儀器分析課件：紫外吸收光譜分析

1、 紫外吸收光譜分析 ultraviolet spectrometry （ UV） 主要內(nèi)容 分子吸收光譜 有機物的紫外吸收光譜無機物的紫外及可見光吸收光譜溶劑對紫外吸收光譜的影響(溶劑效應(yīng)) 紫外及可見光分光光度計紫外吸收光譜的應(yīng)用 光分析方法的分類classification of electrochemical analysis光分析法原子吸收法紅外法原子發(fā)射法核磁法熒光法紫外可見法分子光譜原子光譜 分子吸收光譜 分子內(nèi)部的運動及分子能級 1. 物質(zhì)分子內(nèi)部三種運動形式：（1）電子相對于原子核的運動；（2）分子內(nèi)原子在平衡位置附近的振動；（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動。2.三種不同能級分子具

2、有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。三種能級都是量子化的，具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee 、振動能量Ev 、轉(zhuǎn)動能量Er, 即: EEe+Ev+Er evr 構(gòu)成物質(zhì)的分子一直處于運動狀態(tài)，包括電子相對于原子核的運動，對應(yīng)于電子能級，能級躍遷產(chǎn)生紫外、可見光譜； 原子核在其平衡位置附近的振動，對應(yīng)于振動能級，能級躍遷產(chǎn)生振動光譜； 分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動，對應(yīng)于轉(zhuǎn)動能級，能級躍遷產(chǎn)生轉(zhuǎn)動光譜。 分子從外界吸收能量后，就能引起分子能級的躍遷，即從基態(tài)能級躍遷到激發(fā)態(tài)能級 分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于二個能級之差的能量： = E2E1= h = hc/ h

3、=6.625610-34js c=2.9971010cms-1 = E1E2 = h = hc/ 根據(jù)上式可計算某能量對應(yīng)的波長，或某波長對應(yīng)的能量，如5eV對應(yīng)的波長計算： 已知h= 6.626 1034js =4.1361015eVs c= 2.9971010cms1 = hc/E = 4.1361015eVs2.9971010cms1/5eV = 2.48 105cm= 248nm 1eV= 1.6022 1019j能級躍遷 電子能級間躍遷的同時，總伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。(P271/圖9-1)電子能級間的能量

4、差 DEe：120 eV（紫外可見光譜）振動能級間的能量差 DEv：0.025l eV（中紅外光譜）轉(zhuǎn)動能級間的能量差 DEr ：0.0050.025 eV （遠紅外光譜）故紅外光譜又稱為振轉(zhuǎn)光譜若DEr0.005eV 約為5eV的0.1 因此波長間隔為0.25nm.分子吸收光譜是由譜線間隔很小的系列譜線 組成的譜帶。若DEv0.1eV 約為5eV的2 因此波長間隔為5nm.若DEe5eV 約為5eV, 相應(yīng)的波長為248nm.-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮 幾種有機化合物的分子吸收光譜圖光譜區(qū)波長范圍能量躍遷測試方法遠紫外區(qū)10200 nm外層電子躍遷 遠紫外吸收光譜紫外區(qū)200380 nm外

5、層電子躍遷（近）紫外吸收光譜可見區(qū)380780 nm外層電子躍遷可見分光光度法紅外區(qū)0.78300 m分子的振動和轉(zhuǎn)動紅外吸收光譜法有機化合物的紫外吸收光譜 ultraviolet spectrometry of organic compounds 紫外可見吸收光譜的產(chǎn)生 有機化合物的紫外可見吸收光譜是三種價電子躍遷的結(jié)果：鍵電子、鍵電子、n鍵電子。分子軌道理論： 成鍵軌道反鍵軌道。sp *s *npECOHnpsH 當外層電子吸收一定的能量后，就從成鍵軌道躍遷到反鍵軌道四種躍遷所需能量由小到大順序為： n n CCC=O、-COOH、 -COOR、C=S、-N=N-、S=O、 -ONO2、-

