第九章 紫外可見(jiàn)光譜法

第九章紫外吸收光譜分析

(UltravioletSpectrophotometry)9.1紫外可見(jiàn)吸收光譜原理9.2紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)9.3紫外可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用本章重點(diǎn)紫外吸收光譜的基本原理光吸收基本定律影響紫外吸收光譜的因素紫外吸收光譜儀的結(jié)構(gòu)紫外可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用波譜區(qū)-射線波長(zhǎng)5~140pm躍遷類型核能級(jí)X-射線遠(yuǎn)紫外光10-3~10nm10~200nm原子內(nèi)層電子近紫外光可見(jiàn)光200~400nm400~750nm原子外層電子/分子成鍵電子UV-Vis紫外可見(jiàn)吸收光譜法是基于物質(zhì)對(duì)200～750nm光譜區(qū)輻射的吸收特性建立起來(lái)的分析測(cè)定方法。紫外吸收光譜法的基本特點(diǎn)：1.靈敏度高。檢出限低（10-7～10-4gml-1）。2.準(zhǔn)確度較高。3.儀器價(jià)格便宜，操作簡(jiǎn)單。4.應(yīng)用范圍廣。主要應(yīng)用于共軛體系及芳香族化合物的分析。光譜圖比較簡(jiǎn)單，峰形較寬。一般來(lái)說(shuō)，利用紫外吸收光譜進(jìn)行定性分析信號(hào)較少。常用于共軛體系的定量分析。在分子中存在著電子的運(yùn)動(dòng)，以及組成分子的各原子間的振動(dòng)和整個(gè)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子的總能量等于這三種運(yùn)動(dòng)能量之和：E分子=E電子+E振動(dòng)+E轉(zhuǎn)動(dòng)1．分子吸收光譜的產(chǎn)生9.1紫外-可見(jiàn)吸收光譜這三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)。其中電子能級(jí)的間距最大，振動(dòng)能級(jí)次之，轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的間距最小。當(dāng)用光照射分子時(shí)，若光的能量等于分子某兩個(gè)能級(jí)的能量差，分子由較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)上，產(chǎn)生吸收。分子就要選擇性的吸收某些波長(zhǎng)（頻率）的光。紫外-可見(jiàn)光譜的產(chǎn)生是由外層價(jià)電子能級(jí)躍遷所致，其能級(jí)差的大小決定了:

（1）吸收峰的強(qiáng)度

（2）吸收峰的數(shù)目

（3）吸收峰的位置

（4）吸收峰的形狀

分子吸收光譜類型有：遠(yuǎn)紅外光譜、紅外光譜及紫外-可見(jiàn)光譜三類。每一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同。當(dāng)各種不同波長(zhǎng)的光分別通過(guò)被測(cè)物質(zhì)，分別測(cè)定物質(zhì)的吸收程度。以波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸收程度A為縱坐標(biāo)作圖所得曲線叫吸收光譜又稱吸收曲線。

2.吸收光譜紫外-可見(jiàn)吸收光譜中包含分子的化學(xué)鍵信息。其吸收峰的位置與分子中特定的功能基團(tuán)密切相關(guān)，是有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)配位化合物、生物分子的有效定性、定量分析手段。

最大吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱為λmax，相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)為εmax。曲線中的谷稱為吸收谷或最小吸收(λmin),有時(shí)在曲線中還可看到肩峰（sh）。

3．吸收曲線的特點(diǎn)

由于每個(gè)電子能級(jí)上耦合有許多的振-轉(zhuǎn)能級(jí)，所以吸收光譜具有“帶狀吸收”的特點(diǎn)。

1）不同的物質(zhì)，吸收曲線的形狀不同，最大吸收波長(zhǎng)λmax不同。2）對(duì)同一物質(zhì)，其濃度不同時(shí)，吸收曲線形狀和最大吸收波長(zhǎng)不變，只是吸收程度要發(fā)生變化，表現(xiàn)在曲線上就是曲線的高低發(fā)生變化。

