Материал: спектр и фотометр

• Контроль растворимости высвобождения лекарственного вещества из лекарственной формы.

Всовременных регистрирующих приборах (см. рис. 5-7) световой поток делится на два одинаковых пучка, один из которых проходит через исследуемый раствор, а другой – через растворитель, причем как сравнение интенсивностей прошедших через кюветы световых потоков, так

инепрерывное изменение длин волн производится автоматически. В том

идругом случае получают УФ-спектр вещества, представляющий собой зависимость оптической плотности раствора (А) от длины волны поглощаемого света:

А= lg (I0/I)

Вточках максимума мольный коэффициент погашения вычисляют по формуле: ε = А/(C·l).

Пример 1. После трех последовательных разведений получен раствор, содержащий 3,061·10-4 г циклопентадиена в 9,3721 г гексана (плотность гексана 0,6603); оптическая плотность раствора в кювете с длиной

оптического пути 1 см при λmax 240 нм составляет 1,1. Вычислите мольный коэффициент поглощения.

Решение. Определим концентрацию раствора (С) в моль/л, пренебрегая разностью в плотности вещества и растворителя и учитывая, что молекулярная масса циклопентадиена С5Н6 равна 66,10:

Окончательная обработка спектра приводит к зависимости мольного коэффициента погашения от длины волны (или частоты). В настоящее время все чаще пользуются шкалой частот (точнее, волновых чисел), выраженных в см-1, так как в этом случае энергия линейно изменяется по оси абсцисс. В связи с тем, что значения ε могут колебаться в очень широких пределах (от десятков до сотен тысяч), кривую УФ-спектра часто представляют в виде зависимости lgε от λ (или от ν). Спектр в большинстве случаев представляет собой кривую с одним пологим максимумом

(см. рис. 8).

16

Рис. 8. УФ-спектр циклопентадиена

Большая ширина полосы поглощения обусловлена тем, что помимо основных уровней электронных переходов существуют подуровни, связанные с колебаниями молекулы. Многочисленность таких подуровней обычно приводит к тому, что соответствующие им отдельные максимумы сливаются в один, имеющий пологую форму. В отдельных случаях, например для ароматических соединений, за счет колебательных подуровней максимум поглощения представляет собой набор узких полос по обе стороны от основной (см. рис. 9). В таких случаях принято говорить, что максимум имеет тонкую структуру.

Рис. 9. УФ-спектр бензола (А), фенола (Б), анилина (В)

Обычно УФ-спектр характеризуют длиной волны, при которой наблюдается максимум поглощения, и мольным коэффициентом гашения в этом максимуме. Например, спектр циклопентадиена (см. рис. 8) достаточно точно может быть передан записью: λmax (в гексане) 240 нм (ε 3400). УФ-спектр вещества может иметь несколько максимумов погло-

17

щения, каждый из которых соответствует различным типам электронных переходов. В этом случае при цифровой записи спектра перечисляются длины волн максимумов поглощения и в скобках приводятся значения ε, соответствующие данному максимуму. Если спектр имеет относительно сложный контур (например, тонкая структура какого-либо из максимумов), целесообразно приводить непосредственно рисунок спектра, так как часто его специфические особенности характеристичны и позволяют делать определенные выводы.

Мольный коэффициент погашения для каждого поглощающего в УФ-области вещества при данной длине волны в одном растворителе имеет строго постоянное значение, определяющее оптическую плотность раствора при заданной концентрации. Точность измерения оптической плотности весьма высока – погрешность измерении составляет, в зависимости от конструкции прибора, 0,2-1 % от определяемой величины. Следовательно, измеряя оптическую плотность раствора при известном ε, можно с высокой точностью определять концентрацию вещества. Измерения не обязательно проводить при длине волны, соответствующей максимуму поглощения. Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет легко и с высокой степенью точности осуществлять количественный анализ растворов и, в том числе, наблюдать изменение концентрации вещества во времени. Последнее находит широкое применение при исследовании кинетики химических реакций.

