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4/11/2013 1 Spectroscopy involves an interaction between matter and light (electromagnetic radiation). Light can be thought of as waves of energy or packets (particles) of energy called photons. 15.1 Introduction to Spectroscopy Properties of light waves include wavelength and frequency. Is wavelength directly or inversely proportional to energy? WHY? Is frequency directly or inversely proportional to energy? WHY? Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-1 There are many wavelengths of light that cannot be observed with your eyes. 15.1 Introduction to Spectroscopy Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-2 When light interacts with molecules, the effect depends on the wavelength of light used. 15.1 Introduction to Spectroscopy This chapter focuses on IR spectroscopy. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-3 Matter exhibits particlelike properties. On the macroscopic scale, matter appears to exhibit continuous behavior rather than quantum behavior. Consider the example of an engine powering the rotation of a 15.1 Introduction to Spectroscopy tire. Thetire should beable to rotate at nearly any rate. Matter also exhibits wavelike properties as we learned in Section 1.6. Matter on the molecular scale exhibits quantum behavior: A molecule will only rotate or vibrate at certain rates (energies). Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-4 For each of the types of molecular motion/energy below, describe how it is quantized. Rotation Vib i 15.1 Introduction to Spectroscopy Vibration Energy of electrons Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-5 For each different bond, vibrational energy levels are separated by gaps (quantized). If a photon of light strikes the molecule with the exact amount of energy needed, a molecular vibration will 15.1 Introduction to Spectroscopy occur. Energy is eventually released from the molecule generally in the form of heat. Infrared (IR) light generally causes molecular vibration. HOW might IR light absorbed give you information about a molecule’s structure. Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e 15-6

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• Spectroscopy involves an interaction between matter and light (electromagnetic radiation).

• Light can be thought of as waves of energy or packets (particles) of energy called photons.

15.1 Introduction to Spectroscopy

• Properties of light waves include wavelength and frequency.

• Is wavelength directly or inversely proportional to energy? WHY?

• Is frequency directly or inversely proportional to energy? WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-1

• There are many wavelengths of light that cannot be observed with your eyes.

15.1 Introduction to Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-2

• When light interacts with molecules, the effect depends on the wavelength of light used.

15.1 Introduction to Spectroscopy

• This chapter focuses on IR spectroscopy.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-3

• Matter exhibits particle‐like properties.

• On the macroscopic scale, matter appears to exhibit continuous behavior rather than quantum behavior.– Consider the example of an engine powering the rotation of a 

i Th i h ld b bl l

15.1 Introduction to Spectroscopy

tire. The tire should be able to rotate at nearly any rate.

• Matter also exhibits wave‐like properties as we learned in Section 1.6.

• Matter on the molecular scale exhibits quantum behavior:– A molecule will only rotate or vibrate at certain 

rates (energies).Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-4

• For each of the types of molecular motion/energy below, describe how it is quantized.– Rotation

Vib i

15.1 Introduction to Spectroscopy

– Vibration

– Energy of electrons

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-5

• For each different bond, vibrational energy levels are separated by gaps (quantized).

• If a photon of light strikes the molecule with the exact amount of energy needed, a molecular vibration will 

15.1 Introduction to Spectroscopy

occur.

• Energy is eventually released from the molecule generally in the form of heat.

• Infrared (IR) light generally causes molecular vibration.

• HOW might IR light absorbed give you information about a molecule’s structure.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-6

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• Molecular bonds can vibrate by stretching or by bending in a number of ways.

• This chapter will focus mostly

15.2 IR Spectroscopy

This chapter will focus mostly on stretching frequencies.

• Some night vision goggles can detect IR light that is emitted.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-7

• WHY do objects emit IR light?

• WHY do some objects emit more IR radiation than others?

• WHERE does that light come from?

15.2 IR Spectroscopy

• IR or thermal imaging is also used to detect breast cancer.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-8

• The energy necessary to cause vibration depends on the type of bond.

15.2 IR Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-9

• An IR spectrophotometer irradiates a sample with all frequencies of IR light.

• The frequencies that are absorbed by the sample tell us the types of bonds (functional groups) that are present.

15.2 IR Spectroscopy

• How do we measure the frequencies that are absorbed?

