Analytische Chemie
Die Analytische Chemie ist das Teilgebiet der Chemie, das sich mit der Zusammensetzung und der Quantifizierung der Stoffe beschäftigtZusammensetzung und der Quantifizierung der Stoffe beschäftigt.
Elementaranalyse nach Lavoisier
1
800 MHz NMR Spektrometer
Chemisch-Geowissenschaftliche FakultätInstitut für Anorganische und Analytische Chemie
Ankündigung für das Sommersemester 2009:
Vorlesungen und Übungen
„Analytische Qualitätssicherung“
Vortragende: Frau Dr. Sabine Geiß, Thüringer Landesanstalt für Umwelt und GeologieHerr Dr. Manfred Reichenbächer
Ort: Hörsaal Fraunhoferstraße 6Zeitpunkt: ab 06. Mai 2009, mittwochs 16:00 Uhr
Am Ende der Veranstaltung kann ein Zertifikat erworben werden.Alle interessierten Studentinnen und Studenten sind zu dieser Veranstaltung herzlich eingeladeneingeladen.
Analytische Chemie II
1 Historischer Überblick1 Historischer Überblick
2 Massenspektrometrie
3 NMR
4 IR /UV ( b i B d f)4 IR /UV (nur bei Bedarf)
5 Fluoreszenz-, Lumineszenz- und Phosphoreszenzspektroskopie
6 Sensoren
7 Oberflächenanalytik
8 Festkörperanalytik
3
8 Festkörperanalytik
Literatur zu dieser Vorlesung
Allgemein:
Analytische Chemie (Taschenbuch) von Matthias Otto
Analytical Chemistryvon Robert A. Kellner, Jean-Michel Mermet, Matthias Otto
Bioanalytikvon Friedrich Lottspeich, Haralabos Zorbasvon Matthias Otto
EUR 55,00Michel Mermet, Matthias OttoEUR 82,90 Eur 89,50
4Relevante Literaturzitate stehen hier
Literatur zu dieser Vorlesung
Strukturaufklärung:
The SpectrometricSpektroskopische Methoden in der organischen Chemie
The Spectrometric Identification of Organic Compounds (Gebundene Ausgabe)(Taschenbuch)
von Manfred Hesse, Herbert Meier, Bernd ZeehE 69 95
(Gebundene Ausgabe)
von Robert M. Silverstein
EUR 59
5Relevante Literaturzitate stehen hier
Eur 69,95
Literatur zu dieser VorlesungStrukturaufklärung:
Strukturanalytik organischer und anorganischer Verbindungen: Ein Übungsbuch
Classics in Spectroscopy: Isolation and Structure Elucidation of Natural ProductsÜbungsbuch
Manfred Reichenbächer, Jürgen Popp
Elucidation of Natural Products
Stefan Berger, Dieter Sicker
6Relevante Literaturzitate stehen hier
Preis: EUR 41,00 Preis: EUR 79,00
Literatur zu dieser Vorlesung
Speziell:
Mass Spectrometry. A T tb k Basic 1 and 2 Textbook von Jürgen H. GrossEur. 64,15
Dimensional NMR Spectroscopy von Horst FriebolinEur. 54,90
7Relevante Literaturzitate stehen hier
Strukturaufklärung historisch
Ch kt i i S b t h ih G h k d G hCharakterisierung von Substanzen nach ihrem Geschmack und Geruch war weit verbreitet …
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Strukturaufklärung historisch
Ch kt i i S b t h ih G h k d G hCharakterisierung von Substanzen nach ihrem Geschmack und Geruch war weit verbreitet …… und ist auch heute in bestimmten Bereichen unerlässlich
9
Strukturaufklärung historisch
Verbrennung
Lavoisier 1789Nach Verbrennung kondensiert Wasser in Kühler,CO2 wird mit KOH gefällt.Somit Gehalt von Wasserstoff und Kohlenstoff ermittelbar
10"Traité Élémentaire de Chimie" (1789) vol. II, chap.VII, p. 493-501
CO2 mit KOH ausfällen
Strukturaufklärung historisch
V b d hVerbesserungen durch Gay-Lussac, Proust...
...und Liebig (1831) mit volurimetrischer Erfassung von gStickstoff:"Ich glaube nur, dass sie unter den schlechten die am wenigsten
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schlechte ist."
Strukturaufklärung historisch
"Ich glaube nur, dass [diese Methode] unter den schlechten die am wenigsten schlechte ist."
