Analytisk kemi spektrometri

Detta känns som en ganska avancerad uppgift för den nivå du lagt frågan. Jag skall försöka hjälpa dit uttyda lite mer detaljer ur spektrogrammen - blev svaret för komplicerat får du säga till. Om du funderat vidare och fastnar är det bara att skriva igen.

Superkemisten skrev:

Hej jag försöker bestämma organiskt ämne utifrån dessa spektrum (IR, H-NMR och MS), men tycker det är väldigt svårt. Jag har börjat såhär, men behöver hjälp att komma vidare för att lösa uppgiften.

Här tänker jag att runt 3000 kan det vara en OH-grupp, eller C-H grupp. Vid 1750 skulle det kunna vara en karbonylgrupp? karboxylsyra? eller ester?

Du är inne på rätt spår. Signaler kring 1750 är typisk för vibrationerna mellan C och O i karbonylgruppen (och IR passar därför bra som metod för att identifiera molekyler med denna funktionella grupp). Den breda och ganska intensiva signalen kring 3000 är typisk för vibrationer mellan O och H, motsvarande i hydroxigruppen som du nämnde.

Signalerna 3000 och 1750 är de mest dominanta, men de två skarpa signalerna vid ca 1300-1400 innehåller också information (som kanske inte är nödvändig för att dra slutsatsen om vilket ämne det är, men de hjälper till).

 

 

molekylmassan är enligt detta 60u? tänker att propanol har ju samma? Sen finns det mindre funktionella grupper som har molekylmassan 45; 43 ; 28 ; 15 u? Topparnas höjd anger väll även relativiteten? då kanske det skulle kunna finnas en OH-grupp vilket har molmassan 17g/mol. toppen vid 43 skulle det kunna innebära att det är en propyl-grupp? dvs att OH-gruppen spjälkats av? Vad signalerar de massa andra små topparna?

Molekylmassan passar för propanol, och intensiteten vid 3000 i IR spektrumet passar - men det gör inte karbonylgruppens vibrationstopp vid 1750. Så det kan inte vara propanol.

 

NMR-spektrat ovan tycker jag är svårast, hur ska jag tolka det? Det är en hög topp vid 2 ppm. Indikerar det en alkyn? eller alken? ester? karboxylsyra? alkohol? Sen är det även två små toppar bredvid den högsta, är de relevanta? och vad kan toppen vid lite mindre än 12 indikera för något?

Det är en helt dominant topp (den är dock "splittad", det finns en lite lägre topp precis till vänster om den stora. Men dessa två toppar är så nära varandra att du kan betrakta dem som en och samma topp). Att det finns en enda topp visar att de vätekärnor som ger signalen har precis samma miljö. Vätekärnorna känner m.a.o. endast av en typ vätekärna, och denna vätekärna har precis samma miljö. Detta sker t.ex. för vätekärnorna i en metylgrupp, som endast känner av varandra. Var och en av dessa tre vätekärnor i metylgruppen känner av de två andra kärnorna, precis så är det för alla vätekärnor. Så därför sammanfaller signalen från var och en av de tre vätekärnorna på precis samma plats, och amplituden blir då också hög - precis som du ser.

Den lilla toppen vid 11.5 ppm är en enda vätekärna, som inte riktigt känner av någon annan proton. Men denna signal ger en indikation av att det finns en ytterligare vätekärna (som ligger för långt bort från de andra vätekärnorna, de som ger den höga toppen vid 2 ppm.

Vilket kan det organiska ämnet vara?

Nu har du lite mer information från spektrogrammen, blir det enklare nu att lista ut vilken organisk molekyl det är?

Tack så jätte mycket!! Vi har detta som ett relativt stort projekt i kemi 2 i årkurs två, så nivån borde väll vara okej. 

Jag funderade vidare och tänkte att det kan vara ättiksyra (etansyra)? Alltså innehåller den en karboxylgrupp (karbonylgrupp + OH grupp) vilket IR spektrumet tyder på. De två skarpa signalerna vid 1300-1400 kan ju också indikera på en karboxylgrupp? Kan man säga att det också indikerar att det är ättiksyra? Eller om flera signaler förekommer för samma funktionella grupp betyder väll inte det att det finns fler av samma?