• Most commonly, samples are deposited NEAT on a salt (NaCl) plate. WHY is salt used?

• Alternatively, the compound may be dissolved in a solvent or embedded in a KBr pellet.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-10

• In the IR spectrum below, WHAT is % transmittance and how does it relate to molecular structure?

15.2 IR Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-11

• Analyze the units for the wavenumber, .– ν = frequency and c = the speed of light

15.2 IR Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-12

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• HOW are wavelength and wavenumber different? 

• HOW are wavenumbers and energy related?

15.2 IR Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-13

• A signal on the IR spectrum has three important characteristics: WAVENUMBER, INTENSITY, and SHAPE.

15.2 IR Spectroscopy

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-14

• The WAVENUMBER for a stretching vibration depends on the bond strength and the mass of the atoms: bonded together

15.3 IR Signal Wavenumber

• Should bonds between heavier atoms require higher or lower wavenumber IR light to stretch?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-15

• Rationalize the trends below using the wavenumber formula:

15.3 IR Signal Wavenumber

1.

2.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-16

• The wavenumber formula and empirical observations allow us to designate regions as representing specific types of bonds.

15.3 IR Signal Wavenumber

• Explain the regions above.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-17

• The region above 1500 cm‐1 is called the diagnostic region. WHY?

15.3 IR Signal Wavenumber

• The region below 1500 cm‐1 is called the fingerprint region. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-18

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• Analyze the diagnostic and fingerprint regions below.

15.3 IR Signal Wavenumber

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-19

• Analyze the diagnostic and fingerprint regions below.

15.3 IR Signal Wavenumber

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-20

• Compare the IR spectra.

15.3 IR Signal Wavenumber

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-21

• Given the formula below and the given IR data, predict whether a C–H or O–H bond is stronger.

15.3 IR Signal Wavenumber

• C–H stretch ≈ 3000 cm‐1

• O–H stretch ≈ 3400 cm‐1

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.1.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-22

• Compare the IR stretching wavenumbers below.

15.3 IR Signal Wavenumber

• Are the differences due to mass or bond strength?

• Which bond is strongest, and WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-23

• Note how the region ≈3000 cm‐1 in the IR spectrum can give information about the functional groups present.

15.3 IR Signal Wavenumber

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-24

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• Is it possible that an alkene or alkyne could give an IR spectra without any signals above 3000 cm‐1?

• Predict the wavenumbers that would result (if any) above 3000 cm‐1 for the molecules below.

15.3 IR Signal Wavenumber

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.2.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-25

• Resonance can affect the wavenumber of a stretching signal.

• Consider a carbonyl that has two resonance contributors.

15.3 IR Signal Wavenumber

• If there were more contributors with C–O single bond character than C=O double bond character, how would that affect the wavenumber?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-26

• Use the given examples to explain HOW and WHY the conjugation and 

15.3 IR Signal Wavenumber

j gthe –OR group affect resonance and thus the IR signal?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.3.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-27

• The strength of IR signals can vary.

15.4 IR Signal Strength

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-28

• When a bond undergoes a stretching vibration, its dipole moment also oscillates.

• Recall the formula for dipole moment includes the distance between the partial charges, . 

• The oscillating dipole moment creates an electrical field

15.4 IR Signal Strength

The oscillating dipole moment creates an electrical field surrounding the bond.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-29

• The more polar the bond, the greater the opportunity for interaction between the waves of the electrical field and the IR radiation.

15.4 IR Signal Strength

• Greater bond polarity = stronger IR signals.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-30

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• Note the general strength of the C=O stretching signal vs. the C=C stretching signal.

I i i l

15.4 IR Signal Strength

• Imagine a symmetrical molecule with a completely nonpolar C=C bond: 2,3‐dimethyl‐2‐butene.

• 2,3‐dimethyl‐2‐butene does not give an IR signal in the 1500–2000 cm‐1 region.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-31

• Stronger signals are also observed when there are multiple bonds of the same type vibrating.

• Although C‐H bonds are not very polar, they often give very strong signals, WHY?

15.4 IR Signal Strength

• Because sample concentration can affect signal strength, the Intoxilyzer 5000 can be used to determine blood alcohol levels be analyzing the strength of C–H bond stretching in blood samples.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 15.5 to 15.7.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-32

• Some IR signals are broad, while others are very narrow.

