第5章-紫外可見光譜分析法課件

第五章

紫外可見吸收光譜分析法一、紫外吸收光譜的產生FormationofUV二、有機物紫外吸收光譜Ultravioletspectrometryoforganiccompounds三、金屬配合物的紫外吸收光譜Ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds第一節(jié)紫外吸收光譜分析基本原理Ultravioletspectrometry,UVPrinciplesofUV2023/12/5特點：1.靈敏度高

待測物質的含量10-7—10-4g/mL時，能夠用分光光度法準確測定。所以它主要用于測定微量組分。

2.準確度較高相對誤差在1%-5%3.儀器價格較低，操作簡便、快速4.應用廣泛

幾乎所有的無機離子和許多有機化合物可以用分光光度法進行測定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、動物體液中各種微量元素的測定。2023/12/5一、紫外吸收光譜的產生

FormationofUV

1.概述紫外可見吸收光譜：分子價電子能級躍遷。波長范圍：100-800nm。(1)遠紫外光區(qū):

100-200nm(2)近紫外光區(qū):

200-400nm(3)可見光區(qū):400-800nm

可用于結構鑒定和定量分析。

2023/12/52.物質對光的選擇性吸收及吸收曲線M+熱M+熒光或磷光吸收曲線與最大吸收波長

max：用不同波長的單色光照射，測吸光度。M+

h

→M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（△E）E2

E=E2-E1=h

量子化；選擇性吸收2023/12/5吸收曲線的討論：①同一種物質對不同波長光的吸光度不同。吸光度最大處對應的波長稱為最大吸收波長λmax②不同濃度的同一種物質，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對于不同物質，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同。③吸收曲線可以提供物質的結構信息，并作為物質定性分析的依據之一。2023/12/5④不同濃度的同一種物質，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。此特性可作作為物質定量分析的依據。⑤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。2023/12/53.電子躍遷與分子吸收光譜3.1物質分子內部三種運動形式：

（1）電子相對于原子核的運動；（2）原子核在其平衡位置附近的相對振動；（3）分子本身繞其重心的轉動。分子具有三種不同能級：電子能級、振動能級和轉動能級三種能級都是量子化的，且各自具有相應的能量。分子的內能：電子能量Ee、振動能量Ev、轉動能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr2023/12/53.2能級躍遷

通常，分子是處在基態(tài)振動能級上。當用紫外、可見光照射分子時，電子可以從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)的任一振動（或不同的轉動）能級上。因此，電子能級躍遷產生的吸收光譜，包括了大量譜線，并由于這些譜線的重疊而成為連續(xù)的吸收帶，這就是為什么分子的紫外、可見光譜不是線狀光譜，而是帶狀光譜的原因。又因為絕大多數的分子光譜分析，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。2023/12/53.3分子吸收光譜（1）遠紅外光譜或分子轉動光譜

轉動能級間的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，產生此能級的躍遷，需吸收波長約為250~25

m的遠紅外光,吸收光譜位于遠紅外區(qū)。形成的光譜稱為遠紅外光譜或分子轉動光譜。2023/12/5（2）振-轉光譜（紅外光譜）

分子的振動能級差一般在0.05~1eV，需吸收波長約為25~1.25

m的紅外光才能產生躍遷。在分子振動時同時有分子的轉動運動。這樣，分子振動產生的吸收光譜中，包括轉動光譜，故常稱為振-轉光譜。由于它吸收的能量處于紅外區(qū)，故又稱紅外光譜。2023/12/5（3）電子光譜（紫外、可見吸收光譜）電子的躍遷能差約為1~20eV，比分子振動能級差要大幾十倍，所吸收光的波長約為12.5~0.06

m，主要在真空紫外到可見光區(qū)，對應形成的光譜，稱為電子光譜或紫外、可見吸收光譜2023/12/5二、有機物吸收光譜與電子躍遷

Ultravioletspectrometryoforganiccompounds1．紫外—可見吸收光譜

有機化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結果：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：成鍵軌道，反鍵軌道，非鍵軌道。

當外層電子吸收紫外或可見輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷，所需能量ΔΕ大小順序為：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊。sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH2023/12/51.1躍遷類型（1）*躍遷

它需要的能量較高，一般發(fā)生在真空紫外光區(qū)。飽和烴中的—c—c—鍵屬于這類躍遷。（2）n

*躍遷實現這類躍遷所需要的能量較高，吸收波長為150～250nm，大部分在遠紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。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n→σ*躍遷。sp

