紫外可見分子吸收光譜法

第三講：紫外－可見分光光度法Ultraviolet-VisibleSpectrophotometry內(nèi)容簡介（outline）紫外可見分光光度法是利用某些物質(zhì)的分子吸收200~800nm

光譜區(qū)的輻射來進(jìn)行分析測定的方法。發(fā)生電子能級躍遷需要吸收光的波長恰好落在紫外－可見光區(qū)域。因此，紫外吸收光譜是由于分子中價電子的躍遷而產(chǎn)生的，也稱之為電子光譜。

原理ΔＥ分子＝ΔＥ電子＋ΔＥ振動＋ΔＥ轉(zhuǎn)動hνhν一、分子電子光譜的產(chǎn)生電子能級S0電子能級S1電子能級S21~20eV電子光譜<0.05eV轉(zhuǎn)動光譜0.05~1eV振動光譜有機(jī)化合物電子能級躍遷分子軌道理論由HOMO躍遷到LUMO σ<π<n<π*<σ*有機(jī)化合物電子躍遷類型：1.σ→σ*躍遷：飽和烴（甲烷，乙烷）E很高，λ<150nm（遠(yuǎn)紫外區(qū)）2.n→σ*躍遷：含雜原子（N、O、鹵素、S）飽和基團(tuán)E較大，λ150~250nm（真空紫外區(qū)）3.π→π*躍遷：不飽和基團(tuán)（—C＝C—，—C＝O）E較小，λ~200nm體系共軛，E更小，λ更大其特征是摩爾吸光系數(shù)大，一般max104，為強(qiáng)吸收帶4.n→π*躍遷：含雜原子（O、N、S等）不飽和基團(tuán)（—C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外區(qū)）；它是簡單的生色團(tuán)如羰基、硝基等中的孤對電子向反鍵軌道躍遷。其特點(diǎn)是譜帶強(qiáng)度弱，摩爾吸光系數(shù)小，通常小于100，屬于禁阻躍遷。

有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜無機(jī)化合物紫外-可見吸收光譜

產(chǎn)生無機(jī)化合物紫外、可見吸收光譜的電子躍遷形式，一般分為兩大類：電荷遷移躍遷和配位場躍遷。1、電荷遷移躍遷在不少過渡金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無機(jī)離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。此外，一些具有d10電子結(jié)構(gòu)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(chǎn)生顏色。

2、配位場躍遷配位場躍遷包括d-d

躍遷和f-f

躍遷。元素周期表中第四、五周期的過度金屬元素分別含有3d和4d軌道，鑭系和錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配體的存在下，過渡元素五個能量相等的d軌道和鑭系元素七個能量相等的f軌道分別分裂成幾組能量不等的d軌道和f軌道。配位場躍遷吸收譜帶的摩爾吸光系數(shù)小，一般

max<100，電荷轉(zhuǎn)移躍遷則一般

max>104。二、幾個基本術(shù)語：1、生色團(tuán)（chromophore)

指分子中能吸收紫外或可見光的基團(tuán)，它實(shí)際上是一些具有不飽和鍵和含有孤對電子的基團(tuán)。。2、助色團(tuán)(auxochrome)帶有非鍵電子對的基團(tuán)，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等，它們本身不能吸收大于200nm的光，但是當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時，會使生色團(tuán)的吸收峰向長波方向移動，并且增加其吸光度。3、紅移與藍(lán)移（紫移）

有機(jī)化合物經(jīng)取代反應(yīng)引入含有未共享電子對的基團(tuán)(-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(yīng)稱為紅移效應(yīng)(redorbathochromicshift)。這種會使某化合物的最大吸收波長向長波方向移動的基團(tuán)稱為向紅基團(tuán)。在某些生色團(tuán)如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波長會向短波方向移動，這種效應(yīng)稱為藍(lán)移(紫移)效應(yīng)(blueorhypsochromicshift)。這些會使某化合物的最大吸收波長向短波方向移動的基團(tuán)(如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3)稱為向藍(lán)（紫）基團(tuán)。4、增色效應(yīng)和減色效應(yīng)