3）吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù),測(cè)定最靈敏。4）吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。通常將在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)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.原子吸收產(chǎn)生的特征頻率少，光譜比分子吸收光譜簡(jiǎn)單。原子吸收光譜是線光譜，分子吸收光譜為連續(xù)光譜。Didyounoticethat??原子吸收和分子吸收光譜的區(qū)別？三種主要價(jià)電子：σ電子→飽和的σ鍵π電子→不飽和的π鍵n電子→未參與成鍵的孤對(duì)電子分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道。它們的能級(jí)高低為：σ<π<n<π*<σ*9.1.1有機(jī)化合物的紫外吸收光譜*n*n***n*

**可以產(chǎn)生六種電子躍遷：σ→σ*、σ→π*、π→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*。1、電子的躍遷類型VacuumultravioleradianNearultravioleradiationVisiblelight

→*π→π*n→*n→π*n→π*Chargetransferλ/nmWavelengthregionandintensityofCommonelectronictransitionsσ→σ*～150nmn→σ*

～200nmπ→π*～200nm(孤立雙鍵)n→π*～300nm躍遷能量大?。簄→σ*>π→π*>

n→π*σ→σ*、σ→π*、π→σ*躍遷所需的能量較大，其相應(yīng)的吸收光譜<200nm,一般的儀器難以測(cè)量。紫外-可見(jiàn)吸收光譜分析中，有機(jī)化合物的吸收光譜主要由π→π*、n→σ*、n→π*及電荷轉(zhuǎn)移躍遷產(chǎn)生。

1.n→σ*躍遷

由含氧，氮，硫，鹵素等雜原子飽和基團(tuán)（—OH，—NH2,—SH，—X等）化合物產(chǎn)生。摩爾吸光系數(shù)較小，λ150~250nm（遠(yuǎn)、近紫外區(qū)）。2.π→π*躍遷

不飽和基團(tuán)（-C=C-，-C=O），摩爾吸光系數(shù)較大（≥104Lmol-1cm-1)，λ~200nm(近紫外區(qū)）。-*和n-*躍遷的能量小，相應(yīng)波長(zhǎng)出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見(jiàn)光區(qū)，對(duì)光的吸收強(qiáng)烈，是我們的研究重點(diǎn)。含雜原子不飽和基團(tuán)（-C=O，-C=S，-N=N-，-C≡N，-N=O）產(chǎn)生。能量最小，摩爾吸光系數(shù)較?。?lt;100Lmol-1cm-1)。λ200-400nm（近紫外區(qū)甚至可見(jiàn)光區(qū)）。3.n→π*躍遷電荷轉(zhuǎn)移躍遷見(jiàn)P235。

9.1.2無(wú)機(jī)化合物的紫外吸收光譜9.1.2.1電荷遷移躍遷Mn++Lb-

M(n-1)+—L(b+1)-h{Fe3+—SCN-]2+[Fe2+—SCN]2+h9.1.2.2

配位場(chǎng)躍遷（d-d躍遷，f-f躍遷）中心離子為電子受體，配體是電子給體。

9.1.3常用術(shù)語(yǔ)與譜帶分類9.1.3.1生色團(tuán)

能吸收紫外-可見(jiàn)光的基團(tuán)叫生色團(tuán)。對(duì)有機(jī)化合物：主要為具有不飽和鍵和未成對(duì)電子的基團(tuán)。例：

注：當(dāng)分子中出現(xiàn)幾個(gè)發(fā)色團(tuán)，它們不共軛，吸收光譜由這些的發(fā)色團(tuán)吸收帶組成；如果共軛則幾個(gè)發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波長(zhǎng)將比單個(gè)發(fā)色團(tuán)的吸收波長(zhǎng)長(zhǎng)，強(qiáng)度也增強(qiáng)。常見(jiàn)生色團(tuán)的吸光特性見(jiàn)表9-1。9.1.3.2助色團(tuán)本身無(wú)紫外吸收，但可以使生色團(tuán)吸收峰加強(qiáng)同時(shí)使吸收峰紅移的基團(tuán)。對(duì)有機(jī)化合物主要為連有雜原子的飽和基團(tuán)。例：—OH，—OR，—NH2，—NR2，—X等。常見(jiàn)助色團(tuán)的助色順序：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-N(CH3)2<-NHC6H5<-O-

