Proprietà ottiche di DACC in soluzione
Le proprietà ottiche di DACC in termini di assorbimento ed emissione sono state analizzate in soluzione di cloroformio 5x10-6M. L’emissione è stata valutata eccitando il campione ad 430 nm e lo spettro di
assorbimento UV-vis è stato registrato ad una compresa tra 350 e 650 nm. Gli spettri di emissione e assorbimento sono stati riportati in figura 3.6.1
Figura 3.6.1: Spettro di assorbimento (nero) ed emissione (rosso) di DACC in soluzione di CHCl3 5x10-6M
La soluzione mostra un’assorbanza massima ad una nm ed un’emissione massima ad una nmSi ha così uno shift di Stokes calcolata secondo l’equazione 3.6 pari a 22 nm.
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Il coefficiente di estinzione molare () è stato ottenuto plottando i valori di assorbanza massimi, ottenuti eccitando il campione ad una compresa tra 350 e 650 nm, in funzione della
concentrazione per soluzioni in CHCl3 con un intervallo di concentrazione compreso tra 1x10-5 e
1x10-7. Si ottiene così un valore di = 42960 M-1 x cm-1 in accordo con i dati presenti in letteratura
per il medesimo composto84. Gli spettri di assorbimento UV-vis e di emissione nell’intervallo di
concentrazione studiato sono riportati rispettivamente nelle figure 3.6.2. e 3.6.3
Figura 3.6.2: Spettro di assorbimento UV-vis vs concentrazione molare per DACC in soluzioni di cloroformio Inset: legge di Lambert-Beer ottenuta graficando i valori dei dati sperimentali
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Figura 3.6.3: spettro di emissione di DACC in CHCl3 ottenuto eccitando il campione ad una nm
Dalla figura 3.6.3 si nota come all’aumentare della concentrazione si ha un notevole aumento dell’intensità di emissione dovuto al maggior quantitativo di fluoroforo. Il solvente in questione non è in grado di stabilizzare il momento di dipolo che si origina in seguito al trasferimento di carica intramolecolare (ICT), causato dall’assorbimento del fotone 3.6.6. Ne risulta quindi un’elevata emissione di fluorescenza in solventi a bassa o moderata polarità. In particolare, si è riscontrata un’elevata resa quantica in cloroformio (84% tabella 3.6.8), analogamente a quanto riportato in
letteratura84per solventi come diclorometano o toluene. Inoltre, come noto da letteratura84,
derivati della cumarina con sostituenti elettron-donatori in posizione 7 e sostituenti elettron- accettori in posizione 3 manifestano comportamento solvatocromico. Questo fenomeno è particolarmente apprezzabile nello spettro di emissione riportato in figura 3.6.4. Per valutare come la polarità del solvente influisce sulle proprietà ottiche di DACC sono state preparate delle soluzioni
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acetonitrile, etanolo, acetone, tetraidrofurano, cloroformio e toluene. Gli spettri di emissione registrati nei solventi prima citati sono riportati nel grafico 3.6.4
Figura 3.6.4: spettri di emissione normalizzata per DACC in soluzione 5x10-6M in solventi a differente polarità.
Figura 3.6.5: emissione di DACC in soluzione 1mg/mL di solventi a differente polarità illuminati con lampada UV con ecc = 366 nm
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La maggiore emissione in solventi con bassa o moderata polarità è dovuta alla scarsa interazione di questi solventi con il dipolo che si forma in seguito all’assorbimento della radiazione. La struttura chimica di DACC infatti presenta una zona in grado di donare elettroni, in particolare il gruppo
amminico, e da una parte in grado di accettare elettroni ossia il carbonile57.La struttura ipotizzata
dello stato con trasferimento di carica intramolecolare (ICT) e TICT è riportata nella figura 3.6.6. Di contro solventi come etanolo o acetonitrile, con un momento di dipolo maggiore, sono in grado di stabilizzare meglio il dipolo fotoindotto, prolungando il tempo di vita medio dello stato eccitato favorendo così fenomeni di diseccitazione per vie non radiative. Dalla figura 3.6.4 si nota inoltre che i massimi di emissione subiscono un red shift per solventi a maggiore polarità come etanolo acetonitrile ed acetone. In solventi di questo tipo la molecola ha il tempo di assumere una conformazione ruotata TICT dovuta a rotazioni intramolecolari. Questi moti rotazionali sono la causa
della bassa emissione e dello shift dei massimi a lunghezze d’onda maggiori57. Lo stato TICT infatti
presenta un gap di energia tra lo stato fondamentale S0 e lo stato eccitato S1 inferiore a quello della
molecola nello stato planare, di conseguenza l’emissione da questo stato risulta inferiore e spostata a lunghezze d’onda maggiori.
