13.19: El efecto de la conjugación en λmaxTabla de contenidos

1. 4.3A: transiciones electrónicas

2. 4.3B: Mirando UV-vis

3. 4.3c: Aplicaciones de la espectroscopia UV en química orgánica y biológica

4. Colaboradores

Mientras que la interacción con la luz infrarroja provoca que las moléculas para someterse a las transiciones

vibratorias, la longitud de onda más corta, más alta radiación de energía en el UV (200-400 nm) y visible (400-

700 nm) del espectro electromagnético hace que muchas moléculas orgánicas que someterse a transiciones

electrónicas . Lo que esto significa es que cuando la energía de los rayos UV o luz visible es absorbida por

una molécula, uno de sus electrones salta de una energía más baja a una energía superior molecular orbital.

4.3A: transiciones electrónicasTomemos como primer ejemplo el caso simple de hidrógeno molecular, H 2 . Como se recordará de la sección

2.1A, la imagen orbital molecular para la molécula de hidrógeno consta de un enlace σ MO, y una mayor

energía antienlazante σ * MO. Cuando la molécula se encuentra en el estado fundamental, ambos electrones

están emparejados en la unión de baja energía orbital - este es el Orbital Molecular más alto ocupado

(HOMO). El antienlazante σ * orbital, a su vez, es la más baja orbital molecular desocupado (LUMO).

Si la molécula se expone a luz de una longitud de onda con una energía igual a Δ E, la brecha de energía

HOMO-LUMO, esta longitud de onda será absorbida y la energía utilizada para chocar uno de los electrones

de la HOMO a LUMO - en otras palabras, de la σ a la σ * orbital. Esto se conoce como una σ - σ transición

* . Δ E para esta transición electrónica es 258 kcal / mol, lo que corresponde a la luz con una longitud de onda

de 111 nm.

Cuando una molécula de doble enlace tales como eteno (nombre común de etileno) absorbe la luz, se somete

a un π - π * transición. Debido a π - π * brechas de energía son más estrechos que σ - σ * lagunas, eteno

absorbe luz a 165 nm - una longitud de onda mayor que el hidrógeno molecular.

Las transiciones electrónicas de ambos hidrógeno molecular y eteno son demasiado enérgica para ser

registrada con precisión por los espectrofotómetros UV estándar, que generalmente tienen un rango de 220 a

700 nm. Cuando la espectroscopia UV-vis llega a ser útil para la mayoría de los químicos orgánicos y

biológicos es en el estudio de moléculas con sistemas pi conjugados. En estos grupos, la brecha de energía

para π - π transiciones * es menor que para los dobles enlaces aislados, y por lo tanto la longitud de onda

absorbida es más largo. Moléculas o partes de moléculas que absorben la luz fuertemente en la región UV-vis

son llamados cromóforos .

Vamos a revisar la imagen MO de 1,3-butadieno, el sistema conjugado simple (ver sección

2.1B ). Recordemos que podemos dibujar un diagrama que muestra los cuatro pi de MO que resultan de la

combinación de los cuatro 2p z orbitales atómicos. Los dos orbitales inferiores se Vinculación, mientras que los

dos superior se antienlazante.

Comparando esta imagen MO a la de etileno, nuestro ejemplo aislado enlace pi, vemos que la brecha de

energía HOMO-LUMO es de hecho más pequeño para el sistema conjugado. 1,3-butadieno absorbe la luz UV

con una longitud de onda de 217 nm.

Como sistemas pi conjugados se hacen más grandes, la brecha de energía para un π - π * de transición se

convierte en cada vez más estrecho, y la longitud de onda de la luz absorbida se convierte

correspondientemente más largo. La absorbancia debido a la π - π * de transición en 1,3,5-hexatrieno, por

ejemplo, se produce a 258 nm, correspondiente a un Δ E de 111 kcal / mol.

En las moléculas con sistemas pi extendidos, la brecha de energía HOMO-LUMO se hace tan pequeña que la

absorción se produce en el visible en lugar de la región UV del espectro electromagnético. El beta-caroteno,

con su sistema de 11 dobles enlaces conjugados, absorbe la luz con longitudes de onda en la región azul del

espectro visible al tiempo que permite otras longitudes de onda visibles - principalmente los de la región de

amarillo y rojo - que han de transmitirse. Es por esto que las zanahorias son de color naranja.

El sistema pi conjugado en 4-metil-3-penten-2-ona da lugar a una fuerte absorbancia de UV a 236 nm debido

a un π - π * transición. Sin embargo, esta molécula también absorbe a 314 nm. Esta segunda absorbancia es

debido a la transición de un no-unión (par solitario) de electrones en el oxígeno hasta un π MO * antienlazante:

Esto se conoce como un n - π * transición . El enlazante (n) MO de son mayor energía que los más altos

orbitales unión p, por lo que la brecha de energía para un n -  π * transición es menor que la de un π - π *

transición - y por lo tanto el n - π * pico es en una longitud de onda más larga. En general, n - π * transiciones

son más débiles (menos luz absorbida) de las debidas a π - π * transiciones.

