儀器分析第三章(含練習(xí)題).ppt

1、第3章 紫外可見(jiàn)分光光度法法 Ultraviolet and visible Spectrometry (UV-Vis),紫外-可見(jiàn)吸收光譜 朗伯-比爾定律 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì) 分析條件的選擇 UV-Vis的應(yīng)用,3.1.1 分子吸收光譜的形成,紫外可見(jiàn)吸收光譜產(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，也稱(chēng)為電子光譜。 (1) 遠(yuǎn)紫外光區(qū): 100-200nm (2) 近紫外光區(qū): 200-400nm (3) 可見(jiàn)光區(qū):400-800nm（已學(xué)） 物質(zhì)顏色與吸收光的關(guān)系：,3.1紫外可見(jiàn)吸收光譜,紫外可見(jiàn)吸收光譜與電子躍遷,物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式 電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)總伴隨有振動(dòng)和

2、轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷。即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。,3.1.2 有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)光譜,（一）電子躍遷類(lèi)型,有機(jī)化合物的紫外可見(jiàn)吸收光譜是三種價(jià)電子躍遷的結(jié)果：電子、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(jiàn)輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種類(lèi)型躍遷， 其所需能量大小順序?yàn)椋?n n ,（1）躍遷,所需能量最大；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(zhǎng)200 nm；,例：甲烷的max為125 nm ,乙烷max為135nm。只能被真空紫外分光光度計(jì)檢

3、測(cè)到；故可作為溶劑使用。,遠(yuǎn)紫外（真空）吸收帶,所需能量較大； 吸收波長(zhǎng)為150210 nm，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* 躍遷。,（2）n躍遷,末端吸收帶,所需能量較小 吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)。 max一般在104 Lmol1cm1以上，屬于強(qiáng)吸收。 不飽和烴、共軛烯烴和芳香烴類(lèi)均可發(fā)生該類(lèi)躍遷。,（3） *躍遷,K 吸收帶,需能量最低，吸收波長(zhǎng)200nm。 屬于禁阻躍遷，max一般為10100Lmol-1 cm-1，吸收譜帶強(qiáng)度較弱。 分子中孤對(duì)電子和鍵同時(shí)存在時(shí)發(fā)生n 躍遷。丙酮n 躍遷的為27

4、5nmmax為22 Lmol-1 cm -1（溶劑環(huán)己烷)。,（4） n*躍遷,R 吸收帶,（二）有機(jī)化合物紫外-可見(jiàn)光譜特征,1）飽和有機(jī)化合物 *躍遷 ， n*躍遷,2）不飽和脂肪族化合物 *躍遷， n*躍遷,3）芳香族化合物 E1帶，E2帶：芳環(huán)內(nèi)共軛乙烯基*產(chǎn)生； B帶：芳環(huán)大鍵躍遷產(chǎn)生（精細(xì)結(jié)構(gòu)）。,3.1.3 無(wú)機(jī)化合物的吸收光譜,產(chǎn)生無(wú)機(jī)化合物紫外、可見(jiàn)吸收光譜的電子躍遷形式一般分為電荷遷移躍遷和配位場(chǎng)躍遷。,在配體的作用下過(guò)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(chǎn)生d-d、 f-f 躍遷； 必須在配體的配位場(chǎng)作用下才可能產(chǎn)生也稱(chēng)配位場(chǎng)躍遷； 摩爾吸收系數(shù)很小

5、，對(duì)定量分析意義不大。,（一）配位場(chǎng)躍遷,輻射下，配合物分子中原定域在金屬M(fèi)軌道上的電荷轉(zhuǎn)移到配位體L的軌道，或按相反方向轉(zhuǎn)移，所產(chǎn)生的吸收光譜稱(chēng)為電荷遷移吸收光譜。,電子接受體,電子給予體,分子內(nèi)氧化還原反應(yīng)； 104 Fe2+與鄰菲羅啉配合物的紫外吸收光譜屬于此。,（二）電荷遷移躍遷,吸收光度法所使用的顯色劑絕大多數(shù)含有生色團(tuán) 及助色團(tuán)，本身為有色物質(zhì)。當(dāng)與金屬離子配位時(shí)， 作為配位體的顯色劑，其共軛結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，產(chǎn)生 -* 躍遷，導(dǎo)致其吸收光譜藍(lán)移或紅移。 定量分析中，要求絡(luò)合物與配位劑的最大吸收波 長(zhǎng)之差大約在60nm以上。,（三）金屬離子影響下的配位體-* 躍遷,3.1.4 常用術(shù)

