Le radiazioni elettromagnetiche Con il termine radiazione s’intende normalmente ogni forma di energia che si propaga mediante onde o particelle in moto (luce, suono, raggi cosmici, radioattività, ecc.). Le radiazioni utilizzate in spettroscopia per perturbare la materia, e quindi ottenere informazioni sull'analita di interesse, sono prevalentemente onde elettromagnetiche. La radiazione elettromagnetica è una forma di energia trasmessa attraverso lo spazio ad enorme velocità. La radiazione elettromagnetica è rappresentata da un campo elettrico (E) e un campo magnetico (H) perpendicolari tra loro.

Parametri di un’onda Lunghezza d’onda (l) distanza lineare tra due massimi successivi di un’onda Ampiezza distanza verticale tra un massimo e l’asse delle x Frequenza (v) numero di oscillazioni del campo in 1 secondo (Hz = 1 ciclo/s)

CARATTERISTICHE di una RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA l= lunghezza d’onda u= frequenza l= c/u E=Energia E=hu h=costante di Plank 6.63.10-34 Js-1

Relazione tra onda e particella Riassumendo le relazioni viste fino ad ora: Quanto maggiore è la lunghezza d’onda di una radiazione, tanto minore è l’energia ad essa associata

Lo SPETTRO della LUCE u crescente l crescente

Spettro di luce visibile all’occhio umano Proprio come la luce rossa ha una sua frequenza distinta, lo stesso vale per gli altri colori. Mentre possiamo percepire queste onde elettromagnetiche nei rispettivi colori, non possiamo vedere il resto dello spettro elettromagnetico. Buona parte dello spettro elettromagnetico è infatti invisibile ed ha frequenze che spaziano in tutta la sua larghezza. 6

Il colore degli oggetti Le differenti lunghezze d'onda vengono interpretate dal cervello come colori, che vanno dal rosso delle lunghezze d'onda più ampie (minore frequenza), al violetto delle lunghezze d'onda più brevi (maggiore frequenza). Le frequenze comprese tra questi due estremi vengono percepite come arancio, giallo, verde, blu e indaco. Le frequenze immediatamente al di fuori di questo spettro percettibile dall'occhio umano vengono chiamate ultravioletto (UV), per le alte frequenze, e infrarosso (IR) per le basse. In effetti un oggetto ci appare del colore associato alla mescolanza delle radiazioni che esso non assorbe, e quindi riflette.

A questo punto ci si può chiedere perché una sostanza assorba proprio in corrispondenza di certe lunghezze d’onda piuttosto che di altre. La risposta a questa domanda prevede che si conosca la struttura delle molecole che costituiscono tale sostanza, ed in pratica la natura dei legami da cui sono tenute assieme. Indigotina (blu) Tartrazina (gialla) Infatti se si conosce la struttura di una molecola, applicando la meccanica quantistica, si può risalire al suo diagramma energetico, e conoscere così le distanze di energia che intercorrono tra uno stato ed un altro. A ciascun salto energetico corrisponderà una particolare frequenza della radiazione assorbita, e indirettamente ogni salto energetico che coinvolga la radiazione visibile, determinerà il colore che noi osserveremo per una data sostanza.

Interazione radiazione - materia Un atomo o una molecola possono assumere radiazione solo in maniera “discreta”: ad es. un atomo, per fare un salto energetico e passare ad uno “stato eccitato”, può assumere solo un preciso DE a cui corrisponde una radiazione con una precisa frequenza (DE = hn). Si parla di “quantizzazione dell’energia”. DE Energia ceduta DE DE Radiazione, E = hn Un atomo di idrogeno secondo Bohr (questo modello è stato superato, ma può ancora essere utile didatticamente)

ASSORBIMENTO ed EMISSIONE Nell’interazione con la radiazione elettromagnetica Si può avere: Assorbimento Emissione spontanea Emissione stimolata In ogni caso la DE fra S1 e S0 deve essere esattamente: DE=hu

