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Cenni di spettroscopia UV/VIS

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Cenni di spettroscopia UV/VIS

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La spettroscopia UV/VIS

Tecnica spettroscopica basata sulle interazioni tra gli elettroni, solitamente di valenza, e la componente elettrica della radiazione elettromagnetica nel campo del visibile e dell’ultravioletto.

UV vicin

o

UVlontano

UV-A: 400-320 nmUV-B: 320-280 nmUV-C: 280- 10 nm

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Le transizioni promosse dalla radiazione UV/Vis sono transizioni elettroniche dallo stato elettronico fondamentale ad uno stato elettronico eccitato ( spettroscopia elettronica).

E

Stato elettronico fondamentale

Stato elettronico eccitato

hE

Normalmente le transizioni coinvolgono un solo elettrone per molecola, che generalmente si trova nell’orbitale molecolare

occupato a più alta energia (HOMO) e viene promosso all’orbitale molecolare non occupato a più bassa energia (LUMO)

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4 orbitali atomici p

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Livelli vibrazionali

Livelli rotazionali

Stato elettronico fondamentale

Stato elettronico eccitato

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La legge di Lambert e Beer

I0

CampioneIt A

Rivelatore

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La legge di Lambert e Beer

I0

CampioneIt

Rivelatore

A

Cammino ottico.Lunghezza, l

Concentrazione, c

lcI

IA

t

log 0

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La legge di Lambert e Beer

I0

CampioneIt

Rivelatore

A

Cammino ottico.Lunghezza, l

Concentrazione, c

lcI

IA

t

)(log 0

Assorbanza (adimensionale)

Coefficiente di estinzione molare, 1000*cm2 mol-1

Concentrazione, mol*l-1

Cammino ottico, cm

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La legge di Lambert e Beer

La legge di Lambert-Beer descrive bene il comportamento in assorbimento di soluzioni diluite, cioè con concentrazione generalmente fino a 0,01 M.

lcI

IA

t

)(log 0

Assorbanza (adimensionale)

Coefficiente di estinzione molare, 1000*cm2 mol-1

Concentrazione, mol*l-1

Cammino ottico, cm

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Regole di selezione

Affinchè una radiazione possa essere assorbita occorre che la sua energia (h) sia uguale alla alla separazione tra due livelli energetici; questa è una condizione necessaria ma non sufficiente. Infatti occorre anche che le funzioni d’onda che descrivono gli stati iniziali e finali della transizione obbediscano a certi requisiti:

le funzioni d’onda devono avere diversa simmetria

gli stati di partenza e di arrivo devono avere la stessa molteplicità di spin (Molteplicità = 2s+1, s: spin totale)

sono proibite le transizioni tra livelli energetici coinvolgenti più di un elettrone

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Classificazione delle transizioni elettroniche

Le transizioni elettroniche possono essere classificate sulla base delle caratteristiche degli orbitali molecolari coinvolti. Le principali transizioni elettroniche, che coinvolgono elettroni di legame e “lone-pair” in una molecola organica, sono riassunte nello schema seguente

n

legame

legame

anti-legame

anti-legame

non-legame

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Le transizioni che coinvolgono elettroni , in particolare le transizioni *, sono transizioni intense hanno in genere energia molto elevata e le bande relative cadono nel “lontano UV”, intorno ai 135 nm. Ad esempio il metano, che possiede solo legami C-H, può dar luogo solo a questo tipo di transizione mostra un massimo di assorbanza a 125 nm.Transizioni di questo tipo non sono visibili con i normali spettrofotometri e bisogna far ricorso a tecniche di registrazione “in vuoto”.

Transizioni *

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Sono transizioni intense. In olefine semplici cadono intorno ai 170-200 nm per cui non sono normalmente rilevabili. Diverso è invece il discorso quando si ha un diene coniugato, poiché le diolefineassorbono in una regione accessibile ai normali spettrometri UV.

Transizioni *

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Transizioni n*

Transizioni abbastanza intense che coinvolgono elettroni di non legame (doppietti elettronici) che perciò possono essere osservate solo in molecole contenenti eteroatomi come O, N, S, alogeni, etc. Derivati alchilici sostituiti assorbono a lunghezze d’onda maggiori dei corrispondenti idrocarburi saturi (ad es. il massimo del CH3OH cade a ca. 185 nm contro i ca. 125 del CH4), tuttavia in genere hanno energia elevata e cadono nel lontano - inizio vicino UV.

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Transizioni n*

Transizioni molto deboli che possono essere osservate in molecole in cui i gruppi portanti gli eteroatomi sono insaturi (chetoni, enoleteri, etc) e cadono nel vicino UV.

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Terminologia UV-vis

CROMOFORO:CROMOFORO: gruppo responsabile dell’assorbimento della radiazione; nel vicino UV o nel visibile sono normalmente gruppi insaturi come il C=O, i fenili etc.La posizione ed intensità dei massimi dei cromofori può variare al variare della natura dei sostituenti o del solvente.

AUXOCROMI:AUXOCROMI: gruppi che non assorbono di per se stessi in maniera particolarmente intensa ma che provocano una variazione del massimo di assorbimento e/o dell'intensità dell'assorbimento. Ad es. sono gruppi auxocromi -OH, SH, OR, SR, NR2, Alogeni etc (in genere contengono un atomo con un doppietto elettronico di non legame).

