第十二章紫外吸收光譜法張艷玲內(nèi)蒙古大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院E-mail:第一節(jié)分子吸收光譜第二節(jié)紫外吸收光譜第三節(jié)紫外可見分光光度計第四節(jié)紫外吸收光譜的應(yīng)用2第十二章紫外吸收光譜法

ultravioletspectrometry,UV

研究物質(zhì)在紫外、可見光區(qū)的分子吸收光譜的分析方法稱為紫外-可見分光光度法。紫外—可見分光光度法是利用某些物質(zhì)的分子吸收200~800nm光譜區(qū)的輻射來進(jìn)行分析測定的方法。這種分子吸收光譜產(chǎn)生于價電子和分子軌道上的電子在電子能級間的躍遷，廣泛用于無機和有機物質(zhì)的定性和定量測定。紫外光譜(UV)為四大波譜之一，是鑒定許多化合物，尤其是有機化合物的重要定性工具之一。

3

第一節(jié)分子吸收光譜

一、分子吸收光譜的產(chǎn)生物質(zhì)分子內(nèi)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(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ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動能量Ev、轉(zhuǎn)動能量Er即:E＝Ee+Ev+Er4當(dāng)用頻率為的電磁波照射分子，當(dāng)能量匹配時，即：△E=h〔h為普朗克常數(shù)〕在微觀上出現(xiàn)分子由較低的能級躍遷到較高的能級；在宏觀上那么透射光的強度變小。

5假設(shè)用一連續(xù)輻射的電磁波照射分子，將照射前后光強度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺⒂涗浵聛?，然后以波長為橫坐標(biāo)，以電信號〔吸光度A〕為縱坐標(biāo)，就可以得到一張光強度變化對波長的關(guān)系曲線圖——分子吸收光譜圖。不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)不同——其分子能級的能量各異，因此不同物質(zhì)將選擇性地吸收不同波長的外來輻射，這是UV-Vis定性分析的根底。6

-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮幾種有機化合物的紫外吸收光譜圖7吸收曲線與最大吸收波長

max①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λmax②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那么不同。③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。8二、分子吸收光譜的類型根據(jù)吸收電磁波的范圍不同，將分子吸收光譜分為遠(yuǎn)紅外光譜、紅外光譜及紫外、可見光譜三類?！?〕轉(zhuǎn)動能級間的能量差0.005～0.050eV，產(chǎn)生此能級的躍遷，需吸收波長約為250~25m的遠(yuǎn)紅外光,吸收光譜位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。形成的光譜稱為遠(yuǎn)紅外光譜或分子轉(zhuǎn)動光譜。9〔2〕分子的振動能級差一般在0.05~1eV，需吸收波長約為25~1.25m的紅外光才能產(chǎn)生躍遷。在分子振動時同時有分子的轉(zhuǎn)動運動。分子振動產(chǎn)生的吸收光譜中，包括轉(zhuǎn)動光譜，故常稱為振-轉(zhuǎn)光譜。由于它吸收的能量處于紅外區(qū)，故又稱紅外光譜。10〔3〕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12.5~0.06m，主要在真空紫外到可見光區(qū)，對應(yīng)形成的光譜，稱為電子光譜或紫外、可見吸收光譜。11由于真空紫外吸收光譜的研究需要昂貴的真空紫外分光光度計，故在實際應(yīng)用中受到一定的限制。我們通常所說的紫外—可見分光光度法，實際上是指近紫外、可見分光光度法。

第二節(jié)紫外吸收光譜

一、有機化合物的紫外吸收光譜

有機化合物的紫外—可見吸收光譜是三種電子躍遷的結(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,非鍵軌道。

sp

*s*RKE,Bnp

ECOHnpsH12當(dāng)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＊

電子躍遷所處的波長范圍-----教材P235圖9-213〔一〕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(xiàn)這類躍遷所需要的能量較高，吸收波長為150～250nm，大局部在遠(yuǎn)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(xiàn)n→σ*躍遷。sp

*s*RKE,Bnp

E143.

*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(shù)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(shù)小。sp

*s*RKE,Bnp

E

-

*和n-*兩種躍遷的能量小，相應(yīng)波長出現(xiàn)在近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)，且對光的吸收強烈，是我們研究的重點。15〔二〕常用術(shù)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(chǎn)生電子躍遷的原子基團。實際上是一些具有不飽和鍵和含有孤對電子的基團。但是，人們通常將能吸收紫外、可見光的原子團或結(jié)構(gòu)系統(tǒng)定義為生色團。

2、助色團助色團是指帶有非鍵電子對的基團〔如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等〕，它們本身不能吸收大于200nm的光，但是當(dāng)它們與生色團相連時，會使生色團的吸收峰向長波方向移動，并且增加其吸光度。16下面為某些常見生色團的吸收光譜173．強帶和弱帶：摩爾吸光系數(shù)εmax>105→強帶εmax<103→弱帶4.

