3. ULTRALJUBIČASTA i VIDLJIVA SPEKTROSKOPIJA (UV-Vis)
Podsjetnik: • Spektroskopske instrumentalne metode služe za proučavanje atomske i molekulske strukture spojeva • Baziraju se na interakciji elektromagnetskog zračenja sa uzorkom, pri čemu promatrana (mjerena) tvar emitira ili apsorbira točno određenu količinu zračenja koja se mjeri i interpretira • Elektromagnetsko zračenje karakterizirano je valnom duljinom (λ/nm) i frekvencijom (ν/Hz) • Sunčevo (bijelo) svijetlo sastoji se od ultraljubičastog (UV), vidljivog (Vis) i dijela infracrvenog elektromagnetskog zračenja
2
vidljivo svijetlo
infracrveno
ultraljubičasto blisko
blisko daleko (vakuum)
• UV (blisko) zračenje: λ 200-400 nm, Vis zračenje: λ 400-800 nm • UV/Vis spektrometri operiraju unutar područja λ 200-800 nm 3
Apsorpcija UV/Vis energije zračenja UV/Vis zračenje (E = hν) u molekuli uzrokuje prijelaz valentnih elektrona u više nepopunjene energetske orbitale Razlikujemo 3 tipa elektrona: σ, π i n-elektroni • σ-elektroni – uključeni u zasićene σ-veze – zahtjevaju puno višu energiju za pobuđivanje nego što je to energija UV-zračenja – zato spojevi koji sadrže zasićene veze ne apsorbiraju UV zračenje • π-elektroni – uključeni u nezasićene π-veze ugljikovodika – prisutni u dienima, trienima i aromatskim spojevima • n-elektroni – nevezni elektroni (nisu uključeni u veze između atoma) – sadrže ih organski spojevi koji sadrže atome sa neveznim elektronskim parovima (kisik, dušik, halogen) 4
σ* (protuvezna) n
σ*
Energija
π* (protuvezna) n
π*
π
σ
σ*
σ*
n (nevezna) π
π*
σ
π*
π (vezna) σ (vezna)
molekulske orbitale
Prijelazi elektrona u pobuđenom stanju: σ u σ*, n u π*, n u σ* i π u π* Energija potrebna za dane prijaleze kreće se u nizu: σ – σ* > n – σ* > π − π* > n – π* 5
Prijelaz elektrona n u π* zahtjeva najmanju energiju i karakterističan je za nezasićene molekule koje sadrže kisik, dušik ili sumpor. U UV-spektrima daju slabu vrpcu. Prijelaz elektrona σ u σ* događa se u molekulama u kojima su svi elektroni uključeni u jednostruku vezu i nema slobodnih elektronskih parova, znači u zasićenim ugljikovodicima. Potrebna je visoka energija, nižih valnih duljina od UV/Vis zračenja (<150 nm) za njihov prijelaz, pa apsorpcijske vrpce nisu vidljive u UV/Vis-spektrima. Prijelaz elektrona n u σ* pokazuju zasićene molekule sa slobodnim parom elektrona. Potrebna je manja energija za njihov prijelaz, pa se apsorpcijske vrpce pojavljuju pri višim valnim duljinama, točnije u bliskom IR području (ne u UV/Vis području). Prijelaz elektrona π u π* pokazuju molekule sa π-elektronskim sustavom (nezasićeni ugljikovodici) i vidljiv je u UV/Vis području (200-700 nm). Znači, ovakav prijelaz karakterističan je za KONJUGIRANE SUSTAVE. 6
Zaključno – u UV/Vis području apsorbirat će zračenje: 1. molekule koje sadrže grupe koje omogućavaju π–π* prijelaz elektrona (npr: etilen, acetileni, konjugirani sustavi...) 2. molekule koje sadrže i n i π-elektrone, pa je omogućen n–π* i π–π* prijelaz elektrona (nezasićeni sustavi sa heteroatomima koji sadrže nevezne elekronske parove) Konjugirani sustavi: konjugirani dieni, polieni (sadrže naizmjenično postavljene dvostruke i jednostruke veze), kod kojih je omogućeno preklapanje p-orbitala • molekula butadiena je primjer konjugiranog sustava
7
π molekulske orbitale butadiena: 3 čvorišta 0 veznih interakcija 3 protuvezne interakcije
PROTUVEZNA MO 2 čvorišta 1 vezna interakcija 2 protuvezne interakcije
PROTUVEZNA MO
četiri π molekulske orbitale
1 čvorište 2 vezne interakcije 1 protuvezna interakcija
VEZNA MO 0 čvorišta 3 vezne interakcije 0 protuveznih interakcija
VEZNA MO
ψ2 je najviša popunjena molekulska orbitala (HOMO) ψ3 je najniža nepopunjena molekulska orbitala (LUMO)
8
Prolazak UV/Vis zračenja kroz molekulu uzrokuje pobuđivanje elektrona uz njihov prelazak iz najviše popunjene MO u najnižu nepopunjenu MO HOMO LUMO
Energija
π* UV zračenje
π
četiri π atomske orbitale
