Уф видимая спектроскопия. Современные проблемы науки и образования

Два других вида спектроскопии, часто применяемые в органической химии, - ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия и масс-спектрометрия (МС). В этой книге мы не будем подробно на них останавливаться и не будем заниматься интерпретацией спектров, а ограничимся лишь знакомством с основными принципами и характером информации, которую дают эти типы спектроскопии.

Ультрафиолетовая (УФ) спектроскопия изучает поглощение органическими веществами света в ультрафиолетовой области спектра (длина волны от 200 до 400 нм). Излучение с такой длиной волны поглощают только соединения, содержащие -связи (например, группы или Поглощение вызвано электронными переходами внутри молекулы. Для молекул, имеющих -связи, энергетическая разница между основным и возбужденным электронными состояниями соответствует энергии фотонов УФ-излучения. УФ-Излучение вызывает переход электронов на более высокую по энергии молекулярную орбиталь. При этом световая энергия переходит в энергию молекулы.

УФ-Спектр обычно состоит из одной широкой полосы поглощения, положение которой указывает на окружение двойной связи в молекуле. Чем большее число двойных связей в молекуле образует цепь сопряжения, тем больше длина волны поглощаемого света. Термин сопряжение означает, что две двойные связи разделены одной простой связью. В табл. 114 показано положение максимумов поглощения некоторых типичных структур. На рис. 11-22 изображен УФ-спектр -циклогексадиена.

Из табл. 11-4 видно, что появление в цепи сопряжения новой двойной связи увеличивает длину волны поглощаемого УФ-излучения примерно

Рис. 11-22. Уф-Спектр 1,3-циклогексадиена

Таблица 11-4. (см. скан) Положение максимумов поглощения УФ-излучения для некоторых соединений

на 30-50 нм. Обратите также внимание, что вещества, не имеющие двойных связей, не поглощают УФ-излучения.

Если в молекуле имеется цепь сопряжения, состоящая из семи или более двойных связей, то такое вещество поглощает видимый свет (длина волны 400-700 нм) и является окрашенным благодаря избирательному поглощению некоторых цветов.

Ультрафиолетовая спектроскопия позволяет определять число сопряженных углерод-углеродных и углерод-кислородных двойных связей в молекуле. Поглощение возникает вследствие электронных переходов.

Дорогие читатели! Коллектив библиотеки поздравляет вас с Новым годом и Рождеством! От всей души желаем счастья, любви, здоровья, успехов и радости вам и вашим семьям!
Пусть грядущий год подарит вам благополучие, взаимопонимание, гармонию и хорошее настроение.
Удачи, процветания и исполнения самых заветных желаний в новом году!

Тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru

Уважаемые читатели! До 31.12.2019 нашему университету предоставлен тестовый доступ к ЭБС Ibooks.ru , где вы сможете ознакомиться с любой книгой в режиме полнотекстового чтения. Доступ возможен со всех компьютеров сети университета. Для получения удалённого доступа необходима регистрация.

«Генрих Осипович Графтио - к 150 - летию со дня рождения»

Уважаемые читатели! В разделе "Виртуальные выставки" размещена новая виртуальная выставка «Генрих Осипович Графтио». В 2019 году исполняется 150 лет со дня рождения Генриха Осиповича - одного из основателей гидроэнергетической отрасли нашей страны. Ученый-энциклопедист, талантливый инженер и выдающийся организатор, Генрих Осипович внес огромный вклад в развитие отечественной энергетики.

Выставка подготовлена сотрудниками отдела научной литературы библиотеки. На выставке представлены труды Генриха Осиповича из фонда истории ЛЭТИ и публикации о нём.