12Faksimile: http://gdz.sub.uni-goettingen.de/no_cache/dms/load/img/?IDDOC=293888
Strukturaufklärung heute
CHN Analyzer: Auch über Verbrennungsanalytik und Wärmeleitfähigkeitsdetektoren
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Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
14Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
15Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
16Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
Mannose und Glucose geben das identische Osazon
17Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
NUR AN C2 UNTERSCHIEDLICH
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
Mannose und Glucose geben unterschiedliche ZuckersäurenBeide sind optisch aktiv also nicht die meso-Verbindungen
18Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Beide sind optisch aktiv also nicht die meso-Verbindungen
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
Glucose kann in "Kopf Schwanz Isomer" umgewandelt werdenAusschluss aller möglichen Zuckersäuren bis auf zwei
19Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Ausschluss aller möglichen Zuckersäuren bis auf zwei
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
Xylose kann in Gulose umgewandelt werden
20Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Xylose kann in Gulose umgewandelt werden
Strukturaufklärung historisch
Mit Derivatisierung und Summenformel konnte die Struktur von vielen Verbindungen aufgeklärt werden.
Beispiel: E.O. Fischers Struktur der Glucose 1884-1891
Xylarsäure ist optisch inaktiv
21Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
Puzzle führt zur relativen Konfiguration von Glucose
Strukturaufklärung Heute
HR MSSummenformel
Einige μg Zucker
NMR Struktur
Chiroptische Methoden oder NMR Shiftreagenzien zur Absolutkonfiguration
22Chemie in unserer Zeit 2002, 6, 390ff
g
Strukturaufklärung historisch
Röntgenstrukturanalyse: Laue-Diagramme mit Einkristallen und Debye-Scherrer-Aufnahmen mit Kristallpulvern auswertbar (1912)
Laue, W. H. und W. L. Brigg
Diamant (Ernst Mohr (1918))
Laue, W. H. und W. L. Brigg (Nobelpreise 1914 und 1915)
Röntgenstrahl wird durch einen Kristall geschickt, gebeugt und das so entstehende Interferenzmuster aufgezeichnet. Die Interferenzerscheinungen lassen sich durch die
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Streuung der Röntgenstrahlen an den Elektronenhüllen der Kristallatome erklären.
Ernst Mohr [J. Prakt. Chem.[2] 98, 315 (1918)]
Strukturaufklärung
Ziel: Ermittlung der Anordnung und Verknüpfung elementarer Bausteine (Atome, g g p g ( ,funktionelle Gruppen oder auch Elektronen.
Immer berücksichtigen: Naturgesetze, chemische Reaktivität und chemischen Sachverstand.
Beugungsmethoden (Röntgen- und Neutronenbeugung)
Optische Methoden die den Prinzipien der Emission bzw. Absorption folgen (z.B. Infrarotspektroskopie, UV-Spektroskopie)
Molekülspektrometrische Methoden (z.B. Kernmagnetische Resonnanz (NMR) und Massenspektrometrie (MS)).
24
Massenspektrometrie
25http://masspec.scripps.edu/ Georg Pohnert
Massenspektren
100 55 70D
Elektronenstoss-Ionisation
nt. (
%)
41Cl
D
D
rel.
I
83
148106112 150
D
O+ HOOC
OH
0
Elektrospray-Ionisation
40 60 80 100 120 140 160 180
150
m/z
HOOC
O
0100 209 [M+H]+
50
l. In
t. (%
)
Massenspektrum: 2D-Darstellung in der relative Signalintensität gegen Masse /
0
re Ladungsverhältnis aufgetragen wird
26
100 140 180 220 260m/z
0
Massenspektrometrie
Untersuchungen zur elektrischen Leitfähigkeit von Gasen
"At first there were very few who believed in the existence of these bodies smaller than atoms. I was even told long afterwards by a distinguished physicist who had been present at my [1897]
J.J. Thomson(Nobelpreis 1906)
lecture at the Royal Institution that he thought I had been pulling their legs."
(Nobelpreis 1906)
Bau des ersten Massenspektrometers (1910) womit die Trennung der Neon Isotope 20 und 22 gelang
27www.nobelprize.org
Massenspektrometrie
Francis William AstonFrancis William Aston(1877 - 1945)
Cambridge University
Nobel Preis in Chemie, 1922:"For his discovery, by means of his mass spectrograph, of
isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for p , g ,his enunciation of the whole-number rule."
Weist 212 natürlich auftretende Isotope nach
28www.nobelprize.org
Massenspektrometrie
Wolfgang Paul(1913 - 1993)
Universität Bonndund
Hans Georg Dehmelt1922-
University of WashingtonUniversity of Washington
Nobel Preis in Physik, 1989"For the development of the ion trap technique "For the development of the ion trap technique.
29www.nobelprize.org
Massenspektrometrie
John B. Fenn*1917
Virginia Commonwealth UniversityElektrospray Ionisierung
Koichi Tanaka*1959
Shimadzu Corporation, JapanMALDI
Nobel Preis in Chemie 2002
"For the development of soft desorption ionisationFor the development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological
macromolecules."