elektronska konfiguracija osnovnog stanja
elektronska konfiguracija pobuđenog stanja
9
apsorbancija
UV- spektar butadiena
εmax = 21 000
butadien
valna duljina (nm)
10
• Primjeri još nekih konjugiranih sustava:
Vitamin A (retinal)
akrolein
poliacetilen
benzen
cikloheksanon
Primjeri alkena konjugiranih sa neveznim parom elektrona 11
Dio molekule koja je apsorbirala UV/Vis zračenje naziva se KROMOFOR Apsorpcija zračenja dana je Lambert-Beerovim zakonom:
A = log (Io /I) = ε⋅c⋅⋅l
A = apsorbancija Io = intenzitet ulazne zrake
I = intenzitet zrake nakon prolaska kroz uzorak ε = molarni apsorpcijski koeficijent (ekstinkcija – stari naziv; L cm-1 mol-1) c = koncentracija mol/L l = duljina ćelije/ cm
Uzorak je apsorbirao zračenje kada je intenzitet zrake prošle kroz uzorak (I) manji od intenziteta ulazne zrake (Io) i omjer Io /I je veći od 1. Kada je omjer Io /I = 1, A = 0
NEMA APSORPCIJE 12
UV/Vis spektar je graf apsorbancije uzorka (A) u ovisnosti o valnoj duljini (λ) [alternativno se može registrirati transmitancija (propusnost) T = I / Io u ovisnosti o λ] Spektralni podaci karakteristični za uzorak su: 1. valna duljina(e) pri max apsorbanciji – λmax 2. vrijednost molarnog apsorpcijskog koeficijenta ε pri max apsorbanciji Molarni apsorpcijski koeficijent (ε) je mjera za intenzitet (koliko je jako molekula apsorbirala zračenje pri nekoj λ). Za spojeve sa većim ε (> 10 000 koja je karakteristična za π–π* prijelaze konjugiranih polienskih sustava) potrebna je manja c (npr: 10-5 mol/ L) i obrnuto (c = 10-2 mol/ L za ε 10-100) Vrijednost ε se računa iz jednadžbe:
ε=
A c .l 13
Veličina ε ovisit će o veličini kromofora, te o vjerojatnosti da će zračenje određene λ biti apsorbirano kada pogodi kromofor (P = 0-1) ε = 0,87 . 1020 P . a
P = vjerojatnost prijelaza a = presjek kromofora (cm2)
Faktori koji utječu na vjerojatnost prijelaza opisani su selekcijskim pravilom. Npr: n π* prijelazi elektrona su niži u energiji od π π* prijelaza, no ε im je do 1000x manji. Razlog tomu je što se n orbitale ne preklapaju dobro sa π* orbitalom, pa je vjerojatnost prijelaza vrlo mala. Suprotno, kod π π* prijelaza se orbitale značajno preklapaju, pa je vjerojatnost prijelaza P blizu 1.
14
vezna
Energija
protuvezna
Efekt konjugacije na vrijednost valne duljine apsorbiranog UV-zračenja
• Povećanjem konjugiranosti povećava se energija HOMO, a smanjuje energija LUMO orbitale, pa je potrebno manje energije za elektronski prijelaz u visoko konjugiranim, nego u nekonjugiranim ili manje konjugiranim sustavima. Posljedično apsorpcija zračenja će biti pri višim λ kod više konjugiranog sustava. 15
UV-spektar izoprena
apsorbancija
εmax = 20 000
buta-1,3-dien λmax = 217 nm
• Supstituenti vezani na kromofor također utječu na apsorpciju zračenja (u ovom slučaju metilna skupina kod izoprena pomiče apsorpciju prema višim λ s obzirom na butadien) 16
UV-spektar poliena pokazuje kako svaka dodatna dvostruka veza u konjugiranom π-elektronskom sustavu pomiče apsorpcijski maksimum oko 30 nm u jednom smjeru (prema višim λ). Isto tako ε se udvostručuje sa svakom novom konjugiranom dvostrukom vezom. Konjugiranošću sustava javlja se tzv. BATOKROMNI POMAK.
17
• Terminologija za apsorpcijske pomake
1. BATOKROMNI POMAK – pomak k višoj λ (crvenom dijelu spektra- niža energija) – nastaje prilikom povećanja KONJUGIRANOSTI 2. HIPSOKROMNI POMAK – pomak k nižoj λ (plavom dijelu spektra-viša energija) 3. HIPERKROMNI POMAK – k većem ε (povećanje intenziteta) 4. HIPOKROMNI POMAK – k manjoj ε (smanjenje intenziteta)
18
Benzen kao konjugirani sustav pokazuje vrlo jaku apsorpciju zračenja blizu 180 nm (ε > 65 000), slabiju apsorpciju na 200 nm (ε > 8 000) i grupu puno slabijih apsorpcija na 254 nm (ε = 240).
UV-spektar naftalena, antracena i tetracena također pokazuju batokromni pomak (u usporedbi s benzenom). Tetracen je narančast jer grupe slabijih apsorpcija pomaknute već pri crvenom dijelu spektra (do ~ 470 nm).
