1

SPECTROSCOPIA N ULTRAVIOLET I VIZIBIL

Introducere

Dac spectroscopia IR i RMN joac un rol foarte important n identificarea structurii n

chimia organic, spectroscopia UV-VIZ ndeplinete un rol de suport. Domeniul UV-VIS este cuprins

ntre 100 i 1100 nm i este mprit n: ultraviolet ndeprtat (sau de vid); ultraviolet propriu-zis,

domeniul vizibil i domeniul infrarou apropiat. De interes pentru caracterizarea compuilor organici

prezint zona cuprins ntre 200 i 800 nm (figura 1).

Figura 1. Relaia dintre lumina UV -VIS i alte forme de radiaie electromagnetic

Compuii nesaturai conjugai, precum dienele, trienele i compuii aromatici absorb lumin UV.

Moleculele cu conjugare extins, cum este metil oranjul, -carotenul i clorofila sunt colorate i absorb

lumina vizibil. Majoritatea moleculelor organice, cum sunt hexanul sau etanolul, nu absorb lumin UV

(> 200 nm) sau lumin vizibil. Alchenele absorb lumin UV, ns valoarea lungimii de und a

maximului de absorbie se gsete sub regiunea UV normal (< 200 nm). Compuii carbonilici, precum

aldehidele i cetonele absorb slab n regiunea UV.

Spectrul UV poate fi util n analiza moleculelor conjugate iar spectrul VIZ n analiza compuilor

colorai. De asemenea, spectrul poate fi utilizat, att din punct de vedere calitativ, pentru determinarea

maximului sau minimului de absorbie ct din punct de vedere cantitativ, pentru msurarea concentraiei

substanelor. Spectroscopia UV este n general mai util n chimia organic dect spectroscopia VIZ

deoarece numrul de compui organici care absorb lumin UV este mai mare dect cel al compuilor care

2

absorb lumin vizibil. Un avantaj al spectroscopiei UV-VIZ este acela c este necesar o cantitate foarte

mic de prob, mult mai mic dect este necesar pentru spectroscopia IR sau RMN.

Teorie

Motivul pentru care anumii compui absorb radiaii UV sau VIZ se datoreaz promovrii

eletronilor localizai n orbitali , sau n din starea electronic fundamental, de energie joas, la o stare

excitat, de energie mai nalt. Radiaia electromagnetic absorbit este egal cu diferena de energie

dintre starea excitat i cea fundamental.

Figura 2. Procesul de promovare a electronilor

Tranziiile care rezult n urma absoriei radiaiei electromagnetice n regiunea UV-VIS sunt

tranziii electronice. Atunci cnd o molecul absoarbe energie, are loc promovarea unui electron dintr-un

orbital ocupat la un orbital neocupat, de energie mai mare. n general, tranziia este de la orbitalul

molecular ocupat (HOMO) la orbitalul molecular liber (LUMO) (figura 3).

Diferena de energie dintre HOMO i LUMO este mai mare pentru eten dect pentru 1, 3-

butadien. Prin urmare, energia necesar pentru promovare este mai mare pentru eten (164 kcal/mol la

171 nm) dect pentru 1, 3-butadien (129 kcal/mol la 217 nm). Cu ct este mai mare numrul de legturi

duble conjugate, cu att diferena ntre orbitalii LUMO i HOMO este mai mic. Compuii cu conjugare

extins sunt substane colorate i au energiile HOMO i LUMO foarte apropiate. Aceasta necesit pentru

promovare mai puin lumin, respectiv lungime de und mai mare. n cazul compuilor colorai precum

metal oranjul, -carotenul i -clorofila, lungimile de und necesare pentru promovare se gsesc n

regiunea vizibil a spectrului electromagnetic.