6、NO2、-C=O、-C=NR P276（表9-3）生色團 max / nm max / (Lmol-1cm-1)躍遷類型-CC-1736000 *CCC=O28912.5n *18210000n *-COOH20441n *-COOR20460n *1654000 *-N=N-34325n *3395n *S=O2101500n *-ONO227012n *-NO22024400 27915.8n *常見生色團的吸收特性 2.助色團 基團在近紫外光區(qū)、可見光區(qū)無吸收，沒有生色功能，但與生色團相連時能使生色團的max向長波方向移動，同時吸收強度增加者，稱為助色團 。 通常助色團含有孤對電子（n電

7、子），可通過增加生色團的共軛程度，使和n躍遷能減小，從而產(chǎn)生助色效應(yīng)（max長移）。 常見助色團的： OH、OR、NH、NHR、X P275（表9-2）紅移與藍移 增色與減色 有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦筸ax和吸收強度發(fā)生變化: max向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移 。吸收強度即摩爾吸光系數(shù)增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)。 吸收帶是定性分析的依據(jù)，同類電子躍遷產(chǎn)生的吸收峰為同種吸收帶。根據(jù)電子躍遷類型的不同，分為K帶、R帶、B帶和E帶。 吸 收 帶sp *s *RKE,BnpE 從德文Konjugation(共軛作用)而來 分子中由共軛 鍵產(chǎn)生

8、的 * 躍遷所形成的吸收帶叫K帶特點： e max 很大（10000）, lmax一般在217280 nm 具有共軛雙鍵的化合物，相間的 鍵與 鍵之間發(fā)生共軛，生成大 鍵。 共軛體系各能級間的距離縮短，電子容易激發(fā)，故吸收峰發(fā)生紅移。 K吸收帶例如： 乙烯（孤立雙鍵）： lmax171 nm， （e15530） 丁二烯（兩個雙鍵共軛）： lmax217 nm，（e21000） *12*4 *3 171nm 乙烯 丁二烯共軛體系越大，紅移越明顯K帶的波長與強度與共軛體系的數(shù)目、位置、取代基的種類等有關(guān)。b-Carotene11 double bondslmax 460 nm (e 139,000

9、) 是生色團的n躍遷引起的。特點： e max 很弱（100）, lmax一般在270 nm以上。CCH3On p* R帶p p* K帶R吸收帶B吸收帶和E吸收帶 B帶和E帶（又可分為E1和E2帶）都是芳香族化合物的特征譜帶。 B帶是在230-270nm處較弱的一系列吸收帶，稱為精細結(jié)構(gòu)的吸收帶，常用來辨認芳香族化合物 苯在正已烷溶液中的紫外光譜 苯及其衍生物的譜圖max184nmmax46000max204nmmax7400max255nmmax200苯在正已烷溶液中的紫外光譜B帶上的五指峰形的振動的精細結(jié)構(gòu)，在極性溶劑中或有取代基時，精細結(jié)構(gòu)模糊甚至消失 幾種躍遷形式1.躍遷（飽和烷烴）所

10、需能量最大（電子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)（10-200 nm）例：甲烷的max ：125nm ； 乙烷的max：135nm。遠紫外區(qū)又稱真空紫外，空氣中的氧、氮、二氧化碳及水均對遠紫外光有強烈吸收，只能被真空紫外分光光度計檢測到。飽和烷烴在200-780nm內(nèi)無吸收帶，己烷、庚烷、環(huán)己烷等飽和烴在UV譜中常用作溶劑。2.n躍遷 所需能量較大。 吸收波長為150250nm，在遠紫外區(qū)與近紫外區(qū)之間，近紫外區(qū)仍不易觀察到。 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。 n比更易激發(fā)，所需能量降低，吸收峰向長波方向移動（紅移）。

