Analytische Chemie II Vorlesung 1.ppt€¦ · 3 NMR 4 IR /UV ( b i B d f)IR /UV (nur bei Bedarf) 5 Fluoreszenz-, Lumineszenz- und Phosphoreszenzspektroskopie 6 Sensoren 7 Oberflächenanalytik

Analytische Chemie

Die Analytische Chemie ist das Teilgebiet der Chemie, das sich mit der Zusammensetzung und der Quantifizierung der Stoffe beschäftigtZusammensetzung und der Quantifizierung der Stoffe beschäftigt.

Elementaranalyse nach Lavoisier

1

800 MHz NMR Spektrometer

Chemisch-Geowissenschaftliche FakultätInstitut für Anorganische und Analytische Chemie

Ankündigung für das Sommersemester 2009:

Vorlesungen und Übungen

„Analytische Qualitätssicherung“

Vortragende: Frau Dr. Sabine Geiß, Thüringer Landesanstalt für Umwelt und GeologieHerr Dr. Manfred Reichenbächer

Ort: Hörsaal Fraunhoferstraße 6Zeitpunkt: ab 06. Mai 2009, mittwochs 16:00 Uhr

Am Ende der Veranstaltung kann ein Zertifikat erworben werden.Alle interessierten Studentinnen und Studenten sind zu dieser Veranstaltung herzlich eingeladeneingeladen.

Analytische Chemie II

1 Historischer Überblick1 Historischer Überblick

2 Massenspektrometrie

3 NMR

4 IR /UV ( b i B d f)4 IR /UV (nur bei Bedarf)

5 Fluoreszenz-, Lumineszenz- und Phosphoreszenzspektroskopie

6 Sensoren

7 Oberflächenanalytik

8 Festkörperanalytik

3

8 Festkörperanalytik

Literatur zu dieser Vorlesung

Allgemein:

Analytische Chemie (Taschenbuch) von Matthias Otto

Analytical Chemistryvon Robert A. Kellner, Jean-Michel Mermet, Matthias Otto

Bioanalytikvon Friedrich Lottspeich, Haralabos Zorbasvon Matthias Otto

EUR 55,00Michel Mermet, Matthias OttoEUR 82,90 Eur 89,50

4Relevante Literaturzitate stehen hier


Strukturaufklärung:

The SpectrometricSpektroskopische Methoden in der organischen Chemie

The Spectrometric Identification of Organic Compounds (Gebundene Ausgabe)(Taschenbuch)

von Manfred Hesse, Herbert Meier, Bernd ZeehE 69 95

(Gebundene Ausgabe)

von Robert M. Silverstein

EUR 59


Eur 69,95

Literatur zu dieser VorlesungStrukturaufklärung:

Strukturanalytik organischer und anorganischer Verbindungen: Ein Übungsbuch

Classics in Spectroscopy: Isolation and Structure Elucidation of Natural ProductsÜbungsbuch

Manfred Reichenbächer, Jürgen Popp

Elucidation of Natural Products

Stefan Berger, Dieter Sicker


Preis: EUR 41,00 Preis: EUR 79,00


Speziell:

Mass Spectrometry. A T tb k Basic 1 and 2 Textbook von Jürgen H. GrossEur. 64,15

Dimensional NMR Spectroscopy von Horst FriebolinEur. 54,90


Strukturaufklärung historisch

Ch kt i i S b t h ih G h k d G hCharakterisierung von Substanzen nach ihrem Geschmack und Geruch war weit verbreitet …

8


Ch kt i i S b t h ih G h k d G hCharakterisierung von Substanzen nach ihrem Geschmack und Geruch war weit verbreitet …… und ist auch heute in bestimmten Bereichen unerlässlich

9


Verbrennung

Lavoisier 1789Nach Verbrennung kondensiert Wasser in Kühler,CO2 wird mit KOH gefällt.Somit Gehalt von Wasserstoff und Kohlenstoff ermittelbar

10"Traité Élémentaire de Chimie" (1789) vol. II, chap.VII, p. 493-501

CO2 mit KOH ausfällen


V b d hVerbesserungen durch Gay-Lussac, Proust...

...und Liebig (1831) mit volurimetrischer Erfassung von gStickstoff:"Ich glaube nur, dass sie unter den schlechten die am wenigsten

11

schlechte ist."


"Ich glaube nur, dass [diese Methode] unter den schlechten die am wenigsten schlechte ist."

12Faksimile: http://gdz.sub.uni-goettingen.de/no_cache/dms/load/img/?IDDOC=293888

Strukturaufklärung heute

CHN Analyzer: Auch über Verbrennungsanalytik und Wärmeleitfähigkeitsdetektoren

13


Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.

Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891

14Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff












Mannose und Glucose geben das identische Osazon


NUR AN C2 UNTERSCHIEDLICH




Mannose und Glucose geben unterschiedliche ZuckersäurenBeide sind optisch aktiv also nicht die meso-Verbindungen


Beide sind optisch aktiv also nicht die meso-Verbindungen




Glucose kann in "Kopf Schwanz Isomer" umgewandelt werdenAusschluss aller möglichen Zuckersäuren bis auf zwei


Ausschluss aller möglichen Zuckersäuren bis auf zwei




Xylose kann in Gulose umgewandelt werden


Xylose kann in Gulose umgewandelt werden




Xylarsäure ist optisch inaktiv


Puzzle führt zur relativen Konfiguration von Glucose

Strukturaufklärung Heute

HR MSSummenformel

Einige μg Zucker

NMR Struktur

Chiroptische Methoden oder NMR Shiftreagenzien zur Absolutkonfiguration


g


Röntgenstrukturanalyse: Laue-Diagramme mit Einkristallen und Debye-Scherrer-Aufnahmen mit Kristallpulvern auswertbar (1912)

Laue, W. H. und W. L. Brigg

Diamant (Ernst Mohr (1918))

Laue, W. H. und W. L. Brigg (Nobelpreise 1914 und 1915)

Röntgenstrahl wird durch einen Kristall geschickt, gebeugt und das so entstehende Interferenzmuster aufgezeichnet. Die Interferenzerscheinungen lassen sich durch die

23

Streuung der Röntgenstrahlen an den Elektronenhüllen der Kristallatome erklären.

Ernst Mohr [J. Prakt. Chem.[2] 98, 315 (1918)]

Strukturaufklärung

Ziel: Ermittlung der Anordnung und Verknüpfung elementarer Bausteine (Atome, g g p g ( ,funktionelle Gruppen oder auch Elektronen.

Immer berücksichtigen: Naturgesetze, chemische Reaktivität und chemischen Sachverstand.

Beugungsmethoden (Röntgen- und Neutronenbeugung)

Optische Methoden die den Prinzipien der Emission bzw. Absorption folgen (z.B. Infrarotspektroskopie, UV-Spektroskopie)

Molekülspektrometrische Methoden (z.B. Kernmagnetische Resonnanz (NMR) und Massenspektrometrie (MS)).

24

Massenspektrometrie

25http://masspec.scripps.edu/ Georg Pohnert

Massenspektren

100 55 70D

Elektronenstoss-Ionisation

nt. (

%)

41Cl

D

D

rel.

I

83

148106112 150

D

O+ HOOC

OH

0

Elektrospray-Ionisation

40 60 80 100 120 140 160 180

150

m/z

HOOC

O

0100 209 [M+H]+

50

l. In

t. (%

)

Massenspektrum: 2D-Darstellung in der relative Signalintensität gegen Masse /

0

re Ladungsverhältnis aufgetragen wird

26

100 140 180 220 260m/z

0

Massenspektrometrie

Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von Gasen

"At first there were very few who believed in the existence of these bodies smaller than atoms. I was even told long afterwards by a distinguished physicist who had been present at my [1897]

J.J. Thomson(Nobelpreis 1906)

lecture at the Royal Institution that he thought I had been pulling their legs."

(Nobelpreis 1906)

Bau des ersten Massenspektrometers (1910) womit die Trennung der Neon Isotope 20 und 22 gelang

27www.nobelprize.org

Massenspektrometrie

Francis William AstonFrancis William Aston(1877 - 1945)

Cambridge University

Nobel Preis in Chemie, 1922:"For his discovery, by means of his mass spectrograph, of

isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for p , g ,his enunciation of the whole-number rule."

Weist 212 natürlich auftretende Isotope nach


Massenspektrometrie

Wolfgang Paul(1913 - 1993)

Universität Bonndund

Hans Georg Dehmelt1922-

University of WashingtonUniversity of Washington

Nobel Preis in Physik, 1989"For the development of the ion trap technique "For the development of the ion trap technique.


Massenspektrometrie

John B. Fenn*1917

Virginia Commonwealth UniversityElektrospray Ionisierung

Koichi Tanaka*1959

Shimadzu Corporation, JapanMALDI

Nobel Preis in Chemie 2002

"For the development of soft desorption ionisationFor the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological

macromolecules."


