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, šelak3 3. X. Vosky4 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 látek11 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 reakce2. Bod tání3. Dělící metody
1. Destilace2. Chromatografie3. Elektroforéza
4. Spektroskopické metody1. Hmotová spektroskopie2. FTIR spektroskopie3. 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
Barevné reakce
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
7
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 pojmyAnalyty – složky vzorku, které mají být chromatograficky rozdělenyAnalytická 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 vzorkuChromatogram – záznam z chromatografu znázorňující jednotlivé analyty nejčastěji ve formě tzv. chromatografických píků (zón) oddělených navzájem základní liniíChromatografická separace – rozdělení vzorku na jednotlivé složky (analyty) na základě rozdílné distribuce mezi mobilní a stacionární fáziMobilní fáze – neboli eluent, je fáze pohybující se chromatografickým systémem. Tato fáze přivádí vzorek do stacionární fáze, kde dochází k jeho separaciRetenční čas – čas, který složka potřebuje k průchodu chromatografickým systémemPreparativní 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
TL Chromatografie – bez předúpravy látky (např. hydrolýzou)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
17
TL Chromatografie – po hydrolýze látek na monomery (zde aminokyseliny)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
18
Aminokyseliny v různých proteinech (bylo už v přednášce minulé)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
19
GC vosků po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
20
GC pryskyřic po zmýdelnění a methylaci kyselin na methylestery
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
21
GC pojiv po pyrolýze při 600 °C
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
22
GC & hmotová spektroskopie 1
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
23
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
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
FTIR spektroskopie – spojení s mikroskopem
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
29
mušle 164 - hnědá mladá
1,55
1,60
1,65
1,70
1,75
1,80
1,85
1,90
1,95
2,00
2,05
2,10
2,15
2,20
2,25
2,30
2,35
2,40
Log(
1/R
)
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
30
J0516-4-fragment - žlutá-rozptyl
17,4
17,6
17,8
18,0
18,2
18,4
18,6
18,8
19,0
19,2
19,4
19,6
19,8
20,0
20,2
20,4
20,6
20,8
21,0
21,2
21,4 21,6
Kube
lka-
Mun
k
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
31
FTIR spektrum šelaku
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
32
FTIR spektrum sandaraku
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
33
FTIR spektrum damary
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
34
FTIR spektrum mastixu
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
35
FTIR spektrum kopálu
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
36
FTIR spektrum jantaru (oblast Baltu)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
37
FTIR spektrum kafru
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
38
FTIR spektrum arabské gumy
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
39
FTIR spektrum NITROCELULÓZY
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
40
FTIR spektrum celulózy, NITROCELULÓZY a triacetátu celulózy
Paper (Cellulose)
0,05
0,10
0,15
0,20A
bsor
banc
e
Cellulose Nitrate
0,05
0,10
0,15
Abs
orba
nce
Cellulose triacetate
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
Abs
orba
nce
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
41
FTIR spektrum celulózy, škrobu, dextrinu, celulózy s ligninem
STARCH
0,5
1,0A
bsor
banc
e
Dextrin
0,5
1,0
Abs
orba
nce
Cellulose + lignin
0,5
1,0
Abs
orba
nce
Paper (Cellulose)
0,1
0,2
Abs
orba
nce
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
42
FTIR spektrum celulózy (papír) a celulózy (jutové plátno)
***J0501 plátno bavlna
0,00
0,01
0,02
0,03
0,04
0,05A
bsor
banc
e
Paper (Cellulose)
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
0,20
0,22
Abs
orba
nce
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
14. 11. 2013 PŘÍRODNÍ POLYMERY PŘF MU 10 2013
43
FTIR spektrum kaseinu a kaseinového klihu (Ca sůl)
*kaseinový klej
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,10
0,12
0,14A
bsor
banc
e
Casein (protein based)
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
0,040
Abs
orba
nce
1000 1500 2000 2500 3000 3500 Wavenumbers (cm-1)
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