11、3.躍遷（不飽和烴） 若有助色團取代: * 發(fā)生紅移所需能量較小，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104Lmol1cm1以上，屬于強吸收。 （1） 不飽和烴*躍遷乙烯*躍遷的max=171nm， max=15530 Lmol-1cm1171nm 217nm max （2）共軛烯烴中的 *丁二烯： max=217 nm， max=21000Lmol-1cm1（3）羰基化合物共軛烯烴中的 *乙酰苯紫外光譜圖 (P276圖9-4)羰基雙鍵與苯環(huán)的雙鍵共軛：K帶強，苯的E2帶與K帶合并，紅移取代基使B帶簡化氧上的孤對電子： R帶弱，躍遷禁阻CCH3Onp* ; R帶p p* ;

12、 K帶（4）芳香烴 苯：E1帶(180185nm =47000Lmol1cm1)E2帶(200204 nm =7900Lmol1cm1)：是苯環(huán)上三個共軛雙鍵的 *躍遷特征吸收帶；B帶(230-270 nm ，=200)： *與苯環(huán)振動的重疊引起；含取代基時， B帶簡化，紅移。 P278圖9-5max（nm） max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300 二取代苯的兩個取代基在對位時，max和max都較大，而間位和鄰位取代時，max和max都較小。如苯的兩個取代基為-OH與-NO2， 對位 max=317.5nm 間位 max=273

13、.5nm 鄰位 max=278.5nm 如果對位二取代苯的一個是推電子基團，而另一個是拉電子基團，深色移動就非常大。 如苯的兩個取代基為-NH2與-NO2在對位時 max=381nm4. n*躍遷n*躍遷所需的能量最低，因此吸收輻射的波長最長，一般都在近紫外光區(qū)，甚至在可見光區(qū)n*具有以下特點:雜原子的電負性越強,n電子被束縛得越緊，躍遷所需的能量越大，max越小 ; n-*躍遷的幾率比較小，摩爾吸光系數(shù)比較小，一般為10100 ，比-*躍遷小23個數(shù)量級。區(qū)別*躍遷和n*躍遷的方法之一 : 摩爾吸光系數(shù)的顯著差別!化合物既有電子又有n電子，既可發(fā)生*又可n*躍遷。-COOR：*：max =

14、165 nm，max = 4000n*：max = 205 nm，max = 50對紫外-可見吸收光譜研究具有實用意義的電子躍遷： n *、n * 與 * 無機物的紫外及可見光吸收光譜 一、電荷遷移躍遷：受輻射能的激發(fā)，分子中原定域在金屬M軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的吸收光譜稱為電荷遷移光譜。（紫外區(qū)）Mn+Lb-M(n-1) +L(b-1) -hFe3+SCN-2+hFe2+SCN2+電子接受體電子給予體分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)； 104Lmol1cm1Fe2+與鄰菲羅啉配合物（1,10-鄰二氮菲）的紫外吸收光譜屬于電荷遷移光譜。 二、配位場躍遷（可見光區(qū)） 元素周期

15、表第四、五周期的過渡金屬元素分別含有3d和4d 軌道，鑭系、錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配體的作用下,過渡元素五個能量相等的d 軌道和鑭系、錒系元素的七個能量相等的f 軌道分別裂分成幾組能量不等的d軌道和f軌道，吸收光后，產(chǎn)生d一d、 f 一f 躍遷。 由于d-d躍遷和f-f躍遷必須在配體的配位場作用下才有可能產(chǎn)生，因此稱之為配位場躍遷。溶劑對紫外吸收光譜的影響(溶劑效應(yīng))正己烷CHCl3CH3OHH2O* max/ nm 230238237243n * max/ nm 329315309305亞異丙基丙酮的溶劑極性增加， *吸收譜帶紅移， n * 吸收譜帶藍移溶劑極性增加， *吸收帶紅

16、移，n* 吸收帶藍移溶劑極性增大時： *躍遷吸收帶紅移，n*躍遷吸收帶藍移 原因：n、*三種軌道的極性不同，n* n軌道極易與極性溶劑（水、乙醇等）形成氫鍵而穩(wěn)定化作用特別顯著（即軌道能量下降最多）， *軌道溶劑化程度次之（軌道能量下降較多） 軌道極性最小，形成溶劑化趨勢最小（軌道能量略有下降） 因此，當溶劑由非極性改為極性時，n*躍遷能變大（波長變小即藍移），而*躍遷能變?。úㄩL變長即紅移） 在極性溶劑中，n 軌道能量的降低比 更顯著。 n、 * 的能量差變大，吸收波長向短波方向移 動，即藍移。 溶劑極性對吸收波長的影響，也是區(qū)別 * 躍遷和 n *躍遷的方法之一。 溶劑極性增大n*躍遷波長

