Spettroscopia UV-Visible

Nel disegno seguente sono mostrati i componenti dei un tipico spettrofotometro. Il funzionamento di questo strumento è relativamente semplice. Un raggio di luce (colorato in rosso) proveniente da una sorgente che emette nel visibile e/o nell'UV, viene separato nelle lunghezza d'onda che lo compongono mediante un prisma o da un reticolo di diffrazione. Ogni raggio monocromatico (di una singola lunghezza d'onda) viene, uno dopo l'altro, separato in due raggi di uguale intensità da uno specchio semiriflettente. Uno dei raggi, il raggio del campione (o raggio analizzatore, di colore magenta), passa attraverso un piccolo contenitore trasparente (cuvetta) contenente una soluzione del composto da studiare disciolto in un solvente trasparente. L'altro raggio, il raggio di riferimento, passa attraverso una cuvetta identica alla prima contenente il solo solvente. Le intensità di questi due raggi di luce sono allora misurate da rivelatori elettronici e confrontati fra di essi. L'intensità del raggio di riferimento, che dovrebbe essere stato sottoposto ad un piccolo o a nessun assorbimento, è definita con I0. L'intensità del raggio analizzatore (che passa attraverso il campione), è definita con I. Oltre un breve periodo di tempo, lo spettrofotometro scansiona automaticamente tutte le lunghezze d'onda componenti della luce, nel modo descritto. La regione dell'ultravioletto (UV) normalmente scansionata è compresa tra 200 e i 400 nm, e la porzione del visibile (vis), tra 400 e 800 nm. 

Laddove il campione del composto non assorbe luce di una data lunghezza d'onda, I = I0. Tuttavia, se il campione del composto assorbe luce, allora I sarà minore di I0, e questa differenza, in funzione della lunghezza d'onda, potrà essere riportata su un grafico, come mostrato a destra. L'assorbimento può essere presentato sotto forma di transmittanza (T = I/I0) o di assorbanza (A= log I0/I). Se non avviene nessun assorbimento, allora T = 1,0 e A= 0. La maggior parte degli spettrometri presenta il grafico dell'assorbanza sull'asse verticale, e la scala che comunenemente viene riportata varia da 0 (100% di trasmittanza) a 2 (1% di trasmittanza). La lunghezza d'onda corrispondente al massimo dell'assorbimento è una grandezza caratteristica ed è indicata con λmax.
Composti diversi possono presentare massimi dell'assorbimento ed assorbanze molto diverse. I composti che assorbono intensamente possono essere esaminati in soluzioni diluite, in modo che una quantità significativa di energia sia ricevuta dal rivelatore, e questo richiede l'utilizzo di solventi completamente trasparenti (che non assorbono). I solventi maggiormente utilizzati sono l'acqua, l'etanolo, l'esano ed il cicloesano. Sono evitati generalmente i solventi aventi doppi e tripli legami o atomi pesanti (ad es. S, Br e I). Poichè l'assorbanza di un campione nella cuvetta è proporzionale alla sua concentrazione molare, un valore corretto dell'assorbimento, conosciuto con il nome di assorbività molare, viene utilizzato quando occorre confrontare gli spettri di composti diversi. Questa è definita come segue:

Assorbività molare,
ε = A/ c l

(dove A= assorbanza, c = concentrazione del campione, in moli/litro e l = lunghezzza del cammino della luce che attraversa la cuvetta, in cm.)

 

Per lo spettro sulla destra, una soluzione in etanolo al 95% di 0,249 mg di un'aldeide insatura (1,42 10-5 M) è stata posta per la misurazione in una cuvetta da 1 cm. Utilizzando la formula precedente, ε = 36.600 in corrispondenza del picco a 395 nm e 14.000 in corrispondenza del picco a 255 nm. Notare che l'assorbimento si estende fino alla regione visibile dello spettro, per cui non desta sorpresa che il composto sia di colore arancione.
L'assorbività molare può avere un valore molto grande per composti che assorbono fortemente (ε >10.000) e molto piccolo se l'assorbimento risulta debole (ε da 10 a 100).



