УФ-спектрофотометрия в исследовании органических соединений и его использования в количественном анализе

УФ-спектрофотометрия  в исследовании органических соединений и его  использования в  количественном анализе 

    В спектрофотометрических методах исследуют  зависимость интенсивности поглощения или испускания излучения от частоты  или длины волны. Эти методы позволяют изучать энергетические состояния атомов и молекул, определять разность энергетических уровней по определяемой частоте перехода и оценивать вероятность перехода по интенсивности полосы, а на их основе находить также многие другие характеристики молекул (изменения энергии, симметрию, геометрической конфигурации, распределение электронной плотности, электрические свойства и т.п.) при переходе из основного электронного состояния в возбужденные.

где, Е  – энергия волны, h – постоянная Планка, с – скорость света, l - длина волны, n - частота. Когда волна сталкивается с молекулой, она может либо рассеиваться (т.е. изменять направление её распространения), либо поглощаться (т.е. её энергия передаётся молекуле). Относительная вероятность протекания того или иного процесса является свойством той молекулы, с которой произошло столкновение. Если произошло поглощение электромагнитной энергии света, о молекуле говорят, что она возбуждена или перешла в возбужденное состояние.

    Интервалы измеряемых энергий  различаются для существующих методов на много порядков (табл. 1). Это означает, что спектроскопические исследования охватывают самые разные типы переходов – электронные, колебательные, вращательные, а также переходы, связанные с изменением направления магнитного момента электронов и ядер и т.д. 

Таблица – 1 Диапазоны значений и частот длин волн в спектроскопии. 

    Группа  методов электронной УФ-спектроскопии  охватывает оптические спектры не только в ультрафиолетовой, но и в видимой и самой ближней ИК областях, связанные с переходами между различными электронными состояниями. Весь УФ-спектр делят на ближний с длиной волны 400-300 нм, примыкающий к видимой области (400-800 нм) и ближней ИК области (1200-750 нм), дальний УФ (300-200 нм) и вакуумный (200-10 нм). Последний так назван, поскольку интенсивно поглощается атмосферой и исследуется только вакуумными приборами.

    Поглощение  энергии происходит с наибольшей вероятностью только в том случае, если количество поглощенной энергии соответствует разности энергий квантованных состояний. Таким образом, свет с длиной волны l поглощается только тогда, когда

где Е₁- энергетический уровень молекулы до поглощения, а Е₂- энергетический уровень, достигаемый в результате поглощения. Изменение энергетического состояния при испускании или поглощении кванта называется переходом. Упрощенно переход между электронными энергетическими уровнями соответствует энергии, необходимой для перемещения электрона с одной орбитали на другую. Зависимость вероятности поглощения от длины волны называется спектром поглощения. 

Таблица – 2 Области спектры электромагнитных излучений. 

    На  энергию электронного состояния  оказывает влияния суммарный  спин электронов, и состояние характеризуется мультиплетностью. Результирующий электронный спин представляет векторную сумму собственных моментов количества движения электронов:

А спиновое квантовое число S может быть или равно 0, или принимать полуцелочисленные и целочисленные значения.

    Спин-орбитальное  взаимодействие, т.е. связь спина  с орбитальным моментом количества движения электронов, может приводить  к расщеплению электронного состояния  на 2S+1 компонентов. Эта величина и есть мультиплетность состояния. При S=0 мультиплетность равна 1 и состояние называют синглетным, при S=1 (мультиплетность равна 3) состояние называется триплетным и т.д.

    Как и для атомных состояний, электронное  состояние молекулы может быть охарактеризовано средним временем жизни представляющим среднюю продолжительность нахождения молекулы в данном n-м состоянии. Эта величина обратна полной вероятности спонтанного испускания A_n или вероятности перехода из данного электронного состояния на более низкие уровни:

    Для основного электронного состояния  , для долгоживущих (метастабильных) состояний порядок τ_т>10^-4 с, а для короткоживущих состояний, когда наблюдаются интенсивные электрические дипольные переходы, τ_n имеет порядок 10^-7…10^-9 с.

    При характеристике электронных состояний, как уже отмечалось, необходимо рассмотрение орбитального и спинового моментов количества движения электронов. В общем случае квадрат модуля суммарного орбитального момента выражается формулой

где L – квантовое число, принимающее значение 0, 1, 2, 3, … , а сам вектор               L представляет как векторную сумму орбитальных моментов отдельных электронов:   .

    Если  все электроны в молекуле спарены, то L=0; орбитальные моменты неспаренных электронов могут быть различны и соответственно различен их вклад в суммарный момент. В зависимости от вклада для электронов условно приняты следующие обозначения:

    Спиновой  момент количества движения, представляющий векторную сумму электронных спинов, также характеризуется квадратом модуля

(квантовое  число S=0, ½. 1, 3/2, 2, 5/2, …) 

    Типы  электронных переходов.

