Spettroscopia nel visibile e nell'ultravioletto

1. Spettroscopia nel visibile e nell'ultravioletto prof.FABIO TOTTOLAIPSIA E.FERMI, Verona 2008

2. Questa spettroscopia di assorbimento si occupa delle transizioni fra diversi stati elettronici della molecola. Il campo utilizzato è: UV lontano: 10-200 nm UV vicino: 200-380 nm Visibile: 380-700 nm Problematico per l’assorbimento dell’O2 atmosferico più importanti Lo spettro di assorbimento di una sostanza si ottiene sottoponendo il campione ad una scansione a tutte le lunghezze d'onda del range in studio e registrando l'assorbimento corrispondente. Si otterranno spettri a bande più o meno complesse, corrispondenti alle transizioni avvenute.

3. In una molecola una transizione elettronica è sempre accompagnata a transizioni rotazionali e vibrazionali. Di conseguenza non si ottiene una singola riga ma un sistema di righe, detto anche banda, centrato sulla transizione elettronica pura. Nel caso di molecole semplici in fase gassosa la banda della transizione elettronica si presenta con la struttura fine. Più complessa è la molecola e più la banda diventa uno sviluppo continuo. In tal caso, infatti, aumentano anche le possibili vibrazioni fino ad ottenere una curva che non può essere risolta nelle sue componenti.

4. Ciò è dovuto al fatto che nelle soluzioni i più frequenti urti tra le molecole limitano le rotazioni complete mentre in un edificio cristallino la rigidità dovuta alle interazioni molecolari smorza le vibrazioni. La fase con cui si presenta la sostanza è molto importante per la forma dello spettro. La struttura fine, caratteristica dello stato gassoso, non si trova qualora la stessa molecola sia analizzata in soluzione o nello stato solido.

5. Ad aumentare la complessità della banda interviene il fatto che, a temperatura ambiente, molte molecole si trovano nei livelli rotazionali e vibrazionali eccitati, associati allo stato elettronico fondamentale. Il numero di molecole che si trovano al livello i-esimo è dato dalla legge: Ni= No gi/go e-(Ei-Eo)/RT dove i termini g sono parametri statistici, spesso di valore 1. Da questa formula si capisce che, a temperatura ambiente, solo le modeste differenze energetiche rotazionali e vibrazionali consentano a detti livelli eccitati di essere popolati. All'abbassarsi della temperatura, queste ultime popolazioni sono meno significative e minori sono le transizioni rotazionali e vibrazionali possibili: le bande diventano più strette e dettagliate. In ogni caso le distanze tra i livelli elettronici sono tali da non imporre la termostatazione.

6. In linea di massima, la sequenza degli orbitali molecolari è quella che conosciamo e le transizioni possibili possono essere così raggruppate: L’energia necessaria a una transizione è tanto più alta quanto maggiore è il dislivello da superare c

7. Assorbimento nei composti organici Transizioni ss*: richiedono molta energia e corrispondono alla rottura dei legami; avvengono nell’UV lontano. Transizioni pp*: sono tipiche dei composti insaturi e comprendono • transizione E (etilenica), tipica dei doppi legami isolati • transizione B (benzenoide); tipica dei sistemi aromatici è poco intensa perché proibita • transizione K (coniugazione), tipica dei sistemi aromatici e coniugati.

8. .. N Transizioni ns* e np*, tipiche degli eteroatomi (N, O, S, Cl) con doppietti di non legame, sono anche dette radicaliche (R) e sono poco intense perché proibite. Nella zona studiata non ricadono lens * dei doppietti dell'ossigeno alcoolico ed etereo: per questo motivo sono degli ottimi solventi trasparenti alla radiazione. .. o Transizioni per trasferimento di carica; comportano spostamenti di elettroni da una parte all’altra della molecola e sono molto intense perché sono quelle con la più alta variazione del momento di dipolo.

9. I legami ed i gruppi responsabili degli assorbimenti sono detti cromofori. Le bande di assorbimento di un cromoforo vengono indicate con • il massimo assorbimento (lMax) • il relativo coefficiente di estinzione molare (e).

