儀器分析第三章(含練習題).ppt

第3章 紫外可見分光光度法法 Ultraviolet and visible Spectrometry (UV-Vis),紫外-可見吸收光譜 朗伯-比爾定律 紫外可見分光光度計 分析條件的選擇 UV-Vis的應用,3.1.1 分子吸收光譜的形成,紫外可見吸收光譜產生于價電子和分子軌道上的電子 在電子能級間的躍遷，也稱為電子光譜。 (1) 遠紫外光區(qū): 100-200nm (2) 近紫外光區(qū): 200-400nm (3) 可見光區(qū):400-800nm（已學） 物質顏色與吸收光的關系：,3.1 紫外可見吸收光譜,紫外可見吸收光譜與電子躍遷,物質分子內部三種運動形式 電子能級間躍遷的同時總伴隨有振動和轉動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉動能級間躍遷產生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。,3.1.2 有機化合物的紫外-可見光譜,（一）電子躍遷類型,有機化合物的紫外可見吸收光譜是三種價電子躍遷的結果：電子、電子、n電子。,分子軌道理論：成鍵軌道-反鍵軌道。,當外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種類型躍遷， 其所需能量大小順序為： n n ,（1）躍遷,所需能量最大；電子只有吸收遠紫外光的能量才能發(fā)生躍遷； 飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠紫外區(qū)； 吸收波長200 nm；,例：甲烷的max為125 nm ,乙烷max為135nm。只能被真空紫外分光光度計檢測到；故可作為溶劑使用。,遠紫外（真空）吸收帶,所需能量較大； 吸收波長為150210 nm，大部分在遠紫外區(qū)，近紫外區(qū)不易觀察到； 含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n* 躍遷。,（2）n躍遷,末端吸收帶,所需能量較小 吸收波長處于遠紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)。 max一般在104 Lmol1cm1以上，屬于強吸收。 不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。,（3） *躍遷,K 吸收帶,需能量最低，吸收波長200nm。 屬于禁阻躍遷，max一般為10100Lmol-1 cm-1，吸收譜帶強度較弱。 分子中孤對電子和鍵同時存在時發(fā)生n 躍遷。丙酮n 躍遷的為275nmmax為22 Lmol-1 cm -1（溶劑環(huán)己烷)。,（4） n*躍遷,R 吸收帶,（二）有機化合物紫外-可見光譜特征,1）飽和有機化合物 *躍遷 ， n*躍遷,2）不飽和脂肪族化合物 *躍遷， n*躍遷,3）芳香族化合物 E1帶，E2帶：芳環(huán)內共軛乙烯基*產生； B帶：芳環(huán)大鍵躍遷產生（精細結構）。,3.1.3 無機化合物的吸收光譜,產生無機化合物紫外、可見吸收光譜的電子躍遷形式一般分為電荷遷移躍遷和配位場躍遷。,在配體的作用下過渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f 軌道裂分，吸收輻射后，產生d-d、 f-f 躍遷； 必須在配體的配位場作用下才可能產生也稱配位場躍遷； 摩爾吸收系數(shù)很小，對定量分析意義不大。,（一）配位場躍遷,輻射下，配合物分子中原定域在金屬M軌道上的電荷轉移到配位體L的軌道，或按相反方向轉移，所產生的吸收光譜稱為電荷遷移吸收光譜。,電子接受體,電子給予體,分子內氧化還原反應； 104 Fe2+與鄰菲羅啉配合物的紫外吸收光譜屬于此。,（二）電荷遷移躍遷,吸收光度法所使用的顯色劑絕大多數(shù)含有生色團 及助色團，本身為有色物質。當與金屬離子配位時， 作為配位體的顯色劑，其共軛結構發(fā)生了變化，產生 -* 躍遷，導致其吸收光譜藍移或紅移。 定量分析中，要求絡合物與配位劑的最大吸收波 長之差大約在60nm以上。,（三）金屬離子影響下的配位體-* 躍遷,3.1.4 常用術語,吸收峰、谷、肩峰、末端吸收,吸收曲線,3.1.4 常用術語,同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長（max）,不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似，max不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和max則不相同。 