    Различают молекулярные орбитали s и p-типа. Орбиты обоих типов могут быть связывающими s и p орбиталями с объединением атомов (символика Каша) и разрыхляющими орбиталями s* и p* с разъединением атомов. Поглощение света сопровождается переходом со связывающей s или p орбитали на разрыхляющую s* или p*. В связи с этим различают s-s* и p-p* переходы. Не участвующие в образовании химических связей электроны неподеленных пар (например 2s² у азота) образуют несвязывающие орбитали n. Энергия неподеленной пары электронов в молекуле равна её энергии в изолированном атоме. Несвязываюшие n-орбитали локализованы на отдельных атомах, тогда как s и p- орбитали обычно распространяются на два или более атома в молекуле.

    Как видно из рис. 1 уровень n несвязывающей орбитали расположен выше уровней связывающих s и p-орбиталей. В основном состоянии s, p и n орбитали обычно заняты электронами, а s* и p* - орбитали свободны. Поглощение света происходит в результате переходов с занятых орбиталей на свободные. Наибольшей энергии требует s-s* переход, характерный для насыщенных молекул и соответствующих поглощению в вакуумном УФ (l<200 нм). Переходы p-p* происходят в молекулах с сопряженными связями и в ароматических молекулах. Они связаны с поглощением в видимой области или ближнем УФ. Переходы n-s* и n-p* происходят в молекулах, содержащих гетероатомы (N, O, S и т.п.). Для биологических макромолекул типичны переходы в дальней УФ области спектра. 

Поясним построение и символику МО на примере  молекулы формальдегида H₂CO. На рис. 2 показано относительное расположение уровней энергии. Самыми низкими являютя три связывающие s-орбитали, а самыми высокими – три разрыхляющие s*-орбитали. Имеются также связывающие и антисвязывающие p-орбитали, а также две несвязывающие n-орбитали неподеленных пар электронов атома О. У молекулы в основном электронном состоянии все связывающие и несвязывающие орбитали заполнены, т.е. каждый из них отвечают два электрона. Из всех заполненных орбиталей высшей оказывается несвязывающая n-орбиталь симметрии b₂. При заполнении МО электронами со спаренными спинами электронное состояние будет характеризоваться суммарным спином S=0, т.е. будет синглетным.

Рисунок 2 Схема относительного расположения МО формальдегида по энергиям. 
 
 
 

    Хромофоры

    Исторически первой при описании электронных  спектров поглощения возникла концепция хромоформов и ауксохромов, связанная с экспериментальными исследованиями спектров в доступном для обычных серийных спектрофотометров диапазоне длин волн УФ и видимой области. К хромофорам относятся , например, различные группы, содержащие изолированные и сопряженные кратные связи, радикалы и атомы с неподеленными электронными парами, ароматические циклы и т.д. Иногда различают так называемые К-хромофоры (сопряженный) и R-хромофоры (радикал), а также хромофоры ароматического типа, дающие характерное бензольное поглощение. Полосы поглощения приписывали различным хромофорам и соответственно различали K-полосы – относительно более длинноволновые и наиболее интенсивные ( ), R-полосы – относительно коротковолновые и слабые ( ) и B-полосы – имеющие промежуточные положение и интенсивность ( ).

    В таблице 3 приведены примеры органических хромофоров. Итак, хромофоры – группировки атомов, содержащие p-электроны или свободные электронные пары гетероатомов, которые дают свои, характеристические линии поглощения в УФ-области спектра. 

Таблица 3 Типичные хромофоры и их характеристики. 

    Ауксохромами  были названы группировки атомов, присоединение которых к хромофорной системе ведет к смещению характерной для хромофора полосы поглощения в сторону больших длин волн. Т.е. вступая в сопряжение с хромофором за счет своих неподеленных пар электронов, становятся частью нового, более протяженного хромофора. В качестве примеров могут быть названы –OH, -OR, -NH₂, алкильные радикалы, галогены и т.д.

    В некоторых случаях на интенсивность  и положение полосы поглощения влияет природа растворителя или окружение  хромофора, причем в результате полоса может сдвигаться как в длинноволновую, так и в коротковолновую область.

    Малликен  ввел представление о классах  электронных перехожов внутри валентной  оболочки, названных N→V и N→Q. (N – нормальное электронное состояние). К классу N→V относятся переходы между связывающими и разрыхляющими орбиталями, т.е. типов π→π^*, σ→π*, σ→σ^* и т.п. Эти переходы дают полосы поглощения средней и высокой интенсивности в относительно коротковолновой области и обычно более интенсивны.

