KE ORGAANINEN RAKENNEANALYTIIKKA (5 op)

KE-4.4100 ORGAANINEN RAKENNEANALYTIIKKA (5 op) Staff Scientist, FT Jari Koivisto uone: C 308b Puhelin: 040 3438574 Sähköposti: jari.koivisto@aalto.fi 1

ORGAANINEN RAKENNEANALYTIIKKA Yleistä Luennot: Maanantaisin klo 12:15 14:00 salissa Ke5 ja torstaisin 14:15 16:00 salissa Ke4 (8.9. 16.10.2014). arjoitukset ja kotitehtävät: Perjantaisin klo 12:15 15:00 salissa Ke4 (12.9. 17.10.2014). Vapaaehtoinen kotitehtävä, joka käydään läpi viimeisen harjoituksen yhteydessä. Laitedemonstraatiot: Erikseen sovittavina ajankohtina yht. max. 7h. Luentomateriaali: Luentomoniste Kurssin suoritus: Tentti keskiviikkona 22.10.2014 klo 8:00 11:00 luentosaleissa 1 ja 2 ja/tai torstaina 18.2.2015 klo 8:00 11:00 luentosaleissa 1 ja 2 (max. 100p.). 2

ORGAANINEN RAKENNEANALYTIIKKA Sisältö ja tavoitteet Sisältö: Kurssilla perehdytään massaspektrometrian (MS), infrapunaspektrometrian (IR) ja ydinmagneettisen resonanssispektroskopian (NMR) käyttöön orgaanisten yhdisteiden rakennetutkimuksessa ja identifioimisessa. Tavoitteet: Kurssin suoritettuaan opiskelija osaa 1. tulkita MS-, IR- ja NMR-spektrejä 2. ratkoa orgaanisten molekyylien rakenteita MS-, IR- ja NMR-spektrien avulla 3. MS-, IR- ja NMR-spektrometrien toimintaperiaatteet 3

1. Johdanto 1.1 MS, IR ja NMR tällä kurssilla Massaspektrometria Fragmentaatio IR-spektroskopia Molekyylipaino UV-spektroskopia (ei käsitellä kurssilla) Funktionaaliset ryhmät (O, C=O,...) Molekyylikaava Kromoforit (-C=C-C=C-,...) TA (DBE) NMR-spektroskopia Avaruusrakenne eli konformaatio (3D-rakenne) Miten atomit ovat liittyneet toisiinsa (2D-rakenne) 4

1. Johdanto 1.2 Molekyylin kaksi- ja kolmiulotteinen rakenne 2D-rakenne kuvaa sitä, miten ja missä järjestyksessä yhdisteen atomit liittyvät toisiinsa Konformaatiosta (3D rakenne) näkyy molekyylin muoto Ei käy ilmi molekyylin todellinen muoto 3D-rakenne vaikuttaa molekyylien ominaisuuksiin Lääkeaineet O N N C 2 C 3 Orgaaninen syntetiikka Molekyylin reaktiivisuus Ympäristömyrkyt Yhdisteen käyttäytyminen luonnossa ja myrkyllisyys Tietty rakenne voi toimia tehokkaana lääkkeenä Samanlaisen yhdisteen toisenlainen isomeeri saattaa olla terveydelle vahingollinen 5

1. Johdanto 1.3 Sähkömagneettinen säteily Kvanttimekaniikka: sähkömagneettinen säteily koostuu diskreeteistä energiapaketeista, eli fotoneista Oskilloiva magneettikenttäkomponentti M Klassinen esitys http://www.chem.ufl.edu/~chm2040/notes/chapter_9/electromagnetic.html Oskilloiva sähkökenttäkomponentti E 6

1. Johdanto 1.3 Sähkömagneettinen säteily Aallonpituus Kahden perättäisen aallon vastinpisteiden välinen etäisyys Amplitudi Fotonin energia E riippuu sen taajuudesta Taajuus eli frekvenssi [z] eli [s -1 ] Aallon huipun korkeus tai pohjan syvyys Aaltojen lukumäärä, joka ohittaa tietyn pisteen sekunnissa E = h hc / missä h = Planckin vakio (6,62618 x 10-34 Js) ja c = valon nopeus (2,99792 x 10 8 m s -1 ) 7

1. Johdanto 1.4 Molekyylin kokonaisenergia Elektroniset energiat Molekyylin kokonaisenergia Kvantittuneita Spektroskopisesti tärkeitä energiamuotoja Värähtelyenergia Pyörimisenergia Kineettinen energia (eteneminen avaruudessa eli translaatio) Ei ole kvantittunut Ei näy spektroskopisissa mittauksissa 8

1. Johdanto 1.4 Sähkömagneettisen säteilyn spektri Fotonit voidaan ryhmitellä niiden energian perusteella sähkömagneettisen spektrin eri alueille Molekyylin energiamuodot pyöriminen värähtely elektronit http://laxmi.nuc.ucla.edu:8248/m248_98/iphysics/spectrum.html 9

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) Molekyylien rakenteita voidaan tutkia erilaisten spektroskopioiden avulla Spektroskopiassa mitataan kahden kvantittuneen tilan välisen siirtymän aiheuttamaa sähkömagneettisen säteilyn emissiota tai absorptiota Molekyylin siirtyessä tilasta E 2 (korkea energia) tilaan E 1 (matala energia) vapautuu kvantin h verran sähkömagneettista säteilyä, jolla on taajuus Absorptio Emissio Vangitsemalla säteilyä kvantin h verran molekyyli voi siirtyä alemmasta energiatilasta E 1 korkeampaan energiatilaan E 2 10

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) E Molekyyli absorboi fotonin vain jos fotonin energia vastaa täsmälleen molekyylin kahden tilan välistä energiaeroa E E 2 E = E 2 E 1 = h E 1 11

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) Aallonpituus tai taajuus,jossa absorptio tapahtuu Virittymiseen liittyvä energia Absorption intensiteetti Absorboivan systeemin konsentraatio Absorption intensiteetti Energiatilojen välisen siirtymän helppous E 4 E 8 E 3 E 2 1. viritetty tila E 1 E 2 E 3 E 4 E 8 Perustila Taajuus kasvaa Aallonpituus lyhenee Energia kasvaa 12

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) 1.5.1 Spektroskopioiden ryhmittely tutkittavan energiamuodon mukaan 1. Elektroniset spektroskopiat Röntgen- ja UV-säteily sekä näkyvä valo Spektri syntyy, kun molekyylin kokonaisenergia muuttuu elektronien uudelleenjärjestäytymisen seurauksena Värähdys- ja pyörimisenergian muutokset näkyvät spektrin hienorakenteena 13

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) 1.5.1 Spektroskopioiden ryhmittely tutkittavan energiamuodon mukaan Infrapunasäteily 2. Infrapunaspektroskopia 3. Raman spektroskopia Näkyvä valo ja UV-säteily Spektri syntyy, kun molekyylin värähdysenergia muuttuu Molekyylejä viritetään esim. laserilla ja mitataan sironnutta valoa Pyörimisenergian muutokset näkyvät spektrin hienorakenteena 14

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) 1.5.1 Spektroskopioiden ryhmittely tutkittavan energiamuodon mukaan 4. Mikroaaltospektroskopia Mikroaaltosäteily 5. NMRspektroskopia Radioaallot Spektri syntyy, kun molekyylin pyörimisenergia muuttuu Molekyyli on sijoitettuna ulkoiseen magneettikenttään Spektri syntyy, kun ydinten spintilat muuttuvat 15

1. Johdanto 1.5 Spektroskopia (spektrometria) 1.5.2 Massaspektrometria Toisin kuin edellä mainitut spektroskopiset menetelmät, massaspektrometria ei perustu sähkömagneettisen säteilyn absorptioon Massaspektrometria perustuu ionien tuottamiseen neutraaleista yhdisteistä Ionien uni- tai bimolekulaaristen reaktioiden tutkimista Massaspektrometri on pohjimmiltaan pitkälle kehittynyt punnituslaite (vaaka) Käytetään ensisijaisesti molekyylien massan määrittämiseen 16

1. Johdanto 1.6 Molekyylikaavan antama esi-informaatio rakenteesta Tyydyttymättömyysaste (TA) (Double Bond Equivalent (DBE)) [(2n 4 + 2) (n 1 n 3 )] / 2 = n 4 + (n 3 / 2) (n 1 / 2) + 1 n 4 = neliarvoisten atomien lukumäärä molekyylissä (C) n 3 = kolmi... (N, kolmiarvoinen P) {n 2 = kaksi... (=O, -S- jne.)} n 1 = yksi... (-, Cl-, Br- jne.) [(2C + 2) X + N] / 2 Yhtälöä ei voida soveltaa semipolaarisiin sidoksiin eikä suolojen molekyylikaavoihin 17

1. Johdanto 1.6 Molekyylikaavan antama esi-informaatio rakenteesta Esim. C 3 6 O TA = [(2 x 3 + 2) 6] / 2 = 1 TA = 4 (kolme kaksoisidosta + rengas) Yhdisteellä on joko yksi kaksoissidos tai yksi rengas TA = 2 O O O O O 18

2. Massaspektrometria 2.1 Yleistä Massaspektrometriassa näytemolekyyleistä muodostetaan ioneja jollain sopivalla menetelmällä Ionit erotetaan toisistaan niiden massa/varaussuhteen (m/z) perusteella Tämän jälkeen ionit havaitaan kvalitatiivisesti sekä kvantitatiivisesti massa/varaussuhteen ja esiintymisrunsauden perusteella 19

2. Massaspektrometria 2.1 Yleistä Taulukko 1. Eräitä massaspektrometrian sovellutuksia Sovellutus Näytteet Menetelmät Kommentti Molekyylipainon määrittäminen Puhtaat yhdisteet, seokset Tunnista kokonainen molekyyli-ioni Tuloksen vahvistamiseen useita menetelmiä Molekyylikaavan määrittäminen Tavallisesti puhtaat yhdisteet Molekyyli-ionin korkean erotuskyvyn (R) mittaus R-Mittaus yksin antaa harvoin yhden molekyylikaavan Molekyylin rakenteen määrittäminen Puhtaat yhdisteet tai seokset käyttäen LC/MS, GC/MS ja MS/MS Spektri rakennekorrelaatiot; spektrikirjastovertailut Epäillyn rakenteen vahvistaminen on tavallista; täysin tuntemattoman harvinaista Sekvensointi Proteiinit, muut biopolymeerit Tandem-massaspektrometria (MS/MS) erkkä, erittäin nopea ja yhä hyödyllisempi Isotooppitutkimukset Merkatut yhdisteet Ionien runsauden mittaus Tarkat isotooppisuhteiden mittaukset vaativat erityiset laitteistot 20

2. Massaspektrometria 2.2 Massaspektrometri 2.2.1 Massaspektrometrin toiminnot Näytteen syöttö Näytteen ionisointi Ionien erottaminen Ionien havaitseminen Suorasyöttö Kromatografi Kuumennettava säiliö Elektroni-ionisaatio (EI) Kemiallinen ionisaatio (CI) Nopeat atomit (FAB) Laserdesorptio/ionisointi (MALDI) Elektrosprayionisaatio (ESI) Magneettinen sektori Kvadrupolimassasuodatin Kvadrupoli-ioniansa Lentoaika (TOF) Orbitrap Ionisyklotroniresonanssi (ICR) Elektronimonistin Mikrokanavalevy (MCP) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Massaspektrometriassa toiminnat tapahtuvat yleensä korkeassa vakuumissa Näyte tuhoutuu mittausten yhteydessä ei sovellu eri massan omaavien näytteiden erotteluun yvänä puolena on laitteen erittäin suuri herkkyys (jopa ng-luokkaa) 21

2. Massaspektrometria 2.2 Massaspektrometri 2.2.2 Massa-analyysin kulku Näytteen ionisointi Massaspektri Ionien erottaminen Ionien havaitseminen Suhteellinen runsaus [%] Ionien molekyylipainot [m/z] 22

2. Massaspektrometria 2.3 Näytteen sisäänvienti Taulukko 2. Näytteen sisäänvientimenetelmiä Näytteen Näytetyyppi Näytemäärä Ominaisuuksia Ionisointisyöttömenetelmä menetelmä Säiliö (batch) Kaasut, nesteet, matalalla sulavat kiinteät < 1 mg Tasainen näytevirta kauan EI, CI Suorasyöttöprobe eikosti haihtuvat nesteet ja kiinteät < 1 g Näytevirta riippuu lämpötilasta EI, CI, FAB Kaasukromatografi (GC) Liuoksessa olevat seokset < 1 g aihtuville, termostabiileille EI, CI Nestekromatografi (LC) Liuoksessa olevat seokset < 1 ng/ l eikommin haihtuvat ESI, EI, CI Suora infuusio Liuoksessa olevat puhtaat yhdisteet < 1 ng/ l eikommin haihtuvat ESI 23

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmiä Voidaan valita minkä tyyppisiä ioneja halutaan: positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita radikaalikationeja, protonoituja molekyylejä jne... Voidaan myös valita kuinka paljon ioneja on viritetty, eli kuinka paljon sisäistä energiaa niillä on Sisäisesti viritetyt ionit voivat dissosioitua ja tuottaa pilkeioneja (fragmentti-ioneja) antavat tietoa molekyylin rakenteesta EI:tä lukuunottamatta menetelmät pystyvät tuottamaan sekä positiivisia että negatiivisia ioneja Kokonaiset molekyylit antavat yhdisteen molekyylipainon Massaspektrometrin sydän on ionilähde, missä ionisaatio ja sitä seuraavat reaktiot tapahtuvat Reaktiot ovat joko bimolekulaarisia ioni/molekyylireaktioita (ionit ja neutraalit molekyylit törmäävät) tai unimolekulaarisia prosesseja, joissa energeettiset ionit hajoavat spontaanisti 24

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmiä Taulukko 3. Ionisointimenetelmiä Ionisointimenetelmä Ionisoiva tekijä Tyypillinen ioni * Elektroni-ionisaatio (EI) Elektronit M + Kemiallinen ionisaatio (CI) Kaasumaiset ionit [M + ] +, [M ] -, jne Nopeilla atomeilla pommittaminen (FAB) Suurienergiset atomit [M + ] +, [M ] -, [M + Na] +, jne Matriisiavusteinen laserdesorptio/ionisaatio (MALDI) Laservalo [M + ] +, [M ] -, [M + Na] +, jne... Elektrosprayionisaatio (ESI) Sähkökenttä, lämpö [M + ] +, [M ] -, [M + Na] +, [M + n] n+, jne * Syntyy yleensä useamman kuin yhden tyyppisiä ioneja (riippuu olosuhteista); M = koskematon analyytti 25

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.1 Elektroni-ionisaatio (EI) Elektroni-ionisaatiossa näytettä pommitetaan sopivan energian omaavilla elektroneilla Molekyylin tai ionin fragmentoituminen riippuu hiilirungosta ja siinä olevista funktionaalisista ryhmistä Orgaanisen molekyylin ja korkeaenergiaisen elektronin törmäys aiheuttaa elektronin irtoamisen molekyylistä muodostuu orgaaninen ioni Fragmentin massasta ja rakenteesta saadaan tietoa emomolekyylin rakenteesta Ioni pilkkoutuu edelleen pienemmiksi fragmenteiksi, vapaiksi radikaaleiksi ja muiksi ioneiksi Yleensä vain positiivisesti varautuneet ionit detektoidaan e - + C 3 O : : -2e - C 3 O +. : [C 3 O] + Metanolin molekyyli-ioni m/z = 32 [C 3 O] + + [C 2 O] + Kationi m/z = 31 m/z = molekyylin massa/varaussuhde 26

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.1 Elektroni-ionisaatio (EI) Fragmentoitumisreaktioita voi olla useita ja fragmentit voivat hajota edelleen Massaspektrit sisältävät usein lukuisia piikkejä, jotka johtuvat joko radikaalikationeista tai muista kationeista Asetofenonin 70 ev elektroniionisaatio(ei)massaspektri. Fragmentoitumisesta johtuvia piikkejä 77 105 Spektristä saadaan molekyylipaino sekä tietoa yhdisteen rakenteesta. Molekyyliionipiikki O 77 C C 3 105 43 51 -CO -C 3 120 (M + ) NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 27

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.1 Elektroni-ionisaatio (EI) Taulukko 4. EI-Menetelmän etuja ja haittoja Etuja Toistettava menetelmä Tapahtuu huomattavaa pilkkoutumista yvä ionisoitumistehokkuus Ionisaatio ei ole selektiivinen aittoja Muodostuu vain positiivisia ioneja Muodostuu radikaalikationeja Näytteen täytyy olla haihtuva Ionisaatio ei ole selektiivinen Suhteellisen energeettinen menetelmä Seuraus Spektrikirjastot auttavat yhdisteiden tunnistamisessa Saadaan informaatiota molekyylin rakenteesta Menetelmä on herkkä: yksi tuhannesta molekyylistä ionisoituu Kaikki höyrystyvät komponentit ionisoituvat Seuraus Rajoittaa soveltuvuutta joidenkin yhdisteryhmien kohdalla Toisiintumiset mutkistavat spektrejä Rajoittuu yhdisteisiin, joiden M < ~1000 Da Kaikki höyrystyvät molekyylit vaikuttavat spektriin Usein huomattavaa pilkkoutumista: rajoittaa molekyylipainon määrittämistä 28

