Spettroscopia UV-visibile

Spettroscopia nel visibile e in ultravioletto

1. Background

Una differenza che si evince tra certi composti è il loro colore. Così, il chinone è giallo, la clorofilla è verde; il 2,4-dinitrofenilidrazone derivato da aldeidi e chetoni ha un colore che varia dal giallo vivace al rosso intenso, a seconda della coniugazione del doppio legame; l'aspirina è incolore. In tale contesto, l'occhio umano funziona da spettrometro che analizza la luce riflessa dalla superficie di un solido o che attraversa un liquido. Sebbene noi percepiamo la luce solare (o una luce bianca) come uniforme o di colore omogeneo, essa è in realtà composta da una vasta gamma di radiazioni di lunghezze d'onda di porzioni dello spettro nell'ultravioletto (UV), nel visibile (vis) e nell'infrarosso (IR). Come mostrato sulla destra, i colori che compongono la porzione del visibile possono essere separati facendo passare la luce solare attraverso un prisma, che fa flettere la luce secondo gradi diversi che dipendono dalla lunghezza d'onda. Una radiazione elettromagnetica come la luce visibile è trattata come un fenomeno ondulatorio, caratterizzato da una lunghezza d'onda o da una frequenza. La lunghezza d'onda è definita sotto a sinistra, ed è la distanza tra due picchi adiacenti (o tra due ventri) e viene misurata in metri, centimetri o nanometri (10-9 metri). La frequenza è il numero di cicli d'onda che viaggiano attraversando un punto fisso nell'unità di tempo, ed è misurata solitamente in cicli al secondo o hertz (Hz). Le lunghezze d'onda del visibile coprono una gamma che varia approssimativamente da 400 a 800 nm. La lunghezza d'onda più lunga nel visibile è il rosso e la più corta il violetto. Altri colori comuni dello spettro, in ordine decrescente di lunghezza dell'onda, possono essere ricordati con una frase mnemonica: RAG V BIV. Le lunghezze d'onda che noi percepiamo come particolari colori nella porzione visibile dello spettro, sono mostrate ed elencate in basso. Nei diagrammi orizzontali, come lo è quello in fondo a sinistra, la lunghezza d'onda cresce spostandosi da sinistra a destra. 
  • Violetto:   400 - 420 nm
  • Indaco:   420 - 440 nm
  • Blu:   440 - 490 nm
  • Verde:   490 - 570 nm
  • Giallo:   570 - 585 nm
  • Arancione:   585 - 620 nm
  • Rosso:   620 - 780 nm

Quando la luce bianca passa attraverso una sostanza colorata o è riflessa da essa, una porzione caratteristica della miscela di lunghezza d'onda viene assorbita. La luce restante, non assorbita, assumerà allora il colore complementare alla lunghezza d'onda, o di onde, che sono state assorbite. Questa correlazione è descritta dalla ruota dei colori mostrata a destra. Qui, i colori complementari sono diametralmente opposti l'un l'altro. Di conseguenza, l'assorbimento della luce di 420-430 nm rende una sostanza gialla; un assorbimento a 500-520 nm la rende di colore rosso. Il verde ha un comportamento unico, in quanto esso può essere creato da un assorbimento vicino a 400 nm, come pure dall'assorbimento intorno a 800 nm.
Gli uomini primitivi apprezzavano i pigmenti colorati, e li usavano per scopi decorativi. Molti di questi pigmenti erano minerali inorganici, ma erano conosciuti anche diversi importanti coloranti organici. Questi includevano il pigmento rosso cremisi, l'acido chermesico, la tintura blu, l'indaco e il pigmento giallo dello zafferano, la crocetina. Un raro dibromo-indaco derivato, la punicina, veniva utilizzato per tingere gli abiti dei reali e dei ricchi. L'idrocarburo carotene, giallo intenso, è largamente distribuito nelle piante, ma non è sufficientemente stabile per essere utilizzato come pigmento permanente, oltre che come colorante per i cibi. Una caratteristica comune a tutti questi composti colorati, mostrata sotto, è un esteso sistema di elettroni p coniugati.


