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Chimica Chimica FisicaFisica –– BiotecnologieBiotecnologie sanitariesanitarieLezioneLezione n. n. 2020

−− PrincipiPrincipi generaligenerali delledelle spettroscopiespettroscopie otticheottiche−− La La spettroscopiaspettroscopia UV/UV/VisibileVisibile

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SpettroscopieSpettroscopie otticheottiche (1)(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'hamiltonianomolecolare); dalla frequenza di emissione o di assorbimento

- Le spettroscopie ottiche danno informazioni sui livelli energetici livelli energetici elettronici coinvoltielettronici coinvolti, e quindi sulla struttura della molecola.

finale inizialeE E E hν∆ = − =

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SpettroscopieSpettroscopie otticheottiche (2)(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

- Il momento di transizione si mettein relazione con la forma deglistati inziale e finale e dell’operatore momento di dipolodi transizione (principio di Frank-Condon)

iniziale finaleµ = Ψ Ψµ

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SpettroscopieSpettroscopie otticheottiche (3)(3)

- Microonde: ∆E = 4 × 10-4 – 0.04 kJ mol-1, ν = 109 – 1011 Hz (0.03 – 3 cm-

1); sono coinvolti livelli energetici rotazionali; si ottengono informazioni su distanze internucleari

- Infrarosso lontano: ∆E = 0.04 – 4 kJ mol-1, ν = 1011 – 1013 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 = 1013 – 1014 Hz (300 – 3000 cm-1); sono coinvolti livelli energetici vibrazionali; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, momenti di dipolo

- Raman: ∆E = 0.04 – 40 kJ mol-1, ν = 1011 – 1014 Hz (3 – 3000 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 = 40 – 4000 kJ mol-1, ν = 1014 – 1016 Hz (3000 – 300000 cm-1); sono coinvolti livelli energetici elettronici; si ottengono informazioni costanti di forza di legame, energia di dissociazione dei legami

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SpettroscopieSpettroscopie otticheottiche (4)(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

- 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

vibrazionaelettron l rotazionaleeica EEEE = + +

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SpettroscopiaSpettroscopia UVUV--visibilevisibile (1)(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

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SpettroscopiaSpettroscopia UVUV--visibilevisibile (2)(2)

- L'eccitazione di un elettrone legato dall'Highest Occupied MolecularOrbital (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-vibrazionalipresenti in ogni livello elettronico.

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SpettroscopiaSpettroscopia UV/UV/VisibileVisibile (3)(3)

- La spettroscopia UV/visibile considera l’assorbimento di luce UV e visibile dalle molecole, che causa la promozione di un elettrone dauno 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 ditransizioni- σ → σ∗ (alcani) - σ → π∗ (carbonili) - π → π∗ (alcheni, carbonili compounds, alchini, azocomposti) - η → σ∗ (ossigeno, azoto, zolfo e alogeni) - η → π∗ (carbonili)

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SpettroscopiaSpettroscopia UV/UV/VisibileVisibile (4)(4)

- Le transizioni che richiedono minore energiacoinvolgono l’ highest occupied molecular orbital(HOMO) e il lowest molecular orbital (LUMO), e sonoper questo motivo le più importanti.

- Alcune transizioni NON sono possibili (transizioniproibite), a causa di precise regole di selezione; in effettile transizioni proibite sono osservate, ma hannoun’intensità molto bassa.

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SpettroscopiaSpettroscopia UV/UV/VisibileVisibile (5)(5)

- L’assorbimento UV presenta bande generalmente moltolarghe, perché sono costituite dalla sovrapposizione ditransizioni vibrazionali e rotazionali.

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TerminologiaTerminologia

- Le seguenti definizioni sono molto utili per discutere le caratteristiche principali degli spettri UV/Visibile.

cromoforo gruppo di atomo che assorbe luceauxocromo gruppo che estende la coniiugazione diun cromoforo condividendo elettroni liberiShift batocromico spostamento dell’assorbimentoa lunghezze d’onda maggioriShift ipsocromico spostamento dell’assorbimentoa lunghezze d’onda minoriEffetto ipercromico aumento dell’intensità diassorbimentoEffetto ipocromico diminuzione dell’intensità diassorbimento

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LeggeLegge didi LambertLambert--Beer (1)Beer (1)

- Uno spettro UV-Vis si ottiene di solito facendo passaredella luce di una lunghezza d’onda definita (lucemonocromatica) 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 ilcampione

dove I = intensità della luce trasmessa e I0 = intensitàdella luce incidente.

0

% Trasmittanza 100 II

=

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LeggeLegge didi LambertLambert--Beer (2)Beer (2)

- Poiché l’assorbimento della luce è funzione dellaconcentrazione delle molecole assorbenti, esiste unalegge quantitiva che lega l’assorbanza (collegata allatrasmittanza) in funzione della concentrazione. L’espressione è detta legge di Lambert-Beer

dove- ε = coefficiente di assorbimento molare- c = concentrazione molare del soluto- l = lunghezza della cella (in cm)

0

log IA clI

ε⎛ ⎞

= − =⎜ ⎟⎝ ⎠

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MisuraMisura didi unouno spettrospettro UVUV--VisibileVisibile

- 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 cellaanaloga piena di solvente (bianco o riferimento) viene posta in una sezioneadiacente 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(I0/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).

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SolventiSolventi

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

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RegoleRegole empiricheempiriche

- Se lo spettro di un composto esibisce una banda di assorbimentoad intensità bassa nella regione 270-350 nm, e nessun altroassorbimento 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 compostocontiene probabilmente catene coniugate o gruppi aromatici.

- Se il composto è colorato possono esistere almeno 4,5 cromoforiconiugati e gruppi auxocromi (con l’eccezione di alcuni nitro-, azo-, diazo-, and nitroso-composti che sono colorati). - Un valore di ε tra 10000 and 20000 generalmente rappresenta un

semplice chetone α,β-insaturo o un diene.- Bande con ε tra 1000 and 10000 normalmente mostrano la

presenza di un gruppo aromatico. Se il gruppo aromatico ha deigruppi funzionali possono comparire bande con ε > 10000 ed altrecon ε < 10000.

- Bande con ε < 100 rappresentano transizioni η →π∗.

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TransizioniTransizioni (1)(1)

Cromofori λmax

Alcani 150 nm

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TransizioniTransizioni (2)(2)

Cromofori λmax

Alcheni 175 nmAlchini 170 nm

Carbonili 180 nm

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TransizioniTransizioni (3)(3)

Cromofori λmax

Alcoli, eteri 185 nmAmmine 195 nm

Composto con zolfo 195 nm

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TransizioniTransizioni (4)(4)

Cromofori λmax

Carbonili 285 nm