Ознакомиться с выставкой Вы можете

Тестовый доступ к Электронно-библиотечной системе IPRbooks

Уважаемые читатели! C 08.11.2019 г. по 31.12.2019 г. нашему университету предоставлен бесплатный тестовый доступ к крупнейшей российской полнотекстовой базе данных - Электронно-библиотечной системе IPR BOOKS . ЭБС IPR BOOKS содержит более 130 000 изданий, из которых более 50 000 - уникальные учебные и научные издания. На платформе Вам доступны актуальные книги, которые невозможно найти в открытом доступе в сети Интернет.

Доступ возможен со всех компьютеров сети университета.

Для получения удаленного доступа необходимо обратиться в отдел электронных ресурсов (ауд. 1247) к администратору ВЧЗ Склеймовой Полине Юрьевне или по электронной почте [email protected] с темой "Регистрация в IPRbooks".

Фотометрические (абсорбционные) методы анализа основа-ны на способности анализируемого вещества избирательно по-глощать свет.

Анализ веществ, основанный на измерении светопоглощё-ния, включает спектрофотометрию и фотоколориметрию.

Спектрофотометрия основана на поглощении монохромати-ческого света, т. е. света определенной длины волны (1-2 нм) в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра.

Такого рода измерения поглощения света осуществляются при помощи спектрофотометров различных марок, в которых используется всегда монохроматический поток световой энер-гии, получаемый посредством оптической системы, называемой монохроматором.

Поглощение в ультрафиолетовой (УФ) и видимой областях спектра связано в основном с возбуждением электронов.

Поглощение света в инфракрасной области спектра (ИК) обусловлено молекулярными колебаниями.

В зависимости от диапазона длин волн, при которых измеряют светопо-глощение растворов химических ве-ществ, методы, основанные на измере-нии светопоглощения, подразделяются на спектрофотометрию в УФ-области спектра с диапазоном длин волн 200- 400 нм, спектрофотометрию в види-мой области спектра (400-760 нм) и спектрофотометрию в инфракрасной области спектра (760-20 000 нм). Но обычно единицей измерения длин волн ИК-спектров является микрон (1 мк= = 10 -4 см) или волновое число (см -1), т. е, число волн в 1 см.

В фармацевтическом анализе чаще используется спектроско-пия в УФ- и видимой области спектра.

Метод УФ-спектроскопии включен в ГФ IX, ГФ X и МФ II, а также в последние издания фармакопеи почти всех стран для определения подлинности, чистоты и количественного опреде-ления вещества в препаратах.

Абсорбционный спектр или спектр поглощения представляет собой графическое изображение количества света, поглощенно-го веществом при определенных значениях длин волн.

Для построения характеристической кривой поглощения - величины длин волн (Я,) при УФ-спектроскопии или волновые числа (см -1) при ИК-спектроскопии - наносят на ось абсцисс, а величину погашения (Л) 1 или проценты пропускания (Г) (при ИК-спектроскопии) - на ось ординат (рис. 5, 6).

При построении кривых спектров погашения в УФ- и види-мой части спектров можно использовать величины удельных показателей погашения (Ј 1% i CM) или молярного показателя поглощения (е) 2 , где е - оптическая плотность 1 М раствора ве-щества при толщине слоя в 1 см; Ј 1% i CM - величина погашения раствора, содержащего 1 г вещества в 100 мл раствора при тол-щине слоя в 1 см.

Эти величины определяются экспериментально, для многих веществ они приведены в литературе.

Характеристикой спектра поглощения является положение максимумов (минимумов) поглощения света веществом, а так-же интенсивность поглощения, что характеризуется оптической плотностью (D ) или удельным показателем поглощения (Ј 1% 1см) при определенных длинах волн.

УФ-спектрофотометрическое измерение проводят обычно в растворах. В качестве растворителей используется дистиллиро-

ванная вода, кислоты, щелочи, спирты (этиловый, метиловый) и некоторые другие органические растворители.

Растворитель не должен поглощать свет в той области спектра, что и исследуемое вещество. Характер спектра может изменяться в различных растворителях, а также при изменении рН среды.

