第一章紫外吸收光譜

第一章紫外吸收光譜本章內(nèi)容紫外光譜產(chǎn)生的原理（基礎(chǔ)）紫外分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)有機(jī)化合物的紫外吸收光譜（重點(diǎn)、難點(diǎn)）紫外吸收光譜的應(yīng)用波譜分析的一般原理一定波長的電磁波與物質(zhì)內(nèi)部分子、電子或原子核等相互作用，物質(zhì)吸收電磁波的能量，從低能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。定性分析定量分析1.1分子吸收光譜的產(chǎn)生和分類1.1.1分子吸收光譜的分類紅外吸收光譜：分子振動(dòng)光譜，2.51000m,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍200400nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析?？梢娢展庾V：電子躍遷光譜，吸收光波長范圍400750nm，主要用于有色物質(zhì)的定量分析。1.1.2分子吸收光譜的產(chǎn)生一、電子躍遷與分子吸收光譜1、物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：（1）電子相對于原子核的運(yùn)動(dòng)（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動(dòng)（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)分子具有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)2、能級(jí)躍遷紫外-可見光譜屬于電子躍遷光譜。電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。3、討論（1）

轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜；（2）振動(dòng)能級(jí)的能量差ΔΕv約為：0.05～１eV，躍遷產(chǎn)生的吸收光譜位于紅外區(qū)，紅外光譜或分子振動(dòng)光譜；（3）電子能級(jí)的能量差ΔΕe較大1～20eV。電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)，紫外—可見光譜或分子的電子光譜；（4）吸收光譜的波長分布是由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級(jí)間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級(jí)分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)；（5）吸收譜帶的強(qiáng)度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長處測得的摩爾吸光系數(shù)εmax也作為定性的依據(jù)。不同物質(zhì)的λmax有時(shí)可能相同，但εmax不一定相同；（6）吸收譜帶強(qiáng)度與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，定量分析的依據(jù)。二、分子吸收光譜與電子躍遷1．紫外—可見吸收光譜有機(jī)化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：σ電子、π電子、n電子。COHnpsH2、分子軌道理論一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。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。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

3、四種躍遷1）σ→σ＊躍遷2）n→σ＊躍遷吸收波長為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)。含非鍵電子的飽和烴衍生物均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。3）π→π＊躍遷所需能量較小，吸收波長處于近紫外區(qū)，屬于強(qiáng)吸收。不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類均可發(fā)生該類躍遷。4）n→π＊躍遷需能量最低，吸收波長λ>200nm，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。分子中孤對電子和π鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n→π＊躍遷。一般的紫外光譜是指近紫外區(qū)，即200-400nm，那么就只能觀察*和n*躍遷。也就是說紫外光譜只適用于分析分子中具有不飽和結(jié)構(gòu)的化合物。4、生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成，如乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。助色團(tuán)：一些含有n電子的基團(tuán)(－OH、－OR、－N２、－NHR、－X等)，它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n—π共軛作用，增強(qiáng)生色團(tuán)的生色能力(吸收波長向長波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。5、紅移與藍(lán)移有機(jī)化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:λmax向長波方向移動(dòng)稱為紅移，向短波方向移動(dòng)稱為藍(lán)移(或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)ε增大或減小的現(xiàn)象分別稱為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。三、光的吸收定律1.朗伯—比耳定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年闡明了光的吸收程度和吸收層厚度的關(guān)系。A∝b1852年比耳(Beer)提出了光的吸收程度和吸收物濃度之間也具有類似的關(guān)系。A∝c

二者的結(jié)合稱為朗伯—比耳定律，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：A=

εb

c透過度T:描述入射光透過溶液的程度:

T=I

t/I0吸光度A與透光度T的關(guān)系:

A

＝－lg

T

朗伯—比耳定律是吸光光度法的理論基礎(chǔ)和定量測定的依據(jù)。應(yīng)用于各種光度法的吸收測量；摩爾吸光系數(shù)ε在數(shù)值上等于濃度為1mol/L、液層厚度為1cm時(shí)該溶液在某一波長下的吸光度；2、偏離朗伯—比耳定律的原因（1）物理性因素，即儀器的非理想引起的；難以獲得真正的純單色光。（2）化學(xué)性因素。朗—比耳定律的假定：所有的吸光質(zhì)點(diǎn)之間不發(fā)生相互作用；假定只有在稀溶液(c<10-2mol/L)時(shí)才基本符合。當(dāng)溶液濃度c>10－2mol/L時(shí)，吸光質(zhì)點(diǎn)間可能發(fā)生締合等相互作用，直接影響了對光的吸收。故朗伯—比耳定律只適用于稀溶液。溶液中存在著離解、聚合、互變異構(gòu)、配合物的形成等化學(xué)平衡時(shí)。使吸光質(zhì)點(diǎn)的濃度發(fā)生變化，影響吸光度。1.2紫外分光光度計(jì)1.2.1基本組成光源→單色器→吸收池→檢測器→信號(hào)顯示系統(tǒng)1.光源在整個(gè)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(qiáng)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320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。2、單色器將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學(xué)系統(tǒng)。①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；②準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束；③色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵；④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；⑤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(hào)變成可測的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。5.結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理1.2.2分光光度計(jì)的類型1.單光束簡單，價(jià)廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。2.雙光束自動(dòng)記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。儀器復(fù)雜，價(jià)格較高。3.雙波長將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過同一吸收池而后到達(dá)檢測器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無需參比池。兩波長同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。1.2.3分析條件的選擇一、儀器測量條件的選擇