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.2 Kemiallinen ionisaatio (CI) Kemiallinen ionisaatio (CI) on monipuolisempi ionisointimenetelmä kuin EI Ionisaatio tapahtuu sekundaaristen ionien avulla, jotka on muodostettu reagenssikaasusta EI:llä Tyypillisiä ionisaatioreaktioita: Protonin siirto (yleisin) M + C 5+ [M + ] + + C 4 Varauksen siirto M + Ar + M + + Ar Elektronin sieppaus M + e - (hidas) M - Adduktin muodostus M + TiCl 2+ [M + TiCl 2 ] + Tyyppillisiä reagenssikaasuja ovat mm. vety ( 2 ), metaani (C 4 ), isobutaani (i -C 4 10 ) ja ammoniakki (N 3 ) Näytteen täytyy olla haihtuva Kova ja pehmeä ionisaatio Taulukko 5. CI-Menetelmän ominaisuuksia Rajoittuu näytteisiin, joiden M < ~1200 Da Molekyylipainon määrittäminen tai pilkkoutuminen rakenteellisen informaation saamiseksi CI:ssä voi muodostua monenlaisia ioneja: [M + ] +, [M - ] -, M +, M -, jne... Useita ionisaatioprosesseja Universaalinen tai selektiivinen menetelmä Muodostuu helposti negatiivisia ioneja Mahdollisuus vahvistaa molekyylipaino tai rakennepiirteitä Kumpikin mahdollista, riippuu reagenssikaasun valinnasta Lisäkeino molekyylipainon, rakenteellisiin tai termokemiallisiin mittauksiin 29

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.2 Kemiallinen ionisaatio (CI) Reagenssikaasun (isobutaani ja metaani) vaikutus fenyylipropyyliketonin pilkkoutumiseen CI-olosuhteissa. UOM! Spektrissä nähdään ns. M + 1-piikki eikä molekyylipiikkiä. M + 1-Piikki on yleensä voimakas intensiteetiltään (voimakkampi kuin molekyyli-ionin piikki vastaavan yhdisteen EI-spektrissä), koska muodostunut [M + ] + -ioni ei fragmentoidu helposti soveltuu hyvin molekyylipainomäärityksiin. 30

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.3 Nopeilla atomeilla pommittaminen (FAB) FAB (Fast Atom Bombardment) Tyypillisesti käytetään suorasyöttöprobea, jossa olevaa näytteen ja matriisin seosta pommitetaan suurienergisillä Xe-, Ar- tai Ne-atomeilla Matriisi on vaikeasti haihtuva liuotin, johon näyte on liuotettu Yleisiä matriiseja ovat mm. tioglyseroli ja m -nitrobentsyylialkoholi (NBA) Ensimmäinen rutiinisti käytetty ionisaatiomenetelmä suurimolekyylisille ja/tai poolisille yhdisteille Eräitä FAB-menetelmän ominaisuuksia: soveltuu haihtumattomille ja/tai termolabiileille yhdisteille pehmeä ionisaatiomenetelmä vain vähän sirpaleioneja käytännössä massaraja n. 6000 Da helppo lisätä kationeja ionisaation parantamiseksi ([M + Na] +, [M + K] + ) tuottaa suunnilleen saman määrän positiivisia ja negatiivisia ioneja näyte vahingoittuu vain vähän, koska sitä tutkitaan matriisissa huono herkkyys suurilla massoilla (yleesäkin huonompi herkkyys kuin ESI:ssä tai MALDI:ssa) havaitaan suuren intensiteetin ja stabiilisuuden omaava ionivirta FAB-Spektrien tulkinnassa on otettava huomioon: ionisaatiotekniikasta johtuvat vaikutukset - yleensä positiivisella moodilla poolisille yhdisteille muodostuu [M + ] + ja [M + Na] + - matriisiaineen muodostamat rypäleet - näyteionien muodostamat rypäleet vaikutukset, jotka johtuvat atomien suuresta lukumäärästä 31

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.3 Nopeilla atomeilla pommittaminen (FAB) Erään 6-aminofulveeni-2-aldimiinin FAB-spektri (positiivinen ioni). Matriisina NBA. m/z = 272(68) (M + ), m/z = 273(100) ([M + ] + ), m/z = 271(10) ([M - ] - ). N C 6 5 N C6 5 http://arkat-usa.org/ark/journal/volume1/ Part6/General/0-076A/0079.pdf 32

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.4 Matriisiavusteinen laserdesorptio/ionisaatio (MALDI) MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization) MALDI:ssa käytetään kiinteää matriisia ja ionisaatio saadaan aikaiseksi lasersäteilyllä Kuten FAB:ssä, matriisin rooli on erittäin tärkeä ja sen tulee absorboida valoa käytetyn laserin aallonpituudella MALDI:n yleisiä ominaisuuksia: Yleisiä matriisiaineita ovat mm. nikotiinihappo, kanelihappo ja -syano-4-hydroksikanelihappo Taulukko 6. MALDI:n etuja ja haittoja Etuja Massalukualue käytännössä yli 300 000 Da erkkä tyypillisesti muodostuu [M + ] +, [M + Na] +, [M + K] +, [M + A] +, missä A on jokin addukti (esim. matriisi tai muu molekyyli) erittäin herkkä tekniikka nopea, soveltuu hyvin molekyylipainon määrittämiseen tuottaa pääasiallisesti yhdesti varautuneita ioneja massa-alue n. 1000-300 000 Da, matriisi voi haitata massa-alueella < 1000 Da poolittomien yhdisteiden ionisointi suhteellisen vaikeaa sietää ESI:ä paremmin biologisille näytteille tyypillisiä suoloja ja puskureita soveltuu myös ESI:ä paremmin monimutkaisten seosten analysoimiseen voidaan analysoida usean tyyppisiä molekyylejä: peptidit, proteiinit, porfyriinit, oligosakkaridit, oligonukleotidit, aromaattiset polyesteridendrimeerit ja orgaaniset synteettiset polymeerit Pehmeä Sietää suoloja aittoja Matala resoluutio Matriisista aiheutuva tausta Mahdollisuus fotohajoamiseen Kvantitointi ei ole mahdollista 33

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.4 Matriisiavusteinen laserdesorptio/ionisaatio (MALDI) Erään suuren biomolekyylin MALDI-spektri. Typpilaser (355 nm), matriisina -syano- 4-hydroksikanelihappo. 34

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.5 Elektrosprayionisaatio (ESI) ESI (ElectroSpray Ionization) Sähkösumutus on normaalipaineessa tapahtuva ionisaatiotekniikka (API = Atmospheric Pressure Ionization) Näyte liuoksessa Varattu aerosoli Näyteionit Massa-analyysi Normaalipaine Vakuumi LC N 2 [M + n] n+ Ionien muodostuminen ESI:ssä: Näyteliuos johdetaan kapillaarin läpi, joka on 3-4 kv potentiaalissa muodostuu hienojakoinen suihku suuresti varautuneita pisaroita pisarat kuivataan käyttämällä kuivauskaasua ja lämpöä pisaroiden koko pienenee varausten välinen poistovoima kasvaa yli pintajännityksen aiheuttaman voiman alkaa muodostua yksittäisiä ioneja + + + M + M + + + + + + + + + + + + M + + M 35

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.5 Elektrosprayionisaatio (ESI) Eräitä ESI:n ominaisuuksia: tyypillisesti muodostuu seuraavanlaisia ioneja: - pos. moodi: [M + ] +, [M + Na] +, [M + K] +, [M + liuotin + ] +, [M + liuotin + Na] +,... - neg. moodi: [M ] -, [M anioni] -,... muodostaa helposti moninkertaisesti varautuneita ioneja [M + n] n+ laajentaa spektrometrin massa-aluetta näytetyypit: - ioniset yhdisteet, joilla on varaus liuoksessa - neutraalit/polaariset yhdisteet, jotka protonoituvat (pos. moodi) tai deprotonoituvat (neg. moodi) käytetyissä liuotinolosuhteissa - ei-polaariset yhdisteet, jotka hapettuvat (pos. moodi) tai pelkistyvät (neg. moodi) elektrospraykapillaarin kärjessä - ei sovellu ei-polaarisille yhdisteille, jotka eivät hapetu/pelkisty kapillaarin kärjessä ionisoituminen tapahtuu suoraan liuoksesta voidaan tutkia ionisia ja termisesti labiileja yhdisteitä pehmeä menetelmä muodostaa vain vähän fragmentteja ei matriisivaikutusta kuten MALDI:ssa voidaan tutkia pieniäkin yhdisteitä (< 1000 Da) käytännössä massaraja n. 85 000 Da näytteensyöttömenetelmänä esim. LC, CZE tai suora infuusio tutkittavan analyytin lisäksi muutkin näytteessä olevat polaariset/ioniset yhdisteet saatavat ionisoitua paras herkkyys saavutetaan, jos näyte sisältää vain tutkittavaa yhdistettä näytteessä olevat elektrolyytit kilpailevat varauksista heikentää tutkittavan analyytin ionisoitumista 36

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.5 Elektrosprayionisaatio (ESI) Leusiinienkefaliini (asetaattisuola) C 28 37 N 5 O 7 ESI-spektri (pos. moodi). [M + ] + -ionin laskettu m/z = 556.2771. LeuEnk_020107, W+ LeuEnk_020107 53 (0.981) Cm (27:53) 100 LCT Premier [M + ] + 02-Jan-2007 10:45:21 TOF MS ES+ 1.01e4 % 552 553 554 555 556 557 558 559 560 561 562 563 0 m/z 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 37

2. Massaspektrometria 2.4 Ionisointimenetelmät 2.4.5 Elektrosprayionisaatio (ESI) Sytokromi c :n (molekyylipaino n. 12 360 Da) ESI-spektri. (a) Alhainen resoluutio, (b) korkean resoluution spektri kapealta alueelta. Spektrissä (a) näkyvät varaustilat 10-16 ([M + 10] 10+ - ([M + 16] 16+ ). Spektristä (b) saadaan yhden varaustilan isotooppikoostumus (ionien varaus 15+). 38

2. Massaspektrometria 2.5 Massa-analysaattorit 2.5.1 Sektorilaitteet Sektorilaitteet ovat nykyään ns. kaksoisfokusoivia laitteita, joissa on sekä magneettinen että sähköinen analysaattori Magneettikenttä toimii varsinaisena massa-analysaattorina; sähkökenttä on energia-analysaattori Sähkökenttä on ennen magnettikenttää normaalin geometrian laite (kuvassa); magneettikenttä ennen sähkökenttää käännetyn geometrian laite Sektorilaitteiden ominaisuuksia: suhteellisen suuri massalukualue (sitä suurempi mitä vahvempi B ) hyvä resoluutio ja tarkan massan määrityskyky erinomainen herkkyys = erinomainen ionien läpäisykyky kohtuullisen hyvä pyyhkäisynopeus dynaaminen alue hyvä (pienin määrä ainetta, joka voidaan havaita muiden runsaiden yhdisteiden joukosta) kokeellisesti ei kovin vaikea hallita kalliita isoja m/z = B 2 r 2 /2V missä m = ionin massa, z = ionin varaus, B = ionin kokeman magneettivuon tiheys, r = magneettikentän säde ja V = kiihdytysjännite. 39

2. Massaspektrometria 2.5 Massa-analysaattorit 2.5.2 Kvadrupolilaitteet Kvadrupolilaitteen ominaisuuksia magneettilaitteeseen verrattuna: http://ms.mc.vanderbilt.edu/tutorials/ms/ms.htm neljä sauvaa vierekkäisillä sauvoilla vastakkainen polaarisuus kussakin sauvassa sekä tasavirta että vaihtovirta (radiotaajuus) Kvadrupolilaitteissa ionit kiihdytetään muutaman ev:n jännitteellä (tyypillisesti 2-20 ev). Ionit kulkevat mutkikasta rataa laitteen läpi. Vain yksi ioni pääsee kerralla läpi. Ionin kulkureitti riippuu ainoastaan sen m/z-arvosta, ei nopeudesta todellinen massasuodatin. halvempi kevyitä ja kompakteja yksinkertaisempi, helppo automatisoida, vain jännitettä muutetaan sietää korkeampaa painetta suuri pyyhkäisynopeus lineaarinen massalukualue nopea massaluvusta toiseen siirtyminen helppo tietokoneohjattavuus helppo mitata negatiivisia ioneja positiivisia ja negatiivisia ioneja voidaan mitata samanaikaisesti korkein saavutettavissa oleva resoluutio alempi massa-alue pienempi (m/z 10 4000) ei voida havaita metastabiileja ioneja massadiskriminaatio korkeilla massaluvuilla 40

2. Massaspektrometria 2.5 Massa-analysaattorit 2.5.3 Kvadrupoli-ioniloukut http://ms.mc.vanderbilt.edu/tutorials/ms/ms.htm Kvadrupoli-ioniloukut ovat kuten edellä mainitut kvadrupolilaitteet, paitsi: ionit säilyvät analysaattorissa melko pitkiä aikoja; niitä ei poisteta ennenkuin ne ovat valmiita detektoitaviksi (kolmiulotteinen kvadrupolikenttä) koostuvat kolmesta elektrodista (rengaselektrodi ja kaksi päätyelektrodia) käytetään yleensä heliumia puskurikaasuna (10-3 -10-5 torr) hidastamaan ionien liikettä törmäykset johtavat impulssin menetykseen aiheuttaen ionien siirtymisen loukun keskelle, missä sähkökenttä on vähemmän homogeeninen 41

2. Massaspektrometria 2.5 Massa-analysaattorit 2.5.4 Lentoaika-analysaattorit (TOF) TOF (Time Of Flight) on yksinkertaisin massa-analysaattori ainoa sähkökenttä on kiihdytykseen käytetty kenttä Ionilähteessä muodostuneet ionit emittoidaan nopeasti analysaattoriin, kiihdytetään mahdollisimman yhtäaikaisesti ja mitataan niiden saapumisaika detektorille Mitä pienempi massa, sitä suurempi nopeus http://pubs.acs.org/hotartcl/ac/98/jul/5176-jul01.report2-1t.html Mittaus koostuu sykleistä, jotka sisältävät ionien tuottamisen, kiihdyttämisen ja havaitsemisen Taulukko 7. TOF:n etuja ja haittoja Etuja Yksinkertainen ja kompakti alpa Pulssitettu koejärjestely, kaikki ionit havaitaan lähes samanaikaisesti, hyvä siirtotehokkuus suuri herkkyys, erittäin nopea Laaja massalukualue (teoriassa ääretön) yvä resoluutio ja tarkan massan määrityskyky aittoja Dynaaminen alue ei välttämättä hyvä Kvantitointi ei hyvä 42

2. Massaspektrometria 2.5 Massa-analysaattorit 2.5.5 Orbitrap ja Fourier-muunnosionisyklotroniresonanssi (FTICR) Orbitrap: ionit liikkuvat ympyräradoilla sähkökentässä FTICR: ionit liikkuvat ympyräradoilla magneettikentässä Ionit kulkevat ympyrärataa ja ne havaitaan mittaamalla niiden kuuntelulevyihin indusoima virta. Tuloksena on FID (Free Induction Decay)- signaali, josta saadaan massaspektri Fouriermuunnoksen (FT) kautta. Orbitrapin ja FTICR:n ominaisuuksia: molemmilla erittäin suuri resoluutio ja massatarkkuus FTICR: kallis ostaa ja ylläpitää (kryonesteet, suprajohtava magneetti); suuri koko Orbitrap: halpa hankintahinta ja edullinen ylläpitää; olemassa sekä pöydälle että lattialle sijoitettavia malleja Orbitrap FTICR FT Massaspektri http://upload.wikimedia.org/wikipedia/ commons/8/8a/orbitrappe.png http://www.chem.vt.edu/ chem-ed/ms/ftms.html 43

2. Massaspektrometria 2.6 Ionien detektointi Ionit ovat positiivisesti tai negatiivisesti varautuneita hiukkasia, joiden nopeus useimmissa massaspektrometreissa on ~200 km s -1 Ioneilla on suuri kineettinen energia fysikaalisen esteen kohdatessaan ne kaivautuvat pinnan alle vapauttaen sekä elektroneja että ioneja Ionien tulo detektorille voidaan tunnistaa niiden primaarisista vaikutuksista (varauksien purkautuminen, joka johtaa elektronivirtaan) tai sekundaarisista vaikutuksista (sekundaarinen elektronien vapautuminen) Massaspektri kuvaa todellisuudessa jännitettä ajan funktiona 44

2. Massaspektrometria 2.6 Ionien detektointi 2.6.1 Elektronimonistin Elektronimonistin koostuu tyypillisesti 11-13 elektrodista (dynodista) Ionit Yksi ioni sisään 20 V 40 V 80 V 120 V Ionien törmäys elektrodiin aikaansaa elektronisuihkun, joka kiihdytetään kohti seuraavaa elektrodia, josta taas irtoaa elektroneja jne... 60 V 160 V 100 V 140 V 10 6 ionia ulos Signaali vahvistetaan ja siirretään tietokoneelle 45

2. Massaspektrometria 2.6 Ionien detektointi 2.6.2 Mikrokanavalevy (MCP) http://hea-www.harvard.edu/rc/mcp/fmcp.gif 46

2. Massaspektrometria 2.7 Massaspektrin esittäminen Massaspektri esitetään joko taulukkomuodossa tai graafisesti Graafisen esityksen etuna on fragmentoitumisen helppo havaitseminen Taulukkoesitys: Piikkien korkeudet mitataan ja korkein valitaan peruspiikiksi (base peak) edustaen arvoa 100. Muiden piikkien korkeus ilmoitetaan prosenteissa peruspiikistä. Piikkien korkeus on suoraan verrannollinen ionien lukumäärään. m/z % 148 (M + ) 8 120 7 105 100 77 66 51 28 27 20 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 47

