UV紫外可見吸收光譜-結(jié)構(gòu)分析

1、課程名稱：實驗名稱：紫外可見吸收光譜法一結(jié)構(gòu)分析學(xué)院部門：報告人：同組人員：實驗時間：提交時間：a（阿而法）卩（貝塔）Y（伽馬）8（德爾塔）8（艾普西龍）8（截塔）8（艾塔）Z（西塔）n約塔）K（卡帕）I（蘭姆達(dá)）K（米尤）v（紐）E（可系）V（奧密克戎）n（派）p（若）Z（西格馬）I（套）U（英文或拉丁字母）K（斐）X（喜）屮（普西）（歐米伽）一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)并掌握紫外可見分光光度計的使用方法；2、了解并掌握不同的助色團(tuán)對苯的紫外吸收光譜的影響；3、了解并掌握溶劑極性對丁酮、三氯乙烯的紫外吸收光譜的影響；4、了解并掌握pH對苯酚的紫外吸收光譜的影響。二、實驗原理2.1 紫外吸收光譜產(chǎn)生的

2、基本原理及相關(guān)概念紫外吸收光譜是由于分子中價電子的躍遷而產(chǎn)生的。因此，這種吸收光譜決定于分子中價電子的分布和結(jié)合情況。按分子軌道理論，在有機化合物分子中有幾種不同性質(zhì)的價電子形成單鍵的電子稱為z鍵電子；形成雙鍵的電子稱為n鍵電子；氧、氮、硫、鹵素等含有未成鍵的孤對電子，稱為n電子。當(dāng)飽和單鍵碳?xì)浠衔镏械臍浔谎?、氮、硫、鹵素等雜原子取代時，由于這類原子中有n電子，n電子較z電子易于激發(fā)，使電子躍遷所需能量降低，吸收峰向長波長方向移動，這種現(xiàn)象稱為紅移，此時產(chǎn)生n-z*躍遷。這種能使吸收峰波長向長波方向移動的雜原子基團(tuán)稱為助色團(tuán)。芳香族化合物nn*躍遷在近紫外區(qū)產(chǎn)生3個特征吸收帶。苯的特征吸收帶

3、為184nm(E),204nm(E2),254nm(B)。E1帶、E2帶和B帶式苯環(huán)上三個共軛體系中的nn*躍遷產(chǎn)生的，E1帶和E2帶屬強吸收峰帶，在230270nm范圍內(nèi)的B帶屬弱吸收帶，其吸收峰常隨苯環(huán)上取代基的不同而發(fā)生位移。當(dāng)苯環(huán)上有助色基團(tuán)如一OH、一C1等取代基時，由于nn共軛，使E2吸收帶向長波長方向移動，但一般在210nm左右。同時，n一n共軛還能引起苯吸收的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。生色基團(tuán)為一類含有n鍵的不飽和基團(tuán)，在飽和碳?xì)浠衔锘虮江h(huán)上引入這些基團(tuán)后其最大吸收波長將移至紫外及可見區(qū)范圍內(nèi)，產(chǎn)生紅移效應(yīng)。2.2 影響化合物紫外吸收的因素2.2.1溶劑極性溶劑極性對紫外光譜的影響較復(fù)雜

4、，主要可分為兩類：對吸收強度和精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響。在非極性溶劑中，尚能觀察到振動躍遷的精細(xì)結(jié)構(gòu)。但若改為極性溶劑后，由于溶劑和溶質(zhì)的分子作用力增強，使譜帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)變得模糊，以致完全消失成為平滑的吸收譜帶。對最大吸收波長(I)的影響onz*和nn*躍遷的分子都含有非鍵的n電子，基態(tài)極性比激max發(fā)態(tài)大，因此基態(tài)能夠與溶劑之間產(chǎn)生較強的氫鍵，能量下降較大，而激發(fā)態(tài)能量下降較小故躍遷能量增加，吸收波長相短波方向移動，即發(fā)生藍(lán)移。而在nn*躍遷的情況下激發(fā)態(tài)的極性比基態(tài)強，溶劑使激發(fā)態(tài)的能級降低的比基態(tài)多，使nn*躍遷所需能量減小發(fā)生紅移。2.2.2 pH值在堿性條件下苯及某些其衍生物易形成鹽離子，鹽離

