1

Spettroscopia IR

SpettroscopiaSpettroscopia

Spettroscopia NMR

Spettrometriadi massa

2

E’ un insieme di tecniche che permettono di ottenere informazioni sulla strutturastruttura di una molecolamolecola attraverso l’interazione con una radiazione elettromagnetica.l’interazione con una radiazione elettromagnetica.

Risposta

Radiazione elettromagnetica

Informazioni sulla struttura

Che tipo di informazioni?

Che tipo di informazioni?

SpettroscopiaSpettroscopia

3

La spettroscopia UV-Vis che fornisce informazioni sulla presenza di sistemi insaturi;

Un'altra tecnica importantissima per la comprensione della struttura molecolare è la spettroscopia di massa (MS) che, tuttavia, non è propriamente una tecnica spettroscopica, poichè non coinvolge un'interazione radiazione/molecola.

La spettroscopia NMR , fornisce informazioni sullo scheletro della molecola;

La spettroscopia IR , che fornisce principalmente informazioni sulla natura di gruppi funzionali presenti;

Le tecniche più utilizzate in chimica organica sono:Le tecniche più utilizzate in chimica organica sono:

4

1. CHE COSA E’ UNA RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

Che cosa succede alla Che cosa succede alla materiamateria quando interagisce con una quando interagisce con una radiazione elettromagneticaradiazione elettromagnetica ??

2. CLASSIFICAZIONE DELLE RADIAZIONI EM ( SPETTRO ELETTROMAGNETICO)

3. ENERGIA INTERNA DELLE MOLECOLE

Radiazione elettromagnetica

COMPOSTO ORGANICO

?

5

1. Radiazione elettromagnetica1. Radiazione elettromagnetica

La radiazione e.m. puLa radiazione e.m. puòò essere trattata secondo due punti di essere trattata secondo due punti di vista:vista:

--Secondo la Secondo la teoria ondulatoriateoria ondulatoria

La radiazione elettromagnetica La radiazione elettromagnetica èè una forma di una forma di energiaenergia che che si propaga.si propaga.

--Secondo la Secondo la teoria corpuscolare o quanticateoria corpuscolare o quantica

Quali Quali GRANDEZZEGRANDEZZE descrivono un’onda elettromagnetica?descrivono un’onda elettromagnetica?

6

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

Secondo la teoria ondulatoria una radiazione è costituita da Secondo la teoria ondulatoria una radiazione è costituita da un’onda elettrica un’onda elettrica e e un’onda magneticaun’onda magnetica (radiazione (radiazione elettroelettromagneticamagnetica) che si propagano vibrando su piani ) che si propagano vibrando su piani ortogonali tra loro e ortogonali rispetto alla direzione di ortogonali tra loro e ortogonali rispetto alla direzione di propagazione (onde trasversali). propagazione (onde trasversali).

Figura 1.Figura 1. Rappresentazione ondulatoria di una radiazione elettromagneticaRappresentazione ondulatoria di una radiazione elettromagnetica..

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

7

Per semplicità si fa riferimento solo alla Per semplicità si fa riferimento solo alla componente componente elettricaelettrica, sottintendendo che esiste anche una componente , sottintendendo che esiste anche una componente magnetica ortogonale.magnetica ortogonale.

E’ la E’ la componente elettricacomponente elettrica della radiazione della radiazione che interagisce che interagisce con la materiacon la materia e viene da questa assorbita.e viene da questa assorbita.

Componente elettricaComponente elettricaTeoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

campo elettricocampo elettrico

8

La radiazione e.m. si comporta come un onda che viaggia La radiazione e.m. si comporta come un onda che viaggia alla velocità della luce (alla velocità della luce (velocità di propagazione cvelocità di propagazione c) e può ) e può essere descritta in termini della sua essere descritta in termini della sua lunghezza d’ondalunghezza d’onda λλλλλλλλ e e della sua della sua frequenza di oscillazionefrequenza di oscillazione νννννννν..Lunghezza d’onda e frequenza sono legate fra loro dalla Lunghezza d’onda e frequenza sono legate fra loro dalla relazione:relazione:

Quali Quali GRANDEZZEGRANDEZZE descrivono un’onda elettromagnetica dal descrivono un’onda elettromagnetica dal punto di vista ondulatorio?punto di vista ondulatorio?