Факторами, обусловливающими поглощение света исследуе-мыми веществами, является наличие в их молекулах так назы-

Каждая функциональная группа в молекуле вещества ха-рактеризуется поглощением света в определенной области спектра, что и используется для целей идентификации и коли-чественного определения вещества в препарате.

Кроме хромофоров, в состав молекулы могут входить функ-циональные группы, которые сами по себе не поглощают в близ-ком ультрафиолете, но могут влиять на поведение сопряжен-ного с ними хромофора. Такие группы, называемые ауксохро-мами, обычно вызывают появление поглощения при больших длинах волн и с большим значением коэффициента погашения, чем это свойственно данному хромофору. Примеры ауксохро-мов: -SH, -NH 2 , -ОН.

ИК-спектры для большинства органических соединений, в отличие от УФ-спектров, характеризуются наличием большего числа пиков поглощения (см. рис. 6). Поэтому метод ПК-спект-роскопии дает возможность получить наиболее полную инфор-мацию о строении и составе анализируемого вещества, позво-ляющую идентифицировать очень близкие по структуре соеди-нения.

В ГФ X и МФ II метод ИК-спектроскопии принят для иден-тификации многих органических лекарственных веществ с по-лифункциональными группами в их молекулах путем сравнения со спектрами стандартных образцов, снятых в одинаковых ус-ловиях. В оригинальной литературе последних лет приведены! ИК-спектры антибиотиков, гормонов, кумаринов и многих дру-гих Лекарственных веществ органической природы. В связи с-возрастающими требованиями к качеству лекарств ИК-спектро-скопия как один из надежных методов идентификации приобре-тает все большее значение.

ОБЩАЯ ФАРМАКОПЕЙНАЯ СТАТЬЯ

Взамен ОФС ГФ X, ОФС ГФ XI, ОФС 42-0042-07 ГФ XII, ч.1

Уменьшение интенсивности монохроматического излучения, проходящего через гомогенную поглощающую среду, количественно описывается законом Бугера-Ламберта-Бера:

log 10 (1/Т ) = А = ε ∙ c ∙ b , (1)

• Т – пропускание, отношение интенсивности светового потока, прошедшего через вещество, к интенсивности падающего на вещество светового потока; Т = I /I 0 ;
• I – интенсивность прошедшего монохроматического излучения;
• I 0 – интенсивность падающего монохроматического излучения;
• ε – молярный показатель поглощения;
• с – молярная концентрация вещества в растворе;
• b

Величина log 10 (1/Т ) носит название оптической плотности, обозначается буквой А и является измеряемой величиной. В отсутствии других физико-химических факторов измеренная оптическая плотность (А ) пропорциональна концентрации вещества в растворе (с ) и толщине слоя (b ).

Величина представляет собой удельный показатель поглощения, т.е. оптическую плотность раствора вещества с концентрацией 10 г/л (1 г/100 мл) в кювете с толщиной слоя 1 см. Величины и ε связаны соотношением:

М.м. – молекулярная масса исследуемого вещества.

Измерение оптической плотности

Если нет других указаний в фармакопейной статье, измерение оптической плотности проводят при указанной длине волны с использованием кювет с толщиной слоя 1 см и при температуре (20 ± 1) °С по сравнению с тем же растворителем или той же смесью растворителей, в которой растворено вещество. При измерении оптической плотности раствора при данной длине волны оптическая плотность кюветы с растворителем, измеренная против воздуха при той же длине волны, не должна превышать 0,9 и, желательно, чтобы она была не менее 0,2.

Спектр поглощения представляют таким образом, чтобы оптическая плотность или ее некоторая функция были приведены по оси ординат, а длина волны или некоторая функция длины волны – по оси абсцисс.

Если в фармакопейной статье для максимума поглощения указывается только одна длина волны, то это означает, что полученное значение максимума не должно отличаться от указанного более чем на ± 2 нм.