2. Massaspektrometria 2.7 Massaspektrin esittäminen Massasignaali voidaan esittää joko jatkuvassa (continuum) A tai keskitetyssä (centered) B muodossa. A B 555 556 557 558 559 560 561 555 556 557 558 559 560 561 48

2. Massaspektrometria 2.8 Resoluutio ja tarkkuus Resoluutiolla (erotuskyvyllä) tarkoitetaan massaspektrometrin kykyä erottaa eri m/z-arvolla olevia ioneja toisistaan Mitä suurempi resoluutio, sitä paremmin ionit erottuvat toisistaan Resoluutio: matala 100-1000 keskisuuri 1000-10 000 suuri > 10 000 Useimpien ionien massat poikkeavat hieman kokonaislukuarvosta. Esim. asetonin molekyyli-ionin m/z = 58 ja tarkka massa 58.0418. Sovellutuksesta riippuu miten tarkasti massat on tunnettava ja massaspektrometrin resoluutio säädetään tämän mukaisesti. Yksikköresoluutio = massaspektrin kaksi vierekkäisillä kokonaisilla massaluvuilla olevaa piikkiä erottuvat ilman merkittävää päällekäisyyttä Matalalla resoluutiolla M = 1 ja korkealla M < 1, eli kahdella ionilla on sama nimellinen massa, mutta eri tarkka massa (resoluution numeerinen arvo M/ M on tarkennettava piikkien erottumista kuvaavalla luvulla) Resoluution numeerinen arvo määritellään: R = M/ M missä M ja M + M ovat kaksi vierekkäisillä massaluvuilla olevaa piikkiä 49

2. Massaspektrometria 2.8 Resoluutio ja tarkkuus 10% laakson määritelmä: Piikkien välisen laakson korkeuden pitää olla alle 10% piikkien korkeudesta. (h/) x 100 = 10 (R = M 1 / M). M 1 M 2 Resoluutio voidaan määritellä myös piikin leveyteen perustuen: Massan M omaavien ionien aikaansaamalle yksittäiselle piikille resoluutio voidaan ilmaista suhteena M/ M, missä M on piikin leveys tietyllä korkeudella. h = 50%, 5% tai 0.5% (R = M/ M). M 10% h h M M 50

2. Massaspektrometria 2.8 Resoluutio ja tarkkuus Runsain massa Massaspektrometrin resoluutiosta riippuu, millä tavalla yhdisteiden massat lasketaan. C O50S 153 224 N 42 O 50 S 3483.6074 3482.5996 Keskimääräinen massa monoisotooppinen massa = tarkka massa, runsaimpien isotooppien massat keskimääräinen massa, kaikkien isotooppien painotetut keskiarvot (tällä yleensä lasketaan molekyylipaino) nominaalinen massa, kaikki atomit kokonaislukuna Monoisotooppinen massa 3484.6074 Yhdistelmiä, joiden nominaalinen massa on 122: Molekyylikaava: C 9 14 C 7 10 N 2 C 8 10 O Tarkka massa: 122.1096 122.0845 122.0732 Molekyylikaava: C 7 6 O 2 C 4 10 O 4 C 4 10 S 2 Tarkka massa: 122.0368 122.0579 122.0225 Nominaalinen massa 3481.5996 3485.6074 3486.6152 Mikä täytyy MS:n resoluutio olla, jotta C 9 14 ja C 7 10 N 2 voidaan erottaa toisistaan? 3487.6152 R = M/ M = 122/(122.1096-122.0845) = 4861 5000 3480 3482 3484 3486 3488 51

2. Massaspektrometria 2.8 Resoluutio ja tarkkuus Tarkkuus: kuinka tarkkoja massoja massaspektrometri pystyy antamaan M = M mitattu M laskettu M (ppm) = (M mitattu M laskettu )/M laskettu x 10 6 Tarkkuus ja resoluutio kulkevat käsi kädessä alhaisen resoluution instrumentti ei pysty antamaan tarkkoja massoja Esim. leusiinienkefaliini C 28 37 N 5 O 7 [M + ] + -ioni: M mitattu = 556.2777, M laskettu = 556.2771 M (ppm) = 556.2777 556.2771/556.2771 x 10 6 = 1.1 ppm Massatarkkuudella 10 ppm (ytimet C,, N, O) saadaan 24 ehdotusta molekyykaavaksi. Massatarkkuudella 5 ppm saadaan 12 vaihtoehtoa ja tarkkuudella 1.5 ppm enää 4 vaihtoehtoa. Esim. ACS:n julkaisut vaativat, että massat on mitattu vähintään 5 ppm tarkkuudella. 52

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen Jatkossa käsitellään massaspektrien tulkintaa olettaen, että ionisoituminen on tapahtunut EI-menetelmällä 2.9.1 Isotooppipiikit Bentsamidin (C 7 7 NO) molekyyli-ionin m/z = 121, eli atomien runsaimpien isotooppien painojen kokonaislukujen summa: O (7 x 12 C = 84) + (7 x 1 = 7) + (1 x 14 N = 14) + (1 x 16 O = 16) Useilla atomeilla esiintyy myös vähemmän runsaita isotooppeja, jotka antavat massaspektrissä ns. isotooppipiikkejä kohdissa M + 1, M + 2 jne... Bentsamidilla M + 1-piikkin intensiteetti on n. 8% molekyyli-ionin piikistä, jolle tässä tapauksessa annetaan 100%:n intensiteetti (UOM! Todellinen 100%:n piikki on m/z = 77). M + 1-Piikin intensiteetistä vastaavat isotoopit 13 C, 2, 15 N ja 17 O. M + 2-Piikin intensiteetistä vastaa vain 18 O, jonka suhteellinen runsaus on erittäin pieni M + 2-piikkiä ei havaita. Sivulla 55 taulukossa 8 on annettu eräiden alkuaineiden isotooppien suhteelliset esiintymisrunsaudet. N 2 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M M + 1 Jos molekyyli sisältää vain C,, N, O, F, P ja I, voidaan M + 1:n ja M + 2:n intensiteetit arvioida (prosenteissa): %(M + 1) 1.1 x C-atomien lkm. + 0.36 x N-atomien lkm. %(M + 2) [(1.1 x C-atomien lkm.) 2 /200] + 0.20 x O-atomien lkm. Jos molekyylissä on rikkiä tai silikonia, on M + 2-piikki selvästi intensiivisempi: Yksi 34 S 4.40% vaikutus M + 2-piikkiin Yksi 30 Si 3.35% vaikutus M + 2-piikkiin 53

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen 2.9.1 Isotooppipiikit 1. Yhdiste, jossa on yksi klooriatomi, antaa M + 2-piikin, jonka intensiteetti on n. 1/3 molekyyli-ionin intensiteetistä luonnon kloori koostuu 75.78% 35 Cl ja 24.24% 37 Cl. 2. Yhdiste, jossa on yksi bromiatomi, antaa M + 2-piikin, jonka intensiteetti on lähes sama kuin molekyyli-ionin intensiteetti luonnon bromi koostuu 50.70% 79 Br ja 49.30% 81 Br. 3. Yhdiste, jossa on kaksi klooria tai kaksi bromia tai yksi kloori ja yksi bromi antaa M + 2-piikin lisäksi selvän M + 4- piikin (esim. C 2 Cl 2, molekyyli-ioni m/z = 84). 1. 2. 3. 3. C 2 Cl 2 M 3. M + 2 M + 4 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 54

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen 2.9.1 Isotooppipiikit Taulukko 8. Eräiden alkuaineiden isotooppien suhteelliset esiintymisrunsaudet Alkuaine Isotooppi Suhteellinen runsaus iili 12 C 100 Vety 1 100 Typpi 14 N 100 appi 16 O 100 Pii 28 Si 100 Fosfori 31 P 100 Rikki 32 S 100 Fluori 19 F 100 Kloori 35 Cl 100 Bromi 79 Br 100 Jodi 127 I 100 Isotooppi Suhteellinen runsaus 13 C 1.11 2 0.016 15 N 0.38 17 O 0.04 29 Si 5.10 33 S 0.78 Isotooppi Suhteellinen runsaus 18 O 0.20 30 Si 3.35 34 S 4.40 37 Cl 32.5 81 Br 98.0 55

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen 2.9.2 Miten määritän molekyylikaavan alhaisen resoluution spektristä? Yleisiä ohjeita molekyylikaavan määrittämiseksi alhaisen resoluution massaspektristä: 1. Tunnista molekyyli-ioni. Usein suurimman m/z-arvon omaava piikki kuuluu molekyyli-ionille. Jos intensiteetti riittää, voidaan molekyyli-ionia seuraavista isotooppipiikeistä päätellä Br-, Cl- ja S-atomien mahdollinen esiintyminen ja lukumäärä yhdisteessä. Jos molekyyli-ionin m/z-luku on pariton, on yhdisteessä pariton määrä typpi-atomeja. 2. Etsi IR-spektristä funktionaalisia ryhmiä. Tutki massaspektrin fragmentoitumista. 3. Määritä 1 NMR-spektristä protonien lukumäärä integraalien avulla. 4. Laske 13 C-spektristä hiilien lukumäärä. Analysoi DEPT-spektrit (C 3 -, C 2 -ja C-ryhmät). 5. Valitse taulukosta (Appendix A,) edellä saatuun dataan sopivin molekyylikaava kyseisen nominaalisen massan kohdalta. 56

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen 2.9.3 Korkean erotuskyvyn (R) molekyyli-ioni Molekyylikaava voidaan määrittää pelkän massaspektrin avulla, jos mittauksen tarkuus on riittävä korkean erotuskyvyn massaspektrometria (high-resolution, R) Molekyylikaava saadaan taulukosta kyseisen monoisotooppisen massan kohdalta (Appendix A) Tämä on mahdollista, koska ytimien massat eivät ole kokonaislukuja (taulukko 9 s. 58) Alhaisen resoluution massaa 28 (nominaalinen massa) vastaavat seuraavat yhdisteet: CO 12.0000 ( 12 C) + 15.9949 ( 16 O) = 27.9949 N 2 2 x 14.0031 ( 14 N) = 28.0062 C 2 N 12.0000 ( 12 C) + [2 x 1.00783 ( 1 )] + 14.0031 ( 14 N) = 28.0187 C 2 2 [2 x 12.0000 ( 12 C)] + [4 x 1.00783 ( 1 )] = 28.0313 Esim. CO:n molekyyli-ionin massa on hapen ja hiilen runsaimpien isotooppien tarkkojen massojen summa (monoisotooppinen massa). Tämä lukema poikkeaa CO:n molekyylipainosta, joka perustuu kaikkien isotooppien painotettuihin keskiarvoihin (atomipainoihin; esim. C = 12.011 ja O = 15.999). 57

2. Massaspektrometria 2.9 Molekyylikaavan määrittäminen 2.9.3 Korkean erotuskyvyn (R) molekyyli-ioni Taulukko 9. Eräiden isotooppien tarkkoja massoja Alkuaine Atomipaino Ydin Massa Vety 1.00794 1 1.00783 2 (D) 2.01410 iili 12.01115 12 C 12.00000 (std.) 13 C 13.00336 Typpi 14.0067 14 N 14.0031 15 N 15.0001 appi 15.9994 16 O 15.9949 17 O 16.9991 18 O 17.9992 Pii 28.0855 28 Si 27.9769 29 Si 28.9765 30 Si 29.9738 Fosfori 30.9738 31 P 30.9738 Rikki 32.066 32 S 31.9721 33 S 32.9715 34 S 33.9679 Fluori 18.9984 19 F 18.9984 Kloori 35.4527 35 Cl 34.9689 37 Cl 36.9659 Bromi 79.9094 79 Br 78.9183 81 Br 80.9163 Jodi 126.9045 127 I 126.9045 58

2. Massaspektrometria 2.10 Molekyyli-ionin tunnistaminen 1. M + edustaa korkeinta m/z-arvoa spektrissä Poikkeukset: isotoopeista aiheutuvat heikot [M + n] + -piikit ioni-molekyylireaktiot (M + + R [M + 1] + + R ) helposti hajoavilla näytteillä M + on hyvin heikko tai sitä ei näy ollenkaan; korkein m/z-arvo edustaa frgamenttia Typpisääntö: 2. M + on aina radikaalikationi UOM! Fragmentti-ioni voi olla joko radikaalikationi tai parillisen elektronimäärän omaava kationi Jos yhdiste sisältää parillisen määrän typpiatomeja (0, 2, 4,...), sen monoisotooppinen molekyyli-ioni saa parillisen m/z-arvon (kokonaisluku). Jos yhdiste sisältää parittoman määrän typpiatomeja (1, 3, 5,...), sen monoisotooppinen molekyyli-ioni saa parittoman m/z-arvon. Typpiatomeja Yhdiste M + [m/z] 0 asetoni, C 3 6 O 58 1 asetonitriili, C 2 3 N 41 2 urea, C 4 N 2 O 60 Pätee yleisimmille orgaanisessa kemiassa esiintyville ytimille (, C, N, O, S, P, F, Br, Cl, I, B, Si,...). 59

2. Massaspektrometria 2.10 Molekyyli-ionin tunnistaminen Fragmentoituminen: 3. Molekyyli-ionia seuraavaksi alemmalla m/z-arvolla esiintyvä fragmenttipiikki edustaa järkevää, sääntöjen mukaista atomin tai atomiryhmän menetystä M + A + + parillisen elektronimäärän omaava molekyyli tai M + B + + radikaali edelleen A + C + + radikaali A + D + + parillisen elektronimäärän omaava molekyyli B + E + + parillisen elektronimäärän omaava molekyyli mutta ei E + F + + radikaali Ei ole olemassa fragmentteja: M + - (4-14) M + - (21-25) M + -33 M + - (37-38) Even-Electron Rule : [pariton] + [parillinen] + + R [pariton] + [pariton] + + neutraali [parillinen] + [parillinen] + + neutraali [parillinen] + ei [pariton] + + R 60

2. Massaspektrometria 2.11 Metastabiilit ionit Se mitä tapahtuu spektrometrissa tietyn rakenteen omaavalle ionille, voidaan jakaa kolmeen ryhmään A. Ionit (m 1 ) saapuvat detektorille hajoamatta (stabiili-ioni, k < 10 5 s -1 ) C. Ionit (m 1 ) hajoavat kiihdytysvaiheen jälkeen sektoreiden välisessä kenttävapaassa tilassa ioneiksi (m 2 ) (epästabiili-ioni, k > 10 6 s -1 ) B. Ionit (m 1 ) hajoavat ennen kiihdytysvaihetta ioneiksi (m 2 ) ja ne rekisteröidään detektorilla sellaisina (metastabiili-ioni, 10 5 s -1 < k < 10 6 s -1 ) Tapauksessa B. ei todeta piikkiä arvossa m 1 eikä m 2, vaan yleensä saadaan leveä (epämääräinen) piikki, jota kutsutaan metastabiiliksi piikiksi (m * ) Metastabiili piikki esiintyy likimäärin arvossa m * = m 22 /m 1 Metastabiilien ionien analysoiminen on tärkeää silloin, kun pyritään selvittämään tuntemattoman yhdisteen rakennetta m * :n esiintyminen osoittaa m 2 :n syntymisen m 1 :stä m * -Ionien alhainen suhteellinen runsaus johtuu siitä, että ne syntyvät hyvin kapealla hajoamisnopeusvakion alueella: 10 5 s -1 10 6 s -1 61

2. Massaspektrometria 2.12 Ionisoitumistapahtuman lähempi tarkastelu (EI) Kun näytettä pommitetaan elektroneilla, muodostuu positiivinen ioni: M + e - M + + 2e - (molekyyli-ioni) Elektronin poistamiseen tarvitaan tietty minimienergia, joka vaihtelee eri molekyyleillä (yleensä n. 7 15 ev) Molekyylin ionisaatioenergia (IE) EI-Menetelmässä käytetään yleensä 70 ev:n elektronienergioita syntyneillä yhdenarvoisilla positiivisilla ioneilla on melko paljon ylimääräistä energiaa pyrkivät hajoamaan eli fragmentoitumaan edelleen (unimolekulaarinen prosessi) Pehmeä ionisaatio: e - e - M e - M + (Stabiili) Unimolekulaariset hajoamisreaktiot voidaan esittää seuraavasti: Kova ionisaatio: ABC + AB + + C ABC + AB + C + ABC + A + + BC ABC + A + BC + Samanaikaisesti voi olla käynnissä useita hajoamisreaktioita. Syntyneet tuotteet ovat usein epästabiileja ja pyrkivät hajoamaan edelleen. Myös yksinkertaisten sidosten katkeamisen lisäksi tapahtuu monimutkaisempia toisiintumisreaktioita, jolloin useampia sidoksia katkeaa ja syntyy samanaikaisesti. e - M Netto: Kova + Pehmeä e - e - M + * M + Fragmentteja + Fragmentteja 62

2. Massaspektrometria 2.13 Fragmentoitumisen energeettiset edellytykset Elektronit luovuttavat eri energiamääriä molekyylille: a) Ionisaatioenergiaa (IE) vastaavan määrän ~10 ev b) Suurempia määriä (> 10 ev), jolloin elektronit irroittavat molekyylistä sidoselektroneja. Syntyvien molekyyli-ionien saama ylimääräinen energia muuttuu ennen fragmentoitumista termiseksi värähdysenergiaksi molekyylille jää vaihtelevia määriä ylimääräistä sisäistä termistä energiaa: E = E el -IE + E th jossa E el = pommittavan elektronin luovuttama energia ja E th = molekyylin terminen energia ennen ionisointia. Koska paine ionilähteessä on vain n. 10-6 mmg, ei molekyyli-ionien välillä tapahdu energianvaihtoa yhteentörmäysten kautta molekyyli-ioneiksi jäävät ne ionit, joiden alunperin saama energia < E 0 (= molekyyli-ionin helpoimman fragmentoitumisreaktion aktivoimisenergia). Ts. molekyyli-ionin runsaus spektrissä on pieni, kun E 0 on pieni (molekyyli on helposti hajoava). Kun E > E 0, M + voi hajota fragmentoituminen. Toisiintumisreaktiot vaativat vähemmän energiaa kuin yksinkertaisten sidosten katkeaminen. 63