19
Intenzitet apsorpcije ε varira od 10 do 10 000, a u načelu je niži kod n π*, nego π π* (zbog selekcijskog pravila prijelazi n π* su “zabranjeni”)
UV-spektar nezasićenog ketona pokazuje vrlo jaku π π* apsorpciju na 242 nm, sa ε = 18 000 i slabu n π* apsorpciju blizu 300 nm i ε = 100. Za n π* prijelaz potrebna manja ΔE nego za π π* .
20
Tablica jednostavnih kromofora i njihovih karakterističnih apsorpcija zračenja
Kromofor
Spoj
Pobuda
λmax, nm
ε
otapalo
C=C
eten
π
__>
π*
171
15,000
heksan
C≡C
heks-1-in
π
__>
π*
180
10,000
heksan
C=O
etanal
n π
__>
π* π*
290 180
15 10,000
heksan heksan
N=O
nitrometan
n π
__>
π* π*
275 200
17 5,000
etanol etanol
C-X X=Br X=I
metilbromid metiljodid
n n
__>
σ* __> σ*
205 255
200 360
heksan heksan
__>
__>
21
Woodward-Fieserova pravila Vrijednosti λmax i ε za konjugirane sustave ovise o samoj prirodi konjugiranog sustava i njegovim supstituentima Ova pravila daju korelaciju između molekulske strukture i apsorpcijskog maksimuma
KROMOFOR AUKSOKROM
• Auksokrom je supstituent koji sam po sebi nije kromofor, ali povećava λ ili ε kada je vezan na kromofor (npr: alkilna, hidroksidna, alkoksi i aminoskupina, halogeni) 22
Tablica: Woodward-Fieserova pravila za konjugirane diene: vrijednosti za auksokromne grupe Grupa
Korekcija supstituenta (nm)
Sljedeća konjugirana C=C
+ 30
Alkilna skupina
+5
Alkoksi (–OR) skupina Egzociklička veza
0 +5
RAČUN: kromofor: 217 nm 3 alkilne skupine: 15 nm buta-1,3-dien 2,4-dimetilpenta-1,3-dien
KROMOFOR λ = 217 nm
pretpostavka λmax: 232 nm; nađeno: 232 nm
23
Boja i vidljivi spektar Organski spojevi koji apsorbiraju zračenje u UV-dijelu elektromagnetskog zračenja (200-400 nm) su BEZBOJNI Pigmenti su obojani anorganski i organski spojevi
metiloranž (boja)
krocetin (iz šafrana)
β-karoten (iz mrkve) 24
Povećanje broja konjugiranih veza izaziva BATOKROMNI EFEKT, pa takvi spojevi apsorbiraju u Vis području. VIDLJIVI DIO SPEKTRA
ljubičasto-indigo plavo
zeleno
žuto
narančasto
crveno
Kada bijelo sunčevo svjetlo prolazi ili se reflektira kroz obojani spoj (otopinu), jedan se dio Vis-spektra apsorbira. Onaj dio spektra koji preostane, a registrira ga ljudsko oko je komplementarna boja
25
Boja apsorbiranog zračenja ljubičasta plava plavozelena žutozelena žuta narančasta crvena
λ / nm 400 450 500 530 550 600 700
Zapažena boja žuta narančasta crvena crvenoljubičasta ljubičasta plavozelena zelena
26
apsorbancija
UV-spektar β-karotena:
valna duljina (nm)
27
UV/ Vis SPEKTROFOTOMETAR
Pojednostavljena shema dvosnopnog spektrofotometra:
izvor
monokromator
-------- referenca ----- detektor ------
----
----
omjer uzorak
-----
detektor
28
UV 200-400 nm
Vis 400-800 nm
I0 – intenzitet referentne zrake po prolasku kroz otapalo I – intenzitet zrake koja prolazi kroz uzorak A = log I0 / I 29
Načelo UV/ Vis spektroskopije: prolaskom UV/ Vis zračenja kroz otopinu uzorka, dio se apsorbira (A), a dio prolazi (T) U kratkom vremenu, spektrofotometar skenira UV/ Vis spektar i na detektoru registrira λ (nm) pri kojoj nastupa apsorpcija Otapalo koje se koristi ne smije apsorbirati UV/ Vis zračenje: etanol, heksan, voda, CH2Cl2 Kivete (držači za otopine uzorka) su izrađene od kvarcnog stakla, koji propušta UV/ Vis zračenje
UV/Vis spektroskopija
30
LITERATURA: 1. D. A. Skoog, J. J. Leary, Principles of Instrumental Analysis, 4th Ed., Saunders College Publishing, 1992. 2. L.G. Wade, Organic Chemistry, 6th Ed., Prentice Hall, New Jersey, 2006. 3. P. Y. Bruice, Organic chemistry, 4th Ed., Prentice Hall, New Jersey, 2004. Napomena: animirani prikazi (slike) na web adresama: http://www.youtube.com/watch?v=O39avevqndU&feature=relmfu
31