Приборы

Спектрофотометры, предназначенные для измерений в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, состоят из оптической системы, выделяющей монохроматическое излучение в области от 190 до 800 нм и обеспечивающей его прохождение через образец, и устройства для измерения оптической плотности.

Основными частями этих приборов являются: источник излучения, диспергирующий прибор (призма или решетка), щель для выделения полосы длин волн, кюветы для образцов, детектор излучаемой энергии, встроенные усилители и измерительные приборы.

Проверка шкалы длин волн в ультрафиолетовой и видимой области. Точность калибровки прибора по шкале длин волн в спектральном ряду проверяют по приведенным в табл. 1 спектральным линиям водородной (Hβ) или дейтериевой (Dβ) разрядной лампы, линиям паров ртути (Hg) кварцево-ртутной дуговой лампы, а также по максимумам поглощения раствора гольмия перхлората (Ho) (готовый реактив для калибровки спектрофотометра представляет собой 4 % раствор гольмия оксида в 14,1% растворе хлорной кислоты). Допустимое отклонение составляет ± 1 нм для ультрафиолетовой и ± 3 нм для видимой области.

Таблица 1 – Максимумы поглощения для проверки шкалы длин волн

Шкала длин волн может быть калибрована также при помощи подходящих стеклянных фильтров, которые имеют фиксированные полосы поглощения в видимой и ультрафиолетовой областях, а также стандартных стекол, содержащих дидим (смесь празеодима и неодима), и стекол, содержащих гольмий.

Проверка шкалы оптической плотности. Для проверки шкалы оптической плотности используют стандартные неорганические стеклянные фильтры или раствор калия дихромата при длинах волн, указанных в табл. 2, где для каждой длины волны приведено точное значение удельного показателя поглощения и допустимые пределы.

Раствор калия дихромата для проверки шкалы оптической плотности при 235, 257, 313 и 350 нм готовят следующим образом: от 57,0 до 63,0 мг (точная навеска) калия дихромата, предварительно высушенного до постоянной массы при температуре 130 °С, растворяют в 0,005 М растворе серной кислоты и доводят объем раствора тем же растворителем до 1000 мл. Для проверки оптической плотности при 430 нм, растворяют 57,0-63,0 мг (точная навеска) калия дихромата в 0,005 М растворе серной кислоты и доводят объём раствора тем же растворителем до метки.

Таблица 2 ‑ Удельный показатель поглощения стандартов при различных длинах волн

Предельный уровень рассеянного света. Рассеянный свет может быть обнаружен при данной длине волны с использованием соответствующих фильтров или растворов: например, оптическая плотность раствора 12 г/л калия хлорида в кювете с толщиной слоя 1 см резко увеличивается между 220 и 200 нм и должна быть больше 2 при 198 нм при использовании воды в качестве раствора сравнения.

Разрешающая способность (для качественного анализа). Если есть указание в фармакопейной статье, определяют разрешающую способность спектрофотометра следующим образом. Записывают спектр 0,02 % (об/об) раствора толуола в гексане. Минимально допустимое значение отношения оптической плотности в максимуме поглощения при 269 нм к оптической плотности в минимуме поглощения при 266 нм указывают в фармакопейной статье.

Ширина спектральной щели (для количественного анализа). В случае использования спектрофотометра с изменяемой шириной спектральной щели при выбранной длине волны возможны погрешности, связанные с шириной этой щели. Для их исключения ширина щели должна быть малой по сравнению с полушириной полосы поглощения (шириной на половине оптической плотности) и в то же время должна быть максимально велика для получения высокого значения интенсивности падающего монохроматического излучения (I 0). Таким образом, ширина щели должна быть такой, чтобы дальнейшее ее уменьшение не изменяло величину измеряемой оптической плотности.