*s*RKE,BnpE2023/12/5（3）

*躍遷

它需要的能量低于

*躍遷，吸收峰一般處于近紫外光區(qū)，在200nm左右，其特征是摩爾吸光系數大，一般

max

104，為強吸收帶。（4）n

*躍遷

這類躍遷發(fā)生在近紫外光區(qū),一般>200nm

。它是簡單的生色團如羰基、硝基等中的孤對電子向反鍵軌道躍遷。其特點是譜帶強度弱，摩爾吸光系數小，通常小于100，屬于禁阻躍遷。sp

*s*RKE,BnpE2023/12/51.2常用術語（1）生色團

從廣義來說，所謂生色團，是指分子中可以吸收光子而產生電子躍遷的原子基團。但是，人們通常將能吸收紫外、可見光的原子團或結構系統(tǒng)定義為生色團。具有不飽和鍵π電子的基團，產生π→π*躍遷，和孤對電子產生n→π＊躍遷，躍遷ΔE較低。如：乙烯基、羰基、亞硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C三N等。注：當出現幾個發(fā)色團共軛，則幾個發(fā)色團所產生的吸收帶將消失，代之出現新的共軛吸收帶，其波長將比單個發(fā)色團的吸收波長長，強度也增強。2023/12/5

分子中：C為sp2雜化，分別與C、H形成σ鍵，故分子在同一平面內，四個碳原子各余下一個p軌道，這幾個p軌道都垂直于此平面，互相平行，互相重疊，形成一個離域的大π鍵，四個p電子不僅在兩原子間運動，而是在四個原子間運動。這樣的共軛也叫做π—π共軛。2023/12/5下面為某些常見生色團的吸收光譜：2023/12/5（2）助色團

有一些含有n電子（非鍵電子or孤對電子）的單鍵基團（如-OH、－OR、－NHR、－SH、－Cl、－I等），它們本身沒有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但當它們與生色團相連時，就會發(fā)生p—π共軛作用，增強生色團的生色能力(吸收波長向長波方向移動，且吸收強度增加)，這樣的基團稱為助色團。（3）強帶和弱帶

εmax>105→強帶

εmax<103→弱帶2023/12/5（4）紅移與藍移

有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變溶劑使最大吸收波長λmax和吸收強度發(fā)生變化：λmax向長波方向移動稱為紅移，向短波方向移動稱為藍移(或紫移)。（5）增色效應和減色效應

——波長不變

增色效應：吸收強度增強的效應

減色效應：吸收強度減小的效應2023/12/5CCH3On→p*

;

R帶R帶：由含雜原子的不飽和基團的n→π*躍遷產生。C＝O；C＝N；—N＝N—E小，λmax250~400nmεmax<100溶劑極性↑，λmax↓→藍移（短移）（6）K帶、R帶、B帶、E帶2023/12/5b.K帶：由共軛雙鍵的π→π*躍遷產生，(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—λmax>200nm，εmax>104共軛體系增長，λmax↑→紅移，εmax↑溶劑極性↑，對于—(—CH＝CH—)n—λmax不變對于—CH＝C—CO—λmax↑→紅移2023/12/5B帶：由π→π*躍遷產生。芳香族化合物的主要特征吸收帶。λmax=254nm，寬帶，吸收峰230~270nm，具有精細結構。εmax=2002023/12/5

極性溶劑中，或苯環(huán)連有取代基，其精細結構消失。2023/12/52023/12/5

E帶：由苯環(huán)環(huán)形共軛系統(tǒng)的π→π*躍遷產生。芳香族化合物的特征吸收帶。E1180nm，εmax>104

（常觀察不到）E2200nm，εmax=7000強吸收苯環(huán)有發(fā)色團取代且與苯環(huán)共軛時，E2帶與K帶合并一起紅移（長移）。2023/12/51.3各種常見有機化合物紫外-可見吸收光譜（1）飽和烴及其取代衍生物

飽和烴類分子中只含有鍵，因此只能產生

*躍遷，即電子從成鍵軌道（）躍遷到反鍵軌道（*）。飽和烴的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可見分光光度計的測量范圍，處于真空紫外區(qū)。飽和烴的取代衍生物如鹵代烴，其鹵素原子上存在n電子，可產生n

*

的躍遷。n

*的能量低于

*。其相應的吸收波長發(fā)生紅移。直接用烷烴和鹵代烴的紫外吸收光譜分析這些化合物的實用價值不大。但是它們是測定紫外和（或）可見吸收光譜的良好溶劑。2023/12/5（2）不飽和烴及共軛烯烴(A)非共軛不飽和烯烴

在不飽和烴類分子中，除含有鍵外，還含有鍵，它們可以產生

*和

*兩種躍遷。

*躍遷的能量小于

*躍遷。例如，在乙烯分子中，

*躍遷最大吸收波長為180nm左右。

C=C

發(fā)色基團，但

→

*200nm。

max=177nm助色基團取代

*

發(fā)生紅移2023/12/5177nm217nm

?