1.適宜的吸光度范圍最適宜的測量范圍為0.2~0.8之間。2.入射光波長的選擇通常是根據(jù)被測組分的吸收光譜，選擇最強(qiáng)吸收帶的最大吸收波長為入射波長。當(dāng)最強(qiáng)吸收峰的峰形比較尖銳時(shí)，往往選用吸收稍低，峰形稍平坦的次強(qiáng)峰或肩峰進(jìn)行測定。3.狹縫寬度的選擇為了選擇合適的狹縫寬度，應(yīng)以減少狹縫寬度時(shí)試樣的吸光度不再增加為準(zhǔn)。一般來說，狹縫寬度大約是試樣吸收峰半寬度的十分之一。二、顯色反應(yīng)條件的選擇對多種物質(zhì)進(jìn)行測定，常利用顯色反應(yīng)將被測組分轉(zhuǎn)變?yōu)樵谝欢úㄩL范圍有吸收的物質(zhì)。常見的顯色反應(yīng)有配位反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)等。這些顯色反應(yīng)，必須滿足以下條件：1、反應(yīng)的生成物必須在紫外-可見光區(qū)有較強(qiáng)的吸光能力，即摩爾吸光系數(shù)較大；2、反應(yīng)有較高的選擇性，即被測組分生成的化合物吸收曲線應(yīng)與共存物質(zhì)的吸收光譜有明顯的差別；3、反應(yīng)生成的產(chǎn)物有足夠的穩(wěn)定性，以保證測量過程中溶液的吸光度不變；4、反應(yīng)生成物的組成恒定。三、參比溶液的選擇測定試樣溶液的吸光度，需先用參比溶液調(diào)節(jié)透光度（吸光度為0）為100%，以消除其它成分及吸光池和溶劑等對光的反射和吸收帶來的測定誤差。參比溶液的選擇視分析體系而定，具體有：

1．溶劑參比

試樣簡單、共存其它成分對測定波長吸收弱，只考慮消除溶劑與吸收池等因素；2.試樣參比如果試樣基體溶液在測定波長有吸收，而顯色劑不與試樣基體顯色時(shí)，可按與顯色反應(yīng)相同的條件處理試樣，只是不加入顯色劑。3.試劑參比

如果顯色劑或其它試劑在測定波長有吸收，按顯色反應(yīng)相同的條件，不加入試樣，同樣加入試劑和溶劑作為參比溶液。4.平行操作參比用不含被測組分的試樣，在相同的條件下與被測試樣同時(shí)進(jìn)行處理，由此得到平行操作參比溶液。1.2.4測定方法一、單組分定量方法單組分是指樣品溶液中含有一種組分，或者是在混合物溶液中待測組分的吸收峰與其他共有物質(zhì)的吸收峰無重疊。其定量方法包括校準(zhǔn)曲線法、標(biāo)準(zhǔn)對比法和吸收系數(shù)法。1、校準(zhǔn)曲線法方法：配制一系列不同含量的標(biāo)準(zhǔn)溶液，選用適宜的參比，在相同的條件下，測定系列標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，作A-c曲線，即標(biāo)準(zhǔn)曲線，也可用最小二乘數(shù)處理，得線性回歸方程。在相同條件下測定未知試樣的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上就可以找到與之對應(yīng)的未知試樣的濃度。2、標(biāo)準(zhǔn)對比法即將待測溶液與某一標(biāo)樣溶液，在相同的條件下，測定各自的吸光度，建立朗伯-比爾定律，解方程求出未知樣濃度與含量。

