SPETTROSCOPIA MOLECOLARE

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1 SPETTROSCOPIA MOLECOLARE La spettroscopia molecolare studia l assorbimento o l emissione delle radiazioni elettromagnetiche da parte delle molecole. Il dato sperimentale che si ottiene, chiamato rispettivamente spettro di assorbimento o di emissione, mette in relazione l intensità della radiazione assorbita o emessa al variare della frequenza, o della lunghezza d onda. Da tali spettri si ottengono informazioni sulla natura delle molecole e in moltri casi è possibile determinarne quantitativamente varie proprietà. In questo modo diventa possibile avere precise informazioni per esempio su forma, dimensioni, flessibilità e struttura elettronica. La relativa facilità di acquisizione dei dati e il costo non eccessivo di gran parte dell apparecchiatura necessaria per questo tipo di analisi, consentono una larga diffusione delle tecniche spettroscopiche nella diagnostica chimica. Quando si affronta lo studio dell interazione energia-molecola è lecito classificare gli spettri in funzione del tipo di energia coinvolta nell assorbimento o emissione da parte della molecola. Si parla quindi di: 1) spettri rotazionali: dovuti al salto tra livelli energetici di rotazione; 2) spettri vibrazionali: dovuti al salto tra livelli energetici di vibrazione; 3) spettri elettronici: dovuti al salto tra diversi livelli elettronici. La classificazione della strumentazione segue sostanzialmente il tipo di energia messa in gioco, si parla quindi spettroscopia: a microonde sorgenti klystron, detector a cristalli; infrarossa sorgenti ceramiche a incandescenza, monocromatori a interferometro, detecor a termoresistenza o termocoppia; nella spettroscopia Raman la sorgente è un laser; visibile e UV sorgenti a tungsteno o a idrogeno, monocromatori a prisma o reticolo, detector fotomoltiplicatori.

2 CENNI DI SPETTROSCOPIA Un onda elettromagnetica è descritta come una oscillazione di un campo elettrico e di un campo magnetico perpendicolari tra loro lungo la direzione di propagazione. In accordo con questa descrizione le diverse onde e.m. sono caratterizzate da determinate lunghezze d onda λ e frequenze ν. Per un onda e.m. che viaggia alla velocità della luce c si può facilmente verificare: ν = c / λ Quando una molecola, inizialmente allo stato quantico E, è irradiata da una onda e.m. di frequenza í, può passare allo stato eccitato E in accordo con la condizione di Bohr: E = E' E = hν dove h è la costante di Planck ( J sec) In molte analisi spettroscopiche i valori di frequenza vengono sostituiti con i numeri d onda (cm -1 ) determinati dividendo il valore della frequenza con la velocità della luce. La trasmittanza T a un dato numero d onda può essere calcolata secondo la relazione: T = I / I Lo spettro in trasmissione si ottiene ponendo in grafico la trasmittanza (generalmente in %) contro la frequenza. Analogamente l assorbanza A a un dato numero d onda si determina dalla legge di Lambert-Beer: A = -logt = abc Dove: I = intensità della radiazione incidente; I = intensità della radiazione trasmessa; a = assorbività; b = cammino ottico della cella di misura; c = concentrazione. I componenti fondamentali di uno spettrofotometro sono: Sorgente Monocromatore Campione Rivelatore

3 RISONANZA MAGNETICA NUCLEARE Per alcuni nuclei le particelle cariche in rotazione, che generano campi magnetici, possono assumere, nel campo delle radiofrequenze, energie differenti passando da un livello di spin nucleare ad un altro. La peculiarità della NMR è che fornisce indicazioni sul tipo numero di idrogeni ( 1 H- NMR più diffusa) o di carboni ( 13 C-NMR meno diffusa) presenti in una molecola. Nel caso di un nucleo isolato, applicando un campo magnetico di 7.05 Tesla (ormai facilmente raggiungibile) la differenza di energia tra due diversi stati di spin nucleare per 1 H è 0.12kJ/mole corrispondente a circa 300 MHz. Gli idrogeni di una molecola sono invece circondati da elettroni che creano dei campi magnetici locali che si oppongono al campo applicato variando quindi la radiofrequenza di risonanza. Essendo le differenze limitate, è consuetudine misurare la frequenza di risonanza dei singoli idrogeni rispetto al composto standard tetrametilsilano. Per standardizzare dei dati NMR si è adottato un parametro detto chemical shift (δ) espresso in ppm definito δ = ν campione - ν rif. ( Hz) / ν rif. (MHz). In questo modo molecole con due o più gruppi di H equivalenti generano diversi segnali; per esempio il ciclopentanone produrrà 2 segnali di aree uguale, il cicloesene 3 con rapporti fra le aree 2:2:1. Occorre inoltre osservare che anche i protoni adiacenti al nucleo in esame genera una campo magnetico influenzando la frequenza di risonanza. Questa interazione si manifesta attraverso lo sdoppiamento (detto splitting iperfine) delle bande ed è straordinariamente utile nella determinazione delle strutture molecolari. Nell esempio riportato di seguito è mostrato lo spettro NMR dell 1-nitropropano. (K.A. Rubinson e J.F. Rubinson, Chimica Analitica Strumentale, 2002 Zanichelli, Bologna)

