波譜分析技術第一章.ppt

1、1,波譜分析技術,白立飛（36課時） 專業(yè) 必修課,2,結構分析方法,物理常數測定 波譜分析 紫外可見吸收譜 (Uv-vis spectra) 熒光磷光發(fā)射譜 紅外吸收譜 (IR spectra) 拉曼譜 核磁共振譜 (NMR spectra) 順磁共振譜 (ESR/EPR spectra) 質譜 (MS spectra) 元素分析,3,四譜簡介,Uv-vis spectra 價電子和分子軌道上的電子在不同能級上的躍遷引起 應用: 定性 (鑒定共軛發(fā)色基團, 提供結構骨架及構象等) 定量 不足: 特征性不強, 無法確定官能團,4,四譜簡介,IR spectra (Infrared Radiat

2、ion ) 由分子振動引起 (分子振動-轉動光譜) 應用: 定性 (鑒定特征官能團和化學鍵的類型) 定量 應用范圍廣, 可靠性強 不足: 不能給出詳細的結構信息,5,四譜簡介,NMR spectra (nuclear magnetic resonance ) 定性 (可給出詳細的結構及官能團信息) 定量,6,四譜簡介,Mass spectra 通過分子離子峰及各種碎片峰確定 分子結構,7,四譜簡介,綜合評價 靈敏度: MS Uv-visIR1H-NMR13C-NMR 信息量: NMRMSIR (Uv-vis) 難度: NMRMSIR (Uv-vis),8,四譜簡介,授課進度 Uv-vis sp

3、ectra 1.5 weeks IR 2 weeks NMR 4 weeks MS 2.5 weeks 綜合解析 1 weeks,9,第一章 紫外可見吸收光譜Uv-vis absorption spectra,分子吸收光譜，在電子能級間的躍遷（實際上是分子軌道上的電子在不同軌道之間躍遷），為電子光譜，但也疊加了振動和轉動光譜帶狀吸收。,10,一. 吸收光譜學基礎知識,1. 電磁輻射的性質,光的基本性質 電磁波的波粒二象性,真空中:,11,結論:一定波長的光具有一定的能量，波長越 長(頻率越低)，光量子的能量越低。 單色光：具有相同能量(相同波長)的光。 混合光：具有不同能量(不同波長)的光復合

4、在一起。 互補光：2種光按照一定的比例混合可以形成白光。,12,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,物質顏色與吸收光顏色關系,13,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,顏色與光的關系：,白光全吸收,白光全透過,吸收黃光,14,2. 電磁輻射的區(qū)域劃分(資料來源：大學化學手冊468頁),宇宙射線：10-6-10-3 A 射 線：10-3-10-2 A X 射 線：10-2-102 A 遠紫外線：10-200nm

5、 近紫外線：200-400nm 可 見 光：400-750nm,近紅外線：750-2500nm 中紅外線：2500-5000nm 遠紅外線：5000-10000nm 微 波：0.1-100cm 無線電波：1-1000m,15,3. 吸收光譜學,遠紫外光(10200nm)：可被大氣中的水氣、氮、氧和二氧化碳等所吸收，只能在真空中研究，稱為真空紫外光。,近紫外：200-400nm 可見光：人眼能感覺到的波長400-780nm的光。 白光：由紅、橙、黃、綠、青、藍、紫光按一定比例混合而成的復合光。,16,光譜的分類,電磁輻射本質：原子光譜 （線狀光譜） 分子光譜 （帶狀光譜） 輻射傳遞形式：發(fā)射，吸

6、收，熒光，拉曼光譜 在分子中，除了電子相對于原子核的運動外，還有核間相對位移引起的振動和轉動。這三種運動能量都是量子化的，并對應有一定能級。,17,分子運動與能級躍遷,18, E電子 E振動 E轉動 處在同一電子能級的分子，可能因其振動 能量不同，而處在不同的振動能級上 當分子處在同一電子能級和同一振動能級 時，它的能量還會因轉動能量不同，而處 在不同的轉動能級上 分子總能量 E分子 = E電子 + E振動 + E轉動,19,通常，分子是處在基態(tài)振動能級上。 當用紫外、可見光照射分子時，電子可以從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)的任一振動（或不同的轉動）能級上。 因此，電子能級躍遷產生的吸收光譜，包括了大量譜