最大吸收帶的摩爾吸光系數(shù)max增加時稱為增色效應(yīng)；反之稱為減色效應(yīng)。5、強(qiáng)帶和弱帶

max104的吸收帶稱為強(qiáng)帶；max103的吸收帶稱為弱帶。R帶：由含雜原子的生色團(tuán)的n*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶。它的特點(diǎn)是強(qiáng)度較弱，一般100，吸收峰通常位于270nm以上。K帶：由共軛體系的*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶。其特點(diǎn)是吸收強(qiáng)度大，一般104，吸收峰位置一般處于217~280nm范圍內(nèi)。B帶：由芳香族化合物的*躍遷而產(chǎn)生的精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶。B帶是芳香族化合物的特征吸收，但在極性溶劑中時精細(xì)結(jié)構(gòu)消失或變得不明顯。E帶：由芳香族化合物的*躍遷所產(chǎn)生的吸收帶，也是芳香族化合物的特征吸收，可分為E1和E2帶。苯在己烷中的紫外光譜E2三、有機(jī)化合物紫外-可見吸收光譜

1、飽和烴及其取代衍生物

飽和烴類分子中只含有鍵，因此只能產(chǎn)生*躍遷，即電子從成鍵軌道躍遷到反鍵軌道*。飽和烴的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可見分光光度計(jì)的測量范圍。

飽和烴的取代衍生物如鹵代烴，其鹵素原子上存在n電子，可產(chǎn)生n*的躍遷。n*的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*躍遷分別出現(xiàn)在173、204和258nm處。這些數(shù)據(jù)說明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相應(yīng)的吸收波長發(fā)生了紅移，顯示了助色團(tuán)的助色作用。直接用烷烴和鹵代烴的紫外吸收光譜分析這些化合物的實(shí)用價值不大。但是它們是測定紫外和(或)可見吸收光譜的良好溶劑。

2、不飽和烴及共軛烯烴

在不飽和烴類分子中，除含有鍵外，還含有鍵，它們可以產(chǎn)生*和*兩種躍遷。*躍遷的能量小于*躍遷。例如，在乙烯分子中，*躍遷最大吸收波長為180nm。在不飽和烴類分子中，當(dāng)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，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。舉例：3、羰基化合物

羰基化合物含有C=O基團(tuán)。C=O基團(tuán)主要可產(chǎn)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)。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮這類物質(zhì)與羧酸及羧酸的衍生物在結(jié)構(gòu)上的差異，因此它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。羧酸及羧酸的衍生物雖然也有n*吸收帶，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接連結(jié)含有未共用電子對的助色團(tuán)，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n共軛，導(dǎo)致*軌道的能級有所提高，但這種共軛作用并不能改變n軌道的能級，因此實(shí)現(xiàn)n*

躍遷所需的能量變大，使n*吸收帶藍(lán)移至210nm左右。4、苯及其衍生物

苯有三個吸收帶，它們都是由*躍遷引起的。E1帶出現(xiàn)在180nm（MAX=60000）；E2帶出現(xiàn)在204nm（MAX=8000）；B帶出現(xiàn)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(xì)結(jié)構(gòu)，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(xì)結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)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。5、稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物

稠環(huán)芳烴，如萘、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(qiáng)度增加。隨著苯環(huán)數(shù)目的增多，吸收波長紅移越多，吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加。當(dāng)芳環(huán)上的-CH基團(tuán)被氮原子取代后，則相應(yīng)的氮雜環(huán)化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光譜，與相應(yīng)的碳化合物極為相似，即吡啶與苯相似，喹啉與萘相似。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(chǎn)生n*吸收帶。影響紫外-可見吸收光譜的因素1.共軛效應(yīng)： 共軛效應(yīng)使共軛體系形成大鍵，結(jié)果使各能級間的能量差減小，從而躍遷所需能量也就相應(yīng)減小，因此共軛效應(yīng)使吸收波長產(chǎn)生紅移。共軛不飽和鍵越多，紅移越明顯，同時吸收強(qiáng)度也隨之加強(qiáng)。共軛體系躍遷發(fā)生在最高已占分子軌道(HOMO)和最低未占分子軌道（LUMO).更多的共軛(雙鍵)將縮小HOMO-LUMO的能極差262.超共軛效應(yīng)當(dāng)烷基與共軛體系相連時，σ電子與共軛體系的電子云產(chǎn)生一定程度的重疊，擴(kuò)大了共軛范圍，使躍遷能量降低，吸收紅移。CH2=CH-CH3

