1.2.2 ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION EN EL ULTRAVIOLETA Y VISIBLE.

1.2.2.1 Fundamentos y terminología Cuando una radiación electromagnética, en el rango del UV-Vis, pasa ó incide sobre un compuesto que contiene varios enlaces o sobre átomos, iones o complejos con electrones d o f, una parte de la radiación es absorbida por estos. La cantidad de radiación que se absorbe depende de la longitud de onda de la radiación y la naturaleza de los enlaces ó la estructura del compuesto. La absorción es causada por la sustracción de energía del haz de radiación cuando los electrones pasan de orbitales de baja energía (estado fundamental) hacia orbitales de mas alta energía (estado excitado).M + h! " M

*

#E

El estado excitado tiene un periodo de vida muy breve (10-8 a 10-9 s) y regresa al estado fundamental por un proceso de relajamiento:

kBTin

h!in

ein

"

eout

"

efecto fotoelectrico,emision fotoelectronica,electrones secundarios

h!out

emision deluminiscencia

kBTout

perdida de energiano radiante

RELAJAMIENTO

M*

M*

M*

M + Calor

M + hV (emisión):fluorescencia y fosforescencia

N + B reacción fotoquímica

Estos son procesos de transiciones electrónicas. El tipo de transición electrónica depende de la especie química de que se trate. Desde este punto de vista, de acuerdo a las transiciones electrónicas que pueden sufrir, en espectroscopia de ultravioleta-visible, las especies químicas se clasifican en:

Especies con electrones !," y#

Especies con electrones d y fEspecies con electrones para trasferencia de carga.

Los electrones participantes son los involucrados directamente en la formación de enlaces entre átomos ó electrones exteriores no enlazados ó no compartidos, en el caso de compuestos con enlaces covalentes. De acuerdo a la teoría de orbitales moleculares (TOM), cuando dos orbitales atómicos (dos funciones de onda) se traslapan ó combinan, se forma un Orbital molecular de enlace, el cual tiene menor energía que los orbitales participantes, pero, por el principio de conservación orbital, también se forma un Orbital molecular de antienlace, de mayor energía que los orbitales participantes. Lo anterior es como consecuencia de la suma y sustracción de las funciones de onda ó, desde el punto de vista clásico, por la suma en fase y fuera de fase de las ondas.

E

En el estado fundamental de las moléculas, los electrones se ubican en el orbital molecular de enlace, generando con esto, moléculas ó uniones estables. Los enlaces sencillos de las moléculas orgánicas se denominan enlaces ! (sigma) y los electrones de los mismos se denominan así mismo electrones ! . En los dobles enlaces existe tanto un enlace ! como un orbital ! , este ultimo como consecuencia del traslapo lateral de dos orbitales p. Cada orbital de enlace ! tendrá su correspondiente orbital de antienlace, ! *, y lo mismo ocurrirá con los orbitales ! los cuales tendrán un ! *. En el caso de los pares de electrones libres ó no compartidos, estos también pueden sufrir transiciones tanto a orbitales ! * como a orbitales ! *, aunque son transiciones de muy baja absortividad.

C C

CC

C C

TRANSICIONES sigma sigma *

TRANSICION ! !*

!

! *

!

! *

Las energías de los diferentes orbitales moleculares, tanto de enlace como de antienlace, difieren considerablemente. Si hay electrones de no enlace, ! , estos se ubicaran entre los orbitales moleculares de enlace y los de antienlace (en una escala de energía):

E

!

"

#

! *

" *

! $!*

" $"*

#$!*

#$"*

las transiciones comúnmente encontradas, y que son las que se estudian en espectroscopia UV-Vis son: ! "!

*

, ! "!*

, !"#*

y !"#*

las cuales requieren diferente cantidad de energía (diferencial de energía) para ocurrir. Así mismo, dentro de un mismo tipo de transición puede haber diferencias ya que sus valores no son fijos sino que dependen de la estructura completa de la molécula. En este tipo de espectroscopía también podemos ver transiciones de electrones de un orbital atómico a otro, como es el caso de algunos átomos metálicos, y transiciones electrónicas entre un átomo y otro (especie de redox) sobre todo entre iones metálicos con algunos ligantes.

VISIBLELa región del visible abarca radiaciones en un rango de entre 400 nm y 780 nm,

este tipo de radiación es de baja energía por lo que en esta porción del espectro electromagnético solo se presentarán algunas (no todas) de las transiciones !"#

*

(las de mas baja energía), así como también algunas de las transiciones ! "!

