Theorie UV-Vis

• Nahes UV = 200-400 nm ; Anregung von Elektronen

• sichtbarer Bereich = 400 - 800 nm ; Anregung von Elektronen

• IR= 800nm - 50 mikrometer ; Molekülschwingungen (Die Molekülschwingung wird angeregt, wodurch sich der Bindungswinkel bzw. die Bindungslänge verändert).

• Radiowellen= größer als 0,1m ; Kernresonanz

• Hohe Frequenz

• größere Wellenzahl

• kleinere Wellenlänge

je höher die Frequenz ist, desto kleiner ist die Wellenlänge.

Q= Strahlungsquelle (UV: H2- oder D2- Lampe; Vis: Wolfram-Halogen-Lampe)

M= Monochromator (Prisma, Gitter)

Z= Strahlungsteiler (rotierender Spiegel)

MK= Messküvette (Lösung der Substanz)

VK= Vergelichsküvette (Lösungsmittel)

D= Detektor (Photoelektronenvervielfacher)

S= Rechner/ Display/ Schreiber

ein Vorteil vom Multikanalphotometer ist, dass er viele Messungen in kurzer Zeit durchführen kann. Bei der Messung werden alle Frequenzen gleichzeitig in die Probe geschickt. Der Spalt bringt die Strahlen in eine parallel laufende Form, die anschließend auf ein Reflexionsgitter treffen. Dort werden die einzelnen Strahlen in unterschiedlichen Winkeln abgelenkt und treffen somit auf unterschiedlichen Stellen am Photodiodenarray an.

Trifft Strahlung im UV-VIS-Bereich (100-800nm) auf ein Molekül im Grundzustand (Psi 0), so kann ein Lichtquant absorbiert werden und das Molekül in einen angeregten Zustand überführt werden (Psi 1).

In vielen Fällen handelt es sich um HOMO-LUMO Übergänge.

Es gibt aber auch Ausnahmen: nicht alle Übergänge sind erlaubt (z.B. Spinverbot, Überlappungsverbot).

• HOMO: ist das energiereichste besetzte Orbital

• LUMO: das niedrigste nicht besetzte Orbital (Lowest unoccupied Molecular Orbital).

1.) Durch spontane Emission oder kann durch Strahlung stimuliert werden.

2.) verbotene Übergänge: Spinverbot, Überlappungsverbot

HOMO: energiereichstes besetztes Orbital

LUMO: niedrigstes unbesetztes Orbital

(wichtig ist der Energieunterschied der beiden Niveaus, denn genau diese Energiedifferenz wird zu einer Anregung eines Elektrons benötigt).

Die Rückkehr von S2 zu S1 kann mittels IC (internal conversion) geschehen, hierbei handelt es sich um eine strahlungslose Rückkehr.

Die Rückkehr von S1 zu S0 kann einerseits mittels IC aber auch mit Fluoreszenz passieren. Bei der Fluoreszenz ist ein sehr kurzes Auftreten von Licht zu beobachten (die zuvor aufgenommende Energie wird in Form von Licht abgegeben).

Das Lambert-Beer’sche Gesetz gibt die Abhängigkeit der Absorption (A) vom molaren Absorptionskoeffizienten (ε) der molaren Konzentration (c) eines Stoffs bei konstanter Schichtdicke (d) an.

A= ε *c*d

A= dimsionslos

ε= l* mol/-1 *cm/-1

c= mol*l/-1

d= dm

ε ist eine Stoffkonstante.

der molare Absorptionskoeffizient bezieht sich auf molare Konzentration des Stoffes.

c ist die Konzentration in mol pro Liter.

In der Pharmazie erfolgen die Konzentrationsangaben von Lösungen häufig in Prozent. Daher wird statt des molaren Absorptionskoeffizienten (ε) gerne die spezifische Absorption verwendet. Die spezifische Absorption A entspricht einer in 1cm Schichtdicke gemessenen 1%igen Lösung bei bestimmter Wellenlänge und ist wie ε eine Stoffkonstante.