λλλλλλλλ = c/= c/= c/= c/= c/= c/= c/= c/ν;ν;ν;ν;ν;ν;ν;ν; c = c = c = c = c = c = c = c = λλλλλλλλ ........ ν;ν;ν;ν;ν;ν;ν;ν; = 1/= 1/= 1/= 1/= 1/= 1/= 1/= 1/λλλλλλλλνν∼∼

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

((c c = = = = = = = = 3 . 1010 cm/sec )

9

lunghezza d’onda (λ) è la distanza tra i massimi successivi di un onda.

1Å =10-10Angstrom (Å)

1nm=10-9Nanometro (nm)

1µm=10-6Micrometro (µ m)

1mm=10-3Millimetro (mm)

-metro

Rapporto con il metroUnità

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

10

Frequenza (ν) è il numero di cicli completi di un onda che passano per un punto in un secondo. Si misura in cicli al secondo, ovvero in Hertz (Hz):

1Hz = 1 s -1

Velocità di propagazione (c) è la velocità dell’onda nel mezzo di propagazione. Nel vuoto vale 3 . 1010 cm/sec.

FREQUENZAFREQUENZA (numero di cicli completi di un onda nell’unità di tempo)(numero di cicli completi di un onda nell’unità di tempo)

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

11

La lunghezza dLa lunghezza d’’onda onda λλλλλλλλ èè inversamente proporzionale alla inversamente proporzionale alla frequenza frequenza νννννννν

λλλλλλλλ = c / = c / = c / = c / = c / = c / = c / = c / νννννννν

Che cosa ci dice l’equazione:Che cosa ci dice l’equazione:

Lunghezza d’onda

Frequenza

Teoria ondulatoriaTeoria ondulatoria

**

*vedi pagina 8*vedi pagina 8

12

Secondo la teoria corpuscolare, la radiazione Secondo la teoria corpuscolare, la radiazione èè costituita costituita da un fascio di particelle (da un fascio di particelle (fotonifotoni) che si propagano in modo ) che si propagano in modo rettilineo con moto sinusoidale di frequenza rettilineo con moto sinusoidale di frequenza νννννννν. . Ciascun Ciascun fotone fotone èè dotato di undotato di un’’ENERGIAENERGIA EE,, che che èè in relazione con la in relazione con la frequenza frequenza ν ν ν ν ν ν ν ν della radiazione attraverso ldella radiazione attraverso l’’equazione:equazione:

Energia (E) si misura in Kcal/mole (Kj/mole).

Costante di Planck (h) 9.537 . 10-14 kcal . s . mole-1 .

==== hchchchchchchchc////////λλλλλλλλ

(λ(λ(λ(λ = c/= c/= c/= c/ν νν νν νν ν = = = = c/c/c/c/c/c/c/c/λλλλλλλλ))))))))

Teoria corpuscolareTeoria corpuscolare

E = E = E = E = E = E = E = E = hhhhhhhhνννννννν

Teoria corpuscolareTeoria corpuscolare

Max Planck(1858-1947)

13

EE = = hhνν == hchc//λλ

ll’’energia energia EE èè direttamente proporzionale alla sua frequenza direttamente proporzionale alla sua frequenza νννννννν, , ma ma èè inversamente proporzionale alla lunghezza dinversamente proporzionale alla lunghezza d’’onda onda λλλλλλλλ..

RIASSUMENDO

Lunghezza d’onda

Frequenza

Energia

Le Le GRANDEZZEGRANDEZZE che descrivono un’onda elettromagnetica che descrivono un’onda elettromagnetica sono sono EE, , vv e e λλ

14

Esistono differenti tipi di radiazioni elettromagnetiche. Esse Esistono differenti tipi di radiazioni elettromagnetiche. Esse nel loro insieme danno origine allo spettro elettromagnetico.nel loro insieme danno origine allo spettro elettromagnetico.