定性分析依據(jù),Ca-K-B絡合物;Mg-K-B絡合物的吸收曲線,不同濃度的同一種物質，在某一定波長下吸光度 A 有差異，即吸光度隨著濃度的增大而增大 定量分析依據(jù),物質對光的選擇性吸收,在一定實驗條件下，Ac,生色團與助色團,生色團： 在近紫外光區(qū)和可見光區(qū)有特征吸收的基團。,結構特征：含有n非鍵電子和電子。,生色團與助色團,助色團：,分子中含有雜原子的基團。,結構特征：含有n非鍵電子。,使發(fā)色團紅移，吸收強度增強。,紅移與藍移（紫移） 增色與減色,某些有機化合物經取代反應引入含有未共享電子對的基團（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、 -SR、- NR2）之后，吸收峰的波長將向長波方向移動，這種效應稱為紅移效應。,在不飽和烴類分子中，當有兩個以上的雙鍵共軛時，隨著共軛系統(tǒng)的延長， *躍遷的吸收帶將明顯向長波方向移動(紅移)，吸收強度也隨之增強(增色)。,3.1.5 影響紫外-可見光譜的因素,（一）共軛作用,非共軛體系各生色團將獨立地產生吸收,但吸收強度增加。, Y=H,R * 150-160nm （K） n * 275-295nm （R）,C=O基團可產生n* 、 n*、 *三個吸收帶。 n* 吸收帶又稱R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)， R帶吸收較弱（max100）。 醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于在結構上的差異，它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。,羰基化合物,Y= -NH2,-OH,-OR 等助色基團， 這些助色團上的n電子與羰基雙 鍵的電子產生p共軛,K帶紅移，R 帶藍移； R帶max =205nm ；10-100,不飽和醛酮 K帶紅移：177250nm R 帶紅移：290310nm,苯及其衍生物,苯環(huán)上助色基團對吸收帶的影響,順反異構：,順式：max=280nm； max=10500 反式：max=295.5 nm；max=29000,互變異構：,酮式：max=204 nm 烯醇式：max=243 nm,（二）立體化學效應,溶劑對紫外可見光譜的影響較為復雜。 溶劑極性增大，B帶精細結構消失，吸收帶變向平滑。 改變溶劑的極性，還會 使吸收帶的最大吸收波長 發(fā)生變化。,（三）溶劑對吸收光譜的影響,溶劑對最大吸收波長的影響,如：異丙叉丙酮,溶劑極性增加，n*躍遷吸收帶藍移是因為：,從上面C=O（羰基）鍵的電子云分布可以知道，相對于激發(fā)態(tài)*軌道來說，基態(tài)時氧原子上的n電子處于定域狀態(tài)，更為集中，使得羰基的極性較為明顯，因此，在n*躍遷中，基態(tài)的極性比激發(fā)態(tài)更強一些。,而在極性溶劑中，化合物與溶劑靜電的相互作用或氫鍵作用都可使基態(tài)或激發(fā)態(tài)趨于穩(wěn)定，但是極性大的穩(wěn)定作用更強一些，因此極性大的溶劑對基態(tài)n電子的影響更大一些，隨著溶劑極性的增大，基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差增加，使吸收帶藍移。,這是因為：,在*躍遷中，基態(tài)時電子主要集中在碳氧之間，使得基態(tài)的極性弱于激發(fā)態(tài)。,n *躍遷：蘭移； ；, *躍遷：紅移； ,N-亞硝基二甲胺在不同溶劑中的紫外吸收光譜圖,由于溶劑對電子光譜圖影響很大，因此，在吸收光譜圖上或數(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。在進行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。選擇溶劑時注意下列幾點：,3.2 光吸收的基本定律,3.2.1 朗伯比爾定律,透射比（透光度）,吸光度,吸光度（A）的大小是溶液吸光程度的度量，A越大，表明溶液對光的吸收越強。,物理意義：當一束單色光通過含有吸光物質的溶液后，溶液的吸光度與吸光物質的濃度及吸收層厚度成正比，這是吸光光度法進行定量分析的理論基礎。 前提條件： 入射光為平行單色光且垂直照射； 吸光物質為均勻非散射體系； 吸光質點之間無相互作用（稀溶液） ； 輻射與物質之間的作用僅限于光吸收過程，無熒光和光化學現(xiàn)象發(fā)生。