Metody určování struktury látek Chiroptické metody Obsah přednášek Základní pojmy, varianty metod Teoretické základy cirkulárního dichroismu, specifika instrumentace CD Metodologie měření ECD a VCD, praktické poznámky, aplikace 4.-6. Aplikace chiroptických metod I a II, laboratoř ECD a VCD Chiroptické metody 2012

2 Chiralita a optické aktivita optická aktivita (jev) - odlišná interakce vzorku, který vykazuje chiralitu na molekulární úrovni, s vlevo a vpravo cirkulárně polarizovaným zářením - zahrnuje všechny typy záření a všechny typy interakce záření a hmoty (např. ORD, ECD, FDCD, VCD, ROA) - měřitelná molekulová vlastnost vznikající v důsledku odlišné interakce hmoty a vlevo a vpravo cirkulárně polarizovaného záření chiralita – obecnější vlastnost mající čistě geometrickou podstatu, která je spojena s určitou molekulou a je nezávislá na záření 2.1 Molekulární chiralita nejobecnější definice (lord Kelvin 1904): „I call any geometrical figure, or any group of points, chiral, and say, that it has chirality, if its image in a plane mirror, ideally realized, cannot be brought to coincident with itself“ definice chirality pomocí symetrie prvky symetrie: rotační osa Cn, rovina symetrie s, střed symetrie i, inverzně-rotační osa Sn „molekula je chirální tehdy a jen tehdy, jestliže nemá inverzně-rotační osa Sn asymetrická molekula - nemá žádný prvek symetrie, je chirální disymetrická molekula - má jen rotační osu

2.1 Molekulární chiralita Př. disymetrické molekuly Bodové grupy symetrie: C1 (žádný prvek symetrie) asymetrické molekuly, chirální Cn n > 1, (rotační osa o úhel 2p/n) disymetrické molekuly, chirální Dn n > 1, (rotační osa o úhel 2p/n + n os C2 kolmých k ose Cn) disymetrické, chirální T, O, I (tetrahedrální, oktahedrální, icosahedrální - 20ti stěn) strukturní elementy, zdroje chirality: chirální centrum (např. atom C ve struktuře sp3 se čtyřmi odlišnými substituenty, atom N s volným párem) helix (šroubovice) chirální osa chirální rovina

2.1 Molekulární chiralita Pozn. enantiomer: chirální molekula a její enantiomer nemají úplně stejnou energii, 10-17, (porušení parity, slabé interakce), nulový rozdíl pro zrcadlové obrazy a antičástice diastereomer racemát

2.2 Interakce s polarizovaným zářením elektromagnetické pole – popisujeme pomocí intenzity elektrického pole E (B je závislé) cirkulárně polarizované záření – polarizační vektory Chiroptické metody 2012

Spektroskopie – interakce elektromagnetického záření s molekulou elektrické a magnetické vlastnosti molekuly – elektrický a magnetický dipólový moment Chiroptické metody 2012

dipólová síla přechodu Trochu fyziky Interakci elektromagnetického pole a molekule popisuje kvantová mechanika – interakční hamiltonián V poruchové teorii je absorbance dipólová síla přechodu Cirkulární dichroismus (CD) Chiroptické metody 2012

= > struktura určuje velikost i znaménko CD Cirkulární dichroismus (CD) ~ rotační síla přechodu záleží na velikosti maticových obou elementů záleží na vzájemné směru obou elementů = > struktura určuje velikost i znaménko CD = > opačné znaménko spektra CD enantiomerů, ačkoli nepolarizovaná absorpce je nerozlišuje DA je o 3-5 řádu menší než A Rif lze spočíst jak pro ECD, tak pro VCD, obdobná veličina je určitelná pro ROA mif reprezentuje lineární posun nábojového mraku v průběhu přechodu mif představuje analogickou rotaci náboje v průběhu přechodu

disymetrický faktor (dissymetry factor) pomocí rotační a dipólové síly [ SI] Chiroptické metody 2012

3 Instrumentace – specifika měření CD Definice cirkulárního dichroismu Komerčně dostupná ve dvou spektrálních oblastech: DA(n) = AL(n) – AR(n) A = e c l De (n) = e L (n) – e R (n) Chiroptické metody 2011

Příklad spekter ECD a VCD L. Palivec, 2006-07 (4S,6S)-dist (4R,6R)-dist ECD ABS Chiroptické metody 2011

Vztah toho, co pozoruje, a teorie v absorpčním a CD spektru – přechod jako pás e (n) a De (n) v teorii – jako dipólová a rotační síla Citlivost cirkulárního dichroismu a) ke struktuře vyplývá ze závislosti na vel. a vzáj. směru dvou vektorů b) k absolutní konfiguraci vyplývá z formy oper. magnet. dipól momentu vekt. součin je opačný pro zrcadlovou soustavu dvou vektorů tabule  Rif opačné znaménko pro enantioméry enantiomérní objekty se liší v CD znaménkem

 sofistikované techniky detekce 3.1 Chiroptický signál pomocí fotoelastického modulátoru ECD Jev CD velmi slabý  DA = 10-3 – 10-6 A měření AL a AR zvlášť enormní požadavky na stabilitu přístrojů  sofistikované techniky detekce modulační techniky spojené s fázově citlivou detekcí – lock-in zesilovač  využití fotoelastického modulátoru (photoelastic modulator) PEM Chiroptické metody 2011

Vznik chiroptického signálu a funkce PEMu Modulace stavu polarizace Modulace intenzity PEM Z materiálu, který propouští (v IR CaF2, ZnSe) Aplikuje se tlak (vyvolaný piezoelektrickým elementem) Dvojlomnost (birefrengence) Indukuje se dráhový rozdíl v intervalu +l/4, -l/4 Střídavě LCP a RCP

Vznik chiroptického signálu a funkce PEMu faktor se získá kalibrací

Základní pojmy, varianty metod Teoretické základy cirkulárního dichroismu, specifika instrumentace CD Elektronový a vibrační cirkulární dichroismus (ECD a VCD) - instrumentace Chiroptické metody 2012