Molekulaspektroszkópiai módszerek csoportosítása. Az elektromágneses spektrum tartományai Hullámhossz-tartomány () Spektroszkópiai módszer Energia [kJ/mol] Folyamat ultraibolya (UV) 150 - 400 nm kiroptikai spektroszkópia (CD, ORD) 600 - 300 vegyértékelektron- látható (VIS) 400 - 800 nm abszorpciós (UV, VIS) emissziós (UV, VIS) 300 - 150 átmenetek közeli infravörös (NIR) 800 - 1000 nm lumineszcenciás módszerek 150 - 120 rezgési és forgási átmenetek infravörös (IR) 1 - 30 mm infravörös és Raman spektroszkópia 120 - 4 távoli infravörös (FIR) 30 - 300 mm távoli infravörös spektroszkópia 4 - 0.4 forgási átmenetek mikrohullámok 0,3 m - 1 m mikrohullámú spektroszkópia elektronspin-rezonancia spektroszkópia (ESR) 0.4 - 1.210–4 forgási átmenetek elektronspin átmenetek rádióhullámok 1 - 300 m mágneses magrezonancia spektroszkópia (NMR) 1.210–4 - 410–7 magspin átmenetek

Elektronátmenetek megengedett vagy tiltott jellege: Kiválasztási szabályok Spin kiválasztási szabály – megengedett átmenet: szingulett  szingulett (azonos spin multiplicitású állapot) – tiltott átmenet: szingulett  triplett (különböző spin multiplicitású állapot) 2. Pályaszelekciós vagy szimmetriaszelekciós szabály – megengedett átmenet: olyan pályára, melynek ugyanolyan szimmetriája van, mint az alapállapot szimmetriája és amelynek több csomósíkja van, mint az alap állapoti pályának. – tiltott átmenet: ortogonális, azaz egymásra merőleges pályák közti átmenetek pl. C=O n  p*. Abszorpciós sávok intenzitása – megengedett átmenet (e  103 – 104) – tiltott átmenet (e  0 – 102), a hozzájuk tartozó sávok kis intenzitásúak vagy meg sem jelennek a spektrumban.

UV spektroszkópiával vizsgálható csoportok és kötések 200-400 nm közötti elektromágneses sugárzással gerjeszthetők. Kromofór: elektrongerjesztésben részt vevő könnyen gerjeszthető elektronokat tartalmazó atomcsoportok (pl. C=O, C=N, –NO2, Aril, C=C, N=N, SO2). Auxokróm csoportok: Az önmagukban jól detektálható UV sávot nem adnak, de a kromofórral kölcsönhatásba lépve (induktív, mezomer vagy sztérikus effektus) megváltoztatják annak abszorpciós hullámhosszát és a sáv intenzitását (pl. OH, OR, NH2, halogének).

Karbonil kromofór Az UV besugárzás során a legmagasabb betöltött n(py) nemkötő pályán lévő elektronok kerülnek a p* lazító pályára. Az n  p* átmenet az egymásra merőleges (ortogonális) pályák között csak kis valószínűséggel mehet végbe (tiltott átmenet). A p  p* átmenet megengedett, mivel mind a p, mind a p* orbitálok azonos síkban vannak. n(s) s-karakterű, gömbszimmetrikus pálya és n(p) p-karakterű, fekvő nyolcas alakú pálya szén- és az oxigén atomok álló nyolcas alakú pz pályáiból átfedő, kötés irányú fekvő nyolcas alakú s-pályákból

Szubsztituens hatások a karbonil csoport elektronátmeneteire 1. alkil szubsztituens n  p* hipszokróm eltolódás (oxigénről a szénre tevődik át a töltés, amit az alkil gátol) p  p* batokróm eltolódás (elsősorban az alapállapot energiáját növeli az alkil) 2. kettős kötés n  p*, p  p* batokróm eltolódás 3. elektronszívó csoport (-Ieff) n  p* hipszokróm eltolódás (sav, észter, amid, savhalogenid: OH, OR, NH2, halogén a p*-pálya energiáját növeli) acetaldehid aceton akrilaldehid ecetsav nm e p  p* 165 189 900 203 1200 n  p* 293 12 279 15 345 20 204 45

Karbonil kromofór: Sztérikus effektus Acetil-csoport és a kettős kötés koplanáris elrendeződése esetén valósul meg a maximális konjugáció (ennek feltétele a p pályák átfedése). A síktól való eltérés mértékével arányosan a konjugáció is csökken, ami ezzel együtt az abszorbancia csökkenését okozza. Intenzitás csökkenésből a torziós szög számítható:  a karbonil és a kettős kötés közötti diéderes szög lmax 232 245 239 243 e 12500 6500 1300 1400  0o 44o 71o 1-acetil-ciklohexén egymáshoz közel kerülő nagy térigényű csoportok taszítása

Aromás rendszerek Benzol molekulapályái p6* p4* p5* p2 p3 p1

Aromás rendszerek Benzol UV spektruma Elektronszívó (induktív hatás) l2 (p) e l1 (a) H 204 7400 254 Cl 210 264 190 Br 7900 261 192 NH3+ 203 7500 160 Me 207 7000 225 Etil- 208 7800 240 1,4-diMe 216 7600 269 750 OH 211 6200 270 1450 OMe 217 6400 1480 NH2 230 8600 280 1430 Akceptor jellegű szubsztituensek (üres p pálya) COOH 11600 273 970 NO2 Beolvad Benzol UV spektruma Elektronszívó (induktív hatás) p  p* elektronküldő alkil (hiperkonjugációs hatás) Elektron donor szubsztituensek (n-p konjugáció) l [nm] e 183 60000 204 7400 254 200 Diszubsztituált benzol-származékoknál a szubsztituens hatások additíve tevődnek össze.

