Le proprietà ottiche di JCBF sono state valutate in soluzione di CHCl3. Gli spettri di assorbimento e fluorescenza (λexc. = 410 nm) di una soluzione di JCBF in CHCl3 a una concentrazione molare (M) di 3×10-5 sono riportati in figura 3.6.
Figura 3.6: Assorbimento UV-Vis (nero) e emissione (rosso, λexc. = 410 nm) di una soluzione di JCBF
alla concentrazione molare di 3×10-5 M in CHCl 3
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La soluzione mostra un massimo di assorbimento a 407 nm e un assorbimento fuori dal rande del visibile a circa 290 nm possibilmente riconducibile all’assorbimento dei due fenili presenti all’interno della molecola. Il massimo di emissione, quando il rotore viene eccitato a 410 nm (massimo di assorbimento) si presenta a 496 nm con uno spostamento di Stokes di circa 89 nm in accordo con altri composti derivati delle cianojlulolidine46. Il leggero spostamento verso il rosso rispetto ad altre molecole derivanti dalle cianojulolidine può essere dovuto alla presenza di una maggiormente estesa coniugazione.
Il coefficiente di assorbimento molare per JCBF è stato calcolato usando l'equazione di Lambert-Beer ottenuta mediante la preparazione di soluzioni a titolo noto da 5 × 10-7 e 5 × 10-5 M, e il suo valore risulta essere 21500 M-1 × cm-1 (Figura 3.7). Come previsto, la resa quantica calcolata utilizzando il perilene come standard94 del rotore molecolare in fluorescenza è trascurabile (circa 2.5 × 10-3), e in accordo con il comportamento da FMR. Come riportato ampiamente nella parte introduttiva dell’elaborato a causa della formazione dello stato eccitato TICT viene seguito un percorso non radiativo che coinvolge la rotazione interna che sfavorisce quindi la resa quantica.
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Attraverso la spettroscopia di assorbimento UV-Vis è stato possibile ottenere un andamento perfettamente lineare in funzione della concentrazione di fluoroforo.
Figura 3.8: Grafico del massimo di assorbimento delle soluzioni di cui in figura 3.7 in funzione della concentrazione di JCBF in CHCl3 e regressione lineare dei dati sperimentali: y = a × x, dove a = 21500
M-1×cm-1
È stato inoltre dimostrato che modificando la polarità del solvente non abbiamo variazioni significative di intensità di fluorescenza ma solo fenomeni di leggero solvatocromismo (Figura 3.9). Ad esempio cambiando solvente da metanolo (polarità = 33) a toluene (polarità 2,4) si assiste ad uno spostamento ipsocromico di circa 11 nm in assorbimento e circa 5 nm in emissione (Tabella 3.1).
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Figura 3.9: Spettri di assorbimento UV-Vis di JCBF in diversi solventi a concentrazione di 1 × 10-5 M
Tabella 3.1: Lunghezza d’onda di assorbanza ed emissione massima di JCBF in diversi solventi con polarità diverse.
Solvente Polarità λass massima λemi massima
Toluene 2.4 403 494
Etere 4.3 405 493
Cloroformio 4.8 407 496
THF 7.5 407 515
Metanolo 33 414 500
Sono stati condotti inoltre studi per valutare l'effetto della viscosità media in soluzione sull'emissione del fluoroforo, per far ciò sono state preparate soluzioni a concentrazione costante di JCBF in miscele di metanolo / glicerolo con diversi rapporti volumetrici. Il glicerolo è un liquido incolore molto viscoso la cui viscosità a 25 °C è 934 mPa × s, circa 1560 volte superiore a quella del metanolo (0.6 mPa × s). Mescolando glicerolo con metanolo sarà quindi possibile ottenere miscele liquide con diversa viscosità media.
Come si può vedere in Figura 3.10 e Figura 3.11, la variazione della viscosità e della costante dielettrica del mezzo, provocano variazioni nelle caratteristiche ottiche del fluoroforo.
