•Lamber-Berov zakon•Boja i struktura molekula

•Specifična rotacija

Grotus-Draperov zakon:

I0 = IA + IT + IR

RTAII

II

II RTA ++=++=

0001

apsorpcija transparencija

refleksija

Energy levels in molecules are a morecomplicated than those in atoms

‘Clean’ electronicenergy levels

Each electronic energy level hasmany vibrational levels and each ofthese has many rotational states

Vo

V1

V1

Vo

Rotational Energy Levels

Vibrational Energy Level

Electronic Energy Levels A few of the many rotational -vibrational - electronic transitions possible

Figure 1. Energy level diagram illustrating the energy changes associated with absorptionof electromagnetic radiation

Energetski nivoi u molekulima su mnogosloženiji od onih u atomima

Svaki elektronski nivo ima mnogovibracionih a svaki vibracioni mnogorotacionih nivoa

Čisti elektronskienergetski nivoi

Atomski

Molekulski

Figure 2.The ground state consists of one electronic energy level, one or more vibrational energy levels, and a very large number of rotational energy states.The excited state has the same features. The result of transitions between all

Wavelength

these levels is a broad spectrum, rather than a series of narrow lines.

ABSORBANCE

Line Emission Spectra for Atoms

Broad Absorption Spectrum for Molecules

Linijski emisioni spektar atoma

Širok apsorpcioni spektar molekula

Osnovno stanje se sastoji od jednog elektronskog energetskog nivoa, jednog ili više vibracionih i velikog broja rotacionih stanja. Slično je sa pobuđenim stanjima. Pri prelazu

između svih ovih nivoa nastaje širok spektar a ne niz oštrih linija

Količina apsorbovane svetlosti je proporcionalna koncentraciji analita.

A = f[analit]: A = m[analit] + b

Zračenje i spektroskopija

Molekulskerotacije

7.5 x 10-4 – 3.75 x 10-3mikrotalasna

Molekulskevibracije

7.8 x 10-7 – 3 x 10-4infracrvena

elektroni veza1.8 x 10-7 – 7.8 x 10-7UV- vidljiva

unutrašnjielektroni

1 x 10-9 – 1 x 10-8X-zraci

Nuklearni5 x 10-13 – 1.4 x 10-10Gama zraci

PrelaziTalasna dužina: λ, mZračenje

UV: 180 – 380

Vid: 380 – 780

nanometri nm 1nm = 1 x 10-9m

Fotoni ili talasni paketi energije E =

hc/λE

λ

IcdxdI ε−=

Smanjenje intenziteta svetlosti je srazmerno debljinisloja dx i koncentraciji c:

ε konstanta proporcionalnosti

Upadna svetlost

Propuštena svetlostI I-dI

Rastvor kojiapsorbuje

IIzzvovođđenjeenje LambetLambet--BeerBeer--ovogovogzakonazakona

IcdxdI ε−=

cdxI

dIε−=

Deljenjem obe strane sa I

Sada integralimo obe strane

∫∫ ε−=bI

I

cdxI

dI

00

I I-dI

Sada integralimo obe strane: ∫∫ ε−=bI

I

cdxI

dI

00

cbII

II

ε−=×=00

log303.2ln

acbAT ==− log

Dobija se:

acbcbII

=ε

=303.2

log 0

Beer-Lambert-ov zakon

A =a c b

Lambert-ov zakon

A ∝ b

Beer-ov zakon

A ∝ c

+

c - koncentracija

ε konstanta proporcionalnosti je ekstinkcioni koeficijent

a- molarna apsorptivnost.

a je nagib zavisnosti

A od c.

Veličina a (ε) zavisi od talasne dužine.