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300273. 立體效應(yīng)空間位阻：影響共平面性，從而影響共軛效應(yīng)。λmax=466λmax=300鄰位效應(yīng)：苯環(huán)鄰位取代影響共軛?？绛h(huán)效應(yīng)：兩個基團(tuán)雖不共軛，但由于空間的排列，他們的電子云仍能相互影響，使最大吸收波長和吸光系數(shù)改變λmax=292ε=292λmax=280ε~15028例：苯環(huán)上鄰位取代基基越多，使得共平面性越差，共軛性越差，導(dǎo)致吸收藍(lán)移溶劑對紫外—可見光譜的影響較為復(fù)雜。改變?nèi)軇┑臉O性，會引起吸收帶形狀的變化。例如，當(dāng)溶劑的極性由非極性改變到極性時，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，吸收帶變向平滑。4. 溶劑對紫外可見吸收光譜的影響

改變?nèi)軇┑臉O性，還會使吸收帶的最大吸收波長發(fā)生變化。下表為溶劑對亞異丙酮紫外吸收光譜的影響。正己烷CHCl3CH3OHH2O

*max/nm230238237243n

*max/nm329315309305

可以看出，當(dāng)溶劑的極性增大時，由n

*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生藍(lán)移，而由*躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生紅移。因此，在測定紫外、可見吸收光譜時，應(yīng)注明在何種溶劑中測定。由于溶劑對電子光譜圖影響很大，選擇溶劑時注意下列幾點(diǎn)：溶劑應(yīng)能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質(zhì)應(yīng)該是惰性的。即所成溶液應(yīng)具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性。在溶解度允許范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑。溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。pH值的影響：如果化合物在不同的pH值下存在的型體不同，則其吸收峰的位置會隨pH值的改變而改變。溶劑的選擇32小結(jié)

共軛效應(yīng)、超共軛效應(yīng)，使吸收紅移；極性溶劑使*躍遷能量降低，吸收紅移，使n*躍遷能量升高，吸收藍(lán)移，反之亦然；立體效應(yīng)影響鍵的共平面性，從而影響共軛性；酸度對共軛體系的影響也很大。III.朗伯-比爾定律

當(dāng)一束單色光穿過透明介質(zhì)時，吸光度與吸收介質(zhì)的厚度以及光路中吸光微粒的數(shù)目成正比。吸光度透光度入射光強(qiáng)透射光強(qiáng)吸光系數(shù)介質(zhì)厚度物質(zhì)濃度

先考察在吸收介質(zhì)中,吸收層厚度為dx的小體積元內(nèi)的吸收情況。光強(qiáng)為Ix的光束通過吸收層后,減弱了dIx，-dIx/Ix表示吸收率。根據(jù)量子理論,光束強(qiáng)度可以看作是單位時間內(nèi)流過光子的總數(shù)，于是-dIx/Ix可以看作是光束通過吸收介質(zhì)時每個光子被物質(zhì)分子吸收的平均幾率。從另一方面看,只有在近似分子尺寸的范圍內(nèi),物質(zhì)分子與光子相互碰撞時才有可能捕獲光子。bb

如果濃度以重量濃度表示，吸光物質(zhì)的分子量為M，則：當(dāng)吸收介質(zhì)內(nèi)只有一種吸光物質(zhì)存在時，上式簡化為：式中a是吸收系數(shù)，單位是l/(g.cm)；a=/M。與分子吸收截面、躍遷幾率相關(guān)L/mol.cm吸收定律的適用性

吸收定律俗稱比爾定律，其成立條件是(1)入射光為平行單色光且垂直照射.(2)吸光物質(zhì)為均勻非散射體系.(3)吸光質(zhì)點(diǎn)之間無相互作用.(4)輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收,無熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生.偏離比爾定律的因素：1、本身的局限－稀溶液（<0.01mol/l)2、化學(xué)因素－解離、締合、生成絡(luò)合物或溶劑化3、儀器因素－非單色光、雜散光(非吸收光)等等吸收點(diǎn)IV.紫外-可見分光光度計(jì)組成部件

