第九章 紫外可見光譜法

第九章紫外吸收光譜分析

(UltravioletSpectrophotometry)9.1紫外可見吸收光譜原理9.2紫外可見分光光度計9.3紫外可見吸收光譜法的應(yīng)用本章重點紫外吸收光譜的基本原理光吸收基本定律影響紫外吸收光譜的因素紫外吸收光譜儀的結(jié)構(gòu)紫外可見吸收光譜法的應(yīng)用波譜區(qū)-射線波長5~140pm躍遷類型核能級X-射線遠(yuǎn)紫外光10-3~10nm10~200nm原子內(nèi)層電子近紫外光可見光200~400nm400~750nm原子外層電子/分子成鍵電子UV-Vis紫外可見吸收光譜法是基于物質(zhì)對200～750nm光譜區(qū)輻射的吸收特性建立起來的分析測定方法。紫外吸收光譜法的基本特點：1.靈敏度高。檢出限低（10-7～10-4gml-1）。2.準(zhǔn)確度較高。3.儀器價格便宜，操作簡單。4.應(yīng)用范圍廣。主要應(yīng)用于共軛體系及芳香族化合物的分析。光譜圖比較簡單，峰形較寬。一般來說，利用紫外吸收光譜進(jìn)行定性分析信號較少。常用于共軛體系的定量分析。在分子中存在著電子的運動，以及組成分子的各原子間的振動和整個分子的轉(zhuǎn)動。分子的總能量等于這三種運動能量之和：E分子=E電子+E振動+E轉(zhuǎn)動1．分子吸收光譜的產(chǎn)生9.1紫外-可見吸收光譜這三種運動狀態(tài)對應(yīng)的能級：電子能級、振動能級和轉(zhuǎn)動能級。其中電子能級的間距最大，振動能級次之，轉(zhuǎn)動能級的間距最小。當(dāng)用光照射分子時，若光的能量等于分子某兩個能級的能量差，分子由較低的能級躍遷到較高能級上，產(chǎn)生吸收。分子就要選擇性的吸收某些波長（頻率）的光。紫外-可見光譜的產(chǎn)生是由外層價電子能級躍遷所致，其能級差的大小決定了:

（1）吸收峰的強(qiáng)度

（2）吸收峰的數(shù)目

（3）吸收峰的位置

（4）吸收峰的形狀

分子吸收光譜類型有：遠(yuǎn)紅外光譜、紅外光譜及紫外-可見光譜三類。每一種物質(zhì)對不同波長光的吸收程度不同。當(dāng)各種不同波長的光分別通過被測物質(zhì)，分別測定物質(zhì)的吸收程度。以波長為橫坐標(biāo)，吸收程度A為縱坐標(biāo)作圖所得曲線叫吸收光譜又稱吸收曲線。

2.吸收光譜紫外-可見吸收光譜中包含分子的化學(xué)鍵信息。其吸收峰的位置與分子中特定的功能基團(tuán)密切相關(guān)，是有機(jī)化合物、無機(jī)配位化合物、生物分子的有效定性、定量分析手段。

最大吸收峰所對應(yīng)的波長稱為λmax，相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)為εmax。曲線中的谷稱為吸收谷或最小吸收(λmin),有時在曲線中還可看到肩峰（sh）。

3．吸收曲線的特點

由于每個電子能級上耦合有許多的振-轉(zhuǎn)能級，所以吸收光譜具有“帶狀吸收”的特點。

1）不同的物質(zhì)，吸收曲線的形狀不同，最大吸收波長λmax不同。2）對同一物質(zhì)，其濃度不同時，吸收曲線形狀和最大吸收波長不變，只是吸收程度要發(fā)生變化，表現(xiàn)在曲線上就是曲線的高低發(fā)生變化。