*

, también las de mas baja energía sobre todo cuando existen conjugaciones de enlaces dobles. Estos

dos tipos de transiciones ocurren en el rango de longitudes de onda de entre 200 y 700 nm, dependiendo de los enlaces vecino ó estructura de la molécula, por lo que pueden aparecer tanto en el visible como en el ultravioleta. Las dos transiciones anteriores requieren necesariamente la presencia del doble enlace (enlace ! ) el cual lo presentan grupos funcionales como: C=C, C=O, C=N, C=S, N=O, N=N, C ! C, C ! N , etc. En algunos casos pueden presentarse las dos transiciones y en otros, si no existen pares de electrones libres, solo se presentará la transición ! "!

*

. Estos centros absorbentes insaturados se denominan CROMOFOROS. Las absortividades, ! , para estas transiciones son:

! "!*

altas, entre 1000-10,000

l

cm mol aunque también las hay mucho mayores

!"#*

bajas, entre 10-100

l

cm mol

Las absortividades, ! , son proporcionales a la probabilidad de ocurrencia de la transición. Así mismo, las transiciones deben de ser congruentes (permitidas por las reglas de selección) es decir, de un orbital a otro congruente con el ( si no hay electrones ! , no habrá transición !"#

*

). Tampoco son permitidas las transiciones entre orbitales σ a orbitales π o π*. Cuando no hay pares de electrones sin compartir, las transiciones son de tipo Homo-Lumo, es decir, desde el ultimo orbital molecular ocupado hacia el primero ó mas bajo orbital molecular desocupado. El que se trasfiere es un electrón y se debe de mantener la multiplicidad, es decir, sin cambio de espin. Los espectros de absorción no presentan picos ó bandas agudas sino bandas anchas las cuales son debidas a subniveles vibracionales en cada nivel lo que origina, en realidad, varias transiciones diferentes con muy pequeña diferencia de energía. En el visible también se observan algunas de las transiciones de electrones d de los iones de los metales de transición y las de los electrones f de los lantánidos y los actínidos. Estos últimos presentan picos estrechos y agudos. Para este tipo de transiciones no se afectan los electrones exteriores enlazantes con números quánticos mas grandes, sino que ocurren con electrones no enlazantes. Los iones de metales de transición generalmente presentan soluciones coloridas fáciles de estudiar por espectroscopía visible debido a transiciones de los electrones 3d y 4d no enlazantes. Presentan bandas anchas. Las transiciones dependen de los ligantes ya que estos ocasionan desdoblamiento de los niveles de energía de los orbitales d normalmente degenerados. Lo anterior es debido a lo que se conoce como fuerza del campo ligante. Con fines analíticos, la espectroscopía del visible se utiliza para estudiar transiciones ! y " en casos de que estos enlaces estén conjugados. Es mas útil para analizar especies inorgánicas de metales de transición, lantánidos y actínidos, que presentan trasferencias de carga con absortividades muy grandes. Para este fin se forman complejos de los metales con especies no absorbentes (ligandos) como es el caso del Fe con tiocianato, Fe con orto fenantrolina, Ni con dimetilglioxima, Pb con difenilcarbazona, Cu con dietiltiocarbamato,etc. En estos complejos se presenta un redox interno momentáneo donde un electrón excitado puede pasar del ligando al metal, ó viceversa, y luego regresar al estado fundamental, utilizando para el proceso, energía aportada por una radiación del rango del visible.

ULTRAVIOLETA

La radiación UV tiene mayor energía que la radiación visible (de 100-190 nm en el UV lejano y de 190-400 nm en el UV cercano) por lo que se utiliza para transiciones de mayor energía. Las transiciones mas estudiadas en UV son ! "!

*

,! "!*

y !"#

*

.! "!

*

: Esta transición se presenta principalmente en compuestos orgánicos sin grupos cromóforos, es decir, con solo enlaces sencillos. Son sumamente energéticas y corresponden a longitudes de onda del ultravioleta lejano, también denominado ultravioleta al vacío porque aquí absorbe todo, incluido el aire, y que va desde 100 a 200 nm. Ejemplos de moléculas que presentan este tipo de transiciones son el metano, con solo enlaces C-H y una ! max de 125 nm. el etano, con uniones C-C y C-H presenta una ! max de 135 nm, en virtud de que el enlace C-C tiene menos fuerza que el C-H y por lo tanto requiere menor energía, es decir mayor longitud de onda.!"#

*

: Esta se da por pares de electrones libres ó no compartidos. Si no hay cromóforos son transiciones muy energéticas y caen en longitudes de onda de entre 150 y 250 nm (principalmente abajo de los 200 nm). moléculas que presentan este tipo de transiciones son el agua, con una ! max de 167 nm, CH3Cl, con una ! max de 173 nm, el éter metílico con una ! max de 184 nm y las aminas con ! max arriba de 200 nm. Estas transiciones se desplazan a ! max aún mas cortas (de mayor energía) en disolventes polares como el agua ó los alcoholes. En el UV también caen algunas transiciones ! "!