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Intensità dell'assorbimento

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. Una generica equazione che stabilisca questa correlazione, può essere scritta come segue:

ε = 0,87 • 1020 Ρ • a

( dove Ρ è la probabilità di transizione (da 0 a 1) e a è la superficie del cromoforo, in cm2 )

I fattori che influenzano le probabilità di transizione sono complessi, e sono trattate con un insieme di regole che gli spettroscopisti indicano con il nome di "regole di selezione". Una discussione rigorosa delle regole di selezione esula dagli scopi di questo testo, ma un fattore ovvio è costituito dalla sovrapposizione degli orbitali implicati nella eccitazione elettronica. Questo è ben illustrato dalle due comuni transizioni di un gruppo carbonilico isolato. La transizione n ®  π* è più bassa dal punto di vista energetico (λmax = 290 nm) della transizione π ®  π* (λmax = 180 nm), ma il valore di ε della prima è un centinaio di volte più piccolo della seconda. La distribuzione spaziale di questi orbitali suggerisce il motivo per cui ciò avviene. Come illustrato nel diagramma seguente, gli orbitali n non si sovrappongono bene a tutti gli orbitali π*, per cui la probabilità con cui avvenga questa eccitazione è piccola. La transizione π ®  π*, d'altra parte, coinvolge orbitali che abbiano una significativa sovrapposizione, pertanto la probabilità è vicina a 1,0.

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Regole empiriche delle lunghezze d'onda di assorbimento dei sistemi coniugati

Regole di Woodward-Fieser per calcolare λmax dei dieni e polieni coniugati

Nucleo cromoforo

Sostituente e sua influenza


Transoid Diene
215 nm

R- (Alkyl Group)   ....   +5 nm
RO- (Alkoxy Group)   ..   +6
X- (Cl- or Br-)   .........   +10
RCO2- (Acyl Group)   ....   0
RS- (Sulfide Group)   ..   +30
R2N- (Amino Group)   ..   +60
Further π -Conjugation
C=C (Double Bond)   ...   +30
C6H5 (Phenyl Group) ...   +60

Cyclohexadiene*
260 nm

(i) Each exocyclic double bond adds 5 nm. In the example on the right, there are two exo-double bond components: one to ring A and the other to ring B.
(ii) Solvent effects are minor.
* When a homoannular (same ring) cyclohexadiene chromophore is present, a base value of 260 nm should be choosen. This includes the ring substituents. Rings of other size have a lesser influence.

λmax (calculated) = Base (215 or 260) + Substituent Contributions


Some examples that illustrate these rules follow.



Woodward-Fieser Rules for Calculating the π __>  π* λmax of Conjugated Carbonyl Compounds

Core Chromophore

Substituent and Influence

  R = Alkyl   215 nm
R = H   210 nm
R = OR'   195 nm

α- Substituent
  R- (Alkyl Group)   +10 nm
  Cl- (Chloro Group)   +15
  Br- (Chloro Group)   +25
  HO- (Hydroxyl Group)   +35
  RO- (Alkoxyl Group)   +35
  RCO2- (Acyl Group)   +6
β- Substituent
  R- (Alkyl Group)   +12 nm
  Cl- (Chloro Group)   +12
  Br- (Chloro Group)   +30
  HO- (Hydroxyl Group)   +30
  RO- (Alkoxyl Group)   +30
  RCO2- (Acyl Group)   +6
  RS- (Sulfide Group)   +85
  R2N- (Amino Group)   +95
γ & δ- Substituents
  R- (Alkyl Group)   +18 nm (both γ & δ)
  HO- (Hydroxyl Group)   +50 nm (γ)
  RO- (Alkoxyl Group)   +30 nm (γ)

Further π -Conjugation
 C=C (Double Bond)   ...   +30
 C6H5 (Phenyl Group) ...   +60


Cyclopentenone
202 nm

(i) Each exocyclic double bond adds 5 nm. In the example on the right, there are two exo-double bond components: one to ring A and the other to ring B.
(ii) Homoannular cyclohexadiene component adds +35 nm (ring atoms must be counted separately as substituents)
(iii) Solvent Correction: water = –8; methanol/ethanol = 0; ether = +7; hexane/cyclohexane = +11

λmax (calculated) = Base + Substituent Contributions and Corrections


Some examples that illustrate these rules follow.


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