Spektroskopia UV-VIS

METODY
SPEKTROSKOPOWE II
UV-VIS od teorii do praktyki
Jakub Grynda
Katedra Technologii Leków i Biochemii
• Pokój nr 1 w Chemii B
• Godziny konsultacji: Poniedziałek 11-13
• E-mail: [email protected]
PLAN WYKŁADU
• Wiedza podstawowa - powtórka
• Podstawy fizyczne zjawiska
• Reguły wyboru
• Prawo Lamberta Beer’a
• Zastosowanie w identyfikacji związków oraz inne
PROMIENIOWANIE
ELEKTROMAGNETYCZNE
BUDOWA CZĄSTECZKI
• Eten
σ
σ
π
BUDOWA CZĄSTECZKI
• Co musi mieć cząsteczka, by absorbowała promieniowanie UV?
• Wiązania
• Zasadniczo związek powinien być nienasycony. Ponadto jeżeli
występują
sprzężone
nienasycone
wiązania
absorbcja
promieniowanie jest większa. Związki nasycone absorbują w
próżniowym UV, które nie jest rejestrowane.
• Występowanie heteroatomów nie gwarantuje absorbcji, lecz
można polegać na grupie karbonylowej.
• Część absorbcji nie jest rejestrowane przy długości fali około 200
nm z powodu absorbcji rozpuszczalników.
POZIOMY ENERGETYCZNE
• Można wyróżnić 3 poziomy
energetyczne:
• Rotacyjne (1-1000 J/mol)
• Oscylacyjny (1-100 kJ/mol)
• Elektronowy (100-1000 kJ/mol)
Z każdym z tych poziomów jest
związana
inna
technika
spektroskopowa
ENERGIA ELEKTRONOWA
• Zjawisko
absorbcji
i
emisji
promieniowania w zakresie UV-VIS
opiera się na przejściu między
poziomami elektronowymi
LUMO
•
•
•
•
•
Stan podstawowy
Absorbcja kwantu światła
Stan wzbudzony
Emisja kwantu światła
Stan podstawowy
HOMO
+hν
-hν
LUMO
HOMO
GDZIE KRĄŻĄ ELEKTRONY
• Przejścia odbywają się pomiędzy
orbitalami.
GDZIE KRĄŻĄ ELEKTRONY
• Podstawowym założeniem jest, że energia przejścia zależy od różnicy
energetycznej pomiędzy stanem podstawowym, a wzbudzonym.
• σ→σ* wysoko energetyczne przejście, dostępne w próżniowym UV (λmax <150 nm)
Zazwyczaj nie obserwowane w UV-VIS. Wiązanie pojedyncze w propanie λmax 135 nm.
• n→σ* i π→σ* przejście niewiążących oraz wolnych par elektronowych izolowane. Również
rzadko obserwowane maksima przypadają w zakresie fali (λmax), 150 – 250 nm. Dla
metanolu λmax 183 nm.
• n→π* przejście pomiędzy wolną parą elektronową, a orbitalami π* elektronów grup C=O,
C=S i N=O. Zazwyczaj niska absorbcja i maksimum przy λmax około 300 nm.
• π→π* przejście elektronów w wiązaniach wielokrotnych. Wraz z poprzednim typem
przejścia jest odpowiedzialna za większość obserwowanych typów przejść. Dla etenu λmax
185 nm.
ZNANE, WYBRANE, CHROMOFORY
I ZACZYNA SIĘ FIZYKA
• ∆𝐸 = ℎ𝜈
𝑐
𝜆
119,809
𝜆
• Δ𝐸 = ℎ
• Δ𝐸 =
𝑘𝐽
𝑚𝑜𝑙
STANY ELEKTRONU I
• Wyróżniamy dwa stany.
• Stan singletowy – wszystkie elektrony
są sparowane.
• Stan trypletowy – występują
niesparowane elektrony.
STANY ELEKTRONU II
π* antywiażący
E
n nie wiążący
π wiążący
Stan podstawowy
So
Singletowy stan
wzbudzony
S1
Trypletowy stan
wzbudzony
T1
Singletowy stan
wzbudzony
S2
MOŻLIWE RODZAJE RELAKSACJI
CZAS RELAKSACJI EKSCYTONU
tmax ≈ 10-3s
tmax ≈
nawet
kilka
godzin
SCHEMAT BLOKOWY
DLACZEGO WIDMO NIE JEST
OSTRE?
