PŘÍRODNÍ POLYMERY Identifikace přírodních látek

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