Связь между поглощением УФ-ВИС и структурой органических соединений

Есть много цветных органических соединений, таких как красители и пигменты. Как получаются эти цвета?
Существует тесная связь между цветом органического соединения и его структурой. Здесь я объясню эту связь, используя спектры поглощения органических соединений, полученные с помощью спектрофотометра UV-2550 Shimadzu UV-VIS.

Существует много органических соединений, которые имеют сопряженные системы двойных связей (далее называемые «сопряженными системами»), в которых каждая другая связь представляет собой двойную связь. Эти сопряженные системы оказывают большое влияние на пиковые длины волн и интенсивности поглощения.
На рис. 1 показаны структуры бензола, нафталина и антрацена. На рис. 2 показаны спектры поглощения, полученные растворением этих соединений в этаноле и анализом полученных растворов. Концентрации были отрегулированы так, чтобы интенсивности поглощения компонентов были примерно одинаковыми. На рис. 2 видно, что пиковые длины волн имеют тенденцию смещаться в длинноволновую область по мере увеличения сопряженной системы. В таблице 11) приведены пиковые длины волн и молярные коэффициенты поглощения различных органических соединений. Молярный коэффициент поглощения - это измерение того, насколько сильно вещество поглощает свет. Чем больше его значение, тем больше поглощение. В более крупных сопряженных системах длины волн пика поглощения имеют тенденцию смещаться в сторону длинноволновой области, а пики поглощения имеют тенденцию быть больше.

Пиковый коэффициент молярной абсорбции вещества Этилен (CH2 = CH2)
1,3-бутадиен
Витамин а
β-каротин 180 нм
217nm
328nm
450 нм 10000
21000
51000
140000 бензол
Нафталин
антрацен
Нафтацен 255 нм
286 нм
375nm
477 нм 180
360
7100
110000

Таблица 1 Пики поглощения и молярные коэффициенты поглощения различных органических веществ1)

На рис. 3 показаны структуры пищевых красителей New Coccine (красный № 102) и Brilliant Blue FCF (синий № 1), а на рис. 4 показаны их спектры поглощения. Пищевые красители, как правило, имеют большие сопряженные системы, подобные тем, которые показаны на фиг.3, и поэтому их пиковые длины волн имеют тенденцию смещаться в сторону длинноволновой области, причем пики появляются в видимой области (от 400 до 700 нм). Вот почему они признаны цветами.
Между прочим, цвет, который мы видим, - это цвет, который не поглощается веществом (которое называется «дополнительным цветом»). Как показано на рис. 4, New Coccine поглощает синий и зеленый свет в диапазоне от 450 до 550 нм, поэтому человеческий глаз видит дополнительный цвет - красный.
Бриллиантовый синий FCF поглощает желтый свет в диапазоне от 560 до 650 нм, поэтому человеческий глаз видит синий цвет.

Пики поглощения также зависят от функциональных групп. На фиг.5 показаны спектры поглощения бензола, фенола, который состоит из гидроксильной группы, связанной с бензольным кольцом, и нитрофенола, который состоит из гидроксильной группы и нитрогруппы, связанной с бензольным кольцом. Функциональные группы влияют на сопряженные системы, заставляя пики поглощения появляться на более длинных длинах волн, чем пиковые длины волн бензола, хотя они не выходят за пределы 400 нм и входят в видимую область. Таким образом, на цвет органических соединений сильнее влияет размер сопряженной системы.

На рис. 7 приведены спектры поглощения преднизолона, который используется в качестве лекарственного средства, и бензола. Хотя преднизолон имеет большую молекулярную структуру, его сопряженная система невелика, и поэтому его пиковые длины волн не сильно смещены в сторону длинноволновой области, и его пики появляются примерно в том же положении, что и у бензола.

Я показал связь между молекулярной структурой и спектрами поглощения. Почему же тогда максимальная длина волны имеет тенденцию смещаться в сторону длинноволновой области при увеличении размера сопряженной системы? Давайте рассмотрим связь между энергией света и движением электронов.
Свет проявляет свойства как волн, так и частиц (фотоны). Энергия одного фотона выражается в виде hc / λ, где h - постоянная Планка, c - скорость света, а λ - длина волны.
Поглощение в ультрафиолетовой и видимой областях связано с переходом электронов. «Переход» относится к переключению электрона из одного состояния движения в другое. Состояние движения π-электронов в сопряженной системе меняется легче, чем состояние σ-электронов, образующих молекулярные каркасы. Если фотон сталкивается с π-электроном, этот π-электрон легко переходит в другое состояние движения. Это
правда, даже если фотон имеет только небольшое количество энергии. Π-электроны в относительно больших сопряженных системах легче подвержены влиянию низкоэнергетических фотонов. Переход выражает способ, которым энергия фотонов поглощается электронами. Если фотон имеет относительно небольшое количество энергии, значение hc / λ для этого фотона является относительно небольшим, и, следовательно, значение λ является относительно большим. λ наблюдается как поглощение
длина волны и т. д., если существует сопряженная система, пики имеют тенденцию появляться в областях, где λ велико, то есть в длинноволновой области.

Рекомендации
1) Масаёси Накахара: «Наука цвета», Байфукан (2002), с. 108

Похожие

Комментарии