紫外-可見吸收光譜分析法

第六章

紫外-可見吸收光譜分析法第一節(jié)紫外-可見吸收光譜分析法基礎(chǔ)2023/2/2一、紫外-可見吸收光譜概述1.概述

紫外-可見分光光度法是利用物質(zhì)的分子對(duì)紫外-可見光譜區(qū)的輻射的吸收來進(jìn)行定性、定量及結(jié)構(gòu)分析的方法。

產(chǎn)生于價(jià)電子和分子軌道上的電子在電子能級(jí)間的躍遷。波長(zhǎng)范圍：100-800nm.

(1)遠(yuǎn)紫外光區(qū):

100-200nm；

(2)近紫外光區(qū):

200-400nm；

(3)可見光區(qū):

400-800nm。

廣泛用于有機(jī)和無機(jī)物質(zhì)的定性和定量分析。

2023/2/22.紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生當(dāng)分子吸收外界的輻射能量（電磁輻射）時(shí)，會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化，亦即發(fā)生能級(jí)的躍遷，其中含電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。

分子吸收光譜：用一連續(xù)波的電磁輻射以波長(zhǎng)大小順序分別照射分子，并記錄物質(zhì)分子對(duì)輻射吸收程度隨輻射波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線。紫外-可見光：紫外-可見吸收光譜。

2023/2/2電子能級(jí)躍遷的能量：1～20eV振動(dòng)能級(jí)躍遷的能量：

0.05～1eV轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的能量：

0.005～0.050eV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。1～20eV的能量相對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)是1230-62nm。2023/2/2二、紫外、可見吸收光譜1、吸收曲線特點(diǎn)連續(xù)的帶狀光譜原子光譜：線狀譜2023/2/2

定性分析：分子的紫外-可見光譜在宏觀上呈現(xiàn)帶狀，稱為帶狀光譜。吸收帶的峰值波長(zhǎng)為最大吸收波長(zhǎng)，常表示為λmax，各種化合物由于組成和結(jié)構(gòu)上的不同都有各自特征的紫外-可見吸收光譜，因此可以從吸收光譜的形狀、波峰的位置及強(qiáng)度、波峰的數(shù)目等進(jìn)行定性分析

。

定量分析：根據(jù)A可用來定量分析，A=-lgT=εbc。

2、紫外-可見吸收光譜的作用2023/2/23、Lambert-Beer定律2023/2/2ε:摩爾吸光系數(shù)

c單位為mol?L-1時(shí)，摩爾吸光系數(shù)ε(L?mol-1?cm-1)。l

:吸收光程（液層厚度），cm。c:吸光物質(zhì)濃度。2023/2/21)吸收物質(zhì)在一定波長(zhǎng)和溶劑條件下的特征常數(shù),不隨濃度c和光程長(zhǎng)度b的改變而改變。在溫度和波長(zhǎng)等條件一定時(shí),僅與吸收物質(zhì)本身的性質(zhì)有關(guān)。

c單位為mol?L-1時(shí)，摩爾吸光系數(shù)(L?mol-1?cm-1)。2)可作為定性鑒定的參數(shù)2023/2/23)可用來估量定量分析方法的靈敏度。ε

max越大，定量分析的靈敏度越高。εmax~104：強(qiáng)吸收，測(cè)量濃度范圍為10-6~10-5mol?L-1。例如：2023/2/2第六章

紫外吸收光譜分析法一、基本組成二、分光光度計(jì)的類型第二節(jié)

紫外-可見分光光度計(jì)2023/2/2儀器

紫外-可見分光光度計(jì)2023/2/2一、基本組成與工作原理光源碘鎢燈氘燈單色器光電倍增管數(shù)據(jù)處理和儀器控制光源樣品池單色器檢測(cè)器數(shù)據(jù)處理儀器控制參比池樣品池2023/2/2一、基本組成與工作原理1.光源在整個(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。分光光度計(jì)中常用的光源有兩類:鎢燈、鹵鎢燈等：熱輻射光源

，可見光區(qū)，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。氫燈、氘燈等:

氣體放電光源，紫外光區(qū)，可使用波長(zhǎng)的有效范圍為200～375nm。

2023/2/2

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。2023/2/23.樣品室樣品池、吸收池（比色皿）。吸收池主要有石英池和玻璃池兩種。氣體測(cè)量池兩面透光微量測(cè)量池兩面透光流動(dòng)測(cè)量池兩面透光可拆卸圓形測(cè)量池兩面透光圓形測(cè)量池兩面透光1cm長(zhǎng)方形測(cè)量池兩面透光2023/2/25.結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)作用是放大信號(hào)并以適當(dāng)?shù)姆绞街甘净蛴涗?。直流檢流計(jì)、電位調(diào)零裝置、數(shù)字顯示及自動(dòng)記錄裝置等。4.檢測(cè)器

檢測(cè)器的作用

檢測(cè)器是一種光電轉(zhuǎn)換元件，是檢測(cè)單色光通過溶液被吸收后透射光的強(qiáng)度，并把這種光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置。

對(duì)檢測(cè)器的要求

檢測(cè)器應(yīng)在測(cè)量的光譜范圍內(nèi)具有高的靈敏度；對(duì)輻射能量的響應(yīng)快、線性關(guān)系好、線性范圍寬；對(duì)不同波長(zhǎng)的輻射響應(yīng)性能相同且可靠；有好的穩(wěn)定性和低的噪音水平等。

檢測(cè)器有光電池、光電管和光電倍增管等。

2023/2/2二、分光光度計(jì)的類型1.單光束經(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(cè)定。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，維修容易，適用于常規(guī)分析。一般不能作全波段光譜掃描。2.雙光束光源發(fā)出光經(jīng)單色器分光后，分解為強(qiáng)度相等的兩束光，一束通過參比池，另一束通過樣品池，雙光束分光光度計(jì)一般都能自動(dòng)記錄吸收光譜曲線。由于兩束光同時(shí)分別通過參比池和樣品池，因而能自動(dòng)消除光源強(qiáng)度變化所引起的誤差。

2023/2/22023/2/23.雙波長(zhǎng)適用多組分混合物、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分析，還能進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。2023/2/2第六章

紫外吸收光譜分析法第三節(jié)

吸收帶類型與溶劑效應(yīng)2023/2/2nπσ電子類型2023/2/2一、電子躍遷與吸收帶類型1.電子躍遷類型

外層電子

成鍵的價(jià)電子

非成鍵的價(jià)電子—n電子—

n軌道σ鍵，σ電子—σ成鍵軌道π鍵，π電子—π成鍵軌道有機(jī)分子的電子躍遷躍遷類型：

能量大小順序：

σ<π<n<

π*<σ**、n

*、n

*、*四種類型。σ*反鍵軌道（激發(fā)態(tài)電子）π*反鍵軌道(激發(fā)態(tài)電子)2023/2/2有機(jī)化合物中的電子躍遷類型***反鍵軌道*反鍵軌道n非鍵軌道成鍵軌道成鍵軌道n

*

*n

**nE激發(fā)態(tài)基態(tài)其中：σ，π，n鍵軌道為基態(tài)軌道

σ*，π*為激發(fā)態(tài)軌道2023/2/2(1)σ→σ＊躍遷

所需能量最大,吸收的輻射波長(zhǎng)最短，如飽和的碳?xì)浠衔?，吸收波長(zhǎng)處于小于200nm的真空紫外區(qū)。例：甲烷的λmax為125nm,乙烷λmax為135nm?？勺鳛槿軇┦褂?，如己烷、庚烷、環(huán)己烷等。（2）n→σ＊躍遷含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N、O、S（鹵素）)均呈現(xiàn)n→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)200nm以下。

雜原子電負(fù)性越大，躍遷所需的能量越大。λmax

CH3Cl：173nm，CH3Br：204nm，CH3I：

258nm

2023/2/2（3）n→π＊躍遷由n電子從非鍵軌道向π*反鍵軌道的躍遷(R帶)，基團(tuán)中既有π電子，也有n電子，可以發(fā)生這類躍遷。如:C=O,N=N,N=O,C=S特點(diǎn):

(a).