Figura 3.6.6: struttura dello stato fondamentale e dello stato ICT e dello stato TICT di DACC in rosso è evidenziato il gruppo elettron-donatore e in blu il gruppo elettron-attrattore.
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Figura 3.6.7: grafico shift di stokes vs polarizzabilità di orientazione
Nella figura 3.6.7 è stato riportato in ordinate lo shift di Stokes calcolato secondo l’eq. 3.6 e in ascisse
la polarizzabilità di orientazione (f) calcolato con l’equazione di Lippert-Mataga34 3.6.8. I dati sono
stati fittati con un fitting lineare. Dal grafico 3.6.7 si nota come solventi a maggiore polarità, valutata in termini di costante dielettrica, mostrano valori di shift di Stokes linearmente correlati ai valori del parametro (f). L’andamento lineare mostrato è dovuto al comportamento solvatocromico di DACC che pertanto si è dimostrato essere un tipico fluoroforo solvatocromico, confermando quanto
riportata in letteratura84. La deviazione dalla linearità che si ha per alcuni solventi è attribuita
principalmente a delle interazioni specifiche come legami a idrogeno intramolecolari, interazioni acido- base, o interazioni a trasferimento di carica che non vengono prese in considerazione dalla
relazione di Lippert -Mataga 34
∆𝑓 = (𝐽 − 1)
(2𝐽 + 1)−
(𝑛 − 1)
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dove J ed n sono rispettivamente la costante dielettrica e l’indice di rifrazione a 20°C dei solventi in
esame. Nella tabella 3.2.8 sono state riportate le proprietà ottiche delle soluzioni di DACC 5x10-6M
e dei solventi utilizzati.
Tabella 3.6.8: Proprietà ottiche per DACC in vari solventi
Solventi
Assorbanza
max
(nm)
Emissione
max
(nm)
Shift di Stokes(nm)
Rese quantiche
f
Cloroformio 430 453 23 84,1 0,148 Diclorometano 430 459 29 75,6 0,217 Toluene 420 442 22 75 0,013 Tetraidrofurano 420 457 37 44,9 0,209 Acetone 422 464 42 2,6 0,285 Etanolo 424 469 45 2,3 0,289 Acetonitrile 424 467 43 1,4 0,305I valori di resa quantica riportati in tabella 3.6.8 sono in ottimo accordo con i dati di letteratura 84 e
come previsto risultano essere notevolmente più bassi per solventi polari. Anche in questo caso l’andamento mostrato dai valori di resa quantica si spiega con l’effetto stabilizzante da parte dei solventi che hanno valori di costante dielettrica maggiori. Questi solventi infatti sono in grado di stabilizzare il dipolo fotoindotto attraverso interazioni specifiche quali interazioni dipolo-dipolo o legami a idrogeno, favorendo l’attivazione dello stato TICT. Sono state inoltre eseguite delle prove per valutare come la viscosità del mezzo influisce sulle proprietà ottiche di DACC. Il comportamento
FMR è stato investigato preparando soluzione madre 2x10-5 M di DACC in etanolo. Ad 1 mL di
soluzione madre sono state aggiunte quantità progressive di glicerolo ed infine portate a volume
con etanolo (Vf =10 mL). Si è utilizzato il glicerolo in quanto è noto essere un liquido molto viscoso.