• W widmie benzenu widoczne są
poziomy oscylacyjne (linia czarna).
• Jednak z powodu dużej ilości
podpoziomów i małych odstępów
widoczne jest szerokie pasmo
absorbcyjne (linia czerwona).
• Ma
to
związek
z
zasadą
nieoznaczoności Heisenberga.
EFEKT FRANKA – COTTONA
REGUŁA
• Jest
związany
oscylacyjnymi
z
poziomami
• Położenie i pęd jądra przed i po
przejściu muszą zostać zachowane
PROMIEŃ OBCIĘCIA
• Rozpuszczalnik
λmax
• Woda
205
• CH3CN
210
• C6H12
210
• Eter
210
• EtOH
210
• Hexan
210
• MeOH
210
• Dioxan
220
• Widma UV-Vis są wykonywane z
zakresie 200-700 nm. Oczywiście
ograniczonym
do
zakresu
interesującego.
• Przy czym w odpowiednim zakresie
przy niskiej długości fali zaczyna
absorbować
głównie
rozpuszczalnik.
• Stężenie związku ~10-5M, stężenie
wody w wodzie ~55,5M.
PRZEJDZIE CZY NIE PRZEJDZIE?
• Czynnikiem decydującym o wartości współczynnika ekstynkcji jest tak zwany
typ przejścia. Wyróżniamy dwa rodzaje:
• Przejście dozwolone
• Przejście zabronione (teoretycznie nie powinny mieć miejsca)
• O rodzaju przejścia decydują reguły wyboru
OGÓLNY SCHEMAT
REGUŁY WYBORU
• Można wymienić następujące reguł wyboru:
• Spinowa
• Reguła Lamporte.
• Na czym polegają?
REGUŁA SPINOWA
• Przejście elektronu pomiędzy stanami o różnej multipletowości podczas
wzbudzania cząsteczki jest niemożliwe.
• Możliwa jest natomiast zmiana stanu
podczas emisji promieniowania.
• Reguła ta jest zawsze spełniona.
REGUŁA LAMPORTE
• Dotyczy ona symetrii cząsteczki, a dokładniej symetrii orbitali. Według niej
musi zostać ona zmieniona podczas przejścia, by było ono dozwolone.
• Rozpatrywany jest w niej środek symetrii.
• Można wyróżnić cząsteczki o dwóch typach:
• g (gerade – even - parzysty)
• u (ungerade – odd – nieparzysty)
• Możliwe jest przejście 𝑔 ↔ 𝑢
• Dotyczy to również parzystości cząsteczki, czyli wielkości takich jak moment
dipolowy, gęstość ładunku etc.
SYMETRIA CZĄSTECZKI
PRZENIESIENIE ŁADUNKU
• Powyższe przypadki są głównie rozpatrywane dla związków organicznych. W
przypadku związków nieorganicznych obserwuje się zjawisko przeniesienia
ładunku (charge transfer – CT).
• Są to przejścia pomiędzy orbitalami d – d, więc teoretycznie powinny być
zabronione. Jednak z powodu drgań w kompleksach tetraedrycznych są
one dozwolone, przez co wykazują się dużą intensywnością.
• Różnica w barwie kompleksu zależy od zdolności do rozszczepienia orbitali.
CT
• Ligandy posiadające:
• Wysoką wartość rozszczepienia dają
kompleksy absorbujące niebieskie
promieniowanie, CrO4-.
• Niską wartość absorbują większą
długość fali przy barwie żółtej, bpy.
• Obserwowane kolory są natomiast
odwrotne.
RATUNEK NA LABORATORIUM Z
CHEMII NIEORGANICZNEJ
• Zjawisko CT (mimo, że skomplikowane), pomocne jest już podczas
laboratorium z chemii nieorganicznej
CZEMU SYGNAŁY MAJĄ RÓŻNĄ
INTENSYWNOŚĆ
• Intensywność poszczególnych maksimów absorbcji jest związana z
współczynnikiem ekstynkcji. Ten z kolei jest zależny od prawdopodobieństwa
przejścia.
• Przejścia dozwolone nie wymagają szczególnych sytuacji aby zaszły więc
następują często, co prowadzi do wysokiego maksimum.
• Z kolei przejścia zabronione zachodzą przy okazji drgań i oscylacji w
cząsteczce, bądź innych czynników, lecz są stosunkowo rzadkie, efektem
czego jest niska intensywność.
DŁUGOŚĆ FALI?