2.2 Spettro elettromagnetico2.2 Spettro elettromagnetico

15

Esperimento di NewtonEsperimento di Newton

Scomposizione della luce biancaScomposizione della luce bianca

16

SirSir Isaac NewtonIsaac Newton (1642(1642--1727) nel 1666 portò a termine un 1727) nel 1666 portò a termine un esperimento in cui dimostrava che:esperimento in cui dimostrava che:

la la radiazione visibileradiazione visibile è costituita da una è costituita da una sequenzasequenza continua continua di lunghezze di lunghezze d’ondad’onda che coincidono con i diversi che coincidono con i diversi ccoolloorr ii percepiti dall’occhio umano.percepiti dall’occhio umano.

Fece passare un fascio di luce solare attraverso un prisma traspFece passare un fascio di luce solare attraverso un prisma trasparente:arente:

17

Osservò che la luce veniva scomposta dal prisma in diverse compoOsservò che la luce veniva scomposta dal prisma in diverse componenti nenti cromatiche:cromatiche:

Ad ogni ccoolloorree corrisponde una diversa lunghezza d’onda e quindi una diversa frequenza di oscillazione.

18

SirSir FredericFrederic William William HerschelHerschel (1738(1738--1822)1822) ipotizzò l’esistenza di ipotizzò l’esistenza di altre altre componenti della lucecomponenti della luce al di fuori della zona di luce cromatica.*al di fuori della zona di luce cromatica.*

La zona di luce che precede il fascio di radiazioni visibili è cLa zona di luce che precede il fascio di radiazioni visibili è chiamata hiamata INFRAROSSOINFRAROSSO

*(W. Herschel, Philos. Trans. MDCCC, 284)

19

Per poter rilevare la presenza di radiazioni luminose anche nellPer poter rilevare la presenza di radiazioni luminose anche nella zona a zona non visibile dall’occhio umano, non visibile dall’occhio umano, SirSir FredericFrederic William William HerschelHerschel collocò il collocò il bulbo di un termometrobulbo di un termometro in corrispondenza del raggio incolore.in corrispondenza del raggio incolore.

Osservò un aumento della temperatura.Osservò un aumento della temperatura.

TT11

TT22

20

Successivamente, Successivamente, SirSir FredericFrederic William William HerschelHerschel collocò un campione collocò un campione di acqua tra il raggio IR ed il termometro.di acqua tra il raggio IR ed il termometro.

La differenza di temperatura misurata (La differenza di temperatura misurata (∆∆T) T) èè una misura una misura delldell’’assorbimentoassorbimento della della radiazione IRradiazione IR..

21

Facendo variare la parte dello spettro (radiazione) che interagiFacendo variare la parte dello spettro (radiazione) che interagiva con il va con il campione,campione,

l’entità dell’assorbimento variava.l’entità dell’assorbimento variava.

22

--alte frequenze e corte lunghezze dalte frequenze e corte lunghezze d’’onda corrispondono a radiazioni ad onda corrispondono a radiazioni ad alto alto contenuto energeticocontenuto energetico (raggi gamma).(raggi gamma).--basse frequenze e lunghezze dbasse frequenze e lunghezze d’’onda elevate corrispondono a radiazioni a onda elevate corrispondono a radiazioni a basso contenuto energeticobasso contenuto energetico (onde radio)(onde radio)

EE = = = = = = = = hhνννννννν == hchc //λλλλλλλλ

23

DenominazioneDenominazioneDenominazioneDenominazione Lunghezza d’ondaLunghezza d’ondaLunghezza d’ondaLunghezza d’onda, λ FrequenzaFrequenzaFrequenzaFrequenza, ν (MHz) Numero d’ondaNumero d’ondaNumero d’ondaNumero d’onda, ν (cm-1) EEEEnergianergianergianergia (Kcal/mole fot.)