2. Lo spettro elettromagnetico

Lo spettro del visibile costituisce soltanto una piccola parte di tutto lo spettro delle radiazioni. La maggior parte delle radiazioni che ci circondano non può essere osservata, ma può essere rilevata da strumenti specifici. Questo spettro elettromagnetico spazia da lunghezze d'onda molto corte (inclusi i raggi gamma e X) a molto lunghe (incluse le microonde e le onde della radiodiffusione). Il grafico seguente mostra molte delle regioni importanti di tale spettro, e descrive la relazione inversa tra lunghezza d'onda e frequenza (mostrata dalla prima equazione sotto il grafico). 

L'energia associata ad un dato segmento dello spettro è direttamente proporzionale alla sua frequenza. La seconda equazione descrive questo rapporto, che fornisce l'energia trasportata da un fotone di una data lunghezza d'onda della radiazione.


3. Spettri di assorbimento in UV-visibile

Per capire perché alcuni composti sono colorati ed altri non lo sono, e per determinare la relazione esistente tra coniugazione e colore, dobbiamo eseguire accurate misurazioni dell'assorbimento della luce a varie lunghezze d'onda nella parte visibile dell' spettro e nelle sue vicinanze. Gli spettrometri ottici commerciali permettono di condurre tali esperimenti con facilità e generalmente esaminano entrambe le porzioni dello spettro nel vicino ultravioletto e nel visibile. 

Per ottenere una descrizione di uno spettrometro UV-visibile cliccare qui.

La regione visibile dello spettro comprende fotoni di energia compresa tra 36 e 72 kcal/mole, e la regione del vicino ultravioletto, oltre i 200 nm, estende questa scala di energie fino a 143 kcal/mole. La radiazione ultravioletta con lunghezza d'onda minore di 200 nm è difficile da maneggiare, e viene utilizzata di rado come strumento di analisi strutturale.

La gamma di energia considerata in precedenza è sufficiente a promuovere o eccitare un elettrone molecolare ad un orbitale di energia più elevata. Di conseguenza, la spettroscopia di assorbimento che lavora in questa regione viene spesso chiamata "spettroscopia elettronica". Un diagramma che illustra i vari tipi di eccitazione elettronica che possono avvenire nelle molecole organiche, è mostrato a sinistra. Delle sei transizioni presentate, solo le due a più bassa energia (le più a sinistra, colorate in blu) possono avvenire con l'energia disponibile nello spettro che va da 200 a 800 nm. Per regola, la promozione elettronica energeticamente favorita sarà quella che conduce dall'orbitale molecolare occupato di energia più elevata (HOMO) all'orbitale molecolare non occupato di energia più bassa (LUMO), e la specie risultante è denominato stato eccitato. Per una rivisita agli orbitali molecolari, cliccare qui.
Quando campioni di molecole vengono esposte alla luce avente una energia comparabile con una possibile transizione elettronica dentro la molecola, una certa quantità di energia luminosa sarà assorbita quando un elettrone è promosso ad un orbitale energeticamente più alto. Uno spettrometro ottico registra le lunghezze d'onda a cui avvengono gli assorbimenti, insieme all'intensità di assorbimento per ogni lunghezza d'onda. Le spettro risultante è presentato sotto forma di un grafico dell'assorbanza (A) in funzione della lunghezza d'onda, come nello spettro dell'isoprene mostrato appresso. Dal momento che l'isoprene è incolore, esso non assorbe nella parte dello spettro del visibile, per cui questa regione è stata omessa nel grafico. L'assorbanza ha di solito un valore compreso tra 0 (nessun assorbimento) e 2 (99% di assorbimento), ed è definita con precisione nel contesto della funzione dello spettrometro. 

Poiché l'assorbanza di un campione sarà proporzionale al numero delle molecole assorbenti che si trova nel fascio di luce prodotto dallo spettrometro (prendendo in considerazione, ad esempio, la concentrazione molare del campione presente nella cella), è necessario correggere il valore di assorbanza per questo e per altri fattori operativi, se lo spettro di composti diversi devono essere confrontati in modo sensato. Il valore dell'assorbimento a cui si applica la correzione indicata, si chiama "assorbività molare", e risulta particolarmente utile quando si confrontano gli spettri di differenti composti e si determina la forza relativa dei gruppi funzionali nell'assorbire la luce (cromofori). L'assorbività molare (ε) è definita come: 

Assorbività molare, ε = A/ c l

(dove A= assorbanza, c = concentrazione del campione in moli/litro e l = distanza percorsa dalla luce che attraversa il campione, in cm)

Se lo spettro dell'isoprene è stato ottenuto da una soluzione diluita in esano (c = 4 x 10-5 moli/litro) in una cuvetta di 1 cm, un semplice calcolo che utilizza la formula scritta sopra indica un'assorbività molare pari a 20.000 alla lunghezza d'onda corrispondente al massimo assorbimento. Per la verità, l'intera scala verticale dell'assorbanza può essere trasformata in una scala di assorbività molare nel momento in cui questo valore riguardante il campione è disponibile. Cliccando sullo spettro si osserverà questo cambiamento dell'unità di misura.