3

Figura 3. Diagrama orbitalilor moleculari pentru eten i butadien

Pentru majoritatea moleculelor, orbitalii moleculari ocupai cu energia cea mai joas sunt orbitalii

, care corespund legturilor . Orbitalii se gsesc la niveluri energetice mai mari iar orbitalii n

corespunztori electronilor neparticipani se gsesc la niveluri energetice i mai ridicate. Orbitalii

neocupai, sau de antilegtur (* sau *) sunt orbitalii cu energia cea mai mare. n figura 3 este redat un

proces tipic de promovare ntre nivelurile energetice.

Tranziia cu energia cea mai joas (cea mai des observat n UV) are loc la promovarea unui

electron dintr-un orbital ocupat la un orbital neocupat, de energie mai mare. n general, tranziia este de la

orbitalul molecular ocupat (HOMO) la orbitalul molecular liber (LUMO).

Pentru orice legtur (pereche de electroni) dintr-o molecul, orbitalii moleculari sunt un amestec format

prin contribuia a doi orbitali atomici; pentru fiecare orbital de legtur creat n urma combinrii (s, p),

corespunde un orbital de antilegtur de energie mai mare (s*, p*)

4

Orbitalii ocupai cu cea mai joas energie sunt cei de tip s; orbitalul de antilegtur complementar

s* corespunde celui mai nalt nivel energetic

Orbitalii p au o energie mai mare, ns orbitalul de antilegtur complementar corespunde unui

nivel energetic mai mic dect s*.

Electronii neparticipani au un nivel energetic corespunztor orbitalului atomic original, cel mai

adesea, aceast energie este mai mare dect p sau s (avnd n vedere c nu se formeaz nici o legtur)

Figura 4. Nivele energetice i tranziii

Electronii tuturor compuilor organici (cu excepia alcanilor) pot suferi o serie de tranziii ntre

nivelurile energetice, cele mai importante fiind urmtoarele:

Figura 5. Tipuri de tranziii n compui organici

5

Reguli de selecie

Poziia la care apar maximele de absorbie depinde de energia necesar realizrii tranziiei

electronice. Intensitatea acestor maxime depinde ns i de probabilitatea realizrii tranziiei electronice.

Aceast probabilitate este dat de un factor P care exprim ansa ca, din nenumratele molecule ale unei

substane, unele s absoarb cuanta de energie adecvat pentru a trece ntr-o stare excitat.

Natura permis sau interzis a benzilor decurge dintr-o serie de reguli de selecie fundamentate

mecanic cuantic.

De exemplu, sunt interzise tranziiile n care se schim multiplicitatea sistemului (multiplicitatea

unui sistem este dat de numrul de electroni nemperecheai plus unu: nici un electron nemperecheat=

stare singlet; 2 electroni nemperecheai= stare triplet) adic este interzis o tranziie ntre structur simpl

covalent (stare singlet) i o structur avnd doi electroni cu spini paraleli necuplai (stare triplet).

De asemenea, sunt interzise tranziiile ntre stri avnd aceeai simetrie a distribuiei electronice.

Geometria orbitalilor moleculari implicai n tranziii poate permite sau interzice o anumit

tranziie. De exemplu, sunt interzise tranziiile n* ale gruprii >C=O deoarece orbitalii ntre care ar

urma s se realizeze tranziia se afl n planuri perpendiculare.

Cromofori/auxocromi

Dei absorbia radiaiei UV rezult n urma excitrii electronilor de la starea fundamental la stare

excitat, un rol important n absorbia radiaiei de o anumit lungime de und l au nucleii implicai n

formarea legturii covalente. Nucleii determin tria legturii cu care electronii sunt legai ntre ei, deci

prin urmare, influeneaz i diferena energetic dintre starea fundamental i cea excitat. Prin urmare,

tipul de tranziie i lungimea de und a radiaiei absorbite sunt caracteristice mai degrab unui grup de

atomi dect electronilor respectivi. Grupul de atomi care determin o asemenea absorbie se numesc

cromofori. Deoarece n aceti compui au loc modificri structurale, este de ateptat ca energia i

intensitatea absorbiei s se modifice corespunztor. Adesea este dificil de prevzut, pe baza teoriei,

modul de variaiei a absorbiei n funcie de modificarea structural a cromoforului, de aceea este

necesar aplicarea, pe clase de compui, a unor reguli empirice.