*

y !"#*

. Los alquenos y alquinos no conjugados regularmente caen en el UV al vacío ó el UV, presentando ocasionalmente mas de un pico (cuando son sustituidos). Las cetonas también caen en el UV.

TERMINOLOGIA DE UV-VIS

Existen algunos términos ampliamente utilizados en espectroscopía de UV-Vis. Uno de ellos es el ya mencionado de grupos cromóforos, los cuales son grupos ó centros absorbentes insaturados y que absorben tanto en UV como en el Vis. Otro término común es el de los auxocromos los cuales son centros ó grupos que producen el efecto de desplazar a longitudes de onda mas largas ó mas cortas las !max de absorción de los grupos cromóforos, además de aumentar la intensidad de la absorción. Grupos auxocromos comunes son el -OH, -NH2,-SH y algunos halógenos. Todos estos tienen pares de electrones no enlazados y son las transiciones ó conjugación de los electrones ! las causantes de estos efectos. Un efecto auxocromo muy común es el que se presenta en aromáticos sustituidos.Desplazamiento batocrómico: Desplazamiento de las bandas ó los picos hacia longitudes de onda mayores (hacia el rojo). Es un desplazamiento común en transiciones ! "!

*

cuando las mediciones se hacen en disolventes polares. La causa, en algunos casos, es la polarización atractiva entre el disolvente y la especie absorbente, lo cual origina que se reduzcan los niveles de energía de los estados excitado y fundamental, siendo mas marcado en el excitado por lo que el diferencial de energía se hace mas chico. El disolvente “mueve” a los electrones ! hacia un lado y esto ocasiona

que sea mas fácil el brinco hacia el ! *. Este efecto lo causan el disolvente, los grupos auxocromos y la conjugación.

Desplazamiento hipsocrómico: Este es lo contrario del desplazamiento batocrómico, es decir es un desplazamiento hacia mayores energías (menores longitudes de onda), hacia el azúl. Este desplazamiento también lo origina los disolventes polares cuando la transición es de tipo !"#

*

. Los pares de electrones no compartidos ó libres del absorbente forman puentes de hidrógeno con el disolvente polar (ejemplo agua ó alcoholes) haciéndolos menos disponibles. La energía del orbital ! se reduce en una proporción aproximadamente igual a la energía del puente de hidrógeno.

SISTEMAS CONJUGADOS

Si un mismo cromóforo está presente en diferentes moléculas, estas absorberán aproximadamente a la misma longitud de onda y presentaran las mismas absortividades, siempre y cuando no haya perturbaciones. Cuando estos cromóforos, dos ó mas, están en la misma molécula pero están separados por dos ó mas enlaces simples (aislados) la !max de estos será la misma pero se presentará un efecto aditivo en la absortividad ya

que ahora será necesario mas de un fotón de radiación para llevar a los grupos cromóforos al estado excitado. Por el contrario, si dos ó mas cromóforos presentes en la misma molécula están separados por un solo enlace sencillo (conjugados), además del incremento en la absortividad, habrá también un efecto en la !max de absorción de la transición con un corrimiento hacia el extremo rojo del espectro, es decir, un desplazamiento batocrómico, ya que el sistema ! de electrones se distribuye sobre, por lo menos, cuatro centros atómicos. Por ejemplo, una diolefina aislada ó no conjugada tendrá una !max de 185 nm, en tanto que una diolefina conjugada presentará una !max de 217 nm. Alquenos y dienos no conjugados presentan !max " 200 nm en tanto que los conjugados presentan sus !max

" 200 nm . El mismo fenómeno se presenta en carbonilos !," insaturados los cuales presentan desplazamientos de hasta 40 nm ó mas en la banda de la transición !"#

*

, además de que aparece en el UV normal la banda ! "!