4 SPETTROSCOPIA INFRAROSSA Le energie coinvolte con le transizioni dei livelli vibrazionali della maggior parte delle molecole covalenti sono nell ordine delle decine di kj/mole e sono quindi associate ad assorbimenti nel campo spettrale dell infrarosso. I moti vibrazionali più semplici sono quelli di stiramento e di deformazione rispettivamente della lunghezza e dell angolo di legame. Applicando la legge di Hooke al legame chimico, dove la costante è un indice della forza del legame stesso, non è difficile derivare un modello che consente di associare ad ogni vibrazione una frequenza. Per esempio, una molecola come l anidride carbonica presenterà due modi di stiramento (simmetrico ed asimmetrico) e due modi di deformazione ( sul piano e fuori dal piano). Per ragioni quantomeccaniche non tutti questi moti sono associati a bande registrate in uno spettro infrarosso. Nella pratica esistono delle tavole di correlazione dove sono correlati gli assorbimenti caratteristici per i diversi tipi di legami e gruppi funzionali. Di seguito è riportato lo spettro FT-IR del polipropilene Stretching Deformation Absorbance Wavenumbers (cm-1) 1000

5 METODI CROMATOGRAFICI La cromatografia comprende una serie di metodi di separazione che consentono di separare, identificare e determinare componenti più o meno simili in miscele complesse. Tutti questi mezzi utilizzano una fase stazionaria e una fase mobile. Il flusso della fase mobile trasporta attraverso la fase stazionaria i componenti di una miscela; la separazione di questi componenti dipende dalla differenza delle loro velocità di migrazione. La fase mobile può essere un liquido o un gas. La fase mobile viene adsorbita o legata chimicamente alla fase stazionaria finemente suddivisa. Alternativamente la ritenzione può avvenire nei pori o negli interstizi. In analisi qualitativa, la cromatografia è largamente usata per riconoscere la presenza o l assenza di componenti in miscele le cui identità siano conosciute. In ogni caso, la cromatografia può sempre essere impiegata come primo stadio di una analisi qualitativa affrontata con tecniche spettroscopiche. L enorme diffusione e sviluppo della cromatografia, dovuto alla sua velocità, semplicità e relativo contenimento dei costi, principalmente da associare alle informazioni quantitative sulle specie separate. L analisi cromatografica quantitativa si basa sul confronto delle altezze o delle aree di picco con quelle dello standard.

6 SPETTROMETRIA DI MASSA Questa tecnica separa gli ioni molecolari in base alla loro massa servendosi di un campo magnetico e fornisce dati qualitativi e quantitativi della sostanza analizzata. Lo spettrometro è composto dai seguenti stadi: a) una camera dove il campione viene vaporizzato e ionizzato; b) un campo elettrico che accelera gli ioni formando un sottile raggio che, attraversando una serie di magneti, viene deviato al rivelatore. Tanto maggiore è la massa delle particelle, tanto maggiore è l angolo di deviazione. I risultati compaiono come una serie di picchi di altezza proporzionale al numero relativo delle particelle di massa corrispondente. Il punto di forza di questa tecnica è l identificazione di specie molecolari, ma lo spettro diventa di difficile interpretazione in presenza di miscele a più componenti. La spettrometria di massa e le tecniche di separazione presentano quindi vantaggi e svantaggi complementari. Un accoppiamento tra le due rappresenta invece una delle più potenti classi di tecniche analitiche. Un semplice esempio è mostrato dalla GC/MS, dove lo spettrometro di massa è utilizzato come rivelatore gascromatografico. Nell esempio riportato di seguito è mostrato il risultato di un analisi GC/MS della proteina citocromo c. (K.A. Rubinson e J.F. Rubinson, Chimica Analitica Strumentale, 2002 Zanichelli, Bologna)