Jag förstår inte riktigt vad du menar med "men det gör inte karbonylgruppens vibrationstopp vid 1750. Så det kan inte vara propanol." och varför de utesluter propanol? jag tänker däremot att MS-spektrumet också visar på ättiksyra, för ifall t.ex OH-gruppen spjälkas av så har ju fragmentet molekylmassan 43u? jag förstår heller inte hur jag ska tolka de mindre topparna, om man säger de som är väldigt små runtomkring de större, t.ex vid 15u eller 29u.

För NMR; vad menas med att de två vätekarnorna har samma kemiska miljö? skulle det kunna vara för de två väten som sitter på kolet i mitten (om molekylen skulle vara etansyra)? eller blir det för kolet "längst bort"? Tack så jätte mycket för tolkningen av NMR, nu förstår jag verkligen hur jag kan resonera utifrån det.

Tror du att det skulle kunna vara ättiksyra? har du några fler exempel som kan styrka den teorin?

Sen undrar jag även vad som är smartast sätt att presentera analysen/resultatet på? Är det bäst att t.ex bara resonera, eller ha färgkodning med tabeller? eller både och? Om man tänker att det ungefär ska vara en labbrapport.

Superkemisten skrev:

Tack så jätte mycket!! Vi har detta som ett relativt stort projekt i kemi 2 i årkurs två, så nivån borde väll vara okej. 

Jag funderade vidare och tänkte att det kan vara ättiksyra (etansyra)? Alltså innehåller den en karboxylgrupp (karbonylgrupp + OH grupp) vilket IR spektrumet tyder på. De två skarpa signalerna vid 1300-1400 kan ju också indikera på en karboxylgrupp? Kan man säga att det också indikerar att det är ättiksyra?

Ja kombinationen av karbonylgrupp och alkohol stämmer in med en karboxylsyra, vars funktionella grupp består av (kan "delas upp i") båda karbonyl-/hydroxigrupper. Så allt tyder på att det är en karboxylsyra, men för att veta vilken karboxylsyra det är behövs de andra spektrumen (propansyra skulle ge ett liknande IR spektrum).

Eller om flera signaler förekommer för samma funktionella grupp betyder väll inte det att det finns fler av samma?

Nej finns det flera av samma funktionella grupp sammanfaller signalerna, och oftast fås då en högre amplitud istället för fler toppar.

 

Jag förstår inte riktigt vad du menar med "men det gör inte karbonylgruppens vibrationstopp vid 1750. Så det kan inte vara propanol." och varför de utesluter propanol?

Tänk lite så här - om det finns en signal från en karbonylgrupp i ditt IR-spektrum, så finns denna grupp i ditt ämne. Och finns karbonylgrupper i propanol? Det blir lite av en uteslutning av tänkbara ämnen, tills du har kvar ett ämne som passar (bäst).

jag tänker däremot att MS-spektrumet också visar på ättiksyra, för ifall t.ex OH-gruppen spjälkas av så har ju fragmentet molekylmassan 43u? jag förstår heller inte hur jag ska tolka de mindre topparna, om man säger de som är väldigt små runtomkring de större, t.ex vid 15u eller 29u.

Ja massan stämmer bra med ättiksyran (och den passar även med propanolen, men den kan du utesluta med de andra spektrumen). Vi MS fragmenteras molekylen till mindre delar genom att (oftast) en bindning bryts - så titta på strukturen för ämnet du misstänker att det är, ättiksyran. Om du delar upp molekylen i delar, kan du skapa motsvarande från ättiksyran? Om det bildas ett fragment på 43u, så bildas det ju ett motsvarande mindre av resten av molekylen...

För NMR; vad menas med att de två vätekarnorna har samma kemiska miljö? skulle det kunna vara för de två väten som sitter på kolet i mitten (om molekylen skulle vara etansyra)? eller blir det för kolet "längst bort"? Tack så jätte mycket för tolkningen av NMR, nu förstår jag verkligen hur jag kan resonera utifrån det.