*

que normalmente aparece en el UV al vacío. En sistemas con conjugación extendida (ejemplo los polienos) la coplanaridad es muy importante para el perfecto traslape de todos los orbitales p involucrados. Bifenilos sin impedimento estérico presentan coplanaridad y por lo tanto conjugación, en tanto que si ponemos sustituyentes voluminosos en las posiciones orto se impide la coplanaridad y por lo tanto la conjugación. Las !max son susceptibles a los sustituyentes ó átomos unidos a los carbonos del doble enlace, de suerte que siguiendo ciertas reglas se puede predecir la !max de absorción y en ciertos casos, incluso, nos servirá para determinaciones estructurales. Es decir, la estructura completa de una molécula conjugada se presta para correlaciones matemáticas. La mecánica quántica y la teoría de los orbitales moleculares (TOM) nos dan las respuestas a este fenómeno:

E

eteno171 nm

! Homo

!* lumo

1,3 butadieno 217 nm

!1

!2Homo

!3

*lumo

!4

*

1,3,5 hexatrieno

!1

!2

!3Homo

!4

*lumo

!5

*

!6

*

1,3,5,7 octatetraeno

!1

!2

!3

!4Homo

!5

*lumo

!6

*

!7

*

!8

*

Cuando una molécula absorbe luz, un electrón es excitado y pasa de un orbital molecular Homo hacia un Lumo. Para la mayoría de los alqueno y polienos, el Homo es un orbital ! de enlace, en tanto que el Lumo es un orbital molecular ! *. La longitud de onda de la absorción máxima (!max ) es determinada por la diferencia en energía entre estos dos niveles. En el eteno la diferencia en energía es grande y por lo tanto necesita radiación de longitudes pequeñas. La conjugación en el 1,3 butadieno hace mas pequeña la diferencia en energía de los dos orbitales conjugados. Los trienos conjugados requieren menor energía aún y por lo tanto longitudes de onda mayores (hacia el rojo) porque el diferencial de energía entre el Homo y el Lumo es aún menor. Los polienos conjugados normalmente absorben en el visible presentando soluciones muy coloridas.Regla: Entre mas enlaces múltiples conjugados tenga un compuesto, mas larga será la longitud de onda de la radiación que necesitará para la transición electrónica.

Beta-caroteno (497 nm)dá el color naranja a las zanahorias

Licopeno (505 nm)color rojo de los tomates

CH2

CH C

CH3

O..

..CH

2CH C

CH3

O..

..

!"#*

$max = 324 nm (% = 24) # "#*

$max = 219 nm (% = 3600) 1

1.2.2.2. características generales de los instrumentos

Instrumentos para espectroscopía visible En este tipo de espectroscopía se utilizan los fotómetros, que son equipos que miden la potencia de un haz de radiación. Los mas comunes son los espectrofotómetros que trabajan en todo el rango del visible y que pueden trabajar en una sola longitud de onda ó realizar espectros de todo el rango. Los hay de un haz y de doble haz.De un haz: Estos constan de una fuente de radiación, lámpara de tungsteno, una lente que produce un haz paralelo, un diafragma de ajuste, un filtro y/ó monocromador (filtros de interferencia, prismas, rendijas de difracción dobles ó múltiples ó redes de difracción) la celda para la muestra y el detector , el cual, normalmente, es una celda fotovoltaica con un microamperímetro ó un tubo fotomultiplicador. La calibración a cero para eliminar las pequeñas absorciones de reactivos ó solvente se realiza variando la abertura del diafragma que deja pasar la luz, en algunos casos, y en otros casos variando el voltaje aplicado a la lámpara.De doble haz: En estos el haz se divide en dos por medio de un espejo. De los dos haces producidos, uno va a la muestra y el otro va al disolvente ó al blanco. Consta de dos celdas fotovoltaicas, una para cada haz, y el equipo saca la diferencia entre las dos potencias y la aplica a la lectura.Un ejemplo tradicional de este tipo de equipos es el llamado Spectronic 20 de Bauch-Lamb, el cual consta de dos fototubos (detectores), uno para detectar las fluctuaciones de salida de la fuente de luz y el otro para la medición en si luego de que el haz pasa por la muestra. La fuente de luz es una lámpara de tungsteno y cuenta con un lente que hace haces paralelos, una rendija monocromadora y un dispositivo en forma de V para ajustar al 100 % T (moviéndose hacia adentro ó hacia afuera en relación al haz). Así mismo tiene un obturador que tapa el paso de luz para ajustar a 0 %T (este actúa cuando se retira la celda), tiene el portacelda y un filtro. El fototubo cubre un rango de 340-625 nm y su sensibilidad se puede extender hasta 950 nm utilizando un filtro rojo adicional. El ancho de banda de este aparato es de 20 nm.

1

Instrumentos para espectroscopía de ultravioleta También se utilizan espectrofotómetros, los cuales son muy similares a los utilizados en el visible con la diferencia en el tipo de fuente de radiación ó lámpara, que en estos casos puede ser una lámpara de deuterio ó de hidrógeno. Los hay de un haz y de doble haz. La mayoría utilizan tubos fotomultiplicadores como detectores, y monocromadores . Hay equipos digitales y de analógicos. Gran cantidad de estos equipos trabajan en los dos rangos, Visible y UV, solo cambiando la fuente de radiación por medio de algún mecanismo.