10. L'entità di e dipende da numerosi fattori: • è tanto più grande quanto più probabile è la transizione elettronica, ovvero quanto più vicini sono i livelli energetici e quanto più sono rispettate le regole di selezione; • è tanto più grande quanto più è grande la variazione del momento di dipolo elettrico associato, ovvero quanto più sono lontane le cariche elettriche che si formano; • il tipo dei sostituenti; • la natura del solvente utilizzato. In realtà gli ultimi due fattori agiscono entrambi sull'assetto elettronico del composto considerato per cui la loro vera influenza è già spiegata dai primi due punti.

11. ogni cromoforo può produrre più di unabanda di assorbimento, con intensità anche notevolmente diverse; Dallo studio di uno spettro non è sempre possibile, però, risalire a tutti i costituenti di una molecola. Per capire i problemi collegati all'interpretazione degli spettri UV-VIS bisogna infatti ricordare che: • la larghezza delle bande di assorbimento di vari cromofori, presenti nella stessa molecola, è così grande che spesso si realizzano sovrapposizioni talmente estese che il riconoscimento dei singoli contributi diviene difficile;

12. le lMax sono fortemente influenzate dal solvente;un solvente polare, solvatando la molecola, ne abbassa l’energia dello stato eccitato più di quanto non faccia per quello fondamentale. Così, per la transizione p → p* si ottiene un aumento della λMax di 10 – 20 nm aumentando la polarità del solvente perchè questa transizione diventa più facile. Batocromia Red-shift l • le lMax di alcuni cromofori sono fortemente sensibili all'intorno chimico e si spostano, a volte molto vistosamente. Ipsocromia Blue-shift l Entrambe le cause precedenti possono comportare spostamenti verso il visibile (RED SHIFT) o verso l'UV (BLUE SHIFT), a seconda che avvicinino o allontanino i livelli fondamentale e eccitato

13. le e sono analogamente molto influenzate dall'intorno chimico: si può avere aumento di intensità (ipercromia) o diminuzione (ipocromia); • alcuni gruppi, che non assorbono di per sè stessi in modo molto intenso, danno luogo ad aumentate l ed e se attaccati ad un cromoforo: sono gli auxocromi e contengono sempre un doppietto di non legame come -I, -Cl, -NR2, -OH.

14. Riassumendo Considerate queste complicazioni, è bene sottolineare che gli spettri UV-VIS concorrono ad identificare la presenza di alcuni gruppi, ma si è ben lontani dal poter trarre indicazioni risolutive. Consideremo ora alcuni cromofori e l'influenza che i sostituenti hanno su di essi.

15. Il cromoforo etilenico • L'etilene assorbe al confine con il lontano UV ma ogni sostituente alchilico presente ne fa aumentare la l di assorbimento. I livelli energetici degli orbitali p dell'etilene sono rappresentati nella figura sottostante. N.B.I segni non indicano cariche!!! • L'assorbimento è dovuto alla transizione pp*che comporta una differente distribuzione elettronica.

16. Sostituenti alchilici attaccati al doppio legame danno luogo a batocromia, cioè spostano la l di assorbimento del doppio legame verso valori maggiori. Due sono le interpretazioni possibili. • 1)Essendo gli alchili gruppi +I, essi polarizzano i loro legami verso il carbonio sp2 del doppio legame. E’ intuitivo pensare ad una maggior destabilizzazione dell'orbitale di legame, che presenta un addensamento elettronico tra gli atomi, con conseguente minor separazione tra i due livelli. Alla minor energia necessaria per la transizione corrisponderà una radiazione a l maggiore.

17. N.B.I segni non indicano cariche!!! • 2)Il doppio legame entra in iperconiugazione con il legame s del sostituente (C-H). Si ha uno sdoppiamento dell'orbitale di legame, che forma p1 e p2, mentre il vecchio p* diviene p3* a energia più elevata. Poichè si verifica sempre che DE2>DE3, la nuova transizione necessiterà di minor energia.