La trasmittanza (T) Quando la radiazione elettromagnetica ad una ben precisa lunghezza d’onda (monocromatica) colpisce una molecola, una parte della luce può dunque essere assorbita. L’intensità della luce assorbita si può esprimere in termini di trasmittanza (T), ossia come rapporto tra l’intensità della luce in uscita ed intensità della luce incidente:

L’assorbanza (A) In alternativa, l’assorbimento di luce si può esprimere come assorbanza (A), legata alla trasmittanza dalla relazione:

La legge di Lambert-Beer L’assorbanza è la grandezza utilizzata nella legge di Lambert-Beer per esprimere la dipendenza dell’assorbimento dalla concentrazione: Il coefficiente di estinzione molare (ε) è una costante caratteristica di ogni composto ed è un indice della bontà delle molecole nell’assorbire la radiazione elettromagnetica ad una certa lunghezza d’onda.

Trasmittanza e assorbanza La trasmittanza è: T = I/I0, 0 < T < 1 L’assorbanza è: A = log I0/I 0 < A <  o anche: A = – log T La assorbanza, ma non la trasmittanza, è proporzionale alla concentrazione del campione (legge di Lambert-Beer): A = εbc ε è detto assorbanza specifica molare o coefficiente di estinzione molare

Tecniche spettroscopiche Interazione tra radiazione elettromagnetica e materia  Informazione qualitativa (elementi, composti) Informazione quantitativa (concentrazione)

Classificazione delle tecniche spettroscopiche In base al MECCANISMO assorbimento emissione fluorescenza In base alla REGIONE SPETTRALE impiegata raggi g (0.01 Å) raggi X (0.01 Å – 100 Å) UV-Visibile (10 nm – 800 nm) IR (800 nm – 0.4 mm) microonde (0.4 mm – 0.25 m) radiofrequenze (> 0.25 m) In base alla SPECIA INTERESSATA atomica molecolare

Meccanismo di interazione Se una sostanza è irradiata con una radiazione elettromagnetica, le particelle di cui essa è costituita possono interagire con i fotoni della radiazione. Se una particella ha livelli di energia potenziale (elettronica, vibrazionale o rotazionale) E0, E1, E2 ecc., ed i fotoni hanno una frequenza hn0,1 = E1 -E0, oppure hn0,2 = E2 – E0, ecc., un elettrone della particella può essere eccitato dal livello fondamentale E0 al livello eccitato E1 o E2, rispettivamente. Il processo in cui il fotone promuove l'eccitazione dell'elettrone si chiama assorbimento. La particella eccitata si diseccita normalmente per decadimento termico, trasferendo l'eccesso di energia attraverso collisioni con altre particelle: in tal caso il decadimento è un processo non radiativo.

Spettroscopia atomica e molecolare Spettroscopia atomica: il campione è trasformato in atomi somministrandogli energia  si determinano elementi Spettroscopia molecolare: il campione è analizzato tal quale  si determinano composti

Spettroscopia atomica e molecolare Spettroscopia atomica: il campione è trasformato in atomi somministrandogli energia  si determinano elementi Spettroscopia molecolare: il campione è analizzato tal quale  si determinano composti

I livelli energetici coinvolti nei processi radiativi hanno natura diversa a seconda che l’assorbitore/emettitore sia una molecola o un atomo. Nel primo caso ad ogni livello elettronico possono essere associati più livelli vibrazionali e ad ognuno di questi più livelli rotazionali. Nel secondo caso sono ovviamente assenti i livelli vibrazionali e rotazionali.

Livelli energetici possibili per un atomo. Livelli energetici possibili per una molecola In spettroscopia atomica l’analita è presente sotto forma di nube atomica. Essendo impossibili vibrazioni e rotazioni, lo spettro atomico è a righe, non a bande (una banda è l’inviluppo di numerosissime righe).