Alcani. n cazul acestor compui care conin numai legturi simple de tip i neavnd atomi cu

electroni neparticipani, singurele tranziii posibile sunt de tip *. Aceste tranziii necesit o energie

att de mare nct absorb radiaie ultraviolet la lungimi de und foarte mici, mai mici dect lungimile de

und care sunt accesibile experimental utiliznd spectrofotometre tipice.

Alcooli, eteri, amine i compui cu sulf. n moleculele saturate coninnd atomi cu electroni

neparticipani, devin importante tranziiile de tip n*. Moleculele de acest tip prezint tranziii la

6

energii nalte, ns absorb radiaii ce se situeaz ntr-un domeniu experimental accesibil. Alcoolii i

aminele absorb n intervalul 175 200 nm, n timp ce tiolii i sulfiii absorb ntre 200 i 220 nm.

Alchene i alchine. n cazul moleculelor nesaturate sunt posibile tranziiile de tip *. Acest

tip de tranziii are loc tot la energii nalte ns poziionarea lor este sensibil n cazul substituiilor.

Alchenele absorb la aproximativ 175 nm iar alchinele la 170 nm.

Compuii carbonilici. Moleculele nesaturate care conin atomi precum oxigenul sau azotul pot

suferi tranziii de tip n*. Aceste tranziii sunt dintre cele mai interesante i mai intens studiate.

Tranziiile de acest tip sunt i mai senzitive la substituia pe o structur cromofor. Un compus tipic

carbonilic sufer tranziii de tip n* n intervalul 280 290 nm (= 15). De asemenea, compuii

carbonilici sufer tranziii de tip * la aproximativ 188 (= 15) nm.

Introducerea pe o structur cromofor a unui substituent, n locul unui atom de hidrogen, va

determina schimbarea poziiei i intensitii benzii de absorbie a cromoforului respectiv. Substituenii

care conin grupri saturate, cu electroni neparticipani, care nu absorb n UV dar care, ataate unui

cromofor, pot produce deplasarea maximului de absorbie spre lungimi de und mai mici sau mai mari se

numesc auxocromi. Exemple tipice includ gruprile metil, hidroxi, alcoxi, halogeni i grupri amino.

Ali substitueni pot avea asupra absorbiei una din urmtoarele patru tipuri de efecte:

1. Deplasare batocrom (sau deplasare spre rou) este deplasarea maximului de absorbie spre

lungimi de und mai mari (energii de excitaie mai mici).

2. Deplasare hipsocrom (spre albastru) este deplasarea maximului de absorbie spre lungimi de

und mai mici (energii de excitaie mai mari).

3. Efect hipsocrom, reprezint descreterea intensitii absorbiei, adic diminuarea culorii.

4. Efect hipercrom, reprezint creterea intensitii absorbiei, adic intensificarea culorii.

7

Figura 6. Tipuri de efecte n UV

Compuii cu conjugare extins au valori ale max la lungimi de und mai mari dect compuii mai

puin conjugai. Compuii aromatici, precum benzonitrilul sau toluenul, absorb n regiunea UV datorit

structurilor lor conjugate.

Aparatura

Ca i spectrometrele IR, cele mai multe spectrometer UV-VIZ sunt aparate automate cu dublu

fascicul: un fascicul trece prin cuva cu prob, iar cellalt prin cuva de referin.