18. Un numero maggiore di sostituenti può essere rappresentato con un ulteriore innalzamento dei livelli p2 e p3* e con una più marcata differenziazione tra DE2 e DE3. Al crescere del numero dei sostituenti calerà l'energia necessaria, come si ricava dal sottostante schema.

19. Cromoforo butadienico Un caso particolarmente interessante si presenta quando un gruppo sostituente presente sull'etilene è un vinile. Il composto più semplice che presenti i due doppi legami coniugati è 1,3-butadiene. La coniugazione porta alla formazione di quattro orbitali p, dei quali i due più bassi sono occupati.

20. Come risulta dallo schema sottoriportato, la differenza energetica per la transizione pp* del butadiene è minore rispetto a quella analoga dell'etilene.

21. L’aumento del numero dei doppi legami coniugati fa sì che si formino un sempre maggior numero di orbitali molecolari con differenze energetiche sempre minori e conseguente batocromia.

22. Il cromoforo benzenico E' un sistema p fortemente delocalizzato cui sono associate tre nette bande di assorbimento: E1 a 184 nm (e=60000), E2 a 204 nm (e=7900) e B a 256 nm (e=200) con struttura fine dovuta alla sovrapposizione dei livelli vibrazionali. Le bande citate non hanno spiegazione nei livelli elettronici rappresentati qui a fianco, in base ai quali nella regione del vicino UV si dovrebbe vere solo la transizione segnata.

23. Solo ricorrendo alle interazioni tra gli orbitali molecolari si può arrivare una nuova distribuzione dei livelli energetici. Le regole di selezione non consentono due delle transizioni, in special modo quella a 256 nm, che è infatti debole. Le transizioni sono rese possibili dalla perdita di simmetria della molecola dovuta alle interazioni tra gli stessi orbitali.

24. Un sostituente attaccato al nucleo benzenico produce due effetti: -abbassa la simmetria del sistema spostando i livelli esistenti e rendendo possibili le transizioni proibite; -perturba i livelli per induzione, mesomeria o iperconiugazione. In generale una maggior coniugazione, o con un doppietto (-OH), oppure con con un legame p ( C=O), causa la batocromia delle bande Etileniche e Benzenoide e l'ipercromia della banda B che perde anche la sua struttura fine.

25. Esempi più dettagliati a Benzene • 260,5 nm • 254,5 nm • 248,5 nm • 243 nm • 238,5 nm b Metilbenzene • 268,5,5 nm • 261,5 nm • 255 nm C Dimetilbenzene • 273,5 nm • 265 nm. Soluzioni allo 0,1% in n-propanolo.

26. Bande di coniugazione nel cromoforo benzenico Le bande di coniugazione traggono origine dallo spostamento di un elettrone tra due atomi con conseguente formazione di un dipolo.Vista la forte variazione del momento di dipolo sono bande intense che cadono tra i 220 e i 370 nm.N.B. Distinguere dalla risononza o anche

27. Assorbimento nei composti inorganici Le transizioni sin qui trattate sono relative a sistemi ben descrivibili con l’ uso degli orbitali molecolari applicato ad elettroni di valenza s e p. Ciò è valido anche per composti inorganici quali NO3-,IO4-,I-. La maggior parte dei colori esistenti in chimica inorganica è da attribuirsi però a composti dei metalli di transizione o dei lantanoidi. Tali elementi devono dunque presentare assorbimenti nel visibile, con transizioni energeticamente inferiori a quelle appena studiate, spiegabili se esistessero piccole differenze tra i loro orbitali più esterni, rispettivamente d e f.

