Spettroscopia risolta nel tempo
La “femtochimica”
Studi cinetici:
Velocità delle reazioni
Barriere di attivazione (Arrhenius)
Natura degli intermedi
In alcuni casi si generano intermedi di reazione a vita
sufficientemente lunga da essere osservati facilmente.
Il limite estremo consiste nella rivelazione degli stati di
transizione, che in genere hanno vita paragonabile ai tempi
di vibrazione delle molecole (fs)
1 fs = 10-15 s
1 fs : 1s = 1s : 32 106 anni
Approccio
sperimentale
Risoluzione
temporale
Anno di
introduzione
~s
Stopped flow
~ms
1940
Flash photolysis
~ms
1950
~ns
1960
~ps
1966
~fs
1990
Laser flash photolysis
(laser al rubino)
(laser Nd:YAG)
Laser Ti:Sa
Fotochimica
Mischiare i reagenti
L’approccio fotochimico
Non si mischiano i reagenti, ma ci si mette in condizioni tali per
cui la reazione inizia solo quando il sistema è perturbato da un
impulso di luce (flash di “pompa”).
In genere l’impulso porta nello stato eccitato uni dei reagenti, ma
può anche variare la temperatura o il pH della soluzione.
L’impulso di pompa deve essere più breve della reazione da
osservare (la limitazione temporale è data dalla durata
dell’impulso).
Si segue nel tempo il comportamento del sistema, ad esempio
misurando l’assorbanza ad una l particolarmente significativa
(ma si può utilizzare qualunque altra tecnica con risoluzione
temporale sufficiente).
Esempio: reazione monomolecolare
A  B kAB  k BA
t 0
[A]t0  C [B]t0  0
A(t  0)  l AC
t  0 impulso di luce
[A]t0  A0 [B]t0  B0  C  A0
A(t  0)  l{ A[A]t0   B [B]t0 }  l{ A A0   B (C  A0 )}
t 0
[B]t  B0 ek B A t
[A]t  A0  (B0 [B]t )  A0  (C  A0 )(1 ek B A t )
A(t)  l{ A[A]t   B [B]t }  l{ A [A0  (C  A0 )(1 ekB A t )]  B (C  A0 )ek B A t 
 l{ AC  ek B A t ( B   A )(C  A0 )} 
 At  Aek B A t
At  l AC  A(t  0)
A  l( B   A )(C  A0 )
Approccio sperimentale
Monocromatore
Campione Fototubo
Flash
Laser
Computer
Metodo “pump-probe”
• Il tempo di risposta di un fototubo è dell’ordine dei ns. Cinetiche più lente
possono essere rivelate osservando direttamente il segnale in uscita del fototubo
in funzione del tempo.
• Per cinetiche più veloci si usa il metodo detto “pump-probe”.
• Si utilizza un primo impulso (“pump”) per dare inizio alla reazione chimica.
• Si invia poi un secondo impulso laser (“probe”, della stessa durata del “pump”,
ad esempio fs) con un determinato ritardo (t) per misurare l’assorbimento a
quel tempo.
• Variando il ritardo t si misura l’assorbimento a tutti i tempi.
• Il ritardo viene variato allungando il cammino ottico del fascio laser (in un fs la
luce percorre 30 mm).
• La risoluzione temporale è limitata solo dalla durata degli impulsi utilizzati.
Fluorescenza risolta nel tempo:
”pump & probe”
• Metodo analogo alle misure di assorbimento transiente.
• Il primo impulso (pump) eccita il campione.
• Il secondo impulso arriva, insieme alla fluorescenza, in un cristallo con proprietà
non lineari.
• Quando nel cristallo arrivano due radiazioni di lunghezza d’onda 1 e 2, in
uscita è presente una radiazione a 3 = 1 + 2, proporzionale all’intensità di
I(1) e I(2).
• Questa radiazione è presente solo durante l’impulso di “probe” ed ha intensità
proporzionale alla fluorescenza a quel tempo.
1
2
3
Nobel per la Chimica 1999
Ahmed H. Zewail
"for his studies of the
transition states of
chemical reactions
using femtosecond
spectroscopy"
Esercitazione
• Fotoisomerizzazione di un derivato dell’azobenzene
h
N
N
h
Trans
• La forma trans è di gran lunga più stabile (50 kJ
mole-1).
• Lo stato eccitato della forma trans decade
rapidamente sia nella forma trans che nella cis (ps).
• Lo stesso accade per eccitazione dell’isomero cis.
• L’isomero cis torna spontaneamente nella forma
trans, ma molto lentamente (~giorni), a causa di una
elevata barriera di attivazione (96 kJ mole-1).
• Lo spettro di assorbimento dei due isomeri è molto
diverso (fotocromismo).
N
N
Cis
Applicazioni
Nota: un meccanismo simile è responsabile della visione
(isomerizzazione cis-trans nel retinale).
•Memorie
•Interruttori
•Macchine molecolari
•Coloranti fotocromici
•Controllo ottico di strutture (bio)molecolari
Esperienza: l’arancio metile
SO3-
N
N
N
CH3
CH3
•L’isomerizzazione spontanea cis-trans è molto più veloce (~s).
•Lo spettro è completamente spostato.
•Esperienza:
• Preparazione della soluzione alla giusta concentrazione.
• Determinazione dello spettro di assorbimento della forma
trans.
• Determinazione della cinetica di isomerizzazione
spontanea cis-trans, a seguito di flash luminoso.
• Determinazione del A a varie lunghezze d’onda e quindi
dello spettro transiente.
Le curve sperimentali