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Poiché l’intensità di fluorescenza per soluzioni a differente viscosità può essere influenzata dalla temperatura95,96, gli esperimenti sono stati condotti tutti a temperatura ambiente. Le proprietà ottiche della miscela vengano riassunte nella tabella 3.2:
Figura 3.10: Spettri di assorbimento UV-Vis di JCBF a concentrazione nota di 1 × 10-5 M in diversi
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Figura 3.11: Spettri di fluorescenza (λexc. = 410 nm) di JCBF a concentrazione nota di 1 × 10-5 M in
diversi rapporti volumetrici di MeOH/Gli
Tabella 3.2: Riassunto delle proprietà ottiche delle miscele
MeOH/Gli (v/v) Ass. max. (nm) Emis. max. (nm) Shift di Stokes Indice di rifrazione Costante dielettrica (F/m) Viscosità mPa*s ϕ 100/0 410 505 95 1,3288 33 0,6 1,26*10-3 90/10 411 505 94 1,3431 34,4 1,8 1,56*10-3 80/20 415 506 91 1,3574 35,6 4,8 1,79*10-3 70/30 426 508 82 1,3718 36,7 7,7 2,36*10-3 60/40 427 510 83 1,3861 37,6 13 3,15*10-3 50/50 428 512 84 1,4004 38,6 28 4,18*10-3 40/60 428 515 87 1,4147 39,3 58 6,26*10-3 30/70 435 519 84 1,4290 40,1 130 1,06*10-2 20/80 440 521 81 1,4434 40,8 250 1,89*10-2 10/90 445 525 80 1,4577 41,4 630 3,73*10-2
L’indice di rifrazione, la viscosità e la costante dielettrica97 delle soluzioni sono state calcolate mediante la regola di Arago-Biot98 e Grumberg-Nissan99 rispettivamente.
Il JCBF dimostra un buon spostamento batocromico (circa 30 nm) sia nel massimo dell’assorbimento che nel massimo di emissione (circa 20 nm) a seguito del progressivo aumento del contenuto in glicerolo. Questo fenomeno può essere spiegato con l’aumento della costante dielettrica della soluzione da circa 33 del metanolo fino a 41,4 per la miscela con la quantità massima di glicerolo (Tabella 3.2).
Aspetto sicuramente più interessante è che l’aumento della percentuale di glicerolo comporta un aumento notevole di viscosità che inibisce parzialmente la formazione dello stato TICT per cui la diseccitazione avviene prevalentemente dallo stato localmente eccitato (LE). Questo fenomeno porta ad un aumento dell’efficienza quantica di fluorescenza di circa un ordine di grandezza, cioè da 1,26 × 10-3 a 3,73 × 10-2 quando la percentuale volumetrica di glicerolo passa da 0 a 90. Tale risultato è visibile anche mettendo le varie soluzioni sotto una lampada a 450 nm (Figura 3.11).
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Figure 3.12: Soluzioni di JCBF al 1×10-5 M in miscele di Metanolo/Glicerolo eccitate con una
lunghezza d’onda di circa 450 con un transilluminatore Dark Reader 46B
Come riportato nel capitolo 1.3 la resa quantica è strettamente correlata alla microviscosità del sistema secondo l’equazione Forster-Hofmann (Equazione 1.4)41:
𝜙
𝐹= 𝐶 ∗ (𝜂)
𝑥 (Equazione 1.4)Dove ϕF è la resa quantica di fluorescenza, C è una costante che dipende dal fluoroforo, 𝜂 è la viscosità del mezzo e x è un parametro che dipende sia dal fluoroforo che dal solvente. L’equazione è comunemente utilizzata in forma logaritmica così da poter ricavare un andamento lineare (equazione 3.2):
𝑙𝑜𝑔𝜙 = 𝐶 + 𝑥 • 𝑙𝑜𝑔𝜂
(Equazione 3.2)x è un parametro variabile ottenuto empiricamente ed è stato dimostrato che può assumere un valore massimo di 0,6637 mentre per i rotori più comuni assume valori compresi tra 0,4 e 0,636,100; maggiore è x e più alta sarà la sensibilità alle variazioni di viscosità. x prende comunemente nome di parametro di sensibilità della viscosità. Il valore x calcolato per JCBF (Figura 3.9) è 0,58, che è paragonabile con i dati della letteratura riportati per rotori molecolari adatti come viscosimetri36,100.
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Figura 3.13: Logaritmo della resa quantica in funzione del logaritmo della viscosità media calcolata e regressione lineare dei dati sperimentali (linea continua rossa)