紫外吸收光譜分析法課件

第九章

紫外吸收光譜分析法儀器分析使用教材：朱明華編

2023/4/3第一節(jié)分子吸收光譜一、分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)及分子能級(jí)

在分子中，有電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)、組成分子的各原子在其平衡位置附近的振動(dòng)、分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子總的能量可以認(rèn)為是這三種運(yùn)動(dòng)能量之和。即E

＝Ee+Ev+Er

ΔEe>ΔEv>ΔEr2023/4/3分子吸收光譜二、能級(jí)躍遷與分子吸收光譜的類型如果外界給分子提供能量（如光能），分子就可能吸收能量引起能級(jí)躍遷，而由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)能級(jí)。ΔE=E1-E2=hν=hc/λ三種能級(jí)躍遷所需要的能量不同，在不同的光學(xué)區(qū)域產(chǎn)生吸收光譜。

1．轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷與遠(yuǎn)紅外光譜轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差ΔEr：0.025～0.005eV。假如是0.1eV，可計(jì)算出：λ=hc/ΔE=6.624×10-34×2.998×108/0.01×1.6×10-19=1.24×10-5m=12400nm=124μm可見，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)（50~300m）,稱遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。2023/4/3能級(jí)躍遷與分子吸收光譜的類型3．電子能級(jí)電子能級(jí)的能量差ΔEe:1～20eV。假如為5eV，可計(jì)算出：λ=hc/ΔE=6.624×10-34×2.998×108/5×1.6×10-19

=2.48×10-7m=248nm可見，電子躍遷產(chǎn)生的吸收光譜在紫外—可見光區(qū)(200~780nm)，稱紫外—可見光譜或分子的電子光譜。

（電子-振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜）

2023/4/3第二節(jié)有機(jī)化合物的紫外吸收光譜

按分子軌道理論，有機(jī)化合物分子中有：成鍵σ軌道，反鍵σ*軌道；成鍵π軌道;反鍵π*軌道；非鍵軌道。各種軌道的能級(jí)不同，如圖9-2所示。外層電子和價(jià)電子有三種：σ電子、π電子和n電子。

COHnpsHsp

*s*npE在紫外可見光區(qū)，主要有下列幾種躍遷類型：①.N→V躍遷：電子由成鍵軌道躍遷到反鍵軌道，包括σ→σ＊；π→π＊躍遷。②.N→Q躍遷：分子中未成鍵的n電子躍遷到反鍵軌道，包括n→σ＊；n→π＊躍遷。2023/4/3有機(jī)化合物的紫外吸收光譜③.N→R躍遷：σ電子逐級(jí)躍遷到各高能級(jí)，最后脫離分子，使分子成為分子粒子的躍遷。（光致電離）④.電荷遷移躍遷：當(dāng)分子形成配合物或分子內(nèi)的兩個(gè)大π體系相互接近時(shí)，外來輻射照射后，電荷可以由一部分轉(zhuǎn)移到另一部分，而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜。sp

*s*npE可見，有機(jī)化合物一般主要有4種類型的躍遷：n→π＊、π→π＊、n→σ＊和σ→σ＊。各種躍遷所對(duì)應(yīng)的能量大小為n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊2023/4/3有機(jī)化合物的紫外吸收光譜1010020030040050060070080012345

*

*

n*

n*

*

n遠(yuǎn)紫外光近紫外光可見光電荷遷移配位場(chǎng)lgel/nm電子躍遷所處的波長(zhǎng)范圍及強(qiáng)度2023/4/3有機(jī)化合物的紫外吸收光譜1．飽和烴飽和烴類分子中只含有鍵，因此只能產(chǎn)生*躍遷。當(dāng)飽和烷烴的分子中的氫被氧、氮、鹵素、硫等雜原子取代時(shí)，因有n電子存在，而產(chǎn)生n→σ＊躍遷，所需能量減小。吸收波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱之為紅移。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(jià)值不大。但是它們是測(cè)定紫外和（或）可見吸收光譜（200～1000nm）的良好溶劑。2．不飽和脂肪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。

含有不飽和鍵的基團(tuán)稱為生色團(tuán)。

2023/4/3不飽和脂肪烴Table9-3.常見生色團(tuán)的吸收峰2023/4/3不飽和脂肪烴乙酰苯紫外光譜圖：羰基雙鍵與苯環(huán)共扼，K帶強(qiáng)；苯的E2帶與K帶合并，紅移；取代基使B帶簡(jiǎn)化；氧上的孤對(duì)電子：R帶弱，躍遷禁阻。CCH3On→p*