2. Massaspektrometria 2.13 Fragmentoitumisen energeettiset edellytykset 1. M + :n runsaus on suuri, kun helpoin M + :n fragmentointi vaatii korkeaa aktivoitumisenergiaa. Jos M + sisältää heikkoja sidoksia, M + -piikki on heikko tai sitä ei näy ollenkaan. Elektronisuihkun energialla 70 ev: M + vahva (> 30%) M + keskivahva (5% - 30%) M + heikko (0-2%) Ar Konjugoitu dieeni Pitkä alkaaniketju ArF ArBr aarautunut alkaani ArCN ArI tert alifaattinen RO ArN 2 Ar-CO-R tert alifaattinen RBr Ar-C 2 Cl 2. Jos tapahtuu kaksi tai useampia kilpailevaa reaktiota (samasta ionista), aiheuttaa vain se, jolla on alhaisin aktivoitumisenergia, metastabiilin piikin. 3. Jos molekyyli-ionin hajoamisella voidaan olettaa olevan kaksi tai useampaa hajoamistietä, havaitaan alimmalla E 0 :lla syntyvä fragmentti-ioni spektrissä. 64

2. Massaspektrometria 2.14 Merkinnöistä Mikäli mahdollista, on pyrittävä määrittämään positiivisen varauksen paikka molekyylissä ja sen jälkeen yrittää selvittää fragmentoituminen tällaisen ionin avulla Esim. rakenteet A ja B kuvaavat sykloheksadieenin molekyyli-ionia. A on delokalisoitu rakenne, jossa on yksi elektroni vähemmän kuin alkuperäisessä dieenissä sekä elektroni että positiivinen varaus ovat delokalisoituneet -systeemissä. Koska poistettu elektroni on -elektroni, voidaan käyttää ns. valenssisidosrakenteita B ja C, joissa elektroni ja varaus ovat lokalisoituneet käyttökelpoisia kuvattaessa fragmentoitumista. Elektronin lohkaisu voi periaatteessa tapahtua mistä kohdasta molekyyliä tahansa. Voidaan kuitenkin ajatella, että elektroni lohkeaa helpoimmasta paikasta heteroatomista tai tyydyttymättömästä tai aromaattisesta -systeemistä. + + + A B C 65

2. Massaspektrometria 2.14 Merkinnöistä 1. Eräitä fragmentoitumisen kuvaamisessa tarvittavia merkitsemistapoja: 1. eterolyyttinen lohkaisu (kaksisakarainen nuoli) 2. omolyyttinen lohkaisu (yksisakarainen nuoli) 3. Eliminaatio 4. Toisiintuminen 2. 3. + A B A B A B + + A + + B. A + B +. A + + B 4. + + A B A B 66

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.1 Suoraketjuiset ja haarautuneet alkaanit Kun alkaania pommitetaan elektroneilla, syntyy radikaalikationeja (varaus voi esiintyä millä tahansa -sidoksella) Sitten tapahtuu yksinkertaisia fissioita, jolloin syntyy parittomia m/z-fragmentteja Molekyylipiikkin intensiteetti on pieni etenkin haarautuneilla ja pitkäketjuisilla alkaaneilla C 4 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry C 3 Suoraketjuisilla alkaaneilla alkyyliryhmä lähtee molekyylin toisesta päästä ja sen jälkeen seuraa 14:n massayksikön (C 2 ) menetyksiä saadaan ns. homologinen sarja. [M - C 3 ] + -piikki on heikko tai sitä ei näy ollenkaan. Esim. n-heksadekaani. C 5 C 6 C 2 C 7 C 8 C9 M C 10 C 11 C 12 C 13 C + 14 67

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.1 Suoraketjuiset ja haarautuneet alkaanit aarautuneilla alkaaneilla lohkeaminen tapahtuu haarautumiskohdasta. Tämä haarautumiskohta voidaan havaita helposti, koska suosituin lohkeaminen tuottaa suhteellisen vahvoja fragmentti-ioneja. Jos haarautumiskohdassa voi tapahtua erilaisia fissioita, lohkeaa yleensä fragmentti, jolla on suurin massa. Esim. 5-metyylipentadekaani. C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry C 12 C 7 C 8 C 9 C 10 C 15 M + Stevensonin sääntö: Radikaali-ionin hajotessa pariton elektroni jää ensisijassa siihen fragmenttiin (= irtoava radikaali), jolla on suurempi ionisaatioenergia. C 3 C 2 C 2 C 3 > C 3 C 2 C 2 C 3 > C 3 C(C 3 ) 2 Siten ionivaraus jää fragmenttiin, jolla IE on pienempi M + :n pilkkoutuessa haarautumiskohdassa muodostuu pysyvin ioni. Karboniumionin pysyvyys: + CR 3 > + CR 2 > + C 2 R > + C 3 3 2 1 Me AB + A + + B {kun IE (A ) < IE (B )} AB + A + B + 68

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.1 Suoraketjuiset ja haarautuneet alkaanit Alkaanin molekyyli-ionin tai muun radikaaliionin yksinkertaisessa fissiossa tapahtuu -sidoksen katkeaminen Ionisointi tapahtuu tietyssä -sidoksessa ja varaus lokalisoituu tähän -sidokseen, joka sitten katkeaa Toinen mahdollinen fragmentoitumisprosessi on -toisiintuminen (r) R R + R R R C R -e - R C R R + C R R+ C R R R R R 1 2 r R R R + C R + R C R CR 2 + R 2 R R 69

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.2 Asykliset alkeenit Alkeenien molekyylipiikki on yleensä selvästi nähtävissä Fragmentoituminen: Suoraketjuisilla alkeeneilla kaksoisidoksen paikka on vaikea määrittää alkeeniketjussa, koska se fragmentoituu helposti edelleen. C=C -C -C -C C=C-Sidoksen ja -hiilen välinen sidos on vinyylinen sidos - ja -hiilien välinen sidos on allyylisidos Tavallisimmat fissiot alkeeneilla ovat: 1. Allyylikatkeaminen: [R 1 -C 2 C=CR] + eli R 1 + C 2 C CR 1. Allyylisidoksen katkeaminen, eli -katkeaminen (yleisin) 2. McLafferty-toisiintuminen, eli -toisiintuminen (substituoiduilla alkeeneilla) R 1 + + C 2 =C-CR Lisäksi voi esiintyä melko harvinainen vinyylisen sidoksen katkeaminen. 70

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.2 Asykliset alkeenit 2. McLafferty-toisiintuminen: R R' -e - R + R' r R + R' i (= varauskohdan induktiivinen vaikutus) R C 3 + R' R C 3 + R' 71

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.2 Asykliset alkeenit Esim. 3-etyyli-2-metyyli-1-penteeni 55 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry McLaffertytoisiintuminen 41 83 -e - + ELI M + m/z 112 -C 2 5 + + -C 2 4 27 84 M + 112 + Stabiilimpi karbokationi + -C 2 4 + + m/z 83 m/z 55 m/z 84 72

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.3 Sykloalkaanit Esim. metyylisykloheksaani Sykloalkaanien molekyylipiikin intensiteetti on yleensä suurempi kuin alkaaneilla C 3 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 55 [M - C 3 ] + 83 C 3 -e - + C 3 -C 3 + 41 M + 98 M + m/z 98 m/z 83 27 70 -e - TAI + + m/z 70 73

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.4 Sykloalkeenit Molekyylipiikki näkyy yleensä selvästi sykloalkeenien massaspektrissä Syklohekseenin allyylikatkeaminen ( ) ja toisiintuminen (r). NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 67 -e - + + + 54 M + m/z 82 r 39 M + 82 + + 27 -C 3 C 3 m/z 67 Retro-Dields-Alder-tyyppinen fragmentoituminen syklohekseenityyppisille yhdisteille. 1 + 2 6 3 5 4 1 + 6 + 2 3 4 + C 2 =C 2 TAI + C 2 =C 2 + 5 m/z 54 m/z 54 74

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.4 Sykloalkeenit Syklohekseenille ja samantyyppisille yhdisteille voi tapahtua McLafferty-toisiintuminen, jos kaksoisidoksesta lähtevässä sivuketjussa on -vetyatomeja. + + C 2 + C 2 =C 2 Alkyynien massaspektrit ovat hyvin samantapaisia kuin alkeeneilla 75

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.5 Aromaattiset hiilivedyt Aromaattisten hiilivetyjen molekyylipiikit ovat intensiteetiltään suurempia kuin alkaaneilla Alkyylisubstituenttien paikalla ei ole juuri vaikutusta fragmentoitumiseen esim. o -, m - ja p -ksyleenillä on hyvin samankaltaiset massaspektrit Fenyylialkaaneilla esiintyy piikkejä vastaten: C 6 5 (C 2 ) n = m/z 77, 91, 105, 119 Esimerkkimolekyyli propyylibentseeni (spektri s. 77). Tropyliumionin muodostuminen (bentsyylinen katkeaminen): Fenyylikationin muodostuminen (vinyylinen katkeaminen, ei yhtä suosittu kuin bentsyylinen katkeaminen): + -C 2 5 + Tropyliumioni + + -C 3 7 + M + m/z 120 m/z 91 m/z 91 M + m/z 120 m/z 77 McLafferty-toisiintuminen: Substituoidun tropyliumionin muodostuminen: + -C 2 4 M + m/z 120 m/z 92 C 2 + + M + m/z 120 -C 3 C 3 m/z 105 + 76

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.5 Aromaattiset hiilivedyt NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 91 M + 120 77 105 o -Disubstituoiduista areeneista voi eliminoitua neutraaleja fragmentteja: + + 3 C-C 3 C + 2 77

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.6 Asykliset alkoholit 1. O Alkoholien molekyylipiikki on yleensä hyvin heikko Veden lohkeaminen (M + - 18): 1. Terminen tapahtuma, joka tapahtuu ennen ionisoitumista. 2. Vettä voi lohjeta myös ionisoitumisen jälkeen. Vety voi lähteä joko C3:sta tai C4:stä. 3. 1,4-Dehydraatiotuote voi fragmentoitua edelleen. 4. Veden lohkeamiseen liittyy usein myös etyleenin lohkeaminen huomattavan voimakas fragmenttipiikki M + -46:ssa (M + -( 2 O + C 2 =C 2 )). 5. -Katkeamisen seurauksena syntyy oksoniumioni. Epäsymmetriset alkoholit menettävät helpoimmin suurimman alkyyliryhmän. 1 Alkoholit: R 1 ja R 2 = (m/z = 31); 2 alkoholit: R 1 tai R 2 = (m/z = 45, 59, 73,...); 3 alkoholit: R 1 ja R 2 = R (m/z = 59, 73, 87,...). 2. 3. 4. 5. C 3 3 C + C 2 R 1 O C C C 2 O C 2 C 2 C 3 C=C 2 C C 3 C C 2 C 2 C C 3 4 + 2 C 2 + O R - 2 O C C 3 + -C 2 4 [C 2 =C-R] -C 3 M + -46 R 1 + + C 3 CC 2 C 2 + O C + R 2 R 2 78

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.6 Asykliset alkoholit Esim. 1-heksanoli 43 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry (M + -( 2 O + C 2 =C 2 )) 56 O 31 + O + O 2-2 O 69 (M + - 2 O) 84 M + 102 + M + m/z 102 m/z 84 -C 2 4 -C 3 + + + m/z 69 m/z 84 m/z 56 79

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.7 Sykliset alkoholit Syklisillä alkoholeilla veden eliminaatio ja -katkeaminen tapahtuvat kuten asyklisillä alkoholeilla Esim. sykloheksanoli O 57 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry + + O O - 67 82 (M + -) 99 M + 100 M + m/z 100 m/z 99 + + + + O O O C C -C C 3 7 C 2 C 3 O Renkaan koko vaikuttaa vedyn siirrossa (1 radikaali 2 radikaali) esim. syklobutanolilla ja syklo-oktanolilla tapahtuu vedyn siirtymistä vähemmän kuin sykloheksanolilla M + m/z 100 1 hiilessä 2 hiilessä m/z 57 80

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.8 Fenolit Esim. fenoli Fenoleilla on vahva molekyylipiikki ja heikko M - 1-piikki (toisin kuin alkoholeilla) O NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M + 94 O + O + -CO + 66 M + m/z 94 m/z 66 39 65 - + + Jos fenolien sivuketjuissa on -vety, voi tapahtua McLafferty-toisiintuminen m/z 65 81

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.9 Alifaattiset eetterit Alifaattisten eetterien molekyylipiikki on pieni Fragmentoituminen: 1. -Katkeaminen. Epäsymmetrisestä eetteristä voi syntyä kaksi ionia. Kilpailevissa reaktioissa substituoidumpi fragmentti lohkeaa helpommin. Mikäli alkyyliketjun pituus kasvaa, alkaa myös hiilivetyfragmentoitumisen osuus kasvaa. 2. -Katkeamisen jälkeen lohkeaa yleensä neutraali molekyyli muodostuu oksoniumioni. 3. Varauksen indusoima katkeaminen. 1. 2. 3. R' C 2 O C 2 R + 2 C O C 2 C R + + -R' -R -C 2 =CR + R O R' R + OR' + 2 C O C 2 R R' C 2 O C 2 + 2 C=O + 82

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.9 Alifaattiset eetterit Esim. n -butyylieetteri O NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry (M + -C 4 9 O) 57 + 2 C=O 31 (M + -C 3 7 ) 87 M + 130 83

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.10 Aromaattiset eetterit Aromaattisten eettereiden molekyylipiikki on vahva NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M + 108 O C 3 65 78 Esim. anisoli + O C 3 -C3 O + -CO + -C 2 2 C 3 3 + 39 77 93 M + m/z 108 m/z 93 m/z 65 m/z 39 O + -C2 O + - + M + m/z 108 m/z 78 m/z 77 84

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.11 Alifaattiset aldehydit Alifaattisten aldehydien molekyylipiikki on melko heikko M - 1-Piikki on usein lähes yhtä intensiivinen kuin molekyyli-ionin piikki -Katkeaminen: Esimerkkimolekyyli heksanaali (spektri s. 86). O + -C 2 =CO + -Katkeaminen: + O - M + m/z 100 m/z 99 + O M + m/z 100 m/z 57 McLafferty-toisiintuminen: + O -C 5 11 + O + O + O + M + m/z 100 m/z 29 M + m/z 100 m/z 44 85

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.11 Alifaattiset aldehydit 44 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry O Mikäli alifaattisilla, tyydyttyneellä aldehydillä esiintyy peruspiikki (100%) m/z-arvossa 44, ei -asemassa ole sivuketjua. Tämä sääntö pitää paikkansa vain sellaisilla aldehydeillä, joilla on 4-7 hiiliatomia (muutoin ketjun fragmentoituminen voi muodostua tärkeäksi m/z = 44 ei enää ole peruspiikki). Esim. 2- ja 3-metyylibutanaali. 29 57 72 82 (M + -) 99 M + 100 O + M + m/z 86 -C 2 =C 2 + O m/z 58 O + -C 3 -C=C 2 + O M + m/z 86 m/z 44 86

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.12 Alifaattiset ketonit NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry Esim. 2-pentanoni 43 Ketonien molekyylipiikki on yleensä melko vahva O -Katkeaminen. Yleensä suuremman alkyylifragmentin katkeaminen on suositumpi: 44 58 71 M + 86 + O -C 3 + O McLafferty-toisiintuminen: M + m/z 86 m/z 71 + O -C 3 7 + O O r O + + + -C 2 4 O M + m/z 86 m/z 43 M + m/z 86 m/z 58 87

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.12 Alifaattiset ketonit R Ketonien fragmentoituminen saattaa olla 1 C 2 C 2 C 2 monimutkaisempaa kuin aldehydien. Esim ketoni: C O R 2 C 2 C 2 C 2 + R 1 R O O 1 + C 2 C 2 C 2 R 2 C 2 C 2 C 2 R 2 + + EDELLEEN: + O R 2 + O m/z 58 C 2 + R 2 Mikäli kyseessä on dialkyyliketoni, jonka alkyyliryhmät eivät ole samat ja kummassakin on vähintään kolme hiiltä ketjussa, esiintyy spektrissä yleensä kolme parillista massalukua edustavaa toisiintumispiikkiä: 1. McLafferty-toisiintuminen ketjussa R 1 2. McLafferty-toisiintuminen ketjussa R 2 3. Kaksi perättäistä McLafferty-toisiintumista 88

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.13 Aromaattiset ketonit Esim. asetofenoni O NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 105 O + -C 3 + O 77 M + m/z 120 m/z 105 M + 120 + O -CO + m/z 105 m/z 77 89

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.14 Karboksyylihapot Alifaattisten karboksyylihappojen molekyylipiikki on yleensä heikko, kun taas aromaattisilla hapoilla se on vahva Esim. heksaanihappo O O 60 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry [C 3 C 2 C 2 ] + 43 [C 2 C 2 COO] + 73 Karboksyylihapoille tunnusomainen McLaffertytoisiintumisesta johtuva piikki (joskus peruspiikki) esiintyy m/z-arvolla 60: [C 2 C 2 C 2 COO] + 87 M + 116 O O + O O + + M + m/z 116 m/z 60 90

