PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 1 PŘÍRODNÍ POLYMERY Identifikace přírodních látek RNDr. Ladislav Pospíšil, CSc. POLYMER INSTITUTE BRNO spol. s r.o. 5. 11. 2014 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 • 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 2 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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 3 Základní problémy analýzy přírodních látek (polymerů) 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 4 •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 •……………….. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 5 img797.jpg Barevné reakce 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 6 img798.jpg Bod tání Dělící metody 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 7 •Destilace – např. terpentýn •Extrakce – pryskyřice ze dřeva •Chromatografie – dělení aminokyselin na tenké vrstvě •Elektroforéza - dělení aminokyselin •……………. Dělící metody - Destilace 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 8 •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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 9 •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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 10 •Papírová (nejstarší) •Na tenké vrstvě (TLC – Thin Layer Chromatography) •Plynová (GC) •Kapalinová (HPLC) •Gelová •Iontoměničová •…………….. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 11 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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 12 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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 13 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. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 14 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 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 15 img800.jpg TL Chromatografie – bez předúpravy látky (např. hydrolýzou) 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 16 img799.jpg TL Chromatografie – po hydrolýze látek na monomery (zde aminokyseliny) 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 17 img781.jpg Aminokyseliny v různých proteinech (bylo už v přednášce minulé) 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 18 img801.jpg GC vosků po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 19 img802.jpg GC pryskyřic po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 20 img803.jpg GC pojiv po pyrolýze při 600 °C 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 21 img804.jpg GC & hmotová spektroskopie 1 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 22 img805.jpg GC & hmotová spektroskopie 2 Elektroforéza 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 23 •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. • 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 24 •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. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 25 Gel_electrophoresis_apparatus.JPG Agarose-Gelelektrophorese.png Elektroforéza FTIR spektroskopie 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 26 •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 –…………….. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 27 detSvR_PI_IR_1105 FTIR spektroskopie – spojení s mikroskopem 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 28 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 29 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 30 FTIR spektrum šelaku img789.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 31 FTIR spektrum sandaraku img788.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 32 FTIR spektrum damary img790.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 33 FTIR spektrum mastixu img791.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 34 FTIR spektrum kopálu img792.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 35 FTIR spektrum jantaru (oblast Baltu) img793.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 36 FTIR spektrum kafru img794.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 37 FTIR spektrum arabské gumy img796.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 38 FTIR spektrum NITROCELULÓZY img795.jpg 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 39 FTIR spektrum celulózy, NITROCELULÓZY a triacetátu celulózy 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 40 FTIR spektrum celulózy, škrobu, dextrinu, celulózy s ligninem 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 41 FTIR spektrum celulózy (papír) a celulózy (jutové plátno) 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 42 FTIR spektrum kaseinu a kaseinového klihu (Ca sůl) NMR spektroskopie 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 43 •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 –…………….. 5. 11. 2014 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 9 2014 44 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