30www.nobelprize.org
Thompson 1897, 1913
Auftrennung von KathodenstrahlenAuftrennung von Kathodenstrahlen (Elektronen) im elektrischen Feld
31
Thompson 1897, 1913
Auftrennung von KathodenstrahlenAuftrennung von Kathodenstrahlen (Elektronen) im elektrischen Feld
Beobachtung vonBeobachtung von komplexeren Kanalstrahlen
32
MassenspektrometrieGrundvoraussetzung: Gutes Vakuum
Vorpumpe
10-4-10-9 Pa
10-1 Pa
33
Turbomolekularpumpe
http://masspec.scripps.edu/
MassenspektrometrieEinlass: z.B. Vakuumschleuse
34Gross, Mass Spectrometry
Massenspektrometer
Schematische Darstellung einer EI I ll
... und so sieht sie ausIonenquelle
35
Ionisierungsenergie
E = Energie, D = Dissoziationsenergie, r = Bindungslängen (r0 im Grundzustand...)
36
E Energie, D Dissoziationsenergie, r Bindungslängen (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie
Ionisierungsenergie
37
Ionisierungsenergie
38
Ionisierungsenergie
39
Ionisierungsenergie
40
Ionisierung
Formel Bindungslängen Ladungsverteilung
Die Geometrie ist verzerrt und die Ladung nicht an der Stelle lokalisiert, die man vom Formelbild aus erwartet
41
Ionisierungsenergie
E = Energie, D = Dissotiationsenergie, r = Abstand (r0 im Grundzustand...)
42
E Energie, D Dissotiationsenergie, r Abstand (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie
Ionisierungsenergie
E = Energie, D = Dissotiationsenergie, r = Abstand (r0 im Grundzustand...)
43
E Energie, D Dissotiationsenergie, r Abstand (r0 im Grundzustand...)Linien: Schwingungsangeregte Zustände, IE = Ionisierungsenergie
Ionisierungseffizienz
Ionisierungsquerschnitt ist die Fläche durch die Elektron treten muss, um mit dem Neutralteilchen zu reagieren
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mit dem Neutralteilchen zu reagieren
Massenspektren
100 55 70 DElektronenstoss-Ionisation
nt. (
%)
41Cl
D
Elektronenstoss-Ionisation
rel.
I
83
148106112 150
D
0
Bis jetzt:
40 60 80 100 120 140 160 180
150
m/z
0100 209 [M+H]+
OOH
50
l. In
t. (%
)
Elektrospray-Ionisation+ HOOC
O0
re
p y
45
100 140 180 220 260m/z
0
Fragmentierung
46
Fragmentierung
47
Ionisierung
Formel Bindungslängen Ladungsverteilung
Die Geometrie ist verzerrt und die Ladung nicht an der Stelle lokalisiert, die man vom Formelbild aus erwartet
48
Fragmentierung
H
H H
H2CO
CH3O+
Mass: 31
HH
H2O Mass: 18
H
Mass: 31
OHH
C3H6+•Mass: 42
H
Mass: 42
M=60
49
M=60
Zeitskala der Massenspektrometrie
50
Zeitskala der Massenspektrometrie
M t t bil I b k i h f Si l d i t f d WMetastabile Ionen geben kein scharfes Signal, da sie erst auf dem Weg zum Detektor entstehen. Beispiele:
51
Isotopenmuster
CHBCHBr3
Die Massenspektren spiegeln das Isotopenverhältnis wieder
52
Isotopenmuster
Die Massenspektren spiegeln das Isotopenverhältnis wieder
53
Isotopenverteilung
C5 C20 C60 C90 C120
Bei grösseren Molekülen kann selbst mit 1.1% statistischer Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines 13C das schwerere Isotop dominieren
54
Web basierte Werkzeuge in der MS
z.B. Isotopenverteilungsberechnung:http://www2 sisweb com/mstools/isotope htmhttp://www2.sisweb.com/mstools/isotope.htm
55
Web basierte Werkzeuge in der MShttp://www.sisweb.com/referenc/tools/exactmass.htm
56
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
Proben werden verbrannt, CO2 dann mit Gesteinsprobe oder Referenzgas verglichen
57
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
Proben werden verbrannt, CO2 dann mit Gesteinsprobe oder Referenzgas verglichen
58
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
59
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
Echtheitsbestimmung von VanillinOH
OCH3Bedarf 12.000 t paProduktion aus Vanilleschoten 40 t pa
3
CHO
δ13C[‰]V-PDBHerkunft16 8 21ll h
-29.9 to -31.7Eugenol-16.8 to -21.5Vanilleschote
-26 5 to -28 7Lignin (Holz)-24.9 to -36.2Guajacol
60
-26.5 to -28.7Lignin (Holz)
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
Floyd Landis Testosteron Testepi
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Testosteron T/E > 6 Verdachtsmoment
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
62
Isotopenverhältnis Massenspktrometrie
Floyd Landis Testosteron Test
Vergleich der IsotoensignaturCholesterol/Testosteron
63
Untersuchung der Zugvogelwanderung
64Hobson and Wassenaar, Oecologia, 1997, 109, pp 142ff
Untersuchung der Zugvogelwanderung
65
Halogenierte Verbindungen
CH Br CHBrCH3Br CHBr3
CH2Br2 CBr4
66
Halogenierte Verbindungen
CH Cl CHClCH3Cl CHCl3
CClCH2Cl2 CCl4
67
Komplexe Verbindungen können überprüft aber selten modelliert werden
68
Bei abnormal hohen M+2 Verdacht auf S oder Si
69
Isotopenmarkierung zur Aufklärung der Biosynthese
100 76
81 93
el. I
nt.