Assorbimento Molecolare Più complesso dell’assorbimento atomico perchè in una molecola bisogna considerare: Transizioni elettroniche Transizioni vibrazionali Transizioni rotazionali Emolecola = Eelettronica + Evibrazionale + Erotazionale Eelectronica > Evibrazionale > Erotazionale Risultato: spettri complessi Ricordiamo che uno spettro è un grafico che riporta l’assorbanza di una specie, in funzione della lunghezza d’onda della radiazione incidente. Nel caso di un atomo, lo spettro di assorbimento è costituito da righe, mentre per una molecola (sistema più complesso), è costituito da bande.

Spettri atomici – a righe, e spettri molecolari - a bande Spettro di assorbimento di atomi di silicio nell’intervallo 250 – 253 nm. Spettro di assorbimento del permanganato nell’intervallo 450 – 650 nm.

Regioni spettrali utilizzate Irraggiando la materia con la radiazione luminosa si creano effetti diversi a seconda dell’energia della radiazione utilizzata: raggi γ e raggi X provocano transizioni elettroniche nei gusci interni e reazioni nel nucleo raggi UV e visibile causano transizioni elettroniche nei gusci esterni raggi infrarossi causano transizioni vibrazionali e rotazionali microonde e onde radio interessano l’orientazione degli spin elettronici e nucleari

Tipi di Spettroscopia di Assorbimento

SPETTROFOTOMETRO UV-VIS Per misurare la quantità di luce assorbita a ciascuna lunghezza d’onda si usano gli spettrofotometri nel visibile e nell’ultravioletto Gli spettrofotometri UV-visibile sono molto diffusi per la loro semplicità di utilizzo e versatilità e per il basso costo; quasi tutte le sostanze organiche presentano assorbimenti nel range strumentale (180-800 nm)

La spettrofotometria analitica molecolare nel visibile (VIS) e nell'ultravioletto (UV) è utilizzata soprattutto per misurazioni quantitative L’assorbimento di radiazione elettromagnetica da parte di una soluzione può essere sfruttato grazie alla legge di Lambert-Beer, definita per una data lunghezza d’onda: A = ebc concentrazione coefficiente di assorbimento molare cammino ottico L’assorbanza di una soluzione è direttamente proporzionale alla concentrazione della specie assorbente Se si conosce la costante e, caratteristica della specie assorbente in esame, posso conoscere c, misurando A (per una opportuna b)

Componenti dello SPETTROMETRO SORGENTE: serve ad assicurare un flusso costante di radiazione elettromagnetica alla u desiderata. Le lampade alogene di quarzo possono arrivare all'UV, ma negli spettrometri UV è di solito usata una lampada a deuterio, in cui una scarica di corrente elettrica è fatta passare in una bassa pressione di deuterio.Nella spettroscopia VIS si utilizzano lampade al tungsteno. Altri tipi di radiazione elettromagnetica hanno sorgenti completamente diverse. MONOCROMATORE: Il monocromatore serve a selezionare la radiazione elettromagnetica di una particolare lunghezza d'onda tra tutte quelle prodotte dalla sorgente. RIVELATORE: è un dispositivo capace di generare un segnale elettrico quando è colpito da una radiazione elettromagnetica. ELABORATORE del SEGNALE: Il segnale in uscita dal rivelatore può essere utilizzato direttamente per tracciare uno spettro usando un registratore.

Spettrofotometro Varian Cary 100 Intervallo spettrale: 200/1100 nm; Risoluzione: 0,2 nm; Assorbanza: –0,1/3,0 A Vel. Scans.: 200/2400 nm/min.

Il campione da analizzare La sostanza da analizzare è in soluzione !!! E’ sciolta cioè in un “mezzo” che di solito è l’acqua o un tampone. Sia il “mezzo” che il “contenitore” non devono assorbire e devono essere scelti a seconda della lunghezza d’onda del raggio incidente in modo da essere trasparenti.

Alloggiamento del campione:le celle Possono essere acquistate anche celle a diverso cammino ottico (da 0,1 cm a 10 cm). La qualità dei dati spettroscopici dipende criticamente dal modo in cui le cellette accoppiate sono usate e conservate. Impronte digitali, grasso, o altri depositi sulle pareti alterano marcatamente le caratteristiche di trasmissione di una celletta. Si deve anche porre attenzione ad evitare la presenza di bolle d’aria (centri di dispersione delle radiazioni). Le cellette calibrate non devono essere mai asciugate per riscaldamento in un forno o su una fiamma perché questo potrebbe causare un danno fisico o un cambiamento nella lunghezza del cammino ottico.