6、語(yǔ),吸收峰、谷、肩峰、末端吸收,吸收曲線,3.1.4 常用術(shù)語(yǔ),同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為最大吸收波長(zhǎng)（max）,不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似，max不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和max則不相同。 定性分析依據(jù),Ca-K-B絡(luò)合物;Mg-K-B絡(luò)合物的吸收曲線,不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度 A 有差異，即吸光度隨著濃度的增大而增大 定量分析依據(jù),物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收,在一定實(shí)驗(yàn)條件下，Ac,生色團(tuán)與助色團(tuán),生色團(tuán)： 在近紫外光區(qū)和可見(jiàn)光區(qū)有特征吸收的基團(tuán)。,結(jié)構(gòu)特征：含有n非鍵電子和電子。,生色團(tuán)與助色團(tuán),助色團(tuán)：,分子

7、中含有雜原子的基團(tuán)。,結(jié)構(gòu)特征：含有n非鍵電子。,使發(fā)色團(tuán)紅移，吸收強(qiáng)度增強(qiáng)。,紅移與藍(lán)移（紫移） 增色與減色,某些有機(jī)化合物經(jīng)取代反應(yīng)引入含有未共享電子對(duì)的基團(tuán)（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、 -SR、- NR2）之后，吸收峰的波長(zhǎng)將向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，這種效應(yīng)稱(chēng)為紅移效應(yīng)。,在不飽和烴類(lèi)分子中，當(dāng)有兩個(gè)以上的雙鍵共軛時(shí)，隨著共軛系統(tǒng)的延長(zhǎng)， *躍遷的吸收帶將明顯向長(zhǎng)波方向移動(dòng)(紅移)，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)(增色)。,3.1.5 影響紫外-可見(jiàn)光譜的因素,（一）共軛作用,非共軛體系各生色團(tuán)將獨(dú)立地產(chǎn)生吸收,但吸收強(qiáng)度增加。, Y=H,R * 150-160nm （K） n *

8、275-295nm （R）,C=O基團(tuán)可產(chǎn)生n* 、 n*、 *三個(gè)吸收帶。 n* 吸收帶又稱(chēng)R帶，落于近紫外或紫外光區(qū)， R帶吸收較弱（max100）。 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。,羰基化合物,Y= -NH2,-OH,-OR 等助色基團(tuán)， 這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙 鍵的電子產(chǎn)生p共軛,K帶紅移，R 帶藍(lán)移； R帶max =205nm ；10-100,不飽和醛酮 K帶紅移：177250nm R 帶紅移：290310nm,苯及其衍生物,苯環(huán)上助色基團(tuán)對(duì)吸收帶的影響,順?lè)串悩?gòu)：,順式：max=280nm； max=1

9、0500 反式：max=295.5 nm；max=29000,互變異構(gòu)：,酮式：max=204 nm 烯醇式：max=243 nm,（二）立體化學(xué)效應(yīng),溶劑對(duì)紫外可見(jiàn)光譜的影響較為復(fù)雜。 溶劑極性增大，B帶精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，吸收帶變向平滑。 改變?nèi)軇┑臉O性，還會(huì) 使吸收帶的最大吸收波長(zhǎng) 發(fā)生變化。,（三）溶劑對(duì)吸收光譜的影響,溶劑對(duì)最大吸收波長(zhǎng)的影響,如：異丙叉丙酮,溶劑極性增加，n*躍遷吸收帶藍(lán)移是因?yàn)椋?從上面C=O（羰基）鍵的電子云分布可以知道，相對(duì)于激發(fā)態(tài)*軌道來(lái)說(shuō)，基態(tài)時(shí)氧原子上的n電子處于定域狀態(tài)，更為集中，使得羰基的極性較為明顯，因此，在n*躍遷中，基態(tài)的極性比激發(fā)態(tài)更強(qiáng)一些。,而在