 Ejemplo  

Ejercicio 4.3 : ¿Qué tan grande es el π - π * transición en 4-metil-3-penten-2-one?

Ejercicio 4.4 : ¿Cuál de las siguientes moléculas crees tú que absorber una longitud de onda más larga en la

región ultravioleta del espectro electromagnético? Explica tu respuesta.

 

 

Solución

 

 

4.3B: Mirando UV-visHemos estado hablando en términos generales acerca de cómo las moléculas absorben los rayos UV y la luz

visible - ahora vamos a ver algunos ejemplos reales de los datos de un UV-vis absorbancia en

espectrofotómetro. La configuración básica es la misma que para la espectroscopia IR: radiación con una

gama de longitudes de onda es dirigida a través de una muestra de interés, y un detector de registros que

fueron absorbidos y longitudes de onda en qué medida se produjo la absorción. A continuación se muestra el

espectro de absorción de una molécula biológica importante llamada nicotinamida adenina dinucleótido,

abreviado NAD + (vamos a aprender lo que hace en la sección 16.4 ) Este compuesto absorbe la luz en el

rango UV debido a la presencia de sistemas de unión pi-conjugados.

Se dará cuenta de que este espectro UV es mucho más simple que los espectros IR vimos anteriormente:

éste tiene solamente un pico, aunque muchas moléculas tienen más de uno. Nótese también que la

convención en la espectroscopia UV-Vis es mostrar la línea de base en la parte inferior de la gráfica con los

picos hacia arriba. Los valores de longitud de onda en el eje x se miden generalmente en nanómetros (nm),

más que en cm -1 como es la convención en la espectroscopia IR. 

Los picos en los espectros de UV tienden a ser bastante amplio, que abarca a menudo más de 20 nm a mitad

de la altura máxima. Por lo general, hay dos cosas que buscamos y grabar desde un espectro UV-Vis .. La

primera es λ max, que es la longitud de onda a la absorbancia de luz máxima. Como se puede ver,

NAD + tiene λ max , = 260 nm. También queremos registrar la cantidad de luz absorbida a λ max .  Aquí se utiliza un

número sin unidades llamado absorbancia , abreviado 'A'. Este contiene la misma información que el número

'porcentaje de transmitancia' utilizado en la espectroscopia IR, sólo expresada en términos ligeramente

diferentes. Para calcular la absorbancia a una longitud de onda dada, el ordenador en el espectrofotómetro

simplemente toma la intensidad de la luz a esa longitud de onda antes de que pasa a través de la muestra

(I 0 ), divide este valor por la intensidad de la misma longitud de ondadespués de que pasa a través de la

muestra ( I), luego toma el registro 10 de ese número:

                   A = log I 0 / I

Se puede ver que el valor de la absorbancia a 260 nm (A 260 ) es de aproximadamente 1,0 en este espectro. 

Ejemplo  

Ejercicio 4.5 : expresar un = 1,0 en términos de porcentaje de transmitancia (% T, la unidad utiliza

generalmente en la espectroscopia IR (y algunas veces en UV-vis también).

Solución

 

 

Aquí está el espectro de absorción de la comida común coloración rojo # 3:

 

Aquí, vemos que el sistema ampliado de enlaces pi conjugados hace que la molécula absorbe la luz en el

rango visible. Debido a que la  λ max de 524 nm cae dentro de la región verde del espectro, el compuesto

aparece en rojo para los ojos.

Ahora, eche un vistazo a la gama de otro colorante de alimentos, Azul # 1:

 

Aquí, máximo de absorbancia a 630 nm es, en el rango de naranja del espectro visible, y el compuesto

aparece azul. 

 

4.3c: Aplicaciones de la espectroscopia UV en química orgánica y biológicaEspectroscopia UV-vis tiene muchas aplicaciones diferentes en química orgánica y biológica. Uno de los más

básica de estas aplicaciones es el uso de la cerveza - Ley de Lambert para determinar la concentración de

un cromóforo. Lo más probable es haber realizado una cerveza - experimento Lambert en un laboratorio de

química anterior. La ley es simplemente una aplicación de la observación de que, dentro de ciertos rangos, la

absorbancia de un cromóforo en una longitud de onda dada varía de manera lineal con su concentración:

cuanto mayor es la concentración de la molécula, mayor es su absorbancia. Si dividimos el valor observado

de A en λmax por la concentración de la muestra ( c , en mol / L), se obtiene la absortividad molar ,

o coeficiente de extinción ( ε ), que es un valor característico para un compuesto dado. 