1.2.2.3. Algunas aplicaciones La espectroscopia de UV-Vis es muy útil principalmente desde el punto de vista cuantitativo, ya que hay una correlación directa entre la absorbancia y la concentración (ley de Lambert-Beer), por lo que su mayor utilidad es en este sentido, sin embargo también tiene aplicaciones cualitativas si se relacionan los grupos funcionales absorbentes con la absorción en cierta región del espectro.

Los diferentes tipos de transiciones electrónicas tienen !max característicos. Las transiciones mas importantes en UV-VIS son las debidas a la presencia de orbitales moleculares ! ó a pares de electrones no enlazados, electrones "! ", los cuales generan transiciones ! "!

#ó$"!

#

, así como a los electrones d y f. El mismo tipo de transición no ocurren exactamente en el mismo valor de ! en todas las moléculas debido a desplazamientos batocromicos ó hipsocromicos ocasionados por las diferentes conformaciones que adquieren las moléculas en razón de los sustituyentes que pueden tener y esto hace mejores ó menores traslapos de orbitales. Así mismo los sustituyentes pueden generar extensiones de conjugación, por dobles enlaces adicionales, ó generar conjugaciones que no había, por la presencia de pares de electrones libres.

Estas características se prestan a correlaciones numéricas y en base a ellas y a una gran cantidad de análisis de substancias conocidas, Woodward y Fieser encontraron una serie de correlaciones empíricas que los llevaron a elaborar una serie de reglas que permiten predecir la !max a la que absorberán sustancias que presenten este tipo de transiciones, como es el caso de los dienos, polienos, carbonilos ! ," insaturados, aldehidos! ," insaturados, ácidos! ," insaturados, esteres ! ," insaturados, además de las enonas y aromáticos sustituidos, tratándose en todos los casos de sistemas conjugados. Hay que aclarar que algunas de las tablas fueron elaboradas por otros autores.La transición !"#

$

se presenta entre en el UV, cerca del visible, con absortividades muy bajas, alrededor de 100 L / cm mol ó menos , en tanto que la transición ! "!

#

ocurre a longitudes de onda mas cortas pero con absortividades muy altas. Estos valores de !max y ! se modifican en gran medida por lo antes expuesto, encontrándose , por ejemplo, dienos con absortividades de hasta 260,000 L / cm mol.

REGLAS DE WOODWARD-FIESER PARA UV

DIENOS! max = 217-245 nm , ε = 20,000-260,000 L / cm mol

Homoanular Heteroanular (cisoide) (transoide)

Valor base 253 nm 214 nmValor base para los acíclicos 217 nmincremento para:dobles enlaces adicionales a conjugación 30 30sustituyente alquílico ó resto de anillo 5 5doble enlace exociclico 5 5grupos polares:-OCOCH3 0 0-OR 6 6-Cl, -Br 5 5-NR2 60 60

ENONASλmax = 310-330 nm, ε = 50-100 L/cm mol (n →π*)

λmax = 220-250 nm , ε = 8,000-20,000 L /cm mol (π→π*)

Valor base anillo de 6 miembros o enonas acíclicas parecidas 215 nmanillos de 5 miembros (ciclopentenonas) ó acíclicas 202 nmdienonas acíclicas 245 nmIncrementos para:doble enlace extra en la conjugación 30 nmgrupo alquílico ó residuo de anillo α10 nm β12 nm γ ó mayor 18 nmdoble enlace exociclico 5 nmcomponente de dieno homociclico 39 nmcorrección por solvente variable

Grupos polares:-OH α 35 nm -OCH3 α 35 nm

β30 β30γ50 γ17 y δ31

-OCOCH3 α,β,γ 6 nm -Br α25 nm -Cl α15 β20

β12 -NR2 β95

ALDEHIDOS α,β INSATURADOS

Siguen las mismas reglas que para enonas simples

Valor base 208 nm con alquilos α ó β 220 nm con α ,β ó β, β alquilos 230 nm con α,β,β alquilos 242 nm

ACIDOS Y ESTERES α,β INSATURADOSTabla elaborada por Nielsen

Siguen las mismas reglas que las enonas simples Valores base con: Alquilos α ó β 208 nm alquilos α,β ó β,β 217 nm alquilos α,β,β 225 nmpara un doble enlace α,β exociclico sume 5 nmpara un doble enlace α,β endociclico en anillos de 5 a 7 miembros sume 5 nm