E E E h. Introduzione alle tecniche spettroscopiche. Spettroscopie ottiche (3) Visibile (3) Spettroscopia UV/Visibile

Transcript

1 Introduzione alle tecniche spettroscopiche - I metodi spettroscopici sono tecniche sperimentali basate sull interazione tra energia e materia impiegate per la determinazione di proprietà fisiche e chimiche di atomi, singole molecole, aggregati supramolecolari e materiali. - Spettroscopie ottiche - assorbimento-emissione UV-visibile, - fluorescenza, fosforescenza, - spettroscopia infrarossa; Raman - Spettroscopie magnetiche - risonanza magnetica nucleare, NMR - risonanza elettronica di spin, ESR) - Scattering - diffrazione raggi X - scattering neutronico. 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 h finale iniziale - Le spettroscopie ottiche danno informazioni sui livelli energetici elettronici coinvolti, e quindi sulla struttura della molecola. Antonino Polimeno 1 Antonino Polimeno 2 Spettroscopie ottiche (3) - Microonde: E = kj mol -1, = Hz ( cm - 1 ); sono coinvolti livelli energetici rotazionali; si ottengono informazioni su distanze internucleari - Infrarosso lontano: E = kj mol -1, = 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, = Hz ( cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici vibrazionali; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, momenti di dipolo - Raman: E = kj mol -1, = 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, = Hz ( cm -1 ); sono coinvolti livelli energetici elettronici; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, energia di dissociazione dei legami 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 () tra190 e 800 nm - A seconda dei legami chimici (livelli energetici) coinvolti parliamo di transizioni - (alcani) - (carbonili) - (alcheni, carbonili compounds, alchini, azocomposti) - (ossigeno, azoto, zolfo e alogeni) - (carbonili) Antonino Polimeno 3 Antonino Polimeno 4

2 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. 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 5 Antonino Polimeno 6 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 7 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 della luce incidente. I 0 = intensità Antonino Polimeno 8

3 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 cl I0 dove - = coefficiente di assorbimento molare - c = concentrazione molare del soluto - l = lunghezza della cella (in cm) 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 log10(i 0 /I) in ordinata contro in ascissa. - Spesso si possono trovare in letteratura vs. oppure log() vs.. L unità usata per è quasi sempre il nanometro (nm). Antonino Polimeno 9 Antonino Polimeno 10 Spettroscopia infrarossa (1) - La spettroscopia infrarossa studia l assorbimento di luce nella regione dei raggi infrarossi, corrispondente ai livelli energetici vibrazionali (modifiche delle lunghezze dei legami chimici e degli angoli di legame). Spettroscopia infrarossa (2) - Uno spettrometro IR è formato da una sorgente di luce infrarossa (lampada IR), da un contenitore per il campione, da un prisma per separare la luce nelle varie componenti, da un rivelatore, e da un registratore (video, stampa etc.) Luce infrarossa - lunghezze d onda () tra 2.5 and 25 m - numeri d onda tra 4000 e 400 cm -1 Antonino Polimeno 11 Antonino Polimeno 12

4 Spettroscopia infrarossa (3) - La spettrometria IR misura transizioni tra livelli vibrazionali. Il calcolo dei livelli energetici di una molecola in uno stato elettrico determinato consiste - nella definizione del potenziale elettronico (livello energetico elettronico) - nella soluzione dell'equazione di Schroedinger relativa al moto vibrazionale dei nuclei nel potenziale elettronico - In generale una molecola di N atomi ha 3N 6 gradi di libertà vibrazionali, o modi di vibrazione; se la molecola è lineare i gradi vibrazionali sono 3N 5 d.o.f N gradi di libertà totali traslazioni rotazioni Antonino Polimeno 13 Spettroscopia infrarossa (5) - L equazione di Schrodinger per l oscillatore armonico in una dimensione è - dove l hamiltoniano è come sempre definito dalla somma dell energia potenziale e cinetica 2 2 ˆ d 1 2 H kx 2 - La soluzione è quantizzata Ĥ x E x 2 dx 2 1/2 1/ n x Nnexp x Hn x 2 k k 1 En n n intero 0 2 Antonino Polimeno 14 Spettroscopia infrarossa (6) - Le frequenza di stretching (stiramento) si possono determinare con la regola empirica 4.12 dove K = costante di forza (in dyne / cm) - Per un legame singolo: K = 5 x 10 5 dyne/cm - Per un legame doppio: K = 10 x 10 5 dyne/cm - Per un legame triplo: K = 15 x 10 5 dyne/cm - = M 1 M 2 / (M 1 + M 2 ) (M 1 and M 2 sono le masse molecolari degli atomi coinvolti nel legame) K Proprietà magnetiche della materia (5) - L'elettrone possiede anche un momento angolare intrinseco, detto spin, che causa un momento magnetico. Un elettrone spaiato è perciò un piccolo magnete. - Anche in questo caso possiamo trovare una relazione di proporzionalità diretta tra momento magnetico e momento angolare di spin, ma il rapporto giromagnetico è (circa) il doppio di quello del caso orbitalico, - La quantizzazione del modulo dipende dal numero quantico di spin s, che peraltro per un elettrone vale 1/2, - in presenza di una campo magnetico la componente lungo il campo è quantizzata - Lo studio dell'influenza di un campo magnetico sulla quantizzazione dei momenti magnetici risultanti dalla presenza di elettroni spaiati e la loro dipendenza dall'intorno chimico sono importanti per la spettroscopia EPR. Antonino Polimeno 15 Antonino Polimeno 16