7、線，并由于這些譜線的重疊而成為連續(xù)的吸收帶，這就是為什么分子的紫外、可見光譜不是線光譜，而是帶狀光譜的原因。,20,朗伯比爾定律,當一束單色光通過透明介質時，光強度的降低同入射光光強，吸收介質的厚度及光路中吸光粒子的數目成正比。,其中：I0入射光強；I透射光強；a吸光系數；b光程長度（cm）；c被測物質濃度（g/L）；I/I0透射比；令TI/I0，T百分透射比；1T百分吸光率；lgI/I0A,21,當c用mol.L-1表示時，,e摩爾吸光系數，L.mol-1.cm-1,22,二 Uv-Vis吸收光譜的基本概念,1.紫外可見吸收光譜的特征,23,定性，定量分析,24,O n電子（n軌道） 有機物

8、 H C 電子（軌道） H,電子（軌道）,價電子：電子 飽和的鍵 電子 不飽和的鍵 n 電子 孤對電子 分子中分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道： 它們的能級高低為：n *,2. 電子躍遷的類型,25,O2的分子軌道能級圖,26,* 反鍵軌道 * 反鍵軌道 n非鍵軌道 成鍵軌道,成鍵軌道,* * n* n*,（一）分子中電子的躍遷類型,27,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,躍遷,所需能量最大；吸收遠紫外光 吸收波長200 nm； 飽和烷烴的分子只有躍遷 甲烷max=125 nm 乙烷max=135 nm

9、,28,n 躍遷,所需能量較大，大部分峰在真空紫外區(qū)，近紫外區(qū)不易觀察到，摩爾吸光系數較小。 吸收波長為150250nm 含有未共用電子對的飽和烴衍生物(含N、O、S和鹵素等雜原子)均呈現 n* 躍遷,CH3OH、CH3NH2 n* ：183nm、213nm,CH3I * 150210 nm n* 259 nm CH2I2 n* 292 nm CHI3 n* 349 nm,29,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,和n躍遷,軌道能量低，兩種躍遷所產生的吸收峰波長一般大于200nm *躍遷：在104 左

10、右，強吸收； n*躍遷：在10-100之間，弱吸收 烯、炔、偶氮類、酮、羧酸、芳香類化合物等,30,31,討論： 紫外光譜電子躍遷類型： n*躍遷，*躍遷 飽和化合物無紫外吸收 電子躍遷類型與分子結構及存在基團有密切聯系： 根據分子結構推測可能產生的電子躍遷類型； 根據吸收譜帶波長和電子躍遷類型推測分子中可能存在的基團 分子結構鑒定,32,3. 常 用 術 語,生色團/發(fā)色團 生色團：指分子中可以吸收紫外-可見光而產生電子躍遷的原子基團。 要求：能產生n *躍遷或 *躍遷，因此生色團必須含有不飽和鍵 特點：躍遷能量較低，易吸收紫外可見光而發(fā)生電子能級的躍遷 舉例： CC；CO；CN；NN,33

11、,34,助色團 本身無紫外吸收，但可以使生色團吸收峰加強同時使吸收峰紅移的基團。 有機物：連有雜原子的飽和基團 例：-OH，-OR，-NHR、-SH、 -Cl、-Br、-I,35,紅移與藍移（紫移） 由于化合物結構變化（共軛、引入助色團取代基）或采用不同溶劑后吸收峰位置向長波方向的移動，叫紅移；吸收峰位置向短波方向移動，叫藍移。,紅移藍移現象與取代基及溶劑相關,36,舉例紅移情況,（）共軛：生色團共軛,波長紅移；吸光成倍翻番,37,巴豆醛（CH3CHCHCHO）的乙醇溶液中的兩個吸收帶 *： lmax240；max 15000 n* ： lmax322；max 28 單獨的烯鍵： 單獨的羰基：

12、,38,4. 最大吸收波長的計算,1.共軛烯烴和Woodward-Fieser規(guī)則,取代基對*吸收峰的影響,模型化合物,Page11 表1-1,39,40,Calculation,Woodward規(guī)則僅適合于計算共軛二烯至四烯的 lmax,41,42,2.不飽和羰基化合物,取代基對*吸收峰的影響,Page 12 表 1-2,模型化合物,計算的是K帶,43,44,45,3.苯甲酰基衍生物最大吸收波長的計算,Page13 表1-3,例4，例5,46,一個化合物的紫外吸收為該分子的（幾個）相互不共軛部分的結構單元的紫外吸收的加和 當研究一個結構復雜的化合物時，由于僅是其中共軛體系或羰基等有紫外吸收，