Die spezifische Absorption bezieht sich auf g/100ml.

1.) den Anregungsniveaus sind verschiedene Schwingungszustände überlagert.

2.) Stöße der Moleküle mit Lösungsmittelmolekülen (“Stoßverbreiterung”).

3.) Wasserstoffbrückenbindungen und andere Wechselwirkungen mit permanenten oder induzierten Dipolen von Lösungsmittelmoleküle.

• Je polarer das Solvens, desto breiter die UV-Banden.

Auxochrome sind Substituenten an Chromophoren, die die Wellenlänge bzw. ε beeinflussen.

• hyperchrome Verbindungen haben ein größeres ε

• hypochrome Verbindungen haben ein kleineres ε

• Rotverschiebung (batochromer Effekt) - Verschiebung in den langwelligen Bereich

• Blauverschiebung (hypsochromer Effekt) - Verschiebung in den kurzwelligen Bereich

• (Rot- und Blauverschiebung)

• blaues Licht ist energiereicher als rotes Licht!

Die langwellige Bande von Benzen bei 256 nm weist eine charakteristische Schwingungs-Feinstruktur auf. Durch das Einführen eines Substituenten wird die Symmetire verringert. Die von Benzen charakteristische Feinstruktur geht zumindest teilweise veroren.

Effekte:

• leicht bathochrome Verschiebung

• meist hyperchrom

d.h. ε wird größer und die absorbierte Energie wird etwas kleiner.

(Merke: eine Vergrößerung des Chromophoren-Systems hat einen stark bathochromen und einen stark hyperchromen Effekt. ε wird größer und es wird energieärmere Strahlung absorbiert = Rotverschiebung).

Durch diese Einwirkungen:

Die langwelligste Bande von Benzen liegt bei 256nm.

(Die Schwingungsfeinstruktur ist ein Muster, das für eine Substanz charakteristisch ist und somit immer gleich ist).

Eine Vielzahl unterschiedlicher Übergänge ist möglich!

In der C=O- Gruppe sind σ, π und n-Elektronen enthalten. Die Anregung eines Elektrons erfolgt aber mit hoher Wahrscheinlichkeit in das antibindende π*-Orbital.

gesättigte Carbonylverbindungen:

• Übergänge (<200nm) von n → σ* und π → π* (benötigt mehr Energie)

• Übergang von n → π* bei 270-300nm (benötigt weniger Energie)

Der n → π* wird hypsochrom verschoben.

d.h. Auxochrome Gruppen beeinflussen den Übergang, verschieben hypsochrom, Blauverschiebung, Verschiebung zu niedrigerer Wellenlänge; Strahlung mit höherer Energie.

• Der angeregte Zustand π* ist meistens polarer als der nicht angeregte Zustand π. Polare Lösungsmittel erniedrigen daher durch Dipol-Dipol-Wechselwirkungen die Energie des angeregten Zustands stärker (bathochrome Verschiebung des π → π* Übergangs)

• Ursache für die hypsochrome Verschiebung des n → π* Übergangs durch Verwendung eines Lösungsmittels mit höherer Polarität ist z.B. die verminderte Fährigkeit Wasserstoffbrücken auszubilden. Wasserstoffbrückenbindungen benötigen ein doppelt besetztes n-Orbital, daher ist die Solvatation bei n wesentlich besser als bei π*.

• Merke: polares Lösungsmittel beeinflusst den π → π* bathochrom, d.h. es wird weniger Energie benötigt. Der n → π* Übergang hingegen wird aber hypsochrom verschoben, es wird folglich mehr Energie benötigt.

• Merke: unpolare Lösungsmittel beeinflusst den n → π* Übergäng bathochrom (weniger Energie wird benötigt) aber der π → π* Übergang wird hypsochrom verschoben, folglich wird mehr Energie benötigt.

Die Spektroskopie befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie.

1.) Die elektromagnetische Strahlung breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Geschwindigkeit ist unabhängig von der Wellenlänge oder der Frequenz.

2.) Die Wellenlänge (λ) wird in m gemessen.

