigkeit, können richtungsabhängig sein. Solche Kristalle können Wärme in einer Richtung besser leiten als in einer anderen. Die thermische Expansion – wie stark sich der Kristall ausdehnt, wenn er erwärmt wird – kann ebenfalls anisotrop sein, was zu Spannungen und möglichen Brüchen bei Temperaturänderungen führen kann.
• 5. Elektrische Eigenschaften: Die Elektronentransport-Eigenschaften, wie die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante, können in monoklinen Kristallen ebenfalls anisotrop sein. Das bedeutet, dass der elektrische Widerstand und die Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern, je nach Richtung unterschiedlich sind. Solche elektrischen Anisotropien sind in der Entwicklung von elektronischen und dielektrischen Materialien von Bedeutung.

Fazit: Die spezielle Symmetrie eines monoklinen Kristalls führt zu einer Vielzahl anisotroper physikalischer Eigenschaften. Diese Eigenschaften können für die praktische Anwendung von großer Bedeutung sein und bieten Möglichkeiten für die Entwicklung spezialisierter Materialien, die auf ihre einzigartigen optischen, magnetischen, mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften zugeschnitten sind.

d)

Erläutere, wie eine Röntgenbeugungsexperiment durchgeführt wird, um die Gitterparameter eines Kristalls zu bestimmen. Gehe dabei auf den prinzipiellen Aufbau des Experiments, die Vorbereitung der Probe und die Auswertung der Beugungsdaten ein.

Lösung:

Erläuterung des Röntgenbeugungsexperiments zur Bestimmung der Gitterparameter eines Kristalls: Ein Röntgenbeugungsexperiment (XRD) ist eine gängige Methode zur Bestimmung der Kristallstruktur und Gitterparameter eines Materials. Hier ist eine detaillierte Beschreibung des Experiments, einschließlich des Aufbaus, der Vorbereitung der Probe und der Auswertung der Beugungsdaten:

• 1. Prinzipieller Aufbau des Experiments: Das Röntgenbeugungsexperiment basiert auf der Beugung von Röntgenstrahlen an den regelmäßigen Abständen in einem Kristallgitter. Der grundlegende Aufbau eines XRD-Experiments umfasst:
• Röntgenquelle: Eine Röntgenquelle erzeugt Röntgenstrahlen, die auf die Kristallprobe gerichtet werden.
• Goniometer: Ein Gerät, das die Kristallprobe und den Detektor in präzise kontrollierten Winkeln positioniert.
• Probenhalter: Ein Halter zur Befestigung der Kristallprobe in der Strahlbahn.
• Detektor: Ein Detektor, der die gebeugten Röntgenstrahlen erfasst und die Intensität als Funktion des Winkels misst.
• 2. Vorbereitung der Probe:
• Kristallselektion: Die Probe muss ein Kristall mit ausreichend guter Kristallqualität sein, um klare Beugungsmuster zu erzeugen.
• Aufbringen der Probe: Der Kristall wird sorgfältig auf einem Probenhalter montiert, und seine Ausrichtung wird kontrolliert.
• Kontrolle der Kristallqualität: Es ist wichtig, die Reinheit und Homogenität des Kristalls zu überprüfen, um konsistente Ergebnisse zu gewährleisten.
• 3. Durchführung des Experiments:
• Auswahl der Röntgenwellenlänge: Eine geeignete Röntgenwellenlänge wird ausgewählt, oft Cu-Kα (1.54 Å) Strahlung.
• Aufnahme des Beugungsmusters: Der Kristall wird in den Strahlweg gebracht, und die Röntgenstrahlen werden mithilfe des Goniometers in verschiedenen Winkeln durch den Kristall gescannt.
• Erfassung der Daten: Der Detektor misst die Intensität der gebeugten Strahlen bei verschiedenen Einfallswinkeln und erzeugt ein Beugungsdiagramm (diffraktogramm).
• 4. Auswertung der Beugungsdaten:
• Identifikation der Beugungsmaxima: Die Positionen der Beugungspeaks im Diffraktogramm werden analysiert. Jeder Peak entspricht einem bestimmten Gitterabstand im Kristall.
• Berechnung der Gitterparameter: Die Bragg-Gleichung wird angewendet:
\[n\lambda = 2d\sin(\theta)\]
• \(\lambda\): Wellenlänge der Röntgenstrahlen
• \(d\): Gitterabstand
• \(\theta\): Beugungswinkel
• Für jeden Peak im Diffraktogramm berechnet man den entsprechenden Gitterabstand \(d\).
• Mit den berechneten \(d\)-Werten und den bekannten Kristallstrukturen kann man die Gitterparameter (a, b, c, α, β, γ) bestimmen.
• Verifikation der Ergebnisse: Die berechneten Gitterparameter werden mit bekannten Daten oder theoretischen Modellen verglichen, um die Genauigkeit zu überprüfen.
Zusammenfassung: Das Röntgenbeugungsexperiment ist eine präzise Technik zur Bestimmung der Gitterparameter eines Kristalls. Durch sorgfältige Vorbereitung der Probe, genaue Durchführung des Experiments und gründliche Auswertung der Beugungsdaten können wichtige Informationen über die Kristallstruktur gewonnen werden.