10、極性溶劑中，化合物與溶劑靜電的相互作用或氫鍵作用都可使基態(tài)或激發(fā)態(tài)趨于穩(wěn)定，但是極性大的穩(wěn)定作用更強(qiáng)一些，因此極性大的溶劑對(duì)基態(tài)n電子的影響更大一些，隨著溶劑極性的增大，基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的能量差增加，使吸收帶藍(lán)移。,這是因?yàn)椋?在*躍遷中，基態(tài)時(shí)電子主要集中在碳氧之間，使得基態(tài)的極性弱于激發(fā)態(tài)。,n *躍遷：蘭移； ；, *躍遷：紅移； ,N-亞硝基二甲胺在不同溶劑中的紫外吸收光譜圖,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。選擇溶劑時(shí)注意下列幾點(diǎn)：,3.2 光吸收的基本定律,3.2.1 朗伯比爾定律,透射比（透光

11、度）,吸光度,吸光度（A）的大小是溶液吸光程度的度量，A越大，表明溶液對(duì)光的吸收越強(qiáng)。,物理意義：當(dāng)一束單色光通過(guò)含有吸光物質(zhì)的溶液后，溶液的吸光度與吸光物質(zhì)的濃度及吸收層厚度成正比，這是吸光光度法進(jìn)行定量分析的理論基礎(chǔ)。 前提條件： 入射光為平行單色光且垂直照射； 吸光物質(zhì)為均勻非散射體系； 吸光質(zhì)點(diǎn)之間無(wú)相互作用（稀溶液） ； 輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收過(guò)程，無(wú)熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生。,在含有多種吸光物質(zhì)的溶液中，溶液對(duì)某一單色光的總吸光度等于各吸光物質(zhì)的吸光度之和，即：,b: cm c: gL-1 k用a表示, a稱(chēng)為吸收系數(shù) 單位：Lg-1cm-1 A=abc,(2) 摩爾吸收系數(shù)

12、,b: cm c: molL-1 k用表示, 稱(chēng)為摩爾吸收系數(shù) 單位：Lmol -1cm-1,3.2.2 吸收系數(shù),(1) 吸收系數(shù) a,影響的因素: 波長(zhǎng)、吸光物質(zhì)性質(zhì)、溶劑、溫度、溶液的組成、儀器靈敏度等。,當(dāng)波長(zhǎng)、溫度、溶劑等條件一定時(shí)： 不同物質(zhì)不同 同一物質(zhì)隨而改變，max時(shí)其表示為max， max，靈敏度 max104 Lmol -1cm-1的方法較靈敏 同一物質(zhì)不隨濃度的變化而變化。,3.2.3 引起偏離朗伯比爾定律的因素,（一）與樣品溶液有關(guān)的因素 1) 溶液濃度過(guò)高引起的偏差 2) 化學(xué)反應(yīng)引起的偏差 3) 介質(zhì)不均勻引起的偏差 （二）與儀器有關(guān)的因素 1) 非單色光引起的偏

13、差 因此，通常應(yīng)選擇最大吸收波長(zhǎng)為測(cè)定波長(zhǎng)。 2) 非平行入射光引起的偏差,例：用鄰二氮菲分光光度法測(cè)鐵。已知溶液中Fe2+的濃度為500g/L，液層厚度為2cm，在508nm處測(cè)得透射比為0.645。計(jì)算吸收系數(shù)a和摩爾吸收系數(shù) (已知鐵的摩爾質(zhì)量為55.85 g/mol)。,3.3紫外及可見(jiàn)分光光度計(jì),3.3.1 儀器基本部件,3.3.1 儀器基本部件,1) 光源 在整個(gè)紫外光區(qū)或可見(jiàn)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。,2) 單色器（分光系統(tǒng)）,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)。,棱鏡：依據(jù)不同波長(zhǎng)光通過(guò)棱鏡時(shí)折射率

14、不同。,2) 單色器（分光系統(tǒng)）,3) 吸收池,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(jiàn)區(qū)一般用玻璃池。,4) 檢測(cè)器 利用光電效應(yīng)將透過(guò)吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管(紅敏600-1200nm和藍(lán)敏220-625nm)。,5) 結(jié)果顯示記錄系統(tǒng) 檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理。,1、單光束分光光度計(jì),3.3.2 分光光度計(jì)的構(gòu)造原理,2、雙光束分光光度計(jì),3、雙波長(zhǎng)分光光度計(jì),多組分混合物 混濁試樣分析 背景干擾 共存組分干擾,3.3.2 分光光度計(jì)的校正 （一）波長(zhǎng)校正：鐠釹玻璃或鈥玻璃 （二）吸光度校正：鉻酸鉀溶液,

