8. A MOLEKULÁK
ELEKTRONSZERKEZETE
8.1. A független részecske modell
molekulákra
3
- ++ +
+++
-
- -
-
- -
-
-
Az elektronszerkezet leírására használt modell:
rögzített magok, mozgó elektronok
τ Ψ τ E Ψ τ
Hˆ
e e
e eSchrödinger-egyenlet a modellre:
5
nn ee
ne n
e
e
Tˆ Tˆ Vˆ Vˆ Vˆ
Hˆ
az elektronok mozgási energiájának operátora
Tˆ
e
i
2 i e
2
e
2m
Tˆ
a magok mozgási energiájának operátora
Tˆ
n
k
2 k n
2
n
m
1 Tˆ 2
0
Tˆ
n
, mivel a magok rögzítve vannak!nn ee
ne n
e
e
Tˆ Tˆ Vˆ Vˆ Vˆ
Hˆ
7
i k o i,k
2 ne k
r 4π
e Vˆ Z
a mag-elektron vonzás pot. E operátora
Vˆ
neZke a k-ik mag töltése
ri,k az i-ik elektron és a k-ik mag távolsága
nn ee
ne n
e
e
Tˆ Tˆ Vˆ Vˆ Vˆ
Hˆ
az elektron-elektron taszítás pot. E operátora
Vˆ
eeri,j az i-ik és a j-ik elektron távolsága
i j i o i,j
2
ee
4π r
Vˆ e
nn ee
ne n
e
e
Tˆ Tˆ Vˆ Vˆ Vˆ
Hˆ
9
a mag-mag taszítás pot. E operátora
Vˆ
nnrk,ℓ a k-ik és a ℓ-ik mag távolsága
k k o k,
2 nn k
r 4π
e Z Vˆ Z
nn ee
ne n
e
e
Tˆ Tˆ Vˆ Vˆ Vˆ
Hˆ
Vˆ
nn állandó, mivel a magok rögzítve vannak!Ezt a differenciál egyenletet nem lehet analitikusan megoldani, csak közelítő módszerrel (numerikusan).
11
A feladat egyszerűbb, ha az egyes elektronok mozgását elválasztjuk:
FÜGGETLEN-RÉSZECSKE MODELL
(az atomok szerkezeténél már szerepelt, most több mag - több elektron rendszerre)
- ++ +
+++
a többi el. a magok vonzóhatását árnyékolja Csak a kiválasztott elektront rajzoljuk fel,
13
A külön mozgó elektronokra külön Schrödinger- egyenletet írhatunk fel:
i i i
i
ε
Fˆ
Fˆ
i a Fock-operátor:eff i i
ne, i
i
Tˆ Vˆ Vˆ
Fˆ
eff i
k 0 i,k
2 2 k
i e
2
i
V
r 4π
e Z
Fˆ 2m
15
A független részecske modellt használva az elektronszerkezetre felírt
e e
e
e
Ψ E Ψ
Hˆ
nn i
i
e
Fˆ Vˆ
Hˆ
Shrödinger-egyenletben a Hamilton-operátor
A modell előnyei:
1. (számítógéppel) gyorsabb megoldás,
2. szemléletes eredmény: az elektronszerkezet molekulapályákból tevődik össze, amelyeket
εi energiájuk
φi hullámfüggvényük jellemez
MO (molecular orbital)
17
egy MO-n 0, 1, vagy 2 elektron lehet
ha 2, akkor ellentétes spinnel E
Az elektronszerkezet szemléltetése:
MO-energia diagram
Multiplicitás: 2S + 1
E
HOMO LUMO
törzspályák
vegyérték pályák üres pályák
19
MO-k alakja – a hullámfüggvények ábrázolása
Azt a felületet ábrázolják, amelyen belül a MO-n lévő elektron 90 %-os valószínűséggel található.