?

?

(HOMOLVMO)

max

（B）共軛烯烴

在不飽和烴類分子中，當有兩個以上的雙鍵共軛時，隨著共軛系統(tǒng)的延長，*躍遷的吸收帶將明顯向長波方向移動，吸收強度也隨之增強。共軛雙鍵愈多，紅移愈顯著，甚至產生顏色。在共軛體系中，

*躍遷產生的吸收帶又稱為K帶。

K帶——共軛非封閉體系的

*躍遷2023/12/52023/12/5

基-----是由非環(huán)或六環(huán)共軛二烯母體決定的基準值。母體基本值：（a）異環(huán)二烯/無環(huán)二烯

基=217nm

（b）同環(huán)二烯

基=253nm計算共軛烯烴

—*躍遷最大吸收峰位置的經驗規(guī)則。

max=

基+

ni

i

伍德沃德——菲澤

規(guī)則(Woodward—fieser)：2023/12/5

ni

I:由雙鍵上取代基種類和個數決定的校正項（1）每延長一個共軛雙鍵+30nm（2）環(huán)外雙鍵+5nm（3）增加一個烷基（-R）+5nm（4）增加一個環(huán)殘基+5nm（5）?；?OCOR）0（6）烷氧基（-OR）+6nm（7）-SR+30nm（8）鹵素（-Cl，-Br）+5nm（9）-NR2+60nm2023/12/5（3）羰基化合物①Y=H,R

n→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm

羰基化合物含有C=O基團。

C=O基團主要可產生

*、n

*、n

*三個吸收帶，n

*吸收帶又稱R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)，R帶吸收較弱（εmax<100）醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮這類物質與羧酸及羧酸的衍生物在結構上的差異，因此它們n

*吸收帶的光區(qū)稍有不同。2023/12/5②Y=

-NH2,-OH,-OR

等助色基團，這些助色團上的n電子與羰基雙鍵的電子產生p

共軛K帶紅移，R帶蘭移；R帶

max=205nm；

10-100K

K

R

R

n

n

177nm

n

③

不飽和醛酮K帶紅移：177

250nmR

帶紅移：290

310nm

2023/12/5（4）苯及其衍生物苯：苯環(huán)上三個共扼雙鍵的

→*躍遷特征吸收帶：

E1帶180

184nm：

=47000E2帶200

204nm：

=7000

B帶230-270nm：

=200

B帶：

→

*與苯環(huán)振動能級躍遷疊加引起，也稱精細結構吸收帶。

當苯環(huán)上有取代基時，苯的三個特征譜帶都會發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶，B帶簡化，紅移。

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯2723002023/12/5乙酰苯紫外光譜圖羰基雙鍵與苯環(huán)共軛：K帶強；苯的E2帶與K帶合并，紅移；取代基使B帶簡化；氧上的孤對電子：R帶紅移，躍遷禁阻，弱。CCH3On→p*

;

R帶p

→p*

;

K帶2023/12/5苯環(huán)上助色基團對吸收帶的影響：2023/12/5苯環(huán)上生色基團對吸收帶的影響：2023/12/52.影響紫外-可見吸收光譜的因素（1）共軛效應CH2=CH2

171nm10000CH2=CH-CH=CH2217nm21000CH2=CH-CH=CH-CH=CH2

258nm34000化合物

λmax(nm)