81 9391
6653
686551re
40 60 80 100 120
51
41 122104
40 60 80 100 12077
83 94
100
6942 51 9155 66
65
rel.
Int.
m/z
106 124122
40 60 80 100 120
+ Markierte Fettsäure
70
Isotopenmarkierung zur Q tifi iQuantifizierung von Proteinexpression
Biotin kann mit AffinitätschromatographieBiotin kann mit Affinitätschromatographie aufgereinigt werden.
Proteine haben SH Gruppen in Cystein dieProteine haben -SH Gruppen in Cystein, die mit dem Iodid reagieren.
71Nature Biotechnology 17, 994 - 999 (1999)
Isotopenmarkierung zur Aufklärung von Metabolismus
Testperson trinkt doppelt isotopenmarkiertes Wasser (2H2
18O) Testperson trinkt doppelt isotopenmarkiertes Wasser (2H2
18O)
Urin wird mit MS untersucht und daraus auf das gesamte Körperwasser geschlossen
p ( 2 )
Körper produziert CO2 und H2O. Beide mit 18O markiert Körperwasser geschlossen CO2-Produktion ist mit Energieverbrauch korreliert. Das 2H:18O Verhältnis im Urin erlaubt
72http://www.iaea.org/
Rückschlüsse auf Energieverbrauch
Isotopenmarkierung zur Aufklärung von Metabolismusss
ene
ller M
aon
nom
inic
hung
vo
Abw
ei
Nominelle Masse [u]
73http://www.iaea.org/
Hochaufgelöste Massenspektrometrie
Die Masse des Molekülions wurde zu 415 12111 u bestimmtDie Masse des Molekülions wurde zu 415,12111 u bestimmt. mass matching (automatisiert)-----------------------------------------------------------------------------------
Mass Calculated ppm mmu FormulaMass Calculated ppm mmu Formula -----------------------------------------------------------------------------------415.12111 415.12134 0.5 0.2 H13.C13.N13.O4
415 12134 0 5 0 2 H19 C14 N6 O9415.12134 0.5 0.2 H19.C14.N6.O9 415.12085 -0.6 -0.3 H17.C28.N.O3 415.12003 -2.6 -1.1 H23.C13.N2.O13 415.12000 -2.7 -1.1 H17.C12.N9.O8 415.12000 -2.7 -1.1 H11.C11.N16.O3 415.12268 3.8 1.6 H9.C14.N17 415.12268 3.8 1.6 H15.C15.N10.O5 415.12268 3.8 1.6 H21.C16.N3.O10
74
Hochaufgelöste Massenspektrometrie
92.1 92.061 92.0626
92.0581
Auflösung von zusätzlichen Signalen kann zur Veränderung der gemessenen Masseführenführen
75
Kalibrierung in der Hochaufgelösten Massenspektrometriep
z.B. Perfluorokerosin (PFK)
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Hochaufgelöste Massenspektrometrie
Berechnet für 2 S-Atome in StrukturStruktur
Aus Verhältnis von 13C2 und 34S-Signal ergibt sich die Zahl der S-Atome in Struktur
77Anal. Chem. 1997, 21
Hochaufgelöste Massenspektrometrie
Auflösung des 2. und 3. Isotopenpeaks zeigt wie hoch der Anteil der reduzierten Form ist.
78Anal. Chem. 1997, 21
Hochaufgelöste Massenspektrometriemittlere Masse mittlere
Masse
mono-isotopische Masse
nominelle Masse
mono
nominelle Masse
mono-isotopische Masse
Polystyren C4H9(C8H8)10H Polystyren C4H9(C8H8)100H
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