Assorbimento transiente

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1 Assorbimento transiente

2 Approccio sperimentale Risoluzione temporale Anno di introduzione Mischiare i reagenti ~ s Stopped flow ~ms 1940 Flash photolysis ~ms 1950 Laser flash photolysis (laser al rubino) (laser Nd:YAG) Fotochimica ~ns ~ps 1967 Eigen, Norrish, Porter Laser Ti:Sa ~fs Zewail

3 L approccio fotochimico Non si mischiano i reagenti, ma ci si mette in condizioni tali per cui la reazione inizia solo quando il sistema è perturbato da un impulso di luce (flash di pompa ). In genere l impulso porta nello stato eccitato uni dei reagenti, ma può anche variare la temperatura o il ph della soluzione. L impulso di pompa deve essere più breve della reazione da osservare (la limitazione temporale è data dalla durata dell impulso). Si segue nel tempo il comportamento del sistema, ad esempio misurando l assorbanza ad una l particolarmente significativa (ma si può utilizzare qualunque altra tecnica con risoluzione temporale sufficiente).

4 La femtochimica Studi cinetici: Velocità delle reazioni Barriere di attivazione (Arrhenius) Natura degli intermedi In alcuni casi si generano intermedi di reazione a vita sufficientemente lunga da essere osservati facilmente. Il limite estremo consiste nella rivelazione degli stati di transizione, che in genere hanno vita paragonabile ai tempi di vibrazione delle molecole (fs) 1 fs = s 1 fs : 1s = 1s : anni

5 Nobel per la Chimica 1999 Ahmed H. Zewail "for his studies of the transition states of chemical reactions using femtosecond spectroscopy"

6 Approccio sperimentale Monocromatore Campione Fototubo Flash Laser Computer

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9 Assorbimento transiente del tripletto ISC S 1 T 1 T n hn (probe) Triplet decay S 0 hn (laser pump) A A( T1 Tn ) A( S0 S1)

10 T2 T1 S1 S0 Tripletto della pirofeofitina a (un derivato della feofitina a, uno dei cromofori naturali coinvolti nella fotosintesi)

11 Un esempio: dinamica di un oligopeptide Oct -Aib -Gly-Leu-Aib -Gly-Gly-Leu-Aib -Gly-Ile-Lol Trichogin Fmoc-Aib -Gly-Leu-Aib -Gly-Gly-Leu-Toac-Gly-Ile-LeuOMe F0T8 Fmoc-Aib -Gly-Leu-Aib -Gly-Gly-Leu-Aib -Gly-Ile-LeuOMe F0 Siena 23/6/2005

12 Time-resolved fluorescence: ns

13 Time-resolved fluorescence: ns t I( t) I e 0 F0: 0 0 =9.0 ns E~0.81 E ~0.37 F0T8: 0 t d I( t) I ( ) e 0

14 Time-resolved fluorescence: ns Assuming a helical conformation: R~13 Å R 0 =10.5Å E=0.37 O.K. But E=0.81 is impossible! Unless Bent conformation! RATES?

15 Time-resolved fluorescence: ns Effect of viscosity and temperature (Glycerol/CH 3 OH 8:2) In the ns timeframe no dynamics is present Interconversion between the two conformational families is slower than ns

16 Transient absorption: ms l=370 nm F0

17 Transient absorption: ms Intermolecular quenching k q = k-k 0= =k b[q] k b (bimolecular)= s -1 M -1 k b =4pN A (D 1 +D 2 )R Intermolecular quenching is diffusion limited and short range.

18 Transient absorption: ms Intramolecular quenching k 0 = s -1 k= s -1 k q = k-k 0 = s -1

19 Transient absorption: ms Effect of viscosity on intramolecular quenching k q = s -1 k q = s -1

20 Transient absorption: ms A different analog Fmoc-Aib-Gly-Leu-Toac-Gly-Gly-Leu-Aib-Gly-Ile-LeuOMe F0T4 k q = s -1 Flexibility of Gly 5 -Gly 6 is important for the triplet quenching process k q = s -1

21 Transient absorption: ms k f k 2 k b If k 2 >>k f then the observed rate corresponds to k f, i.e. the rate of contact formation between the two helical segments. =1/k f =0.3 ms

22 Spettri transienti dopo 1 e 10 ms dal flash. Il tempo di reazione è circa 3 ms. C 60 +porfirina (Ito et al., PCCP, 4, 3322)

23 2,4,6-Triphenylpyrylium Tetrafluoroborate Photosensitized Oxidation of Ring-Methoxylated Benzyl Alcohols

24 Metodo pump-probe Il tempo di risposta di un fototubo è dell ordine dei ns. Cinetiche più lente possono essere rivelate osservando direttamente il segnale in uscita del fototubo in funzione del tempo. Per cinetiche più veloci si usa il metodo detto pump-probe. Si utilizza un primo impulso ( pump ) per dare inizio alla reazione chimica. Si invia poi un secondo impulso laser ( probe, della stessa durata del pump, ad esempio fs) con un determinato ritardo ( t) per misurare l assorbimento a quel tempo. Variando il ritardo t si misura l assorbimento a tutti i tempi. Il ritardo viene variato allungando il cammino ottico del fascio laser (in un fs la luce percorre 30 mm). La risoluzione temporale è limitata solo dalla durata degli impulsi utilizzati.

25 in un fs la luce percorre 30 mm

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28 Fluorescenza risolta nel tempo: pump & probe Metodo analogo alle misure di assorbimento transiente. Il primo impulso (pump) eccita il campione. Il secondo impulso arriva, insieme alla fluorescenza, in un cristallo con proprietà non lineari. Quando nel cristallo arrivano due radiazioni di lunghezza d onda n 1 e n 2, in uscita è presente una radiazione a n 3 = n 1 + n 2, proporzionale all intensità di I(n 1 ) e I(n 2 ). Questa radiazione è presente solo durante l impulso di probe ed ha intensità proporzionale alla fluorescenza a quel tempo. n 1 n 3 n 2

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