與組成π鍵的雜原子有關(guān),雜原子的電負(fù)性越強(qiáng)，

λmax

越小;(b).

n→π*躍遷所需能量最小，大部分吸收在200~700nm；(c).n→π*

躍遷的幾率比較小，所以摩爾吸光系數(shù)比較小，一般~102。2023/2/2(4)π→π*躍遷是π電子從成鍵π軌道向反鍵π*軌道的躍遷，含有π電子基團(tuán)的不飽和有機(jī)化合物，都會(huì)發(fā)生π→π*躍遷。如含有碳碳雙鍵、碳碳叁鍵的化合物。吸收一般在200nm附近。

特點(diǎn)：

(a)

吸收波長(zhǎng)一般受組成不飽和鍵的原子影響不大，如

及

的λmax

都是175nm(b)

εmax一般在104

L·mol-1·cm-1以上，屬于強(qiáng)吸收。摩爾吸光系數(shù)的顯著差別，是區(qū)別π→π*躍遷和n→π*躍遷的方法之一。

2023/2/2根據(jù)π→π*

躍遷產(chǎn)生的體系不同，其吸收帶可以表示為以下幾種：（1）K帶在共軛非封閉體系中π→π*

產(chǎn)生的吸收帶。其特征是εmax

>104,為強(qiáng)吸收帶。（2）B帶(苯吸收帶)芳香族和雜環(huán)芳香族化合物光譜的特征吸收帶，也是由π→π*

產(chǎn)生的。芳環(huán)的B帶在230～270nm,躍遷幾率較小，屬于弱吸收帶εmax

≈200，其中包含精細(xì)結(jié)構(gòu)。（3）E帶封閉共軛體系中（芳香族和雜環(huán)芳香族化合物）中π→π*

產(chǎn)生的K

帶，屬于中等吸收帶。B帶和E帶為芳香結(jié)構(gòu)的特征譜帶。2023/2/2芳香族的吸收帶2023/2/2有機(jī)物各種電子躍遷吸收光譜的波長(zhǎng)分布圖

2023/2/2二、常用術(shù)語A.發(fā)色團(tuán)是指分子中產(chǎn)生吸收帶的主要官能團(tuán)；吸收帶的λmax＞210nm,屬于π→π*

、n→π*

等躍遷類型。生色團(tuán)為不飽和基團(tuán)：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色團(tuán)吸收帶的位置受相鄰取代基或溶劑效應(yīng)的影響，吸收峰向長(zhǎng)波或短波移動(dòng)。B.助色團(tuán)是指分子中的一些帶有非成鍵電子對(duì)的基團(tuán)。本身在紫外-可見光區(qū)不產(chǎn)生吸收，但是當(dāng)它與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長(zhǎng)波移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增大。-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I2023/2/2C.紅移是指一些帶有非成鍵電子對(duì)的基團(tuán)與生色團(tuán)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向長(zhǎng)波移動(dòng)，這種效應(yīng)成為紅移，該基團(tuán)稱為紅移基團(tuán)：-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-BrD.藍(lán)移是指一些基團(tuán)與某些生色團(tuán)(C=O)連接后，使生色團(tuán)的吸收帶向短波移動(dòng)，這種效應(yīng)成為藍(lán)移，該基團(tuán)稱為藍(lán)移基團(tuán)：-CH3、-CH2CH3、-O-COCH32023/2/2E.增色效應(yīng)最大吸收帶的εmax

增加時(shí)稱為增色效應(yīng)。F.減色效應(yīng)最大吸收帶的εmax

減小時(shí)稱為減色效應(yīng)。G.強(qiáng)帶最大吸收帶的εmax

≥104的吸收帶為強(qiáng)帶。H.弱帶最大吸收帶的εmax

＜103的吸收帶為弱帶。2023/2/22023/2/2三、溶劑對(duì)紫外可見吸收光譜的影響

1.選擇溶劑考慮因素（1）溶劑本身的透明范圍；（2）溶劑對(duì)溶質(zhì)的惰性；（3）溶劑對(duì)溶質(zhì)要有良好的溶解性。極性化合物選擇極性溶劑，非極性化合物選擇非極性溶劑。相似相溶原理2023/2/22.溶劑的影響溶劑的極性不同也會(huì)引起某些化合物的吸收帶位置和強(qiáng)度的變化，這種作用稱為溶劑效應(yīng)。藍(lán)移:△