Fosfat u morskoj vodi talasna duzina 880nm

y = 0.12078x - 0.00193R2 = 0.99989

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

concentration uM

A

ε

Jedinice akoncentracija-1.dužina-1

tj.: dm3 mol-1 cm-1

A = m[analit] + d

• Apsorpcioni spektar• Analitička prava

C1

C2

350 400 450 λλmax

A1

A2

A3

A

AX

340350

370390

410

C C C C1 X 3 C

a) b)

A

Ograničenja Beer-ovog zakona

• Realna– Pri velikim koncentracijama dešavaju se efekti

interakcije između apsorbujućih vrsta• Hemijska

– Analit disosuje/asosuje ili reaguje sa rastvaračem• Instrumentalna

– ε = f(λ); većina svetlosnih izvora su polihromatski a ne monohromatski

– rasejana svetlost nastala refleksijom na monohromatoru

Intenzitet svetlosti, I, je energija u jedinici vremena, po jedinici površine, po jediničnom prostornom uglu

Shematski prikaz jednostavnog spektrometra

Transparencija je T=I/I0

II0Izvorsvetlosti Disperzioni element Uzorak

Detektorsvetlosti

SPEKTROFOTOMETAR SPEKTROFOTOMETAR

a) Kvalitativno: A =a c l

Mnoge organske funkcionalne grupe imaju dobro definisane apsorpcione

karakteristike: λmax & ε ili a (obično u UV)

- napraviti rastvor poznate koncentracije (c)

- snimiti spektar između 180 i 350nm

- identifikovati λmax, izračunati ε ili a

Prelazni metali često obojeni zbog prelaza između d orbitala –

apsorbuju u vidljivoj oblasti,broj pikova i λmax & ε

identifikuju metalni jon & geometriju - Oh vs Td

SWH p560

Ne-obojeni analiti mogu reagovati dajući obojena

jedinjenja npr. PO43-

Apsorpcioni Spektar

Io I

Uzorak

b- Dužina ćelije

T, je transparencija. Ona je deo upadne svetlosti

propušten kroz uzorakT = I/Io

A, apsorbancija je definisana kaoA = log10(Io/I)= -log10(T)

Energija je apsorbovana kroz elektronske prelaze u vezujućim

orbitalama analitaPr: Mesta nezasićenih veza u

oprganskim molekulima, npr. dvostruke veze (-C=C-; -C=O, -NC=O) π→ π *, ilid →d prelazi u metalnim kompleksima

ili Metal d → ligand prelazi

λmax

talasna dužina na kojoj je A

maksimalno

KMnO4

b) Kvantitativna analizai) <Koristi se Beer-Lambert-ova jednačina

A =ab c- pripremiti rastvore analita i dodati reagense (ako su neobojeni)- meriti apsorbanciju na poznatim λmax i b- Naći a i izračunati c.Molarne apsorptivnosti nisu precizno poznate, stoga ovakva izračunavanja nisu precizna.

Teško se radi ovako

ii) Koristiti kalibracione krive –uobičajen metod.-Prepremiti set standarda i dodati reagense-Meriti njihove apsorbancije na λmax

-Nacrtati A prema c:A = m[analit]standards + c

-Izmeriti apsorbanciju analita-Izračunati koncentraciju analita

[analit]uzorak = (A – c)/m

Phosphate in marine water wavelength 880nm

y = 0.12078x - 0.00193R2 = 0.99989

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

concentration uM

A

Boja i struktura molekula

Položaj i oblik apsorpcionih traka različitih supstancija u VIZ i UV delu spektra u vezi je sa strukturom tih supstancija

Atomi ili atomske grupe čija ekscitacija elektrona dovodi do apsorpcije fotona nazivaju se hromoforama i njihovo prisustvo u molekulu odgovorno je za boju supstancije

Najčešće hromofore u organskim molekulima su atomske grupe sadvostrukim i trostrukim vezama u kojima su elektroni labavijevezani

Hromofrne grupe su: −C=C−, −N=N−, −C=O−, -N=O- itd. Joni prelaznih metala kao i usamljeni parovi elektrona u

radikalima predstavljaju hromofore

Boja supstancije je određena neapsorbovanim delomkontinualnog spektra zračenja, znači onim delom koji je propušten i koji je komplementaran sa apsorbovanimdelom bele svetlosti.