3）吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長的重要依據(jù)。在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作為物質(zhì)定量分析的依據(jù),測定最靈敏。4）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。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有時可能相同，但εmax不一定相同.原子吸收產(chǎn)生的特征頻率少，光譜比分子吸收光譜簡單。原子吸收光譜是線光譜，分子吸收光譜為連續(xù)光譜。Didyounoticethat??原子吸收和分子吸收光譜的區(qū)別？三種主要價電子：σ電子→飽和的σ鍵π電子→不飽和的π鍵n電子→未參與成鍵的孤對電子分子軌道有成鍵軌道與反鍵軌道。它們的能級高低為：σ<π<n<π*<σ*9.1.1有機(jī)化合物的紫外吸收光譜*n*n***n*

**可以產(chǎn)生六種電子躍遷：σ→σ*、σ→π*、π→σ*、π→π*、n→σ*、n→π*。1、電子的躍遷類型VacuumultravioleradianNearultravioleradiationVisiblelight

→*π→π*n→*n→π*n→π*Chargetransferλ/nmWavelengthregionandintensityofCommonelectronictransitionsσ→σ*～150nmn→σ*

～200nmπ→π*～200nm(孤立雙鍵)n→π*～300nm躍遷能量大?。簄→σ*>π→π*>

n→π*σ→σ*、σ→π*、π→σ*躍遷所需的能量較大，其相應(yīng)的吸收光譜<200nm,一般的儀器難以測量。紫外-可見吸收光譜分析中，有機(jī)化合物的吸收光譜主要由π→π*、n→σ*、n→π*及電荷轉(zhuǎn)移躍遷產(chǎn)生。

1.n→σ*躍遷

由含氧，氮，硫，鹵素等雜原子飽和基團(tuán)（—OH，—NH2,—SH，—X等）化合物產(chǎn)生。摩爾吸光系數(shù)較小，λ150~250nm（遠(yuǎn)、近紫外區(qū)）。2.π→π*躍遷

不飽和基團(tuán)（-C=C-，-C=O），摩爾吸光系數(shù)較大（≥104Lmol-1cm-1)，λ~200nm(近紫外區(qū)）。-*和n-*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)，對光的吸收強(qiáng)烈，是我們的研究重點。含雜原子不飽和基團(tuán)（-C=O，-C=S，-N=N-，-C≡N，-N=O）產(chǎn)生。能量最小，摩爾吸光系數(shù)較?。?lt;100Lmol-1cm-1)。λ200-400nm（近紫外區(qū)甚至可見光區(qū)）。3.n→π*躍遷電荷轉(zhuǎn)移躍遷見P235。

9.1.2無機(jī)化合物的紫外吸收光譜9.1.2.1電荷遷移躍遷Mn++Lb-

M(n-1)+—L(b+1)-h{Fe3+—SCN-]2+[Fe2+—SCN]2+h9.1.2.2

配位場躍遷（d-d躍遷，f-f躍遷）中心離子為電子受體，配體是電子給體。

9.1.3常用術(shù)語與譜帶分類9.1.3.1生色團(tuán)

能吸收紫外-可見光的基團(tuán)叫生色團(tuán)。對有機(jī)化合物：主要為具有不飽和鍵和未成對電子的基團(tuán)。例：

注：當(dāng)分子中出現(xiàn)幾個發(fā)色團(tuán)，它們不共軛，吸收光譜由這些的發(fā)色團(tuán)吸收帶組成；如果共軛則幾個發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波長將比單個發(fā)色團(tuán)的吸收波長長，強(qiáng)度也增強(qiáng)。常見生色團(tuán)的吸光特性見表9-1。9.1.3.2助色團(tuán)本身無紫外吸收，但可以使生色團(tuán)吸收峰加強(qiáng)同時使吸收峰紅移的基團(tuán)。對有機(jī)化合物主要為連有雜原子的飽和基團(tuán)。例：—OH，—OR，—NH2，—NR2，—X等。常見助色團(tuán)的助色順序：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-N(CH3)2<-NHC6H5<-O-

9.1.3.3

紅移和藍(lán)移

由于化合物結(jié)構(gòu)變化（共軛、引入助色團(tuán)取代基）或采用不同溶劑后吸收峰位置會移動。向長波方向移動叫紅移；向短波方向移動叫藍(lán)移。9.1.3.4