    В класс N→Q входят переходы с несвязывающих орбиталей на разрыхляющие орбитали, т.е. типов n→π^*, n→σ^* и т.п. Этим переходам соответствуют слабые полосы в относительно более длинноволновой области. как правило, N→Q- переходы поляризованы перпендикулярно направлению связи хромофора (его оси) в отличие от N→V- переходов.

    На  рис. 3 показаны переходы различных  типов на примере карбонильного  хромофора, а на рис. 4 - -относительное расположение, относительные интенсивности и сдвиг при увеличении полярности растворителя или замещающей группы в окружении хромофора для полос поглощения разного типа. Наименьшему изменению энергии соответствует переход n→π^* типа N→Q.

Рисунок 3. Типы электронных   Рисунок 4 Относительное расположение и другие

Переходов для карбонильного хромофора  характеристики полос переходов разл.-х типов 

    Относимая к этому переходу слабая полоса () в области 270…300 нм характерна для  всех алифатических альдегидов и  кетонов. Положение этой полосы меняется в зависимости как от внутримолекулярного окуржения карбонильной группы, так и от растворителя. Например, в ряду соедиений: , т.е. с увеличением электроотрицательности заместителя, наблюдается сдвиг полосы в сторону коротких длин волн – синий, или гипсохромный сдвиг, а именно: λ_макс=293,4; 279,0; 235,0 нм и некоторое повышение интенсивности – гиперхромный эффект: ε_макс=11,8; 14,8; 53,0. Для длинноволнового смещения приняты термины красный, или батохромный сдвиг, а для понижения интенсивности – гипохромный эффект.

    Влияние растворителя можно проиллюстрировать на примере ацетона CH₃COCH₃: λ_макс (нм) полосы n→π^* перехода меняется от 279 в гексане до 277 в хлороформе, 272 в этаноле, 270 в метаноле и 264,5 в воде, т.е. с увеличением полярности растворителя здесь опять-таки наблюдается гипсохромный сдвиг. Это объясняют стабилизацией неподеленной электронной пары, т.е. понижением n-орбитали в основном электронном состоянии из-за сольватации, в частности, при образовании водородной связи с молекулами растворителя. Чем сильнее такое межмолекулярное взаимодействие, тем больше разность энергий ΔE состояний и выше частота перехода с n-орбитали на разрыхляющую орбиталь; рассмотренные эффекты характерны и для других переходов N→Q, т.е. типа n→σ^* и др. 

    Структурно-спектральные корреляции. Органические соединения.

    Электронные спектры поглощения различных органических и неорганических соединений могут  лежать не только в ближней ИК, видимой  и ближней УФ областях, но и в  далекой УФ области, вплоть до энергий  излучения, приводящих к ионизации  молекул. Изучены переходы электронов валентных оболочек в молекулах, ионах и комплексах самых разных типов, для чего использовались, так и более сложные вакуумные спектрометры высокого разрешения. Для целей идентификации соединений и решения структурных проблем обычно используются характерные полосы поглощения электронных спектров в области ~180-8000 нм, которое только и приводятся в большинстве справочников и руководств по УФ-спектрофотометрии. Если в этой области вещество не поглощает, то его обычно называют прозрачным, хотя в далекой УФ области оно может иметь свой спектр поглощения.

    В далекой УФ области поглощают  алканы, цикланы и очень многие другие предельные соедениения, являющиеся прозрачными в основной исследуемой  области спектра. Самыми коротковолновыми, как уже говорилось, являются s→s*- переходы, имеющие место в этих молекулах. При наличии в насыщенном соединении гетероатомов, таких, как кислород, азот, сера, галогены, содержащих неподеленные электронные пары (спирты, эфиры, тиоэфиры, амины, алкилгалогениды и т.д.), слабые или средние по интенсивности полосы поглощения n→σ*- переходов могут наблюдаться выше коротковолнового предела средней УФ области, те.е в интервале 180…220 нм и выше. Простые изолированные хромофоры, т.е. такие π-электронные системы, как изолированные кратные связи, также поглощают часто в далекой УФ области и прозрачны в ближней УФ области. Если же группа содержит как π-, так и n-электроны, то могут наблюдаться более длинноволновые, но слабые полосы запрещенных n→π*-переходов. Полосы поглощения некоторых изолированных хромофоров приведены в таблице 4, значения λ_макс и ε_макс указаны для конкретных соединений.

    Если  две хромофорные группы разделены  двумя или более метиленовыми группами, то спектр является наложением спектров соединений, содержащих отдельные хромофоры. 

Таблица 4 УФ полосы поглощения некоторых изолированных  хромофоров. 