紫外-可見分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)是由五個部分組成：即光源、單色器、吸收池、檢測器和信號系統(tǒng)。光源（LightSource）

常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源。熱輻射光源：鎢燈、鹵鎢燈（300-2500

nm）。兩者均在可見區(qū)使用,鹵鎢燈的使用壽命及發(fā)光效率高于鎢燈。氣體放電光源：氫燈或氘燈190-400

nm,在紫外區(qū)使用。鹵鎢燈氘燈吸收池（cuvette）

用于盛放試液。石英池用于紫外-可見區(qū)的測量，玻璃池只用于可見區(qū)。檢測器

簡易分光光度計(jì)上使用光電池或光電管作為檢測器。目前最常見的檢測器是光電倍增管，有的用二極管陣列作為檢測器。

光譜圖

工作原理

紫外-可見分光光度計(jì)，按其光學(xué)系統(tǒng)可分為單波長與雙波長分光光度計(jì)、單光束與雙光束分光光度計(jì)。1、單光束分光光度計(jì)

經(jīng)單色器分光后的一束平行光，輪流通過參比溶液和樣品溶液，以進(jìn)行吸光度的測定。這種簡易型分光光度計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，維修容易，適用于常規(guī)分析。2、雙光束分光光度計(jì)

經(jīng)單色器分光后經(jīng)反射鏡分解為強(qiáng)度相等的兩束光，一束通過參比池，一束通過樣品池。光度計(jì)能自動比較兩束光的強(qiáng)度，此比值即為試樣的透射比，經(jīng)對數(shù)變換將它轉(zhuǎn)換成吸光度并作為波長的函數(shù)記錄下來。雙光束分光光度計(jì)一般都能自動記錄吸收光譜曲線。由于兩束光同時分別通過參比池和樣品池，還能自動消除光源強(qiáng)度變化所引起的誤差。3、雙波長分光光度計(jì)

由同一光源發(fā)出的光被分成兩束，分別經(jīng)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，然后由顯示器顯示出兩個波長處的吸光度差值ΔA（ΔA=A1-A2）。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，獲得導(dǎo)數(shù)光譜。

4、多通道和光導(dǎo)纖維探頭式分光光度計(jì)

紫外－可見分光光度法在無機(jī)元素的定性分析應(yīng)用方面是比較少的，無機(jī)元素的定性分析主要用原子發(fā)射光譜法或化學(xué)分析法。在有機(jī)化合物的定性分析鑒定及結(jié)構(gòu)分析方面，由于紫外－可見光譜較為簡單，光譜信息少，特征性不強(qiáng)，而且不少簡單官能團(tuán)在近紫外及可見光區(qū)沒有吸收或吸收很弱，因此，這種方法的應(yīng)用有較大的局限性。但是它適用于不飽和有機(jī)化合物，尤其是共軛體系的鑒定，以此推斷未知物的骨架結(jié)構(gòu)。此外，它可配合紅外光譜法、核磁共振波譜法和質(zhì)譜法等常用的結(jié)構(gòu)分析法進(jìn)行定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析，是不失為一種有用的輔助方法。V.定性和定量分析一、定性分析二、定量分析

定性鑒別純度檢查和雜質(zhì)限量測定單組分的定量方法多組分的定量方法定性分析定性鑒別比較法比較吸收光譜曲線用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算最大吸收波長后與實(shí)測值進(jìn)行比較所謂比較法，就是在相同的測定條件（儀器、溶劑、pH等）下，1. 比較未知純試樣與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜曲線，如果它們的吸收光譜曲線完全等同，則可以認(rèn)為待測樣品與已知化合物有相同的生色團(tuán)。2. 借助于前人匯編的以實(shí)驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)的各種有機(jī)化合物的紫外-可見光譜標(biāo)準(zhǔn)譜圖，或有關(guān)電子光譜數(shù)據(jù)表。利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖或光譜數(shù)據(jù)比較時，常用的標(biāo)準(zhǔn)譜圖有以下的四種：