Pentru scanarea ntregii benzi UV-VIS sunt necesare dou surse:

Lamp cu Deuteriu acoper domeniul UV 200-330

Lamp cu Tungsten acoper domeniul VIZ 330-700

Radiaia luminoas provenit de la surs este trecut printr-un monocromator. Monocromatorul (prisma)

permite obinerea de radiaii monocromatice cu lungimea de und monoton variabil. Radiaia provenit

de la monocromator este apoi divizat n dou fascicule de intensitate egal, ce vor trece prin cuva cu

prob i cuva de referin ce conine solventul pur. Dup trecerea prin cuve, radiaiile ajung la receptor

care msoar raportul dintre intensitatea radiaiei de referin (I0) i intensitatea radiaiei transmise (I).

Detectorul msoar diferena dintre lumina transmis prin prob (I) comparativ cu lumina incident (I0):

I0/I. La majoritatea aparatelor semnalul provenit de la detector este convertit automat i nregistrat.

Reprezentare spectru

Spectrofotometrele UV-VIZ prezint, n principiu, modul de variaie a absorbanei A funcie de

lungimea de und .

Ordonata spectrelor electronice poate s redea una din mrimile:

T%= transmisia, unde T%= (I/I0)100

8

A%= absorbia, unde A%= (I0-I/I0)100

E%= extincia, unde E%= lgI0/I

= absorbtivitatea molar, unde = E/lc

Spectrele UV constau n picuri foarte largi deoarece tranziiile electronice responsabile pentru

absorbia UV sunt determinate de o serie de stri vibraionale i rotaionale.

Figura 7. Reprezentare spectru UV-VIS

Spectrele UV redau, n principiu, modul de variaie a absorbanei funcie de lungimea de und

(200-360 nm) (figura 8).

Figura 8.

Pe axa X a spectrului este redat lungimea de und cu valori cuprinse ntre 200-350 nm pentru

UV i 200-700 pentru determinri UV-VIS. Spectrele sunt redate rareori n forma brut, maximele

picurilor sunt pur i simplu redate ca o list numeric de valori lambda max sau max.

Pe axa y este redat absorbana, A. Din punct de vedere spectrofotometric, absorbana este inversul

transmitanei:

9

A = log10 (I0/I)

Din punct de vedere experimental, trebuie considerate trei aspecte:

1. Cu ct grosimea stratului soluiei, l este mai mare, cu att va fi absorbit mai mult lumin UV

efect liniar

2. Cu ct concentraia, c a probei este mai mare, cu att va fi absorbit mai mult lumin UVefect

liniar

3. Anumite tranziii electronice sunt mai eficiente la absorbia anumitor fotoni dect al altora

absorptivitate molar, .

Efectele sunt reunite sub forma legii Beer-Lambert:

A = c l

unde:

A= absorbana (densitate optic) I0= intensitatea luminii incidente

I= intensitatea luminii transmise

c= concentraia soluiei (moli/l) l= grosimea stratului soluiei (cm) = absorbtivitatea molar (coeficient molar de extincie)

Pentru majoritatea spectrofotometrelor UV, l rmne constant (celulele standard au o grosime de are

typically 1 cm in path length). Concentraia variaz n funcie de tipul de absorie de obicei diluat

0.001 M. Absorptivitile molare variaz n funcie de ordinul de magnitudine:

valorile ntre 104-106 104-106 sunt denumite absorbii cu intensitate crescut

Valorile ntre 103-104 sunt denumite absorbii cu nintensitate joas

Valorile ntre 0 to 103 sunt absorbiile tranziiilor interzise

Pregtire probe

Dei, n principiu, se pot nregistra spectre UV ale substanelor solide, prin reflectarea luminii pe

suprafaa solidului (spectroscopie de reflexie), de obicei spectrele se nregistreaz n soluie. n pregtirea

probelor pentru spectroscopia n UV-VIZ trebuie luai n considerare trei factori eseniali:

-tipul cuvelor

-concentraia soluiilor

-solvenii utilizai

Cuvele pot fi din plastic, sticl or cuar. n timp ce cuarul este transparent pe ntreg intervalul de

lungimi de und utilizat, sticla obinuit i plasticul sunt opace pentru radiaiile cu lungimi de und mai

mici de 350 nm. Ele pot fi folosite numai pentru domeniul vizibil al spectrului.