Kondenzált policiklusos aromás szénhidrogének A kondenzált policiklusos aromás szénhidrogéneknél a sávrendszerek növekvő gyűrűszámmal fokozatosan a magasabb hullámhossz, azaz a látható tartomány felé tolódnak el.

Aromás karbonilvegyületek Ph-CO-R Jellemzésükre nem a kis intenzitású benzolsávokat, hanem az ún. konjugációs p  p* sávot használjuk benzaldehid Ph–CO–alkil Ph–CO–H Ph–CO–OH Ph–CO–OR l [nm] 246 250 230 hipszokróm eltolódás A p  p* abszorpciók a karbonil C-atomhoz kapcsolódó atomok, atomcsoportok elektronikus és sztérikus sajátságainak függvényei. Az aromás csoporthoz kapcsolódó szubsztituens eltérő mértékű eltolódást eredményez orto, meta és para helyzetben. A legnagyobb mértékű a változás para-szubsztitúció esetén. A szubsztitúciós effektusok számítása táblázat alapján megoldható.

A számításhoz használandó alapérték: 246 nm Ph–CO–R szubsztituens orto meta para alkil, aliciklus 3 10 OH, O-alkil 7 25 O– 11 20 78 Cl Br 2 15 NH2 13 58 NHCOMe 45 NMe2 85 A számításhoz használandó alapérték: 246 nm Alapérték 246 orto alkil 3 para O-alkil 25 számított: 274 nm mért: 276 nm

A számításhoz használandó alapérték: 246 nm Ph–CO–R szubsztituens orto meta para alkil, aliciklus 3 10 OH, O-alkil 7 25 O– 11 20 78 Cl Br 2 15 NH2 13 58 NHCOMe 45 NMe2 85 A számításhoz használandó alapérték: 246 nm Alapérték 246 orto alkil 3 Orto OH 7 Meta Cl számított: 256 nm mért: 257 nm

Kvantitatív analízis Nemvizes oldószerben való titrálás Kötődési vizsgálatok Forma I és II közötti átalakulás egy kémiai reakció során: ha a tiszta I es II spektruma keresztezi egymást, akkor minden a reakció során felvett spektrum ugyanabban a pontban metszi egymást. Lantanida komplex kötődése egy oligonukleotidhoz

Izobesztikus pont nagyobb mezomer effektus Bázikus pH-n lmax = 400 nm HA A– Savas pH-n lmax = 300 nm Auxokróm csoportok eltérő mértékű eltolódást okoznak a nitrobenzol spektrumában. A különböző pH-n felvett UV spektrumok egy adott helyen, az ún. izobesztikus pontban metszik egymást. para-nitrofenol különböző pH-n felvett spektruma

Disszociációs állandó meghatározása c = [HA] + [A–] [HA] = c – [A–] vagy [A–] = c – [HA] Az adott pH-n mért abszorbancia (A) additíve tevődik össze a két (disszociált és nem disszociált) forma elnyeléséből: A = e1[HA] + e2[A–] A = e1[HA] + e2[A–] = e1(c – [A–]) + e2[A–] = e1c – e1 [A–] + e2[A–] = e1c + [A–] (e2 – e1) [A–] = A – e1c e2 – e1

Disszociációs állandó meghatározása A = e1[HA] + e2[A–] [A–] = c – [HA] A = e1[HA] + e2[A–] = e1[HA] + e2(c – [HA]) = e1[HA] + e2c – e2[HA] = (e1 – e2)[HA] + e2c e2c – A [HA] = e2 – e1 [HA] e2c – A = [A–] A – e1c A – e1c [A–] = e2 – e1

UV-VIS spektrométer log(I0/I) = A I0 I sample detector I0 I0 UV-VIS fényforrás sample 200 700 l, nm detector monokromátor I0 I0 reference Minta koncentráció: 10-5 -10-3 M. (oldószer: viz, n-hexán, etanol, acetonitril) UV tartományban: deutérium lámpa, VIS tartományban: volframlámpa 200 nm alatti mérésnél nitrogén öblítés szükséges a levegőben lévő oxigén abszorpciója miatt.

Küvetta típusok UV-VIS mérésekhez A méréseket kvarcküvettában (UV-VIS), üvegküvettában (VIS) vagy műanyag küvettában (VIS) végezhetjük.