;

R帶p

→p*

;

K帶2023/4/3有機(jī)化合物的紫外吸收光譜

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305苯六甲苯2723003．芳香烴苯：E1帶185nm,

=47000E2帶200204nm,=7900

苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的

→*躍遷特征吸收帶；B帶230-270nm

=200

→*與苯環(huán)振動(dòng)引起；含取代基時(shí)，B帶簡(jiǎn)化，紅移。

當(dāng)苯環(huán)上有取代基時(shí)，苯的三個(gè)特征譜帶都會(huì)發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶。2023/4/3苯環(huán)上助色基團(tuán)對(duì)吸收帶的影響2023/4/34．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(gè)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。有機(jī)化合物的紫外吸收光譜2023/4/3一﹑電荷轉(zhuǎn)移躍遷

指絡(luò)合物吸收了可見-紫外光后，電子從中心離子的某一軌道躍遷到配位體的某一軌道，或從配位體的某一軌道躍遷到與中心離子的某一軌道。所產(chǎn)生的吸收光譜稱為電荷遷移吸收光譜。一般可表示為：Mn+-Lb-M(n+1)+-L(b+1)-(hν)第三節(jié)無機(jī)化合物的紫外吸收光譜[Fe3+CNS-]2+h[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體金屬配合物的電荷轉(zhuǎn)移吸收光譜，有三種類型：1.電子從配體到金屬離子；2.電子從金屬離子到配體；2023/4/33.電子從金屬到金屬配合物中含有兩種不同氧化態(tài)的金屬時(shí)，電子可在其間轉(zhuǎn)移，這類配合物有很深的顏色，如普魯士藍(lán)KFe[Fe(CN)6],硅（磷、砷）鉬藍(lán)H8[SiMo2O5(Mo2O7)5]等。過度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。如，F(xiàn)e2+--1，10鄰二氮菲及Cu+--1，10鄰二氮菲配合物。又如，F(xiàn)e3+OH-

Fe2+HO(hν)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。電荷遷移吸收光譜出現(xiàn)的波長(zhǎng)位置，取決于電子給予體和電子接受體相應(yīng)電子軌道的能量差。吸收光譜ε一般在103~104之間，其波長(zhǎng)通常處于紫外區(qū)。電荷轉(zhuǎn)移躍遷2023/4/3第四節(jié)溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響1．有些溶劑特別是極性溶劑可能會(huì)影響溶質(zhì)的最大吸收波長(zhǎng)非極性極性n

n

p

n<p

n

p

非極性極性n>pn→*躍遷：蘭移；；

→*躍遷：紅移；；

可見，當(dāng)溶劑的極性增大時(shí)，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。

2023/4/3溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響

max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)230238237243n3293153093051：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

例1.Table9-5.溶劑對(duì)異丙叉丙酮紫外吸收光譜的影響例2.

苯酰丙酮非極性→極性n→*躍遷：蘭移；；

→*躍遷：紅移；；2023/4/3溶劑對(duì)紫外吸收光譜的影響2．溶劑的極性可能會(huì)影響溶質(zhì)吸收帶的強(qiáng)度及形狀

Fig.9-7是苯酚在庚烷和乙醇中的紫外圖譜。

極性溶劑B帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失

選擇溶劑時(shí)注意下列幾點(diǎn)：①．溶劑應(yīng)能很好地溶解被測(cè)試樣，溶劑對(duì)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。②．在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑。③．溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。

各種溶劑的使用最低波長(zhǎng)極限見Table9-6(P278)2023/4/3

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(zhǎng)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.出射狹縫紫外-可見分光光度計(jì)2023/4/3紫外-可見分光光度計(jì)3．吸收池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(cè)器利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)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2023/4/3紫外-可見分光光度計(jì)二、紫外-可見分光光度計(jì)的類型1.單光束

簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)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(cè)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?？上庠床环€(wěn)定、檢測(cè)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。2023/4/33.雙波長(zhǎng)將不同波長(zhǎng)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(cè)器。最后由顯示器顯示出兩個(gè)波長(zhǎng)處的吸光度差值ΔA(ΔA=A1-A2)。對(duì)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(zhǎng)分光光度法，往往能提高方法的靈敏度和選擇性。無需參比池。當(dāng)△=1～2nm，兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。紫外-可見分光光度計(jì)2023/4/3三、分光光度計(jì)的校正紫外-可見分光光度計(jì)光路圖2023/4/3儀器