                   ε = A / c

La absorbancia también dependerá, por supuesto, en la longitud del camino - en otras palabras, la distancia

que el rayo de luz viaja a pesar de la muestra. En la mayoría de los casos, los titulares de la muestra están

diseñados de manera que la longitud del camino es igual a 1 cm, por lo que las unidades de absortividad

molar son mol * L -1 cm -1 . Si buscamos el valor de e para nuestro compuesto a λmax , y medimos la

absorbancia a esta longitud de onda, podemos calcular fácilmente la concentración de la muestra. Como

ejemplo, para NAD + el valor de la literatura ε a 260 nm es 18.000 mol * L -1 cm -1 . En nuestro NAD + espectro

observamos A 260 = 1.0, por lo que mediante la ecuación 4.4 y despejando concentración nos encontramos con

que nuestra muestra es de 5,6 x 10 -5 M.  

 

Ejemplo  

Ejercicio 4.6 : El valor de la literatura de ε para el 1,3-pentadieno en hexano es 26000 * mol L -1 cm -1 en su

absorbancia máxima a 224 nm. Preparas una muestra y toma un espectro UV, encontrando que A 224 =

0.850. ¿Cuál es la concentración de la muestra?

Solución

 

Las bases de ADN y ARN son buenos cromóforos:

Bioquímicos y biólogos moleculares a menudo determinan la concentración de una muestra de ADN

suponiendo un valor promedio de ε = 0.020 ng -1 × ml de DNA de doble cadena en su λ max de 260 nm (notar

que la concentración en esta solicitud se expresa en masa / volumen en lugar de molaridad: ng / mL es a

menudo una unidad conveniente para la concentración de ADN cuando se hace la biología molecular).

 

Ejemplo  

Ejercicio 4.7 : 50 ml de una muestra acuosa de ADN de doble cadena se disuelve en 950 ml de agua.  Esta

solución diluida tiene una absorbancia máxima de 0,326 a 260 nm. ¿Cuál es la concentración de la (más

concentrada) muestra de ADN original, expresada en mg / ml?

Solución

 

Debido a que el coeficiente de extinción de ADN de doble cadena es ligeramente menor que la de ADN de

cadena sencilla, podemos usar la espectroscopía UV para supervisar un proceso conocido como fusión del

ADN. Si un corto tramo de ADN de doble cadena se calienta gradualmente, comenzará a "derretir", o

romperse, al aumentar la temperatura (recordemos que dos cadenas de ADN se mantienen unidos por un

patrón específico de enlaces de hidrógeno formados por "base -pairing ').

 

A medida que avanza de fusión, el valor de absorbancia para la muestra aumenta, hasta alcanzar una meseta

alta como todo el ADN de doble cadena se rompe, o "funde '.  El punto medio de este proceso, llamado el

"temperatura de fusión ', proporciona una buena indicación de la fuerza con las dos hebras de ADN son

capaces de unirse entre sí. 

En la sección 16.8 veremos cómo la cerveza - Ley Lambert y espectroscopia UV nos proporciona una manera

conveniente de seguir el progreso de muchas reacciones redox diferentes enzimática (oxidación-

reducción). En bioquímica, la oxidación de una molécula orgánica a menudo se produce simultáneamente con

la reducción de la nicotinamida adenina dinucleótido (NAD + , el compuesto cuyo espectro vimos anteriormente

en esta sección) a NADH:

 

Tanto NAD + y NADH absorben a 260 nm. Sin embargo NADH, a diferencia de NAD + , tiene una segunda

banda de absorbancia con λmax = 340 nm y ε = 6.290 mol L -1 cm -1 . La siguiente figura muestra los espectros

de ambos compuestos superpuesta, con el desplazamiento ligeramente sobre el eje y espectro de NADH:

Mediante el seguimiento de la absorbancia de una mezcla de reacción a 340 nm, podemos 'ver' NADH se

forma a medida que avanza la reacción, y calcular la velocidad de la reacción.

Espectroscopia de UV es también muy útil en el estudio de las proteínas. Las proteínas absorben luz en el

rango UV debido a la presencia de los aminoácidos aromáticos triptófano, fenilalanina y tirosina, todos los

cuales son cromóforos. 

Los bioquímicos utilizan con frecuencia espectroscopía UV para estudiar cambios conformacionales en

proteínas - la forma en que cambian de forma en respuesta a diferentes condiciones. Cuando una proteína se

somete a un cambio conformacional (despliegue parcial, por ejemplo), el cambio resultante en el medio

ambiente alrededor de un cromóforo de aminoácidos aromáticos puede causar su espectro UV a ser alterado.