5、子帶負(fù)電荷對應(yīng)的雜原子上孤對電子增加則n電子較原化合物增多。n電子較易激發(fā)，因此所需躍遷能量降低，其對應(yīng)的3個吸收峰將發(fā)生紅移。反之，在酸性條件下，化合物形成正離子，雜原子上孤對電子與氫結(jié)合，n電子云密度降低，使躍遷所需能量增加，波長向短波方向移動。2.2.3 紫外可見分光光度計工作原理紫外可見分光光度法是利用物質(zhì)的分子或離子對某一波長范圍的光的吸收作用，對物質(zhì)進(jìn)行定性分析、定量分析及結(jié)構(gòu)分析,所依據(jù)的光譜是分子或離子吸收入射光中特定波長的光而產(chǎn)生的吸收光譜。按所吸收光的波長區(qū)域不同，分為紫外分光光度法和可見分光光度法，合稱為紫外可見分光光度法。紫外可見吸收光譜除主要可用于物質(zhì)的定量分析外，還

6、可以用于物質(zhì)的定性分析、純度鑒定、結(jié)構(gòu)分析。2.4分光光度計的結(jié)構(gòu)分光光度計的類型很多，最常用的是可見分光光度計和紫外可見光分光光度計。各種類型的分光光度計的結(jié)構(gòu)和原理基本相同，一般包括光源、單色器、比色杯、檢測器和顯示器五大部分。光源：光源指一種可以發(fā)射出供溶液或吸收物質(zhì)選擇性吸收的光。光源應(yīng)在一定光譜區(qū)域內(nèi)發(fā)射出連續(xù)光譜，并有足夠的強度和良好的穩(wěn)定性，在整個光譜區(qū)域內(nèi)光的強度不應(yīng)隨波長有明顯的變化。實際上許多光源的強度都隨波長變化而變化。為了解決這一問題，在分光光度計內(nèi)裝有光強度補償裝置，使不同波長下的光強度達(dá)到一致?？梢姽夥止夤舛扔嫵Ｓ霉庠词擎u燈，能發(fā)射出350nm2500nm波長范圍的

7、連續(xù)光譜，適用范圍是360nmlOOOnm?，F(xiàn)在常用光源是鹵鎢燈，其特點是發(fā)光效率大大提高，燈的使用壽命也大大延長。紫外光光度計常用氫燈作為光源，其發(fā)射波長的范圍為150nm400nm。因為玻璃吸收紫外光而石英不吸收紫外光，因而氫燈燈殼用石英制成。為了使光源穩(wěn)定，分光光度計均配有穩(wěn)壓裝置。單色器：將來自光源的復(fù)合光分散為單色光的裝置稱為分光系統(tǒng)或單色器。單色器可分成濾光片、棱鏡和光柵。濾光片能讓某一波長的光透過，而其它波長的光被吸收，濾光片可分成吸收濾光片、截止濾光片、復(fù)合濾光片和干涉濾光片。棱鏡是用玻璃或石英材料制成的一種分光裝置，其原理是利用光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時，光的波長不同在棱鏡

8、內(nèi)的傳播速度不同，其折射率不同而將不同波長的光分開，玻璃棱鏡色散能力大，分光性能好，能吸收紫外線而用于可見光分光光度計，石英棱鏡可用于可見光和紫外光分光光度計。光柵是分光光度計常用的一種分光裝置，其特點是波長范圍寬，可用于紫外、可見和近紅外光區(qū)，而且分光能力強，光譜中各譜線的寬度均勻一致。比色杯：比色杯又稱為吸收池或比色皿。比色杯常用無色透明、耐腐蝕和耐酸堿的玻璃或石英材料做成，用于盛放待比色溶液的一種裝置。玻璃比色杯用于可見光區(qū)，而石英比色杯用于紫外光區(qū)，比色杯的光徑0.110cm，般為lcm。同一臺分光光度計上的比色杯，其透光度應(yīng)一致，在同一波長和相同溶液下，比色杯間的透光度誤差應(yīng)小于0.