15、3.4 分析條件的選擇,3.4.1 儀器測(cè)量條件 3.4.2 顯色反應(yīng)條件 3.4.3 參比溶液 3.4.4 干擾及消除辦法,3.5 紫外可見(jiàn)光譜法應(yīng)用,3.5.1 定性分析,（一）吸收曲線比較法,1. 與標(biāo)準(zhǔn)化合物的 吸收光譜比較,2. 與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比較,（二）經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算,63,（一）伍德沃德-費(fèi)澤（Woodward-Fieser）規(guī)則 共軛雙鍵的數(shù)目，共軛體系上取代基的種類(lèi)、數(shù)目和立體結(jié)構(gòu)等因素都對(duì)共軛多烯體系的紫外光譜產(chǎn)生影響。 Woodward-Fieser 總結(jié)出共軛烯烴最大吸收波長(zhǎng)的計(jì)算方法，用于估算共軛多烯體系 K 帶的 max：,64,環(huán)狀共軛二烯波長(zhǎng)計(jì)算法,65,鏈狀共軛

16、多烯類(lèi)化合物的波長(zhǎng)計(jì)算法,66,應(yīng)用此規(guī)則的注意事項(xiàng)：（1）當(dāng)有多個(gè)母體可供選擇時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇較長(zhǎng)波長(zhǎng)的母體，如共軛體系中若同時(shí)存在同環(huán)二烯與異環(huán)二烯時(shí)，應(yīng)選擇同環(huán)二烯作為母體；（2）環(huán)外雙鍵在這里特指 C=C 雙鍵中有一個(gè) C 原子在該環(huán)上，另一個(gè) C 原子不在該環(huán)上的情況（如結(jié)構(gòu)式 A），而結(jié)構(gòu)式 B 和 C 則不是； A B C,67,（3）計(jì)算時(shí)應(yīng)將共軛體系上的所有取代基及所有環(huán)外雙鍵均考慮在內(nèi)，對(duì)“身兼數(shù)職”的基團(tuán)應(yīng)按實(shí)際“兼職”次數(shù)計(jì)算增加值，同時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確判斷共軛體系的起點(diǎn)與終點(diǎn)，防止將與共軛體系無(wú)關(guān)的基團(tuán)計(jì)算在內(nèi)；（4）該規(guī)則不適用于共軛體系雙鍵多于四個(gè)的體系，也不適用于交叉共軛體

17、系，典型的交叉共軛體系骨架結(jié)構(gòu)如下：,68,例1 計(jì)算下面化合物的 max 同環(huán)共軛二烯母體基本值 253nm 增加共軛雙鍵（230） + 60nm 環(huán)外雙鍵（35） + 15nm 環(huán)殘基或烷基取代（55）+ 25nm 酰氧基取代 + 0nm max計(jì)算值 353nm （實(shí)測(cè)值：356nm）,環(huán)外雙鍵 + 5,烷基 + 5 3,O,R,烷基,例 2 烷基,基準(zhǔn)值 253 nm 共軛雙鍵 + 30,酰氧基 + 0 計(jì)算值 303 nm 實(shí)測(cè)值 304 nm,O 酰氧基,共軛雙鍵 環(huán)外雙鍵,烷基,70,異環(huán)共軛二烯母體基本值： 214nm 增加共軛雙鍵（130） + 30nm 環(huán)外雙鍵（35） +

18、 15nm 環(huán)殘基或烷基取代（55） + 25nm max計(jì)算值 284nm （實(shí)測(cè)值：283nm）,71,鏈狀共軛雙鍵基本值 217nm 4個(gè)環(huán)殘基或烷基取代 +20nm 2個(gè)環(huán)外雙鍵 +10nm max計(jì)算值 247nm （實(shí)測(cè)值：247nm）,72,鏈狀共軛雙鍵基本值 217nm 4個(gè)環(huán)殘基或烷基取代 +20nm 1個(gè)環(huán)外雙鍵 +5nm max計(jì)算值 243nm （實(shí)測(cè)值：243nm）,73,（二） Scott規(guī)則芳香羰基化合物 用具有芳香羰基結(jié)構(gòu)的化合物 max 計(jì)算方法，表 2-11 為Scott規(guī)則，用于估算具有芳香羰基結(jié)構(gòu)（XC6H4COZ）的化合物 E2 吸收帶的max：,74