Mineral obojen zbog apsorpcije metalnog jona

Boja kompleksa prelaznih metala

Rubin

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Cr3+

Safir

Korund

Al2O3 sa nečistoćama Fe2+ i Ti4+

Smaragd

Beril

AlSiO3 koji sadrži Be sa nečistoćom Cr3+

oktaedarski raspored gde metalni

centar ima koordinacioni broj 6

Vidljivi spektar

Talasna dužina

Ako supstancija ovdeapsorbuje......

ovde sejavlja boja

Oduzimanjem apsorbovane svetlosti dolazimo do boje koju vidimo

Rastvor kompleksa titana(III) ima ljubičastu boju jer apsorbuje žuto i zeleno

Ljubičasto obojen filter apsorbuje žutu i zelenu boju bele svetlosti

Rastvori halogena u CCl4

Fluor-bezbojanHlor-apsorbuje ljubičasto i plavo-žuto zelenBrom-apsorbuje plavo i deo zelenog-mrko crvenJod-apsorbuje zeleno-roze ili purpuran

Boja kompleksa prelaznih metala može da se korelira sa

ligandima koje metali vezujuSvi kompleksi sadrže Co(III) i 5NH3

Alura crveno, boja za hranu

• Generalno ravan molekul• prstenovi ugljenikovih

atoma• Azotovi atomi povezuju

prstenove• Elektroni u prstenovima

pokrtetljivi i apsorbuju svetlost.

• Većina boja koje se koristeu industriji hrane su slične strukture.

Kristalno ljubičasto• Molekul sa konjugovanim pi (π) vezama

C N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

Crystal Violet (Intense Violet Color)

+ OHC N(CH3)2

N(CH3)2

N(CH3)2

OH

Colorless Product

Boja i strukturaBatohromni efekat predstavlja pomeranje apsorpcionog

maksimuma prema većim talasnim dužinama što se postiže ubacivanjem nezasićenih konjugovanih grupa.

Hipsohromni efekat je suprotan od batohromnog i predstavlja pomeranje apsorpcionog maksimuma premakraćim talasnim dužinama ubacivanjem npr. CH2 grupe.

Hiperhromni efekat predstavlja povećanje apsorbancijeapsorpcione trake uvođenjem auksohromnih grupa kao što su OH, OR, OCH3, NH2 u kiseloj sredini ili antiauksohromne grupe CN, CO, NO koje deluju u baznoj sredini.

Hipohromni efekat nastaje kada strukturne promene u molekulu dovode do snižavanja apsorbancije apsorpcionogmaksimuma usled strukturnih promena u molekulu.

Polarizacija EM zračenja

Polarizacija EM zračenja

EM zračenje se sastoji od oscilacija električnog i magnetskog polja, uzajemno normalnih. Generalno, oscilacije električnog polja se NE dešavaju u određenoj (y,x) ravni. Zračenje nije polarizovano.

λ

Polarizacija EM zračenjay

x

z

x

z

y

x

z

y

xz

y

xz

y

x

z

y

z

y

z

y

z

y

z

y

z

y

z

y

Kada EM zračenje nije polarizovano, svi tipovi oscilacija su jednako verovatni. Kao posledica, ravan oscilacija EM zračenja varira haotično sa vremenom.

Polarizacija EM zračenjaPolarizacioni filter može izmeniti nepolarizovanu u linerno polarizovanu EM zračenje. Dobar primer je polaroid filter koji se sastoji od paralelno postavljenih izduženih molekula. Samo svetlost polarizovana duž izvesnog pravca prolazi kroz filter, dok je normalna komponenta potpuno apsorbovana.

Nepolarizovano EM zračenje

Horizontalno polarizovana komponenta jeapsorbovana

Vertikalno polarizovana komponenta EM zračenja prolazi.

PolarizaPolarizacciija se moja se možže dobiti e dobiti od nepolarizovanog zrakaod nepolarizovanog zraka

seleselektivnom apsorpcijomktivnom apsorpcijom

reflerefleksijomksijom

rasejavanjemrasejavanjem

Polarizacija EM zračenjaLinearno polarizovano zračenje se vrši u jednoj ravni i vrh električnog vektora opisuje sinusoidu. Linearno polarizovana svetlost odgovara superpoziciji levo i desno cirkularno polarizovanim talasima istog intenziteta.

y

z

y

z

y

z

y

z

y

zx

x

x

Linearno polarizovana svetlost

Poređenje linearno i cirkularno polarizovane svetlostiVektor E (električnog polja) linearnopolarizovane svetlosti (takođe se zove i polarizovana svetlost u ravni)-osciluje u ravni sa promenjljivim intenzitetom (konstantan pravac a modulisana amplituda).