紫外-可見分光光度計(jì)2023/4/3第五節(jié)紫外吸收光譜的應(yīng)用一、定性分析主要應(yīng)用:有機(jī)和化合物的定性分析和結(jié)構(gòu)分析。依據(jù)：吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目和位置及相應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)，而最大吸收波長(zhǎng)及相應(yīng)的是定性分析的最主要參數(shù)。1.比較吸收光譜曲線法在相同的測(cè)量條件下，測(cè)定和比較未知物與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜曲線，如果兩者的光譜完全一致，則可以初步認(rèn)為它們是同一化合物。為了能使分析更準(zhǔn)確可靠，要注意如下幾點(diǎn)：a.盡量保持光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)。b.吸收光譜采用lgA對(duì)λ作圖。c.往往還需要用其它方法進(jìn)行證實(shí)，如紅外光譜等。2023/4/3定性分析②.標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較法利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖或光譜數(shù)據(jù)比較。常用的標(biāo)準(zhǔn)譜圖有以下表中的四種：[1]SadtlerStandardSpectra(Ultraviolet),Heyden,London,1978.薩特勒標(biāo)準(zhǔn)圖譜庫(kù)，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：“HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraaofOrganicCompounds.”,NewYork,Plenum,1967。[4]“OrganicElectronicSpectralData”。③.計(jì)算不飽和有機(jī)化合物最大吸收波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則2023/4/3紫外吸收光譜的應(yīng)用二、有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷1.推測(cè)化合物所含的官能團(tuán)如果一個(gè)化合物在220～800nm分為內(nèi)無吸收峰，它可能是酯肪族碳?xì)浠衔?、胺、醇、羧酸、氯代烴和氟代烴，不含雙鍵或共軛體系，沒有醛、酮或溴、碘等基團(tuán)。如果在210~250nm有強(qiáng)吸收峰（ε104），表明含有兩個(gè)雙鍵的共軛體系（K帶）。如1,3-丁二烯，λmax為217nm，εmax為21,000；共軛二烯：K帶（230nm）；不飽和醛酮：K帶230nm。若260～350nm區(qū)域有很強(qiáng)的吸收帶，則可能有3~5個(gè)雙鍵的共軛體系，如癸五烯有五個(gè)共軛雙鍵，λmax為335nm，εmax為118,000。

R帶310~330nm2023/4/3推測(cè)化合物所含的官能團(tuán)250~300nm有中等強(qiáng)度的吸收峰（ε=200~2000），芳環(huán)的特征吸收（具有精細(xì)解構(gòu)的B帶）。(在184nm附近有強(qiáng)吸收帶(E1帶)，在204nm附近有中強(qiáng)吸收帶(E2帶)，在260nm附近有弱吸收帶且有精細(xì)結(jié)構(gòu)(B帶)，是苯環(huán)的特征吸收，等等)。如在270～300nm處有弱的吸收帶，且隨溶劑極性增大而發(fā)生藍(lán)移，就是羰基n－π*躍遷所產(chǎn)生R吸收帶的有力證據(jù)。共軛體系會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的K吸收帶，通過繪制吸收光譜，可以判斷化合物是否存在共軛體系或共軛的程度。

2023/4/3有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)的推斷2.異構(gòu)體的判斷①.順反異構(gòu)體的判斷肉桂酸

(順)

λmax＝280nm

(反)max＝295nm

εmax=13500

εmax=270001,2-二苯乙烯順：λmax=280nm；εmax=10500反：λmax=295.5nm；εmax=29000（空間位阻，影響共平面）2023/4/3異構(gòu)體的判斷②.互變異構(gòu)體的判斷乙酰乙酸乙酯互變異構(gòu)

酮式：λmax=204nm；無共軛烯醇式：λmax=243nm在水中，形成氫鍵。酮式異構(gòu)體占優(yōu)勢(shì)在乙烷中，形成分子內(nèi)的氫鍵，烯醇式異構(gòu)體比率上升2023/4/3紫外吸收光譜的應(yīng)用三、純度檢查1．如果一個(gè)化合物在紫外區(qū)沒有吸收峰，