Nei capitoli precedenti di questo testo sono state riportate le formule strutturali di centinaia di composti organici, spesso supportate da poche prove. Queste strutture, e milioni di altre descritte nelle letteratura scientifica, sono difatti basate su solide prove sperimentali, che sono state qui omesse allo scopo di focalizzare l'attenzione su altri spetti dell'argomento. Molte delle prove maggiormente convincenti delle strutture molecolari provengono da studi spettroscopici, come sarà illustrato negli argomenti che seguono.
La luce della conoscenza è una frase utilizzata spesso nel linguaggio comune, ma risulta particolarmente appropriata in riferimento alla spettroscopia. La maggior parte di ciò che noi conosciamo sulla struttura di atomi e molecole deriva dallo studio della loro interazione con la luce (radiazione elettromagnetica). Regioni differenti dello spettro elettromagnetico forniscono diversi tipi di informazioni quale risultato di tali interazioni. Tenendo presente che la luce può essere considerata come dotata di caratteristiche ondulatorie e corpuscolari allo stesso tempo, è utile considerare che ad una data lunghezza d'onda o frequenza è associata un "quanto luminoso" di energia, che chiamiamo attualmente fotone. Come si nota nelle equazioni seguenti, frequenza ed energia variano in maniera proporzionale, ma la lunghezza d'onda ha un relazione di proporzionalità inversa con queste grandezze.
Allo scopo di "vedere" una molecola, dobbiamo utilizzare luce con lunghezza d'onda più piccola della molecola stessa (approssimativamente da 1 a 15 Ångstrom). Tale radiazione è localizzata nella regione dei raggi X dello spettro, ed il campo della cristallografia ai raggi X produce immagini notevolmente dettagliate delle strutture molecolari sottoposte all'analisi. Il principale fattore che limita questa tecnica è dovuto alla necessità di ottenere cristalli di alta qualità del composto da studiare. I metodi della cristallografia ai raggi X sono troppo complessi per essere qui descritti; tuttavia, con il miglioramento della strumentazione automatica e della manipolazione dei dati, essa diventerà indubbiamente la procedura di scelta per la determinazione di strutture chimiche.
In order to "see" a molecule, we must use light having a wavelength smaller than the molecule itself (roughly 1 to 15 angstrom units). Such radiation is found in the X-ray region of the spectrum, and the field of X-ray crystallography yields remarkably detailed pictures of molecular structures amenable to examination. The chief limiting factor here is the need for high quality crystals of the compound being studied. The methods of X-ray crystallography are too complex to be described here; nevertheless, as automatic instrumentation and data handling techniques improve, it will undoubtedly prove to be the procedure of choice for structure determination. The spectroscopic techniques described below do not provide a three-dimensional picture of a molecule, but instead yield information about certain characteristic features. A brief summary of this information follows:
• Mass Spectrometry: Sample molecules are ionized by high energy electrons. The mass to charge ratio of these ions is measured very accurately by electrostatic acceleration and magnetic field perturbation, providing a precise molecular weight. Ion fragmentation patterns may be related to the structure of the molecular ion. • Ultraviolet-Visible Spectroscopy: Absorption of this relatively high-energy light causes electronic excitation. The easily accessible part of this region (wavelengths of 200 to 800 nm) shows absorption only if conjugated pi-electron systems are present. • Infrared Spectroscopy: Absorption of this lower energy radiation causes vibrational and rotational excitation of groups of atoms. within the molecule. Because of their characteristic absorptions identification of functional groups is easily accomplished. • Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy: Absorption in the low-energy radio-frequency part of the spectrum causes excitation of nuclear spin states. NMR spectrometers are tuned to certain nuclei (e.g. 1H, 13C, 19F & 31P). For a given type of nucleus, high-resolution spectroscopy distinguishes and counts atoms in different locations in the molecule.
Mass Spectrometry
Ultraviolet-Visible Spectroscopy
Infrared Spectroscopy
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR)
At various points throughout this text, links to supplementary information or special topics will be located in shaded boxes of this kind.
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