• hohe Frequenzen haben eine kleine Wellenlänge (mehr Wellen pro Abschnitt)

• niedrige Frequenzen haben eine hohe Wellenlänge (wenige Wellen pro Abschnitt).

3.) Die Wellenzahl ist die Anzahl der Wellen pro Zentimeter.

Bei der Anregung hat das Elektron seinen Spin umgekehrt, daher kann es nicht einfach in den Grundzustans zurückkehren, sondern gelangt davor in den Triplettzustand. Dort kann es entweder mittels Phosphoreszenz (sichtbar) den Spin umkehren und in den Grundzustand zurück, oder mittels ISC (unsichtbar) in den Grundzustand zurück.

Erst wenn sich der Spin umgedreht hat, kann das Elektron zurück, davor muss es im T1 verharren.

Auf der Abszisse befindet sich die Wellenlänge und auf der Ordinate wird die Absorption aufgetragen. Mittlerweile können aber auf der Ordinate auch andere Einheiten angegeben werden, je nach Gerät sind die unterschiedliche auszuwählen. Z.B. ε.

(CAVE: daher im Spektrum immer auf die Beschriftung achten!)

Hier ist die Lichtabsorption gegen die Wellenlänge aufgetragen.

• n → π*

• π → π*

Diese Übergänge sind in konjugierten Systemen (Chromophore) zu finden. Es handelt sich um sehr energiearme Übergänge.

Ein Chromophor ist jener Teil am Molekül, der anregbare Elektronen besitzt.

Von Chromophoren spricht man aber erst, wenn es sich tatsächlich um Elektronen handelt, die durch elektromagnetische Strahlung angeregt werden können.

Bei diesen Elektronen handelt es sich um n oder π Elektronen.

• π Elektronen kommen in Doppelbindungen vor

• n Elektronen sind die freien Elektronenpaare wie zum Beispiel am Sauerstoff oder Stickstoff.

• Falsche Konzentration: ideal: Absorption zwischen 0,25-0,75 (noch sehr sicher: 0.20-1.00)

• Falsche Küvette: Für den UV-Bereich müssen Proben- und Vergleichsküvette gleichartige Quarzküvetten sein.

• Falsches Lösungsmittel: Sie dürfen im Messbereich keine Eigenabsorption aufweisen.

  • bis 190nm: Wasser, Acetonitril, Cyclohexan und andere gesättigte KW

  • bis 210nm: Ethanol, Methanol, Diethylether

  • bis 220nm: Dichlormethan

  • bis 240nm: Chloroform

  • bis 260nm: CCl4 (Tetrachlormethan)

  • über 280nm: Aromaten

• Störungen: durch fluoreszierende Bestandteile der Lösung, Streulicht bei trüben Lösungen, Inhomogenität, Gerätefehler.

• Bei Anregung von Elektronen, kommt es zu einer Anhebung dieser aus dem HOMO ins LUMO.

• Wenn mehrere Elektronen angehoben werden, erkennt man dem entsprechend auch mehrere Banden

• hohe Reinheit

• muss die Substanz gut lösen

• unpolare LM sind bevorzugt, weil polare die UV-Banden verbreitern

• muss Lichtdurchlässig sein

• soll keine Eigenabsorption in den Bereichen haben, in denen die Substanz absorbiert oder emittiert

Vorteile:

• große Empfindlichkeit

• es werden nur sehr geringe Mengen an Substanz benötigt

• rasche Durchführbarkeit im Gegensatz zu NMR

Nachteile:

• geringe Substanzspezifität

• die Methode dient eher dazu, Substanzen auszuschließen als welche nachzuweisen

• Lösungsmittel

• Absorption

• Wellenlänge

(mit Prof. besprochen: wenn sich die Wellenlänge ändert, ändert sich auch die Absorption. Deshalb ist sie auch von der Wellenlänge abhängig!).

Es wird das Lösungsmittel angegeben, gefolgt von den Wellenlänger der Absorptionsmaxima mit den log ε Werten.