Spettroscopia UV. σ* π* π n σ

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1 Spettroscopia UV L'assorbimento di una molecola nell'uv e nel visibile riguarda transizioni elettroniche degli elettroni di legame e dipende dalla struttura elettronica della molecola. A temperatura ambiente, praticamente tutte le molecole di un composto organico si trovano nello stato fondamentale, cioè quello a più bassa energia. Se consideriamo gli elettroni di legame, nello stato fondamentale essi occupano gli orbitali di più bassa energia disponibili rispettando il principio di esclusione di Pauli (2 elettroni per orbitale). Quindi gli orbitali di legame di tipo e (per molecole insature) di tipo π saranno completamente occupati, così come quelli di non legame (n) per molecole con etereoatomi come N e O; gli orbitali di antilegame e π* saranno invece vuoti (in caso di radicali o carbocationi la situazione non è esattamente questa). In generale, poiché i legami σ sono i più forti, gli orbitali σ sono quelli ad energia più bassa, ed i relativi orbitali σ* quelli ad energia più alta; gli orbitali di non legame, non coinvolto in legami, saranno ad energia intermedia tra gli orbitali di legame e di antilegame. Quindi, a grandi linee, l'energia degli orbitali disponibili in una molecola organica può essere descritto così: E σ* π* π n σ Una transizione elettronica consiste nello spostamento di un elettrone da un orbitale ad un altro, e questo per una molecola organica nello stato fondamentale può avvenire principalmente in tre modi: da un orbitale σ ad uno σ* (transizione σ σ*), da un orbitale π ad uno π* (transizione π π*), e da un orbitale n ad uno π* (transizione n π*). Nella pratica, per molecole organiche le transizioni che riguardano i legami σ (transizioni σ σ*) cadono nella regione del lontano UV, cioè al di sotto dei 190 nm, poiché la differenza di energia tra i due livelli è piuttosto elevata. Questa regione non è accessibile dai normali strumenti, perché, tra l'altro, anche l'aria assorbe a queste lunghezze d'onda. Per questo, la spettroscopia UV è utile soprattutto per molecole insature (transizioni π π* e n π*), e particolarmente per quelle con doppi legami coniugati. Un gruppo funzionale insaturo capace di assorbire all'uv viene detto cromoforo. La lunghezza d'onda dell'assorbimento può variare se è esso è legato a gruppi funzionali con elettroni di non legame: questi gruppi funzionali, che di per sé non assorbono, ma influenzano l'assorbimento di cromofori, sono detti auxocromi. Altri termini usati nel campo della spettroscopia UV sono: lo spostamento dell'assorbimento verso lunghezze d'onda maggiori (dovuto a sostituenti sul cromoforo, a variazioni del solvente, o a variazioni del p) è detto shift batocromico, o spostamento verso il rosso; lo spostamento verso lunghezze d'onda minori è detto shift ipsocromico, o spostamento verso il blu. Un aumento dell'ε è detto effetto ipercromico, mentre la sua diminuzione è detto effetto ipocromico. Un tipico spettro UV è qui rappresentato:

2 Come si vede, le bande di assorbimento sono piuttosto larghe, e radiazioni in un range anche di decine di nm possono eccitare la stessa transizione elettronica. Come è possibile questo, se abbiamo detto che sono un fotone che ha un energia esattamente pari alla differenza di energia tra due livelli può essere assorbito? In realtà bisogna considerare che molecole nello stesso stato elettronico possono trovarsi in diversi stati vibrazionali e rotazionali (vedi figura): Se comprendiamo nell'energia totale della molecola anche i livelli vibrazionali e rotazionali, vediamo che sono possibili molte transizioni, di energia simile ma non identica, che portano dallo stesso stato fondamentale allo stesso stato eccitato. Sono particolarmente importanti gli stati vibrazionali dello stato elettronico eccitato: infatti a temperatura ambiente quasi tutte le molecole, oltre ad essere nello stato fondamentale elettronico, sono anche nello stato fondamentale vibrazionale; ma non è affatto detto che la transizione più probabile sia quella che porta allo stato vibrazionale fondamentale dello stato elettronico eccitato. In effetti la geometria a minima energia dello stato eccitato può essere piuttosto diversa da quella dello stato fondamentale, ma le transizioni elettroniche sono molto veloci, e durante l'eccitazione la molecola non ha tempo di variare la sua geometria (questo è noto come principio di Frank-Condon). Quindi la molecola, dopo l'eccitazione, viene a trovarsi in uno stato elettronico eccitato, e con una conformazione molto diversa da quella di minima energia, cioé in uno stato vibrazionale ad energia piuttosto elevata. In alcuni casi lo spettro UV presenta delle ondulazioni, con molti massimi corrispondenti alle varie transizioni tra diversi livelli vibrazionali; questo accade soprattutto allo stato gassoso e in solventi poco polari: si parla allora di struttura fine della banda:

3 Più spesso la presenza di energia rotazionale porta alle sovrapposizione dei vari livelli vibrazionali, e allora la transizione dà luogo ad un unica, larga banda. Nello studiare uno spettro UV, noi andiamo a guardare la lunghezza d'onda in cui l'assorbimento è massimo (detta λ max ), e la corrispondente assorbanza specifica molare (detta ε max ). Anche se la λ max non corrisponde esattamente alla differenza di energia tra i livelli elettronici (esclusi cioè le energie vibrazionali e rotazionali), è un dato facilmente accessibile sperimentalmente, e che è stato messo in relazione con la struttura della molecola. Talvolta accade che due bande dovute a due diverse transizioni siano parzialmente sovrapposte, e la banda più debole non presenti più un vero e proprio massimo, ma dia luogo ad una "spalla" sulla banda più debole: In questo caso si individua il punto di flesso dello spettro (punto in cui la derivata 2 a dello spettro è nulla, e la derivata 1 a è massima o minima) e si riporta la λ e l'ε di questo punto, aggiungendo la dicitura "spalla" (inglese "shoulder") a questi dati. Strumentazione La cuvetta UV è costruita in quarzo, in modo da essere trasparente da 190 a 780 nm. La più comune è a forma di parallelepipedo, e misura 1 cm ( 1 cm, con altezza di circa 4 cm. Essa quindi ha un cammino ottico di 1 cm e può contenere circa 3 ml di soluzione. Le cuvette possono anche avere un cammino ottico minore, fino a 1 mm, per l'uso con soluzioni concentrate, o maggiore per l'uso con soluzione diluite; esistono anche speciali cuvette con specchi che possono avere un cammino ottico anche di 1 m. In generale, per la massima precisione della misura bisogna scegliere una concentrazione e un cammino ottico tale che il massimo di assorbanza sia compreso tra 0.1 e 1. Assorbanze troppo basse fanno sì che I e I 0 siano troppo simili, e quindi e quindi anche un piccolo errore nella loro misura provochi un grande errore percentuale nell'assorbanza. Assorbanze troppo grandi fanno sì che I sia molto piccolo, e quindi difficile da misurare con precisione. In generale la

4 massima assorbanza misurabile con una certa affidabilità è intorno a 2, e il valore massimo in molti strumenti è di 3 (che significa che I 0 /I è pari a 1000!). Importante è anche la scelta del solvente. Tutti i solventi usati comunemente non hanno transizioni nel vicino UV (λ > 190 nm). Tuttavia abbiamo visto che le bande UV sono larghe, e anche transizioni che hanno massimi nel lontano UV possono avere code nel vicino UV. Certo, l'uso della cella di riferimento tiene conto dell'assorbimento del solvente, ma se il solvente assorbe troppo l'assorbimento del campione (che è sempre molto di meno) viene nascosto. Per questo ogni solvente ha una lunghezza d'onda minima, al di sotto della quale non può essere usato. I solventi migliori da questo punto di vista sono l'acqua e l'acetonitrile, che sono sufficientemente trasparenti fino a 190 nm. Altri solventi usati comunemente sono il n-esano, l'isoottano, e l'etanolo al 95% (il resto è acqua). Ecco una grafico delle lunghezze d'onda limite per vari solventi: Assorbimento UV caratteristici di varie classi di composti organici Alcani. Gli alcani hanno solo legami σ e non hanno coppie di elettroni di non legame. Per questo sono trasparenti all'uv a tutte le lunghezze d'onda. Composti saturi contenenti eteroatomi. Questi composti (alcoli, eteri, ammine, tioli, solfuri) possono avere transizioni n σ*, di energia minore rispetto alle σ σ*. Tuttavia questi assorbimenti cadono ancora nel lontano UV, o al limite intorno ai 200 nm, per cui sono di scarsa utilità pratica. Alcheni. Gli alcheni isolati (= non coniugati) possono presentare transizioni di tipo π π*, ma assorbono ancora nel lontano UV. Per esempio l'etilene ha una λ max di 165 nm. Tuttavia l'assorbimento di alcheni più sostituiti (con gruppi alchilici) si sposta verso lunghezze d'onda più alte (shift batocromico), probabilmente per effetto dell'ipeconiugazione tra gli orbitali vuoti π* e gli orbitali σ di gruppi alchilici, che abbassa l'energia dei primi. Anche eteroatomi direttamente legati al doppio legame possono dare notevoli shift batocromici (in particolare l'azoto e lo zolfo) a causa della possibilità di coniugazione. Il metilvinilsolfuro, per esempio, assorbe nel vicino UV con λ max di 228 nm. Gli alcheni coniugati assorbono invece nel vicino UV, a lunghezze d'onda tanto maggiori quanto più grande è il numero di doppi legami coinvolti nella coniugazione. Infatti se si ha coniugazione gli orbitali π di legame sono estesi all'intero sistema coniugato, ed assumono diverse energie. Per esempio nell'1,3-butadiene abbiamo 4 orbitali molecolari ad energia crescente:

5 π 4 * π* π 3 * π 2 π π 1 etilene 1,3-butadiene La differenza di energia tra l'orbitale π 2 e quello π 3 * è molto minore che tra gli orbitali π e π* dell'etilene, per cui il butadiene assorbe nel vicino UV, a 217 nm. In un triene, la transizione avverrebbe tra livelli ancora più vicini e quindi a lunghezze d'onda ancora maggiori. Le bande di assorbimento di tipo π(π* in composti coniugati sono chiamate bande K, dal tedesco konjugierte. Le bande K sono generalmente molto intense, con ε max dell'ordine di L'utilità della spettroscopia UV nello studio di polieni coniugati nasce dal fatto che sono state trovate alcune regole empiriche che permettono di prevedere in maniera piuttosto accurata la λ max. Si è visto sperimentalmente che la λ max dipende da: numero di doppi legami, come già visto; sostituenti sul sistema coniugato (alchilici e non), con effetti simili a quelli descritti per l'etilene; presenza di cicli. Quest'ultimo fattore dipende dal fatto che un diene può assumere due conformazioni, s-cis e s- trans. La s-trans è più stabile in alcheni aciclici, perché nella s-cis ci sono interazioni steriche sfavorevoli. In un diene ciclico, però, il diene è necessariamente in conformazione s-cis se i due doppi legami sono nello stesso ciclo (diene omoannulare); questo non è invece necessariamente vero se i due doppi legami sono su cicli diversi (diene eteroannulare): Diene omoannulare Diene eteroannulare Si è visto sperimentalmente (le ragioni teoriche non sono chiare) che un diene omoannulare assorbe a λ max notevolmente più lunghe di un diene eteroannulare o semplicemente aciclico. Anche l'ε max di un diene omoannulare (ε max < 10000) è generalmente inferiore a quella di un diene eteroannulare o aciclico (ε max > 10000). Le regole empiriche trovate per polieni coniugati sono dette regole di Woodward-Fieser, e sono regole additive: il valore di base è 214 nm per un diene eteroannulare o lineare, e 253 nm per un diene omoannulare. Ogni ulteriore doppio legame estendente la coniugazione aumenta la λ max di 30 nm. Tuttavia, questa regola non vale per composti come:

6 in cui il sistema coniugato non è lineare, ma ramificato. Per questi composti, detti "crossconjugated" (con coniugazione incrociata) non è facile prevedere la λ max. Ogni sostituente alchilico sul sistema coniugato fa crescere la se uno dei doppi legami è esociclico, come in: la λ max aumenta di ulteriori 5 nm. Sostituenti contenenti eteroatomi hanno effetti diversi. Infine, la λ max è poco o per niente influenzata dalla polarità del solvente (al contrario di quello che accade per i composti carbonilici α,β-insaturi). Le regole possono essere riassunte in questo schema: Regole di Woodward-Fieser per i dieni coniugati Valore di base: dieni eteroannulari 214 nm dieni omooannulari 253 nm Sostituenti Incrementi: Ulteriore C=C 30 nm Gruppo alchilico 5 nm C=C esociclico 5 nm OAc 0 nm OAlchile 6 nm SAlchile 30 nm Cl o Br 5 nm N(Alchile) 2 60 nm Le regole di Woodward e Fieser sono applicabili a polieni che comprendono fino a 4 doppi legami. Per polieni con un numero maggiore di doppi legami esistono altre regole per calcolare l'assorbimento, che non verranno qui trattate, ma che comunque prevedono un aumento della λ max e dell'ε max all'aumentare del numero dei doppi legami. Alcuni polieni naturali con coniugazione estremamente estesa assorbono a lunghezze d'onda così alte da arrivare nel visibile, e con ε elevati, e sono quindi fortemente colorati. Fra di essi ricordiamo il β-carotene (il colorante arancione della carota) che ha 11 doppi legami coniugati, ed è arancione (λ max 452 nm, ε ): ed il licopene (il rosso del pomodoro), anch'esso con 11 doppi legami coniugati(λ max 474 nm, ε ): Aldeidi e chetoni. Il gruppo carbonilico presenta, oltre al legame π, due coppie di elettroni di non legame. Esso perciò avrà due possibili transizioni: quella di tipo π π*, che per un composto carbonilico non coniugato cade nel lontano UV (λ max intorno a 150 nm), ed è simile a quella osservata per l'etilene; ed una transizione n π*, che per la maggiore energia degli elettroni in orbitali di tipo n cade nel vicino UV, in genere tra i 270 ed i 300 nm. Tuttavia questa transizione

7 (chiamata banda R, dal tedesco radikalartig, cioè radicalica) è molto debole, con ε minore di 30. in effetti, la transizione sarebbe una transizione non possibile ("proibita") secondo le regole della quantomeccanica, poiché gli orbitali n e π* hanno diversa simmetria. Essa in realtà non è del tutto impossibile, come è dimostrato dalla presenza della banda R, poiché le vibrazioni della molecola possono influenzare la simmetria del carbonile, ma comunque ha una probabilità molto bassa e perciò da luogo a una banda molto debole. La della banda R di un chetone risente della natura dei gruppi alchilici legati al carbonile, ma non permette di ricavare importanti informazioni strutturali; è inoltre molto spesso nascosta da transizioni più intense. È tuttavia importante nello studio della stereochimica delle molecole, perché dà luogo a spettri di dicroismo circolare (una tecnica correlata all'uv) la cui interpretazione può fornire informazioni su configurazione e conformazione di alcuni tipi di chetone. Anche se i due CO di un α-dichetone sono formalmente coniugati tra loro, in effetti il loro assorbimento UV è simile a quello di chetoni non coniugati. Aldeidi e chetoni α,β-insaturi. Il sistema π di un enone è simile a quello di un diene, per cui anche aldeidi e chetoni α,β-insaturi presentano intense bande K (relative a transizioni π π*) nel vicino UV; le tipiche λ max vanno da 215 a 250 nm. Inoltre, è presente la debole banda R dovuta alle transizioni n π* dei doppietti elettronici dell'ossigeno, che è spostata a lunghezze d'onda più elevate ( nm) rispetto ai composti carbonilici non coniugati per la minore energia del primo orbitale π*. Anche per aldeidi e chetoni α,β-insaturi, come per i dieni, sono state trovate relazioni empiriche tra struttura e λ max (ancora una volta per merito di Woodward e Fieser) simile a quelle descritte per i dieni. Ci sono però due importanti differenze: mentre un sostituente su un diene esercita più o meno la stessa influenza in ogni posizione del sistema coniugato, per un enone l'influenza è differente se il sostituente è legato all'atomo di carbonio α, a quello β, o, per sistemi con ulteriori doppi legami, in posizioni successive (γ,δ, ecc.): O β δ R α γ Questo succede perché il doppio legame C=O è molto più polarizzato di quello di quello di un alchene, e anche le posizioni α e β risultano avere, per risonanza, densità elettroniche piuttosto diverse. Quindi un sostituente può perturbare l'energia dei vari orbitali molecolari in maniera diversa a seconda dell'atomo a cui è legato. Un altro effetto dovuto alla polarità del legame C=O è l'influenza del solvente sulla λ max delle transizioni R e K di un enone: un solvente più polare fa diminuire la λ max della transizione R (shift ipsocromico), mentre fa aumentare quella della transizione K (shift batocromico).