Cromoforo

Esempio

Eccitazione

λmax, nm

ε

Solvente

C=CEtene

π ®   π*

17115.000esano
C≡C1-Esino

π  ®   π*

18010.000esano
C=OEtanale

n  ®  π*
π  ®  π*

290
180
15
10.000
esano
esano
N=ONitrometano

n  ®  π*
π  ®  π*

275
200
17
5.000
etanolo
etanolo
C-X   X=Br
      X=I
Bromuro di metile
Ioduro di metile

n  ®  σ*
n  ®  σ*

205
255
200
360
esano
esano

Dalla tavola mostrata sopra dovrebbe essere chiaro che le sole porzioni di molecole che hanno probabilità di assorbire la luce nella regione compresa tra 200 e 800 nm sono i gruppi funzionali con elettroni p e gli eteroatomi aventi coppie di elettroni di non legame nel guscio di valenza. Tali gruppi che assorbono la luce sono denominati cromofori. Una lista di alcuni semplici cromofori e della loro lunghezza d'onda di assorbimento caratteristica è fornita a sinistra sopra. Gli elettroni di non legame dell'ossigeno presente negli alcoli ed eteri non danno picchi di assorbimento al di sotto dei 160 nm. A causa di ciò, gli alcoli e gli eteri si possono utilizzare quali solventi negli studi di spettroscopia.
La presenza di cromofori in una molecola è ciò che meglio viene evidenziata dalla spettroscopia UV-vis, ma l'impossibilità della maggior parte degli strumenti a fornire dati riguardanti lunghezze d'onda minori di 200 nm, rende problematica la rilevazione di cromofori isolati. Fortunatamente, la coniugazione sposta, in genere, il massimo dell'assorbimento verso lunghezze d'onda più lunghe, come nel caso dell'isoprene, per cui la coniugazione diventa la principale caratteristica strutturale identificata da questa tecnica.
L'assorbività molare può essere molto grande per cromofori fortemente assorbiti (> 10.000) e molto piccola se l'assorbimento è debole (da 10 a 100). L'ampiezza di ε riflette sia la dimensione del cromoforo, sia la probabilità con cui la luce di una data lunghezza d'onda sarà assorbita quando essa colpisce il cromoforo.

Per approfondire questo argomento cliccare qui.


4. L'importanza della coniugazione

Un confronto dello spettro di assorbimento dell'1-pentene, λmax = 178 nm, con quello dell'isoprene (sopra) dimostra chiaramente l'importanza della coniugazione nei cromofori. Ulteriore prova di questo effetto è mostrato appresso. Lo spettro sulla sinistra illustra che anche la coniugazione di doppi e tripli legami spostano il massimo dell'assorbimento verso lunghezze d'onda maggiori. Dagli spettri dei polieni presenti nel diagramma centrale, risulta chiaro che ogni doppio legame addizionale nel sistema coniugato di elettroni p sposta il massimo di assorbimento di circa 30 nm verso il rosso. Inoltre, l'assorbività molare (ε) raddoppia approssimativamente con ogni nuovo doppio legame coniugato. Gli spettroscopisti, per descrivere gli spostamenti dell'assorbimento, utilizzano la terminologia definita nella tabella a destra. Perciò, l'aumento della coniugazione conduce allo spostamento batocromico ed ipercromico dell'assorbimento.
L'aspetto di diversi picchi o pendii nello spettro di assorbimento di un dato cromoforo è comune a sistemi altamente coniugati, e spesso dipende dal solvente. Questa struttura fine rispecchia non solo le differenti conformazioni che tali sistemi possono assumere, ma anche le transizioni elettroniche tra i diversi livelli possibili di energia vibrazionale per ogni stato elettronico. La struttura vibrazionale fine di questo tipo è maggiormente pronunciata negli spettri in fase vapore, e viene fortemente appiattita e nascosta in soluzione al cambiare del solvente dall'esano al metanolo.