Difatti la sua viscosità a 25°C è di 934 mPAs x s mentre la viscosità dell’etanolo a 25°C e di 1,2 mPA x s. Miscelando questi solventi si ottengono soluzioni a viscosità man mano crescente. Le soluzioni
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così preparate sono state analizzate tramite spettroscopia di fluorescenza, per valutare la risposta ottica di DACC al variare della viscosità. Lo spettro di emissione registrato è riportato in figura 3.6.9.
Figura 3.6.9: Spettro di emissione per DACCecc = 400 nm in soluzione 2x10-5M con l’aggiunta di quantità
progressive di glicerolo.
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Dall’analisi dello spettro di emissione riportato in figura 3.6.9, si osserva che le soluzioni aventi una quantità maggiore di glicerolo, e quindi viscosità maggiore, presentano valori di intensità di emissione significativamente più alti. Questo andamento crescente è attribuibile al comportamento FMR di DACC. Nelle soluzioni a maggior contenuto di etanolo è favorita, come precedentemente
discusso, l’attivazione dello stato TICT57. Man mano che viene aggiunto glicerolo la viscosità del
sistema aumenta. Questo porta a disattivazione dello stato TICT dovuta alla restrizione dei moti rotazionali. In questo caso infatti le rotazioni intramolecolari sono le principali vie di diseccitazione
non radiativa57. Aggiungendo progressivamente glicerolo si passa da una conformazione ruotata
poco emissiva ad una conformazione planare maggiormente emissiva in soluzione. La DACC si è quindi dimostrata essere un eccellente fluoroforo come sonda di viscosità e di polarità del sistema nella quale viene inserita. In questo elaborato sarà quindi utilizzata come sonda fluorescente per seguire il grado di polimerizzazione del poliuretano attraverso misure spettroscopiche di fluorescenza.
Proprietà ottiche: SAL-BARB in soluzione
Le proprietà ottiche di SAL-BARB in soluzione sono state analizzate in soluzione di cloroformio. Lo
spettro di assorbimento e di emissione ottenuti da una soluzione 5x10-6 M in cloroformio sono
riportati in figura 3.6.11. Gli spettri mostrano un’intensità massima di assorbimento a = 496 nm e un’intensità massima di emissione a = 548 nm si ha così uno shift di Stokes calcolato con l’eq. 3.6 di 52 nm.
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Figura 3.6.11: grafico assorbanza vs emissione (ecc = 509 nm) per soluzione 5x10-6 M in cloroformio di
SALBARB
Il coefficiente di estinzione molare è stato calcolato, analogamente a quanto riportato per DACC,
dalla legge di Lambert-Beer ottenuta plottando i valori di assorbanza massima in soluzioni di CHCl3
con una concentrazione compresa tra 1x10-5-1x10-7 M. Dalla legge di Lambert- Beer si è ottenuto il
valore di che è risultato essere x cm-1. Il coefficiente di estinzione molare risulta
essere maggiore a quelli riportati in letteratura per composti simili85. Si ha invece, una buona
correlazione con i dati di letteratura per quanto riguarda i massimi di assorbimento e di emissione
e lo shift di Stokes riscontrati.85 La linearità mostrata dalla legge di Lambert-Beer, figura 3.6.13
mostra che, in assorbimento, nell’intervallo di concentrazione studiato non ci sono fenomeni di aggregazione. Rispetto al fluoroforo precedentemente riportato, l’intensità di emissione a parità di
concentrazione, (5x10-6 M) in cloroformio, risulta essere notevolmente più bassa. Nonostante la
struttura chimica di SAL-BARB, analogamente a quella di DACC, è costituita da un gruppo elettron- donatore (gruppo amminico) e uno o più gruppi elettron- attrattore (dovuti ai carbonili presenti nell’acido dietiltiobarbiturico), SAL-BARB non presenta fenomeni di luminescenza in soluzione indifferentemente dalla polarità o viscosità del sistema. Questo quenching di emissione è probabilmente dovuto ai moti intramolecolari (RIR) o (RIV) attivi in soluzione. In figura 3.6.12 viene riportata la fluorescenza normalizzata in funzione della lunghezza d’onda per DACC e SAL-BARB.