Aufgabe 3)

Du arbeitest in einem Labor, das auf die Synthese sauerstoff- und feuchtigkeitsempfindlicher anorganischer Verbindungen spezialisiert ist. Für die Synthese verwendest Du sowohl Schlenk-Techniken als auch Handschuhboxen. Beschreibe die Vorgehensweise für die Planung und Durchführung einer Reaktion, bei der ein Metallkomplex in einer sauerstofffreien Umgebung synthetisiert werden soll.

a)

Beschreibe detailliert, wie Du die Schlenk-Technik verwendest, um eine Reaktion unter Inertgasatmosphäre durchzuführen. Gehe dabei auf die Vorbereitung der Glasgeräte, die Erzeugung der Inertgasatmosphäre sowie die Entfernung von Luft und Feuchtigkeit ein. Welche Maßnahmen triffst Du, um eine Kontamination zu vermeiden?

Lösung:

Die Schlenk-Technik ist ein grundlegendes Verfahren zur Durchführung von Reaktionen unter Inertgasatmosphäre, insbesondere wenn empfindliche Verbindungen verwendet werden. Hier erfährst Du Schritt für Schritt, wie Du diese Technik korrekt anwendest.

• Vorbereitung der Glasgeräte:
  • Reinige alle Glasgeräte gründlich mit organischen Lösungsmitteln (z.B. Aceton) und anschließend mit destilliertem Wasser. Spüle sie zuletzt mit einem kleinen Volumen des Lösungsmittels, das Du für die Reaktion verwenden wirst.
  • Trockne die Glasgeräte im Ofen bei etwa 120°C für mindestens 2 Stunden oder über Nacht.
  • Nachdem die Glasgeräte aus dem Ofen genommen und abgekühlt sind, baue die Apparaturen auf und verbinde sie mit dem Schlenk-Linie-System.
• Erzeugung der Inertgasatmosphäre:
  • Schließe die Apparatur an die Schlenk-Linie an und stelle sicher, dass alle Ventile geschlossen sind.
  • Vakuumiere die Apparatur durch Öffnen des Ventils zum Vakuum. Lasse das System für einige Minuten unter Vakuum, um so viel Luft wie möglich zu entfernen.
  • Schließe das Vakuumventil und lasse das Inertgas (z.B. Argon oder Stickstoff) langsam in die Apparatur einströmen. Wiederhole diesen Evakuierungs- und Gasspülschritt mindestens drei Mal, um sicherzustellen, dass jegliche Luft aus der Apparatur entfernt ist.
  • Halte die Apparatur während der Reaktion kontinuierlich unter leichtem Überdruck des Inertgases, um ein Eindringen von Sauerstoff zu verhindern.
• Entfernung von Luft und Feuchtigkeit:
  • Viele Inertgase werden durch Trockensäulen (z.B. mit Molekularsieben oder Phosphorpentoxid) getrocknet, bevor sie in das Schlenk-System gelangen. Stelle sicher, dass das Inertgas, das Du verwendest, durch eine solcher Säule geleitet wird.
  • Verwende zusätzlich bei empfindlichen Reaktionen eine Schlenk-Linie mit einem Trocknungs- und Entgasungssystem, um sicherzustellen, dass keine Spuren von Luft oder Feuchtigkeit in die Reaktionsflüssigkeit gelangen können.
• Vermeidung von Kontamination:
  • Verwende saubere Handschuhe, wenn Du Glasgeräte oder Chemikalien handhabst, um eine Verunreinigung zu vermeiden.
  • Halte die Arbeit im Handschuhkasten oder unter einer Laminar-Flow-Haube, wenn möglich.
  • Vermeide jeglichen Kontakt der geöffneten Reaktionsgefäße mit der Umgebungsluft. Öffne die Apparatur nur, wenn dies absolut notwendig ist, und nur in einem Inertgas-gefüllten Bereich.
  • Betätige die Ventile der Schlenk-Linie vorsichtig und präzise, umversehentliche Einlässe von Luft zu vermeiden.