 

Terminologia degli spostamenti
dell'assorbimento

Natura dello spostamento

Termine di
descizione

A lunghezze d'onda maggioriBatocromico
A lunghezze d'onda minoriIpsocromico
Ad assorbimenti maggioriIpercromico
Ad assorbimenti minoriIpocromico

Per comprendere il motivo per cui la coniugazione dovrebbe causare spostamenti batocromici del massimo dell'assorbimento dei cromofori, abbiamo bisogno di dare uno sguardo ai relativi livelli di energia degli orbitali π. Quando due doppi legami sono coniugati, i quattro orbitali atomici p si combinano tra essi per formare quattro orbitali molecolari π (due di legame e due di antilegame). Questo è stato descritto in precedenza nel capitolo riguardante la chimica dei dieni. In modo simile, i tre doppi legami di un triene coniugato creano sei legami molecolari π, metà di legame e metà di antilegame. L'eccitazione più favorita energeticamente, π ® π*, avviene dall'orbitale di legame π a più alta energia (HOMO) all'orbitale di antilegame π a più bassa energia (LUMO).
Il diagramma seguente illustra questa eccitazione per un doppio legame isolato (solo due orbitali π) e, cliccando sul diagramma, per un diene e per un triene coniugato. In tutti i diagrammi l'orbitale HOMO è colorato in blu e LUMO in magenta. Aumentando la coniugazione, gli orbitali HOMO e LUMO tendono ad avvicinarsi. L'energia richiesta (ΔE) per ottenere una promozione elettronica diventa quindi minore, e la lunghezza d'onda che fornisce tale energia aumenta corrispondentemente (ricordare che λ = h • c/ΔE ).

Esempi di eccitazione π ® π*
Cliccare sul diagramma per proseguire


Molti altri tipi di sistemi di elettroni π coniugati funzionano da cromofori ed assorbono luce nella regione compresa tra 200 e 800 nm. Questi sistemi includono aldeidi e chetoni insaturi e composti costituti da anelli aromatici. Alcuni esempi sono presentati appresso. Lo spettro del chetone insaturo (a sinistra) illustra il vantaggio che si ottiene utilizzando scale logaritmiche dell'assorbività molare. L'assorbimento dovuto alla transizione π ® π* localizzato a 242 nm è molto forte, con un valore di ε = 18.000. Il debole assorbimento dalla transizione n ® π*, vicino a 300 nm, corrisponde al valore di ε = 100.

 

Il benzene mostra un assorbimento molto forte della luce vicino a 180 nm (ε > 65.000), un più debole assorbimento a 200 nm (ε = 8.000) ed un gruppo di molte bande ancora più deboli a 254 nm (ε = 240). Solo l'ultimo gruppo di assorbimenti è mostrato in modo completo a causa del limite caratteristico della maggioranza degli spettrofotometri. La coniugazione addizionale nel naftalene, nell'antracene e nel tetracene, causa uno spostamento batocromico di queste bande di assorbimento, come presentato nel diagramma sotto a sinistra. Non tutti gli assorbimenti sono spostati della stessa quantità, per cui il debole assorbimento dell'antracene (nella finestra con fondo verde) e del tetracene (finestra con fondo blu) viene oscurato dalle bande più ampie soggette ad uno spostamento verso il rosso più accentuato. Come si potrebbe prevedere da questi spettri, il naftalene e l'antracene sono incolori, mentre il tetracene è arancione.

Lo spettro del diene biciclico (sopra a destra) mostra un certa struttura fine vibrazionale, ma in generale presenta un aspetto simile a quello dell'isoprene, mostrato sopra. Un più attento esame, mostra che il massimo dell'assorbimento dei dieni più estesamente sostituiti sono spostati verso una lunghezza d'onda maggiore di circa 15 nm. Questo "effetto sostituente" è generico per i dieni ed i trieni ed è ancora più pronunciato per i cromofori enoni.

E' stato sviluppato un insieme di regole empiriche per prevedere il valore di  λmax di tali cromofori. Queste regole possono essere osservate cliccando qui.


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