15.5 IR Signal Shape

• O–H stretching signals are often quite broad.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-33

• When possible, O–H bonds form hydrogen bonds (H‐bonds) that weaken the O–H bond strength.

• WHY does H‐bonding affect 

15.5 IR Signal Shape

gthe O–H bond strength?

• The H‐bonds are transient, so the sample will contain molecules with varying O–H bond strengths.

• Why does that cause the O–H stretch signal to be broad?

• The O–H stretch signal will be narrow if a dilute solution of an alcohol is prepared in a solvent INCAPABLE of H‐bonding.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-34

• In a sample with an intermediate concentration, both narrow and broad signals are observed. WHY?

15.5 IR Signal Shape

• Explain the cm‐1 readings for the two O‐H stretching peaks.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-35

• Consider how broad the O‐H stretch is for a carboxylic acid and how its wavenumber is around 3000 cm‐1 

rather than 3400 cm‐1 for a typical O‐H stretch.

15.5 IR Signal Shape

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-36

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• H‐bonding is often more pronounced in carboxylic acids, because they can forms H‐bonding dimers.

15.5 IR Signal Shape

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-37

• For the molecule below, predict all of the stretching signals in the diagnostic region.

15.5 IR Signal Shape

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.9.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-38

• Primary and secondary amines exhibit N–H stretching signals. WHY not tertiary amines?

• Because N–H bonds are capable of H‐bonding, their 

15.5 IR Signal Shape

stretching signals are often broadened.

• Which is generally more polar, an O–H or an N–H bond?

• Do you expect N–H stretches to be strong or weak signals?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-39

15.5 IR Signal Shape

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-40

• The appearance of two N–H signals for the primary amine is NOT simply the result of each N–H bond giving a different signal.

I d h N H b d

15.5 IR Signal Shape

• Instead, the two N–H bonds vibrate together in two different ways.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-41

• A single molecule can only vibrate symmetrically or asymmetrically at any given moment, so why do we see both signals at the same time?

15.5 IR Signal Shape

• Similarly, CH2 and CH3 groups can also vibrate as a group, giving rise to multiple signals.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.10.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-42

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• Table 15.2 summarizes some of the key signals that help us to identify functional groups present in molecules.

• Often, the molecular structure can be identified from an IR spectra:

15.6 Analyzing an IR Spectrum

1. Focus on the diagnostic region (above 1500 cm‐1):a) 1600‐1850 cm‐1: check for double bonds.

b) 2100‐2300 cm‐1: check for triple bonds.

c) 2700‐4000 cm‐1: check for X–H bonds.

d) Analyze wavenumber, intensity, and shape for each signal.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-43

• Often, the molecular structure can be identified from an IR spectra:2 F th

15.6 Analyzing an IR Spectrum

2. Focus on the 2700–4000 cm‐1

(X–H) region.

• Practice with SKILLBUILDER 15.1.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-44

• As we have learned in previous chapters, organic chemists often carry out reactions to convert one functional group into another.

• IR spectroscopy can often be used to determine the f h i

15.7 Using IR to Distinguish Between Molecules

success of such reactions.

• For the reaction below, how might IR spectroscopy be used to analyze the reaction?

• Practice with SKILLBUILDER 15.2.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-45

• For the reactions below, identify the key functional groups, and describe how IR data could be used to verify the formation of product.

15.7 Using IR to Distinguish Between Molecules

• Is IR analysis qualitative or quantitative?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-46

1) H‐Br

2) Et‐OK

O3

(CH3)2SO

O

• Mass spectrometry (MS) is primarily used to determine the molar mass and formula for a compound:1. A compound is vaporized and then ionized.

2. The masses of the ions are detected and graphed.

f

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

• Can you think of ways to get an organic molecule to ionize?

• Will the molecule need to absorb energy or release energy?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-47 Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e7 -48

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• The most common method of ionizing molecules is by electron impact (EI).

• The sample is bombarded with a beam of high energy electrons (1600 kcal or 70 eV).

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

• EI usually causes an electron to be ejected from the molecule. HOW? WHY? 

• What is a radical cation?Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-49

• How does the mass of the radical cation compare to the original molecule?

