儀器分析 第三章-紫外可見吸收光譜法

第三章

紫外可見吸收光譜法1.定義2.紫外吸收光譜的產(chǎn)生3.物質(zhì)對光的選擇性吸收4.電子躍遷與分子吸收光譜第一節(jié)概述1.定義

紫外可見吸收光譜法：根據(jù)溶液中物質(zhì)的分子或離子對紫外和可見光譜區(qū)輻射能的吸收來研究物質(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。紫外可見波長范圍：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)：儀器較簡單，價(jià)格較便宜；分析操作簡單；分析速度較快。紫外可見吸收光譜：分子價(jià)電子能級躍遷（伴隨著振動能級和轉(zhuǎn)動能級躍遷）。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)

。

物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動形式：電子相對于原子核的運(yùn)動；原子核在其平衡位置附近的相對振動；分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動。分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。三種能級都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee

、振動能量Ev

、轉(zhuǎn)動能量Er。2.1電子躍遷與分子吸收光譜轉(zhuǎn)動能級間的能量差：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)動光譜）；振動能級的能量差：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光譜）；電子能級的能量差較大，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：能級躍遷：

電子能級間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動和轉(zhuǎn)動能級間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動能級和轉(zhuǎn)動能級間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶（帶狀光譜）。電子躍遷可以從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)的任一振動、轉(zhuǎn)動能級上。故電子能級躍遷產(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：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)對光的選擇性吸收當(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：×××√分子、原子或離子具有不連續(xù)的量子化能級僅當(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，其能量差也不相同，物質(zhì)對光的吸收具有選擇性物質(zhì)對光的選擇性吸收吸收曲線吸收曲線：

將不同波長的光透過某一固定濃度待測溶液，測量每一波長下溶液對光的吸收程度，以波長為橫坐標(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)對不同波長光的吸收能力。關(guān)于吸收曲線：同一種物質(zhì)對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應(yīng)的波長稱為最大吸收波長λmax;不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，λmax不變。而對于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax不同;吸收光譜的波長分布：由產(chǎn)生譜帶的躍遷能級間的能量差所決定，反映了分子內(nèi)部能級分布狀況，是物質(zhì)定性的依據(jù)；吸收譜帶的強(qiáng)度與分子偶極矩變化、躍遷幾率有關(guān)，也提供分子結(jié)構(gòu)的信息。通常將在最大吸收波長處測得的摩爾吸光系數(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；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)。不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長下吸光度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，所以測定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。章節(jié)重點(diǎn)：紫外可見吸收光譜產(chǎn)生原理；物質(zhì)對光的選擇性吸收；吸收曲線的定義、特性及應(yīng)用。第二章

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)有機(jī)化合物紫外可見吸收光譜有機(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COHH1.1σ→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)檢測到；故可作為溶劑使用。1.2n→σ＊躍遷所需能量較大；吸收波長為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）。

1.3π→π＊躍遷所需能量較??；吸收波長處于遠(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。

[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）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:II.共軛烯烴中的→*165nm217nm

3

12

4

max=基+nii無環(huán)、非稠環(huán)二烯母體：

max=217nm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=253nm每增加一個(gè)共軛雙鍵：+30；環(huán)外雙鍵：+5；雙鍵上取代基：酰基（-OCOR）：0鹵素（-Cl，-Br）：+5烷基（-R）：+5烷氧基（-OR）：+6nii

:由雙鍵上取代基種類和個(gè)數(shù)決定的校正項(xiàng)基--由非環(huán)或六元環(huán)共軛二烯母體決定的基準(zhǔn)值吸收波長計(jì)算:取代苯吸收波長計(jì)算: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

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)振動引起；含取代基時(shí)，B帶簡化，紅移。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帶簡化。CCH3On→p*，R帶p→p*，K帶苯環(huán)上助色基團(tuán)對吸收帶的影響：苯環(huán)上發(fā)色基團(tuán)對吸收帶的影響：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=290003.溶劑極性對吸收光譜的影響1-乙醚為溶劑2-水為溶劑12250300苯酰丙酮

3.1對最大吸收波長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。3.2對精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失溶劑本身有紫外吸收，選用溶劑時(shí)須注意其最低波長極限：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)；所選溶劑在需要測定的波長范圍內(nèi)無吸收或吸收很小。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(吸收波長向長波方向移動，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱為助色團(tuán)。5.紅移與藍(lán)移、增色與減色λmax向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍(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)。章節(jié)重點(diǎn)：電子躍遷的4種類型及各自的特點(diǎn)；溶劑極性對吸收光譜的影響及其選擇原則；掌握概念：生色團(tuán)、助色團(tuán)、紅移、藍(lán)移。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)1.基本組成光源單色器樣品室檢測器顯示1.1光源可見光區(qū)：鎢燈。其輻射波長范圍在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、較長的使用壽命。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

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)不同波長光通過棱鏡時(shí)折射率不同而將不同波長的光分開，缺點(diǎn)是波長分布不均勻，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)波長區(qū)具有幾乎均勻一致的高分辨能力。它具有色散波長范圍寬、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)是各級光譜會重疊而產(chǎn)生干擾。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。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)行儀器自動控制和結(jié)果處理1.4檢測器利用光電效應(yīng)將透過吸收池的光信號變成可測的電信號，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)2.分光光度計(jì)的類型簡單，價(jià)廉，適于在給定波長處測量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。自動記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測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2.3雙波長型通過波長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：參比溶液即被測溶液，避免了單波長法中因被測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。光路圖：光路圖：章節(jié)重點(diǎn)：紫外可見分光光度計(jì)的基本組成及各自的特點(diǎn)。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，可以確定共扼體系；標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫：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)。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）測量誤差與吸光度讀數(shù)有關(guān)：A=0.434時(shí)讀數(shù)相對誤差最小；吸光度在0.2-0.8之間，誤差較小，測定較準(zhǔn)確。某些國家將數(shù)百種藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長和吸收系