• Można również zmieniać długość fali przy której występuje maksimum
absorbcji poprzez manipulację rozpuszczaniem.
• Może wpłynąć polarność rozpuszczalnika
• Jak i jego pH
PRAWO LAMBERTA BEER’A
• Jedno z najpopularniejszych praw i równań w spektroskopii elektronowej,
znane przez wszystkich adeptów nauk chemicznych.
• Łączy ono wartość absorbcji, współczynnika ekstynkcji,
stężenia i drogi optycznej.
• Lecz pomiar faktycznie opiera się na transmitancji.
P0
(power in)
P
(power out)
T = P/P0
A = -log10 T = log10 P0/P
ZAŁOŻENIA
• Oczywiście przeliczenie transmitancji na absorbcję jest wykonywane przez
urządzenia, gdyż nie można bezpośrednio zmierzyć absorbancji.
• A = ebc
• Źródło promieniowania jest monochromatyczne
• Promień biegnie równolegle i przechodzi przez jednolitą warstwę
• Badany roztwór jest homogeniczny
ZASTRZEŻENIA
• Liniowa tylko w pewnym zakresie
• Widzimy absorbcję roztworu, a nie konkretnej substancji
• Musi być odpowiednie stężenie cząsteczek które absorbują
• Nie zachodzą oddziaływania między cząsteczkami ( asocjacja, dysocjacja)
CZY MOŻNA OBLICZYĆ DŁUGOŚĆ
FALI DLA KTÓREJ WYSTĘPUJE
MAKSIMUM ABSORBCJI?
• Jest to możliwe do wykonania komputerowo, metody chemii obliczeniowej
pozwalają również na wyznaczenie jakie orbitale biorą udział.
Electronic Spectra
Molar Absorptivity (l/mol-cm)
55487
44390
33292
22195
11097
Nacetylindol
0
200
Wavelength (nm)
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
TROCHĘ MATEMATYKI
• Jednak nie każdy nosi przy sobie komputery obliczeniowe i ma czas by
czekać na wynik obliczeń, które mogą trwać dość długo.
• Powstaje więc pytanie, czy można samodzielnie obliczyć daną wielkość?
• Rozważmy zatem dwa przypadki izolowanych chromoforów.
• Sprzężony dien
• Układ α, β nienasycony
SPRZĘŻONY DIEN
• Przyjrzyjmy się poniższemu związkowi
Wartość podstawowa
214nm
Alkilowy podstawnik
+5nm
Exopierścień przy
wiązaniu podwójnym
+5nm
Dodatkowe sprzężone +30nm
wiązanie podwójne
*
Oba wiązania w
jednym pierścieniu
+39nm
-OR
+6nm
• Obliczone: 214+3*5+5=234nm
-SR
+30nm
• Zaobserwowane: 235nm
-Cl, -Br
+5nm
-NR2
+60nm
O
Układ α, β nienasycony
Wartość podstawowa
O
• Wartość obliczona: 215 + 10 +2*12
=239nm
• Wartość zaobserwowana: 238nm
215nm
Podstawnik alkilowy w + 10nm
pozycji α
W pozycji β
+ 12nm
W pozycji γ, δ, etc.
+ 18nm
-OH
+ 35; 30; 50nm
-OAc
+ 6nm
-OR
+ 35; 30; 17; 31nm
-SR
+ 0; 85nm
-Cl
+ 15; 12nm
-Br
+ 25; 30nm
-NR2
+ 0; 95
UWAGA!
• Widma UV-VIS są wysoce nie
specyficzne i nie są one zazwyczaj
używane do dokładnego określenia
występującego chromoforu oraz
typu przejścia, a jedynie do sugestii
przy
rozwiązywaniu
widm
złożeniowego
INNE ZASTOSOWANIA
• Detektory w chromatografii cieczowej
• Wyznaczanie stężeń
• Wyznaczanie parametrów termodynamicznych (krzywa van’t Hoffa)
• Badania kinetyki reakcji
• Denaturacja białek i kwasów nukleinowych.
ZALETY I WADY
• Rozpuszczalnik musi być jakość UV-VIS przynajmniej
• Metoda szybka i tania
• W zależność od rozpuszczalnika można odzyskać próbkę
• Ma szeroki wachlarz zastosowań
• Dobrze znana i opisana
• Niespecyficzna
• Zależna od wielu czynników jak stężenie, rozpuszczalnik
• Wartość absorbcji zależy nie tylko od rodzaju przejścia, lecz także od stężenia
cząsteczki!
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