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.15 Esterit -Katkeaminen. Muodostuu ioneja R +, RCO +,, + OR, + OCOR 1 ja R 1+ : Suoraketjuisen, alifaattisen hapon metyyliesterin molekyylipiikki on yleensä melko heikko, mutta havaittava C 3 C 3 C 3 + O C + O C O C OR 1 OR 1 OR 1 3 CCO OR 1 CO C 3 OR 1 + + + + C 3 OCOR 1 + + + + + 3 CCO + McLafferty-toisiintuminen. Metyylioktanoaatin spektrissä (s. 92) peruspiikki m/z-arvolla 74 on seurausta McLafferty-toisiintumisesta: O OR -C 2 4 + O OR + O C 3 C O + R 1 3 CCO 2 + R 1 91

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.15 Esterit Esim. metyylioktanoaatti O O [C 2 =C(O)OC 3 ] + 74 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry [C 2 C 2 CO 2 C 3 ] + 87 [C(C O)OC 3 ] + 59 M + -OC 3 127 M + 158 92

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.16 Alifaattiset amiinit + - 3 C C 2 N C 2 C 3 3 C C 2 N C C 3 M + m/z 73 m/z 72 a) + Amiinien molekyylipiikki on yleensä melko heikko b) -C 3 3 C C 2 N C 2 + -C 2 2 2 N C 2 m/z 58 m/z 30 + + C - 2 3 C C 2 N C 2 C 3 3 C C 2 N M + m/z 73 C 2 + -C 2 2 Esimerkkimolekyyli dietyyliamiini (spektri s. 94). + a) Vetyradikaalin lohkeaminen. b) -Katkeaminen. Suurempi alkyyliryhmä eliminoituu helpommin kuin pienempi ryhmä. C 2 2 N C 2 m/z 44 93

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.16 Alifaattiset amiinit NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry N 30 58 44 M + -1 72 M + 73 94

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.17 Sykliset amiinit + N + N Esim. pyrrolidiini N NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M + m/z 71 -C 2 =C 2 43 - + + N 2 C-N=C 2 m/z 43 M + -1 70 M + 71 m/z 70 42 TAI C 3 + N N + -C 2 5 + 2 C=N=C 2 Syklisillä amiineilla on melko vahva molekyylipiikki ja M-1-piikki m/z 42 95

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.18 Aromaattiset amiinit Esim. aniliini N 2 Aromaattisilla monoamiineilla on voimakas molekyyli-ionin piikki NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M + 93 + + + N 2 N 2 N 2 + N 2 -CN - + + 65 66 M + m/z 93 m/z 66 m/z 65 96

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.19 Amidit + O N 2 -Katkeaminen: -C 3 7 + O C N 2 M + m/z 87 m/z 44 Esim. butaaniamidi O N 2 NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 59 TAI Resonanssistabilointi 44 O + N 2 -C 3 7 + O C N 2 M + m/z 87 m/z 44 McLafferty-toisiintuminen: M + 87 O + + -C O 2 4 N 2 N 2 Alifaattisten amidien molekyylipiikki on yleensä melko heikko M + m/z 87 m/z 59 97

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.19 Amidit Substituoitujen amidien tapauksessa pitää ottaa huomioon seuraava fragmentoituminen: O + 3 C C N C 2 R -R O 3 C C N C 2 + m/z 72 2 N C 2 -C 2 =C=O O + + C N C 2 m/z 30 C 2 m/z 72 98

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.20 Nitriilit -Vedyn lohkeaminen: Esim. butaaninitriili + N - C + N C N + N NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry M + m/z 69 m/z 68 41 McLafferty-toisiintuminen: + N + -C 2 N 4 C C 2 M + m/z 69 m/z 41 + N C C 2 M + -1 68 Alifaattisten nitriilien molekyylipiikki on yleensä liian heikko havaittavaksi -Vedyn lohkeaminen tuottaa heikon, mutta havaittavan M + - 1-piikin 99

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.21 alogeeniyhdisteet Alkyylihalidien molekyylipiikki on yleensä erittäin heikko X:n Eliminaatio: + X C-X-Sidoksen katkeaminen: 2 C 2 C (C 2 ) n C 2 X + (C 2 ) n + C 2 + R C 2 X R C 2 + X + -Katkeaminen: + R C 2 X R C 2 + + X + + R C 2 X 2 C X R + Syrjäyttäminen. Erityisesti alkyyliklorideilla ja -bromideilla, joilla hiiliatomien lukumäärä on yli 5 (C 6 -C 12 ). Voimakas piikki (joskus peruspiikki): Syrjäyttäminen yleisesti: m/z 91 (ja 93) + Cl Cl Br m/z 105 (ja 107) + m/z 135 (ja 137) + (C 2 ) n + X R + (C 2 ) n X + 100

2. Massaspektrometria 2.15 Eri yhdisteryhmien massaspektrit 2.15.21 alogeeniyhdisteet Esim. heptyylikloridi ja -bromidi Cl Br NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry NIST Chemistry WebBook http://webbook.nist.gov/chemistry 91 135 137 93 105 107 M + 148 M + 192 101

3. IR-Spektroskopia 3.1 IR-Spektrometri (spektrofotometri) Dispersiivinen IR (syrjäytynyt) Fouriermuunnos (FT) IR IR-lähde Johtokyky tai pyrosähköinen Detektori Näyte Säteen jakaja Yhdistetty säde ADC Liikkuva peili Tietokone Tulostin Kiinteä peili Michelsonin interferometri 102

3. IR-Spektroskopia 3.1 IR-Spektrometri (spektrofotometri) Interferogrammi Fourier-muunnos IR-spektri 103

3. IR-Spektroskopia 3.1 IR-Spektrometri (spektrofotometri) Absorptioviivojen paikat esitetään yleensä aaltolukuna [cm -1 ] (x-akseli, abskissa) NIR MIR FIR Normaali mittausalue 4000 400 (200) cm -1 = /c = 1 / Absorptioviivojen intensiteetit ilmaistaan yleensä transmittanssin (T ) funktiona (y-akseli, ordinata) Käytetään melko mielivaltaisesti valittuja merkintöjä osoittamaan kunkin absorptioviivan intensiteettiä: s (strong), m (medium) ja w (weak) Esim. s. 103 spektri: ~1000 cm -1 s ~2900 cm -1 m ~1800 cm -1 w 104

3. IR-Spektroskopia 3.2 IR-Näyte Oikea näytetekniikka erittäin tärkeää! Kyvettimateriaalin pitää olla läpinäkyvä halutulla mittausalueella Voidaan mitata kaasuja, nesteitä (myös liuoksia) sekä kiinteitä aineita Taulukko 10. Eräiden IR-spektroskopiassa käytettyjen kyvettimateriaalien ominaisuuksia Materiaali IR läpäisyraja [cm -1 ] Taitekerroin 4000 cm -1 :ssa Liukoisuus veteen [g/100 ml 20 C:ssa] NaCl 650 1.5 36 KCl 500 1.5 35 KBr 400 1.5 53 CsI 150 1.7 80 CaF 2 1100 1.4 0.002 BaF 2 850 1.5 0.1 KRS-5 200 2.4 0.02 ZnSe 650 2.4 Ei liukene Polyetyleeni 50 1.5 Ei liukene 105

3. IR-Spektroskopia 3.2 IR-Näyte 3.2.1 Kaasumaiset näytteet Absorption intensiteetti kasvaa kaasun määrän lisääntyessä 10 cm 100 m kyvetit, joissa esim. NaCl-ikkunat Normaaliin IR-spektrometriin ei mahdu yli 10 cm kyvettiä Detektorin pituutta lisätään kyvetin sisällä olevilla peileillä 106

3. IR-Spektroskopia 3.2 IR-Näyte 3.2.2 Nestemäiset näytteet Kideikkunamenetelmä Kyvettimenetelmät Koottavat ja kiinteät NaCl-kyvetit Tippa näytettä kahden tasomaisen kiteen (esim. KBr) väliin yvä spektri, jossa vähän matriisivaikutusta Käytettävä vedettömiä ja halutulla alueella läpinäkyviä liuottimia Taulukko 11. Eräitä IR-spektroskopiassa käytettyjä liuottimia Liuotin Käyttökelpoiset alueet [cm -1 ] Tyypillinen näytteen paksuus [mm] CS 2 Kaikki paitsi 2200 2100 ja 1600-1400 0.5 CCl 4 Kaikki paitsi 850 700 0.5 CCl 3 Kaikki paitsi 1250 1175 ja alle 820 0.25 Bentseeni Kaikki yli 750 paitsi 3100 3000 0.1 C 2 Cl 2 Kaikki yli 820 paitsi 1300 1200 0.2 Asetoni 2800 1850 ja alle 1100 0.1 Sykloheksaani Alle 2600 0.1 107

3. IR-Spektroskopia 3.2 IR-Näyte 3.2.3 Kiinteät näytteet KBr-tekniikka Mull-tekniikka Näyte jauhetaan vedettömän KBr:n kanssa ja puristetaan tabletti (~2 mg näytettä/200 mg KBr) Näyte öljyssä (liuotin) kahden KBr-ikkunan väliin KBr:n kosteus näkyy tabletin sameutena ja häiritsevänä leveänä piikkinä spektrissä ~3450 cm -1 Näytteen kidekoon oltava pieni (aaltoluvun suuruusluokkaa) 108

3. IR-Spektroskopia 3.2 IR-Näyte 3.2.3 Kiinteät näytteet Filmitekniikka Matriisi-isolaatiotekniikka Näyte liuoksena kiteelle, jonka jälkeen liuotin haihdutetaan pois Kaasumainen näyte ja inertti kaasu sekoitetaan ja seos kiinteytetään jäädyttämällä Yleinen polymeereille Näytemolekyylit matriisissa erillään ja toisistaan riippumattomia Rotaatio eliminoitu 109

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.1 Molekyylin vapausasteet Polyatomisella molekyylillä voi esiintyä useampi kuin yksi värähtelyabsorptio z Absorptioiden lukumäärä riippuu molekyylin ns. vapausasteista x y Koordinaattien määrä, jotka tarvitaan määrittämään molekyylien kaikkien atomien paikat avaruudessa (tässä tapauksessa kolme) Vapausasteiden lukumäärä = 3 (translationaaliset eli siirtymävapausasteet 110

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.1 Molekyylin vapausasteet n-atomisen molekyylin vapausasteiden kokonaismäärä on 3n (translationaalinen, rotationaalinen ja vibrationaalinen) Rotationaalinen vapausaste Translationaalinen vapausaste (kts. s. 110) Molekyylin painopiste liikkuu säteilyssä Molekyyli pyörii painopisteensä kautta käyvän akselin ympäri Kuluu 3 vapausastetta Kuluu 3 vapausastetta 111

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.1 Molekyylin vapausasteet Vibraationaalinen vapausaste Molekyylin värähtely sisältää 3n 6 vapausastetta (kokonaislkm. translationaaliset rotationaaliset) Näitä normaalivärähdyksiä on useita eri tyyppejä, joista tärkeimpiä ovat venytysvärähdykset ja taivutusvärähdykset IR-piikien maksimimäärä Lineaarisella molekyylillä 3n 5 Perusvärähtelyt Molekyylin atomien lukumäärän kasvaessa IR-spektri monimutkaistuu 112

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.2 Valintasääntö IR-säteilyä absorboituu, kun molekyylin dipolimomentissa tapahtuva rytminen muutos (johtuu molekyylivärähtelystä) on vuorovaikutuksessa IR-säteilyn värähtelevän sähköisen vektorin kanssa Ei muutosta dipolimomentissa: Ei IR-aktiivinen B B A B Vain sellaiset värähtelyt, joista aiheutuu rytminen muutos molekyylin dipolimomentissa, voidaan havaita IR-spektroskopiassa Dipolimomentti muuttuu: IR-aktiivinen B C A B 113

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.2 Valintasääntö Jokaista värähdysvapausastetta vastaava absorptio havaitaan IR-spektrissä seuraavin edellytyksin 4. Absorption intensiteetti on riittävän suuri 1. Värähtely aiheuttaa muutoksen molekyylin dipolimomentissa (kts. s. 113) 3. Absorptio tapahtuu rekisteröitävän spektrin alueella (4000 400 cm -1 ) 2. Absorptiosta aiheutuva signaali ei ole jonkin muun signaalin peitossa 114

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.3 Värähdystyypit 115

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.3 Värähdystyypit Venytys Taivutus (tasossa) Taivutus (ei tasossa) + + Symmetrinen venytys ( s ) Symmetrinen saksitaivutus ( s ) Symmetrinen huojunta ( ) + - Epäsymmetrinen venytys ( as ) Epäsymmetrinen keinunta ( ) Epäsymmetrinen vääntyminen ( ) 116

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.4 Veden värähdykset as s s Symmetrinen venytys ( s O) 3652 cm -1 Epäsymmetrinen venytys ( as O) 3756 cm -1 Symmetrinen saksitaivutus ( s O) 1596 cm -1 117

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.5 CO 2 :n värähdykset Ei IR-aktiivinen s Symmetrinen venytys ( s CO 2 ) 1340 cm -1 as Epäsymmetrinen venytys ( as CO 2 ) 2350 cm -1 Saksitaivutus ( s CO 2 ) 666 cm -1 - + - Saksitaivutus ( s CO 2 ) 666 cm -1 118

3. IR-Spektroskopia 3.3 Molekyylivärähtelyt 3.3.6 Muut värähdykset IR-Spektrissä voi näkyä perusvärähtelyjen lisäksi myös muita värähdyksiä Fermin resonassit Ylivärähdykset Kombinaatioabsorptiot a, missä a = 2, 3... (yleensä 2) Piikit aaltoluvuilla x cm -1 ja y cm -1 kombinaatiot aaltoluvuilla (x + y) cm -1 ja (x y) cm -1 Vuorovaikutus perusvärähdyksen ja kombinaation tai perusvärähdyksen ja ylivärähdyksen välillä 119

3. IR-Spektroskopia 3.4 IR-Spektrin jako osa-alueisiin Ryhmäfrekvenssit Sormenjälkialue Johtuvat molekyylien funktionaalisista ryhmistä, kuten O, N ja C=O < 1300 cm -1 Tällä alueella jokaisella molekyylillä on sille tyypillinen absorptiokuvio elpoiten tunnistettavat ryhmäfrekvenssit ovat venytysvärähdyksiä alueella 4000 1500 cm -1 Taivutusvärähdykset löytyvät alueelta < 1500 cm -1 120

3. IR-Spektroskopia 3.4 IR-Spektrin jako osa-alueisiin Taulukko 12. IR-Spektrin jako osa-aluisiin Spektrialue [cm -1 ] Ryhmä Mahdollinen yhdiste 3700 3100 O N Alkoholi, aldehydi, karboksyylihappo Amidi, amiini C Alkyyni 3100 3000 C Aromaattinen yhdiste C 2 C C Alkeeni tai tyydyttämätön rengas 3000 2800 C C 2 C 3 Alifaattinen ryhmä 2800 2600 CO Aldehydi (Fermin dupletti) 2700 2400 PO S P Fosforiyhdiste Merkaptaani ja tioli Fosfiini 2400 2000 C N Nitriili C C Alkyyni (ei ehkä näy symmetrisellä molekyylillä) 1870 1650 C O Aldehydi, ketoni, amidi, esteri, karboksyylihappo, anhydridi, aminohappo, laktoni, kinoni 121

3. IR-Spektroskopia 3.4 IR-Spektrin jako osa-alueisiin Taulukko 12. IR-Spektrin jako osa-aluisiin (jatkoa s. 121) Spektrialue [cm -1 ] Ryhmä Mahdollinen yhdiste 1650 1550 C C, C N, N Tyydyttymätön alifaattinen yhdiste (ei ehkä näy symmetrisellä molekyylillä), aromaattinen yhdiste, amidi, amiini, aminohappo, tyydyttymätön heterosykli 1550 1300 NO 2 Nitroyhdiste 1300 1000 C O C, C O Eetteri, alkoholi S O, P O, C F Rikki-, fosfori- ja fluoriyhdiste 1100 800 Si O, P O Organopii- ja organofosforiyhdiste 1000 650 C Alkeeni ja aromaattinen yhdiste N Alifaattinen amiini 800 400 C X alogeeniyhdiste Aromaattinen rengas Aromaattinen yhdiste 122

3. IR-Spektroskopia 3.5 Normaalit alkaanit 3.5.1 C -Venytysvärähtelyt Alkaanien C -venytykset alueella 3000 2840 cm -1 Metyyli as (C 3 ) 2960 cm -1 (s) s (C 3 ) 2870 cm -1 (s) s (C 2 ) Metyleeni s (C 3 ) as (C 2 ) 2925 ± 10 cm -1 (s) s (C 2 ) 2850 ± 10 cm -1 (s) as (C 3 ) as (C 2 ) 123

3. IR-Spektroskopia 3.5 Normaalit alkaanit 3.5.2 C -Taivutusvärähtelyt Metyyli as (C 3 ) ~1460 cm -1 s (C 3 ) ~1380 cm -1 (ns.sateenvarjotaivutus) Metyleeni s (C 2 ) 1470 cm -1 (saksitaivutus) (C 2 ) 720 cm -1 (keinunta, suoraketjuiset alkaanit joissa 7 C-atomia) (C 2 ) ja (C 2 ) 1350 1150 cm -1 (huojunta ja vääntyminen) s (C 2 ) as (C 3 ) s (C 3 ) (C 2 ) 124