28. Il metodo più semplice per affrontare il problema è la CFT (teoria del campo cristallino). Qualsiasi ione positivo, sia in soluzione sia in un composto solido, è circondato da ioni di segno contrario. E’ facile immaginare che ciò accada allo stato solido, dove il reticolo spiega bene un ordinato impaccamento, ma una situazione analoga si verifica anche in soluzione. Non esiste, per esempio, uno ione Co2+ libero, isolato: esso è sempre associato a sei molecole d’acqua che lo circondano secondo i vertici di un ottaedro. Poichè nell’approsimazione del CFT si considera che le uniche interazioni che avvengono tra metallo centrale e leganti siano di natura elettrostatica, nel complesso Co(H2O)62+ non verrrà presa in considerazione la possibilità che si instaurino legami covalenti.

29. Nel Co2+ la configurazione elettronica più esterna è 3d7. I doppietti elettronici dei leganti verranno a interagire con gli orbitali più esterni ma agiranno sugli orbitali d in modo diverso. Le diverse forme ed orientazioni dei cinque orbitali d sono rappresentate nella figura sottostante.

30. Vista la geometria del complesso, gli orbitali dz2 e dx2-y2 che puntano direttamente sui leganti, avranno con essi interazioni molto marcate. Al contrario gli altri tre orbitali puntano tra i leganti. I primi due orbitali saranno destabilizzati da queste interazioni mentre gli altri tre risulterano stabilizzati.

31. Si verificherà una parziale rimozione della degenerazione e sarà consentita la transizione elettronica tra i due gruppi di orbitali d che ora si trovano ad una distanza energetica che richiede una l del campo del visibile. La separazione (splitting) degli orbitali d dipende dalla disposizione dei leganti e sarà diversa a seconda che si abbiano strutture ottaedriche, tetraedriche, quadrate-planari etc. In particolare una struttura tetraedrica viene ad avere una separazione orbitalica esattamente inversa a quella ottaedrica: La D è minore, circa la metà, di quella che si avrebbe se gli stessi componenti dessero luogo ad un intorno ottaedrico.

32. Sempre nei composti dei metalli di transizione sono attive anche le bande di trasferimento di carica che abbiamo già visto nei composti organici. In particolare esse sono responsabili degli intensi colori dei composti con alto numero di ossidazione del metallo come permanganato, bicromato e cromato. Nel permanganato, il manganese presenta numero di ossidazione +7 e ha una forte richiesta elettronica nei confronti di chi è ad esso legato. Può accadere O O O Mn O  O Mn O O O con il passaggio di un elettrone dagli orbitali dell’ossigeno a quelli del manganese. E’ proprio questa transizione a 525 nm la responsabile del colore violetto del permanganato. -

33. SCELTA DEL SOLVENTE Un ipotetico solvente ideale non deve assorbire a nessuna lunghezza d'onda di questa gamma spettrale; ma nessun solvente reale soddisfa questo requisito. L'acqua distillata e disaerata (bollita di fresco) è il solvente di uso più comune, ma molti composti organici si solubilizzano solo in alcoli o in alcani. Per evitare interferenze di eventuali impurezze, è consigliabile usare sempre solventi puri per spettrofotometria (ricordare analisi olio).

34. Sorgenti La sorgente deve emettere radiazioni policromatiche, contenenti cioè tutte le lunghezze d'onda del campo richiesto. Per la regione del visibile si utilizzano lampade a incandescenza (a filamento di tungsteno, lampade quarzo-iodio o lampade tungsteno-alogeno). Esse lavorano acirca 2870 °C è hanno un range di 350-2500 nm Per la regione UV si usano lampade a scarica in un gas (deuterio o a idrogeno); sono costituite da un'ampolla di quarzo contenente il gas rarefatto nella quale viene attivata, tra due elettrodi, una scarica elettrica con la conseguente emissione di radiazioni con spettro continuo (160-375 nm). Gli spettrofotometri avranno quindi al loro interno due diverse lampade, opportunamente intercambiate dal meccanismo interno. Nei modelli più recenti un’unica lampada allo xeno copre tutto lo spettro (190-1100)