Vegyérték pályák lokális szimmetriája
n-pálya: nem-kötő elektronpár
-pálya : hengerszimmetrikus a kötés(ek)re
-pálya : csomósík a kötés(ek) síkjában
21
Példa: a formaldehid MO-i
A formaldehid MOED-ja
23
1b2 -302,73 eV
1a1 -552,74 eV
Törzspályák
4a1 -14,84 eV
3a1 2b1 2a1
-17,22 eV -21,98 eV -36,39 eV
σ-pálya
25
1b1 -12,06 eV
π-pálya
5a1 +17,11 eV
2b1 +7,67 eV
3b2 -9,64 eV
0 eV
n-pálya
27
Molekulapálya
Az összes atom részt vesz benne elektrongerjesztés ionizáció
Kémiai kötés
Két atomot köt össze kötéstávolság
vegyértékrezgés
Két különböző fogalom!!!
8.2. Elektrongerjesztések elmélete
29
Az elektrongerjesztés az MO-elmélet szerint:
HOMO LUMO
Az elektrongerjesztés az MO-elmélet szerint:
HOMO LUMO
31
A gerjesztés történhet spin-megőrzéssel, vagy átfordulással
S
0Szingulett állapotok
S
1S
233
Triplett állapotok
T
1T
2Kiválasztási szabályok szempontjai
• Pályák lokálszimmetriája
• Spinállapot
35
n→*
→*
n→*
→*
→*
→*
megengedettek
tiltottak
Kiválasztási szabály lokálszimmetriára
Kiválasztási szabály spinállapotra
S = 0
37
S0 S1
S2 S3
T1 T2
Elektronállapotok energia-diagramja
S1 S2 S3
T1 T2
UV-VIS abszorpciós spektroszkópia
39
S0 S1
S2 S3
T1 T2
fluoreszcencia- spektroszkópia
8.3. Ultraibolya- és látható
abszorpciós spektroszkópia
41
Törzspályákon levő elektronok gerjesztése: röntgensugárzással.
Vegyértékpályákon levő MO-król elektronok gerjesztése: UV és látható sugárzással.
= 100-1000 nm
Vákuum-ultraibolya tartomány: 100 -170 (200) nm UV-tartomány: 170 (200) - 400 nm
Látható tartomány: 400 – 700 (800) nm Közeli IR tartomány: 700 (800) nm-től.
Spektrum ábrázolása:
Vízszintes tengelyen [nm] (fizikában ν [1/cm])
Függőleges tengelyen intenzitás
abszorbancia transzmisszió
Leggyakrabban oldat mintát vizsgálnak. (Oldószerek: víz, n-hexán, etanol.)
I log I
A o 100(%)
I T I
o
43
Szerves vegyületek
a.) -kötés és kötetlen elektronpárt is tartalmazó funkciós csoportot tartalmazó molekulák (CO, CN, NO2-csoport; n-* átmenet)
b.) laza n-elektronpárt tartalmazó molekulák (Cl, Br, I, Se-tartalmú vegyületek; n-* gerjesztés, 200 nm felett)
c.) konjugált kettőskötéseket tartalmazó molekulák (-pályák felhasadása miatt -* gerjesztés, 200 nm felett)
Vizsgálható vegyületek
Szervetlen vegyületek
Átmeneti fémek komplexei
A fématom degenerált d vagy f pályái a ligandumok hatására
felhasadnak. A felhasadt pályák között kicsi az energiakülönbség.
Az ilyen elektronátmenet az UV-látható tartományba esik.
Elméleti alapok: ligandumtér-elmélet.
45
A benzol UV-
VIS színképe
(etanolos oldat)
A benzolgőz UV-VIS színképe
47
F é n y f o r r á s R é s e k
F o t ó d i ó d a t ö m b
M i n t a
h o l o g r a f i k u s r á c s H o m o r ú
EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER
UV-VIS abszorpciós spektroszkópia alkalmazása:
• koncentráció meghatározása oldatban (pontos)
• reakciókinetikai vizsgálatok (fotódiódasoros készülék előnyös)
• kémiai egyensúlyok vizsgálata
49
Példa reakciókinetikai alkalmazásra:
I2 redukciója I3- ionná antipirinnel
oldatban gyulladáscsökkentő gyógyszer
I2 I3-
51
8.4. Fluoreszcencia-spektroszkópia
Fluoreszcencia-spektrum: a gerjesztést követő emisszió intenzitását mérjük, az emisszió hullámhossza
függvényében.