Durch die sorgfältige Planung und Durchführung dieser Schritte kannst Du erfolgreich eine Reaktion unter Inertgasatmosphäre mit der Schlenk-Technik durchführen und so die Integrität Deiner empfindlichen Verbindungen sicherstellen.

b)

Wie bereitest Du die Handschuhbox für die Synthese vor? Erläutere den Prozess des Transfers von Reagenzien und Geräten in die Handschuhbox und die Maßnahmen, die ergriffen werden, um die Reinraumatmosphäre aufrechtzuerhalten. Welche Vorteile bietet die Verwendung einer Handschuhbox im Vergleich zur Schlenk-Technik?

Lösung:

Die Vorbereitung einer Handschuhbox für die Synthese von sauerstoff- und feuchtigkeitsempfindlichen Verbindungen ist ein entscheidender Schritt, um eine saubere und inertgasgefüllte Umgebung sicherzustellen. Hier sind die einzelnen Schritte detailliert beschrieben:

• Vorbereitung der Handschuhbox:
  • Vergewissere Dich, dass der Inertgasvorrat (z.B. Argon oder Stickstoff) ausreichend ist und die Gasflaschen voll sind.
  • Überprüfe, ob die Handschuhbox ordnungsgemäß funktioniert und die Filter- sowie Reinigungssysteme in gutem Zustand sind.
  • Stelle sicher, dass die Box korrekt unter leichtem Überdruck des Inertgases steht, um zu verhindern, dass Luft durch eventuelle Undichtigkeiten eindringt.
  • Kontrolliere die Handschuhmembranen auf Beschädigungen und tausche sie bei Bedarf aus.
  • Starte das Schleusensystem der Box, um sicherzustellen, dass die Atmosphäre rein und frei von Sauerstoff sowie Feuchtigkeit ist. Oftmals ist hierfür ein Zyklus von mehreren Spül- und Evakuierungsschritten notwendig.
• Transfer von Reagenzien und Geräten in die Handschuhbox:
  • Verpacke alle Reagenzien und Geräte, die in die Handschuhbox transferiert werden sollen, in geeigneten, luftdichten Behältern.
  • Öffne die Außentür der Schleuse und platziere die Behälter in der Schleusenkammer. Schließe die Außentür.
  • Starte den Schleusenzugang durch mehrfache Zyklen von Evakuieren und Inertgas-Fluten, um etwaige Luftspuren in der Schleuse zu entfernen.
  • Nach Beendigung des Schleusenzugangs öffne die Innentür und transferiere die Materialien in die Handschuhbox.
  • Sortiere die Reagenzien und Geräte innerhalb der Handschuhbox und bereite den Arbeitsbereich für die Synthese vor, um die Effizienz zu maximieren und Kontaminationen zu minimieren.
• Aufrechterhaltung der Reinraumatmosphäre:
  • Regelmäßige Überwachung der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsgehalte innerhalb der Handschuhbox mithilfe geeigneter Sensoren und Anzeigeinstrumente.
  • Falls ein Anstieg der Sauerstoff- oder Feuchtigkeitswerte festgestellt wird, sofort Gegenmaßnahmen ergreifen, wie das Ersetzen von Reinigungsfiltern oder das Durchführen zusätzlicher Gaswechsel.
  • Sichere Abdichtung der Handschuhmembranen und anderer Dichtungen regelmäßig überprüfen und bei Bedarf austauschen.
• Vorteile der Handschuhbox im Vergleich zur Schlenk-Technik:
  • Kontinuierliche Kontrolle und Überwachung der Reinraumatmosphäre, was eine höhere Stabilität der Bedingungen gewährleistet.
  • Möglichkeit, längere oder komplexere Reaktionen durchzuführen, ohne Sorge um Sauerstoff- oder Feuchtigkeitsverunreinigungen.
  • Erhöhte Sicherheit und Benutzerfreundlichkeit durch die Möglichkeit, in einem abgeschlossenen System zu arbeiten, das direkten Kontakt mit gefährlichen oder empfindlichen Reagenzien vermeidet.
  • Möglichkeit zur Verwendung sensibler Messgeräte und anderer Instrumente, die in der Schlenk-Technik schwierig zu integrieren wären.
  • Für einige Anwendungen können Handschuhboxen eine saubere Arbeitsumgebung bieten, in der mehrere Schritte und Reaktionen sequentiell und ohne größere Unterbrechungen durchgeführt werden können.

