Lezione n. 20. Visibile. La spettroscopia UV/Visibile. Antonino Polimeno 1

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1 Chimica Fisica Biotecnologie sanitarie Lezione n. 20 Principi generali delle spettroscopie ottiche La spettroscopia UV/Visibile Visibile Antonino Polimeno 1

2 Spettroscopie ottiche (1) - Le tecniche di misura spettroscopiche ottiche misurano l'interazione delle sostanze chimiche con una radiazione elettromagnetica con frequenze nel campo UV, visibile, IR, microonde. - Le molecole interagiscono con una radiazione elettromagnetica assorbendo o cedendo energia, passando da stati ad energia minore a stati ad energia maggiore (assorbimento) o da stati ad energia maggiore a stati ad energia minore (emissione). - Una molecola assorbe od emette radiazioni quando subisce un cambiamento del suo livello energetico (autovalore dell'hamiltoniano molecolare); dalla frequenza di emissione o di assorbimento E = E E = hν finale iniziale - Le spettroscopie ottiche danno informazioni sui livelli energetici elettronici coinvolti, e quindi sulla struttura della molecola. Antonino Polimeno 2

3 Spettroscopie ottiche (2) - Il processo di assorbimento od emissione di un fotone è dovuto all'interazione tra i due stati, misurata dal momento di transizione, che è proporzionala all'intensità della riga µ = Ψ µ Ψ iniziale finale - Il momento di transizione si mette in relazione con la forma degli stati inziale e finale e dell operatore momento di dipolo di transizione (principio di Frank- Condon) Antonino Polimeno 3

4 Spettroscopie ottiche (3) - Microonde: E = kj mol -1, ν = Hz ( cm - 1 ); sono coinvolti livelli energetici rotazionali; si ottengono informazioni su distanze internucleari - Infrarosso lontano: E = kj mol -1, ν = Hz (3 300 cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici rotazionali e vibrazionali; si ottengono informazioni costanti di forza di legame - Infrarosso: E = 4 40 kj mol -1, ν = Hz ( cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici vibrazionali; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, momenti di dipolo - Raman: E = kj mol -1, ν = Hz ( cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici rotazionali e vibrazionali; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, momenti di dipolo, distanze internucleari - UV-visibile: E = kj mol -1, ν = Hz ( cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici elettronici; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, energia di dissociazione dei legami Antonino Polimeno 4

5 Spettroscopie ottiche (4) - L'energia di una molecola è data dalla somma dei - contributi elettronici (livelli energetici corrispondenti a diversi stati elettronici) - contributi vibrazionali (livelli energetici corrispondenti a diversi stati vibrazionali - contributi rotazionali (livelli energetici corrispondenti a diverse orientazioni nello spazio) - L'energia quantizzata totale di una molecola (trascurando il moto traslazionale) è E = E + E + elettronica vibrazionale rotazionale - I livelli energetici sono approssimativamente separati in livelli energetici elettronici, vibrazionali e rotazionali. - Ad ogni livello energetico elettronico corrisponde una sottodivisione in livelli vibrazionali, che a loro volta sono suddivisi in livelli rotazionali. - Transizioni tra livelli elettronici spettroscopia UV-visibile - Transizioni tra livelli vibrazionali spettroscopia IR - Transizioni tra livelli rotazionali ) spettroscopia micronde E Antonino Polimeno 5

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7 Spettroscopia UV-visibile (1) - La spettroscopia UV/visibile studia - l'assorbimento di luce UV e visibile dalle molecole, che causa la promozione di un elettrone da uno stato ad energia minore ad uno stato ad energia maggiore - l'emissione di luce UV e visibile dalle molecole, che causa la discesa di un elettrone da uno stato ad energia maggior (eccitato) ad uno stato ad energia minore (fuorescenza, fosforescenza Antonino Polimeno 7

8 Spettroscopia UV-visibile (2) - L'eccitazione di un elettrone legato dall'highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) al Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) viene misurata in un esperimento di assorbimento. - Il decadimento dal LUMO all'homo viene misurato in un esperimento di emissione: la presenza di bande allargate si deve ai livelli roto-vibrazionali presenti in ogni livello elettronico. Antonino Polimeno 8

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10 Spettroscopia UV/Visibile Visibile (3) - La spettroscopia UV/visibile considera l assorbimento di luce UV e visibile dalle molecole, che causa la promozione di un elettrone da uno stato ad energia minore (fondamentale) ad uno stato eccitato. Luce UV/Visibile - Lunghezza d onda (λ) tra190 e 800 nm - A seconda dei legami chimici (livelli energetici) coinvolti parliamo di transizioni - σ σ (alcani) - σ π (carbonili) - π π (alcheni, carbonili compounds, alchini, azocomposti) - η σ (ossigeno, azoto, zolfo e alogeni) - η π (carbonili) Antonino Polimeno 10