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

• If the radical cation remains intact, it is known as the molecular ion (M+•) or parent ion.

• Often, the molecular ion undergoes some type of fragmentation. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-50

• The resulting fragments may undergo even further fragmentation.

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

• The ions are deflected by a magnetic field.

• Smaller mass and higher charge fragments as affected more by the magnetic field. WHY?

• Neutral fragments are not detected. WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-51

• Explain the units on the x and y axes for the MASS SPECTRUM for methane.

• The base peak is the tallest peak i h

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

in the spectrum.

• For methane the base peak represents the M+•.

• Sometimes, the M+• peak is not even observed in the spectrum, WHY?

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-52

• Peaks with a mass of less than M+• represent fragments:

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

• Subsequent H radicals can be fragmented to give the ions with a mass/charge = 12, 13 and 14.

• The presence of a peak representing (M+1) +• will be explained in Section 15.10.

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-53

• MS is a relatively sensitive analytical method.

• Many organic compounds can be identified:– Pharmaceutical: drug discovery and drug metabolism, reaction 

monitoring

– Biotech: amino acid sequencing, analysis of macromolecules

15.8 Introduction to Mass Spectrometry

Biotech: amino acid sequencing, analysis of macromolecules

– Clinical: neonatal screening, hemoglobin analysis

– Environmental: drug testing, water quality, food contamination testing

– Geological: evaluating oil composition

– Forensic: explosives detection

– Many More

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• In the mass spectrum for benzene, the M+• peak is the base peak.

• The M+• peak does not easily fragment.

15.9 Analyzing the M+• Peak

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• Like most compounds, the M+• peak for pentane is NOT the base peak.

• The M+• peak fragments easily.

15.9 Analyzing the M+• Peak

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• The first step in analyzing a mass spec is to identify the M+• peak:– It will tell you the molar mass of the compound.

– An odd massed M+• peak MAY indicate an odd number of N atoms in the molecule

15.9 Analyzing the M+• Peak

atoms in the molecule.

– An even massed M+• peak MAY indicate an even number of N atoms or zero N atoms in the molecule.

– Give an alternative explanation for an M+• peak with an odd mass.

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINT 15.19.

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• Recall that the (M+1)+• peak in methane was about 1% as abundant as the M+• peak.

• The (M+1)+• peak results from the presence of 13C in the

15.10 Analyzing the (M+1)+• Peak

the presence of 13C in the sample. HOW?

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• For every 100 molecules of decane, what percentage of them are made of exclusively 12C atoms? 

• Comparing the heights of the (M+1)+• peak and the M+• peak can allow you to estimate how many carbons are in the 

15.10 Analyzing the (M+1)+• Peak

ymolecule. HOW?

• The natural abundance of deuterium is 0.015%. Will that affect the mass spectrum analysis?

• Practice with SKILLBUILDER 15.3.

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• Chlorine has two abundant isotopes:– 35Cl=76% and 37Cl=24%

• Molecules with chlorine often have strong (M+2)+• peaks.

• WHY is it sometimes difficult to be absolutely sure which peak is the (M)+• peak?

15.11 Analyzing the (M+2)+• Peak

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• 79Br=51% and 81Br=49%, so molecules with bromine often have equally strong (M)+• and (M+2)+• peaks.

15.11 Analyzing the (M+2)+• Peak

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 15.23 and 15.24.

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• A thorough analysis of the molecular fragments can often yield structural information.

• Consider pentane.

15.12 Analyzing the Fragments

– Remember, MS only detects charged fragments.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-62

• WHAT type of fragmenting is responsible for the “groupings” of peaks observed?

15.12 Analyzing the Fragments

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• In general, fragmentation will be more prevalent when more stable fragments are produced.

15.12 Analyzing the Fragments

• Correlate the relative stability of the fragments here with their abundances on the previous slide.

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• Consider the fragmentation below.

15.12 Analyzing the Fragments

• All possible fragmentations are generally observed under the high energy conditions employed in EI‐MS.

• If you can predict the most abundant fragments and match them to the spectra, it can help you in your identification.

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• Alcohols generally undergo two main types of fragmentation: alpha cleavage and dehydration.