紅移與藍(lán)移有機化合物的吸收譜帶常常因引入取代基或改變?nèi)軇┦棺畲笪詹ㄩLλmax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(lán)移(紫移)。18(三)各種常見有機化合物紫外吸收光譜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(chǎn)生

*躍遷，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(chǎn)生n

*

的躍遷。n

*的能量低于

*。其相應(yīng)的吸收波長小于200nm

。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吸收光譜的良好溶劑。例：己烷、氯仿。192.不飽和烴及共軛烯烴(A)非共軛不飽和烯烴

除含有鍵外，還含有鍵，它們可以產(chǎn)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

20〔B〕共軛烯烴

*在不飽和烴類分子中，當(dāng)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(chǎn)生顏色。

在共軛體系中，*躍遷產(chǎn)生的吸收帶又稱為K帶。

K帶——共軛非封閉體系的

*躍遷2122

3.羰基化合物①Y=H,R→*150-160nm〔K〕n→*275-295nm〔R〕C=O基團可產(chǎn)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。由于在結(jié)構(gòu)上的差異，它們n*吸收帶的光區(qū)稍有不同。23②Y=-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(chǎn)生p

共軛K帶紅移，R帶蘭移；R帶

max=205nm；

10-100K

K

R

R

n

24

n

177

nm

n

③

不飽和醛酮K帶紅移：177

250nmR

帶紅移：290

310nm

254.苯及其衍生物苯有三個吸收帶，是由→*與苯環(huán)振動能級躍遷疊加引起；也稱精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收帶E1帶：180nm〔max=60，000〕；E2帶：204nm〔max=8，000〕；B帶：255nm〔max=200〕。

當(dāng)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。26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；紅移氧上的孤對電子：R帶紅移，吸收弱

CCH3On→p*

;

R帶p→p*

;

K帶27二、無機化合物的紫外-可見吸收光譜〔自學(xué)〕

三、溶劑對紫外吸收光譜的影響〔溶劑效應(yīng)〕溶劑對紫外—可見光譜的影響較為復(fù)雜。*改變?nèi)軇┑臉O性，會引起吸收帶形狀的變化。例如，當(dāng)溶劑的極性由非極性改變到極性時，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，吸收帶變向平滑。*改變?nèi)軇┑臉O性，還會使吸收帶的最大吸收波長發(fā)生變化。

28

溶劑效應(yīng)：◆隨溶劑極性增加，吸收光譜變得平滑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。由n-*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，發(fā)生藍(lán)移；由

-

*躍遷產(chǎn)生的吸收峰，隨溶劑極性增加，發(fā)生紅移。

C=O的溶劑效應(yīng)

max(正己烷)

max(氯仿)

max(甲醇)

max(水)

*230238237243n

*32931530930529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(shù)據(jù)表中必須注明所用的溶劑。與化合物紫外光譜作對照時也應(yīng)注明所用的溶劑是否相同。在進(jìn)行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。選擇溶劑時注意以下幾點：〔1〕溶劑應(yīng)能很好地溶解被測試樣，溶劑對溶質(zhì)應(yīng)該是惰性的。即所成溶液應(yīng)具有良好的化學(xué)和光學(xué)穩(wěn)定性?！?〕在溶解度允許的范圍內(nèi)，盡量選擇極性較小的溶劑?！?〕溶劑在樣品的吸收光譜區(qū)應(yīng)無明顯吸收。30第三節(jié)