13、因此可以選取結構上大為簡化的模型化合物來估計該化合物的紫外吸收,47,含4個以上共軛雙鍵的多烯不適用Woodward規(guī)則 當存在環(huán)張力或兩個烯鍵不處于同一平面而影響共軛體系的形成時，計算值都偏離實測值,48,5. 紫外可見光譜吸收帶的分類,R吸收帶： n*吸收帶又稱R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)。 C=O，-NO2，-CHO K吸收帶： *躍遷產生的吸收帶又稱為K帶。 共軛雙鍵，隨著共軛系統的延長， *躍遷的吸收帶 將紅，吸收強度也隨之增強。 B吸收帶：苯的由*躍遷引起的吸收帶。 E吸收帶：把苯環(huán)看成乙烯鍵和共軛乙烯鍵的*躍遷引起的吸收帶。E1和E2.,49,E1帶出現在180nm（MAX = 6

14、0，000）； E2帶出現在204nm（ MAX = 8，000 ）； B帶出現在255nm （MAX = 200）。 在氣態(tài)或非極性溶劑中，苯及其許多同系物的B譜帶有許多的精細結構，這是由于振動躍遷在基態(tài)電子上的躍遷上的疊加而引起的。在極性溶劑中，這些精細結構消失,50,6. 測試條件對吸收帶的影響,溶劑對紫外可見光譜的影響較為復雜。改變溶劑的極性，會引起吸收帶形狀的變化。例如，當溶劑的極性由非極性改變到極性時，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。 下表為溶劑對丙酮紫外吸收光譜的影響。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm

15、230 238 237 243 n *max/nm 329 315 309 305,51,1. 溶劑的極性對max影響： n-*躍遷：溶劑極性，max紫移 -*躍遷：溶劑極性 ，max紅移,溶劑極性對*，n*的影響,52,2. 溶劑極性對吸收光譜精細結構影響 氣態(tài)：精細結構 溶液狀態(tài)： 溶劑極性，分子的精細結構消失 解釋：由于溶劑化作用，限制了分子的振動和轉動,53,氣態(tài)：分子間作用力弱，振動、轉動光譜均能表現出來精細結構清晰 液態(tài)： 非極性溶劑：溶劑化作用限制了分子的轉動 溶劑極性增大，分子振動受限，精細結構逐漸消失,54,選擇溶劑時注意下列幾點：,稀溶液：10-2-10-6mol/L （1

16、）溶劑應能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質應該是惰性的。即所成溶液應具有良好的化學和光化學穩(wěn)定性。 （2）具有合適的透光性，不干擾吸收曲線。 （3）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應無明顯吸收。 (4 )價格低廉，容易回收。 （5）選用低極性溶劑，以獲得特征精細結構。,55,1、典型有機化合物的紫外可見光譜 （1）飽和烴及其取代衍生物,例如：,在紫外可見光區(qū)基本無吸收，一般用做溶劑,三. 紫外-可見吸收光譜與結構關系,56,（2）不飽和烴及其共軛烯烴 （i）非共軛體系：不飽和鍵越多， max越大（加和）， lmax(nm)相近。,例如：,57,（ii）共軛體系： a. 共軛系統延長， lmax(nm)紅移

17、， max越大 。,58,共軛效應的結果是電子離域到多個原子之間，導致* 能量降低，同時躍遷幾率增大， max增大。,59,b. 空間效應-順反異構體,與反式構型相比，順式構型導致共軛雙鍵不能完全共平面，共軛體系受到一定程度的破壞，吸收強度顯著下降.,60,61,空間阻礙使共軛體系破壞，max藍移， max減小。,62,1.共軛體系越長，紅移越多。 2.取代基位阻越大，吸收強度越低。 3.助色團引入，-NR2，-SR紅移明顯， -X（Cl）紅移不明顯。,63,（3）羰基化合物（CO） 三個吸收帶 躍遷類型： ns* （弱），n* （弱，R帶）,* （強，K帶） ， R帶： lmax270300

