Kémiai anyagszerkezettan

Az előadások a következő témára: "Kémiai anyagszerkezettan"— Előadás másolata:

1 Kémiai anyagszerkezettan
Előadó: Kubinyi Miklós Tel:

2 Vegyészmérnök MSc: Fizikai Kémia és Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM201) Fizikai Kémia előadások: szept. 6. – okt. 20. Szerda 08:15-10:00 (K 255) , Péntek 14:15 – 16:00 (K.1.34) Statisztikus termodinamika (Dr. Rolik Zoltán, 3 ea.) Radiokémia (Dr. László Krisztina, 4 ea.) Felületek, elegyek (Dr. Szilágyi András, 6 ea.) Dolgozat: november 3., pótdolgozat: november 17. Gyógyszermérnök MSc Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM204)

3 Fizikai Kémia Fizikai Kémia I. - egyensúlyok (fázisegyensúlyok, kémiai egyensúlyok) Fizikai Kémia II. - változások (reakciókinetika, transzportfolyamatok) Fizikai Kémia III. - szerkezet (molekulák szerkezete, anyagok szerkezete)

4

5 Tananyag az oktatas szerveren: http://oktatas. ch. bme
előadás: Tananyag17 jegyzet: Tananyag05

6 Tananyag I. BEVEZETÉS (Bevez05) II. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI (Axiom05) III. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE (H_atom05) IV. A TÖBBELEKTRONOS ATOMOK ELEKTRONSZERKEZETE (Tobbel05) V. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (Optsp05) VI. A MOLEKULÁK FORGÓMOZGÁSA (Forgo05) VII. A MOLEKULÁK REZGŐMOZGÁSA (Rezgo05) VIII. A MOLEKULÁK ELEKTRONSZERKEZETE (Molel05) IX. FOTOELEKTRON-SPEKTROSZKÓPIA (UPSXPS05) X. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK (Lezer05) XI. AZ ATOMMAGOK ENERIGIAÁLLAPOTAI (Magszerk05) XII. A MÁGNESES MAGREZONANCIA XII. AZ ELEKTRONSPIN-REZONANCIA XIV. TÖMEGSPEKTROSZKÓPIA (Tomegsp05) XV. A RÖNTGENDIFFRAKCIÓ (Rontg05)

7 Bevezetés I. Példák kémiai szerkezetvizsgálati feladatokra

8 Cariprazine: magyar fejlesztésű gyógyszer hatóanyag
Antipszichotikum skizofrénia, bipoláris betegség kezelésére Cariprazine RGH 188 É. Ágai-Csongor et al., Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 22 (2012) 3437–3440

9 A Cariprazine kémiai szerkezetének igazolása
É. Ágai-Csongor et al., Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 22 (2012) 3437–3440

10 Intermedier előállítása Cariprazine-hoz katalitikus hidrogénezéssel
Hegedűs L., Magy. Kém. Lapja 70, (2015)

11 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai Donepezil-hidroklorid
Alzheimer-kór gyógyszer T.-J. Park, Bull. Kor. Chem Soc. 30, (2009)

12 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai

13 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai

14 Elektrokémiai szenzor hatóanyaga
„BME 44” koronaéter Kálium ionnal komplexet képez. Szelektív! Orvosi, biológiai minták káliumtartalmát meghatározó elektrokémiai műszerben alkalmazzák (HORIBA)

15 A koronaéter-gyűrű geometriája
Szerkezeti képlet A koronaéter-gyűrű geometriája K+- BME44 „szupramolekuláris” komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás) T. T. Ruckh, ACS Nano 10, (2016

16 energiatárolás/felhasználás
ATP energiatárolás/felhasználás Az emberi szervezetben ~ 70 g ATP van ~ 70 kg ATP képződik naponta. M. Williams, Nutrition for Health, Fitness & Sport, McGraw Hill, 2012 Héja L, Kémiai Panoráma 1, (2009)

17 Podand ATP szenzor kötőhely távtartó fluorofór POD

18 Fluoreszcencia válasz
POD Idegszövet fluoreszcencia mikroszkópos képe POD + ATP Héja L.

19 1.1. Bevezetés a spektroszkópiába

20 A molekuláknak és a többi mikrorészecskének szerkezetét a kvantummechanika írja le.
A kvantummechanika alapvető törvényeit az 1920-as években ismerték fel. Előzmény: néhány kísérlet, amely a klasszikus fizikának ellentmondó eredményre vezetett.