Nasuprot tome vektor E cirkularno polarizovane svetlosti osciluje sa konstantnom amplitudom menjejući pravac (modulisani pravac).

Optička aktivnost znači da supstancija interaguje različito sa levo i desno cirkularno polarizovanom svetlošću manifestujući dva različita ali povezana fenomena:

1) Optička rotacija – posledica različitih indeksa prelamanja za desno i levo cirkularno polarizovanu svetlosta -- tj., nL≠ nD

optički inaktivna, nL= nD optički aktivna, nL≠ nD

Treba uočiti da vrh električnog vektora opisuje spiralni trag u prostoru (koji može biti u smeru kazaljke na sdatu ili suprotnom)

Optički aktivne supstancije su providne supstancije kojeobrću ravan polarizovane svetlosti

cnn

vvt ld

ld

')('' lll −=−=Δ

λπ

λπθ l2)(2

⋅−=⋅Δ=Δ ld nntc

Δθ

L-komponenta (spora)

D - komponenta (brza)vd

• Različit indeks prelamanja se javlja zbog oblika molekula. Molekuli oblika spirale (heliksa) odgovaraju različito zavisno da li su L ili D-oblik.

Optička aktivnost

OPTIČKA AKTIVNOST

OPTIČKI AKTIVNE SUPSTANCIJE ROTIRAJU RAVAN POLARIZACIJE POLARIZOVANE SVETLOSTI

KOJA JE RAZLIKA IZMEĐU DESNE I

LEVE RUKE?

NAŠ SVET JE SVET DEŠNJAKA

SPIRALNE STEPENICE SE PENJU NAVIŠE U SMERU KAZALJKE NA

SATU

APPROX. 90% SU DEŠNJACIAPPROX. 10% LEVACI

Ova grupa atoma je ISPRED, ali ide IZA pri rotaciji

Molekuli, kao i vaše ruke, koji ne mogu da se rotacijom ili pomeranjem poklope sa svojim ogledalskim likom su hiralni.

Dvojno prelamanje(u kristalu kalcita)

Louis Pasteur

Pateur je osećao da se enantiomeri mogu razlikovati/razdvojiti samo živim organizmima

Optička aktivnost (zove se i “hiralnost”)

Neke supstancije obrću ravan polarizovane svetlosti u smeru kazaljke na satu (“desnogiri”) a neki u suprotnom smeru kazaljke na satu(“levogiri”).

Obrtanje ravni polarizovane svetlosti srazmerno je rastojanju. Optička aktivnost je otkrivena 1811 od strane Arago-a.

Optička aktivnost (zove se i “hiralnost”)

Optička aktivnost potiče od asimetrične strukture molekula ilikristalne rešetke. Zavisno od toga optička aktivnost može biti:

Permanantna kada se ova osobina ne gubi sa promenom stanja date supstancije

Promenjljiva kada se optička aktivnost javlja samou kristalnom stanju dok se gubi pri topljenju ili sublimaciji

Promenjljiva optička aktivnost-desnogirii levogiri materijali

Većina prirodnih materijala ne pokazuje hiralnost, ali oni koji to pokazuju su optički aktivni

Ovi oblici kvarca imaju istu hemijsku formulu i strukturu ali suogledalske slike jedan drugoga. Jedan oblik kvarca obrće ravan polarizovane svetlosti u desno i smeru kazaljke na satu a drugi u suprotnom smeru.

Promenom stanja supstancije, odnosno narušavanjem spiralnograsporeda čvorova kristalne rešetke, gubi se optička aktivnost. Ovakvo ponašanje pokazuje kvarc, natrijum hlorat ili kalijum bromat

Levogiri i desnogiri molekuliKljučni molekuli života su skoro svi levogiri. Šećer je jedna od najhiralnijih poznatih supstancija.

Molekuli pogrešne hiralnosti mogu izazvati ozbiljne bolesti (npr.talidimid) dok je drugi “enantiomer” bezopasan.

Ako bi hteli da otkrijete znake života na drugoj planeti trebalo bi da potražitite hiralnost.

