UV-Vis-Spektroskopie

Übergangstypen, Chromophore und Bandenverschiebungen

Welcher Elektronenübergang bei welchem Strukturelement am wenigsten Energie braucht und wie man Veränderungen einer Absorptionsbande benennt.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Ein Chromophor ist die absorbierende Atomgruppe, ein Auxochrom eine Gruppe mit freien Elektronenpaaren, die die Bande eines Chromophors verschiebt und verstärkt.
  • Energiebedarf steigt von n→π* über π→π* und n→σ* bis σ→σ*.
  • Isolierte C=C, C≡C, Diene, Hexatrien und Benzol zeigen π→π, Carbonyl-, Imin- und Thiocarbonylgruppe n→π.
  • Gesättigte Gruppen und alkoholische OH absorbieren nur im fernen UV, unterhalb 210 nm.
  • Bathochrom heißt größere Wellenlänge (Rotverschiebung), hyperchrom größeres \(\varepsilon_{max}\), hypsochrom und hypochrom das Gegenteil.

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Worum es geht

Ob und wo ein Molekül im UV-Vis-Bereich absorbiert, hängt von seinen Strukturelementen ab. Wer den energieärmsten Übergang einer Gruppe kennt, kann abschätzen, ob ein Arzneistoff photometrisch erfassbar ist. Außerdem braucht man feste Begriffe, um Veränderungen eines Spektrums zu beschreiben.

Chromophor und Auxochrom

Ein Chromophor ist die Atomgruppe, die eine Absorption im UV-Vis-Bereich verursacht. Typisch sind Gruppen mit π-Elektronen wie \(\ce{C=C}\), \(\ce{C=O}\) oder ein aromatischer Ring. Wo ein Chromophor absorbiert, bestimmt sein energieärmster Übergang. Das ist der kleinste Abstand zwischen besetztem und unbesetztem Orbital (Grundlagen unter Elektronenanregung).

Ein Auxochrom absorbiert selbst nicht im messbaren UV. Es trägt freie Elektronenpaare, etwa \(\ce{-OH}\), \(\ce{-NH2}\), \(\ce{-OR}\) oder Halogene. Sitzt es am Chromophor, verschiebt es dessen Bande zu längeren Wellenlängen und verstärkt sie meist.

Energieärmste Übergänge

Die Orbitale liegen energetisch in der Reihenfolge σ < π < n < π* < σ. Daraus folgt: n→π braucht am wenigsten Energie, dann folgen π→π, n→σ und zuletzt σ→σ*. Je kleiner die Energie, desto längerwellig die Absorption.

Energiediagramm mit fünf Orbitalniveaus und vier Anregungspfeilen unterschiedlicher Länge

Relative Lage der Molekülorbitale und die vier Übergangstypen: Je kürzer der Pfeil, desto längerwellig die Absorption.
Strukturelement Elektronen energieärmster Übergang Lage
Alkan, gesättigte Gruppen σ σ→σ* fernes UV, unter 150 nm
Alkohol, OH an sp³-C σ, n n→σ* fernes UV, um 180 nm
isolierte C=C, C≡C σ, π π→π* um 170 bis 180 nm
konjugiertes Dien, Hexatrien σ, π π→π* über 210 nm
Benzol, Phenylgruppe σ, π π→π* über 210 nm, um 255 nm
Carbonyl C=O, Imin C=N σ, π, n n→π* über 210 nm, C=O um 280 nm
Thiocarbonyl C=S σ, π, n n→π* noch längerwellig

Gesättigte Gruppen sind oberhalb von 210 nm durchlässig. Die isolierte Carbonylgruppe absorbiert längerwellig als Benzol, Butadien oder eine isolierte C=C. Ihre n→π*-Bande ist zwar schwach, doch die Lage hängt nur von der Energie ab, nicht von ε. Mehr dazu unter Carbonylverbindungen und Polyene.

So ordnest du einer Strukturformel den Übergang zu:

  1. n und π am selben Atom: Trägt ein Heteroatom einer Mehrfachbindung freie Elektronenpaare, gilt n→π*. Beispiel: Schwefel in \(\ce{C=S}\) hat zwei freie Paare.
  2. Nur π: Bei C=C, C≡C oder konjugierten Systemen gilt π→π*.
  3. Nur n, kein π: Ein Heteroatom an sp³-C wie im Ethanol gibt n→σ*.
  4. Nur σ: Reine Einfachbindungen ohne freie Paare geben σ→σ*.

Batho-, hypso-, hyper-, hypochrom

Substituenten, Lösungsmittel oder der pH-Wert verändern eine Bande auf zwei Arten. Sie verschieben ihre Lage oder ändern ihre Höhe.

Absorptionsbande mit Pfeilen nach rechts, links, oben und unten, beschriftet bathochrom, hypsochrom, hyperchrom und hypochrom

Bandenlage und Bandenintensität: die vier Richtungen, in die sich eine Absorptionsbande verändern kann.
Begriff Änderung Bedeutung
bathochrom \(\lambda_{max}\) größer Rotverschiebung, energieärmere Strahlung
hypsochrom \(\lambda_{max}\) kleiner Blauverschiebung, energiereichere Strahlung
hyperchrom \(\varepsilon_{max}\) größer intensivere Bande
hypochrom \(\varepsilon_{max}\) kleiner schwächere Bande

Dass längere Wellenlänge weniger Energie bedeutet, folgt aus \(E = hc/\lambda\). Ein Auxochrom wirkt typischerweise bathochrom und hyperchrom.

💡 Merke

Batho und hypso betreffen die Lage, hyper und hypo die Höhe. Griechisch bathys heißt tief (niedrige Energie, rot), hypsos heißt hoch (hohe Energie, blau).

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Aussage 1

Eine isolierte C=C-Doppelbindung absorbiert längerwellig als die n→π*-Bande einer isolierten Carbonylgruppe.

Umgekehrt: Die isolierte C=C absorbiert über π→π* im fernen UV um 170 bis 180 nm, die Carbonylgruppe über n→π* um 280 nm.

Aussage 2

Der energieärmste Elektronenübergang einer Thiocarbonylgruppe \(\ce{C=S}\) ist ein n→π*-Übergang.

Der Schwefel trägt freie Elektronenpaare und ist an der π-Bindung beteiligt, daher ist n→π* der energieärmste Übergang.

Aussage 3

Nimmt \(\varepsilon_{max}\) einer Bande ab, ohne dass sich \(\lambda_{max}\) verschiebt, spricht man von einem hypochromen Effekt.

Hypochrom bezeichnet die Abnahme der Intensität. Hypsochrom wäre dagegen eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen.

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