En→π*

＜△

En→π*

紅移:

△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*

ππ*nππ*n△

En→π*

△

Eπ→π*

△

En→π*

△

Eπ→π*

無溶劑化作用溶劑化作用2023/2/2非極性極性

n

np

n<p

n

p

非極性極性n>pn

→

*躍遷：藍(lán)移；；

→*躍遷：紅移；；正己烷CHCl3CH3OHH2Oπ→π*

λmax/nm230238237243n→π*λmax/nm329315309305亞異丙酮的溶劑效應(yīng)n2023/2/2A.飽和烴及其衍生物：σ→σ*、n→σ*直接用烷烴獲鹵代烴的吸收光譜來分析這些化合物的實(shí)用價(jià)值不大，是極好的溶劑。σ→σ*：λmax＜

150nm

n→σ*H2OCH3CICH3BrCH3Iλmax/nm：167173204258取代元素的極性四、有機(jī)化合物的紫外-可見吸收光譜

2023/2/2165nm217nm

?

?

?

(HOMOLVMO)

max

基-----是由非環(huán)或六環(huán)共軛二烯母體決定的基準(zhǔn)值；無環(huán)、非稠環(huán)二烯母體：

max=217nm共軛烯烴（不多于四個(gè)雙鍵）

*躍遷吸收峰位置可由伍德沃德——菲澤規(guī)則估算。

max=基+nii

B、不飽和脂肪烴2023/2/2異環(huán)（稠環(huán)）二烯母體：

max=214nm同環(huán)（非稠環(huán)或稠環(huán)）二烯母體：

max=253nmniI:由雙鍵上取代基種類和個(gè)數(shù)決定的校正項(xiàng)

(1)每增加一個(gè)共軛雙鍵+30(2)環(huán)外雙鍵+5(3)雙鍵上取代基：?；?OCOR）0鹵素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+62023/2/2C、羰基化合物共軛烯烴中的→*①Y=H,R

n→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=

-NH2,-OH,-OR

等助色基團(tuán)K帶紅移，R帶蘭移；R帶max=205nm；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不飽和醛酮K帶紅移：165250nmR

帶蘭移：290310nm

2023/2/2

苯：E1帶180184nm；

=47000E2帶200204nm=7000

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。

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300D.苯及其衍生物：π→π*

2023/2/2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，躍遷禁阻，弱；CCH3On→p*

;

R帶p

→p*

;

K帶可由Scott規(guī)則計(jì)算芳香族羰基衍生物的π→π*最大吸收波長(zhǎng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則。2023/2/2苯環(huán)上助色基團(tuán)對(duì)吸收帶的影響2023/2/2苯環(huán)上發(fā)色基團(tuán)對(duì)吸收帶的影響2023/2/2第六章

紫外吸收光譜分析法一、定性、定量分析二、有機(jī)化合物的解析第三節(jié)紫外-可見吸收光譜的應(yīng)用2023/2/2一、定性、定量分析定性分析、結(jié)構(gòu)分析、定量分析物理化學(xué)參數(shù)的測(cè)定：分子量、配合物的配合比與穩(wěn)定參數(shù)、酸堿離解常數(shù)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)等。1.定性分析的依據(jù)吸收光譜的形狀

吸收峰的數(shù)目εmax(λ)λmax定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色團(tuán)與助色團(tuán)；光譜信息在紫外-可見光譜范圍重疊現(xiàn)象嚴(yán)重。2023/2/2A.比較吸收光譜比較未知物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在相同化學(xué)環(huán)境與測(cè)量條件下的紫外-可見吸收光譜，若吸收光譜的形狀、吸收峰的數(shù)目、

εmax(λ)、λmax完全相同，就可以確定未知物與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有相同的生色團(tuán)與助色團(tuán)。與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)吸收光譜的比較：2.定性分析方法2023/2/2與標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜譜圖的比較：Sadtler.

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