17、藍移水水水溶劑的影響極性溶劑使精細結(jié)構(gòu)消失 (p280圖9-7)極性溶劑中振動精細結(jié)構(gòu)消失為了獲得譜帶精細結(jié)構(gòu)應(yīng)選用非極性溶劑極性溶劑中振動精細結(jié)構(gòu)消失環(huán)狀共軛體系的*躍遷疊加了分子的振動和轉(zhuǎn)動光譜而呈鋸齒狀精細結(jié)構(gòu)。當分子處在蒸氣狀態(tài)時，分子之間相互作用很小，分子的振動和轉(zhuǎn)動將吸收微小的能量而使B吸收帶的吸收峰發(fā)生波動，呈鋸齒狀精細結(jié)構(gòu)。當物質(zhì)在烴類非極性溶劑中時，由于溶質(zhì)分子和溶劑分子之間的碰撞，使部分振動能和轉(zhuǎn)動能因碰撞而損失，因此精細結(jié)構(gòu)簡單化。如果是在極性溶劑中，由于溶質(zhì)和溶劑的分子之間發(fā)生強烈作用，使分子的振動和轉(zhuǎn)動受到限制，精細結(jié)構(gòu)完全消失。如何選擇溶劑 在溶解度允許范圍內(nèi)應(yīng)選擇

18、極性較小的溶劑。溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。 溶劑本身會產(chǎn)生一定的吸收帶，如果和溶質(zhì)的吸收帶有重疊，將妨礙溶質(zhì)吸收帶的觀察。 P281表9-6是溶劑使用最低波長極限，低于此波長時，溶劑的吸收不可忽略。紫外及可見光分光光度計 構(gòu)造：與可見光光度計相似（圖9-8） 儀 器 紫外-可見分光光度計一、基本組成 general process光源單色器樣品室檢測器顯示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。 可見光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長范圍在3601000nm。 紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185400 nm的連續(xù)光譜。 2.單色

19、器 將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出任一波長單色光的光學系統(tǒng)。 入射狹縫：光源的光由此進入單色器； 準光裝置：透鏡或反射鏡使入射光成為平行光束； 色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵； 聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫； 出射狹縫。3.樣品室 樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應(yīng)的池架附件。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(yīng)將透過吸收池的光信號變成可測的電信號，常用的有光電管或光電倍增管。5. 結(jié)果顯示記錄系統(tǒng) 數(shù)字顯示、微機進行儀器自動控制和結(jié)果處理 光路圖小 結(jié)光源：鎢絲燈及氫

20、燈（或氘燈）， 可見光區(qū)用鎢絲燈； 紫外光區(qū)用氫燈或氘燈。比色皿：用石英比色皿（因為玻璃會吸收紫外光）單色器：石英棱鏡或光柵。檢測器：用兩只光電管， 氧化銫光電管用于625-1000nm， 銻銫光電管用于200-625nm。 紫外吸收光譜的應(yīng)用 是一種廣泛應(yīng)用的定量分析方法、也是定性分析和結(jié)構(gòu)分析的一種手段 一、定性分析（物質(zhì)鑒定、結(jié)構(gòu)分析） 無機物應(yīng)用少、有機物定性鑒定應(yīng)用有局限性 主要用于： 測定分子中的共軛程度，判斷生色團和助色團的種類、位置和數(shù)目、確定幾何異構(gòu)、互變異構(gòu)和氫鍵強度等，是一種輔助鑒定工具。1. 物質(zhì)鑒定 利用吸收光譜的曲線形狀、吸收峰位置、lmax 及 e max 進行定

