METODY SPEKTROSKOPOWE IIUV-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: jakub.grynda@gmail.com

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

π

σσ

BUDOWA CZĄSTECZKI

• Co musi mieć cząsteczka, by absorbowała promieniowanie UV?

• Wiązania

• Zasadniczo związek powinien być nienasycony. Ponadto jeżeliwystępują sprzężone nienasycone wiązania absorbcjapromieniowanie jest większa. Związki nasycone absorbują wpróżniowym UV, które nie jest rejestrowane.

• Występowanie heteroatomów nie gwarantuje absorbcji, leczmożna polegać na grupie karbonylowej.

• Część absorbcji nie jest rejestrowane przy długości fali około 200nm 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 jestzwiązana inna technikaspektroskopowa

ENERGIA ELEKTRONOWA

• Zjawisko absorbcji i emisjipromieniowania w zakresie UV-VISopiera się na przejściu międzypoziomami elektronowymi

• Stan podstawowy

• Absorbcja kwantu światła

• Stan wzbudzony

• Emisja kwantu światła

• Stan podstawowy

LUMO

HOMO

+hν

-hν

HOMOLUMO

GDZIE KRĄŻĄ ELEKTRONY

• Przejścia odbywają się pomiędzy orbitalami.

GDZIE KRĄŻĄ ELEKTRONY

• Podstawowym założeniem jest, że energia przejścia zależy od różnicyenergetycznej 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. Równieżrzadko obserwowane maksima przypadają w zakresie fali (λmax), 150 – 250 nm. Dlametanolu 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 typemprzejścia jest odpowiedzialna za większość obserwowanych typów przejść. Dla etenu λmax

185 nm.

ZNANE, WYBRANE, CHROMOFORY

I ZACZYNA SIĘ FIZYKA

• ∆𝐸 = ℎ𝜈

• Δ𝐸 = ℎ𝑐

𝜆

• Δ𝐸 =119,809

𝜆

𝑘𝐽

𝑚𝑜𝑙

STANY ELEKTRONU I

• Wyróżniamy dwa stany.

• Stan singletowy – wszystkie elektrony są sparowane.

• Stan trypletowy – występują niesparowane elektrony.

STANY ELEKTRONU II

Stan podstawowySo

Singletowy stan wzbudzony

S1

Trypletowy stan wzbudzonyT1

Singletowy stan wzbudzonyS2

E

π* antywiażący

n nie wiążący

π wiążący

MOŻLIWE RODZAJE RELAKSACJI

CZAS RELAKSACJI EKSCYTONU

tmax ≈ 10-3s

tmax ≈ nawet kilka godzin

SCHEMAT BLOKOWY

DLACZEGO WIDMO NIE JEST OSTRE?

• W widmie benzenu widoczne sąpoziomy oscylacyjne (linia czarna).

• Jednak z powodu dużej ilościpodpoziomów i małych odstępówwidoczne jest szerokie pasmoabsorbcyjne (linia czerwona).

• Ma to związek z zasadąnieoznaczoności Heisenberga.

EFEKT FRANKA – COTTONAREGUŁA

• Jest związany z poziomamioscylacyjnymi

• Położenie i pęd jądra przed i poprzejściu muszą zostać zachowane

PROMIEŃ OBCIĘCIA

• Widma UV-Vis są wykonywane zzakresie 200-700 nm. Oczywiścieograniczonym do zakresuinteresującego.

• Przy czym w odpowiednim zakresieprzy niskiej długości fali zaczynaabsorbować głównierozpuszczalnik.

• Stężenie związku ~10-5M, stężeniewody w wodzie ~55,5M.

• Rozpuszczalnik λmax

• Woda 205

• CH3CN 210

• C6H12 210

• Eter 210

• EtOH 210

• Hexan 210

• MeOH 210

• Dioxan 220

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 stanupodczas 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

Wavelength (nm)

Molar Absorptivity (l/mol-cm)

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300

0

11097

22195

33292

44390

55487

Nacetylindol

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

• Obliczone: 214+3*5+5=234nm

• Zaobserwowane: 235nm

Wartość podstawowa 214nm

Alkilowy podstawnik +5nm

Exopierścień przy

wiązaniu podwójnym

+5nm

Dodatkowe sprzężone

wiązanie podwójne

+30nm

Oba wiązania w

jednym pierścieniu

+39nm

-OR +6nm

-SR +30nm

-Cl, -Br +5nm

-NR2 +60nmO

*

Układ α, β nienasycony

• Wartość obliczona: 215 + 10 +2*12 =239nm

• Wartość zaobserwowana: 238nm

Wartość podstawowa 215nm

Podstawnik alkilowy w

pozycji α

+ 10nm

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

O O

UWAGA!

• Widma UV-VIS są wysoce niespecyficzne i nie są one zazwyczajużywane do dokładnego określeniawystępującego chromoforu oraztypu przejścia, a jedynie do sugestiiprzy rozwiązywaniu widmzłożeniowego

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