第五章 紫外可見吸收光譜法

第五章紫外可見吸收光譜法第一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.定義

紫外可見吸收光譜法：根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對(duì)紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收來(lái)研究物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)的方法，包括比色分析法與分光光度法。比色分析法：比較有色溶液深淺來(lái)確定物質(zhì)含量的方法，屬于可見吸收光度法的的范疇。分光光度法：使用分光光度計(jì)進(jìn)行吸收光譜分析的方法。第二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五紫外可見波長(zhǎng)范圍：遠(yuǎn)紫外光區(qū)：10-200nm；近紫外光區(qū)：200-400nm；可見光區(qū)：400-780nm。紫外可見吸收光譜法特點(diǎn)：儀器較簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜；分析操作簡(jiǎn)單；分析速度較快；靈敏度高應(yīng)用廣泛第三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五紫外可見吸收光譜：分子價(jià)電子能級(jí)躍遷（伴隨著振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷）。2.紫外可見吸收光譜的產(chǎn)生

由于O2、N2、CO2、H2O等在真空紫外區(qū)(60-200nm)均有吸收，測(cè)定這一范圍光譜時(shí)須將光學(xué)系統(tǒng)抽真空并充充入惰性氣體。所以真空紫外分光光度計(jì)非常昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。通常所說(shuō)的紫外-可見分光光度法，實(shí)際上是指近紫外-可見分光光度法(200-780nm)

。

第四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)；原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)；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)。三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er。2.1電子躍遷與分子吸收光譜第五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量差：0.005~0.05eV，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）；振動(dòng)能級(jí)的能量差：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）；電子能級(jí)的能量差較大，約為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)。分子的各能級(jí)：第六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五能級(jí)躍遷：

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（帶狀光譜）。第七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五電子躍遷可以從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)的任一振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)上。故電子能級(jí)躍遷產(chǎn)生的吸收光譜包含了大量譜線，并由于這些譜線的重疊而成為連續(xù)的吸收帶。絕大多數(shù)的分子光譜分析，都是用液體樣品，加之儀器的分辨率有限，因而使記錄所得電子光譜的譜帶變寬。帶狀分子吸收光譜產(chǎn)生的原因：第八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)一束光照射到物質(zhì)上時(shí)，光與物質(zhì)發(fā)生相互作用，于是產(chǎn)生反射、散射、吸收、透射。3.物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收第九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五當(dāng)一束光照射到某物質(zhì)或其溶液時(shí)，組成該物質(zhì)的分子、原子或離子與光子發(fā)生“碰撞”。光子的能量被分子、原子所吸收，由最低能態(tài)（基態(tài)）躍遷到較高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）。光的吸收：×××√第十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五分子、原子或離子具有不連續(xù)的量子化能級(jí)僅當(dāng)光子能量與被照物質(zhì)基態(tài)和激發(fā)態(tài)能量之差相等時(shí)才能發(fā)生吸收不同的物質(zhì)由于其結(jié)構(gòu)不同而具有不同的量子化能級(jí)，其能量差也不相同，物質(zhì)對(duì)光的吸收具有選擇性物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收吸收曲線第十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五吸收曲線：

將不同波長(zhǎng)的光透過某一固定濃度待測(cè)溶液，測(cè)量每一波長(zhǎng)下溶液對(duì)光的吸收程度，以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)作圖，即可得到吸收曲線（吸收光譜）。

描述了物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力。第十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五關(guān)于吸收曲線：同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為最大吸收波長(zhǎng)λmax;不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax不同;第十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五吸收光譜的波長(zhǎng)分布：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)；吸收譜線強(qiáng)度A與該物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)成正比，即與該物質(zhì)的濃度C成正比，這是定量分析的依據(jù)。第十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。第十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五章

紫外可見吸收光譜法1.電子躍遷類型2.立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的影響3.溶劑的影響-溶劑極性對(duì)吸收光譜的影響4.生色團(tuán)與助色團(tuán)5.紅移與藍(lán)移-增色與減色第二節(jié)紫外吸收光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系第十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五有機(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。分子軌道理論：成鍵軌道-反鍵軌道當(dāng)外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)（成鍵軌道）向激發(fā)態(tài)（反鍵軌道）躍遷。主要有四種躍遷，所需能量ΔE大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s*npEnps1.電子躍遷類型COHH第十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.1σ→σ＊躍遷所需能量最大；σ電子只有吸收遠(yuǎn)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(yuǎn)紫外區(qū)；吸收波長(zhǎng)λ<200nm；sp*s*npE例：甲烷的λmax為125nm,乙烷λmax為135nm。只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到；故可作為溶劑使用。第十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.2n→σ＊躍遷所需能量較大；吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)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→σ*躍遷（R帶）。

sp

*s*np第十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.3π→π＊躍遷所需能量較小；吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)；εmax一般在104