Кюветы. Допустимые отклонения в толщине слоя используемых кювет должны быть не более ±0,005 см. Кюветы, предназначенные для испытуемого раствора и раствора сравнения, должны иметь одинаковое пропускание (или оптическую плотность) при заполнении одним и тем же растворителем. В противном случае это различие следует учитывать.

Требования к растворителям. Для определений, производимых в ультрафиолетовой и видимой областях, образец анализируемого вещества растворяют в соответствующем растворителе, который должен быть оптически прозрачным в используемой области длин волн. Для этих областей длин волн пригодны многие растворители, в том числе вода, спирты, хлороформ, низшие углеводороды, эфиры и разбавленные растворы сильных кислот и щелочей.

Идентификация

Абсорбционную спектрофотометрию в ультрафиолетовой и видимой областях спектра применяют для определения подлинности лекарственных средств путем:

— сравнения спектров поглощения испытуемого раствора и раствора стандартного образца; в указанной области спектра должно наблюдаться совпадение положений максимумов, минимумов, плеч и точек перегиба;

— указания положений максимумов, минимумов, плеч и точек перегиба спектра поглощения испытуемого раствора; расхождение между наблюдаемыми и указанными длинами волн в максимумах и минимумах поглощения не должно обычно превышать ± 2 нм.

Возможны и другие варианты применения, оговоренные в фармакопейных статьях.

Количественное определение

Определение концентрации веществ спектрофотометрическим методом основано на использовании закона Бугера-Ламберта-Бера:

С – концентрация вещества в г/100 мл;

А – оптическая плотность испытуемого раствора;

– удельный показатель поглощения вещества;

b – длина оптического пути или толщина слоя, в сантиметрах.

В ряде случаев, даже при использовании монохроматического излучения могут наблюдаться отклонения от закона Бугера-Ламберта-Бера, обусловленные процессами диссоциации, ассоциации и комплексообразования. Поэтому предварительно следует проверить линейность зависимости оптической плотности раствора от концентрации в аналитической области. При наличии отклонений от линейной зависимости следует пользоваться не формулой (3), а экспериментально найденной зависимостью.

Обычно определение концентрации спектрофотометрическим методом проводят с использованием стандартного образца. Расчет концентрации основан на использовании уравнения:

С и С 0 – концентрации испытуемого раствора и раствора стандартного образца, соответственно;

А и А 0 – оптические плотности испытуемого раствора и раствора стандартного образца, соответственно.

Концентрации испытуемого и стандартного раствора должны быть близки.

Вначале измеряют оптическую плотность раствора стандартного образца, приготовленного, как указано в фармакопейной статье, затем проводят измерение оптической плотности испытуемого раствора. Второе измерение проводят сразу после первого, с использованием той же кюветы, в тех же экспериментальных условиях.

Метод с использованием стандартного образца является более точным и надежным. Возможность применения значения удельного показателя поглощения в каждом конкретном случае следует обосновывать. Обычно метод с использованием значения удельного показателя поглощения применим при допусках содержания анализируемого вещества не менее ±10 % от номинального содержания.

Многокомпонентный спектрофотометрический анализ

Многокомпонентный спектрофотометрический анализ (анализ смесей) применяют для одновременного количественного определения нескольких компонентов лекарственных средств, каждое из которых подчиняется закону Бугера-Ламберта-Бера.

Количественное определение в многокомпонентном спектрофотометрическом анализе основывается обычно на использовании уравнения:

А i – оптическая плотность испытуемого раствора при i -ой длине волны;

Е ij – показатели поглощения (зависящие от способа выражения концентрации) j -го компонента образца при i -ой аналитической длине волны;

c j – концентрация j -го компонента образца.

Соответствующие методики проведения анализа и расчетные формулы указываются в фармакопейных статьях.

Производная спектрофотометрия

В производной спектрофотометрии исходные спектры поглощения (нулевого порядка) преобразуются в спектры производных первого, второго и более высокого порядков.

