UV-Vis-Spektroskopie

Aromaten und Substituenteneffekte am Benzolring

Wo Benzol und kondensierte Aromaten im UV absorbieren, wie Substituenten die Benzolbande verschieben und warum Push-Pull-Systeme besonders langwellig absorbieren.

Prüfungsrelevanz: relevant ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Die Benzolbande um 255 nm ist ein schwacher \(\pi \rightarrow \pi^*\)-Übergang, den Substituenten und kondensierte Ringe gezielt verschieben.
  • In n-Hexan zeigt Benzol eine Schwingungsfeinstruktur, polare Lösungsmittel verbreitern die Banden. Anthracen absorbiert oberhalb 340 nm.
  • Donoren wie \(\ce{-OH}\), \(\ce{-NH2}\), \(\ce{-N(CH3)2}\) und Akzeptoren wie \(\ce{-NO2}\), \(\ce{-CHO}\), \(\ce{-COOH}\) verschieben bathochrom. Anilinhydrochlorid absorbiert wie Benzol.
  • Para-ständiger Donor und Akzeptor bilden einen Push-Pull-Chromophor mit Charge-Transfer-Übergang und starker bathochromer Verschiebung.
  • Reihe der Nitrobenzole: 4-Nitrobenzaldehyd < Nitrobenzol < 4-Nitrobenzoat < 4-Nitrophenolat.

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Worum es geht

Fast jeder Arzneistoff mit Phenylring absorbiert im UV. Dieser Ring ist deshalb die Grundlage vieler photometrischer Gehaltsbestimmungen und der UV-Detektion in der HPLC. Wer die Lage der Benzolbande kennt, kann abschätzen, wie Substituenten sie verschieben.

Benzol und kondensierte Aromaten

Benzol besitzt zwischen 180 und 300 nm mehrere \(\pi \rightarrow \pi^*\)-Banden. Die längstwellige liegt bei etwa 255 nm. Sie ist schwach und zeigt eine Schwingungsfeinstruktur: Auf der Absorptionsbande sitzen mehrere schmale Zacken. Jede Zacke entspricht dem Übergang in ein anderes Schwingungsniveau des angeregten Zustands. Cyclohexan hat keine π-Elektronen und absorbiert bei 255 nm nicht.

Die Feinstruktur bleibt nur in unpolaren Lösungsmitteln wie n-Hexan erhalten. Polare Lösungsmittel treten mit dem gelösten Molekül in Wechselwirkung. Die einzelnen Niveaus verschmieren, die Bande wird breit und glatt. Mit steigender Polarität des Lösungsmittels nehmen die Bandenbreiten also zu. Phenol in Ethanol zeigt daher keine schmaleren Banden als Benzol.

Zwei UV-Spektren: Benzol in Hexan mit mehreren schmalen Spitzen um 255 nm, Phenolat in Wasser als breiter Buckel bei längerer Wellenlänge.

Benzol in n-Hexan zeigt eine scharf strukturierte B-Bande, Phenolat in Wasser eine breite, glatte Bande.

Aromaten absorbieren typischerweise um 250 bis 260 nm. Das Antiepileptikum Primidon zeigt Maxima bei 252, 257 und 264 nm. Sie stammen von \(\pi \rightarrow \pi^*\)-Übergängen der Phenylgruppe, nicht vom \(n \rightarrow \pi^*\)-Übergang seiner Carbonylgruppen. Mit jedem ankondensierten Ring wächst das π-System. Naphthalin absorbiert noch oberhalb 250 nm, Anthracen sogar oberhalb 340 nm.

Substituenten am Benzolring

Praktisch jeder Substituent verschiebt die Benzolbande bathochrom. Das gilt für Auxochrome mit freiem Elektronenpaar wie \(\ce{-OH}\), \(\ce{-NH2}\) und \(\ce{-N(CH3)2}\) und für Iod. Es gilt ebenso für Akzeptoren wie \(\ce{-NO2}\), \(\ce{-CHO}\) und \(\ce{-COOH}\). Der Substituent erweitert das konjugierte System, die Anregungsenergie sinkt. Phenol, Anilin, Benzoesäure, Benzaldehyd und Iodbenzol absorbieren daher alle längerwellig als Benzol.

Donoren wirken umso stärker, je leichter ihr Elektronenpaar in den Ring delokalisiert. Stickstoff gibt sein Elektronenpaar williger ab als Sauerstoff, zwei Methylgruppen am Stickstoff verstärken das noch. Eine Methylgruppe direkt am Ring wirkt nur schwach.