紫外-可見分光光度計31一、主要部件的性能與作用根本結(jié)構(gòu):光源→單色器→吸收池→檢測器→信號顯示系統(tǒng)↑樣品

熱輻射光源用于可見光區(qū)，如鎢燈和鹵鎢燈；氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈和氘燈。1、光源對光源根本要求：足夠光強、穩(wěn)定、連續(xù)輻射且強度隨波長變化小。(1).鎢及碘鎢燈：360~1000nm，多用在可見光區(qū)；(2).氫燈和氘燈：160~375nm，多用在紫外區(qū)。2、單色器色散元件常用棱鏡和光柵。與原子吸收光度儀不同，在UV-Vis光度計中，單色器通常置于吸收池的前面！〔防止強光照射引起吸收池中一些物質(zhì)的分解〕3、吸收池：可用石英或玻璃兩種材料制作，前者適于紫外區(qū)和可見光區(qū)；后者只適于可見光區(qū)。32二、紫外-可見分光光度計的類型按其光學(xué)系統(tǒng)可分為單波長分光光度計和雙波長分光光度計。1、單波長單光束分光光度計目前國內(nèi)廣泛采用721型分光光度計。具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作方便、維修也比較容易，適用于常規(guī)分析。2、單波長雙光束分光光度計：國產(chǎn)710型、日立UV-340型等。雙光束方法因光束幾乎同時通過樣品池和參比池，因此可消除光源不穩(wěn)產(chǎn)生的誤差。-----提高測量的精確度。333、雙波長分光光度計：國產(chǎn)WFZ800-5型、島津UV-260型優(yōu)點：是可以在有背景干擾或共存組分吸收干憂的情況下對某組分進(jìn)行定量測定。4、多通道分光光度計20世紀(jì)80年代初問世。以光二極管陣列作檢測器。適于分析快速反響動力學(xué)研究及多組分混合物的分析。5、光導(dǎo)纖維探頭式分光光度計常用于環(huán)境和過程檢測。3536第四節(jié)紫外吸收光譜的應(yīng)用一、純度檢查二、定性分析三、有機物結(jié)構(gòu)輔助推斷四、定量分析

一、純度檢查如果一化合物在紫外區(qū)沒有吸收峰，而其中的雜質(zhì)有較強吸收，就可方便地檢出該化合物中的痕量雜質(zhì)。例如：要檢定甲醇或乙醇中的雜質(zhì)苯，可利用苯在254nm處的B吸收帶，而甲醇或乙醇在此波長處幾乎沒有吸收。37二、定性分析max,max：化合物特性參數(shù)，可作為定性依據(jù)；有機化合物紫外吸收光譜：反映結(jié)構(gòu)中生色團和助色團的特性，不完全反映整個分子特性；結(jié)構(gòu)確定的輔助工具；〔一〕制作試樣的吸收曲線并與標(biāo)準(zhǔn)紫外光譜對照；max，max都相同，可能是一個化合物；標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫：46000種化合物紫外光譜的標(biāo)準(zhǔn)譜圖?Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet?38〔二〕利用Woodward-Fiesert經(jīng)驗規(guī)那么求最大吸收波長。當(dāng)通過其它方法獲得一系列可能的分子結(jié)構(gòu)式后，可通過此規(guī)那么估算最大吸收波長并與實測值比照。Woodward-Fiesert經(jīng)驗規(guī)那么：計算共軛烯烴—*躍遷最大吸收峰位置的經(jīng)驗規(guī)那么max=基+niini

i:由雙鍵上取代基種類和個數(shù)決定的校正項基-----是共軛二烯母體的根本值；39異環(huán)二烯/無環(huán)二烯

基=217nm

同環(huán)二烯

基=253nm

共軛烯烴最大吸收波長

max=

基+

ni

i

伍德沃德——菲澤規(guī)那么母體根本值：40niI:(1)每延長一個共軛雙鍵+30nm(2)增加一個環(huán)外雙鍵+5nm(3)增加一個烷基〔-R〕+5nm(4)烷氧基〔-OR〕+6nm(5)-SR+30nm(6)鹵素〔-Cl，-Br〕+5nm(7)-NR2+60nm41

max：232273268268用伍德沃德——菲澤規(guī)那么計算以下化合物的max42Woodward-Fieser規(guī)則估算最大吸收波長的幾個實例：四43三、有機化合物結(jié)構(gòu)輔助推斷1.可獲得的結(jié)構(gòu)信息〔1〕在210～250nm波長范圍內(nèi)有強吸收峰，那么可能含有2個共軛雙鍵；假設(shè)在260～350nm波長范圍內(nèi)有強吸收峰，那么說明該有機物含有3個或3個以上共軛雙鍵?！?〕假設(shè)在250～300nm波長范圍內(nèi)有中等強度的吸收峰那么可能含苯環(huán)，假設(shè)有精細(xì)結(jié)構(gòu)的話，可能是苯環(huán)的特征吸收?！?〕假設(shè)在270～350nm波長范圍內(nèi)有低強度吸收峰,〔n→π*躍遷〕，那么可能含有羰基?！?〕假設(shè)在200～750nm波長范圍內(nèi)無吸收峰，那么可能是直鏈烷烴、環(huán)烷烴或僅含一個雙鍵的烯烴等。了解共軛程度，