35. Monocromatori Come si intuisce, il monocromatore è una delle componenti critiche che caratterizzano lo strumento. Esistono due tipi di monocromatori basati su filtri che bloccano una parte della luce e lasciano passare solo la parte desiderata. I filtri ottici contengono opportune sostanze che assorbono gran parte delle radiazioni visibili lasciando solo la banda desiderata, cioè un certo intervallo di lunghezze d'onda, che ha però notevoli ampiezze (250nm). Anche combinando più filtri, rimangono comunque bande passanti dell'ordine di 50nm e sempre a scapito di un indebolimento del raggio anche per le λ richieste. Si utilizzano solo nei colorimetri. I filtri interferenziali si basano su un fenomeno tipicamente ondulatorio (l'interferenza) che causa rafforzamenti o indebolimenti tra due radiazioni che si sommano a seconda che siano o meno in fase tra loro. Sono più efficienti dei filtri basati sull'assorbimento, consentendo bande passanti dell'ampiezza di 20nm (nel visibile); sono tuttavia più costosi e si utilizzano nei colorimetri migliori.

36. I monocromatori basati su elementi disperdenti sono quelli effettivamente usati negli spettrofotometri di qualità: Il prisma è in grado di disperdere le radiazioni con diversa λ grazie al fenomeno della rifrazione: quando un raggio di luce passa da un mezzo ad un altro subisce una deviazione che dipende però dalla λ della radiazione (cioè, radiazioni con diversa λ subiscono diversa deviazione). I reticoli svolgono la stessa funzione del prisma, ma il loro funzionamento è basato sull'interferenza. Sono costituiti da serie di solchi o fenditure parallele tracciati su una superficie a distanza ravvicinata (ad esempio 1200 solchi a mm): il fenomeno è quello che si osserva guardando obliquamente la superficie di un CD. Nei moderni spettrofotometri si utilizzano reticoli a riflessione, sia nel campo UV-visibile sia nell'IR.

37. Celle Sono la componente destinata a contenere il campione da esaminare. Oltre ad essere trasparenti alla radiazione impiegata, devono avere un ben preciso 'cammino ottico' (la lunghezza percorsa dalla radiazione nel campione) che dovrà essere sufficiente ad avere assorbimenti rilevabili dallo strumento. In UV si utilizzano celle in quarzo (SiO2), nel visibile in vetro o quarzo o alcuni materiali plastici. In IR si rendono necessarie celle in NaCl, KBr, CaF2, CsI.

38. Rivelatori I rivelatori hanno lo scopo di trasformare il segnale luminoso in corrente elettrica. Sono dispositivi capaci di produrre un segnale elettrico che dipende dall'energia delle radiazioni che lo investono. Tale segnale elettrico (proporzionale all'intensità luminosa) viene poi elaborato per via elettronica in modo più o meno complesso. In UV-visibile si possono utilizzare: • celle fotovoltaiche e celle fotoconduttive; • fototubi e fotomoltiplicatori; • fotodiodi.

39. Le cellule fotoconduttive funzionano sul principio che cambiano conduttività in funzione dell'intensità della luce incidente. Il PbS, per esempio, ha resistività di 25 MW al buio ma di 500 W alla luce del giorno. Misurando la resistività di un semiconduttore si può ricavare l'intensità della luce. Diverso è il comportamento delle celle fotovoltaiche. Un sottile strato di selenio è deposto sopra una lamina di ferro ed è ricoperto con una pellicola d'oro trasparente. Quest'ultimo viene attraversato dalla luce e colpisce il selenio che eccita i suoi elettroni favorendone il flusso verso l'oro. Si stabilisce così una ddp tra oro e ferro e, collegandoli tra di loro con una resistenza, si nota il passaggio di una corrente la cui intensità è proporzionale all'intensità della radiazione luminosa. Sono poco sensibili e non coprono tutto l'UV-visibile, tuttavia sono resistenti e poco costose: per questo motivo vengono utilizzate in colorimetri o semplici fotometri di basso prezzo.

