Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия

УФ-спектры

Поглощение органическими веществами электромагнитных колебаний в ультрафиолетовой (УФ) и видимой области спектра обусловлено переходом электронов со связывающих на разрыхляющие молекулярные орбитали. В результате такого перехода молекула оказывается в возбужденном состоянии. При взаимодействии с квантом света, поглощая энергию, электрон может переходить с высшей занятой молекулярной орбитали (ВЗМО) на низшую свободную молекулярную орбиталь (НСМО). Электроны достаточно прочно удерживаются ядром, поэтому для их возбуждения требуется относительно много энергии, поэтому необходимо — электромагнитное излучение, имеющее малые длины волн (120−800 нм).

Рис. 2.1. Диаграмма энергетических уровней и возможных переходов между ними при возбуждении электронов органической молекулы (аи л-электроны соответствующих молекулярных орбиталей, «-электроны неподеленных пар гетероатомов).

Рис. 2.2. Энергетическая диаграмма молекулярных орбиталей, образующихся при сопряжении двух двойных связей.

В УФ-области поглощают все органические вещества. Длины волн менее 190 нм (дальняя или вакуумная область УФ-спектра) малопригодны для работы, так как в этой области поглощают компоненты воздуха — кислород и азот. Приборы для исследований в интервале длин волн 120−190 нм с вакуумными камерами существуют, однако они сложны и редко используются в обычной лабораторной практике. Для волн длиной более 200 нм воздух прозрачен, что делает ближнюю ультрафиолетовую и видимую области спектра (190−800 нм) удобными для измерений. В том же интервале прозрачен кварц, который в УФ-спектроскопии применяется как оптический материал для изготовления призм и кювет. Приборы для получения спектров поглощения в этой области просты и доступны. Необходимые для исследования массы вещества невелики — около 0,1 мг. В связи с этим УФ-спекгроскопия в настоящее время является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических соединений.

Электроны в атомах и молекулах занимают орбитали со строго определенной энергией. Уровень энергии атомных орбиталей определяется соответствующим набором квантовых чисел. Молекулярные орбитали могут рассматриваться как линейные комбинации атомных. Такая комбинация дает связывающую орбиталь (Т4- — электроны с антипараллельными спинами) и разрыхляющую орбиталь (tt — электроны с параллельными спинами). В обычных органических молекулах присутствуют электроны аи я-связей, а также электроны неподеленных пар гетероатомов, или и-электроны. Их относительные энергетические уровни и сравнительные энергии возможных переходов в возбужденное состояние (обычно обозначаются звездочкой*) представлены на рис. 2.1, который показывает, что наибольшая энергия кванта необходима для осуществления перехода а—"а*, т. е. для возбуждения электронов наиболее прочной a-связи необходимы кванты света минимальной длины волны. Энергия переходов п->а* и л—"л* меньше, следовательно, длина волны света, возбуждающего такой переход больше. Энергия и-уровня электронов выше энергии л-уровней, поэтому возбуждение вызывается квантами света еще большей длины волны. Практическое значение имеют переходы и-*л* и я->л*, поскольку только им соответствуют длины волн, попадающие в рабочий диапазон прибора. Исключение составляют переходы я—>я* изолированных двойных связей ОС и C=N, а также тройных связей ОС и ON (А._макс = 160−180 нм). Для изолированных кратных связей в используемом для измерений интервале проявляется только электронный переход в карбонильной группе: С=0 (Хмакс = 270 нм).

Группировки, вызывающие избирательное поглощение электромагнитного колебания в УФ-области, называются хромофорами. Основными хромофорами, дающими максимум поглощения в области 200−800 нм, являются системы сопряженных двойных связей. Орбитали, образуемые двумя сопряженными двойными связями, представлены на рис. 2.2. Видно, что при взаимодействии двух л-орбиталей, соответствующих изолированным двойным связям, образуются две новые орбитали: связывающая (я+л) и разрыхляющая (л-л). Возбужденному состоянию соответствуют две аналогичные орбитали. Следовательно, для возбуждения электронов сопряженной системы, т. е. для осуществления перехода с высшей занятой (л-л) на низшую свободную (я*+ я*) орбиталь, требуется меньше энергии, чем для возбуждения электронов изолированных двойных связей (п-*п*). Ясно, что сопряженные двойные связи будут поглощать кванты света с большей длиной волны, чем изолированные двойные связи.