Scelta del solvente I più usati sono acqua, acetonitrile e etanolo

Misure sperimentali di assorbanza Quando l'assorbanza è misurata sperimentalmente, una frazione sostanziale di P0 viene persa per riflessione della radiazione da parte del contenitore dell'assorbente e un'altra parte viene persa per dispersione o assorbimento da parte della soluzione. Per compensare queste perdite si usa valutare l'assorbanza mediante confronto della potenza emergente dalla cuvetta (celletta) contenente la soluzione con quella emergente da una cuvetta contenente la sola matrice (o bianco). La legge di L&B inoltre è una legge limite. Vale nel caso di soluzioni diluite: bisogna scegliere la concentrazione in modo tale che l’assorbanza non superi il valore di 2-3

Spettroscopia elettronica La spettroscopia UV-visibile è detta anche spettroscopia elettronica perchè è basata su transizioni di elettroni tra livelli energetici diversi Il campione è irraggiato con un intervallo più o meno ampio di ; le  assorbite, aventi energia sufficiente a promuovere transizioni elettroniche, corrispondono ai gruppi funzionali delle molecole. Solo le transizioni di elettroni n e  hanno energie nel range 200-800 nm

Le transizioni elettroniche possono essere classificate sulla base delle caratteristiche degli orbitali coinvolti in: s-s* : sono transizioni intense che avvengono tra orbitali con energia molto diversa e quindi possono essere indotte da radiazioni ad energia molto elevata. Le transizioni s-s* cadono in una zona di frequenze non accessibile ai normali spettrofotometri. p-p* : sono transizioni molto intense osservabili nella zona dell’ UV. Molecole contenenti due o più doppi legami coniugati mostrano assorbimenti sopra i 200 nm fino a raggiungere, per sistemi insaturi molto estesi, la zona del visibile. n-s* : sono transizioni abbastanza intense associate agli elettroni di non legame che perciò possono essere osservate soltanto per molecole con eternatomi: CH3OH assorbe a 185 nm e lo CH3I a 250 nm n-p* : sono transizioni molto deboli ma facilmente osservabili perché cadono perché cadano a lunghezza d’onda più alta di qualsiasi altra transizione e in zone dello spettro abbastanza sgombre.

RELAZIONI GENERALI fra STRUTTURA e PROPRIETA’ UV I composti saturi non danno assorbimento UV Gruppi funzionali contenenti legami p possono dare assorbimento nella regione 200-800 nm. Tali gruppi funzionali insaturi sono detti cromofori Le transizioni np sono quelle che richiedono meno energia ma sono proibite e le corrispondenti bande sono caratterizzate da basso coefficiente di estinzione molare (e<100). s s* p p* n

λmax e ε L’aspetto di uno spettro UV, ossia la posizione e le intensità delle bande sono correlate ai valori di λmax ed ε λmax dà informazioni sulla posizione della banda nello spettro, ed è correlata all’energia assorbita per una transizione elettronica: maggiore è l’energia associata alla transizione, minore è il valore di λmax ε è legato alle caratteristiche strutturali della molecola e alla probabilità che una certa transizione elettronica possa avvenire. Quanto più probabile è la transizione, maggiore è il suo valore e più intensa sarà la banda