9.1.3.3

紅移和藍(lán)移

由于化合物結(jié)構(gòu)變化（共軛、引入助色團(tuán)取代基）或采用不同溶劑后吸收峰位置會(huì)移動(dòng)。向長(zhǎng)波方向移動(dòng)叫紅移；向短波方向移動(dòng)叫藍(lán)移。9.1.3.4

增色效應(yīng)和減色效應(yīng)

增色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度（摩爾吸光系數(shù)）增強(qiáng)。減色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度減小的效應(yīng)。9.1.3.5

強(qiáng)帶和弱帶

εmax>105→強(qiáng)帶εmax<103→弱帶(1)R帶[來(lái)自德文Radikalartig(基團(tuán))]由n-*躍遷引起,或者說(shuō)由帶孤對(duì)電子的發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生。特點(diǎn)：①λmax200~400nm，吸收強(qiáng)度弱,εmax＜100；②溶劑極性↑時(shí)，λmax發(fā)生藍(lán)移。吸收帶分類

(2)K帶[來(lái)自德文Konjugierte(共軛)]由共軛體系的π-*躍遷引起。共軛雙烯、α,β－不飽和醛/酮、芳香族醛/酮以及被發(fā)色團(tuán)取代的苯（如苯乙烯）等，都有K帶吸收。K帶是最重要的UV吸收帶之一，應(yīng)用最多。特點(diǎn)：①λmax210－270nm，吸收很強(qiáng)，εmax＞10000；②溶劑極性↑，λmax不變(雙烯)或發(fā)生紅移(烯酮)。3）B帶—德文Benzienoid(苯系)由苯環(huán)的-*躍遷引起，是芳香族化合物的特征吸收。特點(diǎn)：＊寬峰，有精細(xì)結(jié)構(gòu)(苯的B帶在230－270nm，中心在256nm左右)；但是在極性溶劑中精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)消失。＊εmax偏低：250＜ε＜3000(苯為215)。4）E帶-Ethylenic(乙烯型)

芳香族化合物的特征吸收。分為E1和E2兩個(gè)吸收帶：E1帶：由苯環(huán)乙烯鍵電子*躍遷產(chǎn)生，吸收峰在184nm，lg＞4。E1帶特強(qiáng)，無(wú)精細(xì)結(jié)構(gòu)。E2帶：由苯環(huán)共軛二烯鍵電子*躍遷產(chǎn)生，吸收峰在204nm，lg=4（約為7900）,中等強(qiáng)度。有不清晰的精細(xì)結(jié)構(gòu)。苯環(huán)最重要的吸收帶是B帶，雖然強(qiáng)度不高但具有精細(xì)結(jié)構(gòu)很典型，是苯最重要的吸收帶，又稱苯型帶。E1帶：

*184nm(＞10000)E2帶：

*203nm(≈7400)B帶：

*254nm(≈200)識(shí)別上述幾種吸收帶，對(duì)推導(dǎo)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)有很大幫助。苯環(huán)上引入取代基并和苯環(huán)共軛時(shí)，E帶和B帶紅移，但E2一般不超過(guò)210nm。如果超過(guò)210nm，E帶將衍變?yōu)镵帶。

9.1.4.影響因素共軛效應(yīng)使得各能級(jí)間的能量差減小，吸收波長(zhǎng)紅移。吸光度也增強(qiáng)。9.1.4.1共軛效應(yīng)溶劑極性↑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。9.1.4.2溶劑效應(yīng)1.溶劑極性對(duì)光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響改變?nèi)軇┑臉O性，會(huì)引起吸收帶形狀、最大吸收波長(zhǎng)吸收強(qiáng)度及精細(xì)結(jié)構(gòu)（finestructure）發(fā)生變化。

2.溶劑極性對(duì)π-π*躍遷的影響

溶劑極性增大，λmax紅移；3.溶劑極性對(duì)n-π*躍遷的影響溶劑極性↑，λmax藍(lán)移；π→π*躍遷的吸收峰在下列哪種溶劑中測(cè)量，其最大吸收波長(zhǎng)最大？