21、性分析。（1）比較吸收光譜曲線法 （2）計算不飽和有機化合物最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則 2.結(jié)構(gòu)分析： （1） 官能團的鑒定 （2） 異構(gòu)體的判斷 順反異構(gòu)體的確定 互變異構(gòu)體的確定3. 化合物純度檢查（1）比較吸收光譜曲線法 標準物質(zhì)比較法 、標準譜圖比較法 A、標準物質(zhì)比較法 相同測量條件下，測定和比較未知物與標準物的吸收光譜曲線。物質(zhì)鑒定B、利用標準譜圖或光譜數(shù)據(jù)比較 常用的標準譜圖有：1 The Sadtler Standard Spectra UV. 薩特勒標準圖譜2 R. A. Frieded and M. Orchin, “Ultraviolet and Visible Absorp

22、tion Spectra of Aromatic Compounds”, Wiley, New York, 1951. 本書收集了597種芳香化合物的紫外光譜。 3 Kenzo Hirayama, “Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra a of Organic Compounds.”,New York, Plenum, 1967。4 “Organic Electronic Spectral Data”, John Wiley and Sons, 1946與標準吸收光譜譜圖的比較時注意：相同化學環(huán)境與測量條件（2）計算不飽

23、和有機化合物最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則 伍德沃德（Woodward）規(guī)則 適用于共軛二烯、多烯、共軛烯酮類的最大吸收波長的計算B. Scott（斯科特）規(guī)則 適用于芳香族羰基化合物衍生物的最大吸收波長的計算2.結(jié)構(gòu)分析： A 官能團的鑒定紫外光譜的主要作用是推斷官能團及確定共軛體系波長范圍(nm)吸收帶情況結(jié)構(gòu)推斷220280無吸收帶不含苯環(huán)、共軛雙鍵、醛基、酮基、硝基、溴和碘等基團210250260350有強吸收帶有共軛雙鍵有35個共軛單位250300中強吸收帶,且有一定的精細結(jié)構(gòu)有苯環(huán)270350弱吸收帶（ max = 10100）且無其它強吸收峰只含非共軛的,具有n電子的生色團官能團鑒定的一

24、般規(guī)律反式異構(gòu)體的最大吸收峰波長一般總比順式異構(gòu)體的波長長，吸收強度也較大。 由于反式異構(gòu)體的空間位阻效應(yīng)小，分子的平面性能較好，共軛效應(yīng)強 ，受的束縛力較小，激發(fā)能較小，max較長，據(jù)此可判別二者。B 異構(gòu)體的判斷 順反異構(gòu)體的確定肉桂酸的順、反式的吸收如下： max280nm max10500max295nmmax27000 互變異構(gòu)體的確定 酮式 烯醇式 某些有機化合物在溶液中可能有兩種以上的互變異構(gòu)體處于動態(tài)平衡中，異構(gòu)體的互變過程常伴隨有雙鍵的移動及共軛體系的變化。 常見的是某些含氧化合物的酮式與烯醇式異構(gòu)體之間的互變 乙酰乙酸乙酯具有酮-烯醇式互變異構(gòu)體 酮式 烯醇式相對含量隨溶劑

25、的極性而變, 在水中，以酮式為主 在正已烷中，以烯醇式為主 烯醇式異構(gòu)體分子內(nèi)存在共軛體系，*躍遷產(chǎn)生245nm處的強吸收峰 酮式異構(gòu)體中不存在共軛體系，n*躍遷產(chǎn)生 204 nm處的弱吸收峰3. 化合物的純度檢查 (1) 欲檢化合物在紫外區(qū)沒有吸收峰，而雜質(zhì)有較強吸收(2) 利用吸光系數(shù)也可作純度檢查 純菲的氯仿溶液在296 nm處的 e 值為10230，若某樣品測得的 e 值為9027則樣品的純度為9027/10230 = 90%二、 定量分析 1、單組分定量分析2、多組分定量分析定量分析的依據(jù)是朗伯比耳定律單組分定量分析 標準曲線法A max A A1 A2 A3 C1 C2 C3 cA標準工作曲線圖Axcxc1