5 Proprietà magnetiche della materia (6) - Infine, le proprietà magnetiche di una molecola sono dettate anche dal momento magnetico dei nuclei atomici, che, sono dotati spesso (non sempre) di momento angolare di spin intrinseco, e quindi di momento magnetico - lo studio dell'influenza di un campo magnetico sulla quantizzazione dei momenti magnetici nucleari, le transizioni tra livelli energetici magnetici nucleari e la loro dipendenza dall'intorno chimico sono discussi nell ambito della spettroscopia NMR. Risonanza magnetica nucleare (1) - Lo spin di un nucleo è descritto da un numero quantico, che indichiamo con I, associato al vettore momento di spin - Per nuclei con numero di massa dispari, I è un multiplo dispari di 1/2, mentre per nuclei con numero di massa pari I è un multiplo pari di 1/2. - Il momento magnetico assume i valori pn gnn I( I 1) g H e N JT 2m p In presenza di una campo magnetico esterno B 0, la componente del momento magnetico nucleare diretta lungo il campo assume valori quantizzati, che corrispondono anche a livelli energetici rivelati dalla struttura iperfine delle righe spettrali. pnz, MIgNN, MII, I 1,..., I 1, I Antonino Polimeno 17 Antonino Polimeno 18 Risonanza magnetica nucleare (2) - I livelli energetici risultano equispaziati E pnz, B0 MIgNNB0 E g, 1 NNB0 NB0 MI N B0 2 Risonanza magnetica nucleare (3) - Le transizioni tra questi livelli energetici sono osservabili con picchi di assorbimento, da esprimersi in opportune unità (vedi oltre). In pratica, nei moderni spettrometri NMR, il campione è soggetto ad un campo magnetico molto intenso che genera lo splitting dei livelli. - L'eccitazione avviene mediante onde radio e l'assorbimento in corrispondenza delle diverse frequenze di risonanza viene registrato. Quindi in sintesi, in uno spettro NMR in ascissa abbiamo una misura della frequenza di assorbimento ed in ordinata un'assorbanza. - Es. 19 F: g N = , B 0 = 1 T E= J, = MHz Antonino Polimeno 19 Antonino Polimeno 20

6 Risonanza magnetica nucleare (4) - L'importanza della spettroscopia NMR discende da una considerazione: i nuclei attivi risentono del loro intorno chimico formato da altri atomi che li circondano, con i loro elettroni. - Il campo magnetico applicato induce, sull'intorno elettronico di ogni nucleo, un campo magnetico locale opposto (fenomeno di induzione). La nube elettronica provoca una modulazione locale del campo applicato, detta schermatura. - Il campo residuo effettivo è - Al variare dell'intorno chimico di un certo nucleo, la frequenza di risonanza risultare piµu bassa di un fattore 1-, dato che solitamente il campo magnetico indotto opposto a quello applicato. - Diversi valori di corrispondono a diversi intorni chimici. B B 0 1 Risonanza magnetica nucleare (5) - Un modo conveniente di definire il comportamento di un nucleo è dato dallo spostamento chimico o chemical shift che si ricava mettendo in relazione le costanti di schermo dei vari nuclei con un composto standard. - Per studi NMR basati sul protone e sul 13 C si usa come standard il tetrametilsilano (Si(CH 3 ) 4, TMS). - L'atomo di silicio è infatti il meno elettronegativo dei tre elementi che costituiscono il TMS (elettronegatività: Si=1.91; H=2.1; C=2.55), e questo causa un'altissima schermatura del carbonio e dell'idrogeno. Inoltre, grazie all'alta simmetria della molecola, tutti gli atomi di carbonio e tutti gli atomi di idrogeno sono schermati nella stessa misura. Antonino Polimeno 21 Antonino Polimeno 22 Risonanza magnetica nucleare (6) - Il chemical shift è definito in modo rigoroso come la frequenza di assorbimento del nucleo, meno la frequenza del riferimento, diviso per la frequenza del riferimento moltiplicato per 10 6 e cioè in parti per milione (ppm) rif rif 10 6 Risonanza magnetica nucleare (6) - L'analisi di uno spettro NMR può esser molto complessa, ma anche estremamente informativa sulla struttura e la dinamica molecolare. - Di particolare importanza risulta essere il fenomeno detto accoppiamento spin-spin (spin-spin coupling), responsabile di molte delle caratteristiche che rendono la spettroscopia NMR utile per determinare la struttura di una molecola. - Consideriamo come esempio l'etanolo, CH 3 CH 2 OH, di cui si riporta lo spettro 1 H NMR ad alta risoluzione. - Spesso si descrive il comportamento di un determinato nucleo in termini di posizioni relative nello spettro. Per esempio, un picco con shift = 10 ppm si dice a campi bassi (o deschermato) rispetto ad un picco a 5 ppm, tenendo presente che la massima schermatura in linea di principio è a 0 ppm. Antonino Polimeno 23 Antonino Polimeno 24