Durch die sorgfältige Vorbereitung und Wartung der Handschuhbox sowie den durchdachten Transfer der Materialien und Reagenzien kann eine kontinuierlich kontrollierte und saubere Atmosphäre aufrechterhalten werden, was die Synthese empfindlicher Metallkomplexe erheblich erleichtert.

Aufgabe 4)

Du hast eine Probe eines unbekannten organischen Moleküls. Um dessen Struktur und Dynamik zu analysieren, verwendest Du sowohl IR- als auch NMR-Spektroskopie. Für die IR-Spektroskopie stehen Dir ein FT-IR- und ein dispersives IR-Spektrometer zur Verfügung. Für die NMR-Spektroskopie verwendest Du sowohl 1H-NMR als auch 13C-NMR. Deine Aufgabe ist es, die Betriebsarten zu erläutern und die erhaltenen Daten zu interpretieren.

a)

• Erkläre den Unterschied zwischen FT-IR- und dispersiver IR-Spektroskopie. Warum könnte man sich für die eine Methode gegenüber der anderen entscheiden?

Lösung:

FT-IR (Fourier-Transform Infrarot) Spektroskopie:

• FT-IR verwendet einen Interferometer, meist vom Michelson-Typ, um die IR-Strahlung zu messen. Das Interferogramm wird anschließend mit einer Fourier-Transformation in ein Spektrum umgewandelt.
• Schnellere Datenerfassung: Da alle Frequenzen gleichzeitig gemessen werden, ist die Messung sehr schnell.
• Höhere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse: Die schnelle Messung und zusätzliche Akkumulation von Signalen führen zu einem besseren Signal-zu-Rausch-Verhältnis.
• Höhere Auflösung: Durch die komplexe Datenverarbeitung kann eine höhere spektrale Auflösung erreicht werden.

Dispersive IR-Spektroskopie:

• Verwendet ein Prisma oder ein Beugungsgitter, um die IR-Strahlung in einzelne Frequenzen zu zerlegen. Diese werden dann nacheinander gemessen.
• Längere Messzeit: Da die Frequenzen nacheinander gescannt werden, dauert die Messung länger.
• Einfacherer Aufbau: Der experimentelle Aufbau ist oft weniger komplex und kostengünstiger als bei FT-IR.

Warum könnte man sich für die eine Methode gegenüber der anderen entscheiden?

• Wahl der Methode ist oft eine Abwägung zwischen Schnelligkeit, Kosten und Auflösung.
• FT-IR ist ideal, wenn schnelle Messungen und hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis erforderlich sind. Besonders geeignet für die Analyse von Proben mit schwacher Absorption oder für zeitkritische Experimente.
• Dispersive IR kann vorzuziehen sein, wenn die Auflösung nicht so kritisch ist und wenn Kosten eine Rolle spielen. Auch bei robusteren und weniger komplexen Geräten könnte diese Methode bevorzugt werden.

b)

• Du erhältst ein IR-Spektrum Deiner Probe. Wie würdest Du die Frequenzen interpretieren, um Informationen über molekulare Bindungen und Schwingungen zu gewinnen? Nenne mindestens drei typische Bindungen und deren ungefähre Schwingungsfrequenzen im IR-Spektrum.

Lösung:

Um die im IR-Spektrum enthaltenen Frequenzen zu interpretieren, kannst Du die gemessenen Schwingungsfrequenzen den typischen molekularen Bindungen und Schwingungen zuordnen. Dies hilft dabei, Informationen über die Struktur und die funktionellen Gruppen eines organischen Moleküls zu erhalten. Hier sind drei typische Bindungen mit ihren ungefähren Schwingungsfrequenzen:

• C-H Streckschwingungen: Diese Schwingungen treten in verschiedenen Bereichen auf. Für C-H-Bindungen in Alkanen liegt die Streckschwingung im Bereich von 2850-2960 cm^-1. Für aromatische C-H-Bindungen liegen sie im Bereich von 3000-3100 cm^-1.
• O-H Streckschwingungen: O-H Bindungen, wie sie in Alkoholen vorkommen, zeigen eine starke breite Absorption im Bereich von 3200-3550 cm^-1. Die Breite dieser Absorption ist oft auf Wasserstoffbrückenbindungen zurückzuführen.
• C=O Streckschwingungen: Carbonylgruppen (C=O) zeigen starke, scharfe Absorptionsbänder im Bereich von 1680-1750 cm^-1. Die genaue Position kann je nach der chemischen Umgebung, wie in Ketonen, Aldehyden oder Carbonsäuren, variieren.