3. IR-Spektroskopia 3.5 Normaalit alkaanit 3.5.3 eptaanin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ (C 2 ) s (C 3 ) as (C 3 ) s (C 2 ) s (C 3 ) s (C 2 ) as (C 3 ) as (C 2 ) 125

3. IR-Spektroskopia 3.6 aaroittuneet alkaanit 3.6.1 C -Venytys- ja taivutusvärähtelyt Tertiaaristen C-ryhmien C -venytysvärähtelyt (C) ~2890 cm -1 (w) Isopropyyliryhmän C -taivutusvärähtelyt s (C 3 ) 1385-1380 cm -1 s (C 3 ) 1370-1365 cm -1 (C 3 ) ~920 cm -1 (w) t-butyyliryhmä C -taivutusvärähtelyt s (C 3 ) 1395-1385 cm -1 s (C 3 ) ~1370 cm -1 (C 3 ) ~930 cm -1 (w) s (C 3 ) 2 kpl. s (C 3 ) johtuu siitä, että sateenvarjot taipuvat joko samaan tai eri suuntaan as (C 3 ) 126

3. IR-Spektroskopia 3.6 aaroittuneet alkaanit 3.6.2 2,3-Dimetyylibutaanin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ 3 C C C 3 C C 3 C 3 2,3-Dimetyylibutaanilla ei näyvissä (C 3 ) (C) s (C 3 ) as (C 3 ) s (C 3 ) as (C 3 ) 127

3. IR-Spektroskopia 3.7 Sykliset alkaanit 3.7.1 C -Venytys- ja taivutusvärähtelyt Metyleenin C -venytysvärähdykset samalla alueella kuin asyklisillä alkaaneilla Syklisaatio laskee C 2 saksitaivutuksen taajuutta Esim. sykloheksaani s (C 2 ) 1452 cm -1 ja n heksaani s (C 2 ) 1468 cm -1 128

3. IR-Spektroskopia 3.7 Sykliset alkaanit 3.7.2 Sykloheksaanin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ Sykloheksaanilla ylivärähdys ~2700 2500 cm -1 as (C 2 ) s (C 2 ) s (C 2 ) 129

3. IR-Spektroskopia 3.8 Alkeenit 3.8.1 C -Venytysvärähtelyt Terminaalinen vinyyli (R C = C 2 ) as (C 2 ) 3090 3075 cm -1 (m) s (C 2 ) ja (C) 3025-3010 cm -1 (m) ( C) as ( C 2 ) Terminaalinen vinylidiini (R 2 C = C 2 ) as (C 2 ) 3100 3075 cm -1 (m) s ( C 2 ) cis ja trans RC = CR (C) 3050 3000 cm -1 (m) 130

3. IR-Spektroskopia 3.8 Alkeenit 3.8.2 C = C-Venytysvärähtelyt Terminaalinen vinyyli (R C = C 2 ) (C = C) 1650 1640 cm -1 (m) cis R 2 C = CR 2 (C = C) 1660 1630 cm -1 (m) Terminaalinen vinylidiini (R 2 C = C 2 ) (C = C) 1660 1640 cm -1 (m) trans R 2 C = CR 2 (C = C) 1680 1670 cm -1 (w) 131

3. IR-Spektroskopia 3.8 Alkeenit 3.8.3 C -Taivutusvärähtelyt Terminaalinen vinyyli (R C = C 2 ) (C 2 ) 1420 1410 cm -1 (m) ( trans C) 995 985 cm -1 (s) (C 2 ) 910-905 cm -1 (s) cis R 2 C = CR 2 (C) 1430 1400 cm -1 (m) (cis C) 730-650 cm -1 (m s) Terminaalinen vinylidiini (R 2 C = C 2 ) (C 2 ) 1420 1410 cm -1 (m) (C 2 ) 895-885 cm -1 (s) trans R 2 C = CR 2 (trans C) 980-965 cm -1 (s) 132

3. IR-Spektroskopia 3.8 Alkeenit 3.8.4 1-ekseenin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ Ylivärähdys 2 (C 2 ) (=C) as (=C 2 ) (C 2 ) s (=C 2 ) (C=C) ( trans C) (C 2 ) 133

3. IR-Spektroskopia 3.9 Alkyynit 3.9.1 C -Venytys- ja taivutusvärähtelyt Alkyynien C -taivutus alueella 700 610 cm -1 Alkyynien C -venytys alueella 3330 3270 cm -1 Voimakas ja leveä piikki Voimakas ja kapea piikki eikko ja leveä ylivärähdys alueella 1370 1220 cm -1 134

3. IR-Spektroskopia 3.9 Alkyynit 3.9.2 C C-Venytysvärähtelyt Alkyynien C C-venytys alueella 2260 2100 cm -1 Symmetrisesti substituoiduilla alkyyneillä ei esiinny (C C) absorptiovyötä Monosubstituoidut (C C) 2140 2100 cm -1 (w) Disubstituoidut (epäsymmetriset) (C C) 2260 2190 cm -1 (w) 135

3. IR-Spektroskopia 3.9 Alkyynit 3.9.3 1-Pentyynin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ ( C) (C C) Ylivärähdys 2 ( C) ( C) 136

3. IR-Spektroskopia 3.10 Aromaattiset yhdisteet Aromaattiset C -venytysvärähtelyt alueella 3100 3000 cm -1 C = C-Rengasvenytysvärähtelyt alueilla 1600 1585 ja 1500 1400 cm -1 eikkoja kombinaatioita ja ylivärähtelyjä alueella 2000 1650 cm -1 Tasossa tapahtuvat C -taivutukset alueella 1300 1000 cm -1 Ns. bentseenisormet, jotka antavat tietoa renkaan substituutiosta Ei-tasossa tapahtuvat voimakkaat C -taivutukset alueella 900 675 cm -1 137

3. IR-Spektroskopia 3.10 Aromaattiset yhdisteet 3.10.1 Ei-tasossa tapahtuvat C -taivutukset alueella 900 675 cm -1 Rengasvedyn ei-tasossa tapahtuva taivutus on voimakkaasti kytkeytynyt viereisten vetyatomien kanssa Ei-tasossa tapahtuvan taivutusvärähdyksen absorptiovyön paikka riippuu paljolti aromaattisen renkaan substituutiosta Taulukko 13. Aromaattisen renkaan substituution vaikutus ei-tasossa tapahtuvan C -taivutuksen absorptiovyön paikkaan Renkaan substituutio Aaltolukualue [cm -1 ] Mono- 770 730 ja 710 690 orto-di- 770 735 meta-di- 810 750 710 690 para-di- 840 810 1,2,3-Tri- 780 760 ja 745 705 1,3,5-Tri- 865 810 ja 730 675 1,2,4-Tri- 885 870 ja 825 805 1,2,3,4-Tetra- 810 800 1,2,4,5-Tetra- 870 855 1,2,3,5-Tetra- 850 840 1,2,3,4,5-Penta- 870 1,2,3,4,5,6-eksa- - 138

3. IR-Spektroskopia 3.10 Aromaattiset yhdisteet 3.10.2 Tolueenin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ C 3 Renkaan C -venytys Bentseenisormet (monosubstituoitu) Renkaan C=C-venytys C -Taivutus tasossa C -Taivutus ei-tasossa Renkaan C=Ctaivutus ei-tasossa 139

3. IR-Spektroskopia 3.11 Alkoholit ja fenolit 3.11.1 O -Venytysvärähtelyt Vapaat (ei vetysitoutuneet) O -venytysvärähtelyt alueella 3650 3580 cm -1 Vapaat fenoliset O - venytysvärähtelyt lähempänä arvoa 3580 cm -1 Vetysitoutuneet O -venytysvärähtelyt alueella 3550 3200 cm -1 Intensiivisiä ja leveitä piikkejä Vapaiden O -venytysvärähtelyjen signaaleilla yleensä pienempi intensiteetti kuin vetysitoutuneilla O -signaaleilla 140

3. IR-Spektroskopia 3.11 Alkoholit ja fenolit 3.11.1 O -Venytysvärähtelyt Esim. 1-heksanoli O Kaasufaasi (ei vetysitoutumista) O) 3670 cm -1 Nestefilmi (vetysitoutumista) O) 3324 cm -1 141

3. IR-Spektroskopia 3.11 Alkoholit ja fenolit 3.11.2 O -Taivutusvärähtelyt Tasossa tapahtuva O - taivutusvärähtely ~1450 cm -1 (nestefaasi) ~1350 cm -1 (kaasufaasi) C 2 -ryhmän taivutus ~1450 cm -1 :ssä voi peittää O -taivutuksen O -taivutuksen piikki on yleensä huomattavasti leveämpi johtuen vetysitoutumisista Nestefaasissa alkoholeilla ja fenoleilla leveä absorptiovyö alueella 770 650 cm -1 Ei-tasossa tapahtuva O - taivutusvärähtely 142

3. IR-Spektroskopia 3.11 Alkoholit ja fenolit 3.11.3 C O-Venytysvärähtelyt Alkoholeilla C O-venytysvärähdys ja O -taivutus tasossa ovat kytkeytyneet Tuloksena kaksi piikkiä ~1450 cm -1 ja 1260 970 cm -1 Jälkimmäisen piikin paikka riippuu siitä, onko alkoholi primaarinen, sekundaarinen vai tertiaarinen Taulukko 14. Alkoholien C O-venytysvärähtelyjen aaltolukualueita Alkoholin tyyppi Aaltolukualue [cm -1 ] Primaarinen 1075 1000 Sekundaarinen alifaattinen 1150 1075 Sekundaarinen aromaattinen 1075 1000 Sekundaarinen syklinen ekvatoriaalinen 1065 1035 Sekundaarinen syklinen aksiaalinen 1035 970 Tertiaarinen 1210 1100 Fenoli 1260 1180 143

3. IR-Spektroskopia 3.11 Alkoholit ja fenolit 3.11.4 1-eksanolin IR-spektri O SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ as (C 3 ) 1468 cm -1 s (C 2 ) 1461 cm -1 s (O) 1430 cm -1 (peittynyt) (C 2 ) 726 cm -1 (O) 660 cm -1 s (C 3 ) 1379 cm -1 (O) 3324 cm -1 as (C 3 ) 2958 cm -1 as (C 2 ) 2933 cm -1 s (C 3 ) 2874 cm -1 s (C 2 ) 2861 cm -1 Kombinaatio (CO) + (O) 1069 cm -1 144

3. IR-Spektroskopia 3.12 Eetterit 3.12.1 C O-Venytysvärähtelyt Eettereille tunnusomaisia voimakkaat C O C-systeemin venytysvärähdykset Usein kytkeytyneet muihin värähdyksiin apen vieressä olevan hiilen haaroittuminen aiheuttaa C O C- venytyksestä johtuvan piikin jakautumisen Alifaattiset eetterit asymmetrinen C O C-venytys 1150 1085 cm -1 Symmetrinen venytys erittäin heikko 145

3. IR-Spektroskopia 3.12 Eetterit 3.12.1 C O-Venytysvärähtelyt Aryylialkyylieetterit C O C-venytys 1310 1220 cm -1 (asymmetrinen) ja 1050 1000 cm -1 (symmetrinen) Vinyylialkyylieettereillä intensiivisempi C = C-venytysvärähdys alueella 1660 1610 cm -1 kuin alkeeneilla Vinyylialkyylieetterit C O C-venytys 1275 1180 cm -1 (asymmetrinen) ja 1125 1000 cm -1 (symmetrinen) Esiintyy duplettina johtuen rotaatioisomeerien (cis ja trans) erilaisesta absorptiosta 146

3. IR-Spektroskopia 3.12 Eetterit 3.12.2 Etoksibentseenin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ OC 2 C 3 Asymmetrinen C O C-venytys 1245 cm -1 Symmetrinen C O C-venytys 1049 cm -1 147

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt Ketonit, aldehydit, karboksyylihapot, esterit, laktonit, happohalidit, anhydridit, amidit ja laktaamit antavat voimakkaan C = O-venytysvärähdyspiikin alueella 1870 1540 cm -1 Intensiivinen piikki alueella, jossa vähän muita piikkejä Erinomainen ryhmäfrekvenssi 148

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt C = O-Venytysvärähdyspiikin paikkaan vaikuttavat 1. Fysikaalinen tila 5. Renkaan geometria 2. Naapuriryhmän elektroniset ja massaefektit 4. Vetysitoutuminen 3. Konjugaatio 149

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt Normaalin alifaattisen ketonin absorptiotaajuus on 1715 cm -1 (esim. asetoni ja sykloheksanoni) Naapuriryhmän induktiivinen efekti lyhentää C = O-sidosta ja kasvattaa absorptiotaajuutta Polaarinen liuotin pienentää ja pooliton liuotin kasvattaa absorptiotaajuutta Resonanssiefekti pidentää C = O-sidosta ja pienentää absorptiotaajuutta Liuotinefektit ±25 cm -1 150

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt Alkeeni- tai fenyyliryhmän kanssa konjugoitunut C = O- ryhmä absorboi alueella 1685 1665 cm -1 Intermolekularinen vetysitoutuminen ketonin ja hydroksyylisen liuottimen välillä pienentää hieman C = O-ryhmän absorptiotaajuutta C = O-Ryhmän -elektronien delokalisointi vähentää C O-sidoksen kaksoissidosluonnetta Absorptio siirtyy kohti pidempää aallonpituutta 151

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt -Diketoneilla intensiivinen ja leveä absorptiovyö alueella 1640 1580 cm -1 Kinoneilla C = O- venytysvärähdys alueella 1690 1655 cm -1 Molekyylin sisäisen vetysidoksen stabiloima enolimuoto Lisääntynyt konjugaatio siirtää absorption alueelle 1655 1635 cm -1 -Diketoneilla yksi C = O- venytysvärähdys ~1715 cm -1 Asyklisillä -klooriketoneilla kaksi C = O-venytysvärähdystä johtuen rotaatioisomeereistä 152

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.1 C = O-Venytysvärähtelyt Rengassysteemeissä sidoskulma voi olla <120 Sykloheksanoni 1715 cm -1 Karbonyyliryhmän vieressä olevan C C-sidoksen venytys lisää C = O-ryhmän venytykseen tarvittavaa energiaa Syklopentanoni 1751 cm -1 C = O-Venytysvärähdyksen absorptiotaajuus kasvaa sidoskulman pienentyessä Syklobutanoni 1775 cm -1 153

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.2 C (C = O) C-Ryhmän venytys- ja taivutusvärähtelyt Ketoneilla keskivahva C (C = O) C-ryhmän venytys ja taivutus alueella 1300 1100 cm -1 Alifaattiset ketonit alueella 1230 1100 cm -1 Aromaattiset ketonit alueella 1300 1230 cm -1 Voi sisältää useampia piikkejä 154

3. IR-Spektroskopia 3.13 Ketonit 3.13.3 3-eptanonin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ O (C=O) ylivärähdys 3415 cm -1 as (C 3 ) 2962 cm -1 as (C 2 ) 2939 cm -1 s (C 3 ) 2876 cm -1 s (C 2 ) 2870 cm -1 (C=O) 1715 cm -1 C (C=O) C venytys ja taivutus as (C 3 ) 1461 cm -1 s (C 2 ) 1455 cm -1 s (C 2 ) 1408 cm -1 (karbonyylin vieressä) s (C 3 ) 1378 cm -1 155

3. IR-Spektroskopia 3.14 Aldehydit 3.14.1 C -Venytysvärähtelyt Aldehydinen keskivahva C -venytysvärähdys alueella 2830 2695 cm -1 Yleensä kaksi piikkiä Aromaattisilla aldehydeillä, joilla on elektronegatiivinen substituentti orto asemassa, piikki voi olla ~2900 cm -1 Fermin resonanssi aldehydin C venytyksen ja C - taivutuksen 1. ylivärähdyksen (~1390 cm -1 ) välillä 156

3. IR-Spektroskopia 3.14 Aldehydit 3.14.2 C = O-Venytysvärähtelyt Alifaattisilla aldehydeillä C = O-venytysvärähdys alueella 1740 1720 cm -1 Konjugointi kaksoisidosten kanssa pienentää karbonyylin absorptiotaajuutta C = O-Venytysvärähdys alueella 1710 1685 cm -1 Elektronegatiivinen substituentti -hiilessä kasvattaa karbonyylin absorptiotaajuutta Molekyylin sisäinen vetysidos siirtää absorptiota IR-spektrissä oikealle 157

3. IR-Spektroskopia 3.14 Aldehydit 3.14.3 eptaldehydin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ (aldehydi C ) 2818 cm -1 2716 cm -1 as (C 3 ) 2959 cm -1 as (C 2 ) 2931 cm -1 s (C 3 ) 2874 cm -1 s (C 2 ) 2860 cm -1 (C=O) 1729 cm -1 as (C 3 ) 1468 cm -1 s (C 2 ) 1460 cm -1 s (C 2 ) 1411 cm -1 (karbonyylin vieressä) (aldehydi C ) 1390 cm -1 s (C 3 ) 1379 cm -1 O 158

3. IR-Spektroskopia 3.15 Karboksyylihapot 3.15.1 O -Venytysvärähtelyt Karboksyylihapot muodostavat vetysidottuja dimeerejä nesteja kiinteässä faasissa sekä CCl 4 - liuoksissa (c > 0.01 M) Karboksyylihapoilla erittäin leveä ja intensiivinen O -venytysvärähdys alueella 3300 2500 cm -1 (keskikohta ~3000 cm -1 ) Vapaan O-ryhmän venytysvärähtelyjä (~3550 cm -1 ) voidaan havaita ainoastaan erittäin laimeissa liuoksissa (pooliton liuotin) tai kaasufaasissa Peittää alleen heikommat C -venytykset O -Venytyksen oikealla puolella esiintyvä hienorakenne johtuu kombinaatioista ja ylivärähdyksistä 159

