Principios de análisis instrumental

358 Capítulo 15 Espectrometría molecular por luminiscencia «< La figura 15.2 y el análisis sobre los procesos de desactiva– ción sugieren que el rendimiento cuántico de fluorescencia 1> de un compuesto se puede calcular a partir de las constantes de velo– cidad relativas kx para los procesos por los cuales queda inactivo el estado singulete excitado más bajo. Estos procesos son fluo– rescencia (k¡), cruce entre sistemas (k;), conversión externa (ke,), conversión interna (k;,), predisociación (kpd) y disociación (kd)· Es posible expresar estas relaciones mediante la ecuación (15.1) donde los términos k son las constantes de velocidad respectivas para los diversos procesos de desactivación. La ecuación 15.1 facilita una interpretación cualitativa de muchos de los factores estructurales y del entorno que influyen en la intensidad de la fluorescencia. Aquellas variables que originan valores altos para la constante de velocidad de la fluorescencia kr y valores bajos para los otros términos kx intensifican la fluores– cencia. La magnitud de k¡, la constante de velocidad de la pre– disociación kpd y la constante de velocidad de la disociación kd, dependen principalmente de la estructura química. El resto de las constantes están fuertemente influenciadas por el entorno y, en menor medida, por la estructura. Tipos de transiciones en fluorescencia Es importante resaltar que la fluorescencia rara vez es conse– cuencia de la absorción de radiación ultravioleta de longitud de onda menor a 250 nm, porque tal radiación es suficientemente energética como para desactivar los estados excitados por predi– sociación o disociación. Por ejemplo, una radiación de 200 nm corresponde a alrededor de 140 kcal/mol. La mayor parte de las moléculas tiene al menos algunos enlaces que pueden romperse con energías de esta magnitud. Por consiguiente, rara vez se observa fluorescencia debida a transiciones u * --+ u. En cambio, este tipo de emisión se limita a los procesos menos energéticos 7T* --+ 7T y 7T* --+ n. Como ya se hizo notar, una molécula excitada electrónica– mente normalmente regresa a su estado excitado más bajo mediante una serie de relajaciones vibracionales rápidas y conversiones inter– nas que no producen emisión de radiación. Por tanto, la fluorescen– cia surge más comúnmente a partir de una transición desde el nivel vibracional más bajo del primer estado electrónico excitado a uno de los niveles vibracionales del estado electrónico fundamental. Por lo que se refiere a la mayoría de los compuestos fluorescentes, la radiación se produce mediante una transición 7r* --+ n o 7r* --+ 7T dependiendo de cuál de ellas es la menos energética. Eficacia cuántica y tipo de transición Empíricamente se observa que la fluorescencia se encuentra con más frecuencia en los compuestos en los que la transición de más baja energía es del tipo 7T--+ 7r* (7T, estado singulete excitado 7r*) que en compuestos en los que la transición de menor energía es del tipo n--+ 7r* (n, estado singulete excitado 7r*); es decir, la efi– cacia cuántica es mayor para las transiciones 7r* --+ 7T. La mayor eficacia cuántica asociada con el estado 7T, 7r* se puede explicar de dos maneras. Primero, la absortividad molar de una transición 7T--+ 7r* es normalmente de 100 a 1000 veces superior que la de un proceso n --+ 7T*, y este valor representa una medida de la probabilidad de la transición. Por consiguiente, el tiempo de vida inherente asociado con el estado 7T, 7r* es más corto (10 - 7 a 10- 9 S comparado con 10- s a 10- 7 S para un estado n, 7r*), y es mayor la kr en la ecuación 15.1. Con frecuencia, la fosforescencia más eficaz ocurre a par– tir del estado excitado n, 7T*, el cual tiende a ser más corto en cuanto a vida y, por tanto, menos susceptible a la desactivación que un estado triplete 7T, 7r*. Asimismo, el cruce entre siste– mas es menos probable para estados excitados 7T, 7r* que para estados n, 7r* porque la diferencia de energía entre los estados singulete y triplete es mayor, y el acoplamiento espín-órbita es menos probable. En resumen, la fluorescencia se relaciona más con el estado 7T, 7r* porque tales estados excitados manifiestan tiempos de vida relativamente cortos (kr es mayor), y porque es menos probable que ocurran los procesos de desactivación que compiten con la fluorescencia. Fluorescencia y estructura La fluorescencia más intensa y útil se encuentra en los compues– tos que contienen grupos funcionales aromáticos con transiciones 7T--+ 7r* de baja energía. Los compuestos que contienen grupos carbonilo en estructuras alifáticas y alicíclicas o estructuras con dobles enlaces altamente conjugados también presentan fluores– cencia, pero la cantidad de éstos es pequeña comparada con el número de sistemas aromáticos. La mayoría de los hidrocarburos aromáticos no sustituidos son fluorescentes en disolución. La eficiencia cuántica aumenta de ordinario en relación con la cantidad de anillos y con su grado de condensación. Los heterocíclicos sencillos, como la piridina, el furano, el tiofeno y el pirro!, o o o Piridina Furano H 1 S o N o Tiofeno Pino! no presentan fluorescencia. Por otro lado, las estructuras de ani– llo condensado por lo regular sí son fluorescentes . En los hete– rocíclicos con nitrógeno, se cree que la transición electrónica de más baja energía requiere un sistema n --+ 7r* que rápidamente se transforma en un estado triplete y previene la fluorescencia. La condensación de anillos bencénicos para dar núcleos hetero– cíclicos, da como resultado un aumento en la absortividad molar de la banda de absorción. En estas estructuras el tiempo de vida del estado excitado es más corto, y la fluorescencia se observa en compuestos como quinolina, isoquinolina e indo!.