    Как уже говорилось в электронных спектрах ярко проявляется эффект так называемого π-π- сопряжения. Если две такие какие-то ненасыщенные хромофорные группы А и В, например, разделены в цепи молекулы двумя и более атомами углерода (А – (СН₂)_n – В; n>2), то наблюдается практически аддитивный спектр хромофоров А и В. Если отсутствуют промежуточные метиленовые или какие-то другие группы, то спектр резко будет отличатся. Полосы поглощения наблюдаются при больших длинах волн (батохромный эффект) и сильно возрастает их интенсивность (гиперхромный эффект). Например, если полоса поглощения этиленового хромофора лежит обычно ниже 200 нм, то бутадиен-1,3 имеет интенсивную полосу поглощения λ_макс=217 нм.

В таблице 5 приведены  примеры использования этого  правила.

    Количественный  анализ в УФ и ВИ спектроскопии.

    Измерение интенсивности в электронных  спектрах поглощения в видимой и  УФ области, как и в ИК спектрах, основывается на законе Бугера – Ламберта – Бера, который имеет вид

где - интенсивность излучения с длиной волны λ, прошедшего через вещество; - интенсивность излучения с той же длиной волны λ, входящего в исследуемое вещество; а_λ – коэффициент поглощения для данной длины волны, л*моль^-1; с – концентрация вещества, моль*л^-1; l – толщина поглощающего слоя, см. В десятичной логарифмической форме:

где D – оптическая плотность или поглощение; T=I/I₀ – пропускание или прозрачность; ε=0,434а –коэффициент погашения или молярной экстинкции отнесенной к единице толщины поглощающего слоя (1 см) и единице концентрации исследуемого раствора С=1 моль/л; l-толщина поглощающего слоя.

Из уравнения:

    Коэффициент экстинкции e является постоянной величиной для данного соединения при данной длине волны. При больших значениях e удобно пользоваться его логарифмом lg e.

    Между поглощением (D) и пропусканием (Т) существует следующая зависимость:

    Современные двухлучевые спектрометры позволяют  непосредственно записывать поглощение или пропускание. Спектры поглощения строятся так, что на ординате откладывается поглощение (D) (или lg e) или пропускание (T), а на оси абсцисс – длина волны l.

    Если  известны коэффициенты молярной экстинкции (e), толщина кюветы (l), и поглощение (D), то концентрацию хромофорного вещества можно найти количественно, используя закон Ламберта-Бера.

    В некоторых случаях, если концентрация велика, e становится функцией С и тогда можно сказать, что закон Бера нарушается. Это может быть результатом рассеяния света или структурных изменений (например, димеризации, агрегации или химических изменений) при высоких концентрациях (рис. 5)

    Т.е. в этой точке суммарная оптическая  плотность не будет зависеть от концентрации каждого из компонентов в отдельности. Изобестические точки могут появляться в сериях спектральных кривых, регистрируемых для изучаемой системы при изменении самых различных внешних параметров: температуры, давления, pH, концентрации добавляемого к раствору, растворителя, времени протекания реакции и т.д. 

    Аппаратура  для измерения  поглощения в видимом  и ультрафиолетовом свете.

    Измерение поглощения осуществляют с помощью  спектрофотометра. Несмотря на различия в конструкции, все спектрофотометры состоят из источника света, монохроматора (для выделения определенной длины волны), прозрачной кюветы, куда помещается образец, детектора света и измерительного прибора или самописца для регистрации выходного сигнала детектора (рис 6.). Ход работы обычно следующий: измеряют при одной длине волны интенсивность света, прошедшего через растворитель (который может быть буфером), затем следует измерение интенсивности света, прошедшего через раствор изучаемого вещества в том же растворителе Далее фиксируется изменение в интенсивности света, по которому можно судить о поглощении растворенного вещества. На практике прибор настраивают таким образом, чтобы он показывал нулевое поглощение при измерении одного растворителя (это называется настройкой прибора на нуль). Осуществив такую настройку, можно снимать показания, соответствующие непосредственно поглощению образца. 

Для получения спектра эта операция повторяется при многих длинах волн. Некоторые приборы, называемые автоматическими двухлучевыми регистрирующими спектрофотометрами, позволяют осуществлять развертку длин волн и одновременно измерять поглощение образца и растворителя (которые находятся и различных кюветах) и фиксировать с помощью электронного оборудования суммированный поток излучении. При этом на самописце вычерчивается спектр.

Список  литературы 

1. Свердлова О.В. Электронные спектры в органической химии. Л. Химия, 1973.
2. Вилков Л.В., Пентин Ю.А.Физические методы исследования в химии - Структурные методы и оптическая спектроскопия. М.: Высшая школа, 1987.
3. Казыцина Л.А., Куплетская Н.Б. Применение УФ-, ИК- и ЯМР-спектроскопии в органической химии. М.: 1971