9、5%。使用時應(yīng)對比色杯進(jìn)行校準(zhǔn)。檢測器：檢測器是將透過溶液的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并將電信號放大的裝置。常用的檢測器為光電管和光電倍增管。顯示器：顯示器是將光電管或光電倍增管放大的電流通過儀表顯示出來的裝置。常用的顯示器有檢流計、微安表、記錄器和數(shù)字顯示器。檢流計和微安表可顯示透光度T/%）和吸光度（A/。）。數(shù)字顯示器可顯示T/%、A/。和濃度（C/moLL-1）。單色審齊申負(fù)電壓瞬控制電踣點燈液長變化RS-232串行通倍LED顯示三、儀器與試劑3.1 實驗儀器紫外可見分光光度計石英吸收池容量瓶日本島津UV-2501PC吸量管1cmX1cm10ml1mL，0.1mL3.2實驗試劑乙醇、氯仿（三

10、氯甲烷）、丁酮、三氯乙烯、正己烷（均為A.R）O.lmol/LHC1（鹽酸）0.1mol/LNaOH（燒堿、強堿）苯的正己烷溶液（以1：250比例混合而成）甲苯的正己烷溶液（以1：250比例混合而成）0.3mg/mL苯酚的乙醇溶液0.3518mg/mL苯酚的正己烷溶液0.4410mg/mL苯酚的水溶液0.8mg/mL苯甲酸的正己烷溶液0.8mg/mL苯甲酸的乙醇溶液0.3mg/mL苯乙酮的正己烷溶液0.2694mg/mL苯乙酮的乙醇溶液四、實驗步驟4.1 苯及其一取代物的吸收光譜的測繪在五只10mL容量瓶中分別加入l.OOmL苯、甲苯、苯乙酮、苯酚、苯甲酸的正己烷溶液,用正己烷稀釋至刻度，搖勻

11、。將他們依次裝入帶蓋的石英吸收池中，以正己烷為參比，從200400nm進(jìn)行波長掃描，得吸收光譜。觀察各吸收光譜的圖形，找出最大吸收波長Amax,并計算各取代基使苯的入max紅移了多少？4.2 溶劑性質(zhì)對紫外吸收光譜的影響4.2.1溶劑極性對nn*躍遷的影響在三只10mL的容量瓶中，各加入0.04mL（長嘴滴管1滴）的丁酮，分別用水、乙醇、氯仿稀釋至刻度，搖勻。將它們依次裝入石英吸收池，分別相對各自的溶劑，從200400nm進(jìn)行波長掃描，制得吸收光譜。比較它們吸收光譜的最大吸收波長的變化，并解釋。4.2.2溶劑極性對nfn*躍遷的影響在三只10mL的容量瓶中依次加入1滴三氯乙烯溶液，并分別用水、

12、乙醇、正己烷稀釋至刻度，搖勻。將它們依次裝入石英吸收池，相對各自的溶劑，從200400nm進(jìn)行波長掃描，制得吸收光譜。比較它們吸收光譜的最大吸收波長的變化，并解釋。4.2.3 溶劑極性對吸收峰吸收強度和形狀的影響在三只10mL的容量瓶中，分別加入1.00mL苯酚、苯乙酮、苯甲酸乙醇溶液，用乙醇稀釋至刻度，搖勻。將他們依次裝入帶蓋的石英吸收池中，依乙醇為參比，蟲00400nm進(jìn)行波長掃描，得吸收光譜。與苯酚、苯乙酮、苯甲酸的正己烷溶液的吸收光譜相比較，得出結(jié)論。4.3 溶液的酸堿性對苯酚吸收光譜的影響在兩只10mL的容量瓶中，各加入l.OOmL苯酚的水溶液，分別用O.lmol/LHC1、0.1m

13、ol/LNaOH溶液稀釋至刻度，搖勻。將它們依次裝入帶蓋的石英吸收池中，相對水，從200400nm進(jìn)行波長掃描，得吸收光譜。比較它們吸收光譜的最大吸收波長，并解釋。五、實驗結(jié)果分析5.1測試條件掃描范圍：200.00nm400.00nm。掃描速度：fast。步長：0.2nm。狹縫寬度：0.1nm。5.2實驗結(jié)果與分析5.2.1 苯及其一取代物的吸收光譜的測繪76532Wour5qo圳q12345甲苯正己烷溶祓200250300350400苯酚正己烷溶祓苯甲酸正己烷溶液苯乙銅正匚烷溶薇Wavelength(nm)圖1苯及其一取代物的紫外吸收光譜圖1所示為苯及其一取代物的紫外吸收光譜。在波長230

