METODY SPEKTROSKOPOWE II. UV-VIS od teorii do praktyki Jakub Grynda Katedra Technologii Leków i Biochemii

Transkrypt

1 METODY SPEKTROSKOPOWE II UV-VIS od teorii do praktyki Jakub Grynda Katedra Technologii Leków i Biochemii

2 Pokój nr 1 w Chemii B Godziny konsultacji: Poniedziałek jakub.grynda@gmail.com

3 PLAN WYKŁADU Wiedza podstawowa - powtórka Podstawy fizyczne zjawiska Reguły wyboru Prawo Lamberta Beer a Zastosowanie w identyfikacji związków oraz inne

4 PROMIENIOWANIE ELEKTROMAGNETYCZNE

5 BUDOWA CZĄSTECZKI Eten σ σ π

6 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.

7 POZIOMY ENERGETYCZNE Można wyróżnić 3 poziomy energetyczne: Rotacyjne ( J/mol) Oscylacyjny (1-100 kj/mol) Elektronowy ( kj/mol) Z każdym z tych poziomów jest związana inna technika spektroskopowa

8 ENERGIA ELEKTRONOWA Zjawisko absorbcji i emisji promieniowania w zakresie UV-VIS opiera się na przejściu między poziomami elektronowymi Stan podstawowy Absorbcja kwantu światła Stan wzbudzony Emisja kwantu światła Stan podstawowy LUMO HOMO +hν -hν LUMO HOMO

9 GDZIE KRĄŻĄ ELEKTRONY Przejścia odbywają się pomiędzy orbitalami.

10 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 (λ max <150 nm) Zazwyczaj nie obserwowane w UV-VIS. Wiązanie pojedyncze w propanie λ max 135 nm. n σ * i π σ * przejście niewiążących oraz wolnych par elektronowych izolowane. Również rzadko obserwowane maksima przypadają w zakresie fali (λ max ), nm. Dla metanolu λ max 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 λ max około 300 nm. π π * przejście elektronów w wiązaniach wielokrotnych. Wraz z poprzednim typem przejścia jest odpowiedzialna za większość obserwowanych typów przejść. Dla etenu λ max 185 nm.

11 ZNANE, WYBRANE, CHROMOFORY

12 I ZACZYNA SIĘ FIZYKA E = hν ΔE = h c λ ΔE = 119,809 λ kj mol

13 STANY ELEKTRONU I Wyróżniamy dwa stany. Stan singletowy wszystkie elektrony są sparowane. Stan trypletowy występują niesparowane elektrony.

14 STANY ELEKTRONU II π* antywiażący E n nie wiążący π wiążący Stan podstawowy S o Singletowy stan wzbudzony S 1 Trypletowy stan wzbudzony T 1 Singletowy stan wzbudzony S 2

15 MOŻLIWE RODZAJE RELAKSACJI

16 CZAS RELAKSACJI EKSCYTONU t max 10-3 s t max nawet kilka godzin

17 SCHEMAT BLOKOWY

18 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.

19 EFEKT FRANKA COTTONA REGUŁA Jest związany z poziomami oscylacyjnymi Położenie i pęd jądra przed i po przejściu muszą zostać zachowane

20 PROMIEŃ OBCIĘCIA Rozpuszczalnik λ max Woda 205 CH 3 C N 210 C 6 H Eter 210 EtOH 210 Hexan 210 MeOH 210 Dioxan 220 Widma UV-Vis są wykonywane z zakresie nm. Oczywiście ograniczonym do zakresu interesującego. Przy czym w odpowiednim zakresie przy niskiej długości fali zaczyna absorbować głównie rozpuszczalnik. Stężenie związku ~10-5 M, stężenie wody w wodzie ~55,5M.

21 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

22 OGÓLNY SCHEMAT

23 REGUŁY WYBORU Można wymienić następujące reguł wyboru: Spinowa Reguła Lamporte. Na czym polegają?

24 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.

25 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.

26 SYMETRIA CZĄSTECZKI

27 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.

28 CT Ligandy posiadające: Wysoką wartość rozszczepienia dają kompleksy absorbujące niebieskie promieniowanie, CrO 4-. Niską wartość absorbują większą długość fali przy barwie żółtej, bpy. Obserwowane kolory są natomiast odwrotne.

29 RATUNEK NA LABORATORIUM Z CHEMII NIEORGANICZNEJ Zjawisko CT (mimo, że skomplikowane), pomocne jest już podczas laboratorium z chemii nieorganicznej

30 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.

31 DŁUGOŚĆ FALI? Można również zmieniać długość fali przy której występuje maksimum absorbcji poprzez manipulację rozpuszczaniem. Może wpłynąć polarność rozpuszczalnika Jak i jego ph

32 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. P 0 (power in) P (power out) T = P/P 0 A = -log 10 T = log 10 P 0 /P

33 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

34 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)

35 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. Molar Absorptivity (l/mol-cm) Electronic Spectra Nacetylindol Wavelength (nm)

36 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

37 SPRZĘŻONY DIEN Przyjrzyjmy się poniższemu związkowi * Obliczone: 214+3*5+5=234nm Zaobserwowane: 235nm O Wartość podstawowa Alkilowy podstawnik Exopierścień przy wiązaniu podwójnym Dodatkowe sprzężone wiązanie podwójne Oba wiązania w jednym pierścieniu -OR -SR -Cl, -Br -NR 2 214nm +5nm +5nm +30nm +39nm +6nm +30nm +5nm +60nm

38 O Wartość obliczona: *12 =239nm Wartość zaobserwowana: 238nm Układ α, β nienasycony Wartość podstawowa Podstawnik alkilowy w pozycji α W pozycji β W pozycji γ, δ, etc. -OH -OAc -OR -SR -Cl -Br 215nm + 10nm + 12nm + 18nm + 35; 30; 50nm + 6nm + 35; 30; 17; 31nm + 0; 85nm + 15; 12nm + 25; 30nm -NR 2 + 0; 95

39 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

40 INNE ZASTOSOWANIA Detektory w chromatografii cieczowej Wyznaczanie stężeń Wyznaczanie parametrów termodynamicznych (krzywa van t Hoffa) Badania kinetyki reakcji Denaturacja białek i kwasów nukleinowych.

41 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!

42 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