С ростом числа таких сопряженных связей энергия, необходимая для возбуждения электронов, уменьшается, и поглощение света будет наблюдаться при больших длинах волн. В ароматических системах переход электрона в возбужденное состояние осуществляется также при меньшей затрате энергии, чем в случае наличия изолированной двойной связи. Таким образом, основными хромофорами в УФ-спектроскопии являются сопряженные С=С-связи, карбонильная группа С=0, системы С=С-С=0 и ароматическое ядро.

УФ-спектр органического вещества характеристичен, так как поглощение определяется только собственно хромофором и его ближайшим окружением, т. е. один и тот же хромофор проявляется практически одинаково как в простых, так и в самых сложных молекулах. В зависимости от непосредственного окружения одной и той же хромофорной группировки положение максимума поглощения в УФ-спектрах различных соединений может несколько изменяться. Сдвиг максимума в сторону более длинных волн принято называть батохромным, а сдвиг в сторону более коротких волн — гипсохромным.

Интенсивность поглощения в спектре связана с вероятностью данного типа электронного перехода. Однако далеко не все переходы, формально кажущиеся возможными, осуществляются в действительности. Есть правила отбора, определяющие разрешенные и запрещенные переходы. Эти правила учитывают в основном симметрию молекулы, а также электронную симметрию основного и возбужденного состояний. Запрещены переходы, при которых происходит изменение спина электрона. Интенсивность поглощения, соответствующего разрешенным переходам, обычно высока, молярный коэффициент поглощения достигает тысяч, а иногда и сотен тысяч единиц, тогда как для запрещенных переходов значение е составляет десятки, реже — сотни единиц.

Спектрометры для получения УФ-спектров имеют следующее устройство. В качестве источника УФ-излучения обычно применяется водородная лампа (электрическая дуга в атмосфере водорода при низком давлении), которая дает практически непрерывный спектр излучения в области 190−360 нм. Для работы в видимой области служит лампа накаливания с вольфрамовой спиралью. Излучение от источника попадает в монохроматор, состоящий из зеркала, кварцевой призмы и щели. Отражаясь от зеркала, свет разлагается призмой и затем с помощью щели из спектра выделяется узкая область. При вращении призмы спектр перемещается по отношению к щели, что позволяет получать лучи света со строго определенной длиной волны, обычно с точностью ±0,5 нм. Монохроматическое излучение пропускается через кварцевую кювету, содержащую раствор исследуемого вещества в прозрачном для УФ-области растворителе. Толщина кювет 1−10 см, наиболее распространенные кюветы имеют сечение 1×1 см, и для их заполнения требуется около 3 мл раствора. Интенсивность прошедшего через кювету света измеряется с помощью фотоэлемента, величина тока которого пропорциональна интенсивности падающего света. Ток усиливается и регистрируется потенциометром. Сравнивается интенсивность светового луча, прошедшего через исследуемый раствор, и луча, пропущенного через аналогичную кювету с чистым растворителем. Получаемая разность соответствует поглощению растворенного исследуемого вещества. В современных регистрирующих приборах световой поток делится на два одинаковых пучка, один из которых проходит через исследуемый раствор, а другой — через растворитель, причем как сравнение интенсивностей прошедших через кюветы световых потоков, так и непрерывное изменение длин волн производится автоматически. В том и другом случае получают УФ-спектр вещества, представляющий собой зависимость оптической плотности раствора D (или е) от длины волны поглощаемого света. В точках максимума мольный коэффициент поглощения вычисляют по уравнению:

Пример 1.

После трех последовательных разведений получен раствор, содержащий 3,061*10″^[1] г циклопентадиена в 9,3721 г гексана (плотность гексана 0,6603 г/см³); оптическая плотность раствора в кювете с длиной оптического пути 1 см при Адес = 240 нм составляет 1,1 (рис. 2.3). Вычислите мольный коэффициент поглощения .

Решение. Вычислим концентрацию раствора © в моль/л, пренебрегая разностью в плотности вещества и растворителя и учитывая, что относительная молярная масса циклопентадиена С5Н6 равна 66,10:

Окончательная обработка спектра приводит к зависимости мольного коэффициента погашения от длины волны (или частоты). В настоящее время все чаще пользуются шкалой частот (точнее, волновых чисел), выраженных в см" ¹, так как в этом случае энергия линейно изменяется по оси абсцисс. В связи с тем, что значения е могут колебаться в очень широких пределах (от десятков до сотен тысяч), кривую УФ-спектра часто представляют в виде зависимости lge от X (или от и'). Спектр в большинстве случаев представляет собой кривую с одним пологим максимумом (рис. 2.3). Большая ширина полосы поглощения обусловлена тем, что помимо основных уровней электронных переходов существуют подуровни, связанные с колебаниями молекулы.