Spettroscopia UV: definizioni Le sostanze organiche colorate devono il loro colore all'assorbimento della luce da parte di uno o più legami insaturi. Questi legami, o gruppi, sono stati chiamati cromofori da Witt nel 1876. I gruppi auxocromi non conferiscono, di per sé, un colore alla molecola di cui fanno parte, ma che sono capaci di aumentare il potere colorante di un cromoforo. Gli auxocromi contengono gruppi funzionali che possiedono elettroni di valenza non legati e non presentano alcun assorbimento a lunghezze d'onda superiori a 220 nm. Tuttavia, essi assorbono fortemente nella regione dell'ultravioletto lontano (n‑*). Se un cromoforo e un auxocromo vengono a essere combinati nella stessa molecola, l'assorbimento del cromoforo si sposterà, in generale, verso lunghezze d'onda superiori e mostrerà un aumento di intensità. Gli spostamenti verso lunghezze d'onda superiori vengono chiamati batocromici, gli spostamenti verso lunghezze d'onda più corte, ipsocromici. Gli aumenti di intensità di una banda di assorbimento sono chiamati effetti ipercromici, mentre una diminuzione di intensità viene chiamata effetto ipocromico.

Riepilogando….. Cromoforo: la parte della molecola responsabile dell'assorbimento UV (per esempio, un carbonile a,b insaturo) Gruppo auxocromo: Un gruppo che non è di per sé un cromoforo, ma può modificare l'intensità e la lunghezza d'onda dell'assorbimento di un cromoforo Shift batocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda maggiori (anche: spostamento verso il rosso) Shift ipsocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda minori (anche: spostamento verso il blu) Effetto ipercromico: aumento dell' ε dovuto ad un sostituente del cromoforo. Effetto ipocromico: diminuzione dell' ε dovuto ad un sostituente del cromoforo.

Spettroscopia UV: definizioni Cromoforo: la parte della molecola responsabile dell'assorbimento UV (per esempio, un carbonile a,b insaturo) Gruppo auxocromo: Un gruppo che non è di per sé un cromoforo, ma può modificare l'intensità e la lunghezza d'onda dell'assorbimento di un cromoforo Shift batocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda maggiori (anche: spostamento verso il rosso) Shift ipsocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda minori (anche: spostamento verso il blu; non sempre è letterale!!!) Effetto ipercromico: aumento dell'e dovuto ad un sostituente del cromoforo. Effetto ipocromico: diminuzione dell'e dovuto ad un sostituente del cromoforo.

Gruppi cromofori Alcuni esempi di gruppi cromofori con i relativi coefficienti di estinzione molare o assorbività molare () Cromoforo Esempio Transizione max, nm  Solvente C=C Etene   * 171 15,000 esano CC 1-Esino 180 10,000 C=O Etanale n  *   * 290 180 15 10,000 N=O Nitrometano 275 200 17 5,000 etanolo C-X   X=Br       X=I Metil bromuro o ioduro n  * n  * 205 255 200 360

I cromofori sono, nella maggior parte dei casi, gruppi covalenti insaturi: essi sono gruppi funzionali che possono assorbire anche nella regione del vicino ultravioletto o del visibile quando contengono, per esempio, doppi legami coniugati. In generale, le molecole contenenti due o più cromofori mostrano un assorbimento uguale alla somma dei contributi di tutti i cromofori presenti, purché siano separati tra loro da due o più legami singoli. Se due cromofori sono coniugati essi producono un assorbimento molto più intenso, accompagnato da un aumento sia di max che di max; quando i cromofori coniugati sono tre, l'aumento di max e di max è ancora maggiore. Questi spostamenti batocromici sono attribuiti alla formazione di un nuovo cromoforo da parte del sistema coniugato; gli elettroni  associati con ciascun cromoforo del sistema coniugato possono muoversi più liberamente attraverso la nuova struttura. B-carotene B-carotene

Carotene: λmax = 452 nm (esano), ε =152000 Quanto più la coniugazione è estesa, tanto più aumenta la lunghezza d’onda massima di assorbimento. Carotene: λmax = 452 nm (esano), ε =152000 Licopene: λmax = 474 nm (esano), ε =191000

SPETTROSCOPIA UV PERCHE’ SI OSSERVA UNA BANDA LARGA?