L·mol-1·cm-1以上，屬于強(qiáng)吸收。

1.4n*躍遷

這類躍遷發(fā)生在近紫外光區(qū),一般在200-400nm

。含有雜原子的雙鍵不飽和有機(jī)化合物能發(fā)生這種躍遷。sp

*s*np第二十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

[C=C是發(fā)色基團(tuán)]助色基團(tuán)取代，

*躍遷（K帶)將發(fā)生紅移I.不飽和烯烴π→π*躍遷乙烯π→π*躍遷的λmax為162nm，εmax為:1×104.（K帶--非封閉體系的π→π*躍遷）第二十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五II.共軛烯烴中的→*165nm217nm

3

12

4

第二十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五III.羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基團(tuán)K帶紅移，R帶蘭移；K

K

R

R

n

n

165nm

n

③,-不飽和醛酮K帶紅移：165250nmR

帶紅移：290310nm

第二十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五IV.芳香烴及其雜環(huán)化合物E1帶：180184nm，=47000E2帶：200204nm，=7000B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。第二十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五乙酰苯紫外光譜圖：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。CCH3On→p*，R帶p→p*，K帶第二十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.立體結(jié)構(gòu)和互變結(jié)構(gòu)的影響順反異構(gòu)：順式：λmax=280nm；εmax=10500互變異構(gòu)：酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm反式：λmax=295.5nm；εmax=29000第二十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.溶劑極性對(duì)吸收光譜的影響1-乙醚為溶劑2-水為溶劑12250300苯酰丙酮

第二十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.1對(duì)最大吸收波長(zhǎng)λmax的影響→*躍遷基團(tuán)，大多數(shù)激發(fā)態(tài)的極性比基態(tài)強(qiáng)，因而溶劑極性增大后，溶劑化作用使激發(fā)態(tài)能量降低的程度大，從而使基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量差減小，吸收峰紅移，εmax下降；n→*躍遷基團(tuán)，基態(tài)時(shí)n電子會(huì)與極性溶劑（如水或乙醇等）形成氫鍵，使n軌道的能量降低一個(gè)氫鍵的能量值，相比之下激發(fā)態(tài)能量降低較小，因而隨溶劑極性增大，吸收峰藍(lán)移，εmax升高。第二十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.2對(duì)精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失第二十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五溶劑本身有紫外吸收，選用溶劑時(shí)須注意其最低波長(zhǎng)極限：第三十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.3溶劑選擇的原則比較未知物與已知物的吸收光譜時(shí)，必須采用相同的溶劑；應(yīng)竟可能地使用非極性溶劑，以便獲得物質(zhì)吸收光譜的特征精細(xì)結(jié)構(gòu)；所選溶劑在需要測(cè)定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)吸收或吸收很小。第三十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.生色團(tuán)與助色團(tuán)生色團(tuán)：

最有用的紫外-可見光譜是由π→π＊和n→π＊躍遷產(chǎn)生的。這兩種躍遷均要求有機(jī)物分子中含有不飽和基團(tuán)。這類含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱為生色團(tuán)。簡(jiǎn)單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成。助色團(tuán)：有一些含有n電子的基團(tuán)(如-OH、-OR、-NH２、-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(zhǎng)向長(zhǎng)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)。第三十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.紅移與藍(lán)移、增色與減色λmax向長(zhǎng)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)。第三十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二章

紫外可見吸收光譜法1.基本組成2.紫外-可見分光光度計(jì)類型第三節(jié)紫外-可見分光光度計(jì)第三十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.基本組成光源單色器樣品室檢測(cè)器顯示1.1光源可見光區(qū)：鎢燈。其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射180～375nm的連續(xù)光譜要求：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(zhǎng)的使用壽命。第三十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.2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)。入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；準(zhǔn)直鏡：透鏡或返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；聚焦透鏡：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫；出射狹縫第三十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

