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.