Absorption de la lumière

Energie d’excitation

L’interaction entre un photon et une molécule peut conduire à l’absorption du photon par cette molécule pour créer un état électroniquement excité. Le domaine des longueurs d’onde généralement utilisées en photochimie se situe entre 200 nm et 700 nm (ultraviolet et visible).

Loi de Beer-Lambert

Quand un milieu réactionnel reçoit une radiation, une partie du flux incident (P0)est absorbée (Pa), une partie réfléchie(Pr) et une partie transmise (P). La transmission est définie par T=P/P0=10-(εlc) avec :
• c=concentration de l’espèce absorbante(mol.L-1)
• l=épaisseur de la solution traversée(cm)
• ε=coefficient d’absorption molaire(l.mol-1.cm-1. Remarquons que la loi de Beer-Lambert ne s’applique rigoureusement que si les interactions entre les molécules de la substance absorbante sont faibles (solutions diluées, absence de phénomènes d’agrégations) .

Etats électroniquement excités

En règle générale les molécules organiques ont leurs spins appariés dans leur état fondamental. Pour créer un état électroniquement excité d’une molécule, celle ci doit absorber un photon dont l’énergie est égale au moins à la différence d’énergie entre le niveau vibrationnel 0 de l’orbitale vacante de plus basse énergie (BV) et celle occupée de plus haute énergie (HO) [15,18,19].

Etats Singlets et Triplets

La multiplicité de spin (2S+1) est égale au nombre d’orientations possibles du moment angulaire résultant de spin.
• Si les électrons ont leurs spins appariés, ce qui généralement le cas des molécules organiques à l’état fondamental, le moment résultant de spin S est nul et 2S+1=1, la molécule se trouve dans un état singulet S0.
• Si au cours d’une transition électronique de la HO vers la BV le spin total ne change pas, l’état excité correspondant est un état singulet S1.Ce type de transition est permise en ce qui concerne le spin.
• Si dans l’état excité les deux électrons non appariés ont leurs spins parallèles, S=1 et la multiplicité de spin est égale à 2S+1=3 ; un tel état excité est dit Triplet T1. Ce type de transition est interdite en ce qui concerne le spin.

Transition σ → σ∗

Ce type de transition apparaît dans le domaine des courtes longueurs d’ondes (lointain UV) car le saut d’un électron d’une orbitale moléculaire σ vers uneorbitale σ∗ nécessite beaucoup d’énergie. C’est pourquoi les hydrocarbures qui ne présentent que ces types de liaisons sont transparents dans le proche UV (exemple : pour l’hexane gazeux λmax.=135 et ε=10 000).
 Transition n → σ∗
Ce type de transition observée dans le cas général pour des atomes comme O, N, S, Cl est d’intensité moyenne et se situe vers 180 nm pour lesalcools, vers 190 nm pour les éthers ou les dérivés d’halogènes et vers 220 nm pour amines.
 Transition π → π∗
Observée souvent au niveau des composés éthyléniques et aromatiques, ce type de transition se produit vers 170 nm avec une forte intensité d’absorption.
 Transition n → π∗
Ce type de transition très peu intense, intervient en générale dans les cétones et les amines aromatiques dont les hétéroatomes(O,N) ont des paires libres.

Spectre d’absorption

Dans un spectre d’absorption, toutes les transitions électroniques sont verticales selon le principe Franck – Condon [15,18,19].
L’interaction d’un chromophore avec d’autres groupes fonctionnels de lamême molécule ou de solvants de polarités différentes peut provoquer undécalage du spectre d’absorption vers les petites longueurs d’ondes (effet hypsochrome) ou vers les grandes longueurs d’ondes (effet bathochrome) [18,21].

Processus photophysiques de désactivation des états excités

Une molécule à l’état excité peut dissiper son énergie par d’autres voies que celles d’une réaction chimique :
 Les processus de désactivation non radiative.
 Les processus de désactivation radiative.
Le diagramme de Jablonski permet une représentation schématique de l’ensemble des processus d’excitations et de désactivations.

Désactivation non radiatives

La relaxation vibrationnelle

C’est un processus de désactivation très rapide (10-13 s à 10-12 s) entre deux niveaux vibrationnels d’un même état électronique par collision en phase liquide des molécules du solvant ou d’autres molécules du milieu.

La conversion interne(CI)

C’est une transition entre un état excité et un état d’énergie inférieure de même multiplicité de spin.

La Conversion intersystème (CIS)

C’est une transition non radiative analogue à la relaxation vibrationnelle mais se produisant entre deux états de multiplicité de spin différente :
Ces types de transitions sont interdites en ce qui concerne le spin, mais elles peuvent se produire si les interactions spin-orbite sont importantes et /ou si la différence d’énergie Singulet-Triplet est faible, ce qui favorise un mécanisme de couplage vibrationnel [12,18].
En général le croisement intersystème sont plus lent que les conversions internes (10-11 à 10-6 s pour S1 → T1, 10-7 à 10 s pour T1→ S0) et presque toutes les réactions photochimiques bimoléculaires se passent à l’état triplet le plus bas (T1).

Le Transfert d’énergie (TE)

Il se passe entre une molécule donneur D∗ (sensibilisateur) à l’état excité et une molécule A (inhibiteur) à l’état fondamental. Le processus de transfert d’énergie en phase liquide a lieu suivant deux mécanismes principaux :
 le mécanisme dipôle- dipôle : Le transfert d’énergie se fait par résonance car D∗ et A sont considérés comme des dipôles oscillants couplés.
 Le mécanisme d’échange : il se fait par recouvrement des nuages électroniques de D∗ et A après collision entre les deux molécules.
On distingue en général trois types de transfert d’énergie :