3. IR-Spektroskopia 3.15 Karboksyylihapot 3.15.1 O -Venytysvärähtelyt Esim. eptaanihappo COO Nestefilmi (vetysitoutumista) O) ~3000 cm -1 Kaasufaasi (ei vetysitoutumista) O) 3578 cm -1 160

3. IR-Spektroskopia 3.15 Karboksyylihapot 3.15.2 C = O-Venytysvärähtelyt Karboksyylihappojen C = O-venytysvärähdys intensiivisempi kuin ketoneilla Resonanssi ja vetysitoutuminen heikentävät C = O-sidosta pienentäen absorptiotaajuutta Tyydytettyjen alifaattisten karboksyylihappojen C = O-venytysvärähdys ~1760cm -1 Dimeeristen tyydytettyjen alifaattisten happojen C = O-venytys alueella 1720 1705 cm -1 Elektronegatiivinen substituentti -asemassa siirtää C = O-absorptiota spektrissä vasemalle 10 20 cm -1 Konjugoiduilla dimeerisillä hapoilla C = O-venytys alueella 1710 1680 cm -1 161

3. IR-Spektroskopia 3.15 Karboksyylihapot 3.15.3 C O-Venytys- ja O -taivutusvärähtelyt appojen C O-Venytys ja O - taivutus tasossa kytkeytyvät antaen kaksi absorptiovyötä alueilla 1440 1395 cm -1 ja 1320 1210 cm -1 C O -Taivutus keskivahva piikki ~1440 1395 cm -1 Intensiivisempi piikki ~1315 1280 cm -1 yleensä C O-venytys Dupletti pitkäketjuisilla rasvahapoilla Dimeereillä ei-tasossa tapahtuva O - taivutus antaa keskivahvan ja leveän piikin ~920 cm -1 162

3. IR-Spektroskopia 3.15 Karboksyylihapot 3.15.4 Butaanihapon IR-spektri COO SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ (O ) 3300 2500 cm -1 (C=O) (C O ) tasossa 1712 cm -1 1415 cm -1 (C O) 1285 cm -1 (O ) ei-tasossa 937 cm -1 163

3. IR-Spektroskopia 3.16 Karboksylaattianioni 3.16.1 Ammoniumasetaatin IR-spektri C 3 CON 4 SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ Asymmetrinen karboksylaattianionin C(C=O) 2- - venytys 1568 cm -1 Symmetrinen karboksylaattianionin C(C=O) 2- - venytys 1402 cm -1 164

3. IR-Spektroskopia 3.17 Esterit ja laktonit 3.17.1 C = O-Venytysvärähtelyt Tyydytettyjen alifaattisten esterien C = O-venytysvärähdys alueella 1750 1735 cm -1 Kaksoissidos C O-ryhmän vieressä sekä -halogeenisubstituutio nostavat C = O-venytyksen absorptiotaajuutta (~1770 cm -1 ) Formaattien,, -tyydyttymättömien ja bentsoaattiesterien C = O-venytys alueella 1730 1715 cm -1 Oksalaatit ja -ketoesterit C = O-venytys alueella 1755 1740 cm -1 -ketoesterit Molekyylin sisäinen C = O-venytys ~1650 cm -1 vetysitoutuminen 165

3. IR-Spektroskopia 3.17 Esterit ja laktonit 3.17.1 C = O-Venytysvärähtelyt Tyydytettyjen -laktonien (6-rengas) C = O- venytys alueella 1750 1735 cm -1 Kaksoissidos -asemassa O ryhmään nähden kasvattaa C = O-ryhmän absorptiotaajuutta Kaksoissidos -asemassa karbonyyliin nähden pienentää C = O-ryhmän absorptiotaajuutta Tyydytettyjen -laktonien (5-rengas) C = O- venytys alueella 1795 1760 cm -1 166

3. IR-Spektroskopia 3.17 Esterit ja laktonit 3.17.2 C O-Venytysvärähtelyt Kaksi asymmetristä kytkeytynyttä C O-venytystä: C (C = O) O (tärkeämpi) ja O C C alueella 1300 1000 cm -1 C (C = O) O-Venytykset absorboivat yleensä korkeammalla taajuudella kuin O C C-venytykset C O-Venytykset ovat vähemmän luotettavia spektrianalyysin kannalta kuin C = O-venytykset 167

3. IR-Spektroskopia 3.17 Esterit ja laktonit 3.17.3 eksyyliasetaatin IR-spektri O O SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ Asymmetrinen O C C-venytys 1042 cm -1 (C=O) 1743 cm -1 Asymmetrinen C (C=O) O-venytys 1242 cm -1 168

3. IR-Spektroskopia 3.18 appohalidit 3.18.1 C = O-Venytysvärähtelyt Konjugoimattomien happohalidien C = O-venytysvärähdys alueella 1815 1785 cm -1 Konjugoiduilla hieman alhaisempi absoptiotaajuus Aromaattisten happohalidien C = O-venytysvärähdys alueella 1800 1770 cm -1 Aroyyliklorideilla Fermin resonanssista johtuva piikki alueella 1750 1735 cm -1 169

3. IR-Spektroskopia 3.18 appohalidit 3.18.2 Asetyylikloridin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ O Cl (C=O) 1806 cm -1 170

3. IR-Spektroskopia 3.19 appoanhydridit 3.19.1 C = O- ja C O-Venytysvärähtelyt Tyydyttyneillä happoanhydrideillä kaksi C = O-venytysvärähdyspiikkiä ~1820 ja ~1750 cm -1 Konjugoiduilla asyklisillä anhydrideillä kaksi C = O-venytyksestä johtuvaa piikkiä ~1775 ja ~1720 cm -1 Symmetrinen ja asymmetrinen venytys Konjugoimattomilla suoraketjuisilla happoanhydrideillä voimakas C (C = O) O (C = O) C- venytysvärähdys ~1050 cm -1 Syklisillä anhydrideillä kaksi piikkiä alueilla 1300 1175 cm -1 ja 950 910 cm -1 171

3. IR-Spektroskopia 3.19 appoanhydridit 3.19.2 Asetanhydridin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ C (C=O) O (C=O) C- Venytys 1125 cm -1 O O O Symmetrinen (C=O) 1766 cm -1 Asymmetrinen (C=O) 1827 cm -1 172

3. IR-Spektroskopia 3.20 Amidit ja laktaamit 3.20.1 N -Venytysvärähtelyt Primaarisilla amideilla keskivahva vapaa N -venytysvärähdys ~3520 cm -1 (asymmetrinen) ja ~3400 cm -1 (symmetrinen) Kiinteissä näytteissä (vetysitoutumista) ~3350 cm -1 ja ~3180 cm -1 Sekundaarisilla amideilla vapaa N -venytys (trans karbonyyliin nähden) alueella 3500 3400 cm -1 Konsentroiduissa ja kiinteissä näytteissä useita piikkejä alueella 3330 3060 cm -1 Amidit voivat muodostaa s-cis-konformaatiossa dimeerejä ja s-trans-konformaatiossa polymeerejä 173

3. IR-Spektroskopia 3.20 Amidit ja laktaamit 3.20.2 C = O-Venytysvärähtelyt (amidin I vyö) Primaarisilla amideilla vahva C = O-venytysvärähdys ~1650 cm -1 (kiinteä näyte, asetamidi 1694 cm -1 ) tai ~1690 cm -1 (laimea liuos) Tertiaarisilla amideilla C = O-venytysvärähdys fysikaalisesta tilasta riippumatta alueella 1680 1630 cm -1 Sekundaarisilla amideilla C = O-venytysvärähdys ~1640 cm -1 (kiinteä näyte) tai 1700 1680 cm -1 (laimea liuos) Vetysitoutuminen liuottimen kanssa voi vaikuttaa absorptiovyön paikkaan Elektroneja vetävä substituentti typessä kasvattaa karbonyylin absorptiotaajuutta 174

3. IR-Spektroskopia 3.20 Amidit ja laktaamit 3.20.3 N -Taivutusvärähtelyt (amidin II vyö) Primaarisilla amideilla N -taivutusvärähdys näytetekniikasta riippuen alueella 1655 1590 cm -1 Tästä kombinaatiosta johtuu myös heikko absorptiovyö ~1250 cm -1 Sekundaarisilla amideilla N -taivutus 1570 1515 cm -1 (kiinteä näyte) tai 1550 1510 cm -1 (laimea liuos) N - taivutuksen ja C N-venytyksen (C N -ryhmä) kombinaatio 175

3. IR-Spektroskopia 3.20 Amidit ja laktaamit 3.20.4 Muut värähtelyt Primaarisilla amideilla C N-venytys ~1400 cm -1 Laktaamien C = O-venytys 6-rengas: ~1650 cm -1 5-rengas: 1750 1700 cm -1 4-rengas: 1760 1730 cm -1 Primaarisilla ja sekundaarisilla amideilla N -huojunnasta (ei-tasossa) johtuva leveä ja keskivahva piikki alueella 800-665 cm -1 Laktaamin fuusio toisen renkaan kanssa kasvattaa absorptiotaajuutta 20 50 cm -1 176

3. IR-Spektroskopia 3.20 Amidit ja laktaamit 3.20.5 eksaaniamidin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ O N 2 s (N) 3189 cm -1 as (N) 3363 cm -1 (C=O) 1662 cm -1 (N) 1634 cm -1 (C N) 1426 cm -1 (N) ~640 cm -1 177

3. IR-Spektroskopia 3.21 Amiinit 3.21.1 N -Venytysvärähtelyt Primaarisilla amiineilla kaksi signaalia Vetysitoutunut: as N) 3400-3300 cm -1 (w) s N) 3330-3250 cm -1 (w) Ei vetysitoutumista: as N) ~3500 cm -1 (w) s N) ~3400 cm -1 (w) Signaalit heikompia, mutta terävämpiä kuin vastaavat O -piikit Sekundaarisilla amiineilla yksi leveähkö signaali N) 3350-3310 cm -1 (w) Tertiaarisilla amiineilla ei ole N)-signaaleja 178

3. IR-Spektroskopia 3.21 Amiinit 3.21.1 N -Venytysvärähtelyt Esim. heksyyliamiini (primaarinen) ja piperidiini (sekundaarinen) N 2 Primaarinen amiini Sekundaarinen amiini N 179

3. IR-Spektroskopia 3.21 Amiinit 3.21.2 N -Taivutusvärähtelyt Primaarisilla amiineilla N -taivutusvärähdys alueella 1650-1580 cm -1 (m s) Sekundaarisilla alifaattisilla amiineilla havaitaan harvoin N -taivutusvärähdystä Nestemäisissä näytteissä primaarisilla ja sekundaarisilla amiineilla ei-tasossa taphtuva taivutus N) 910-665 cm -1 (m s) Sekundaarisilla aromaattisilla amiineilla N - taivutus ~1515 cm -1 Paikka riippuu vetysitoutumisen asteesta 180

3. IR-Spektroskopia 3.21 Amiinit 3.21.3 C N-Venytysvärähtelyt Primaarisilla, sekundaarisilla ja tertiaarisilla alifaattisilla amiineilla C N-venytysvärähdys alueella 1250-1020 cm -1 (w m) Aromaattisilla amiineilla C N-venytys alueella 1340-1265 cm -1 (s) 181

3. IR-Spektroskopia 3.21 Amiinit 3.21.4 eksyyliamiinin IR-spektri N 2 SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ as (N) 3369 cm -1 s (N) 3291 cm -1 s (N) 1617 cm -1 (saksitaivutus) (C N) 1070 cm -1 (N) ~810 cm -1 182

3. IR-Spektroskopia 3.22 Nitriilit 3.22.1 C N-Venytysvärähtelyt Alifaattisilla nitriileillä C N-venytysvärähdys alueella 2260-2240 cm -1 Konjugoiduilla nitriileillä C N-venytys alueella 2240-2220 cm -1 183

3. IR-Spektroskopia 3.22 Nitriilit 3.22.2 Propionitriilin IR-spektri C N SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ (C N) 2248 cm -1 184

3. IR-Spektroskopia 3.23 Nitroyhdisteet 3.23.1 N = O-Venytysvärähtelyt Nitroalkaaneilla kaksi N = O-venytysvärähdystä ~1550 cm -1 ja~1370 cm -1 Konjugoituneilla nitroyhdisteillä N = O-venytykset alueilla 1550 1500 cm -1 ja 1360 1290 cm -1 Aromaattisilla nitroyhdisteillä C N-venytys ~870 cm -1 185

3. IR-Spektroskopia 3.23 Nitroyhdisteet 3.23.2 o Nitrotolueenin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ NO 2 C 3 (C N) 859 cm -1 as (N=O) 1524 cm -1 s (N=O) 1347 cm -1 186

3. IR-Spektroskopia 3.24 Tiolit 3.24.1 2-Metyyli-1-propaanitiolin IR-spektri SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ S (S) 2554 cm -1 (C S) 710 cm -1 187

3. IR-Spektroskopia 3.25 Organoklooriyhdisteet 3.25.1 1,1,1-Trikloorietaanin IR-spektri Cl 3 CC 3 SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/riodb/sdbs/ (CCl) 711 cm -1 188

4. NMR-Spektroskopia 4.1 Ytimen spinimpulssimomentti ja magneettinen momentti Suurella osalla atomiytimiä on ominaisuus, jota kutsutaan spinimpulssimomentiksi P (vektori) P = {I (I + 1)} 1/2 ħ, missä I = spinkvanttiluku (ytimen spin) ja ħ = h /2 (h = Planckin vakio) Ytimen spin voi saada arvoja I = 0, 1/2, 1, 3/2, 2,..., 7 189

4. NMR-Spektroskopia 4.1 Ytimen spinimpulssimomentti ja magneettinen momentti Suurella osalla atomiytimiä on myöskin ominaisuus, jota kutsutaan magneettiseksi momentiksi (vektori) Spinimpulssimomentin ja magneettisen momentin suhdetta kuvaa yhtälö = P, missä = ytimen gyromagneettinen suhde Gyromagneettinen suhde on kullekin ytimelle ominainen luku Ytimet, joilla on suuri ovat NMR:n kannalta herkkiä ytimiä (ja päinvastoin) Positiivisilla :n arvoilla vektorit ja P ovat samansuuntaisia, kun taas negatiivisilla :n arvoilla ne ovat vastakkaissuuntaiset 190

4. NMR-Spektroskopia 4.1 Ytimen spinimpulssimomentti ja magneettinen momentti Spinin I arvo riippuu ytimen rakenneosasten, eli protonien ja neutronien lukumäärästä Taulukko 15. Ytimen spinin I riippuvuus järjestysluvusta Z ja massaluvusta A Järjestysluku Z Massaluku A Spinkvanttiluku I Parillinen Parillinen 0 Pariton Parillinen 1, 2, 3,... Parillinen tai pariton Pariton ½, 3/2, 5/2,... = {I (I + 1)} 1/2 ħ 1 : A = 1 (pariton) ja Z = 1 (pariton) I = 1/2 12 C: A = 12 (parillinen) ja Z = 6 (parillinen) I = 0 13 C: A = 13 (pariton) ja Z = 6 (parillinen) I = 1/2 14 N: A = 14 (parillinen) ja Z = 7 (pariton) I = 1 Ytimet, joilla I = 0, eivät anna NMR- signaalia Vain ytimet, joilla I 0, antavat piikin NMR-spektrissä 191

4. NMR-Spektroskopia 4.1 Ytimen spinimpulssimomentti ja magneettinen momentti Ytimillä, joilla I = ½, on pallosymmetrinen varausjakautuma Ytimillä, joilla I > 1/2 (inkrementtinä ½), varausjakautumaa havainnollistaa litistynyt pallo Tällaisella ytimellä on magneettisen momentin lisäksi sähköinen kvadrupolimomentti Q Reagoi sekä sähkömagneettisen säteilyn magneettiseen että sähköiseen komponenttiin 192

4. NMR-Spektroskopia 4.1 Ytimen spinimpulssimomentti ja magneettinen momentti Ydin Spin I Sähköinen kvadrupolimomentti Q [eq] [10-28 m 2 ] Taulukko 16. Eräiden ytimien NMR-ominaisuuksia Luonnollinen runsaus [%] Suhteellinen herkkyys (verrattuna 1 = 1) Gyromagneettinen suhde [10 7 rad T -1 s -1 ] Magneettinen momentti (yksikkönä N ) NMR-Taajuus [Mz] (B 0 = 2.3488 T) 1 ½ - 99.985 1.00 26.7519 2.79277 100.0 2 1 2.87 10-3 0.015 9.65 10-3 4.1066 0.85735 15.351 12 C 0-98.9 - - 0-13 C ½ - 1.108 1.59 10-2 6.7283 0.70216 25.144 14 N 1 1.67 10-2 99.63 1.01 10-3 1.9338 0.40369 7.224 15 N ½ - 0.37 1.04 10-3 -2.7126-0.28298 10.133 16 O 0-99.96 - - 0-17 O 5/2-2.6 10-2 0.037 2.91 10-2 -3.6280-1.8930 13.557 19 F ½ - 100 0.83 25.1815 2.6273 94.077 31 P ½ - 100 6.63 10-2 10.8394 1.1316 40.481 Orgaanisen kemian kannalta tärkeimmät NMR-ytimet ovat 1 ja 13 C Muita tärkeitä ytimiä ovat mm. 15 N, 19 F ja 31 P 193