增色效應(yīng)和減色效應(yīng)

增色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度（摩爾吸光系數(shù)）增強(qiáng)。減色效應(yīng)：吸收強(qiáng)度減小的效應(yīng)。9.1.3.5

強(qiáng)帶和弱帶

εmax>105→強(qiáng)帶εmax<103→弱帶(1)R帶[來自德文Radikalartig(基團(tuán))]由n-*躍遷引起,或者說由帶孤對電子的發(fā)色團(tuán)產(chǎn)生。特點：①λmax200~400nm，吸收強(qiáng)度弱,εmax＜100；②溶劑極性↑時，λmax發(fā)生藍(lán)移。吸收帶分類

(2)K帶[來自德文Konjugierte(共軛)]由共軛體系的π-*躍遷引起。共軛雙烯、α,β－不飽和醛/酮、芳香族醛/酮以及被發(fā)色團(tuán)取代的苯（如苯乙烯）等，都有K帶吸收。K帶是最重要的UV吸收帶之一，應(yīng)用最多。特點：①λmax210－270nm，吸收很強(qiáng)，εmax＞10000；②溶劑極性↑，λmax不變(雙烯)或發(fā)生紅移(烯酮)。3）B帶—德文Benzienoid(苯系)由苯環(huán)的-*躍遷引起，是芳香族化合物的特征吸收。特點：＊寬峰，有精細(xì)結(jié)構(gòu)(苯的B帶在230－270nm，中心在256nm左右)；但是在極性溶劑中精細(xì)結(jié)構(gòu)會消失。＊εmax偏低：250＜ε＜3000(苯為215)。4）E帶-Ethylenic(乙烯型)

芳香族化合物的特征吸收。分為E1和E2兩個吸收帶：E1帶：由苯環(huán)乙烯鍵電子*躍遷產(chǎn)生，吸收峰在184nm，lg＞4。E1帶特強(qiáng)，無精細(xì)結(jié)構(gòu)。E2帶：由苯環(huán)共軛二烯鍵電子*躍遷產(chǎn)生，吸收峰在204nm，lg=4（約為7900）,中等強(qiáng)度。有不清晰的精細(xì)結(jié)構(gòu)。苯環(huán)最重要的吸收帶是B帶，雖然強(qiáng)度不高但具有精細(xì)結(jié)構(gòu)很典型，是苯最重要的吸收帶，又稱苯型帶。E1帶：

*184nm(＞10000)E2帶：

*203nm(≈7400)B帶：

*254nm(≈200)識別上述幾種吸收帶，對推導(dǎo)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)有很大幫助。苯環(huán)上引入取代基并和苯環(huán)共軛時，E帶和B帶紅移，但E2一般不超過210nm。如果超過210nm，E帶將衍變?yōu)镵帶。

9.1.4.影響因素共軛效應(yīng)使得各能級間的能量差減小，吸收波長紅移。吸光度也增強(qiáng)。9.1.4.1共軛效應(yīng)溶劑極性↑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。9.1.4.2溶劑效應(yīng)1.溶劑極性對光譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的影響改變?nèi)軇┑臉O性，會引起吸收帶形狀、最大吸收波長吸收強(qiáng)度及精細(xì)結(jié)構(gòu)（finestructure）發(fā)生變化。

2.溶劑極性對π-π*躍遷的影響

溶劑極性增大，λmax紅移；3.溶劑極性對n-π*躍遷的影響溶劑極性↑，λmax藍(lán)移；π→π*躍遷的吸收峰在下列哪種溶劑中測量，其最大吸收波長最大？

（1）水

（2）甲醇

（3）乙醇

（4）正己烷★掌握溶劑極性對π-π*、n-π*兩種躍遷的影響及原因★會區(qū)分π-π*、n-π*躍遷的兩種吸收帶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。在進(jìn)行紫外光譜法分析時，必須正確選擇溶劑。4.溶劑的選擇1.極性適當(dāng)；盡量選用非極性或低極性溶劑.2.溶解度好，溶液穩(wěn)定。3.純度高；4.溶劑在試樣的吸收光譜區(qū)無明顯吸收。截止波長<λmax.詳見表9-3（a）苯酚的UV光譜圖（b）苯胺的UV光譜圖9.1.4.3pH的影響