18、 nm，且譜帶寬； max 1020，弱吸收 CO；CN；NN 共軛情況見巴豆醛的例子,64,巴豆醛（CH3CHCHCHO）的乙醇溶液中的兩個吸收帶 *：K lmax240；max 15000 n* ： R lmax322；max 28 單獨的烯鍵： 單獨的羰基：,65,4-甲基-3-戊烯-2-酮的紫外光譜 溶劑 異辛烷 乙 腈 氯 仿 甲 醇 水 *躍遷 230.6 233.9 237.6 236.8 242.6 n*躍遷 321.0 314.0 315.4 308.8 消失,溶劑極性對不飽和醛酮*、n*吸收峰的 影響不同,66,（4）芳香族化合物 a.苯：三個吸收帶（* 躍遷） ：苯環(huán)上的

19、乙烯鍵電子激發(fā)所致 ：苯環(huán)上的共軛乙烯鍵 B帶：苯環(huán)振動與*重疊；有振動精細結構,204, 7400,180, 50000,254, 200,67,當苯環(huán)上有取代基時，苯的三個特征譜帶都會發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶。,68,b.苯的衍生物 助色團的存在，導致生色團吸收峰紅移（E2和B）,注意：助色團上的電子消失（如苯胺中的氨基質子化），助色作用消失,69,In different media,苯酚B與苯酚鹽A 苯胺A與苯胺硫酸鹽B,70,Substituent effect,71,Steric hindrance,72,苯的二元及多元取代物 苯的二元取代物的紫外光譜性質與取

20、代基的性質和它們在苯環(huán)上的相對位置的關系 對位取代：吸收強度和波長較大 鄰間取代：吸收強度和波長較小,73,4.2 稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物 稠環(huán)芳烴，如奈、蒽、芘等，均顯示苯的三個吸收帶，但是與苯本身相比較，這三個吸收帶均發(fā)生紅移，且強度增加。隨著苯環(huán)數目的增多，吸收波長紅移越多，吸收強度也相應增加。 當芳環(huán)上的-CH基團被氮原子取代后，則相應的氮雜環(huán)化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光譜，與相應的碳化合物極為相似，即吡啶與苯相似，喹啉與奈相似。此外，由于引入含有n電子的N原子的，這類雜環(huán)化合物還可能產生n*吸收帶。,74,75,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of

21、Chemistry & Material Science,2. 無機化合物的吸收光譜,金屬離子絡合物的吸收光譜 （一）d-d 配位場躍遷 過渡金屬離子具有未充滿的d軌道 受配位體配位場的影響，原來能量相同的d軌道發(fā)生能級分裂，分裂后d軌道之間的能量差稱為分裂能,76,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,32,配位體的配位場越強，分裂能越大，吸收峰波長就越短。 配位體配位場強弱順序：I-Br-Cl-F-OH-C2O42-=H2OSCN-吡啶=NH3乙二胺聯吡啶鄰二氮菲NO2-CN- d-d躍遷概率小，

22、小，0.1-100之間，定量分析中應用價值不大,77,（二）電荷轉移躍遷,電荷轉移躍遷：絡合物中配位體和金屬離子之間，一方的電子向主要屬于另一方的軌道躍遷,可產生電荷遷移吸收光譜。 電荷轉移躍遷的max大，104以上,78,不少過度金屬離子與含生色團的試劑反應所生成的配合物以及許多水合無機離子，均可產生電荷遷移躍遷。 此外，一些具有d10電子結構的過度元素形成的鹵化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于這類躍遷而產生顏色。,79,Mn+ + Lb- M(n-1)+L(b-1)-,Fe3+(SCN-)2+ Fe2+(SCN)2+,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, Colleg

23、e of Chemistry & Material Science,h,h,80,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,81,82,影響紫外-可見吸收光譜的因素,一、紫外吸收曲線的形狀及影響因素 紫外吸收帶通常是寬帶，影響吸收帶形狀的因素有： 被測化合物的結構、測定的狀態(tài)、測定的溫度、溶劑的極性。 二、吸收強度及影響因素 能差因素： 能差小，躍遷幾率大 空間位置因素： 處在相同的空間區(qū)域躍遷幾率大,83,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Ma