εmax

電子共軛體系增大，紅移，增大。2023/12/5空間阻礙使共軛體系破壞，λmax藍移，εmax

減小。R=R'=Hλmax=294nm,εmax=27600

R=H,R'=CH3,

λmax=272nm,εmax=21000

2023/12/5（2）溶劑效應指溶劑極性對紫外可見吸收光譜的影響。紫外吸收光譜中常用己烷、庚烷、環(huán)己烷、二氧雜己烷、水、乙醇等作溶劑。有些溶劑，特別是極性溶劑對溶質吸收峰的波長、強度及形狀可能產生影響，這種現象稱溶劑效應。a.溶劑極性對吸收光譜精細結構的影響由于溶劑化作用，溶質分子被溶劑分子包圍，限制了溶質分子的自由轉動，因而使轉動光譜表現不出來。溶劑極性越大，溶劑分子與溶質分子的作用越強，溶質分子的振動也越受到限制，因而由振動引起的精細結構也損失越多。氣態(tài)溶劑：環(huán)己烷溶劑：水對稱四嗪在蒸氣態(tài)、環(huán)己烷和水中的吸收光譜2023/12/5

n

p

非極性極性

n>

p

→*躍遷：紅移；；b.溶劑極性對

→*躍遷譜帶的影響

發(fā)生

→*躍遷的分子，其激發(fā)態(tài)的極性總比基態(tài)的極性大，因而激發(fā)態(tài)與極性溶劑之間發(fā)生相互作用從而降低能量的程度更大，這樣，在極性溶劑作用下，基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差變小，吸收譜帶紅移。2023/12/5非極性極性n

n

p

n<

pn

→

*躍遷：蘭移；；

nc.溶劑極性對n→*躍遷譜帶的影響發(fā)生n→*躍遷的分子，都含有n電子，n電子與極性溶劑形成氫鍵，能量降低的程度比*與溶劑分子作用降低程度要大，這樣，在極性溶劑作用下，基態(tài)與激發(fā)態(tài)之間的能量差變大了，吸收譜帶紫移。2023/12/5溶劑的選擇：

由于溶劑對電子光譜圖影響很大，因此，在吸收光譜圖上或數據表中必須注明所用的溶劑。與已知化合物紫外光譜作對照時也應注明所用的溶劑是否相同。在進行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。選擇溶劑時注意下列幾點：（1）溶劑應能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質應該是惰性的。即所成溶液應具有良好的化學和光學穩(wěn)定性。（2）在溶解度允許的范圍內，盡量選擇極性較小的溶劑。（3）溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應無明顯吸收。2023/12/5（3）立體結構和互變結構對光譜的影響順反異構：順式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互變異構：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=245nm

2023/12/5（4）pH值的影響

影響物質存在型體，影響吸收波長。如：苯酚水溶液：吸收峰：210.5nm，270nm；苯酚NaOH溶液形成苯酚陰離子：吸收峰：235nm，287nm。2023/12/51.電荷遷移吸收光譜

電荷轉移躍遷：輻射下，分子中原定域在金屬M軌道上的電荷轉移到配位體L的軌道，或按相反方向轉移，所產生的吸收光譜稱為荷移光譜Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h

[Fe3+CNS-]2+h

[Fe2+CNS]2+電子給予體電子接受體分子內氧化還原反應：

>104Fe2+與鄰菲羅啉配合物的紫外吸收光譜屬于此。三、金屬配合物的紫外吸收光譜

ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds

金屬配合物的紫外光譜產生機理主要有兩種類型：2023/12/52.配位場

躍遷

在配體的作用下過渡金屬離子的d軌道和鑭系、錒系的f軌道裂分，吸收輻射后，產生d一d、f一f

躍遷。必須在配體的配位場作用下才可能產生，稱配位場躍遷。

摩爾吸收系數ε很小，對定量分析意義不大。2023/12/5八面體場?E配位場躍遷屬禁戒躍遷，吸收強度弱，εmax<102，不適合用于定量分析，但可用于研究配合物的結構及無機配合鍵理論等。2023/12/5一、基本組成Generalprocess二、分光光度計的類型Typesofspectrometer

第二節(jié)

紫外可見分光光度計Ultravioletspectrometer2023/12/5751型分光光度計：2023/12/5紫外-可見分光光度計2023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/5一、基本組成Generalprocess光源單色器樣品室檢測器顯示1.光源

在整個紫外光區(qū)或可見光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強度、較好的穩(wěn)定性、較長的使用壽命。分光光度計中常用的光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類?？梢姽鈪^(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長范圍在320～2500nm。

紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。2023/12/5光源：2023/12/5

2.單色器

將光源發(fā)射的復合光分解成單色光并可從中選出一任波長單色光的光學系統(tǒng)。①入射狹縫：光源的光由此進入單色器；②準光裝置：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。2023/12/5棱鏡和光柵單色器2023/12/53.樣品室