Спектр первой производной представляет собой график зависимости градиента кривой поглощения (скорость изменения оптической плотности от длины волны, dA /dλ ) от длины волны.

Спектр второй производной представляет собой график зависимости кривизны спектра поглощения (d 2 A /dλ 2) от длины волны. Вторая производная при любой длине волны связана с концентрацией следующим соотношением:

А – оптическая плотность при длине волны λ;

– удельный показатель поглощения при длине волны λ;

с – концентрация вещества в растворе, в граммах/100 мл;

l – толщина слоя, в сантиметрах.

Производная спектрофотометрия может быть использована как для целей идентификации веществ, так и для их количественного определения в многокомпонентных смесях, а также в тех случаях, когда имеется фоновое поглощение, вызванное присутствием веществ, содержание которых не регламентируется.

Приборы

Используют спектрофотометры, отвечающие указанным выше требованиям и оснащенные аналоговым резистивно-емкостным дифференцирующим модулем или цифровым дифференциатором, или другими средствами получения производных спектров, в соответствии с инструкцией к прибору. Некоторые методы получения спектров второй производной приводят к смещению длин волн относительно исходного спектра, что следует учитывать там, где это необходимо.

Разрешающая способность

Если указано в фармакопейных статьях, записывают спектр второй производной для раствора 0,2 г/л толуола в метаноле, используя метанол в качестве раствора сравнения. На спектре должен присутствовать небольшой отрицательный экстремум, расположенный между двумя большими отрицательными экстремумами при 261 нм и 268 нм, в соответствии с рис. 1. Если нет других указаний в фармакопейных статьях, отношение А/B должно быть не менее 0,2.

Методика

Процедура анализа аналогична применяемой в обычной спектрофотометрии, но вместо оптических плотностей используют производные. Готовят раствор испытуемого образца, настраивают прибор в соответствии с инструкцией производителя и рассчитывают количество определяемого вещества, как указано в фармакопейной статье.

Рисунок 1 – Спектр второй производной раствора толуола (0,2 г/л) в метаноле

Приборы для фиксации оптических спектров построены по единому принципу. В качестве источника УФ излучения обычно применяется "водородная лампа" (электрический разряд 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 или дифракционные решетки 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.

Такое сравнение может быть проведено двумя путями. При наличии одного светового луча на его пути попеременно ставят кювету с исследуемым раствором и с растворителем (кювету сравнения). Спектр строят по точкам, постепенно вручную настраивая прибор на определенные длины волн. 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 спектр вещества, представляющий собой зависимость оптической плотности раствора (D) от длины волны поглощаемого света:

В точках максимумов молярный коэффициент погашения вычисляют по формуле

Спектр в большинстве случаев представляет собой кривую с одним пологим максимумом. Большая ширина полосы поглощения обусловлена тем, что помимо основных уровней электронных переходов существуют подуровни, связанные с колебаниями молекулы. Многочисленность таких подуровней обычно приводит к тому, что соответствующие им отдельные максимумы сливаются в один, имеющий пологую форму. В отдельных случаях, например для ароматических соединений, за счет колебательных подуровней максимум поглощения представляет собой набор узких полос по обе стороны от основной. В таких случаях принято говорить, что максимум имеет тонкую структуру.

Приборы различных схем позволяют получать спектры в различных областях спектра. 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; существуют схемы, где влияние газов воздуха ликвидируют продувкой полостей, по которым проходит луч непоглощающим газом.

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 количества вещества невелики - около 0,1 мг. В связи с этим УФ спектроскопия в настоящее время является одним из наиболее распространенных физико-химических методов исследования органических соединений.

Поглощение органическими веществами электромагнитных колебаний в ультрафиолетовой (УФ) и видимой области обусловлено переходом электронов со связывающих орбиталей на разрыхляющие или несвязывающие орбитали; такое состояние молекулы называется возбужденным.

