PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 1 PŘÍRODNÍ POLYMERY Identifikace přírodních látek RNDr. Ladislav Pospíšil, CSc. POLYMER INSTITUTE BRNO spol. s r.o. 14. 11. 2013 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 2 LEKCE datum téma 1 19.IX. Úvod do předmětu - Struktura a názvosloví přírodních polymerů, literatura 2 26. IX. Deriváty kyselin, - přírodní pryskyřice, vysýchavé oleje, šelak 3 3. X. Vosky 4 10. X. Přírodní gumy. 5 10. X. Polyterpeny – přírodní kaučuk, získávání, zpracování a modifikace 6 17. X. Polyfenoly – lignin, huminové kyseliny, třísloviny 7 24. X. Polysacharidy I – škrob 8 31. X. Polysacharidy II – celulóza 9 7. XI. Kasein, syrovátka, vaječné proteiny 10 14. XI. Identifikace přírodních látek 11 21. XI. Bílkovinná vlákna I 12 28. XI. Bílkovinná vlákna II 13 5. XII. Laboratorní metody hodnocení přírodních polymerů 14 29. XI. EXKURZE – KLIHÁRNA 15 12. XII. ???? EXKURZE –ŠKROBÁRNA, VÝROBA A ZPRACOVÁNÍ ŠKROBŮ LITERATURA – pouze ta, zaměřená na přírodní látky (polymery) •J. Zelinger, V. Heidingsfeld, P. Kotlík, E. Šimůnková: Chemie v práci konzervátora a restaurátora, ACADEMIA Praha 1987, •M. Večeřa, J. Gasparič: Důkaz a identifikace organických látek, SNTL Praha 1973 •H. Paulusová: Základní látky v lakových vrstvách skleněných negativů, přednáška CHEMPOINT (VUT, fakulta chemická), Vědci pro chemickou praxi (lze najít na Internetu) •Infračervená spektroskopie – lze najít na www stránkách VŠCHT Praha •Atlasy spekter dodávané s IFČ spektrometry • 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 3 1.Barevné reakce 2.Bod tání 3.Dělící metody 1.Destilace 2.Chromatografie 3.Elektroforéza 4.Spektroskopické metody 1.Hmotová spektroskopie 2.FTIR spektroskopie 3.NMR spektroskopie 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 4 Základní problémy analýzy přírodních látek (polymerů) 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 5 •Nejsou to chemická individua •Liší se podle místa původu, např. pryskyřice •Vliv stárnutí, např. vysýchavé oleje •Často se vyskytují směsi přírodních látek (polymerů) •Při konzervování & restaurování není možné vzít větší množství vzorku •……………….. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 6 img797.jpg Barevné reakce 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 7 img798.jpg Bod tání Dělící metody 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 8 •Destilace – např. terpentýn •Extrakce – pryskyřice ze dřeva •Chromatografie – dělení aminokyselin na tenké vrstvě •Elektroforéza - dělení aminokyselin •……………. Dělící metody - Destilace 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 9 •Nevýhody: –Potřeba většího množství vzorku –Nelze pracovat s pevnými látkami –Dělení není tak ostré jako u např. chromatografie •Výhody: –Získá se množství, se kterým lze dále pracovat, –Instrumentálně jednoduché, i vakuová rektifikace Dělící metody - Chromatografie 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 10 •Nevýhody: –NEZíská se množství, se kterým lze dále pracovat, –Instrumentálně NENÍ jednoduché •Výhody: –NENÍ Potřeba většího množství vzorku –Dělení JE tak ostré –Lze pracovat i s pevnými látkami, pokud je lze převést do roztoku –Velké množství chromatografických metod – Chromatografie – základní metody 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 11 •Papírová (nejstarší) •Na tenké vrstvě (TLC – Thin Layer Chromatography) •Plynová (GC) •Kapalinová (HPLC) •Gelová •Iontoměničová •…………….. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 12 Chromatografické pojmy Analyty – složky vzorku, které mají být chromatograficky rozděleny Analytická chromatografie – chromatografie sloužící k zjištění existence analytu (tzv. kvalitativní stanovení) a k určení jeho koncentrace ve vzorku (tzv. kvantitativní stanovení). Chromatograf – přístroj sloužící k chromatografické separaci složek vzorku Chromatogram – záznam z chromatografu znázorňující jednotlivé analyty nejčastěji ve formě tzv. chromatografických píků (zón) oddělených navzájem základní linií Chromatografická separace – rozdělení vzorku na jednotlivé složky (analyty) na základě rozdílné distribuce mezi mobilní a stacionární fázi Mobilní fáze – neboli eluent, je fáze pohybující se chromatografickým systémem. Tato fáze přivádí vzorek do stacionární fáze, kde dochází k jeho separaci Retenční čas – čas, který složka potřebuje k průchodu chromatografickým systémem Preparativní chromatografie – slouží k izolaci čistých (nebo alespoň čistějších) složek vzorku, které jsou dále použity (k chemické reakci, další separaci apod.) Stacionární fáze – je fáze ukotvená na místě, přes kterou prochází mobilní fáze a také složky vzorku. Jde např. o tenkou vrstvu silikagelu (při tenkovrstevné chromatografii) či kolona. Zde dochází k separaci v důsledku distribuce vzorku mezi stacionární a mobilní fázi 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 13 Rozdělení chromatografických metod podle uspořádání sloupcová chromatografie (kolonová chromatografie, CC, column chromatography) - stacionární fáze je v koloně papírová chromatografie (PP, paper chrom.) - stacionární fáze je papír nebo upravená celulóza chromatografie na tenké vrstvě (TLC, thin layer chromatography) - stacionární fáze je suspenze v podobě tenké vrstvy 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 14 Rozdělení chromatografických metod podle mobilní fáze plynová chromatografie (GC, gas chromatography) - mobilní fáze je plyn kapalinová chromatografie (LC, HPLC, liquid chrom., rozdělovací chrom.) - mobilní fáze je kapalina. Při kapalinové chromatografii je mobilní fází kapalina a stacionární fází je pevná látka (případně kapalina zakotvená v pevné látce). Kapalinová chromatografie se také nazývá jako rozdělovací chromatografie. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 15 Rozdělení kapalinové chromatografie podle principu dělení adsorpční chromatografie - stacionární fáze je adsorbent. iontová chromatografie - stacionární fáze je ionex. gelová chromatografie nebo gelová filtrační chromatografie - stacionární fáze je neionizovaný přírodní nebo syntetický gel. afinitní chromatografie - stacionární fáze obsahuje zakotvené ligandy, na které se rozdělovaná látka váže. rozdělovací chromatografie - o separaci rozhoduje různá rozpustnost složek vzorku v stacionární a mobilní fázi 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 16 img800.jpg TL Chromatografie – bez předúpravy látky (např. hydrolýzou) 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 17 img799.jpg TL Chromatografie – po hydrolýze látek na monomery (zde aminokyseliny) 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 18 img781.jpg Aminokyseliny v různých proteinech (bylo už v přednášce minulé) 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 19 img801.jpg GC vosků po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 20 img802.jpg GC pryskyřic po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 21 img803.jpg GC pojiv po pyrolýze při 600 °C 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 22 img804.jpg GC & hmotová spektroskopie 1 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 23 img805.jpg GC & hmotová spektroskopie 2 Elektroforéza 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 24 •Elektroforéza je soubor separačních metod, které využívají k dělení látek jejich odlišnou pohyblivost ve stejnosměrném elektrickém poli. Na principu rozdílných elektroforetických mobilit se při ní dělí nabité molekuly (ionty). •V roce 1892 bylo publikováno, že anorganické částice v koloidním roztoku pod vlivem elektrického pole nenáhodně putují. Nedlouho poté byl tento jev popsán i u proteinů ve vodných roztocích. •V roce 1948 byl Nobelovou cenou oceněn švédský chemik Arne Tiselius, který ve 30. letech minulého století postavil aparaturu separující proteiny krevního séra na základě jejich elektroforetických mobilit. • 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 25 •Kapilární gelová elektroforéza ( též CGE z angl. Capillary Gel Electrophoresis) je druh elektroforézy, při níž se