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Figura 3.6.12: emissione normalizzata per SAL-BARB e DACC in soluzione di CHCl3 5x 10-6 M
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Dal grafico di 3.6.12 si osserva che SAL-BARB presenta un’intensità massima di emissione a lunghezze d’onda maggiori rispetto a DACC. La bassa emissione e la posizione di quest’ultima a lunghezze d’onda maggiori, è attribuita al minore gap energetico che si ha tra lo stato fondamentale
S0 e lo stato eccitato S1. Allo scopo di valutare la presenza o meno di aggregati in soluzione, e
verificare come questi modificano le proprietà ottiche, sono state preparate delle soluzioni di SAL- BARB in acetone/acqua. Sono stati scelti questi due solventi, in quanto SAL-BARB è solubile in
acetone ma insolubile in acqua. Si è inizialmente preparata una soluzione madre 2x10-5 M in
acetone. Ad 1 mL di tale soluzione sono state aggiunte aliquote progressive di acqua (non solvente). Gli spettri di emissione sono stati registrati ad una ecc = 497 nm pari alla lunghezza d’onda alla quale si è registrato massimo di assorbanza, l’emissione invece è stata valutata da 510 a 750 nm. Gli spettri di assorbimento UV-vis e di emissione così ottenuti sono riportati in figura 3.6.14 e 3.6.15 rispettivamente.
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Figura 3.6.15: Spettro assorbimento UV-vis di SAL-BARB in una soluzione 2x10-5 M acetone /acqua
Dall’analisi dello spettro di emissione riportato in figura 3.6.14, le soluzioni contenenti un maggior quantitativo di acqua hanno mostrato un’intensità di emissione crescente. In particolare, le soluzioni contenenti 90%-99,9% v/v di acqua manifestano valori di intensità di emissione maggiore
un marcato red shift = 26 nm, ed un’evidente spalla posizionata a circa 660 nm. Questo andamento
è tipico di sistemi AEE (aggregation enhanced emission)89. In questo caso la formazione di aggregati
causa una parziale restrizione dei moti rotazionali (RIR) o vibrazionali (RIV), che al contrario risultano
maggiormente favoriti in soluzione89. La restrizione di tali moti si traduce con un aumento
dell’intensità di emissione, senza però provocare fenomeni di fotoluminescenza. Nonostante si riscontri quindi un andamento crescente dell’emissione, questa rimane piuttosto bassa se confrontata con i valori di intensità di emissione in soluzione per DACC. Lo spettro di assorbimento UV-vis mostra un andamento opposto a quello mostrato dallo spettro di emissione. Le soluzioni a maggior contenuto di non solvente mostrano una banda slargata, assimilabile a quella dello stato solido, con valori di assorbanza decisamente inferiori rispetto alle soluzioni con quantitativi di non solvente minori, in accordo alla formazione di un quantitativo significativo di aggregati
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Proprietà ottiche di SAL- BARB allo stato solido
Figura 3.6.16: spettro di emissione SAL-BARB allo stato solidoecc
=
509 nmSAL-BARB mostra un’intensità di emissione massima ad una = 629 nm ma una resa quantica di fluorescenza allo stato solido molto bassa = 3,6%. Questo andamento noto come quenching causato dall’aggregazione (ACQ), è molto comune per alcuni fluorofori organici, come ad esempio avviene per la fluoresceina paragrafo 1.3. In questo caso però l’intensità di emissione registrata allo stato solido risulta essere maggiore di quella registrata in soluzione. Degno di nota è lo shift che si osserva tra il massimo di emissione allo stato solido e il massimo di emissione riscontrata in soluzione di cloroformio che risulta essere di 81 nm. Questa ampia differenza in termini di lunghezza d’onda è associata alla presenza di aggregati che abbassano il gap energetico tra lo stato elettronico fondamentale e lo stato elettronico eccitato. Sfortunatamente in questo caso la scarsa emissione in soluzione e la bassa resa quantica allo stato solido e la sua struttura chimica pongono limiti nell’applicazione di questo fluoroforo come sonda fluorescente per lo studio del processo di polimerizzazione del poliuretano.
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