Interpretationsschritte:

• Suche nach charakteristischen Absorptionsbändern in den IR-Spektrum und ordne diese den bekannten Frequenzbereichen zu.
• Analysiere die Intensität und Breite der Bänder, da diese auf die Konzentration und Wechselwirkungen der Moleküle hinweisen können.
• Verwende zusätzliche Informationen aus dem NMR-Spektrum, um eine umfassendere Interpretation der molekularen Struktur zu erhalten.

d)

• Analysiere ein 13C-NMR-Spektrum Deiner Probe. Was kannst Du aus den chemischen Verschiebungen der 13C-Kerne über die Struktur des Moleküls ableiten? Wie unterscheiden sich die Ergebnisse von der 1H-NMR-Spektroskopie?

Lösung:

Die 13C-NMR-Spektroskopie bietet wertvolle Einblicke in die Struktur eines organischen Moleküls durch Untersuchung der chemischen Verschiebungen der ^13C-Kerne. Hier ist, wie Du diese Daten interpretierst und wie sie sich von der ^1H-NMR-Spektroskopie unterscheiden:

Analyse der chemischen Verschiebungen der ^13C-Kerne

• Chemische Verschiebung (\(\delta\)): Die chemische Verschiebung der ^13C-Kerne wird in ppm (parts per million) gemessen und gibt die elektronische Umgebung der Kohlenstoffatome an. Sie reicht typischerweise von 0-220 ppm.
• Typische Verschiebungsbereiche:
  • Alkane (C-H): 10-40 ppm
  • Alkene (C=C): 100-150 ppm
  • Aromaten: 110-160 ppm
  • Alkohole und Ether (C-O): 50-90 ppm
  • Ketone und Aldehyde (C=O): 190-220 ppm
  • Carbonsäuren und Ester (C=O): 160-185 ppm

Was Du aus diesen Daten ableiten kannst:

• Ermittlung funktioneller Gruppen: Die chemischen Verschiebungen der ^13C-Kerne lassen auf bestimmte funktionelle Gruppen und deren Umgebung schließen.
• Analyse der elektronischen Umgebung: Verschiedene Substituenten (z.B. Elektronenziehende oder -schiebende Gruppen) beeinflussen die chemische Verschiebung, was Rückschlüsse auf die Substitutionsmuster erlaubt.

Unterschiede zwischen ^13C-NMR und ^1H-NMR

• Empfindlichkeit: ^13C-NMR ist aufgrund der niedrigen natürlichen Häufigkeit von ^13C (etwa 1.1%) weniger empfindlich als ^1H-NMR. Daher sind längere Messzeiten erforderlich.
• Kopplungsmuster: Im ^13C-NMR werden oft Dekopplungstechniken angewendet, um die Kopplung zwischen ^1H und ^13C zu unterdrücken. Dies resultiert in einfacheren Singlet-Signalen, was die Interpretation erleichtert. Im Gegensatz dazu zeigt das ^1H-NMR komplexere Kopplungsmuster (Multiplet-Splitting).
• Chemische Verschiebung: Die Skalen und Verschiebungsbereiche für ^13C und ^1H sind unterschiedlich. ^13C-Kerne zeigen eine breitere Skala an Verschiebungen (0-220 ppm) im Vergleich zu ^1H-Kernen (0-12 ppm).
• Spektrale Informationen: ^13C-NMR liefert spezifische Informationen über die Kohlenstoffgerüste eines Moleküls, während ^1H-NMR detaillierte Daten über die Wasserstoffumgebungen und Spin-Spin-Kopplungen liefert.

Zusammengefasst bietet die ^13C-NMR-Spektroskopie ergänzende Informationen zur ^1H-NMR-Spektroskopie. Während die ^1H-NMR detaillierte Informationen über Protonen und deren Kopplungsmuster liefert, fokussiert sich die ^13C-NMR auf die Struktur und elektronische Umgebung der Kohlenstoffatome. Durch die Kombination beider Methoden erhältst Du ein umfassenderes Bild der molekularen Struktur Deines unbekannten organischen Moleküls.