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紫外光谱的电子跃迁

但你爱她    2018-03-02    紫外可见光谱仪    浏览 430 次

精彩问答
z62Qc027w 发布日期:2018-03-03
饱和烃分子是只有C—C键与C—H键的分子,只能发生σ→σ*跃迁,由于σ电子不易激发,故跃迁需要的能量较大,即必须在波长较短的辐射照射下才能发生。如CH4的σ→σ*跃迁在125 nm,乙烷的σ→σ*跃迁在135 nm,其它饱和烃的吸收一般波长在150 nm左右,均在远紫外区。
如果饱和烃中的氢被氧、氮、卤素等原子或基团取代,这些原子中的n轨道的电子可以发生n→σ*跃迁。见下图。
下表列举了一些能进行跃迁的化合物。 一些化合物发生n→σ*跃迁时的吸收光化合物 CH₃Cl CH₃OH CH₃OCH₃ CH₃Br CH₃NH₂ CH₃I λmax 172(弱) 183(150) 185(2520) 204(200) 215(600) 258(365) 从上表可以看出,C—O(醇、醚),C-Cl等基团的n→σ*跃迁,吸收光的波长小于200 nm,在真空紫外,而C一Br,C一I,C-NH₂等基团的n→σ*跃迁,吸收光的波长大于200 nm,可以在近紫外区看到不强的吸收。这些化合物在吸收光谱上的差别,主要是由于原子的电负性不同,原子的电负性强,对电子控制牢,激发电子需要的能量大,吸收光的波长短;反之,原子的电负性较弱,对电子控制不牢,激发电子需要的能量较小,可以在近紫外区出现吸收。此外,分子的可极化性对其吸收光的波长也有一定的影响。可极化性大的,吸收光的波长也较长,n→σ*跃迁的κ值一般在几百以下。
由于饱和烃、醇、醚等在近紫外区不产生吸收,一般用紫外-可见分光光度计无法测出,因此在紫外光谱中常用作溶剂。 1.π→π*跃迁
C=C双键可以发生π→π*跃迁,由于原子核对π电子的控制不如对σ电子牢,跃迁所需的能量较σ电子小。所以→π*跃迁κ值较大,在5000~100000左右,但是只有一个C=C双键的跃迁出现在170~200 nm处,在真空紫外吸收,一般的分光光度计不能观察到。例如乙烯的π→π*跃迁,λmax= 185 nm(κ=10000),在近紫外区不能检出,同样C≡C与C≡N等π→π*跃迁的吸收亦小于200 nm。
如果分子中存在两个或两个以上的双键(包括三键)形成的共轭体系,π电子处在离域的分子轨道上,与定域轨道相比,占有电子的成键轨道的Z高能级与未占有电子的反键轨道的Z低能级的能差减小,使π→π*跃迁所需的能量减少,因此吸收向长波方向位移。消光系数也随之增大,例如1,3-丁二烯分子中两对π电子填满π1与π2成键轨道,π3与T4反键轨道是空的,当电子吸收了所需的光能后便会发生从π2到π3的跃迁,见下图。
由图可知,在这种分子中,电子可以有多种跃迁,但是在有机分子中比较重要的是能量Z低的跃迁,因为这种跃迁在近紫外区吸收,1,3-丁二烯的能量Z低跃迁是π2→π3跃迁,其λmax=217 nm(κ= 21000),而其它跃迁能阶相差较高,需要能量较大,在真空紫外吸收。随着共轭体系逐渐增长,跃迁能阶的能差逐渐变小,吸收愈向长波方向位移,由近紫外可以转向可见光吸收(见下表)。 多烯化合物的吸收带化合物 双键 λmax/nm(κ) 颜色 乙烯 1 185(10,000) 无色 丁二烯 2 217(21,000) 无色 1,3,5-己三烯 3 285(35,000) 无色 癸五烯 5 335(118,000) 淡黄 二氢-β-胡萝卜素 8 415(210,000) 橙黄 番茄红素 11 470(185,000) 红 因为共扼体系吸收带的波长在近紫外,因此在紫外光谱的应用上,占有重要地位,对于判断分子的结构,非常有用。
2.n→π*跃迁