Thompson 1897, 1913

Auftrennung von KathodenstrahlenAuftrennung von Kathodenstrahlen (Elektronen) im elektrischen Feld

31

Thompson 1897, 1913

Auftrennung von KathodenstrahlenAuftrennung von Kathodenstrahlen (Elektronen) im elektrischen Feld

Beobachtung vonBeobachtung von komplexeren Kanalstrahlen

32

MassenspektrometrieGrundvoraussetzung: Gutes Vakuum

Vorpumpe

10-4-10-9 Pa

10-1 Pa

33

Turbomolekularpumpe

http://masspec.scripps.edu/

MassenspektrometrieEinlass: z.B. Vakuumschleuse

34Gross, Mass Spectrometry

Massenspektrometer

Schematische Darstellung einer EI I ll

... und so sieht sie ausIonenquelle

35

Ionisierungsenergie

E = Energie, D = Dissoziationsenergie, r = Bindungslängen (r0 im Grundzustand...)

36

E Energie, D Dissoziationsenergie, r Bindungslängen (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie

Ionisierungsenergie

37

Ionisierungsenergie

38

Ionisierungsenergie

39

Ionisierungsenergie

40

Ionisierung

Formel Bindungslängen Ladungsverteilung

Die Geometrie ist verzerrt und die Ladung nicht an der Stelle lokalisiert, die man vom Formelbild aus erwartet

41

Ionisierungsenergie

E = Energie, D = Dissotiationsenergie, r = Abstand (r0 im Grundzustand...)

42

E Energie, D Dissotiationsenergie, r Abstand (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie

Ionisierungsenergie

E = Energie, D = Dissotiationsenergie, r = Abstand (r0 im Grundzustand...)

43

E Energie, D Dissotiationsenergie, r Abstand (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie

Ionisierungseffizienz

Ionisierungsquerschnitt ist die Fläche durch die Elektron treten muss, um mit dem Neutralteilchen zu reagieren

44

mit dem Neutralteilchen zu reagieren

Massenspektren

100 55 70 DElektronenstoss-Ionisation

nt. (

%)

41Cl

D

Elektronenstoss-Ionisation

rel.

I

83

148106112 150

D

0

Bis jetzt:

40 60 80 100 120 140 160 180

150

m/z

0100 209 [M+H]+

OOH

50

l. In

t. (%

)

Elektrospray-Ionisation+ HOOC

O0

re

p y

45

100 140 180 220 260m/z

0

Fragmentierung

46

Fragmentierung

47

Ionisierung

Formel Bindungslängen Ladungsverteilung

Die Geometrie ist verzerrt und die Ladung nicht an der Stelle lokalisiert, die man vom Formelbild aus erwartet

48

Fragmentierung

H

H H

H2CO

CH3O+

Mass: 31

HH

H2O Mass: 18

H

Mass: 31

OHH

C3H6+•Mass: 42

H

Mass: 42

M=60

49

M=60

Zeitskala der Massenspektrometrie

50

Zeitskala der Massenspektrometrie

M t t bil I b k i h f Si l d i t f d WMetastabile Ionen geben kein scharfes Signal, da sie erst auf dem Weg zum Detektor entstehen. Beispiele:

51

Isotopenmuster

CHBCHBr3

Die Massenspektren spiegeln das Isotopenverhältnis wieder

52

Isotopenmuster

Die Massenspektren spiegeln das Isotopenverhältnis wieder

53

Isotopenverteilung

C5 C20 C60 C90 C120

Bei grösseren Molekülen kann selbst mit 1.1% statistischer Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines 13C das schwerere Isotop dominieren

54

Web basierte Werkzeuge in der MS

z.B. Isotopenverteilungsberechnung:http://www2 sisweb com/mstools/isotope htmhttp://www2.sisweb.com/mstools/isotope.htm

55

Web basierte Werkzeuge in der MShttp://www.sisweb.com/referenc/tools/exactmass.htm

56

Isotopenverhältnis Massenspktrometrie

Proben werden verbrannt, CO2 dann mit Gesteinsprobe oder Referenzgas verglichen

57


Proben werden verbrannt, CO2 dann mit Gesteinsprobe oder Referenzgas verglichen

58


59


Echtheitsbestimmung von VanillinOH

OCH3Bedarf 12.000 t paProduktion aus Vanilleschoten 40 t pa

3

CHO

δ13C[‰]V-PDBHerkunft16 8 21ll h

-29.9 to -31.7Eugenol-16.8 to -21.5Vanilleschote

-26 5 to -28 7Lignin (Holz)-24.9 to -36.2Guajacol

60

-26.5 to -28.7Lignin (Holz)