látky rozdělují na základě pohyblivosti v gelu. V kapiláře se nachází gel, jenž maximalizuje diference mezi elektroforetickými rychlostmi velkých iontů různých tvarů, které různě úspěšně migrují póry gelu. Gel zabraňuje vzniku elektroosmotického toku, a proto jen jeden druh kladných či záporných iontů putuje směrem k detektoru. •Pohyblivost v gelu závisí na náboji separované molekuly a její molekulové hmotnosti, intenzitě elektrického pole a samozřejmě typu a porozitě gelu (k nejběžnějším gelům patří polyakrylamidový a agarosový gel). •Na rozdíl od CZE při CGE může být separován a detekován během jednoho experimentu pouze jeden typ iontů. Kapilární gelová elektroforéza se využívá zejména pro velké ionty, jakými jsou sacharidy, peptidy, bílkoviny, sestřihy DNA a RNA. •Existují i varianty této metody (elektroforéza v polyakrylamidovém gelu v přítomnosti dodecylsíranu sodného, angl. sodium-dodecyl-sulphate-polyacrylamide-gel-electrophoresis, SDS-PAGE), kde se molekuly bílkovin dělí téměř výhradně podle své molekulové hmotnosti. •Gelová elektroforéza je v současnosti nejrozšířenější elektroforetickou metodou. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 26 Gel_electrophoresis_apparatus.JPG Agarose-Gelelektrophorese.png Elektroforéza FTIR spektroskopie 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 27 •Výhody: –Dosti univerzální technika (pevné látky, kapaliny, plyny, roztoky, KBr technika, vícenásobný odraz, …) –Malé množství vzorku –Možnost spojení s mikroskopií –……………. •Nevýhody: –Instrumentálně i vzdělanostně náročné –Spektrum závisí i na technice měření –…………….. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 28 detSvR_PI_IR_1105 FTIR spektroskopie – spojení s mikroskopem 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 29 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 30 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 31 FTIR spektrum šelaku img789.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 32 FTIR spektrum sandaraku img788.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 33 FTIR spektrum damary img790.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 34 FTIR spektrum mastixu img791.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 35 FTIR spektrum kopálu img792.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 36 FTIR spektrum jantaru (oblast Baltu) img793.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 37 FTIR spektrum kafru img794.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 38 FTIR spektrum arabské gumy img796.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 39 FTIR spektrum NITROCELULÓZY img795.jpg 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 40 FTIR spektrum celulózy, NITROCELULÓZY a triacetátu celulózy 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 41 FTIR spektrum celulózy, škrobu, dextrinu, celulózy s ligninem 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 42 FTIR spektrum celulózy (papír) a celulózy (jutové plátno) 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 43 FTIR spektrum kaseinu a kaseinového klihu (Ca sůl) NMR spektroskopie 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 44 •Výhody: –Může být vodíkové i uhlíkové a případně i jiné spektrum –Detailní informace o struktuře molekuly –Jsou k dispozici simulační metody –……………. •Nevýhody: –Instrumentálně i vzdělanostně náročné –Většinou nutno pracovat v roztoku nebo s kapalinou –…………….. 14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013 45 Comparative prediction of the 13C NMR spectrum of sucrose using various methods. Experimental spectrum is in the middle. Upper spectrum (black) was obtained by empirical routine. Lower spectra (red and green) were obtained by quantum-chemical calculations in PRIRODA and GAUSSIAN respectively. Included information: used theory level/basis set/solvent model, accuracy of prediction (linear correlation factor and root mean square deviation), calculation time on personal computer (blue GlycoNMR_simulation NMR WIKI ENG.jpg