Kémiai anyagszerkezettan 1 Előadó: Kubinyi Miklós Tel: 463-1484

Az előadások a következő témára: "Kémiai anyagszerkezettan 1 Előadó: Kubinyi Miklós Tel: 463-1484"— Előadás másolata:

1 Kémiai anyagszerkezettan 1 Előadó: Kubinyi Miklós Tel: 463-1484 kubinyi@mail.bme.hu

2 2 Gyógyszermérnök MSc Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM204) Vegyészmérnök MSc: Fizikai Kémia és Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM201) Fizikai Kémia előadások: Szerda 08:15-10:00 (CH A20) Felületek, elegyek (Dr. Szilágyi András, 6 hét) Statisztikus termodinamika (Dr. Rolik Zoltán, 2 hét) Radiokémia (Dr. László Krisztina, 4 hét) Dolgozat: december 12.

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

4

5 Tananyag az oktatas szerveren: http://oktatas.ch.bme.hu/oktatas/ konyvek/fizkem/kasz/ 5  előadás: Tananyag14  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) 6

7 Bevezetés I. Példák kémiai szerkezetvizsgálati feladatokra 7

8 8 Cariprazine RHG 188 É. Ágai-Csongor et al., Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters 22 (2012) 3437–3440

9 9

10 10 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai Donepezil-hidroklorid Alzheimer-kór gyógyszer T.-J. Park, Bull. Kor. Chem Soc. 30, 2007-2010 (2009)

11 11 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai

12 12 Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai

13 Elektrokémiai szenzor hatóanyaga 13 „BME 44” koronaéter Kálium ionnal komplexet képez. Szelektív! Orvosi, biológiai minták káliumtartalmát meghatározó műszerben alkalmazzák (HORIBA)

14 Szerkezeti képlet A koronaéter-gyűrű geometriája K + - BME44 „szupramolekuláris” komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás) 14

15 15

16 Szénhidrogén konverziója Pt-katalizátorral 16 Kiindulási anyag: n-oktán Termékek i-oktán (motorbenzinben előnyös), aromások (káros) Az ötvöző anyag hatására megváltozik a termékösszetétel

17 Az ötvözet elemi összetétele Felületi összetétel Felületen megkötődő szénhidrogének kimutatása 17

18 1.1. Bevezetés a spektroszkópiába 18

19 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. 19

20 Joseph Fraunhofer kísérlete 1815 A Nap fényét optikai rácson felbontotta. A folytonos színképben fekete vonalakat észlelt. 20

21 21

22 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  E A = h  A1, h  A2 … energiakvantumokkal változhat, a B molekuláé  E B = h  B1, h  B2 … energiakvantumokkal, stb. 22

23 A mikrorészecskék fizikai sajátságai közül egyesek - köztük az energiájuk - csak bizonyos meghatározott - kvantált - értékeket vehetnek fel. Erre utal a kvantummechanika elnevezés. 23

24 EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER 24

25 O N N N C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 C 2 H 5 + ClO 4 - Oxazin 1 25

26 Oxazin 1 UV-látható abszorpciós spektruma 26

27 1.2. Bevezetés a kvantummechanikába 27

28 Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem (1926) 28

29 A Schrödinger-egyenlet 29 A kvantummechanika legfontosabb összefüggése! (Röviden: )

30 Differenciálegyenlet a molekulát alkotó atommagok és elektronok helykoordinátái szerinti differenciálhányadosokat tartalmaz ezen koordináták közös jelölése:  30

31 Pl.: H 2 S molekula esetében  (magok) (elektronok) 31

32 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 32

33 A differenciálegyenletek megoldásai függvények. A Schrödinger-egyenlet megoldásai a  0 (  ) állapotfüggvény és a hozzátartozó E 0 energia-sajátérték, a  1 (  ) állapotfüggvény és a hozzátartozó E 1 energia-sajátérték,  2 (  ), E 2... 33

34 Az állapotfüggvény jelentősége I. 34 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

35 Az állapotfüggvény jelentősége II. 35 Elméleti úton számítható a spektrum!

36 Elnyelési (abszorpciós spektrum): a fényelnyelés intenzitása a fény frekvenciájának függvényében. Kibocsátási (emissziós) spektrum: a fénykibocsátás intenzitása a fény frekvenciájának függvényében. 36

37 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 (   (  )). Az állapotfüggvény jelentősége II. Elméleti úton számítható a spektrum! 37

38 1.3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése 38

39 NMR Laboratórium

40 Az elektromágneses sugárzás tartományai 40 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz]

41 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) 41

42 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) 42

43 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) 43

44 mikrohullámú gamma röntgen ultraibolya látható rádió- hullámú infravörös 10 6 10 8 10 1 0 10 1 2 10 1 4 10 16 10 18 10 2 0 10 2 2 [Hz] OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) MÖSSBAUER SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) 44