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.1 Ytimen energia magneettikentässä Magneettisen momentin ja magneettikentän välinen vuorovaikutusenergia E = - z B 0 B 0 Matalin energia Korkein energia Spinin I omaavalla ytimellä on magneettikentässä 2I + 1 energiatilaa Energia voi saada yhtälön E = -m ħ B 0 mukaisia arvoja (m = magneettinen kvanttiluku) Deuteriumilla (I = 1) on kolme energia-arvoa (m arvot +1, 0 ja 1) Protonilla (I = ½) on kaksi energia-arvoa vastaten m arvoja +1/2 ja 1/2 m voi saada arvoja I, I 1,... I 194

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.1 Ytimen energia magneettikentässä E m = -1/2 ( ) E = +1/2 ħb 0 m = -1 E -1 = + ħb 0 0 m = 0 E 0 = 0 m = +1/2 ( ) E = -1/2 ħb 0 m = +1 E +1 = - ħb 0 Ydin, jonka spin I = ½ (esim. 1 ja 13 C) Ydin, jonka spin I = 1 (esim. 2 ja 14 N) 195

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.1 Ytimen energia magneettikentässä Kahden energiatilan välinen energiaero E ( ) = ħ B 0 = (h /2 )B 0 E m = -1/2 ( ) (magneettikentän vastainen tila) Energiaeroa vastaavan fotonin taajuus ( ) = E ( )/h = B 0 /2 [( B 0 )/2 z] 0 E 1 E 2 Kahden energiatilan välinen ero magneettivuon tiheyden B 0 funktiona ytimelle, jonka spin I = ½ (esim. 1 ja 13 C) B 1 B2 m = +1/2 ( ) (magneettikentän suuntainen tila) B 0 196

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.2 Energiatasojen populaatioerot Ylemmän ( ) ja alemman ( ) tilan välinen energiaero on erittäin pieni Normaalilämpötilassa vain hyvin pieni ylimäärä ytimiä on termisen tasapainon vallitessa alemmalla energiatilalla N ylempi( ) /N alempi( ) = e E /k B T 1 ( E /k B T ) = 1 ( ħ B 0 /k B T ) Energiatilojen miehitysluvut N noudattavat Boltzmannin jakaantumislakia k B = Boltzmannin vakio (1.3805 10-23 J K -1 ) ja T = absoluuttinen lämpötila [K] Esim. protoni: Kun magneettivuon tiheys B 0 = 1.41 T (resonanssitaajuus 60 Mz) on energiaero E = ħ B 0 24 10-3 J mol -1. Tällöin lämpötilassa 300 K N 0.9999904 N. Jos B 0 = 7.05 T (resonanssitaajuus 300 Mz), kasvaa energiaero: N 0.99995 N. 197

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.3 Makroskooppinen magnetisaatio B 0 B 0 Magneettikenttä Ei magneettikenttää z Magneettikenttä, ei tasapainoa z Magneettikenttä, tasapaino z M 0 y y y x x x 198

4. NMR-Spektroskopia 4.2 Ydin staattisessa magneettikentässä 4.2.4 Larmor-prekessio Magneettisen momentin vektori prekessoi magneettikentän suuntaisen z-akselin ympäri (vrt. hyrrä) > 0 < 0 B 0 B 0 Prekessiotaajuus eli Larmor-taajuus L on verrannollinen magneettivuon tiheyteen B 0 L = - B 0 / 199

4. NMR-Spektroskopia 4.3 NMR-Spektroskopian periaate 4.3.1 Resonanssiehto NMR-Spektroskopiassa energiatilojen väliset siirtymät indusoidaan (aiheutetaan) ulkoista magneettikenttää B 0 kohtisuorassa olevan radiotaajuuksisen herätekentän B 1 avulla Jotta siirtymiä voisi tapahtua, pitää herätekentän B 1 taajuuden 1 olla sellainen, että yhtälö h = E toteutuu Tällöin B 1 :n magneettinen komponentti vuorovaikuttaa näytteen ydindipolien kanssa 200

4. NMR-Spektroskopia 4.3 NMR-Spektroskopian periaate 4.3.1 Resonanssiehto Siirtymät alemmalta energiatasolta ylemmälle vastaavat energian absorptiota ja päinvastaiset siirtymät emissiota Jokaiseen siirtymään liittyy spinin orientaation muutos Molemmat yhtä todennäköisiä Koska alemmalla energiatilalla on populaatioylimäärä, on absorptio dominoiva prosessi avaitaan signaali, jonka intensiteetti on verrannollinen populaatioeroon N alempi( ) N ylempi( ) (spinien määrä näytteessä, konsentraatio) NMR-Kokeessa havaitaan absorptio- ja emissiosiirtymien nettovaikutus 201

4. NMR-Spektroskopia 4.3 NMR-Spektroskopian periaate 4.3.1 Resonanssiehto E Spin I = ½ Säteilytys taajuudella 1 aiheuttaa sen, että h 1 = E indusoi absorptio-(a) ja emissiosiirtymiä (E) h A E E N alempi( ) = N ylempi( ) absorptio ja emissio kumoavat toisensa ei signaalia Saturaatio Alemmalla energiatasolla hieman enemmän spinejä absorptio on dominoiva prosessi 202

4. NMR-Spektroskopia 4.3 NMR-Spektroskopian periaate 4.3.1 Resonanssiehto Resonanssiehto: L = 1 = - B 0 / 2 Yleensä käytetään tätä taajuutta, kun halutaan ilmaista kuinka tehokas NMR-laite on kyseessä Siirtymiä tapahtuu, kun sähkömagneettisen säteilyn taajuus 1 vastaa Larmor-taajuutta L Vain sellaiset siirtymät, joissa m = 1 ovat sallittuja m ( )= -1/2 (+1/2) = -1 m ( )= +1/2 (-1/2) = +1 Esim. protoni ( = 26.7519 10 7 T -1 s -1 ) Kentän voimakkuus 1.41 T vastaa L = 60 Mz (aallonpituus 5 m). Taulukko 17. Magneettikentän B 0 vaikutus 1 - ja 13 C-ydinten resonanssitaajuuksiin B 0 [T] Resonanssitaajuus [Mz) 1 13 C 1.41 60 15.1 2.35 100 25.15 4.70 200 50.3 9.40 400 100.6 11.74 500 125.7 18.79 800 201.2 203

4. NMR-Spektroskopia 4.3 NMR-Spektroskopian periaate 4.3.2 NMR-Kokeen perusperiaate Näytteessä tapahtuu signaaleja tuottavia NMR-siirtymiä, kun resonanssiehto on täytetty (yhtälö s. 203) Vaihdetaan herätekenttää B 1 ja pidetään magneettikenttä B 0 vakiona (taajuuspyyhkäisy) Vaihdetaan magneettikenttää B 0 ja pidetään herätekenttä B 1 vakiona (kenttäpyyhkäisy) CW- (continuous wave) eli pyyhkäisymenetelmä Ns. pulssiherätteinen menetelmä on syrjäyttänyt CW-menetelmän erätekenttä on jatkuvasti kohdistettu näytteeseen pyyhkäisyn aikana 204

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi Pulssimenetelmässä näytteen kaikki ytimet, joita halutaan tutkia (esim. kaikki protonit tai kaikki 13 C ytimet) viritetään yhtäaikaa radiotaajuuspulsilla erätekentän pulssi sisältää laajan taajuusalueen, jonka määräävät pulssin kestoaika p ja herätekentän eli kantoaallon taajuus 1 Pääosa pulssin energiasta keskittyy taajuusalueelle 1 ±1/ p Pulssin kestoaika p on yleensä muutaman s:n luokkaa ( 1 ) 205

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi 1 -Kestoinen herätekentän B 1 pulssi taajuudella 1 Vastaava taajuusalue B 1 A B A B t p 1 p A ja B ovat ytimien A ja B resonanssitaajuudet Käytetään ns. kovia pulsseja (hard pulses) p t 0 t 1 Lyhytkestoinen pulssi suurella teholla (useita watteja) 206

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi NMR-Siirtymät indusoidaan radiotaajuuksisen, xy-tason suuntaisen pulssin avulla Tällöin herätekentän sähkömagneettisen säteilyn magneettinen komponentti voi vuorovaikuttaa näytteen ydindipolien kanssa Magneettinen komponentti vuorovaikuttaa myös makroskooppisen magnetisaation vektorin M 0 kanssa (kts. s. 198) 207

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi x-akselin suuntainen lineaarinen muuttuva magneettikenttä (ts. oskilloiva magneettikenttä) voidaan esittää kahden samansuuruisen vektorin B 1 (l) ja B 1 (r) avulla, jotka pyörivät x,y-tasossa taajuudella L 2B 1 B 1 (l) B 1 (r) y Muuttuva magneettikenttä x-suunnassa on näiden vektorien summa (max. 2B 1 ) y x Vain prekessoivien ydindipolien kanssa samaan suuntaan pyörivä komponentti voi vuorovaikuttaa ydindipolien ja M 0 :n kanssa B 1-2B 1 x B 1 (l) x y B 1 (r) 208

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi B 0 B 0 Otetaan käyttöön pyörivä koordinaatisto x, y ja z, joka pyörii samalla taajuudella kuin herätekenttä B 1 Tässä systeemissä B 1 :n suunta ja suuruus pysyvät vakioina erätekentän B 1 vaikutuksesta M 0 kääntyy pois z-akselin (kentän B 0 ) suunnasta negatiivisen y -akselin suuntaan z z M 0 Pyörivässä koordinaatistossa tämä kääntyminen tapahtuu x -akselin ympäri, eli y,z-tasossa y M 0 y B 1 -Kentän aiheuttamaa M 0 -vektorin poikkeamaa z-suunnasta kuvaa yhtälö = B 1 p x = Pulssikulma x B 1 209

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi Pulssikulmaa voidaan suurentaa lisäämällä B 1 :n amplitudia tai pulssin kestoaikaa p (kts. yhtälö s. 209) z z z M 0 M -y B 1 M - y = M 0 y B 1 y B 1 y x x x -M 0 Makroskooppinen magnetisaatio M 0 x -pulssin jälkeen M 0 90 x -pulssin jälkeen M 0 180 x -pulssin jälkeen x -pulssi B 1 on x -akselin kanssa yhdensuuntainen ja pulssin kulma on -astetta 90 x -pulssin jälkeen M z = 0 ja N alempi sekä N ylempi sisältävät yhtä paljon spinejä 180 x -pulssi kääntää populaatiot N alempi ja N ylempi täsmälleen päinvastoin 210

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.1 Pulssi z Transversaalinen magnetisaatio on ratkaisevan tärkeä NMRsignaalin havaitsemisen kannalta y Vastaanottimen kela sijaitsee xy-tasossa, eli havaitaan transversaalisen magnetisaation indusoimaa signaalia x M y Pulssin jälkeen makroskooppisen magnetisaation vektori M 0 (kuten myös yksittäiset spinit) jatkavat prekessointia z-akselin ympäri Larmor-taajuudella L M x 211

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.2 Relaksaatio Pulssin jälkeen makroskooppisen magnetisaation vektori M 0 (kuten myös yksittäiset spinit) prekessoi z-akselin ympäri Larmor-taajuudella L M z z M 0 M 0 :n orientaatio voidaan kuvata stationaarisessa koordinaatistossa millä hetkellä hyvänsä komponenttien M x, M y ja M z avulla x M x M y y Spinsysteemi palaa takaisin tasapainotilaan ns. relaksaatioprosessien kautta M z palaa alkuperäiseen arvoonsa M 0 ja M x sekä M y lähestyvät nollaa 212

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.2 Relaksaatio F. Blochin mukaan relaksaatio on ensimmäisen kertaluokan prosessi ja sitä kuvaavat relaksaatioajat T 1 ja T 2 Blochin yhtälöt relaksaatiolle pyörivässä koordinaatistossa dm z /dt = M z M 0 /T 1 dm y /dt = M y /T 2 T 1 = Spin-hila eli longitudinaalinen relaksaatioaika (nopeusvakio T 1 1 ) dm x /dt = M x /T 2 T 2 = transversaalinen relaksaatioaika (kutsutaan myös spin-spin relaksaatioksi, huono termi) (nopeusvakio T 2 1 ) 213

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.2 Relaksaatio Longitudinaalinen relaksaatio aiheutuu säteilytettävien ytimien vuorovaikutuksesta hilan (ympäristön) kanssa M 0 :n alkuperäinen arvo z Pulssista absorboitu energia siirtyy ympäristöön M 0 M z Longitudinaalinen komponentti M z palaa alkuperäiseen arvoonsa M 0 x y 214

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.2 Relaksaatio Transversaalinen relaksaatio aiheutuu siitä, että ytimien prekessiot pyrkivät liukumaan pois samasta vaiheesta x,y-tasossa ollut transversaalinen magnetisaatio tuhoutuu (entropiaprosessi) y M 0 = M - y M - y y y x x x 215

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.3 Aika- ja taajuusspektrit Tranversaalisen magnetisaation vastaanottimen kelalle indusoima signaali on muodoltaan aikaspektri Vapaan induktion vaimeneminen, free induction decay eli FID-signaali FID muutetaan taajuusspektriksi matemaattisella operaatiolla, jota kutsutaan Fourier-muunnokseksi FID sisältää koko spektriä varten tarvittavan informaation ja se vaimenee ajan funktiona g ( ) = - + f (t )e i t dt f (t ) vastaa aikaspektriä ja g ( ) taajuusspektriä 216

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.3 Aika- ja taajuusspektrit g ( ) on kompleksifunktio, eli se muodostuu reaalisesta Re ja imaginaarisesta Im osasta, joiden vaihe-ero on 90 Reaalinen osa antaa absorptiosignaaleja ja imaginaarinen osa dispersiosignaaleja Normaalisti 1D NMR-spektrit esitetään absoptiomuodossa Detektiomenetelmästä johtuen signaalit yleensä sisältävät Fourier-muunnoksen jälkeen sekä absorptio- että dispersiokomponentteja Dispersiokomponentit poistetaan ns. faasikorjauksen avulla Absorptiosignaali Dispersiosignaali 217

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.3 Aika- ja taajuusspektrit Kantoaallon taajuus 1 on sama kuin ytimen i resonanssitaajuus i (yksi NMR-siirtymä) M y 1 eroaa hieman i :stä (yksi NMR-siirtymä) 1/ t Useita resonanssitaajuuksia sisältävä FID (interferogrammi) ja vastaava taajuusspektri t FID FT t FT FT Taajuusspektri 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 i = 1 i 1 218

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.4 Pulssikulman määrittäminen 1 NMR-signaalin riippuvuus pulssikulmasta = B 1 t p B 1 on vakio ja pulssin kestoa lisätään 1 s askelissa p [ s] 180 x -pulssi ei anna signaalia p 16 s 20 25 30 5 10 15 90 x -pulssi antaa maksimisignaalin p 8 s 219

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.5 Spektrin kerääminen Signaali-kohinasuhteen parantamiseksi kerätään yleensä useita FID-signaaleja ennen Fourier-muunnosta Mittauksen aikana kaikilla tutkittavilla spineillä pitää olla sama Larmor-taajuus, eli kentän tulee olla homogeeninen Magneettikentän on pysyttävä stabiilina pitkienkin keräysten aikana Magneettikentän homogeenisuutta säädetään ns. shimmauskelojen avulla Kentän stabiloimiseen käytetään ns. kenttä/taajuuslukkoa omogeenisuutta voidaan myös lisätä pyörittämällä näytettä Lukko pitää yllä resonanssiehtoa erillisessä NMR-kokeessa, joka on käynnissä rinnakkain oikean mittauksen kanssa Keräysaika (aquisition time) on aika, joka kuluu FID:in keräämiseen ja sen tallentamiseen digitaalisessa muodossa (verrannollinen muistipaikkojen määrään) Yleensä lukkosignaalina käytetään deuteroidun liuottimen 2 -resonanssia Muistipaikkojen määrä valitaan spektrin leveyden mukaan 220

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.5 Spektrin kerääminen Käytännössä usein uusi pulssi seuraa heti kun edellisen FID on kerätty ja tallennettu Koska magnetisaatio pienenee relaksaation kautta ajan funktiona, sisältää FID:n loppuosa suhteessa enemmän kohinaa kuin alkuosa M z ei saavuta arvoa M 0 FID:n pienenemisnopeuden määräävät relaksaatioaika T 2 ja kentän epäpähomogeenisuudet ( B 0 ) x, y -Tasoon jää transversaalisen magnetisaation komponenttien M x ja M y jäänteitä Systeemin pitäisi antaa palautua tasapainotilaan ennen uutta pulssia Nykyaikaisissa NMR-laitteissa käytetään ns. PFG-(pulsed field gradient)tekniikkaa poistamaan ei-halutut transversaalisen magnetisaation komponentit 221

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.6 Pulssi-NMR-spektrometri Magneetin kelat Näyte Näytteen vaihdin Kryomagneetilla varustettu pulssi- NMR-spektrometri e e Näytteenvaihdin N 2 täyttö e täyttö Magneetti N 2 N 2 Shimmauskelat Probe Esivahvistin Esivahvistin Probe Lähetin Vahvistin/ vastaanotin Elektroniikka (mm. lähetin ja vastaanotin) Shimmauskelat Tietokone Tulostin 222

4. NMR-Spektroskopia 4.4 Pulssi-NMR 4.4.7 Esimerkki pulssi-nmr-mittauksesta: 1 NMR 90 x FID 1 FT d1 p1 aq 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 ppm p1 p1 p1 p1 d1 d1 d1 d1 ze aq aq aq aq wr#0 exit Aika 223