（1）水

（2）甲醇

（3）乙醇

（4）正己烷★掌握溶劑極性對(duì)π-π*、n-π*兩種躍遷的影響及原因★會(huì)區(qū)分π-π*、n-π*躍遷的兩種吸收帶由于溶劑對(duì)電子光譜圖影響很大，因此，在吸收光譜圖上或數(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。在進(jìn)行紫外光譜法分析時(shí)，必須正確選擇溶劑。4.溶劑的選擇1.極性適當(dāng)；盡量選用非極性或低極性溶劑.2.溶解度好，溶液穩(wěn)定。3.純度高；4.溶劑在試樣的吸收光譜區(qū)無(wú)明顯吸收。截止波長(zhǎng)<λmax.詳見(jiàn)表9-3（a）苯酚的UV光譜圖（b）苯胺的UV光譜圖9.1.4.3pH的影響

如果化合物在不同pH下存在不同型體，其吸收峰位置會(huì)隨pH的改變而改變。9.2紫外及可見(jiàn)分光光度計(jì)9.2.1分光光度計(jì)的結(jié)構(gòu)A光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示器

熱輻射光源用于可見(jiàn)光區(qū)和近紅外區(qū)。如鎢燈、鹵鎢燈(碘鎢燈),可使用范圍320~2500nm。氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈、氘燈和氙燈（200~360nm）。另外，為了使光源發(fā)出的光在測(cè)量時(shí)穩(wěn)定，光源的供電一般都要用穩(wěn)壓電源，即加一個(gè)穩(wěn)壓器。1.光源

用于提供足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。常用光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。單色器包括狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件。能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光，其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的光波且波長(zhǎng)在紫外可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。2．單色器棱鏡有玻璃和石英兩種材料。玻璃可吸收紫外光，玻璃棱鏡只能用于350~3200nm的波長(zhǎng)范圍，即可見(jiàn)光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長(zhǎng)從185~4000nm，可用于紫外、可見(jiàn)和近紅外三個(gè)光域。光柵是利用光的衍射與干涉作用制成的，是光的衍射與干涉的總效果。它可用于紫外、可見(jiàn)及紅外光域，而且在整個(gè)波長(zhǎng)區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。棱鏡和光柵產(chǎn)生的光譜主要區(qū)別：（1）光柵光譜是均勻排列光譜，棱鏡光譜是非均勻排列光譜.（2）光柵光譜中各譜線排列是由紫到紅，棱鏡光譜中各譜線排列是由紅到紫。（3）光柵光譜有級(jí)，極與極之間有重疊現(xiàn)象，棱鏡光譜沒(méi)有這種現(xiàn)象。（4）光柵適用的范圍比棱鏡寬。

3．吸收池

玻璃—能吸收UV光，僅適用于可見(jiàn)光區(qū)石英—不吸收紫外光，適用于紫外和可見(jiàn)光區(qū)要求：匹配性（對(duì)光的吸收和反射應(yīng)一致）4．檢測(cè)器光電池光電管（紅敏和藍(lán)敏）光電倍增管二極管陣列檢測(cè)器光電管：是在抽成真空或充有惰性氣體的玻璃或石英泡內(nèi)裝上2個(gè)電極構(gòu)成；光電倍增管：是一個(gè)非常靈敏的光電器件，可以把微弱的光轉(zhuǎn)換成電流。它利用二次電子發(fā)射以放大光電流，放大倍數(shù)可達(dá)到108倍。

P2439.2.2.1.單光束型9.2.2儀器類型：特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。主要適用于定量分析，而不適用于定性分析。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，另外，結(jié)果受電源的波動(dòng)影響較大。要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。9.2.2.2

單波長(zhǎng)雙光束分光光度計(jì)比值光源單色器吸收池檢測(cè)器顯示光束分裂器自動(dòng)比較了透過(guò)參比溶液和樣品溶液的光的強(qiáng)度，它不受光源（電源）變化的影響。能進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，并自動(dòng)記錄各波長(zhǎng)下的吸光度，并很快得到試液的吸收光譜。能用于定性分析。特別適合結(jié)構(gòu)分析。雙光束分光光度計(jì)特點(diǎn)：光源單色器單色器檢測(cè)器切光器狹縫吸收池9.2.2.3雙光束雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)9.2.2.4多通道分光光度計(jì)