11 Spettroscopia UV/Visibile Visibile (4) - Le transizioni che richiedono minore energia coinvolgono l highest occupied molecular orbital (HOMO) e il lowest molecular orbital (LUMO), e sono per questo motivo le più importanti. - Alcune transizioni NON sono possibili (transizioni proibite), a causa di precise regole di selezione; in effetti le transizioni proibite sono osservate, ma hanno un intensità molto bassa. Antonino Polimeno 11

12 Spettroscopia UV/Visibile Visibile (5) - L assorbimento UV presenta bande generalmente molto larghe, perché sono costituite dalla sovrapposizione di transizioni vibrazionali e rotazionali. Antonino Polimeno 12

13 Terminologia - Le seguenti definizioni sono molto utili per discutere le caratteristiche principali degli spettri UV/Visibile. cromoforo gruppo di atomo che assorbe luce auxocromo gruppo che estende la coniiugazione di un cromoforo condividendo elettroni liberi Shift batocromico spostamento dell assorbimento a lunghezze d onda maggiori Shift ipsocromico spostamento dell assorbimento a lunghezze d onda minori Effetto ipercromico aumento dell intensità di assorbimento Effetto ipocromico diminuzione dell intensità di assorbimento Antonino Polimeno 13

14 Legge di Lambert-Beer (1) - Uno spettro UV-Vis si ottiene di solito facendo passare della luce di una lunghezza d onda definita (luce monocromatica) attraverso una soluzione diluita in un solvente non-assorbente. - L intensità della banda di assorbimento si misura come la percentuale di luce incidente che passa attraverso il campione % Trasmittanza = 100 I I 0 dove I = intensità della luce trasmessa e I 0 = intensità della luce incidente. Antonino Polimeno 14

15 Legge di Lambert-Beer (2) - Poiché l assorbimento della luce è funzione della concentrazione delle molecole assorbenti, esiste una legge quantitiva che lega l assorbanza (collegata alla trasmittanza) in funzione della concentrazione. L espressione è detta legge di Lambert-Beer log I A = = εcl I0 dove - ε = coefficiente di assorbimento molare - c = concentrazione molare del soluto - l = lunghezza della cella (in cm) Antonino Polimeno 15

16 Misura di uno spettro UV-Visibile Visibile - Lo spettro si ottiene di solito da una soluzione molto diluita (1 mg in 100 ml di solvente). - Una porzione di soluzione si ripone in una cella (o cuvetta); una cella analoga piena di solvente (bianco o riferimento) viene posta in una sezione adiacente dello spettrofotometro - Due raggi luminosi identici vengono fatti passare per le due cuvette. - L intensità delle due trasmittanze viene misurata su tutto il range di lunghezze d onda disponibili. - Lo spettro viene rappresentato automaticamente come log(i 0 /I) in ordinata contro λ in ascissa. - Spesso si possono trovare in letteratura ε vs. λ oppure log(ε) vs. Λ. L unità usata per λ è quasi sempre il nanometro (nm). Antonino Polimeno 16

17 Solventi Solvente Lunghezza d onda minima (nm) Acetonitrile 190 Acqua 191 Cicloesano 195 Esano 195 Metanolo 201 Etanolo 204 Etere 215 Metilencloruro 220 Cloroformio 237 Tetracloruro di carbonio 257 Antonino Polimeno 17

18 Regole empiriche - Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimento ad intensità bassa nella regione nm, e nessun altro assorbimento sopra i 200 nm, il composto contiene un solo cromoforo non coniugato con elettroni n (transizione η π ) - Se lo spettro presenta molte bande, anche nel visibile, il composto contiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici. - Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromofori coniugati e gruppi auxocromi (con l eccezione di alcuni nitro-, azo-, diazo-, and nitroso-composti che sono colorati). - Un valore di ε tra and generalmente rappresenta un semplice chetone α,β-insaturo o un diene. - Bande con ε tra 1000 and normalmente mostrano la presenza di un gruppo aromatico. Se il gruppo aromatico ha dei gruppi funzionali possono comparire bande con ε > ed altre con ε < Bande con ε < 100 rappresentano transizioni η π. Antonino Polimeno 18

19 Transizioni (1) Cromofori Alcani λ max 150 nm Antonino Polimeno 19

20 Transizioni (2) Cromofori Alcheni Alchini Carbonili λ max 175 nm 170 nm 180 nm Antonino Polimeno 20

21 Transizioni (3) Cromofori Alcoli, eteri Ammine Composto con zolfo λ max 185 nm 195 nm 195 nm Antonino Polimeno 21

22 Transizioni (4) Cromofori Carbonili λ max 285 nm Antonino Polimeno 22