10

Deoarece cuvele din cuar sunt mai fragile i mult mai scumpe dect cele din sticl sau plastic,

trebuie manipulate cu mult atenie. Cuvele din plastic pot fi utilizate numai pentru solvenii care nu le

dizolv sau opacizeaz (de obicei numai pentru ap sau alcool).

Cuvele standard sunt paralelipipedice cu latura bazei de 1 cm i nlimea de 3 cm. Feele prin

care trece fascicolul luminos sunt lefuite. Celelalte dou fee sunt nelefuite, n scopul facilitrii

poziionrii cuvelor. La manipularea cuvelor trebuie evitat atingerea suprafeelor lefuite. De obicei,

cuvele sunt achiziionate n perechi pentru a putea fi asigurat o identitate perfect n ceea ce privete

tipul de material, mrimea, etc.

Concentraiile soluiilor pot fi estimate fcnd apel la legea Lambert-Beer. innd cont c l= 1

cm rezult c A= c. Deoarece, de obicei, A=2 pentru majoritatea spectroforometrelor UV-VIZ, este

necesar alegerea concentraiei de lucru astfel nct maximele de absorbie s rmn n scala aparatului.

Concentraia probei depinde de valorile . Acestea pot varia n limite destul de largi (~100 i 10000). n

aceste condiii valorile necesare ale concentraiei variaz ntre 10-2 i 10-4 M. n condiiile n care ordinul

de mrime al valorilor nu poate fi estimat, este preferabil nregistrarea spectrului la diverse

concentraii. Metoda prezint avantaje evidente n cazul n care substana conine cromofori ai cror

coeficient molar de extincie difer foarte mult.

Solvenii utilizai trebuie s fie transpareni n domeniul investigat; lungimea de und la care un

solvent nu mai este transparent se numete cutoff. Deoarece spectrele se obin pn la 200 nm, solvenii

uzuali nu trebuie s prezinte sisteme conjugate sau carbonili. Solvenii cei mai utilizai pentru domeniul

UV sunt compui ce conin legturi (alcooli, hidrocarburi saturate). Solveni uzuali i lungimi de und

(cutoffs):

Solvent , nm

acetonitril

chloroform

ciclohexan

1,4-dioxan

etanol 95%

n-hexan

metanol

izooctan

ap

190

240

195

215

205

201

205

195

190

Solvenii utilizai trebuie s fie de puritate avansat (solveni spectrali). Regiunea UV este foarte

sensibil i prezena unor impuriti cu valori mari poate afecta semnificativ spectrul.

11

Solventul afecteaz, de asemenea, lungimea de und la care apar maximele de absorbie. Acest

aspect este determinat de faptul c multe tranziii electronice conduc la apariia unor stri excitate care

sunt mai polare dect starea fundamental. n aceste condiii solvenii polari stabilizeaz starea excitat

ntr-o msur mai mare dect solvenii nepolari. n consecin, diferenele de energie dintre starea

fundamental i cea excitat vor fi mai mici la utilizarea solvenilor polari dect la utilizarea celor

nepolari. Deplasarea maximelor de absorbie la lungimi de und mai mari, la trecerea de la un solvent

nepolar la un solvent polar poate avea valori de aproximativ 20 nm.

Bibliografie

1. D. Scutaru, Metode spectrale de analiz

2. D.L.Pavia, G.M.Lampman, i G.S.Kriz, Introduction to Spectroscopy, 3rd ed., Harcourt, 2001.

3. A. M. Schoffstall, B. A. Gaddis, M. L. Druelinger, Microscale and Miniscale Organic Chemistry

Laboratory Experiments, 2nd

ed., McGrawHill, 2004