9.4: Чому ми не можемо бачити молекули?
- Page ID
- 105975
Найпростішим способом визначити структури молекул було б «побачити», як влаштовані ядра і як розподіляються електрони. Це неможливо при видимому світлі, оскільки довжини хвиль видимого світла дуже довші, ніж звичайні молекулярні розміри. Пучок електронів може мати необхідні короткі довжини хвиль, але малі органічні молекули швидко руйнуються опроміненням електронами належної довжини хвиль. Тим не менш, електронна мікроскопія є цінним методом для дослідження великих молекул, таких як ДНК, які можуть бути забарвлені атомами важких металів перед переглядом, або самі по собі досить стійкі до електронного пучка (рис. 9-4 і 9-5).
Практично всі частини спектра електромагнітного випромінювання, від рентгенівських променів lo радіохвиль, мають певне практичне застосування для дослідження органічних молекул. Особливу цінність має використання рентгенівської дифракції для визначення структур молекул в кристалах, і за останні десять років ця методика стала практично рутинною. На малюнку 9-6 показано детальне розташування вуглеців, воднів та бромів у 1,8-біс (бромметил) нафталіні\(1\), що визначається рентгенівською дифракцією. Застосовувані апарати та методи є дуже складними і ще не доступні дуже багатьом органічним лабораторіям. \(^3\)
Інші методи дифракції включають дифракцію електронів, які можуть бути використані для визначення структур газів або летких рідких речовин, які не можуть бути отримані як кристали, придатні для дифракції рентгенівського випромінювання, і дифракції нейтронів, яка має особливе застосування для кристалів в яке потрібне точне розташування водню. Водень не має достатньої потужності розсіювання для того, щоб рентгенівські промені були розташовані саме за допомогою рентгенівської дифракції.
Дифракційні методи можуть бути використані для визначення повних структур органічних молекул, але вони недостатньо рутинні для використання в цілому в практичній органічній лабораторній роботі. З цієї причини в решті цієї глави ми підкреслимо ті форми спектроскопії, які зазвичай доступні для рутинного лабораторного використання. Як буде видно, ці методи використовуються хіміками-органіками більш-менш емпірично. В цілому спектроскопічні методи залежать від певної форми збудження молекул шляхом поглинання електромагнітного випромінювання і, як ми вже говорили, практично всі частини електромагнітного спектра мають корисність в цьому плані. Зазвичай використовуваний проміжок електромагнітного спектра показаний на малюнку 9-7 разом із порівнянням різних одиниць, які використовуються для вираження енергії або довжини хвилі.
Основні види спектроскопії, що використовуються для структурного аналізу органічних сполук, наведені в таблиці 9-1. Показано діапазон частот поглиненого випромінювання, ефект випромінювання та специфічний вид інформації, яка використовується при структурному аналізі. Після короткого опису принципів спектроскопії ми опишемо методи, які мають найбільшу корисність для практичної лабораторної роботи. Тим не менш, дуже важливо знати про інші, менш рутинні, методи, які можуть бути використані для вирішення особливих проблем, і деякі з них обговорюються в цьому розділі та в главах 19 і 27.
У вас можуть виникнути проблеми з взаємозв'язками між різними одиницями довжини хвилі та частоти, які зазвичай використовуються в спектроскопії. Взаємозв'язок між довжиною хвилі, частотою та швидкістю повинна стати зрозумілою для вас, вважаючи, що ви стоїте на пірсі, спостерігаючи за океанськими хвилями. Припускаючи, що хвилі рівномірно розташовані, між гребенями буде рівномірна відстань\(\lambda\), тобто довжина хвилі. Хвильові гребені будуть проходити повз з певним числом в хвилину\(\nu\), тобто частотою. Швидкість\(c\), з якою гребені рухаються вами, пов'язана\(\lambda\) і\(\nu\) з відносинами\(c = \lambda \nu\).
Це насправді не дуже складно, і воно однаково добре відноситься до водяних хвиль або електромагнітного випромінювання. Що майже непотрібне складне - це різноманітність одиниць, які зазвичай використовуються для вираження\(\lambda\) та\(\nu\) для електромагнітного випромінювання. Одна проблема - традиція, інша - бажання уникати дуже великих або дуже маленьких чисел. Таким чином, як показано на малюнку 9-7, нас можуть зацікавити електромагнітні довжини хвиль, які відрізняються на стільки ж, скільки коефіцієнт\(10^{16}\). Оскільки швидкість електромагнітного випромінювання у вакуумі постійна\(3 \times 10^8 \: \text{m sec}^{-1}\), частоти будуть відрізнятися на один і той же коефіцієнт.
Одиницями, які зазвичай використовуються для довжини хвилі, є метри (\(\text{cm}\)), сантиметри (\(\text{nm}\)), нанометри () та мікрони (\(\mu\)).\(\text{m}\) У минулому ангстреми (\(Å\)) і мілімікрони (\(\text{m} \mu m\)) також використовувалися досить широко.
\[1 \: \text{m} = 10^2 \: \text{cm} = 10^9 \: \text{nm} = 10^6 \: \mu m\]
\[10^{-2} \: \text{m} = 1 \: \text{cm} = 10^7 \: \text{nm} = 10^4 \: \mu m\]
\[10^{-6} \: \text{m} = 10^{-4} \: \text{cm} = 10^3 \: \text{nm} = 1 \: \mu m\]
\[10^{-9} \: \text{m} = 10^{-7} \: \text{cm} = 1 \: \text{nm} = 10^{-3} \: \mu m= 1 \: \text{m} \mu m= 10 \: \text{Å}\]
Одиниці частоти знаходяться в циклах в секунду (cps\(\text{Hz}\)) або hertz (), які еквівалентні (радіани в секунду широко використовуються фізиками).
Таблиця 9-1: Основні спектроскопічні методи, що використовуються в даний час для аналізу молекулярної структури
\[1 \: \text{Hz} = 10^{-6} \: \text{MHz} \cong 3.3 \times 10^{-11} \: \text{cm}^{-1}\]
\[10^6 \: \text{Hz} = 1 \: \text{MHz} \cong 3.3 \times 10^{-5} \: \text{cm}^{-1}\]
\[3 \times 10^{10} \: \text{Hz} = 3 \times 10^4 \: \text{MHz} \cong 1 \: \text{cm}^{-1}\]
\(^3\)Корисний опис того, як молекулярні структури можуть бути визначені за допомогою «рентгенівського зору», наведено в Главі XI «Органічні молекули в дії» М. Гудмана і Ф. Морхауса, Гордона і Брейча, Нью-Йорк, 1973.