Verbindung Substituent längstwelliges Maximum (ca.)
Anilinhydrochlorid \(\ce{-NH3+}\) 254 nm
Benzol – 255 nm
Toluol \(\ce{-CH3}\) 261 nm
Phenol \(\ce{-OH}\) 270 nm
Anilin \(\ce{-NH2}\) 280 nm
N,N-Dimethylanilin \(\ce{-N(CH3)2}\) 298 nm

Im Anilinhydrochlorid ist das freie Elektronenpaar des Stickstoffs protoniert. Es steht für die Konjugation nicht mehr zur Verfügung. Das Spektrum gleicht deshalb dem des Benzols, wie unter pH-Einfluss auf UV-Spektren näher erklärt. Eine Methylgruppe meta zur Dimethylaminogruppe verschiebt kaum. 3-Methyl-N,N-dimethylanilin absorbiert fast wie N,N-Dimethylanilin.

Horizontale Wellenlängenachse mit Markierungen für substituierte Benzole, Monosubstituierte zwischen 254 und 298 nm, Push-Pull-Verbindungen zwischen 340 und 400 nm.

Lage der längstwelligen Banden substituierter Benzole: Donoren verschieben moderat, Push-Pull-Systeme weit.
💡 Merke

Zum Ordnen zuerst prüfen, ob Donor und Akzeptor para zueinander stehen: Dann liegt die Bande weit oben. Den Rest nach Donorstärke sortieren, protonierte Amine zählen wie Benzol.

Push-Pull-Chromophore

Stehen ein Donor und ein Akzeptor in para-Stellung am selben Ring, wirkt die Kombination stärker als jeder Substituent allein. Der Donor schiebt Elektronen in den Ring, der Akzeptor zieht sie heraus. Man kann sich den Ring wie eine Leitung vorstellen, durch die Ladung von einem Ende zum anderen fließt.

📖 Definition: Push-Pull-Chromophor

Aromat mit para-ständigem Elektronendonor und Elektronenakzeptor. Seine langwellige Bande ist ein Charge-Transfer-Übergang: Bei der Anregung wandert Elektronendichte vom Donor über den Ring zum Akzeptor.

Der angeregte Zustand ähnelt der chinoiden, ladungsgetrennten Grenzstruktur. Je leichter diese Ladungstrennung gelingt, desto kleiner ist die Anregungsenergie. 4-Dimethylaminobenzaldehyd absorbiert deshalb längerwellig als Benzaldehyd, Benzoesäure, N,N-Dimethylanilin und Benzol. Ebenso steigt das Maximum in der Reihe Benzol < Anilin < 4-Nitroanilin.

Strukturformeln von 4-Dimethylaminobenzaldehyd und 4-Nitrophenolat jeweils in aromatischer und chinoider Grenzstruktur mit Pfeilen für die Elektronenverschiebung.

Push-Pull-Prinzip: Die chinoide Grenzstruktur verschiebt Ladung vom Donor über den Ring zum Akzeptor.

Bei para-substituierten Nitrobenzolen ist \(\ce{-NO2}\) der feste Akzeptor. Entscheidend ist der Substituent gegenüber. Ein zweiter Akzeptor wie \(\ce{-CHO}\) konkurriert um die Elektronen, ein Push-Pull-System entsteht nicht. Das Carboxylat \(\ce{-COO-}\) ist negativ geladen und zieht kaum noch Elektronen ab. Das Phenolat \(\ce{-O-}\) ist ein sehr starker Donor. So ergibt sich die Reihe:

\[\text{4-Nitrobenzaldehyd} < \text{Nitrobenzol} < \text{4-Nitrobenzoat} < \text{4-Nitrophenolat}\]

4-Nitrophenolat absorbiert um 400 nm und ist deshalb gelb.

Quiz

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Aussage 1

Die para-Kombination eines Elektronendonors und eines Elektronenakzeptors am Benzolring verschiebt die Bande stärker bathochrom als jeder der beiden Substituenten allein.

Das Push-Pull-System ermöglicht einen Charge-Transfer-Übergang vom Donor zum Akzeptor mit kleiner Anregungsenergie.

Aussage 2

4-Nitrobenzaldehyd absorbiert längerwellig als 4-Nitrophenolat, da zwei Akzeptoren den Ring stärker beeinflussen.

Zwei Akzeptoren bilden kein Push-Pull-System. 4-Nitrophenolat mit dem starken Phenolat-Donor absorbiert in dieser Reihe am längstwelligen, 4-Nitrobenzaldehyd am kürzestwelligen.

Aussage 3

Anilinhydrochlorid absorbiert deutlich längerwellig als Anilin, weil die positive Ladung den Ring stärker polarisiert.

Das protonierte Elektronenpaar steht nicht mehr für die Konjugation zur Verfügung. Anilinhydrochlorid absorbiert daher ähnlich wie Benzol und kürzerwellig als Anilin.

Aussage 4

Benzol in n-Hexan zeigt eine deutlicher ausgeprägte Schwingungsfeinstruktur als Phenolat in Wasser.

Im unpolaren n-Hexan bleiben die Schwingungsniveaus aufgelöst. Das polare Wasser verbreitert die Bande zu einem glatten Buckel.

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