14、nm270nm之間可觀察到B吸收帶，B吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)程度隨樣品組成不同而改變。波長200nm230nm處為苯環(huán)E吸收帶，E1和E2吸收帶重疊較為嚴(yán)重，從譜圖中難以被分辨出。E吸收帶吸收強度明顯大于B吸收帶吸收帶，部分譜線儀器未能檢出。鑒于E吸收帶吸收峰不完整且譜線雜亂，選取各樣品B吸收帶進(jìn)行分析。各樣品B吸收帶最大吸收波長Imax值和精細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見表1。表1苯及其一取代物B吸收帶Imax值和精細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)編號樣品Imax(nm)精細(xì)結(jié)構(gòu)(峰個數(shù))1苯酚正己烷溶液27032苯甲酸正己烷溶液27423苯乙酮正己烷溶液27824苯正己烷溶液25465甲苯正己烷溶液2615生色基團(tuán)對苯最大吸收波長的影響

15、：對比表1中苯甲酸、苯乙酮與苯的最大吸收波長值發(fā)現(xiàn)，苯甲酸紅移20nm,苯乙酮紅移24nm。苯甲酸、苯乙酮分子中取代基一COOH和OCCH3均為生色基團(tuán)。在苯環(huán)上引入生色基團(tuán)后，共軛體系增長使苯環(huán)上電子云密度減小,躍遷所需能量降低，因此最大吸收波長向長波方向移動。精細(xì)結(jié)構(gòu)出峰數(shù)目對比結(jié)果顯示，生色基團(tuán)可使苯環(huán)B吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，精細(xì)結(jié)構(gòu)出峰數(shù)從6個減少為2個。助色基團(tuán)對苯最大吸收波長的影響：苯酚的Imax與苯相比紅移了16nm,甲苯則紅移了7nm。苯酚分子中的一OH和甲苯分子中的CH3均為助色基團(tuán)。助色基團(tuán)原子中含有的n電子較O易于激發(fā)，使電子躍遷所需能量降低吸收峰向長波方向移動。OH較一C

16、H3的n電子云密度更高，苯酚的紅移現(xiàn)象比甲苯更明顯。與此同時nn共軛使苯環(huán)上精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，所以苯酚精細(xì)結(jié)構(gòu)出峰數(shù)為3甲苯為5，均低于苯的精細(xì)結(jié)構(gòu)出峰數(shù)。5.2.2溶劑極性對nF*躍遷的影響4OUnq03qWavelength(nm圖2溶劑極性對丁酮n-n*躍遷的影響圖2為使用不同溶劑的丁酮溶劑紫外吸收光譜。圖中270nm前后可觀察到羰基nn*躍遷所產(chǎn)生的R吸收帶。隨溶劑的不同，R吸收帶入max有所變化，結(jié)果見表2。表2不同溶劑中丁酮R吸收帶Imax值編號樣品Imax(nm)1丁酮氯仿溶液2762丁酮水溶液2663丁酮乙醇溶液273n-n*躍遷的分子中含非鍵的n電子，其基態(tài)極性比激發(fā)太大，因此基

17、態(tài)分子能與溶劑之間產(chǎn)生較強氫鍵，能量下降較大。而激發(fā)態(tài)能量下降較小，因此在極性溶劑中最大吸收波長向短波方向移動，產(chǎn)生藍(lán)移。5.2.3溶劑極性對nn*躍遷的影響圖3為三氯乙烯與不同溶劑混合后的紫外吸收光譜圖。圖中200250nm處為nn*躍遷所產(chǎn)生的K吸收帶。由于樣品濃度過高，吸收峰超出儀器檢測限，使得K吸收帶吸收峰未能在圖中完全顯示出來，且峰形雜亂，重疊較嚴(yán)重。由于吸收峰未能在圖中顯示出，因此以峰起始位置的波長作比較，經(jīng)對比后發(fā)現(xiàn)三氯乙烯的正己烷溶液和乙醇溶液出峰位置基本不發(fā)生變化，其水溶液在相對低波長處出現(xiàn)吸收。圖3溶劑極性對三氯乙烯n-n躍遷的影響對于n-n*躍遷，激發(fā)態(tài)分子的極性比基態(tài)分