40. Fototubi Sono basati sull'effetto fotoelettrico. Una placchetta di metallo (cesio o una lega di rame) può emettere elettroni se stimolata dalla luce. Essendo collegato al polo positivo di una sorgente di ddp, tali elettroni verranno accelerati verso la placca positiva (anodo). Il passaggio di corrente sarà proporzionale alla luce incidente. Sono molto più sensibili dei rivelatori precedentemente illustrati, ma molto più delicati (proteggere dalla luce ambientale). _ +

41. Fotomoltiplicatori (con amplificazioni dell'ordine 106 – 109) sono basati sull'effetto fotoelettrico, che consiste nell'emissione di elettroni da parte di un materiale quando viene colpito da radiazioni luminose: il numero di elettroni emessi (misurabile per via elettrica) è proporzionale all'intensità della radiazione incidente.

42. I fotodiodi, infine, sono microscopici circuiti su chip di silicio (o germanio) che variano la loro d.d.p. se investiti da radiazioni luminose. Hanno sensibilità inferiore ai fotomoltiplicatori, ma presentano il vantaggio di poter essere inseriti in grande numero su un singolo chip di silicio, prestandosi così in modo efficace alla costruzione di spettrofotometri a serie di diodi a partire da un chip con centinaia di fotodiodi allineati, ognuno dei quali misura la particolare banda di radiazione inviatagli dall'elemento disperdente. In 1/10 di secondo è possibile misurare tutto lo spettro (senza parti in movimento che inviano le λ un po' per volta).

43. Spettrofotometro a doppio raggio .

45. Il nostro strumento .

46. Analisi qualitativa Per effettuare analisi qualitative si fa uso di raggi policromatici a spettro continuo, poi separati tramite monocromatori nelle varie componenti (radiazioni monocromatiche). In pratica le singole radiazioni monocromatiche di tale raggio si fanno passare, una alla volta, attraverso la sostanza in esame, la quale assorbirà in modo diverso, cioè con diversa intensità, le diverse radiazioni.

47. Riportando perciò i valori registrati in un grafico lunghezza d'onda-assorbimento, si ottiene lo spettro di assorbimento della sostanza esaminata. Per il fatto che ogni sostanza ha il suo spettro di assorbimento, l'esame di tali spettri permette di identificare a volte una sostanza (per confronto diretto con campioni noti o tramite banche dati di spettri) o, più di frequente di controllarne il grado di purezza.

48. RICERCA DEI CROMOFORI Gli spettri UV/visibile nonsono particolarmente adatti all’analisi qualitativa. Sono poco dettagliati, soprattutto in soluzioni, e non consentono di identificare le sostanze. In genere lo spettro è utile per escludere la presenza di particolari strutture. • L’assenza di assorbimento a λ 230-280 nm esclude la presenza di anelli benzenici • L’assenza di assorbimento a λ >180 nm esclude la presenza di qualsiasi doppio legame

49. Assorbimenti intensi (ε 10000-20000) nell’intervallo 200-780 nm: sistemi coniugati (almeno due cromofori coniugati) Assorbimenti deboli o di media intensità (ε 200-8000) nell’intervallo 210-300nm: sistemi aromatici con sostituenti alchilici e transizioni nσ* di atomi con doppietti di non legame Assorbimenti molto deboli (ε 10-100) nell’intervallo 200-300 nm: transizioni np* tipiche di C=O, N=O, N=N, C=S Assorbimenti molto deboli (ε 20-1000) nell’intervallo 400-780nm: transizioni d  d e f  f di metalli di transizione Assorbimenti molto intensi (ε 30000-50000) nella zona vicino al visibile: bande di trasferimento di carica (composti di coordinazione)

50. SPETTRI IN DERIVATA Gli spettri in derivata, in genere dal primo al quarto ordine, si possono usare per semplificare le bande di assorbimento degli spettri UV più complessi. Offrono duevantaggi fondamentali: 1. La funzione derivata esalta le differenze fra le bande che risultano parzialmente sovrapposte nel normale spettro A / λ; ciò consente una maggiore risoluzione 2. Le bande della funzione derivata sono tanto più pronunciate quanto più strette sono le bande dello spettro; ciò consente di discriminare meglio fra bande strette e bande larghe.