UV-VIS 吸收和有機化合物結構之間的關係
有許多有色的有機化合物，例如染料和色素。這些顏色是怎麼來的？
有機化合物的顏色和其結構之間有密切的關係。在此我將使用以島津 UV-2550 UV-VIS 分光光譜儀取得的有機化合物吸收光譜，解釋此關係。
1. 接合雙鍵系統和吸收峰之間的關係。
有許多有機化合物具有共軛雙鍵體系 (後文簡稱為「共軛體系」)，其中每隔一個鍵會是雙鍵。這些共軛體系對於峰波長和吸收強度有很大的影響。
圖 1 顯示苯、萘和蒽的結構。圖 2 顯示將這些化合物溶於乙醇，並分析產出溶液所取得的吸收光譜。調整過濃度，讓成分的吸收強度大致相同。可在圖 2 看到，隨著共軛體系變大，峰波長傾向於朝向長波長範圍偏移。表 11) 提供多種有機化合物的峰波長和莫耳吸收係數。莫耳吸收係數是物質吸光強度的測量值。此數值越大，吸收越大。在較大的共軛體系中，吸收峰波長傾向於朝向長波長範圍偏移，且吸收峰傾向於較大。
| 物質 | 吸收峰 | 莫耳吸收係數 |
|---|---|---|
| Ethylene(CH2=CH2) 1.3-butadiene Vitamin A β-carotene |
180nm 217nm 328nm 450nm |
10000 21000 51000 140000 |
| Benzene Naphthalene Anthracene Naphthacene |
255nm 286nm 375nm 477nm |
180 360 7100 110000 |
表 1：多種有機物質的吸收峰和莫耳吸收係數1)
2. 具有大共軛體系的食用色素之吸收光譜
圖 3 顯示食用色素新胭脂紅 (紅色 102 號) 和亮藍 FCF (藍色 1 號) 的結構，而圖 4 顯示其吸收光譜。食物色素通常具有大共軛體系，如圖 3 所示，且因此其峰波長傾向於朝向長波長範圍偏移，峰出現在可見光範圍內 (400 至 700 nm)。因此這些會被辨識為有色。
我們看到的顏色剛好是物質不吸收的顏色 (稱為「互補色」)。如圖 4 所示，新胭脂紅吸收 450 至 550 nm 範圍內的藍光和綠光，因此人眼可看到紅色的互補色。
亮藍 FCF 吸收 560 至 650 nm 範圍內的黃光，因此人眼看到藍色。
3. 官能基的影響
吸收峰也會受到官能基影響。圖 5 顯示苯、苯酚的吸收光譜，其包含與苯環鍵結的一個羥基，以及對硝基苯酚，其包含與苯環鍵結的一個羥基和一個硝基。官能基會影響共軛體系，造成在較苯的峰波長更長的波長出現吸收峰，不過不會超過 400 nm 並進入可見光範圍。因此有機化合物的顏色，受到共軛體系大小影響的幅度較強。
4. 具有大分子框架和小共軛體系的化合物之吸收光譜
圖 7 顯示用來做為藥物的去氫皮質醇 (prednisolone) 和苯的吸收光譜。雖然去氫皮質醇具有大分子框架，但其共軛體系小，且因此峰波長並未大幅朝向長波長範圍偏移，且其峰出現在與苯大致相同的位置。
5. 朝向長波長範圍偏移的原因
我已經呈現分子結構和吸收光譜之間的關係。為什麼隨著共軛體系的大小增加，峰波長傾向於朝向長波長範圍偏移呢？我們來看看光的能量和電子移動之間的關係。
光同時呈現波和粒子 (光子) 性質。一個光子的能量可表示為 hc/λ，其中 h 為普朗克常數，c 為光速，而 λ 為波長。
紫外線和可見光範圍內的吸收，與電子躍遷相關。「躍遷」意指電子從一個運動狀態轉換到另一個。共軛體系內的 π 電子比起分子架構內的 σ 電子，更容易改變運動狀態。若光子撞擊一個 π 電子，該 π 電子可輕易改變為不同的運動狀態。
即使光子只帶有少量能量也成立。相對大型共軛體系中的 π 電子，較容易受到低能量光子的影響。躍遷表示光子能量由電子吸收的方式。若光子具有相對小的能量，該光子的 hc/λ 數值相對小，且因此 λ 的數值相對大。
會觀察到 λ 成為吸收波長，且因此若有共軛體系，峰傾向於出現在 λ 較大的範圍，亦即長波長範圍。
參考資料
1) Masayoshi Nakahara: “The Science of Color”, Baifukan (2002), p. 108
UV Talk Letter介紹多個 UV 相關主題，以及使用島津 UV 分光光譜儀的有用分析資訊及專技知識。