,在含有多種吸光物質的溶液中，溶液對某一單色光的總吸光度等于各吸光物質的吸光度之和，即：,b: cm c: gL-1 k用a表示, a稱為吸收系數(shù) 單位：Lg-1cm-1 A=abc,(2) 摩爾吸收系數(shù),b: cm c: molL-1 k用表示, 稱為摩爾吸收系數(shù) 單位：Lmol -1cm-1,3.2.2 吸收系數(shù),(1) 吸收系數(shù) a,影響的因素: 波長、吸光物質性質、溶劑、溫度、溶液的組成、儀器靈敏度等。,當波長、溫度、溶劑等條件一定時： 不同物質不同 同一物質隨而改變，max時其表示為max， max，靈敏度 max104 Lmol -1cm-1的方法較靈敏 同一物質不隨濃度的變化而變化。,3.2.3 引起偏離朗伯比爾定律的因素,（一）與樣品溶液有關的因素 1) 溶液濃度過高引起的偏差 2) 化學反應引起的偏差 3) 介質不均勻引起的偏差 （二）與儀器有關的因素 1) 非單色光引起的偏差 因此，通常應選擇最大吸收波長為測定波長。 2) 非平行入射光引起的偏差,例：用鄰二氮菲分光光度法測鐵。已知溶液中Fe2+的濃度為500g/L，液層厚度為2cm，在508nm處測得透射比為0.645。計算吸收系數(shù)a和摩爾吸收系數(shù) (已知鐵的摩爾質量為55.85 g/mol)。,3.3 紫外及可見分光光度計,3.3.1 儀器基本部件,3.3.1 儀器基本部件,1) 光源 在整個紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。,2) 單色器（分光系統(tǒng)）,將光源發(fā)射的復合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學系統(tǒng)。,棱鏡：依據(jù)不同波長光通過棱鏡時折射率不同。,2) 單色器（分光系統(tǒng)）,3) 吸收池,吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。在紫外區(qū)須采用石英池，可見區(qū)一般用玻璃池。,4) 檢測器 利用光電效應將透過吸收池的光信號變成可測的電信號，常用的有光電池、光電管或光電倍增管(紅敏600-1200nm和藍敏220-625nm)。,5) 結果顯示記錄系統(tǒng) 檢流計、數(shù)字顯示、微機進行儀器自動控制和結果處理。,1、單光束分光光度計,3.3.2 分光光度計的構造原理,2、雙光束分光光度計,3、雙波長分光光度計,多組分混合物 混濁試樣分析 背景干擾 共存組分干擾,3.3.2 分光光度計的校正 （一）波長校正：鐠釹玻璃或鈥玻璃 （二）吸光度校正：鉻酸鉀溶液,3.4 分析條件的選擇,3.4.1 儀器測量條件 3.4.2 顯色反應條件 3.4.3 參比溶液 3.4.4 干擾及消除辦法,3.5 紫外可見光譜法應用,3.5.1 定性分析,（一）吸收曲線比較法,1. 與標準化合物的 吸收光譜比較,2. 與標準譜圖進行比較,（二）經驗公式計算,63,（一）伍德沃德-費澤（Woodward-Fieser）規(guī)則 共軛雙鍵的數(shù)目，共軛體系上取代基的種類、數(shù)目和立體結構等因素都對共軛多烯體系的紫外光譜產生影響。 Woodward-Fieser 總結出共軛烯烴最大吸收波長的計算方法，用于估算共軛多烯體系 K 帶的 max：,64,環(huán)狀共軛二烯波長計算法,65,鏈狀共軛多烯類化合物的波長計算法,66,應用此規(guī)則的注意事項： （1）當有多個母體可供選擇時，應優(yōu)先選擇較長波長的母體，如共軛體系中若同時存在同環(huán)二烯與異環(huán)二烯時，應選擇同環(huán)二烯作為母體； （2）環(huán)外雙鍵在這里特指 C=C 雙鍵中有一個 C 原子在該環(huán)上，另一個 C 原子不在該環(huán)上的情況（如結構式 A），而結構式 B 和 C 則不是； A B C,67,（3）計算時應將共軛體系上的所有取代基及所有環(huán)外雙鍵均考慮在內，對“身兼數(shù)職”的基團應按實際“兼職”次數(shù)計算增加值，同時應準確判斷共軛體系的起點與終點，防止將與共軛體系無關的基團計算在內； （4）該規(guī)則不適用于共軛體系雙鍵多于四個的體系，也不適用于交叉共軛體系，典型的交叉共軛體系骨架結構如下：,68,例1 計算下面化合物的 max 同環(huán)共軛二烯母體基本值 253nm 增加共軛雙鍵（230） + 60nm 環(huán)外雙鍵（35） + 15nm 環(huán)殘基或烷基取代（55）+ 25nm 酰氧基取代 + 0nm max計算值 353nm （實測值：356nm）,環(huán)外雙鍵 + 5,烷基 + 5 3,O,R,烷基,例 2 烷基,基準值 253 nm 共軛雙鍵 + 30,酰氧基 + 0 計算值 303 nm 實測值 304 nm,O 酰氧基,共軛雙鍵 環(huán)外雙鍵,烷基,70,異環(huán)共軛二烯母體基本值： 214nm 增加共軛雙鍵（130） + 30nm 環(huán)外雙鍵（35） + 15nm 環(huán)殘基或烷基取代（55） + 25nm max計算值 284nm （實測值：283nm）,71,鏈狀共軛雙鍵基本值 217nm 4個環(huán)殘基或烷基取代 +20nm 2個環(huán)外雙鍵 +10nm max計算值 247nm （實測值：247nm）,72,鏈狀共軛雙鍵基本值 217nm 4個環(huán)殘基或烷基取代 +20nm 1個環(huán)外雙鍵 +5nm max計算值 243nm （實測值：243nm）,73,（二） Scott規(guī)則芳香羰基化合物 用具有芳香羰基結構的化合物 max 計算方法，表 2-11 為Scott規(guī)則，用于估算具有芳香羰基結構（XC6H4COZ）的化合物 E2 吸收帶的max：,74,（二） ，-不飽和羰基化合物,，-不飽和醛、酮 Woodward,Fieser和Scott總結共軛醛，酮K帶的max的計算規(guī)則：,75,應用該規(guī)則計算時應注意以下兩點： A） 環(huán)上的羰基不作為環(huán)外雙鍵看待，例如在結構 中無環(huán)外雙鍵； B） 該規(guī)則僅適用于乙醇或甲醇溶劑，溶劑改變對實測值影 響較大，需將計算值進行溶劑校正，見下表： 表： ，-不飽和醛、酮max的溶劑校正,76,例： 計算下列化合物的max,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215nm 1個烷基取代 +10 nm 2個烷基取代 +122 nm 2個環(huán)外雙鍵 +52 nm 259 nm （實測值258 nm）,77,直鏈，-不飽和酮的基本值 215 nm 延長1個共軛雙鍵 +30 nm 1個烷基位取代 +18 nm 1個烷基位取代 +18 nm 281 nm （實測值 281 nm）,78,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215 nm 1個烷基位取代 +10 nm 2個烷基位取代 +122 nm 2個環(huán)外雙鍵 +52 nm 259 nm （乙醇中實測值 254 nm）,79,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215 nm 延長2個共軛雙鍵 +302nm 同環(huán)共軛雙鍵 +39nm 1個烷基位取代 +12 nm 3個烷基位以遠取代 +183 nm 1個環(huán)外雙鍵 +5 nm 385 nm （乙醇中實測值 388 nm）,80,（三）Scott規(guī)則（乙醇為溶劑）,醛,酮,羧酸或酯,81,例： 計算下列化合物的max Z=OH 基本值 230nm 對位NH2取代 +58nm 計算值 288nm （實測值 288nm）,82,Z=R 基本值 246nm 鄰位OH取代 +7nm 鄰位環(huán)殘基 +3nm 間位Cl取代 +0nm 計算值 256nm （實測值 257nm）,83,Z=H 基本值 250nm 對位NHAc取代 +45nm 計算值 295nm （實測值 292nm）,紫外光譜的結構分析應用舉例 例 1. 膽甾烯酮（I）的烯醇式乙酸酯的結構可 以是（II）或（III），經測定其紫外光 譜max = 238 nm (log = 4.2)。哪個 結構更合理？,O,R,(I),O,O,R,( III ),O,O,R,( II ),O,R,(I),HO,R,+,HO,R,214 + 53 + 5 = 234 nm,253 + 53 + 5 = 273 nm,O,O,R,( II ),O,O,R,( III ),例 2. 由花精油合成得到的紫羅蘭酮的兩個異 構體的結構就是利用紫外光譜來確定的。,K帶：228 nm (14000) 296 nm (11000),O,CHO,O C2H5ONa / C2H5OH,H+,-紫羅蘭酮,+,-紫羅蘭酮,O,O,計算值： 227 nm,299 nm,3.5.2 結構分析,判斷異構體,酮式：max=204 nm；無共軛 烯醇式：max=243 nm,max=270nm； max=400 nm；,（一）單組份定量分析 （二）多組份定量分析 （三）雙波長法 （四）示差分光光度法 （五