有些基团存在双键和孤电子对,如C=O,N=O,C=S,N=N等,这些基团除了可以进行π→π*跃迁,有较强的吸收外,还可进行n→π*跃迁,这种跃迁所需能量较少,可以在近紫外或可见光区有不太强的吸收,κ值一般在十到几百。例如脂肪醛中C=O的π→π*跃迁吸收约210 nm,n→π*跃迁吸收约290 nm,见下左图。
如果这些基团与C=C共轭,形成含有杂原子的共轭体系,与C=C—C=C共轭类似,可以形成新的成键轨道与反键轨道,使与π→π*与n→π*的跃迁能级的能差减小,吸收向长波方向位移,例如2-丁烯醛的π2→π3和n→π3跃迁与脂肪醛相应的跃迁比较,吸收均向长波位移,见下右图。 下表列举了常见的n→π*跃迁化合物的吸收带以及不同类型共轭分子的吸收带。 —些化合物的n→π*π→π*跃迁的吸收带化合物 基团 π→π*λmax/nm(κ) n→π*λmax/nm(κ) 醛 —CHO ~210(强) 285~295(10~30) 酮 羰基 ~195(1000) 270~285() 硫酮  ~200(强) ~400(弱) 硝基化合物 —NO₂ ~210(强) ~270(10~20) 亚硝酸酯 —ONO ~220(2000) ~350(0~80) 硝酸酯 —ONO₂ —— ~270(10~20) 2-丁烯醛 CH₃=CHCH=O ~217(16,000) 321(20) 联乙酰 O=CH-CH=O —— 435(18) 2,4-己二烯醛 CH₃=CHCH=CHCH=O ~263(27,000) —— 从上表可以看出n→π*跃迁的值很小,一般是由十到几百κ值小的原因,可以从羰基的轨道结构得到解释(见右图)。从图中羰基的轨道图中看到,n轨道的电子与π电子集中在不同的空间区域,因此,尽管n→π*跃迁需要的能量较低,由于在不同的空间,故n轨道的电子跃迁到π轨道的可能性是比较小的,产生跃迁的概率不大。由于κ值是由电子跃迁的概率决定的,所以n→π*跃迁的κ值很小,这种跃迁称为禁忌跃迁,与n→π*跃迁比较κ值要小2~3个数量级。根据n→π*跃迁显示弱的吸收带,同时根据吸收位置,可以预示某些基团的存在,在结构测定中相当有用。 芳香族化合物都具有环状的共轭体系,一般来讲,它们都有三个吸收带。芳香族化合物中Z重要的是苯,苯的带Ⅰλmax=184 nm(κ=47000),在真空紫外。带Ⅱλmax=204 nm(κ=6900),带Ⅲλmax=255 nm(κ=230)。下图所示为苯的带Ⅲ在255 nm处的吸收。因为电子跃迁时伴随着振动能级的跃迁,因此将带Ⅲ弱的吸收分裂成一系列的小峰,吸收Z高处为一系列尖峰的ZX,波长为255 nm,κ值为230,中间间隔为振动吸收,这种特征可用于鉴别芳香化合物。
苯衍生物的带Ⅱ、带Ⅲ亦均在近紫外吸收,下表是苯衍生物的吸收带。 苯衍生物的吸收带取代基 带Ⅱλmax/nm(κ) 带Ⅲλmax/nm(κ) H 204(6,900) 255(230) -NH₃ 203(7,500) 254(160) -CH₃ 206(7,000) 261(225) —I 207(7,000) 257(700) —Cl 209(7,400) 263(190) —Br 210(7,900) 261(192) —OH 210(6,200) 270(1,450) —OCH₃ 217(6,400) 269(1,480) -CO₂- 224(8,700) 268(560) -COOH 230(11,600) 273(970) -NH₂ 230(8,600) 287(1,430) —O- 235(9,400) 287(2600) -CHO 244(15,000) 280(1,500) -CH=CH₂ 244(12,000) 282(450) —NO₂ 252(10,000) 280(1,000) 注:以上用水、甲醇或乙醇为溶剂。 有些基团的紫外吸收光谱与pH关系很大, 例如苯胺在酸性条件下由于氮上孤电子对与质子结合,它的吸收光谱与苯环类似;如酚在酸性与中性条件下的吸收光谱与碱性时不一样。
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