I ättiksyran finns det endast två typer av vätekärnor - den enda som sitter på hydroxigruppen, och de tre som är en del av metylgruppen. Vid endimmensionell 1H (vanligaste väteisotopen) NMR brukar vätekärnorna "känna" av andra vätekärnor upp till tre bindningar bort (detta är den förenklade förklaringen, mer detaljer kommer på motsvarade universitetsnivå). När du tittar på strukturen av ättiksyran, ser du att de två typerna av vätekärnor separerade av fyra kovalenta bindningar - så de känner inte av varandra.

Men vätekärnorna i metylgruppen känner av varandra, en av dessa känner av de två andra. Och då dessa vätekärnor har samma kemiska (när)miljö kommer de ge samma signal. Och eftersom denna signal sammanfaller fås en så hög amplitud.

I vilka "kemiska miljöer" ger vätekärnor en signal vid 11-12 ppm? Det är den andra toppen, som också innehåller information om din molekyls struktur.

Tror du att det skulle kunna vara ättiksyra? har du några fler exempel som kan styrka den teorin?

Sen undrar jag även vad som är smartast sätt att presentera analysen/resultatet på? Är det bäst att t.ex bara resonera, eller ha färgkodning med tabeller? eller både och? Om man tänker att det ungefär ska vara en labbrapport.

Ofta i undervisningsmaterial brukar spektrumen visas, och de delar av molekylen som ger toppen ritas ut bredvid respektive topp (t.ex. vid 2 ppm kan du rita ut en metylgrupp för att förklara tolkningen av NMR spektrogrammet).

Okej, tack, vad bra!

Men det är ju i IR-spektrumet som karbonylgruppen visar sig, menar du då att man kan utesluta propanol i IR-spektrumet? (blev lite förvirrad då du skrev den kommentaren under MS.)

Vilken ordning brukar man presentera diagrammen i? IR till MS till NMR?

Och när man t.ex kommit fram till att det är en karboxylsyra? och man har en teori om att det är ättiksyra, ska man då endast försöka bevisa det eller brukar slutsatsen endast komma precis i slutet?

Superkemisten skrev:

Okej, tack, vad bra!

Men det är ju i IR-spektrumet som karbonylgruppen visar sig, menar du då att man kan utesluta propanol i IR-spektrumet? (blev lite förvirrad då du skrev den kommentaren under MS.)

Ah okej. Och baserat på IR spektrumet kan du utesluta propanol, men det gäller även för NMR spektrummet (där det skulle blivit flera toppar, i och med att det finns flera "typer" av kemisk miljö för vätekärnorna).

Vilken ordning brukar man presentera diagrammen i? IR till MS till NMR?

Och när man t.ex kommit fram till att det är en karboxylsyra? och man har en teori om att det är ättiksyra, ska man då endast försöka bevisa det eller brukar slutsatsen endast komma precis i slutet?

Som du redan märkt kan identiteten inte bestämmas med endast ett spektrum, samtliga bidrar med information, så du får välja ordningen själv.

Om spektrumen stämmer med ett ämne, blir det motiveringen till varför det stämmer. Men finns det liknande ämnen är det nog bra att nämna det och motivera varför det ämnet inte stämmer, som propanolen. Och t.ex. propanal passar vissa detaljer men inte alla, så det ämnet kan precis som propanolen uteslutas. Glycolaldehyde/hydroxietanal passar lite bättre in på de spektra du har än propanolen, men inte alla delar.

Ättiksyran är det enda ämnet som du vet passar (men det kan teoretiskt vara andra ämnen). Vid analys av ämne(n) har man oftast en aning om vilket/vilka ämnen det kan vara, och det gör slutledningen enklare. Nu tror jag inte heller att din kemilärare givit er spektra för en mer klurig/knepig kemisk förening, och ättiksyran passar in på samtliga spektra, så du behöver nog inte klura allt för hårt på ytterligare alternativ.