見(jiàn)教材。將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無(wú)需參比池?！?1～2nm。兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。2.光吸收基本定律Beer’slaw(ortheBeer-Lambertlaw)wheretheconcentrationc,isusuallygiveninMandthepathlengthofthesample,b,incm,εisthemolarabsorptivityandisgivenin

M-1cm-1A=abcAAxCxC當(dāng)吸光度在0.2～0.8之間時(shí)，測(cè)量誤差較小。當(dāng)T=0.368或A=0.434時(shí)，測(cè)量誤差最小。控制適當(dāng)?shù)奈舛确秶?9.3.1.1比較法定性鑒別的依據(jù)：

特征吸收光譜的形狀→吸收峰的數(shù)目→吸收峰的位置→吸收峰的強(qiáng)度(相應(yīng)的吸光系數(shù))。在相同的測(cè)定條件下，比較未知試樣與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜。9.3.1定性分析比較光譜時(shí),溶劑要相同.9.3紫外-可見(jiàn)光譜的應(yīng)用9.3.1.2最大吸收波長(zhǎng)計(jì)算法1.利用Woodward-Fieser經(jīng)驗(yàn)規(guī)（伍德沃德規(guī)則）求最大吸收波長(zhǎng)適用于共軛二烯、三烯、四烯及共軛烯酮類化合物的π-π*躍遷的最大吸收波長(zhǎng)的計(jì)算。方法：找到母體，得到其最大吸收基數(shù)，然后對(duì)連接在母體π電子體系上的取代基及其他結(jié)構(gòu)因素加以修正，即加上這些取代基的相應(yīng)的波長(zhǎng)數(shù)。延伸雙鍵30環(huán)外雙鍵5

共軛體系上取代烷基5OR6SR30Cl,Br5位移增量（nm）:1）共軛二烯最大吸收位置的計(jì)算母體：非環(huán)或異環(huán)二烯烴基準(zhǔn)值214nm同環(huán)二烯烴基準(zhǔn)值253nm注：如果化合物是同時(shí)具有兩種母體的二烯烴體系，則選擇波長(zhǎng)長(zhǎng)的作為母體，即選同環(huán)二烯烴，其基數(shù)取253nm。

基值

214四個(gè)烷基取代4520二個(gè)環(huán)外雙鍵2510計(jì)算值(max)244nm實(shí)測(cè)值(max)247nm例1（p250例二）

基值

214五個(gè)烷基取代5525二個(gè)環(huán)外雙鍵2510共軛雙鍵延長(zhǎng)13030計(jì)算值(max)279nm例2abbcdeABC2），不飽和酮最大吸收位置的計(jì)算值六元環(huán)或非環(huán)，不飽和酮基準(zhǔn)值215nm位移增量（nm）同環(huán)共軛雙鍵39環(huán)外雙鍵（C=C）5延伸雙鍵30具體見(jiàn)表9-5共軛體系上取代基α：10；β：12；γ位或更高位：18OCORαβγδ：6OHα：35；β：30；γ：50Clα：15：β：12Brα：25；β：30NR2β：952.Fieser-Kuhn經(jīng)驗(yàn)規(guī)則3.Scott經(jīng)驗(yàn)規(guī)則見(jiàn)教材251頁(yè)。不要求。9.3.2結(jié)構(gòu)分析光吸收定律：朗伯—比耳定律

當(dāng)強(qiáng)度為I0的一定波長(zhǎng)的單色入射光通過(guò)裝有均勻待測(cè)物的溶液介質(zhì)時(shí)，該光束將被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的則通過(guò)待測(cè)物溶液It。反射光強(qiáng)度與器皿及溶液性質(zhì)有關(guān)，在相同的測(cè)定條件下，可忽略不記：9.3.3定量分析

吸光物質(zhì)的吸光度正比于其濃度c：A=-lgT=Kbc

9.3.3.1單組分的測(cè)定

標(biāo)準(zhǔn)曲線法是應(yīng)用最多的一種方法。配制一系列不同含量的待測(cè)組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以不含待測(cè)組分的空白溶液為參比，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。繪制吸光度—濃度曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線（工作曲線）。然后在相同條件下測(cè)定試樣溶液的吸光度。由測(cè)得的吸光度在曲線上查得待測(cè)組分的濃度，最后計(jì)算得到試樣中待測(cè)組分的含量