При взаимодействии с квантом света электрон, поглощая энергию, может переходить с высшей заполненной орбитали на низшую вакантную орбиталь. Электроны достаточно прочно удерживаются ядром, поэтому для их возбуждения требуются большие энергии и, следовательно, электромагнитное излучение, имеющее малые длины волн (120 - 800 нм).

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 (­¯ , электроны с антипараллельными спинами, нормальное состояние) и разрыхляющую орбиталь (­­ , электроны с параллельными спинами, возбужденное состояние).

В обычных органических молекулах присутствуют электроны s - и p -связей, а также электроны неподеленных пар гетероатомов, или n -электроны. Их относительные энергетические уровни и сравнительные энергии возможных переходов в возбужденное состояние представлены на рис. 4, из которого следует, что наибольшая энергия кванта необходима для осуществления перехода s®s* , т.е. для возбуждения электронов наиболее прочной s -связи необходимы кванты света минимальной длины волны. Энергия переходов n®s* и p®p* меньше, и, следовательно, длина волны света, возбуждающего такой переход, соответственно больше. Энергия n -уровня электронов выше энергии p -уровней, поэтому возбуждение вызывается квантами света еще большей длины волны. Практическое значение имеют переходы n ®p* и p®p* , поскольку только им соответствуют длины волн, попадающие в рабочий диапазон прибора. Исключение составляют переходы p®p* изолированных двойных связей С=С и C=N , а также тройных связей и (l макс 160-180 нм). Для изолированных кратных связей в используемом для измерений интервале проявляется только переход карбонильной группы С=О (l макс » 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. 5.

Из рисунка очевидно, что при взаимодействии двух p - орбиталей, соответствующих изолированным двойным связям, образуются две новые орбитали: связующая (p+p ) и разрыхляющая (p-p ). Возбужденному состоянию также соответствуют две орбитали. Следовательно, для возбуждения электронов сопряженной системы, т.е. для осуществления перехода с высшей заполненной (p-p ) на низшую вакантную (p*+p* ) орбиталь, требуется меньшая энергия, чем для возбуждения электронов изолированных двойных связей (p®p* ), так что сопряженные двойные связи будут поглощать кванты света с большей длиной волны, чем изолированные двойные связи. С ростом числа сопряженных двойных связей энергия, необходимая для возбуждения электронов, будет уменьшаться, и поглощение света будет наблюдаться при больших длинах волн.

Интенсивность поглощения в спектре связана с вероятностью данного типа электронного перехода. Однако далеко не все переходы, формально кажущиеся возможными, осуществляются в действительности. Существуют так называемые 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, мольный коэффициент погашения достигает тысяч, а иногда и сотен тысяч единиц, тогда как для запрещенных переходов значение e составляет десятки, реже - сотни единиц.

Различные области спектра дают различную информацию. УФ спектры дают важную информацию о наличии кратных и сопряженных связей, ИК спектры позволяют наблюдать многочисленные проявления различных молекулярных группировок, ЯМР- и ЭПР- спектры позволяют исследовать тонкие детали механизмов взаимодействия в реакциях. Поэтому всегда важно использовать различные спектральные методы в комплексе.

Изучение УФ спектров

Электронные уровни наглядно и с высокой точностью описываются в терминах теории молекулярных орбиталей. Исходя из деталей взаимодействия и данных о потенциалах ионизации можно расположить электроны различных молекулярных орбиталей в следующий ряд по их энергии: s. s - орбитали занимают связывающие электроны всех типов органических молекул, p- орбитали заняты электронами двойных и тройных связей, n - орбитали заполняют электроны несвязывающих электронов гетероатомов, например, кислорода или азота. Возбуждение переводит электроны на более высокие разрыхляющие орбитали, энергия которых растет p*. Таким образом, в электронных спектрах могут проявляться следующие переходы: n®p* p®p* (в алкенах, алкинах, карбонильных и азосоединениях); s®p* (в карбонильных соединениях); s®s* (в алканах).