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Terminologia UV-vis

CROMOFORO:CROMOFORO: gruppo responsabile dell’assorbimento della radiazione; nel vicino UV o nel visibile sono normalmente gruppi insaturi come il C=O, i fenili etc.La posizione ed intensità dei massimi dei cromofori può variare al variare della natura dei sostituenti o del solvente.

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Terminologia UV-vis

Lo spostamento del massimo di assorbimento è definito:BatocromicoBatocromico quando avviene verso lunghezze d’onda maggiori (red shift, verso il rosso)IpsocromicoIpsocromico quando avviene verso lunghezze d’onda minori (blue shift, verso il blu)

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Terminologia UV-vis

L’effetto sull’intensità della banda di assorbimento è definito:IpercromicoIpercromico quando si ha aumento dell’intensitàIpocromicoIpocromico quando si ha diminuzione dell’intensità

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I cromofori

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Cromoforo etilenico

L’etilene presenta un massimo di assorbimento * a 170 nm. Nel butadiene e nel trans esatriene i corrispondenti assorbimenti si osservano a ca. 215 e 255 nm e aumentando il numero di doppi legami coniugati si osserva un progressivo spostamento verso lunghezze d’onda più elevate (il -carotene -11 doppi legami - assorbe nel visibile), Analogamente per effetto di sostituenti auxocromi contenenti elettroni n, si osserva un effetto batocromico (regole di Woodward, Fieser e Scott).

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Cromoforo carbonilico

In aldeidi e chetoni saturi le intense transizioni * sono localizzate nel lontano UV, mentre la transizione n*, di debole intensità, cade nell’intervallo 275-230 nm.Gruppi auxocromi legati direttamente al carbonile spostano la transizione n* verso lunghezze d’onda più corte (effetto ipsocromico).

Composto solventeAldeide acetica 293 12 EsanoAcetone 279 15 “Cloruro di acetile 235 53 “Acetamide 205 160 MetanoloAcido acetico 204 41 etanolo

max

max

Transizioni n → * in composti carbonilici saturi

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Cromoforo carbonilico

In aldeidi e chetoni saturi le intense transizioni * sono localizzate nel lontano UV, mentre la transizione n*, di debole intensità, cade nell’intervallo 275-230 nm.Gruppi auxocromi legati direttamente al carbonile spostano la transizione n* verso lunghezze d’onda più corte.

Quando il groppo carbonilico è coniugato con un doppio legame la transizione * subisce un effetto batocromico più pronunciato rispetto a quella della transizione n*: negli enoni con il crescere della catena coniugata la transizione * alla massima lunghezza d’onda si sposta sempre più nettamente verso il visibile, raggiunge la n*e la copre. La posizione del picco è particolarmente influenzata dal solvente.

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Cromoforo benzenico

Il benzene presenta tre bande di assorbimento, di cui quella a lunghezza d’onda maggiore è di debole intensità (banda “B”) e in alcuni solventi assume una tipica struttura fine vibrazionale.

Come per gli altri gruppi cromofori la sostituzione con gruppi auxocromi o cromofori determina una variazione dell’intensità e posizione delle bande. In ogni caso si ha un effetto batocromico di tutte le bande, spesso associato con un effetto ipercromico.

180 220 240260 (nm)

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Cromoforo benzenico

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APPLICAZIONI

Analisi Quantitativa: (in assenza di scostamenti dalla legge di Lambert-Beer) se per una data sostanza è noto il coefficiente di estinzione molare la misura della assorbanza permette di ricavare direttamente la sua concentrazione

Analisi Strutturale: può fornire informazioni sulla presenza o assenza nella molecola di alcuni gruppi cromofori

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APPLICAZIONI

Analisi di miscele: (in assenza di scostamenti dalla legge di Lambert-Beer) la composizione di una miscela di due/tre componenti può essere ricavata se esse hanno massimi di assorbimento a lunghezze d’onda diverse. Ad esempio per una miscela di due sostanze, A e B, che hanno massimo di assorbimento rispettivamente in 1 e 2 si misura l’assorbanza in corrispondenza di tali lunghezzo d’onda, e si ricavano le concentrazioni risolvendo il sistema di equazioni:

lclcA

lclcA

BBAA

BBAA

)()()(

)()()(

222

111

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APPLICAZIONI

Determinazione di costanti di equilibrio: il principio è lo stesso dell’analisi delle miscele. Ad esempio in un equilibrio acido-base del tipo:

][

]][[

AH

HAK

HAAH

a

le due specie A- e AH presentano solitamente spettri UV diversi e le loro concentrazioni possono essere determinate in maniera analoga a quella di due componenti di una miscela. Se è noto il pH la Ka può essere ricavata in maniera semplice.

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APPLICAZIONI

Determinazione di costanti di equilibrio (continua)

Si noti che per essere certi che stiamo osservando un equilibrio tra due specie bisogna eseguire le misure in varie soluzioni a valori diversi di pH, ma con la stessa concentrazione totale di acido e verificare la presenza di un punto (punto isosbestico) in cui tutte le curve di assorbimento si intersecano

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APPLICAZIONI

Studi cinetici

La maggior parte degli spettrofotometri consente di registrare l’assorbanza in funzione del tempo. Se in soluzione sta avvenendo una reazione chimica è possibile seguire le variazioni di concentrazione di una particolare sostanza (un reagente che sta scomparendo o un prodotto che si sta formando) e da questa ricavare la velocità con cui sta avvenendo la reazione data.