Okej, det kan dock vara bra att anlalysera om andra möjliga ämnen. 

I IR-spektrat skulle det ju kunna tolkas som en glycoaldehyd, eftersom toppen vid 1760 indikerar på en aldehyd eller karbonylgrupp och toppen vid 3000 visar på en OH grupp. och det har också molekylmassan 60 u, vilket visas i MS. Menar du då att det är NMR-spektrat som utesluter det ämnet? hurdå? för 2-4 ppm visar på R-OH grupp? är det för att den molekylen inte kan innehålla en metylgrupp? som utesluter?

Kan man ytesluta glycoaldehyde, eftersom då borde spektrumet gett tre toppar då det finns vätekärnor i tre olika miljöer?

Superkemisten skrev:

Kan man ytesluta glycoaldehyde, eftersom då borde spektrumet gett tre toppar då det finns vätekärnor i tre olika miljöer?

Precis du borde få en till topp, från vätekärnorna på kol 2. Men de andra topparna skulle vara splittade (kanske "delade" eller "splittrade" toppar på svenska), eftersom vätekärnorna känner av varandra:

vätekärnan på hydroxigruppen känner av vätekärnorna på kol 2 (-CH2-).

vätekärnorna på kol 2 känner av både vätekärnan på hydroxigruppen, och den ensamma vätekärnan på kol 1 (den som en del av karbonylgruppen). 

Hydroxigruppens vätekärna skulle ses för både ättiksyran och glycoaldehyden, men ditt spektrum har endast en till topp. Så det finns inga andra vätekärnor mellan metylgruppens och hydroxigruppens vätekärnor (i.a.f. är dessa längre bort från varandra än 3 bindningar).

Okej toppen, ämnet måste ju då vara ättiksyra, eller finns det något yttligare ämne som du misstänker, men som kan uteslutas? T.ex någon form av karboxyl, aminsyra? Det visar t.ex IR-spektrumet på. Eller det kanske inte är relevant att ta upp?

Vilken massa har den minsta aminosyran glycin? Och om du tittar på strukturen av en aminosyra så finns det många vätekärnor med olika kemisk miljö, så NMR spektrumet skulle få många fler toppar.

Så ja ditt ämne är ättiksyra. Det finns ytterligare två toppar i en del av IR spektrumet, som brukar kallas finger print region på engelska (fingeravtrycksregion, d.v.s. den region av spektra som brukar vara unik för ett ämne, det kan gå att identifiera ämnet med endast denna). 1400 och 1300 topparna är tydliga och nog motsvarar böjningsvibrationer av bindningen mellan syre och väte i OH-gruppen, och utdragning av kol-syre bindningen respektive.

En till förening som också passar nästan helt (men inte helt) är estern metylformiat.

mag1 skrev:

En till förening som också passar nästan helt (men inte helt) är estern metylformiat.

Okej, den passar in både på MS och IR, men inte på NMR? Den har ju även en metylgrupp vilket passar med NMR, vad är det som gör att den till slut faller bort? Skulle du anse att den är värd att ta upp i analysen? eller är det inte nödvändigt?

jag mena NMR

Superkemisten skrev:

mag1 skrev:

En till förening som också passar nästan helt (men inte helt) är estern metylformiat.

Okej, den passar in både på MS och IR, men inte på NMR? Den har ju även en metylgrupp vilket passar med NMR, vad är det som gör att den till slut faller bort? Skulle du anse att den är värd att ta upp i analysen? eller är det inte nödvändigt?

 

Ditt IR spektrum har bred topp vid 3000, som passar med hydroxigruppen i karboxylsyran. C-H brukar ha skarpare topp vid 2900, så vore det metylformiat skulle denna topp vara vassare.

För estern borde NMR signalen från metylgruppen vara förskjuten uppåt, och vätekärnan på karbonylgruppen tillkommer. Och hydroxigruppens signal finns inte längre.

MS spektrogrammet kommer även skilja sig åt, inte för toppen med den största m/z värdet, men för fragmenten som bildas.