Kmiai anyagszerkezettan Elad Kubinyi Mikls Tel 463 1484

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

Vegyészmérnök MSc: Fizikai Kémia és Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM 201) Fizikai Kémia előadások: szept. 7. – okt. 21. 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: 2016. november 4. , pótdolgozat: november 18. Gyógyszermérnök MSc Kémiai Anyagszerkezettan (BMEVEFAM 204) 2

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

Tananyag az oktatas szerveren: http: //oktatas. ch. bme. hu/oktatas/ konyvek/fizkem/kasz/ előadás: Tananyag 16 jegyzet: Tananyag 05 5

Tananyag I. BEVEZETÉS (Bevez 05) II. A KVANTUMMECHANIKA AXIÓMÁI (Axiom 05) III. A HIDROGÉNATOM SZERKEZETE (H_atom 05) IV. A TÖBBELEKTRONOS ATOMOK ELEKTRONSZERKEZETE (Tobbel 05) V. OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (Optsp 05) VI. A MOLEKULÁK FORGÓMOZGÁSA (Forgo 05) VII. A MOLEKULÁK REZGŐMOZGÁSA (Rezgo 05) VIII. A MOLEKULÁK ELEKTRONSZERKEZETE (Molel 05) IX. FOTOELEKTRON-SPEKTROSZKÓPIA (UPSXPS 05) X. LÉZEREK, LÉZERSPEKTROSZKÓPIAI MÓDSZEREK (Lezer 05) XI. AZ ATOMMAGOK ENERIGIAÁLLAPOTAI (Magszerk 05) XII. A MÁGNESES MAGREZONANCIA XII. AZ ELEKTRONSPIN-REZONANCIA XIV. TÖMEGSPEKTROSZKÓPIA (Tomegsp 05) XV. A RÖNTGENDIFFRAKCIÓ (Rontg 05) 6

Bevezetés I. Példák kémiai szerkezetvizsgálati feladatokra 7

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

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

Intermedier előállítása Cariprazine-hoz katalitikus hidrogénezéssel Hegedűs L. , Magy. Kém. Lapja 70, 75 -78 (2015) 10

Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai Donepezil-hidroklorid Alzheimer-kór gyógyszer T. -J. Park, Bull. Kor. Chem Soc. 30, 2007 -2010 (2009) 11

Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai 12

Gyógyszer-hatóanyag polimorf módosulatai 13

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

Szerkezeti képlet A koronaéter-gyűrű geometriája K+- BME 44 „szupramolekuláris” komplex szerkezete (koordanatív kötések, töltéseloszlás) T. T. Ruckh, ACS Nano 10, 4020 -4030 (2016 15

1. 1. Bevezetés a spektroszkópiába 16

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. 17

Joseph Fraunhofer kísérlete 1815 A Nap fényét prizmákon felbontotta. A folytonos színképben fekete vonalakat észlelt. 18

19

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 A 1, A 2. . . a B molekula a rá jellemző B 1, B 2. . . Ezért az A molekula energiája EA= h A 1, h A 2… energiakvantumokkal változhat, a B molekuláé EB= h B 1, h B 2… energiakvantumokkal, stb. 20

A mikrorészecskék fizikai sajátságai közül egyesek köztük az energiájuk - csak bizonyos meghatározott kvantált - értékeket vehetnek fel. Erre utal a kvantummechanika elnevezés. 21

EGYSUGARAS UV-LÁTHATÓ ABSZORPCIÓS SPEKTROMÉTER 22

Oxazin 1 N C 2 H 5 O N + C 2 H 5 Cl. O 4 23

Oxazin 1 UV-látható abszorpciós spektruma Abszorbancia 2, 5 2 1, 5 1 0, 5 0 200 400 600 800 Hullámhossz (nm) koncentráció 2 10 -5 M oldószer víz 24

A sugárzó test spektruma a hőmérséklet függvényében (Planck sugárzási törvénye) A Nap (effektív) hőmérséklete: 5785 K

A sugárzó test spektruma a hőmérséklet függvényében (Planck sugárzási törvénye)

1. 2. Bevezetés a kvantummechanikába 27

Erwin Schrödinger: Quantisierung als Eigenwertproblem négy közlemény 1926 -ban, első rész: E. Schrödinger, Ann. Phys. 79, 361 -376 (1926) 28

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

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

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

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

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

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 34

A kvantummechanikai számítás eredményei Elméleti úton számítható a spektrum! 35

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

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 ( ( )). 37

1. 3. A kémiai szerkezetvizsgálati módszerek áttekintése 38

NMR Laboratórium

Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1818 1010 1022 [Hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma 40

Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1818 1010 1022 [Hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) 41

Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1818 1010 1022 [Hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) 42

Az elektromágneses sugárzás tartományai 106 108 1010 1012 1014 1016 1818 1010 1022 [Hz] rádióhullámú mikrohullámú infravörös látható ultraibolya röntgen gamma OPTIKAI SPEKTROSZKÓPIA (molekulák gerjesztése) NMR SPEKTROSZKÓPIA (magok gerjesztése) FOTOELEKTRON SPEKTROSZKÓPIA (molekulák ionizálása) 43

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

Alapkérdések 1. Írja fel a foton energiájának képletét! 2. Mit nevezünk Fraunhofer-vonalaknak, és mi a magyarázat a megjelenésükre? 3. Írja fel a stacionárius Schrödinger-egyenlet általános alakját! 4. Sorolja fel az elektromágneses hullám tartományait növekvő frekvencia szerint! 5. Milyen fő részekből épül fel az egy-utas UV-látható abszorpciós spektrométer? 6. Milyen összefüggés áll fenn az elektromágneses hullám frekvenciája és hullámhossza között? 45