19、,（二） ，-不飽和羰基化合物,，-不飽和醛、酮Woodward,Fieser和Scott總結(jié)共軛醛，酮K帶的max的計(jì)算規(guī)則：,75,應(yīng)用該規(guī)則計(jì)算時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)： A） 環(huán)上的羰基不作為環(huán)外雙鍵看待，例如在結(jié)構(gòu) 中無(wú)環(huán)外雙鍵； B） 該規(guī)則僅適用于乙醇或甲醇溶劑，溶劑改變對(duì)實(shí)測(cè)值影 響較大，需將計(jì)算值進(jìn)行溶劑校正，見(jiàn)下表： 表： ，-不飽和醛、酮max的溶劑校正,76,例： 計(jì)算下列化合物的max,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215nm 1個(gè)烷基取代 +10 nm 2個(gè)烷基取代 +122 nm 2個(gè)環(huán)外雙鍵 +52 nm 259 nm （實(shí)測(cè)值258 nm）,77,直鏈，-不飽和酮的基本

20、值 215 nm 延長(zhǎng)1個(gè)共軛雙鍵 +30 nm 1個(gè)烷基位取代 +18 nm 1個(gè)烷基位取代 +18 nm 281 nm （實(shí)測(cè)值 281 nm）,78,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215 nm 1個(gè)烷基位取代 +10 nm 2個(gè)烷基位取代 +122 nm 2個(gè)環(huán)外雙鍵 +52 nm 259 nm （乙醇中實(shí)測(cè)值 254 nm）,79,六元環(huán)，-不飽和酮的基本值 215 nm 延長(zhǎng)2個(gè)共軛雙鍵 +302nm 同環(huán)共軛雙鍵 +39nm 1個(gè)烷基位取代 +12 nm 3個(gè)烷基位以遠(yuǎn)取代 +183 nm 1個(gè)環(huán)外雙鍵 +5 nm 385 nm （乙醇中實(shí)測(cè)值 388 nm）,80,（三）Scott

21、規(guī)則（乙醇為溶劑）,醛,酮,羧酸或酯,81,例： 計(jì)算下列化合物的max Z=OH 基本值 230nm 對(duì)位NH2取代 +58nm 計(jì)算值 288nm （實(shí)測(cè)值 288nm）,82,Z=R 基本值 246nm鄰位OH取代 +7nm鄰位環(huán)殘基 +3nm間位Cl取代 +0nm 計(jì)算值 256nm （實(shí)測(cè)值 257nm）,83,Z=H 基本值 250nm對(duì)位NHAc取代 +45nm計(jì)算值 295nm （實(shí)測(cè)值 292nm）,紫外光譜的結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用舉例 例 1. 膽甾烯酮（I）的烯醇式乙酸酯的結(jié)構(gòu)可 以是（II）或（III），經(jīng)測(cè)定其紫外光 譜max = 238 nm (log = 4.2)。哪個(gè) 結(jié)

22、構(gòu)更合理？,O,R,(I),O,O,R,( III ),O,O,R,( II ),O,R,(I),HO,R,+,HO,R,214 + 53 + 5 = 234 nm,253 + 53 + 5 = 273 nm,O,O,R,( II ),O,O,R,( III ),例 2. 由花精油合成得到的紫羅蘭酮的兩個(gè)異 構(gòu)體的結(jié)構(gòu)就是利用紫外光譜來(lái)確定的。,K帶：228 nm (14000) 296 nm (11000),O,CHO,O C2H5ONa / C2H5OH,H+,-紫羅蘭酮,+,-紫羅蘭酮,O,O,計(jì)算值： 227 nm,299 nm,3.5.2 結(jié)構(gòu)分析,判斷異構(gòu)體,酮式：max=204 nm；無(wú)共軛 烯醇式：max=243 nm,max=270nm； max=400 nm；,（一）單組份定量分析 （二）多組份定量分析 （三）雙波長(zhǎng)法 （四）示差分光光度法 （五