Enantiomeri (ne mogu se poklopiti sa ogledalskom slikom)

Permanantna optička aktivnost

• Najčešće optička aktivnostmolekula potiče od prisustvaasimetričnog atoma (atomi čijesu valence asimetričnozaposednute, različitim atomima ili grupama atoma). Najčešće je to asimetričniugljenikov atom. Tako kod α-hidroksipropionske kiselineasimetrični ugljenikov atom se nalazi u centru tetraedra, a u rogljevima su smeštene četirirazličite atomske grupe: H, COOH, CH3 i OH (od α-amino kiselina samo glicin ne pokazuje optičku aktivnost).

Permanantna optička aktivnost

• I drugi atomi kao: Si, N, P, S, Se, Te, Cr, Co, platinski metalii dr. mogu biti asimetričnicentri koji izazivaju optičkuaktivnost. Svi oni takođe imajutetraedarsku strukturu. I kompleksne soli metala sakoordinacionim brojem četiri(Cu, Pb, Co, Pd i Pt), ako suvezani za različite atome iliatomske grupe takođepokazuju optičku aktivnost. Centralni katjon može imati i koordinacioni broj 6, a molekultada ima oktaedarskustrukturu.

Inozit zbog asismetrije molekulatakođe pokazuje optičku aktivnost

Permanantna optička aktivnost

Optičkim enantiomeri ili antipodi su dva oblika istog optičkiaktivnog jedinjenja pri čemu jedan odgovara ogledalskom liku drugoga. Enantiomeri imaju identične hemijske osobine sem kadareaguju sa drugim hiralnim jedinjenjima (često pokazuju i različitu rastvorljivost u rastvaračima koji se sastoje od hiralnih molekula). Posledica ove razlike u reaktivnosti je da se enantiomeri mogu razlikovati u mirisu i biološkoj i farmakološkoj aktivnosti, a samo jedan od enantiomera pokazuje ovu aktivnost.

Sintetičke supstancije sadrže uvek oba enantiomera u istimkoličinama, tako da je nagrađena smeša optički inaktivna i nazivase racematskom smešom. Amino kiseline laboratorijskisintetizovane su racematske smeše. Nasuprot tome reakcije u živimćelijama kao rezultat daju samo jedan enantiomer koji je biološkiaktivan.

Specifična rotacija

[ ]ραα θ

λl

=

[ ]wm ρ

ααα θλ

ll

100100==

[ ] [ ]θλθλ αMM =

)(180

DL nn −λ

=αλ

l ugao rotacije

specifična rotacija čiste supstancije

specifična rotacija rastvora optičkiaktivne supstancije

molarna rotacija

Cirkularni dihroizam

• "Dihroizam" se koristi da označi apsorpcijusvetlosti koja zavisi od pravca i javlja se kod optički aktivnih supstancija. Stogacirkularni dihroizam se odnosi na različituapsorpciju polarizovane svetlosti paralelnoili normalno na neku referentnu osu.

• “Dvojno prelamanje” se odnosi nazavisnost indeksa prelamanja od pravca

.

2) Cirkularni dihroizam- posledica razlčitih koeficijenata ekstinkcije za L i D CPS (tj, εL≠ εD).

Polarizovana svetlost u ravni se može smatrati da se sastoji od L- i Dcirkularno polarizovanih komponenata istog intenziteta. Različita apsorpcija L i D komponenata, posle prolaska kroz optički aktivnu sredinu menja polarizovanu svetlost u ravni u eliptično polarizovanu svetlost.

Tehnika optičke rotacione disperzije (ORD) ispituje zavisnost optičke aktivnosti od talasne dužine

Cirkularni dihroizam

3) Optička rotaciona disperzija (ORD) i csirkularni dihroizam (CD) su matematički povezane pojave i ako merite jednu drugu možete izračunati korišćenjem postupka koji se zove Kronig-Kramers-ova transformacija.

4) CD se češće koristi od ORD za ispitivanjebiomolekula.

- Bolja rezolucija (ORD signal je proširen).- Bolja osetljivost.- Lakše za dešifrovanje (1:1 odnos između

apsorpcionih pikova i CD signala).

Shematski prikaz CD spektrometra