8 Regole di Woodward-Fieser per gli enoni: Valori di base: Sostituenti Incrementi: Chetoni aciclici 215 nm SAlchile 85 nm Chetoni ciclici a 6 termini 215 nm Cl α 15 nm Chetoni ciclici a 5 termini 202 nm β 12 nm Aldeidi (acicliche) 210 nm Br α 25 nm Acidi ed esteri (aciclici) 195 nm β 30 nm Sostituenti Incrementi: N(Alchile) 2 β 95 nm Ulteriore C=C 30 nm Gruppo alchilico α 10 nm β 12 nm Solvente Correzione γ, δ 18 nm Etanolo 0 nm C=C esociclico 5 nm Metanolo 0 nm C=C omodienici 39 nm Diossano -5 nm O α 35 nm Cloroformio -1 nm β 30 nm Etere -7 nm δ 50 nm Acqua +8 nm OAc α, β, δ 6 nm Esano -11 nm OMe α 35 nm Cicloesano -11 nm β 30 nm γ 17 nm δ 31 nm Come si può notare, in questo caso anche il gruppo O è tra i possibili sostituenti di un sistema enonico, cosa che non succedeva con i polieni. Questo perché i composti 1,2- e 1,3-dicarbonilici esistono in parte o completamente in forma enolica, ed è proprio l'enolo (con il C=C coniugato al chetone residuo) che assorbe all'uv. O O I composti con cross conjugation (il CO è coniugato a due doppi legami non coniugati tra loro) si comportano in maniera anomala, ed assorbono in maniera più simile a enoni che a dienoni. Benzene e derivati. Nel benzene i 6 orbitali p dei sei carboni si combinano tra di loro per dare orbitali molecolari estesi all'intera molecola: si formano 3 orbitali di legame π e 3 orbitali di antilegame π*. Sono quindi possibili varie transizioni π π*. In particolare, il benzene presenta 3 bande di assorbimento, a λ max 184 (ε = ), 204 (7900) e 254 (200). Le tre bande sono chiamate rispettivamente banda E1, E2, e B. La banda B del benzene e di molti suoi derivati presenta spesso una ben visibile struttura fine. in particolare in solventi non polari. Le bande più interessante dei derivati benzenoidi sono la banda B, che cade nel vicino UV, e la banda E2 può spostarsi nel vicino UV. Sostituenti alchilici sull'anello benzenico (in particolare il metile) causano un leggero shift batocromico della banda B, che aumenta all'aumentare del numero dei sostituenti, fino all'esametilbenzene che assorbe a λ max 272. Uno shift batocromico più rilevante è dato da gruppi auxocromici come O o N 2, che sono elettron donatori per risonanza; essi provocano anche un aumento dell'intensità della banda B (fino a ε = 3500 per lo ione fenato).

9 Anche la banda E2 subisce uno shift batocromico con questi sostituenti, e diventa quindi nettamente collocata nel vicino UV. Un aspetto interessante degli spettri UV di derivati fenolici e anilinici è la loro dipendenza dal p. L'ossidrile fenolico è piuttosto acido (pka 9) e può essere deprotonato da basi acquose o alcoliche diluite. Il risultante ione fenato ha bande B ed E2 molto (15-25 nm) spostate a lunghezze d'onda maggiori, perché l'o è un elettrondonatore molto migliore dell'o. Quindi, uno shift batocromico per aggiunta di base è un buon indizio di una struttura fenolica. Le aniline, al contrario, sono leggermente basiche, e possono essere convertite nei relativi cationi per aggiunta di acidi diluiti. Una volta protonato, il gruppo amminico non ha più una coppia di elettroni da donare all'anello aromatico, per cui lo spettro UV dell'anilina protonata diventa molto simile a quello del benzene. Quindi, uno shift ipsocromico per aggiunta di acidi è un buon indizio di una ammina aromatica. Esempi di assorbimento di benzeni sostituiti: Banda E2 Banda B Composto λ max ε λ max ε Benzene Clorobenzene Tiofenolo Anisolo Fenolo Fenato o-catecolo o-catecolato Anilina Catione anilinio Quando ad un anello benzenico è legato un doppio legame o un carbonile, la situazione è più complessa. Il benzene conserva la sua banda B, che anche in questo caso appare spostata batocromicamente. Compare inoltre una intensa (ε > ) banda K nella regione tra i 200 e 250 nm relativa all'intero sistema coniugato. Esistono regole empiriche che permettono di prevedere la λ max della banda di assorbimento più intensa di un benzene sostituito (che è la banda K in benzeni coniugati, o la E2 in benzeni non coniugati).

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