Spettroscopia UV-Vis dei coloranti

Quando la luce raggiunge una sostanza, una parte viene assorbita da essa, mentre il resto viene riflesso o trasmesso attraverso di essa. Il colore della sostanza, così come lo percepiamo, dipende da quali lunghezze d'onda è più probabile che rifletta. Ad esempio, un pezzo di tessuto che vediamo come blu contiene una tintura che riflette fortemente la luce blu e assorbe fortemente la luce arancione e rossa.

I coloranti sono tipicamente composti coniugati, il che significa che hanno legami doppi e singoli alternati. Gli elettroni possono muoversi liberamente all'interno del sistema coniugato. I coloranti di colore diverso devono variare nelle lunghezze d'onda della luce che assorbono. Quando guardiamo alcuni esempi, vediamo che la lunghezza d'onda assorbita aumenta con la quantità di coniugazione.

Quindi, in che modo la lunghezza d'onda è correlata al grado di coniugazione? Consideriamo i livelli di energia molecolare. Possiamo pensare agli elettroni delocalizzati come occupanti orbitali molecolari, o MO. Una molecola assorbe la luce con l'esatta energia necessaria per eccitare un elettrone a un orbitale molecolare di energia più elevata. La transizione più probabile è dall'orbitale molecolare più alto occupato, chiamato HOMO, all'orbitale molecolare non occupato più basso, o LUMO. Quindi, ci aspettiamo che la lunghezza d'onda più assorbita corrisponda al divario di energia HOMO - LUMO.

Le molecole con coniugazione scarsa o assente hanno tipicamente un grande gap HOMO - LUMO. Assorbono la luce UV e riflettono tutta la luce visibile, quindi appaiono bianchi o incolori. I legami coniugati stabilizzano le molecole abbassando i loro livelli di energia, in particolare ad alte energie. Maggiore è il grado di coniugazione, minore è il gap HOMO - LUMO e maggiore è la lunghezza d'onda assorbita. Anche i metalli e le sostituzioni influenzano il divario.

Diamo un'occhiata a un esempio. Il retinolo ha un piccolo sistema coniugato, mentre la clorofilla a ha un grande sistema con azoto e magnesio. Il retinolo assorbe a 325 nm, mentre la clorofilla a assorbe sia a 430 che a 662 nm. Come previsto, il divario energetico del retinolo è maggiore.

Possiamo studiare l'assorbimento utilizzando uno spettrofotometro UV e luce visibile o UV-Vis. Uno spettrofotometro è costituito da una sorgente luminosa, un modo per controllare le lunghezze d'onda ricevute dal campione e un rilevatore di luce. Il campione è in genere una soluzione trasparente. L'assorbanza può essere misurata a una lunghezza d'onda specifica o misurata su un intervallo di lunghezze d'onda poiché i composti spesso assorbono a più di una lunghezza d'onda. Inoltre, vediamo una gamma di lunghezze d'onda per ogni transizione perché le molecole sono in diversi orientamenti e stati vibrazionali.

Durante la misurazione, la luce viene assorbita, passa attraverso senza entrare in contatto con alcuna molecola o rimbalza su un solvente o una molecola composta. Ignoriamo la piccola quantità di luce che rimbalza all'indietro. A volte, la luce che potrebbe essere assorbita da una molecola rimbalza invece su di essa. Descriviamo quanto bene una sostanza trasmette una specifica lunghezza d'onda con un coefficiente di attenuazione molare unico. Mentre l'assorbanza cambia con la concentrazione, il coefficiente di attenuazione molare non lo fa.

Dopo la misurazione, lo spettrofotometro confronta la luce ricevuta e quella originale in un rapporto chiamato trasmittanza. L'assorbanza è il logaritmo negativo in base 10 della trasmittanza. Se lo spettrofotometro ha l'assorbanza del solvente, la sottrae per mostrare solo il composto. I risultati vengono solitamente visualizzati come assorbanza rispetto alla lunghezza d'onda. La lunghezza d'onda alla quale il composto assorbe di più è chiamata lambda max. Se calcolassimo il coefficiente di attenuazione molare per ciascuna lunghezza d'onda, sarebbe più alto a lambda max.

Il coefficiente di attenuazione molare, l'assorbanza, la concentrazione del campione e la lunghezza del percorso, che è la distanza percorsa dalla luce attraverso il campione, sono correlati dalla legge di Beer-Lambert. Se conosciamo tre variabili, possiamo calcolare la quarta.

In questo laboratorio, analizzerai le caratteristiche di assorbimento della fluoresceina, del beta carotene e del colorante indaco utilizzando uno spettrofotometro UV-Vis. Utilizzerai quindi la legge di Beer-Lambert per creare una curva di calibrazione del β-carotene e quindi determinare la concentrazione della soluzione di β-carotene.