7 Risonanza magnetica nucleare (6) - Ciò accade a causa di una piccola interazione (accoppiamento) tra i due gruppi di protoni. Si può verificare come la distanza tra i picchi del tripletto metilico e tra i picchi del quartetto metilenico sia uguale: questa quantità, di solito espressa in Hertz, si dice costante di accoppiamento, J. - Consideriamo i protoni del metilene: sono due, e ciascuno ha una di due possibili orientazioni (allineato od opposto al campo magnetico), il che porta a quattro possibili configurazioni, - nella prima gli spin sono entrambi opposti al campo: questo causa una lieve diminuzione del campo risentito dai protoni del metile (e quindi si vede uno spostamento a campi un po' più alti) - delle altre tre configurazioni, due hanno gli spin in opposizione l'uno all'altro e quindi non influenzano i protoni metilici; l'ultima rafforza il campo (essendo gli spin entrambi paralleli al campo stesso) e quindi i protoni metilici si spostano a campi un po' più bassi. - Il risultato è che i protoni del metile si 'vedono' come un tripletto con intensità (rapporto fra le aree) 1:2:1. Risonanza magnetica nucleare (8) - In uno spettro NMR, assumendo che il chemical shift tra gruppi di protoni interagenti sia molto maggiore delle loro costanti di accoppiamento, l'intepretazione dei picchi è molto semplice 1. la molteplicità di un multipletto è data dal numero di protoni equivalenti vicini più uno 2. i nuclei equivalenti non interagiscono fra loro 3. la costante di accoppiamento è indipendente dal campo applicato Antonino Polimeno 25 Antonino Polimeno 26 Risonanza paramagnetica elettronica (1) - La Risonanza Paramagnetica Elettronica o Risonanza di Spin Elettronico, nota come EPR (dall'acronimo inglese Electron Paramagnetic Resonance) o ESR (dall'inglese Electron Spin Resonance) è una tecnica spettroscopica impiegata per individuare e analizzare specie chimiche contenenti uno o più elettroni spaiati (chiamate specie paramagnetiche), come - i radicali liberi, - gli ioni di metalli di transizione - i difetti in cristalli - le molecole in stato elettronico di tripletto fondamentale (ad es. l'ossigeno molecolare) o indotto per fotoeccitazione - I concetti basilari della tecnica EPR sono analoghi a quelli della risonanza magnetica nucleare, ma in questo caso sono gli spin elettronici ad essere eccitati al posto degli spin dei nuclei atomici. Risonanza paramagnetica elettronica (2) - Per un elettrone spaiato il numero quantico di spin vale s=1/2 e i possibili valori del numero quantico magnetico sono m s =+1, -1 - In presenza di una campo magnetico - diretto per convenzione lungo l'asse z del laboratorio - i due stati hanno energie pari a E p B g m s, z 0 B s 0 - dove g= , B è il magnetone di Bohr - I valori dei fattori g dipendono da caratteristiche quantomeccaniche sofisticate; in condizioni diverse - vuoto, legami chimici - il loro valore può cambiare. B Antonino Polimeno 27 Antonino Polimeno 28

8 Risonanza paramagnetica elettronica (3) - All'aumentare del campo aumenta quindi la differenza di energia tra i due stati. - Un elettrone spaiato può passare da un livello energetico all'altro assorbendo oppure emettendo una quantità di energia E tale che sia verificata la condizione di risonanza, con la condizione richiesta dalla regola di selezione ms =±1 - La maggioranza delle misure EPR viene effettuata in campi magnetici di circa 0.35 T con una corrispondente risonanza di spin che ricade nella regione delle microonde alla frequenza di 9-10 GHz. - In linea di principio, gli spettri EPR possono essere generati sia variando la frequenza dei fotoni incidenti su un campione mantenendo il campo magnetico costante, sia nel modo contrario. Risonanza paramagnetica elettronica (4) - Nella pratica si tende a mantenere costante la frequenza: l'insieme di centri paramagnetici, come i radicali liberi, viene esposto a microonde di frequenza fissata. - Aumentando il campo magnetico esterno, la differenza di energia tra gli stati di spin +1/2 e -1/2 tende ad aumentare fino a raggiungere il valore di risonanza con le microonde e generando un picco di assorbimento dovuto alla maggiore popolazione presente allo stato energetico inferiore (le popolazioni dei vari stati seguono la distribuzione di Boltzmann). - Un tipico spettro EPR riporta quindi un'assorbanza contro un campo magnetico - Solitamente inoltre lo spettro è presentato in derivata, cioè si rappresenta la derivata dell'assorbanza invece dell'assorbanza stessa. Antonino Polimeno 29 Antonino Polimeno 30