Spektrum ábrázolása:
Vízszintes tengelyen [nm]
Függőleges tengelyen intenzitás IF (önkényes egység)
F fluoreszcencia kvantumhatásfok
száma fotonok
elnyelt
száma fotonok
t kisugárzot
F
53
D e t e k t o r
O p t i k a i r á c s
E M I S S Z I Ó S M O N O K R O M Á T O R
G E R J E S Z T É S I M O N O K R O M Á T O R
F é n y f o r r á s
O p t i k a i r á c s
M i n t a
SPEKTROFLUORIMÉTER
Rodamin-B festék abszorpciós és
emissziós színképe
55
A fluoreszcencia-mérés előnye
Az érzékenység sokkal nagyobb, mint az abszorpciós mérésnél, mivel
- a jelet az I = 0-hoz (sötétség) képest mérjük, - a vegyületeknek csak kis hányada (aromások, ritka földfémek komplexei) fluoreszkál.
Alkalmazások:
- kémiai analízis fluoreszcencia-spektrum mérésével (esetleg 10-10 M-os oldat fluoreszcenciája is mérhető.)
- fluoreszcencia mikroszkóp - orvosi diagnosztika
57
Példa: DNS meghatározása etidium bromiddal
N
C2H5
NH2 H2N
+
Br-
Etidium bromid
N. C. Garbett, Biophys. J. 87, 3974 (2004)
DNS borjú csecsemőmirigyből (thymus)
A DNS szerkezete
59
A festék fluoreszcenciája erősödik a DNS hatására!
cDNS
2008 kémiai Nobel-díj:
zöld fluoreszkáló fehérje (GFP)
61
8.5. Optikai forgatóképesség és cirkuláris dikroizmus
Az élő szervezetben sok királis vegyület fordul elő:
aminosavak, cukrok, egyes aminok, szteroidok, alkaloidok, terpenoidok
Ezek vizsgálhatók kiroptikai módszerekkel:
forgatóképesség, ORD, CD
síkban polarizált fény
63
Optikai forgatóképesség
A királis vegyület oldata a polarizáció síkját elfordítja:
= [M]·c·
[M] moláris forgatóképesség c koncentráció
küvettavastagság
[M] függ a hullámhossztól
Polariméter: néhány hullámhosszon méri [M]-et, legtöbbször a Na D-vonalán ([M]D)
Spektropolariméter: megméri az [M] - spektrumot (Optikai rotációs diszperzió, ORD)
65
cirkulárisan polarizált fény
(a) balra (a) jobbra
Cirkuláris dikroizmus
A jobbra és balra cirkulárisan polarizált fény abszorpciós koefficiense eltér!
Ezt a hatást mérjük:
Aj = j·c· , ill. Ab = b·c· CD-jel: A = Aj – Ab = (j - b) ·c·
CD-spektrum: A a hullámhossz függvényében
67
Példa: (R)- és (S)-fenil-etil-amin CD színképe
CH3 H
H2N
H2N
H CH3
(R)-FEA (S)-FEA
(R)-fenil-etil-amin CD spektruma CD-spektrum
69
(R)-fenil-etil-amin és (S)-fenil-etil-amin CD spektruma
CD-spektrum
abszorpciós spektrum
R-FEA
S-FEA
O H H
O
Kalkon-epoxid
UV abszorpciós
és CD-spektruma
71
Az UV abszorpciós és a
CD spektrumban ugyanazok az
elektronátmenetek adják a sávokat!
A CD spektroszkópia alkalmazásai
1.szerkezetvizsgálat: konfiguráció meghatározása
2. analitika: királis vegyület koncentrációjának mérése
3. biológiai rendszerek elemzése (HPLC + CD spektrométer)