Raggi X 10-3-10 nm ≈ 3.1014 - 3.1010 2.8.107 - 2.8.103

Lontano Ultravioletto 10-200 nm ≈ 3.1010 - 2.109 2.8.103 - 1.4.102

Vicino Ultravioletto 200-400 nm ≈ 2.109 - 1.109 1.4.102 - 7.1.10

Visibile 400-750 nm ≈ 1.109 - 4.108 7.1.10 - 3.8.10

Infrarosso vicino 0.75-2.5 µ ≈ 4.108 - 1.108 2.5.104 -1.3. 104 3.8.10 - 1.1.10

Infrarosso medio 2.5-50 µ ≈ 1.108 - 5.106 4. 103 - 2.102 1.1.10 - 5.7.10-1

Infrarosso lontano 50-1.000 µ ≈ 5.106 - 105 200 - 10 5.7.10-1- 2.8.10-2

Microonde 0.1-100 cm ≈ 1.105 - 1.102 10 1 .10-2 2.8.10-2 - 2.8.10-5

Onde radio 1-1.000 m ≈ 1.102 - 1.10-1 2.8.10-5 - 2.8.10-8

DenominazioneDenominazioneDenominazioneDenominazione Lunghezza d’ondaLunghezza d’ondaLunghezza d’ondaLunghezza d’onda, λ FrequenzaFrequenzaFrequenzaFrequenza, ν (MHz) Numero d’ondaNumero d’ondaNumero d’ondaNumero d’onda, ν (cm-1) EEEEnergianergianergianergia (Kcal/mole fot.)

Raggi X 10-3-10 nm ≈ 3.1014 - 3.1010 2.8.107 - 2.8.103

Lontano Ultravioletto 10-200 nm ≈ 3.1010 - 2.109 2.8.103 - 1.4.102

Vicino Ultravioletto 200-400 nm ≈ 2.109 - 1.109 1.4.102 - 7.1.10

Visibile 400-750 nm ≈ 1.109 - 4.108 7.1.10 - 3.8.10

Infrarosso vicino 0.75-2.5 µ ≈ 4.108 - 1.108 2.5.104 -1.3. 104 3.8.10 - 1.1.10

Infrarosso medio 2.5-50 µ ≈ 1.108 - 5.106 4. 103 - 2.102 1.1.10 - 5.7.10-1

Infrarosso lontano 50-1.000 µ ≈ 5.106 - 105 200 - 10 5.7.10-1- 2.8.10-2

Microonde 0.1-100 cm ≈ 1.105 - 1.102 10 1 .10-2 2.8.10-2 - 2.8.10-5

Onde radio 1-1.000 m ≈ 1.102 - 1.10-1 2.8.10-5 - 2.8.10-8

Spettro elettromagneticoSpettro elettromagnetico

EE = = = = = = = = hhνννννννν == hchc //λλλλλλλλ

24

Quando un fascio di radiazioni elettromagnetiche attraversa Quando un fascio di radiazioni elettromagnetiche attraversa una determinata sostanza, la radiazione una determinata sostanza, la radiazione puòpuò essere assorbita essere assorbita e provocare un e provocare un aumento dell’energia internaaumento dell’energia interna della sostanza.della sostanza.

3. ENERGIA INTERNA DELLE MOLECOLE3. ENERGIA INTERNA DELLE MOLECOLE

Radiazione elettromagnetica

COMPOSTO ORGANICO

?

25

L’aumento dell’energia interna provoca una serie di L’aumento dell’energia interna provoca una serie di fenomeni diversi a seconda del tipo di radiazione:fenomeni diversi a seconda del tipo di radiazione:

In cosa si traduce lIn cosa si traduce l’’aumento di energia interna?aumento di energia interna?

•• I I raggi Xraggi X riescono ad “estrarre” gli elettroni più vicini al nucleoriescono ad “estrarre” gli elettroni più vicini al nucleo

••Le Le radiazioni UV/visibileradiazioni UV/visibile riescono riescono a eccitare gli elettroni di a eccitare gli elettroni di valenzavalenza

•• Le Le radiazioni IRradiazioni IR amplificano le amplificano le naturali oscillazioninaturali oscillazioni dei legami dei legami molecolarimolecolari

••Le Le microondemicroonde inducono rotazioni nelle molecoleinducono rotazioni nelle molecole

•• Le Le radiofrequenzeradiofrequenze riescono solo a interagire con lo riescono solo a interagire con lo spinspin di di alcuni nucleialcuni nuclei

26

Radiazione elettromagnetica

COMPOSTO ORGANICO

A seconda del tipo di energia assorbita, la molecola può A seconda del tipo di energia assorbita, la molecola può subire un aumento della vibrazione o della rotazione degli subire un aumento della vibrazione o della rotazione degli atomi, o far saltare un elettrone a un livello energetico atomi, o far saltare un elettrone a un livello energetico superiore.superiore.