[1]SadtlerStandardSpectra(Ultraviolet),Heyden,London,1978.薩特勒標(biāo)準(zhǔn)圖譜共收集了46000種化合物的紫外光譜。

[2]R.A.FriedelandM.Orchin,“UltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofAromaticCompounds”,Wiley,NewYork,1951.本書收集了597種芳香化合物的紫外光譜。

[3]KenzoHirayama：“HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds.”,NewYork,Plenum,1967。

[4]“OrganicElectronicSpectralData”，JohnWileyandSons，1946～（這是一套由許多作者共同編寫的大型手冊性叢書，所收集的文獻(xiàn)資料由1946年開始，目前還在繼續(xù)編寫）。最大吸收波長計(jì)算法當(dāng)采用其他物理和化學(xué)方法判斷某化合物有幾種可能結(jié)構(gòu)時，可用經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算最大吸收波長max，并與實(shí)測值進(jìn)行比較，然后確認(rèn)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)，有伍德沃德（Woodward）規(guī)則和斯科特（Scott）規(guī)則。1．Woodward-Fieser經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算共軛二烯、多烯烴及共軛烯酮類化合物π—π*躍遷最大吸收波長的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。計(jì)算時，先從未知物的母體對照表得到一個最大吸收的基數(shù)，然后對連接在母體中π電子體系(即共軛體系)上的各種取代基以及其他結(jié)構(gòu)因素按表所列的數(shù)值加以修正，得到該化合物的最大吸收波長。表1計(jì)算二烯烴或多烯烴的最大吸收波長位置

（注意：當(dāng)兩種情形的二烯烴體系同時存在時，選擇波長較長的為其母體系統(tǒng)，即選用基數(shù)為253nm）其他結(jié)構(gòu)因素的修正值幾種不飽和羰基化合物的計(jì)算其他結(jié)構(gòu)因素的修正值幾種不飽和羰基化合物的計(jì)算例4計(jì)算，并指出在不飽和酮分子中的那個位置有取代基？解:

沒有取代基的：α，γ

有取代基的：β和δ

基值215nm

取代基β(1×12)12nmδ(1×18)18nm

環(huán)外雙鍵(1×5)5nm

共軛系統(tǒng)的延長(1×30)30nm

280nm例4

解:

AB

基值215nm215nm

烷基取代γ18nm18nmδ18×2nm18nm

同環(huán)共軛雙鍵39nm0

環(huán)外雙鍵05nm

共軛系統(tǒng)的延長30nm30nm

338nm286nm同分異構(gòu)體(A)和(B)

最大吸收波長計(jì)算法2．Scott經(jīng)驗(yàn)規(guī)則是計(jì)算芳香族羰基化合物衍生物的最大吸收波長的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。計(jì)算方法與伍德沃德規(guī)則相同最大吸收波長計(jì)算法順反異構(gòu)體的判別一般來說，順式異構(gòu)體的max比反式異構(gòu)體的小?；プ儺悩?gòu)體的測定結(jié)構(gòu)分析構(gòu)象的判別例如，-鹵代環(huán)己酮有兩種構(gòu)象：C–X鍵可為直立鍵（I），也可為平伏鍵（II）。前者C=O上的電子與C–X鍵的電子重疊較后者大，因此前者的max比后者大。據(jù)此可以區(qū)別直立鍵和平伏鍵，從而確定待測物的構(gòu)象。結(jié)構(gòu)分析如果一化合物在紫外-可見區(qū)沒有吸收峰，而其中的雜質(zhì)有較強(qiáng)的吸收，就可方便地檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。如果一化合物在紫外-可見區(qū)有較強(qiáng)的吸收帶，有時可用摩爾吸光系數(shù)來檢查其純度。純度檢查定量分析1、單組分的定量方法a．吸光系數(shù)法b．標(biāo)準(zhǔn)曲線法c．對照法：外標(biāo)一點(diǎn)法a．吸光系數(shù)法（絕對法）例：維生素B12

的水溶液在361nm處的百分吸光系數(shù)為207，用1cm比色池測得某維生素B12溶液的吸光度是0.414，求該溶液的濃度。解：例：精密稱取B12樣品25.0mg，用