Elemente und Moleküle, Schulbuch

138 7 GRUNDLAGeN DeR oRGANISCHeN CHeMIe Spektroskopische Methoden Die größten Fortschritte in der Aufklärung der Molekülstrukturen wurden durch die Entwicklung der spektroskopischen Methoden erzielt. Unter einem Spektrum (lat. Bild) versteht man die Darstellung von Strahlung (Teilchen, elektromagnetische Strahlung usw.) in Abhängigkeit von Masse, Energie oder einem anderen sinnvollen Ordnungsprinzip. Man lässt Strahlung in Wechselwirkung mit den zu untersuchen- den Molekülen treten und analysiert die Strahlung danach. Daraus schließt man auf den Aufbau der Moleküle. Massenspektren (MS) Im Massenspektrografen werden organische Moleküle im Hochvakuum energierei- cher Elektronenstrahlung ausgesetzt. Durch Herausschlagen von Elektronen werden die Moleküle ionisiert und zerfallen dabei auch in Bruchstücke. So entstehen posi- tive Ionen verschiedener Masse. Diese werden in einem elektrischen Feld beschleu- nigt und dann mit einem elektrischen oder einem Magnetfeld abgelenkt. Durch die Massenunterschiede beschreiben sie engere oder weitere Bahnkurven und werden so nach der Masse sortiert. Ein Detektor misst jeweils die Intensität des Teilchen- strahls. Das Ergebnis ist ein nach der Masse geordnetes Spektrum von Molekülbruchstücken. (Abb. 138.1.) Den Massen können nun Molekülteile zugeordnet werden. Wahrschein- lichere Bruchstücke (zB Methylgruppen) treten häufiger auf, unwahrscheinlichere seltener. Der Peak mit der größten Masse ist das gesamte, einfach ionisierte Mole- kül. Die in Abb. 138.1. mit geringer Intensität auftretende Masse 47 für Ethanol (Mol- masse 46) erklärt sich durch das Auftreten von 13 C, der ein Prozent des natürlichen Kohlenstoffgehalts ausmacht. Durch Kombinieren der Molekülbruchstücke und auch durch fehlende Bruchstücke kann man auf die Struktur schließen. Für die Untersuchung von Stoffgemischen wird die Massenspektroskopie häufig in Kombination mit der Gaschromatografie eingesetzt. Die GC-Säule ist direkt an einen Massenspektrografen angeschlossen. Von jeder Substanz aus dem GC wird direkt ein Massenspektrum erzeugt. Die Massenspektren können von Computern mit ge- speicherten Spektren verglichen werden, was für eine automatisierte Auswertung sorgt. Infrarotspektren (IR) Infrarotstrahlen sind energieärmer als sichtbares Licht und besitzen eine Wellen- längen im Bereich von µm bis mm. Ihre Energiequanten lösen in organischen Mo- lekülen Schwingungen aus (Deformation von Bindungswinkeln oder Schwingungen von Bindungslängen). Verschiedene funktionelle Gruppen werden von verschie- denen Wellenlängen zum Schwingen angeregt. Lässt man nun IR-Strahlung durch eine organische Probe strahlen und trennt sie danach nach steigender Wellenlänge auf, so sind die Wellenlängen geschwächt, die von der Probe absorbiert wurden, weil sie dort Schwingungen ausgelöst haben. Aus dem Spektrum kann man daher auf das Vorhandensein von verschiedenen Atomgruppen im Molekül wie zB CO- Doppelbindungen usw. schließen. Im Bereich der längeren Wellenlängen ist die Zuordnung zu gewissen Gruppen nur mehr schlecht möglich, dafür ist dieser Bereich aber für das Gesamtmolekül sehr charakteristisch. Er wird „fingerprint“-Bereich genannt, da er zum Identifizieren von Molekülen dienen kann wie ein Fingerabdruck zum Identifizieren von Menschen. Die IR-Spektroskopie ist heute eine Standardmethode in praktisch allen Labors. Sie arbeitet zerstörungsfrei und die Geräte sind vergleichsweise billig. Die Auswertung lässt sich weitgehend automatisieren. Das Spektrum wird mit einer Spektrendaten- bank von Tausenden Spektren bekannter Substanzen vom Computer verglichen. H 3 C H C H O H 46 31 29 15 CH 3 CH O H 45 CH 3 CH 3 CH 2 CH 2 O H Abb. 138.1: Massenspektrum von Ethanol 10 20 30 40 50 50 100 Relative Intensität m/e 15 29 31 45 46 20 40 60 80 100 % Transmission 4000 3000 2000 1000 Wellenzahl in cm –1 " fingerprint"-Bereich Gruppenfrequenzbereich CH 3 C O C H C CH 3 H 3 C O Abb. 138.3: Interpretiertes IR-Spektrum Abb. 138.2: Infrarotspektroskopie schematisch CH 2 CH 3 OH Wellenlänge der IR-Strahlung IR-Spektrum – OH – CH 3 – CH 2 – C 2 H 6 O Frage: daher oder diese Struktur? Diese H 3 C CH 3 O eine " –OH"-Gruppe Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des V rlags öbv