樣品室放置各種類型的吸收池（比色皿）和相應的池架附件。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。2023/12/54.檢測器

利用光電效應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。5.結果顯示記錄系統(tǒng)檢流計、數字顯示、微機進行儀器自動控制和結果處理2023/12/5二、分光光度計的類型

Typesofspectrometer

1.單光束分光光度計

簡單，價廉，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。2023/12/5單波長單光束分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示2023/12/52.雙光束分光光度計

自動記錄，快速全波段掃描?？上庠床环€(wěn)定、檢測器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結構分析。儀器復雜，價格較高。可自動掃描吸收光譜；自動消除光源強度變化帶來的誤差2023/12/5單波長雙光束分光光度計

差值ΔA光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器參比池2023/12/53.雙波長分光光度計

將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快速交替通過同一吸收池而后到達檢測器。產生交流信號。無需參比池。

ΔA=Aλ2-Aλ1=(ελ2-ελ1)bC=KC雙波長分光光度計結構特點兩個單色器不需要參比溶液2023/12/5一、定性、定量分析Qualitativeandquanti-tativeanalysis二、有機物結構確定Structuredeterminationoforganiccompounds第三節(jié)

紫外吸收光譜的應用ApplicationsofUV2023/12/5一、定性、定量分析

Qualitativeandquantitativeanalysis1.定性分析

max

,

max：化合物特性參數，可作為定性依據。

有機化合物紫外吸收光譜：反映結構中生色團和助色團的特性，不完全反映整個分子特性。結構確定的輔助工具；

max，

max都相同，可能是一個化合物；標準譜圖庫：46000種化合物紫外光譜的標準譜圖

?Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet?

2023/12/52.定量分析

依據：朗伯-比耳定律

吸光度：A=

bc透光度：-lgT=

bc

靈敏度高：

max：104～105L·mol-1·

cm-1。

2023/12/5二、有機化合物結構輔助解析

structuredeterminationoforganic

compounds

1.可獲得的結構信息了解共軛程度、空間效應等；可對飽和與不飽和化合物、異構體及構象進行判別。紫外—可見吸收光譜中有機物發(fā)色體系信息分析的一般規(guī)律是：⑴若在200～750nm波長范圍內無吸收峰，則可能是直鏈烷烴、環(huán)烷烴、飽和脂肪族化合物或僅含一個雙鍵的烯烴等。⑵若在270～350nm波長范圍內有低強度吸收峰(ε＝10～100L·mol-1·cm-1),（n→π*

躍遷），則可能含有一個簡單非共軛且含有n電子的生色團，如羰基。2023/12/5⑶若在2５0～300nm波長范圍內有中等強度的吸收峰則可能含苯環(huán)，假設有精細結構的話，可能是苯環(huán)的特征吸收。⑷若在210～250nm波長范圍內有強吸收峰，則可能含有2個共軛雙鍵；若在260～350nm波長范圍內有強吸收峰，則說明該有機物含有3個或3個以上共軛雙鍵。⑸若該有機物的吸收峰延伸至可見光區(qū)，則該有機物可能是長鏈共軛或稠環(huán)化合物。

2.光譜解析注意事項(1)確認

max，并算出㏒ε，初步估計屬于何種吸收帶；(2)觀察主要吸收帶的范圍，判斷屬于何種共軛體系。2023/12/53.分子不飽和度的計算定義：不飽和度是指分子結構中達到飽和所缺一價元素的“對”數。如：乙烯變成飽和烷烴需要兩個氫原子，不飽和度為1。

計算：若分子中僅含一，二，三，四價元素(H，O，N，C)，則可按下式進行不飽和度的計算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1

分別為分子中四價，三價，一價元素數目。

作用：由分子的不飽和度可以推斷分子中含有雙鍵，三鍵，環(huán)，芳環(huán)的數目，驗證譜圖解析的正確性。例：C9H8O2

=（2+29

–8）/2=62023/12/54.解析示例

有一化合物C10H16由紅外光譜證明有雙鍵、六元環(huán)和異丙基存在，其紫外光譜

max=231nm（ε9000），此化合物加氫只能吸收一分子H2，，確定其結構。解：①計算不飽和度

=3；兩個雙鍵；共軛？加一分子氫②

max=231nm，③可能的結構

④計算

max

max：232273268268

max=異環(huán)二烯+2×環(huán)殘基+環(huán)外雙鍵=217+2×5+5=232（231）