Пример 2. В УФ-спектре раствора циклопентадиена в гептане оптическая плотность при λmax 240 нм составляет 0,83 при длине светового пути 1см. Определите концентрацию раствора, если мольный коэффициент погашения равен 3400 л/(моль. см).

Решение. Концентрация раствора определяется как

В качестве растворителей в УФ-спектроскопии используются алканы (гексан, гептан), этанол, вода, реже – диоксан. Концентрации исследуемых растворов (обычно 10-4-10-6 моль/л) подбираются так, чтобы их оптическая плотность находилась в предeлax 0,3-0,7, что обеспечивает максимальную точность измерений. Для получения столь малых концентраций с высокой точностью используется метод последовательных разведений со взвешиванием растворов и растворителя, что дает значительно меньшую ошибку, чем разведение по объему. Необходима особо тщательная очистка применяемых растворителей, так как примесь, например, ароматических соединений в количестве 10-5 моль/л делает ал-

18

каны непригодными для работы. Методы очистки растворителей хорошо отработаны. Наиболее просто (перегонкой) очищается вода – самый доступный растворитель. Замена растворителя в отдельных случаях может вызвать некоторые изменения как в положении полос (на 2-10 нм), так и в их интенсивности (на 10-20 %). Как правило, такая замена влияет на спектры полярных веществ и практически не сказывается на УФ-спек- трах неполярных соединений. Наиболее сильные изменения в спектрах, обусловлены химическим взаимодействием вещества с растворителем (в частности, образованием водородной связи), а также изменением степени диссоциации или соотношения таутомерных форм вещества. Во всех таких случаях следует проверить, выполняется ли для данного раствора закон Бугера – Ламберта – Бера.

Таким образом, УФ-спектроскопия позволяет определить в исследуемых соединениях группировки–хромофоры и дает прекрасную возможность для количественного анализа веществ, содержащих такие группировки. Этот метод находит широкое применение не только в лабораторной практике, но и в химической и пищевой промышленности, например для определения стирола в его смесях с дивинил и бензолом, определения каротиноидов, бензопирена и т. д.

Как структурно-аналитический метод УФ-спектроскопия значительно менее информативна по сравнению с другими методами и носит в основном эмпирический характер, поскольку зависимость между характером поглощения и структурой молекулы не имеет строгого физико-математи- ческого обоснования, что, однако, не мешает широкому использованию метода.

1.3. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ХРОМОФОРОВ

Отсутствие в УФ-спектре исследуемого вещества максимума поглощения в области 200-800 нм служит надежным доказательством того, что в этом веществе не содержатся сопряженные диеновые или полиеновые системы, ароматическое ядро и карбонильная группа. Этот признак часто оказывается полезным при установлении структуры соединения, например, позволяет легко различить изомеры с сопряженными и изолированными двойными связями, как в случае приводимой ниже пары:

19

1.3.1. Диеновые системы.

Для УФ-спекров сопряженных диенов характерен максимум разрешённого перехода π → π* в области 215-270 нм, причем его положение и интенсивность поглощения определяются строением диена и практически не зависят от природы растворителя. Максимум обычно имеет форму пологой кривой. Наибольшее влияние на УФ-спектр диена оказывает конформация диеновой системы. Параметры УФ-спектров основных типов диеновых хромофоров представлены в таблице 2.

Таблица 2

УФ-спектры основных диеновых систем (хромофоров) в гексане или гептане

*Т – трансоидная; ЗТ – закреплённая трансоидная; ЗЦЦ – закреплённая цисоидная внутри-циклическая; ЗЦЭ – закреплённая цисоидная экзоциклическая.

Ациклические диены существуют практически полностью в трансоидной конформации, так как в ней сопряжение проявляется в большей степени, делает её энергетически более выгодной. В циклических соединениях конформация диеновой системы может быть закреплена. При переходе от диена с двумя внутрициклическими двойными связями к изомерному диену с закрепленной трансоидной системой двойных связей наблюдается гипсохромный сдвиг максимума поглощения на 15-20 нм и увеличение мольного коэффициента погашения не менее чем на 10000-12000. В простейших случаях для изомерного диена с другой кон-

20