Рис. 2.3. УФ-спектр никлопентадиена.

Многочисленность таких подуровней обычно приводит к тому, что соответствующие им отдельные максимумы сливаются в один.

(см. рис. 2.3). В отдельных случаях, например для ароматических соединений, за счет колебательных подуровней максимум поглощения представляет собой набор узких полос по обе стороны от основной (рис. 2.4). В таких случаях принято говорить, что максимум имеет тонкую структуру.

Обычно УФ-спектр характеризуют длиной волны, при которой наблюдается максимум поглощения, и мольным коэффициентом поглощения в этом максимуме. Например, спектр циклопентадиена (см. рис. 2.3) достаточно точно может быть передан записью: Хмак_С(в гексане) = 240 нм (е = 3400 л/моль-см). УФ-спектр вещества может иметь несколько максимумов поглощения, каждый из которых соответствует различным типам электронных переходов. В этом случае при цифровой записи спектра перечисляются длины волн максимумов поглощения и в скобках приводятся значения е, соответствующие данному максимуму. Если спектр имеет относительно сложный контур (например, тонкая структура какого-либо из максимумов), целесообразно приводить непосредственно рисунок спектра, так как часто его специфические особенности характеристичны и позволяют делать определенные выводы.

Мольный коэффициент экстинкции для каждого поглощающего в УФ-области вещества при данной длине волны в одном растворителе имеет строго постоянное значение, определяющее оптическую плотность раствора при заданной концентрации. Точность измерения оптической плотности весьма высока — погрешность измерений составляет, в зависимости от конструкции прибора, ±0,2* 1% от определяемой величины. Следовательно, измеряя оптическую плотность раствора, при известной? можно с высокой точностью определять концентрацию вещества. Измерения не обязательно проводить при длине волны, соответствующей максимуму поглощения. Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет с достаточно высокой степенью точности осуществлять количественный анализ растворов и в том числе наблюдать изменение концентрации вещества во времени. Последнее находит широкое применение при исследовании кинетики химических реакций.

Пример 2.

В УФ-спектре раствора циклопентадиена в гептане оптическая плотность при Л_мах = 240 нм составляет 0,83 при длине светового пути 1 см. Определите концентрацию раствора, если мольный коэффициент поглощения равен 3400 л/(моль-см).

Решение. Концентрация раствора определяется как:

В качестве растворителей в УФ-спектроскопии используются алканы (гексан, гептан), этанол, вода, реже — диоксан. Концентрации исследуемых растворов (обычно 10 -10″ ⁶ моль/л) подбираются так, чтобы их оптическая плотность находилась в пределах 0,3−0,7. Это обеспечивает максимальную точность измерений. Для получения точных значений столь малых концентраций используется метод последовательных разведений, при использовании которого взвешивают раствор и растворитель. В данном случае предполагается совершение минимального количества ошибок, чем при разведении по объему.

Необходима особо тщательная очистка применяемых растворителей, так как примесь, например, ароматических соединений в количестве КГ⁵ моль/л делает алканы непригодными для работы. Методы очистки растворителей хорошо отработаны. Наиболее просто (перегонкой) очищается вода — самый доступный растворитель. Замена растворителя в отдельных случаях может вызвать некоторые изменения как в положении полос (на 2−10 нм), так и в их интенсивности (на 10−20%). Как правило, такая замена влияет на спектры полярных веществ и практически не сказывается на УФ-спектрах неполярных соединений. Наиболее сильные изменения в спектрах обусловлены химическим взаимодействием вещества с растворителем (в частности, образованием водородной связи), а также изменением степени диссоциации или соотношения таутомерных форм вещества. Во всех таких случаях следует проверить, выполняется ли для данного раствора закон БугераЛамберта-Бера.

Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет определить в исследуемых соединениях группировки хромофоры и дает возможность проведения количественного анализа веществ, содержащих такие группировки. Этот метод находит широкое применение не только в лабораторной практике, но и в химической и пищевой промышленности, например для определения стирола в его смесях с дивинилбензолом, определения каротиноидов, бензопирена и т. д.

Как структурно-аналитический метод УФ-спектроскопия значительно менее информативна по сравнению с другими и носит в основном эмпирический характер, поскольку зависимость между характером поглощения и структурой молекулы не имеет строгого физико-математического обоснования, что, однако, не мешает широкому его использованию.

• [1] Примеры взяты из монографии (9].