21 Joseph Fraunhofer kísérlete 1815
A Nap fényét prizmákon felbontotta. A folytonos színképben fekete vonalakat észlelt.

22

23 Magyarázat:  a Nap folytonos sugárzást ad   a Napot és a Földet körülvevő gázburok molekulái csak bizonyos hullámhosszú/frekvenciájú fotonokat (fénykvantumokat) nyelnek el.    Az A molekula a rá jellemző A1, A2... a B molekula a rá jellemző B1, B2...     Ezért az A molekula energiája EA= hA1, hA2… energiakvantumokkal változhat, a B molekuláé EB= hB1, hB2… energiakvantumokkal, stb.

24 A mikrorészecskék fizikai sajátságai közül egyesek - köztük az energiájuk - csak bizonyos meghatározott - kvantált - értékeket vehetnek fel. Erre utal a kvantummechanika elnevezés.

25 EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER

26 Oxazin 1 N C 2 H 5 + C O 2 H 5 N N - C H C H 2 5 ClO 2 5 4

27 Oxazin 1 UV-látható abszorpciós spektruma
0,5 1 1,5 2 2,5 200 400 600 800 Hullámhossz (nm) Abszorbancia koncentráció 210-5 M oldószer víz

28 1.2. Bevezetés a kvantummechanikába

29 első rész: E. Schrödinger, Ann. Phys. 79, 361-376 (1926)
Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem négy közlemény 1926-ban, első rész: E. Schrödinger, Ann. Phys. 79, (1926)

30 A Schrödinger-egyenlet
A kvantummechanika legfontosabb összefüggése! (Röviden: )

31 Differenciálegyenlet
a molekulát alkotó atommagok és elektronok helykoordinátái szerinti differenciálhányadosokat tartalmaz ezen koordináták közös jelölése: 

32 Pl.: H2S molekula esetében 
(magok) (elektronok)

33 () a molekula állapotfüggvénye E a molekula energiája
Hamilton-operátor Az operátor függvényen végzett műveletet jelöl ki. A Hamilton-operátor több tagból áll, amelyek közül egyesek a magok és az elektronok térkoordinátái szerinti parciális deriválást tartalmaznak. () a molekula állapotfüggvénye E a molekula energiája

34 A differenciálegyenletek megoldásai függvények.
A Schrödinger-egyenlet megoldásai a 0() állapotfüggvény és a hozzátartozó E0 energia-sajátérték, a 1() állapotfüggvény és a hozzátartozó E1 energia-sajátérték, 2(), E2 ...

35 A kvantummechanikai számítás eredményei
A molekula -ik állapotát jellemző () állapotfüggvény megadja, hogy a tér egyes pontjaiban mekkora az elektronok és a különféle atommagok tartózkodási valószínűsége. Ebből leszármaztatható - a magok elhelyezkedését jellemző kötéstávolságok, kötésszögek (molekulageometria) - az atomok parciális töltései (reakciókészséghez fontos) - kémiai kötések erőssége

36 A kvantummechanikai számítás eredményei
Elméleti úton számítható a spektrum!

37 Elnyelési (abszorpciós spektrum): a fényelnyelés intenzitása a fény frekvenciájának függvényében.
Kibocsátási (emissziós) spektrum: a fénykibocsátás intenzitása a fény frekvenciájának függvényében.

38 A kvantummechanikai számítás eredményei
Elméleti úton számítható a spektrum! Az elnyelési frekvenciákat a kiindulási állapot ( ) és a végállapot () energiájának különbsége határozza meg: E - E = h  A spektrumvonal intenzitása arányos a két állapot ( és ) közötti sugárzásos átmenet valószínűségével, amely kiszámítható, ha ismerjük a molekula állapotfüggvényét kiindulási állapotban (()) és a végállapotban (()).

39 1.3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése

40 NMR Laboratórium

41 Az elektromágneses sugárzás tartományai
106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma

42 Az elektromágneses sugárzás tartományai
106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése)

43 Az elektromágneses sugárzás tartományai
106 108 1014 1018 1020 1022 1010 1012 1016 1018 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

44 Az elektromágneses sugárzás tartományai
106 108 1012 1014 1010 1016 1018 1018 1020 1022 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása)

45 Az elektromágneses sugárzás tartományai
1022 1010 1012 1018 106 108 1014 1016 1018 1020 [Hz] rádió-hullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése)

46 Alapkérdések Írja fel a foton energiájának képletét!
Mit nevezünk Fraunhofer-vonalaknak, és mi a magyarázat a megjelenésükre? Írja fel a stacionárius Schrödinger-egyenlet általános alakját! Sorolja fel az elektromágneses hullám tartományait növekvő frekvencia szerint! Milyen fő részekből épül fel az egy-utas UV-látható abszorpciós spektrométer? Milyen összefüggés áll fenn az elektromágneses hullám frekvenciája és hullámhossza között?