24、terial Science,(一). 紫外-可見分光光度計,一、基本部件 光源：提供分子激發(fā)所需輻射能量 單色器：由連續(xù)光源中分離出所需單色光 吸收池：盛放試樣 檢測器：檢測光信號,光信號轉化為電信號 信號顯示器：放大，讀數,四. 紫外可見分光光度計與實驗技術,84,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,85,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,UV-2501PC 紫外可見分光光度計,86,（一）光 源 要求

25、：發(fā)射足夠強度的連續(xù)光譜 良好穩(wěn)定性和較長使用壽命 可見區(qū)：鎢燈 發(fā)射3202500nm連續(xù)光譜 紫外區(qū)：氫、氘燈 發(fā)射180375nm連續(xù)光譜,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,87,（二）單色器, 入射狹縫：光源的光由此進入單色器； 準光裝置：使入射光成為平行光束； 色散元件：復合光分解成單色光；光柵或棱鏡 聚焦裝置：將所得單色光聚焦至出射狹縫； 出射狹縫,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,88,HE

26、BEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,準直透鏡,棱鏡,聚焦透鏡,出射狹縫,6,89,（三）吸收池 盛放溶液并提供一定吸光厚度的器皿。 石英吸收池：紫外和可見區(qū) 玻璃吸收池：可見區(qū) 為減少光的損失，吸收池的光學面必須完全垂直于光束方向。,90,HEBEI NORMAL UNIVERSITY,在所用的波長范圍內有良好的透光性，兩透光面有精確的光程。 在高精度的分析測定中（紫外區(qū)尤其重

27、要），吸收池要挑選配對。因為吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程長度的精度等對分析結果都有影響。 規(guī)格：0.5、1.0、2.0、3.0、5.0cm等。,91,（四）檢測器,將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 1、光電管 陰極表面有光敏材料，光照射光敏材料，陰極發(fā)射電子，在陰陽兩極加壓，形成光電流 藍敏光電管（220-625nm）、紅敏光電管（600-1200nm）,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,92,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College

28、of Chemistry & Material Science,真空光電管,玻璃管壁開有石英窗口,93,HEBEI NORMAL UNIVERSITY, College of Chemistry & Material Science,光電倍增管：檢測微弱光信號的光電元件,94,原理： 1.工作時，相鄰電極間加一定電壓。 2.分光后的光照射到光敏陰極K上，轟擊出光電 子，在電場加速下又射向第一倍增極，轟擊出更多的光電子。 3.次級電子再被電場加速打在第二倍增極上，又會發(fā)射出更多的電子。經多個打拿極，釋放的電子依次倍增。,結構：真空密封管、光敏陰極、倍增極、陽極,95,4. 最后放出的光電子 比最

29、初多到106倍以上， 最大電流可達 10A，電流經負載電阻轉變 為電壓信號送入放大器。 工作范圍內，電壓越高，放大倍數越大。兩極 電壓75100V。,96,（五）信號顯示器 檢流計、微安表、電位計、數字電壓表、記錄儀、數據微處理機等進行儀器自動控制和結果處理。,97,二、分光光度計構造原理,（一）單光束分光光度計,優(yōu)點：結構簡單，價格便宜。 缺點：測量結果受光源波動性影響大 型號：721,722,751,752,724型,98,(二）、雙光束分光光度計 1.經單色器分光后經反射鏡分解為強度相等的兩束光，一束通過參比池，一束通過樣品池。 2.光度計能自動比較兩束光的強度，此比值即為試樣的透射比，經對數變換將它轉換成吸光度并作為波長的函數記錄下來。,具有較高的精密度和準確度。,99,100,（三）、雙波長分光光度計 由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經過兩個單色器，得到兩束不同波長（1和2）的單色光；利用切光器使兩束光以一定的頻率交替照射同一吸收池，然后經過光電倍增管和電子控制系統，最后由顯示器顯示出兩個波長處的吸光度差值A,101,對于多組分混合物、混濁試樣（如生物組織液）分析，以及存在背景干擾或共存組分吸收干擾的情況下，利用雙波長分光光度法，往往能提高方法的靈敏度和選擇性。,102,等吸收雙波長法，1和2的選擇 測定a和b的標準溶液的吸收光譜。 在