15.12 Analyzing the Fragments

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• Amines generally undergo alpha cleavage:

• Carbonyls generally undergo McLafferty rearrangement:

15.12 Analyzing the Fragments

• Carbonyls generally undergo McLafferty rearrangement:

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 15.25 through 15.28.

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• High resolution (high‐res) MS allows m/z to be measured with up to 4 decimal places.

• Masses are generally not whole number integers:– 1 proton = 1.0073 amu and 1 neutron = 1.0086 amu

15.13 High Resolution Mass Spectrometry

– Using E=mc2, the more stable an atom’s nucleus, the less mass its nuclides exhibit. WHY?

• One 12C atom = exactly 12.0000 amu, because the amu scale is based on the mass of 12C.

• All atoms other than 12C will have a mass in amu that can be measured to four decimal places by a high‐res MS instrument.

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• Note the exact masses and natural abundances below.

15.13 High Resolution Mass Spectrometry

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• Why are the values in Table 15.5 different from those on the periodic table?

• Imagine you want to use high‐res MS to distinguish between the molecules 

15.13 High Resolution Mass Spectrometry

below.

• Why can’t you use low resolution (low‐res) MS?

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• Using the exact masses and natural abundances for each element, we can see the difference high‐res makes.

15.13 High Resolution Mass Spectrometry

• The molecular ion results from the molecule with the highest natural abundance.

• What if the molecular ion is not observed?

• Practice with CONCEPTUAL CHECKPOINTs 15.19 and 15.30.

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• MS is suited for the identification of pure substances.

• However, MS instruments are often connected to a gas chromatograph (GC) so mixtures can be analyzed.

15.14 High Resolution Mass Spectrometry

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• GC‐MS gives two main forms of information:1. The chromatogram gives 

the retention time.

15.14 High Resolution Mass Spectrometry

2. The Mass Spectrogram (low‐res or high‐res).

• GC‐MS is a great technique for detecting compounds such as drugs in solutions such as blood or urine.

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• To be analyzed by EI‐MS, substances generally must be vaporized prior to ionization.

• Until recently (last 30 years), compounds that decompose before they vaporize could not be analyzed.

15.15 MS of Large Biomolecules

• In ELECTROSPRAY IONIZATION (ESI), a high‐voltage needle sprays a liquid solution of an analyte into a vacuum causing ionization.

• HOW is ESI relevant for analyzing large biomolecules?

• ESI is a “softer” ionizing technique. WHAT does that mean?

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• MS can often be used to determine the formula for an organic compound.

• IR can often determine the functional groups present.

• Careful analysis of a molecule’s formula can yield a list 

15.16 Degrees of Unsaturation

of possible structures.

• Alkanes follow the formula below, because they are SATURATED.

• Verify the formula by drawing some isomers of pentane.

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• Notice that the general formula for the compound,, changes when a double or triple bond is 

present: 

15.16 Degrees of Unsaturation

• Adding a degree of unsaturation decreases the number of H atoms by two.

• How many degrees of unsaturation are there in cyclopentane?

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• Consider the isomers of C4H6.

• How many degrees of unsaturation are there?

• 1 degree of unsaturation = 1 unit on the hydrogen deficiency index (HDI)

15.16 Degrees of Unsaturation

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• For the HDI scale, a halogen is treated as if it were a hydrogen atom.

15.16 Degrees of Unsaturation

• How many degrees of unsaturation are there in C5H9Br?

• An oxygen does not affect the HDI. WHY?

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• For the HDI scale, a nitrogen increases the number of expected hydrogen atoms by ONE.

15.16 Degrees of Unsaturation

• How many degrees of unsaturation are there in C5H8BrN?

• You can also use the formula below:

Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-79

• Calculating the HDI can be very useful. For example, if HDI=0, the molecule CANNOT have any rings, double bonds, or triple bonds.

• Propose a structure for a molecule with the formula C H O Th l l h h f ll i IR k

15.16 Degrees of Unsaturation

C7H12O. The molecule has the following IR peaks: – A strong peak at 1687 cm‐1

– NO IR peaks above 3000 cm‐1

• Practice with SKILLBUILDER 15.4.Copyright 2012 John Wiley & Sons, Inc. Klein, Organic Chemistry 1e15-80