TRASMITTANZA ed ASSORBANZA ASSORBANZA: A = log I0 /I 0 < A <  o anche: A = – log T TRASMITTANZA T = I /I0, 0 < T < 1 LEGGE di LAMBERT-BEER A = ebc e= coefficiente di estinzione molare b= lunghezza del cammino ottico (in cm) c= concentrazione molare

Lo SPETTROMETRO SORGENTE: serve ad assicurare un flusso costante di radiazione elettromagnetica alla u desiderata MONOCROMATORE: Il monocromatore serve a selezionare la radiazione elettromagnetica di una particolare lunghezza d'onda tra tutte quelle prodotte dalla sorgente. RIVELATORE rivelatore è un dispositivo capace di generare un segnale elettrico quando è colpito da una radiazione elettromagnetica. ELABORATORE del SEGNALE: Il segnale in uscita dal rivelatore può essere utilizzato direttamente per tracciare uno spettro usando un registratore.

MONOCROMATORI A prisma A reticolo

STRUMENTAZIONE SORGENTE: lampada di tungsteno (visibile) o lampada a scarica di deuterio (UV) CAMPIONE: si alloggia in celle al quarzo (UV) o in vetro o policarbonato (visibile) CONCENTRAZIONE: bisogna sceglierla in modo tale che l’assorbanza non superi il valore di 2-3

CUVETTE

SCELTA del SOLVENTE I più usati sono acqua, acetonitrile e etanolo

Spettroscopia UV: definizioni Cromoforo: la parte della molecola responsabile dell'assorbimento UV (per esempio, un carbonile a,b insaturo) Gruppo auxocromo: Un gruppo che non è di per sé un cromoforo, ma può modificare l'intensità e la lunghezza d'onda dell'assorbimento di un cromoforo Shift batocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda maggiori (anche: spostamento verso il rosso) Shift ipsocromico: spostamento di un assorbimento UV verso lunghezze d'onda minori (anche: spostamento verso il blu; non sempre è letterale!!!) Effetto ipercromico: aumento dell'e dovuto ad un sostituente del cromoforo. Effetto ipocromico: diminuzione dell'e dovuto ad un sostituente del cromoforo.

RELAZIONI GENERALI fra STRUTTURA e PROPRIETA’ UV I composti saturi non danno assorbimento UV Gruppi funzionali contenenti legami p possono dare assorbimento nella regione 200-800 nm. Tali gruppi funzionali insaturi sono detti cromofori Le transizioni np sono quelle che richiedono meno energia ma sono proibite e le corrispondenti bande sono caratterizzate da basso coefficiente di estinzione molare (e<100). Caratteristica di tali transizioni è il fatto che si osserva uno shift ipsocromico con l’aumento della polarità del solvente s* p* n p s

TRANSIZIONI pp* Danno luogo alle cosidette bande K Hanno coefficienti di estinzione molare alti ( ~104) La lmax dipende da numero di doppi legami sostituenti sul sistema coniugato presenza di cicli

TRANSIZIONI pp* (n di doppi legami)

TRANSIZIONI pp* (sistemi ciclici) Un diene può esistere in due conformazioni: In un diene ciclico i due doppi legami possono essere omoannulari o eteroannulari Per ragioni non chiare un diene omoannulare assorbe a lmax molto più lunghe di un diene eteroannulare o ciclico. La e è molto maggiore però per i dieni eteroannulari (>10000) che per quelli omoannulari (<10000) s-trans s-cis

TRANSIZIONI pp* (regole di additività) Esempi

Composti carbonilici Composti carbonilici a,b-insaturi Sono presenti due transizioni pp* nel lontano UV a~ 150 nm np* (BANDA R) 270-300 nm con e molto bassi (<100) Composti carbonilici a,b-insaturi Esistono regole di additività del tutto simili a quelle dei dieni:

AROMATICI Sono possibili varie transizioni pp*. In particolare, il benzene presenta 3 bande di assorbimento, a lmax 184 (e = 60.000), Banda E1 lmax 204 (7900) BandaE2 lmax 254 (200) Banda B Banda a struttura fine di solito usata a scopi di indagine strutturale

Analisi UV di fenoli e aniline

TIPI di COLORANTI