光學(xué)系統(tǒng)的核心部分，起分光的作用。其性能直接影響入射光的單色性，影響測(cè)定靈敏度、選擇性及校準(zhǔn)曲線的線性關(guān)系等。色散元件：棱鏡：依據(jù)不同波長(zhǎng)光通過棱鏡時(shí)折射率不同而將不同波長(zhǎng)的光分開，缺點(diǎn)是波長(zhǎng)分布不均勻，分辨能力較低。光柵：利用光的衍射與干涉作用制成，它可用于紫外、可見及紅外光域，而且在整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有幾乎均勻一致的高分辨能力。它具有色散波長(zhǎng)范圍寬、分辨本領(lǐng)高、成本低、便于保存和易于制備等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是各級(jí)光譜會(huì)重疊而產(chǎn)生干擾。第三十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.3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。第四十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五檢流計(jì)、微安表，電位計(jì)、數(shù)字電壓表、記錄儀、示波器及計(jì)算機(jī)等進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理1.4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。1.5結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)第四十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.分光光度計(jì)的類型簡(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。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。2.1單光束型2.2雙光束型第四十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五*單波長(zhǎng)單光束分光光度計(jì)0.575光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示第四十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五*單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)

參比池差值ΔA光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示光束分裂器第四十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.3雙波長(zhǎng)型通過波長(zhǎng)選擇可方便地校正背景吸收：消除吸收光譜重疊的干擾，適合于混濁液和多組分化合物分析；只使用一個(gè)吸收池：參比溶液即被測(cè)溶液，避免了單波長(zhǎng)法中因被測(cè)溶液與參比溶液在組成、均勻性上的差異及兩個(gè)吸收池之間的差異所引入的誤差。第四十五頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光路圖：第四十六頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五光路圖：第四十七頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二章

紫外可見吸收光譜法1.定性分析2.定量分析3.純度檢查4.結(jié)構(gòu)輔助解析第四節(jié)紫外-可見分光吸收光譜法的應(yīng)用第四十八頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五有機(jī)化合物紫外吸收光譜：反映結(jié)構(gòu)中生色團(tuán)和助色團(tuán)的特性，可作為定性依據(jù)，但不完全反映分子特性；計(jì)算吸收峰波長(zhǎng)，可以確定共扼體系；標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)：46000種化合物紫外光譜的標(biāo)準(zhǔn)譜圖。1.定性分析紫外光譜相同，兩種化合物有時(shí)不一定相同，只有當(dāng)max

，max都相同時(shí)，可認(rèn)為兩者是同一物質(zhì)。某些國(guó)家將數(shù)百種藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長(zhǎng)和吸收系數(shù)載入藥典，作為定性定量依據(jù)；第四十九頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.定量分析定量依據(jù)：朗伯-比耳定律，吸光度A=bc靈敏度高：max在104～105之間（比紅外大）測(cè)量誤差與吸光度讀數(shù)有關(guān)：A=0.434時(shí)讀數(shù)相對(duì)誤差最??；吸光度在0.2-0.8之間，誤差較小，測(cè)定較準(zhǔn)確。比較法標(biāo)準(zhǔn)曲線法雙波長(zhǎng)分光光度法第五十頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十一頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.純度檢查如果一化合物在紫外區(qū)沒有吸收，而其中的雜質(zhì)有較強(qiáng)吸收，就可以方便地檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。甲醇或乙醇中雜質(zhì)苯：可利用苯在256nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長(zhǎng)處幾乎沒有吸收；四氯化碳中二硫化碳雜質(zhì)：可觀察318nm處有無(wú)二硫化碳的吸收峰即可。第五十二頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十三頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)輔助解析200-400nm無(wú)吸收峰：飽和化合物或單烯化合物220-280nm無(wú)吸收峰：化合物中不含苯環(huán)、共軛雙鍵、醛基、酮基、溴和碘210-250nm有強(qiáng)吸收峰(ε≥104)：表明含有一個(gè)共軛體系(K帶)。共軛二烯：K帶230nm；-不飽和醛酮：K帶230nm，R帶310-330nm可獲得的結(jié)構(gòu)信息：第五十四頁(yè)，共五十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五250-300nm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)，化合物含芳環(huán)270-300nm有隨溶劑極性增大向短波方向移動(dòng)的弱吸收帶：化合物中有羥基基團(tuán)270-350nm有弱吸收峰(ε=10-100)：醛酮n→π*