18、子強，溶劑與激發(fā)態(tài)分子間形成氫鍵所降低的能級比基態(tài)多，使得在極性溶劑中n-n*躍遷所需能量變小，吸收峰發(fā)生紅移。5.2.4 溶劑極性對吸收峰吸收強度和形狀的影響131 苯酚正己烷涪液5-2 苯甲酸正己烷濬液3 苯乙詡正己烷溶液Wavelength（nm）（a）正己烷作溶劑；（b）乙醇作溶劑圖4溶劑極性對吸收峰吸收強度和形狀的影響分別以正己烷和乙醇作溶劑，測定苯酚、苯甲酸、苯乙酮的紫外吸收光譜，實驗結(jié)果如圖4所示。表3為各測試樣品B吸收帶最大吸收波長處吸光度值和精細(xì)結(jié)構(gòu)出峰數(shù)目。表3溶劑極性對吸收峰吸收強度和形狀的影響編號正己烷溶劑乙醇溶劑樣品Imax處吸光度精細(xì)結(jié)構(gòu)（峰個數(shù)）樣品Imax處吸光

19、度精細(xì)結(jié)構(gòu)（峰個數(shù)）1苯酚正己烷0.29243苯酚乙醇0.581822苯甲酸正己烷0.61562苯甲酸乙醇0.549823苯乙酮正己烷0.18312苯乙酮乙醇0.22321由圖4和表3可得，溶劑極性增大后，苯環(huán)B吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失更為明顯。在極性溶劑中，溶劑和溶質(zhì)的分子作用力增強，使譜帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)變得模糊，以致完全消失成為平滑的吸收譜帶。同時由于溶劑本身有一定的吸收帶，如果和溶質(zhì)的吸收帶有重疊將改變?nèi)苜|(zhì)的峰吸收強度。上述兩個因素同時影響了溶質(zhì)的峰吸收強度和形狀。5.3溶液的酸堿性對苯酚吸收光譜的影響圖5溶液的酸堿性對苯酚吸收光譜的影響分別用O.lmol/L氫氧化鈉和O.lmol/L的HC1溶液

20、定容l.OOmL的苯酚水溶液，以水作參比進(jìn)行紫外光譜掃描，所得結(jié)果見圖5。圖中200250nm處為苯環(huán)E吸收帶，250300nm處為B吸收帶。由圖5可見，苯酚氫氧化鈉溶液E、B吸收帶最大吸收波長均大于苯酚鹽酸溶0-。/、宀、液。這是因為在堿性溶液中，苯酚以形式存在，使未成鍵n電子密度增大，由于n電子較容易激發(fā)因此最大吸收向長波方向移動。反之，在酸性溶液中，氧上的n電子質(zhì)子化，可使nn的吸收位置向短波方向移動。六、實驗討論61本實驗使用日本島津UV-2501PC型紫外可見分光光度計測定了一系列苯及其一取代物，不同溶劑中丁酮、三氯乙烯和的紫外吸收光譜，根據(jù)實驗結(jié)果分別探討了助色團(tuán)、生色團(tuán)，溶劑極性

21、和酸堿性對溶質(zhì)紫外吸收光譜的影響，并得出以下結(jié)論：(1) 生色團(tuán)和助色團(tuán)可使苯環(huán)上B吸收帶最大吸收波長發(fā)生紅移，同時使B吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。(2) 在極性溶劑中，n-n*躍遷所需能量增大，最大吸收波長向短波方向移動。(3) 溶劑極性增加，n一n*躍遷所需能量減小，最大吸收波長向長波方向移動發(fā)生紅移。(4) 溶劑極性可使苯環(huán)上B吸收帶精細(xì)結(jié)構(gòu)較少甚至消失，變成平滑的吸收峰。(5) 在堿性溶劑中，溶質(zhì)最大吸收波長發(fā)生紅移；反之在酸性溶劑中，溶質(zhì)最大吸收波長向短波方向移動。6.2綜合各實驗結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，本次實驗的測試結(jié)果誤差較大。大部分譜圖在波長250nm以下范圍內(nèi)吸收峰雜亂，且吸收強度超出儀器檢測范圍造