As=KcsAx=Kcx

1.3有機(jī)化合物的紫外吸收光譜1.3.1飽和化合物一、飽和烷烴：σ*，能級(jí)差很大，紫外吸收的波長很短，屬遠(yuǎn)紫外范圍。例如：甲烷125nm，乙烷135nm不能用紫外光譜來研究。二、含飽和雜原子的化合物：σ*、n*，吸收弱，只有部分有機(jī)化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*躍遷有紫外吸收。紫外分析的用處不大。同一碳原子上雜原子數(shù)目愈多，λmax愈向長波移動(dòng)。例如：CH3Cl173nm，CH2Cl2220nm，

CHCl3237nm，CCl4257nm一般的飽和有機(jī)化合物在近紫外區(qū)無吸收，不能將紫外吸收用于鑒定；反之，它們在近紫外區(qū)對紫外線是透明的，所以可用作紫外測定的良好溶劑。1.3.2非共軛的不飽和化合物一、非共軛的烯烴和炔烴非共軛*躍遷，λmax位于190nm以下的遠(yuǎn)紫外區(qū)。例如：乙烯165nm乙炔173nmC＝C與雜原子O、N、S、Cl相連，由于雜原子的助色效應(yīng)，λmax紅移。小結(jié)：C＝C，C≡C雖為生色團(tuán)，但若不與強(qiáng)的助色團(tuán)N，S相連，*躍遷仍位于遠(yuǎn)紫外區(qū)。二、含不飽和雜原子的化合物σ*、n*

、ππ*屬于遠(yuǎn)紫外吸收，在近紫外區(qū)無吸收，僅n→π＊吸收帶在近紫外區(qū)弱吸收，稱為R帶，270－300nm，會(huì)隨化合物種類不同而移動(dòng)，應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。當(dāng)醛、酮被羥基、胺基等取代變成酸、酯、酰胺時(shí)，由于共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)影響羰基，λmax藍(lán)移。R2C=S較R2C=O同系物中nπ*躍遷λmax紅移。1.3.3共軛有機(jī)化合物的紫外吸收一、共軛烯烴共軛烯烴的ππ*躍遷均為強(qiáng)吸收帶，≥10000，稱為K帶，波長總大于200nm。共軛體系越長，其最大吸收越移往長波方向，且出現(xiàn)多條譜帶。二、Woodward規(guī)則取代基對共軛雙烯λmax的影響具有加和性。應(yīng)用范圍：非環(huán)共軛雙烯、環(huán)共軛雙烯、多烯、共軛烯酮、多烯酮注意:①選擇較長共軛體系作為母體；②交叉共軛體系只能選取一個(gè)共軛鍵，分叉上的雙鍵不算延長雙鍵；③某環(huán)烷基位置為兩個(gè)雙鍵所共有，應(yīng)計(jì)算兩次。計(jì)算舉例教材69頁三、超過四個(gè)雙鍵的共軛多烯的Fieser－Kuhn規(guī)則λmax＝114+5M+n（48.0－1.7n）－16.5Rendo－10Rexon為共軛雙鍵數(shù)目，M為烷基或類似烷基的取代基，Rendo是共軛體系中含環(huán)內(nèi)雙鍵的環(huán)的個(gè)數(shù)，Rexo為含環(huán)外雙鍵的環(huán)的個(gè)數(shù)。舉例教材69頁四、α，β－不飽和羰基化合物250－200nm有一個(gè)強(qiáng)的K吸收帶，300nm以上有一個(gè)弱的R吸收帶計(jì)算方法類似共軛烯烴的Woodward規(guī)則1.3.4

芳香族化合物的紫外吸收1.苯苯環(huán)顯示三個(gè)吸收帶,都是起源于π

π*躍遷.max=184nm(=60000）E1帶max=204nm(=7900）

E2帶max=255nm(=250）B帶2.單取代苯烷基取代苯：烷基無孤電子對，對苯環(huán)電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很小的影響。由于有超共軛效應(yīng)，一般導(dǎo)致B帶、E2帶紅移。助色團(tuán)取代苯：助色團(tuán)含有孤電子對，它能與苯環(huán)π電子共軛。使B帶、E帶均移向長波方向。不同助色團(tuán)的紅移順序?yàn)椋篘（CH3)2﹥NHCOCH3﹥SH﹥NH2﹥OCH3﹥OH﹥Br﹥Cl﹥CH3﹥NH3+生色團(tuán)取代的苯：含有π鍵的生色團(tuán)與苯環(huán)相連時(shí)，產(chǎn)生更大的ππ*

共軛體系，使B帶E帶產(chǎn)生較大的紅移。不同生色團(tuán)的紅移順序?yàn)椋篘O2>Ph>CHO>COCH3>COOH>COO－>CN>SO2NH2>NH3+3.雙取代苯1）對位取代兩個(gè)取代基屬于同類型時(shí)，λmax紅移值近似為兩者單取代時(shí)的最長波