Floyd Landis Testosteron Testepi

61

Testosteron T/E > 6 Verdachtsmoment


62


Floyd Landis Testosteron Test

Vergleich der IsotoensignaturCholesterol/Testosteron

63

Untersuchung der Zugvogelwanderung

64Hobson and Wassenaar, Oecologia, 1997, 109, pp 142ff

Untersuchung der Zugvogelwanderung

65

Halogenierte Verbindungen

CH Br CHBrCH3Br CHBr3

CH2Br2 CBr4

66

Halogenierte Verbindungen

CH Cl CHClCH3Cl CHCl3

CClCH2Cl2 CCl4

67

Komplexe Verbindungen können überprüft aber selten modelliert werden

68

Bei abnormal hohen M+2 Verdacht auf S oder Si

69

Isotopenmarkierung zur Aufklärung der Biosynthese

100 76

81 93

el. I

nt.

81 9391

6653

686551re

40 60 80 100 120

51

41 122104

40 60 80 100 12077

83 94

100

6942 51 9155 66

65

rel.

Int.

m/z

106 124122

40 60 80 100 120

+ Markierte Fettsäure

70

Isotopenmarkierung zur Q tifi iQuantifizierung von Proteinexpression

Biotin kann mit AffinitätschromatographieBiotin kann mit Affinitätschromatographie aufgereinigt werden.

Proteine haben SH Gruppen in Cystein dieProteine haben -SH Gruppen in Cystein, die mit dem Iodid reagieren.

71Nature Biotechnology 17, 994 - 999 (1999)

Isotopenmarkierung zur Aufklärung von Metabolismus

Testperson trinkt doppelt isotopenmarkiertes Wasser (2H2

18O) Testperson trinkt doppelt isotopenmarkiertes Wasser (2H2

18O)

Urin wird mit MS untersucht und daraus auf das gesamte Körperwasser geschlossen

p ( 2 )

Körper produziert CO2 und H2O. Beide mit 18O markiert Körperwasser geschlossen CO2-Produktion ist mit Energieverbrauch korreliert. Das 2H:18O Verhältnis im Urin erlaubt

72http://www.iaea.org/

Rückschlüsse auf Energieverbrauch

Isotopenmarkierung zur Aufklärung von Metabolismusss

ene

ller M

aon

nom

inic

hung

vo

Abw

ei

Nominelle Masse [u]

73http://www.iaea.org/

Hochaufgelöste Massenspektrometrie

Die Masse des Molekülions wurde zu 415 12111 u bestimmtDie Masse des Molekülions wurde zu 415,12111 u bestimmt. mass matching (automatisiert)-----------------------------------------------------------------------------------

Mass Calculated ppm mmu FormulaMass Calculated ppm mmu Formula -----------------------------------------------------------------------------------415.12111 415.12134 0.5 0.2 H13.C13.N13.O4

415 12134 0 5 0 2 H19 C14 N6 O9415.12134 0.5 0.2 H19.C14.N6.O9 415.12085 -0.6 -0.3 H17.C28.N.O3 415.12003 -2.6 -1.1 H23.C13.N2.O13 415.12000 -2.7 -1.1 H17.C12.N9.O8 415.12000 -2.7 -1.1 H11.C11.N16.O3 415.12268 3.8 1.6 H9.C14.N17 415.12268 3.8 1.6 H15.C15.N10.O5 415.12268 3.8 1.6 H21.C16.N3.O10

74


92.1 92.061 92.0626

92.0581

Auflösung von zusätzlichen Signalen kann zur Veränderung der gemessenen Masseführenführen

75

Kalibrierung in der Hochaufgelösten Massenspektrometriep

z.B. Perfluorokerosin (PFK)

76


Berechnet für 2 S-Atome in StrukturStruktur

Aus Verhältnis von 13C2 und 34S-Signal ergibt sich die Zahl der S-Atome in Struktur

77Anal. Chem. 1997, 21


Auflösung des 2. und 3. Isotopenpeaks zeigt wie hoch der Anteil der reduzierten Form ist.

78Anal. Chem. 1997, 21

Hochaufgelöste Massenspektrometriemittlere Masse mittlere

Masse

mono-isotopische Masse

nominelle Masse

mono

nominelle Masse

mono-isotopische Masse

Polystyren C4H9(C8H8)10H Polystyren C4H9(C8H8)100H

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Documents

Analytische Chemie II Vorlesung 1.ppt€¦ · 3 NMR 4 IR /UV ( b i B d f)IR /UV (nur bei Bedarf) 5 Fluoreszenz-, Lumineszenz- und Phosphoreszenzspektroskopie 6 Sensoren 7 Oberflächenanalytik