紫外-可见吸收光谱与有机分子结构的关系
(一)电子跃迁的类型
许多有机化合物能吸收紫外-可见光辐射。有机化合物的紫外-可见吸收光谱主要是由分子中价电子的跃迁而产生的。
分子中的价电子有:
成键电子: s 电子、p 电子(轨道上能量低)
未成键电子: n 电子( 轨道上能量较低)
这三类电子都可能吸收一定的能量跃迁到能级较高的反键轨道上去。分子中价电子跃迁:
1. s - s* 跃迁
s-s*的能量差大,所需能量高,吸收峰在远紫外(l<150nm)
饱和烃只有s 、s* 轨道,只能产生s - s*跃迁,例如:
甲烷 吸收峰在 125nm;乙烷 吸收峰在 135nm(< 150nm)
(因空气中O2对< 150nm辐射有吸收,定量分析时要求实验室有真空条件,要求一般难达到)
2. p-p* 跃迁
p-p*能量差较小,所需能量较低,吸收峰紫外区 (l200nm左右)
不饱和烃类分子中有p电子,也有p* 轨道,能产生p-p*跃迁:CH2=CH2 ,吸收峰 165nm。(吸收系数 e 大,吸收强度大,属于强吸收)
3. n- s*跃迁
n- s* 能量较低,收峰紫外区(l200nm左右) (与p-p*接近)
含有杂原子团如:-OH,-NH2 ,-X,-S 等的有机物分子中除能产生。
s-s* 跃迁外,同时能产生n- s *跃迁,例如:三甲基胺 (CH3)3N- 的 n- s* 吸收峰在 227 nm, e 约为900 L/mol·cm ,属于中强吸收。
4. n- p*跃迁
n- p*能量低,吸收峰 在 近紫外、可见区 (l 200 ~ 700nm)含有杂原子的不饱和基团,如 -C=O等,例如: 丙酮: n- p*跃迁, lmax 280nm左右(同时也可产生p-p*跃迁),属于弱吸收, e < 500 L/mol·cm 。
各种跃迁所需能量大小次序为: s - s* > n- s* ³; p-p* > n- p*
紫外-可见吸收光谱法在有机化合物中应用主要以:p-p* 、n- p* 为基础。
(二)吸收峰的长移和短移
长移:吸收峰向长λ 移动的现象,又称红移;
短移:吸收峰向短λ移动的现象,又称紫移;
增强效应:吸收强度增强的现象;
减弱效应:吸收强度减弱的现象。
(三)发色团和助色团
p-p* 、n- p*跃迁都需要有不饱和的官能团以提供 p 轨道,因此,轨道的存在是有机化合物在紫外-可见区产生吸收的前提条件。
1.发色团:具有 p 轨道的不饱和官能团称为发色团。
主要有: -C=O,-N=N-, -N=O等。但是,只有简单双键的化合物生色作用很有限,其有时可能仍在远紫外区,若分子中具有单双键交替的 “共轭大p键” (离域键)时,如: 丁二稀 CH2=CH—CH=CH2。由于大p键中的电子在整个分子平面上运动,活动性增加,使 p与 p* 间的能量差减小,使 p- p* 吸收峰长移,生色作用大大增强。
2. 助色团
本身不“生色”,但能使生色团生色效应增强的官能团-称为助色团。
主要有: – OH、 –NH2、 –SH、 –Cl、 –Br 等(具有未成键电子轨道 n 的饱和官能团)
当这些基团单独存在时一般不吸收紫外-可见区的光辐射。但当它们与具有轨道的生色基团相结合时,将使生色团的吸收波长长移(红移), 且 使吸收强度增强。(助色团至少要有一对与生色团 p 电子作用的孤对电子)