如果化合物在不同pH下存在不同型體，其吸收峰位置會隨pH的改變而改變。9.2紫外及可見分光光度計9.2.1分光光度計的結(jié)構(gòu)A光源單色器吸收池檢測器顯示器

熱輻射光源用于可見光區(qū)和近紅外區(qū)。如鎢燈、鹵鎢燈(碘鎢燈),可使用范圍320~2500nm。氣體放電光源用于紫外光區(qū)，如氫燈、氘燈和氙燈（200~360nm）。另外，為了使光源發(fā)出的光在測量時穩(wěn)定，光源的供電一般都要用穩(wěn)壓電源，即加一個穩(wěn)壓器。1.光源

用于提供足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定的連續(xù)光譜。常用光源有熱輻射光源和氣體放電光源兩類。單色器包括狹縫、準(zhǔn)直鏡、色散元件。能從光源輻射的復(fù)合光中分出單色光，其主要功能：產(chǎn)生光譜純度高的光波且波長在紫外可見區(qū)域內(nèi)任意可調(diào)。2．單色器棱鏡有玻璃和石英兩種材料。玻璃可吸收紫外光，玻璃棱鏡只能用于350~3200nm的波長范圍，即可見光域內(nèi)。石英棱鏡可使用的波長從185~4000nm，可用于紫外、可見和近紅外三個光域。光柵是利用光的衍射與干涉作用制成的，是光的衍射與干涉的總效果。它可用于紫外、可見及紅外光域，而且在整個波長區(qū)具有良好的、幾乎均勻一致的分辨能力。棱鏡和光柵產(chǎn)生的光譜主要區(qū)別：（1）光柵光譜是均勻排列光譜，棱鏡光譜是非均勻排列光譜.（2）光柵光譜中各譜線排列是由紫到紅，棱鏡光譜中各譜線排列是由紅到紫。（3）光柵光譜有級，極與極之間有重疊現(xiàn)象，棱鏡光譜沒有這種現(xiàn)象。（4）光柵適用的范圍比棱鏡寬。

3．吸收池

玻璃—能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英—不吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對光的吸收和反射應(yīng)一致）4．檢測器光電池光電管（紅敏和藍(lán)敏）光電倍增管二極管陣列檢測器光電管：是在抽成真空或充有惰性氣體的玻璃或石英泡內(nèi)裝上2個電極構(gòu)成；光電倍增管：是一個非常靈敏的光電器件，可以把微弱的光轉(zhuǎn)換成電流。它利用二次電子發(fā)射以放大光電流，放大倍數(shù)可達(dá)到108倍。

P2439.2.2.1.單光束型9.2.2儀器類型：特點：結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。主要適用于定量分析，而不適用于定性分析。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，另外，結(jié)果受電源的波動影響較大。要求光源和檢測器具有很高的穩(wěn)定性。9.2.2.2

單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器自動比較了透過參比溶液和樣品溶液的光的強(qiáng)度，它不受光源（電源）變化的影響。能進(jìn)行波長掃描，并自動記錄各波長下的吸光度，并很快得到試液的吸收光譜。能用于定性分析。特別適合結(jié)構(gòu)分析。雙光束分光光度計特點：光源單色器單色器檢測器切光器狹縫吸收池9.2.2.3雙光束雙波長分光光度計9.2.2.4多通道分光光度計

見教材。將不同波長的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過同一吸收池而后到達(dá)檢測器。產(chǎn)生交流信號。無需參比池?！?1～2nm。兩波長同時掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。2.光吸收基本定律Beer’slaw(ortheBeer-Lambertlaw)wheretheconcentrationc,isusuallygiveninMandthepathlengthofthesample,b,incm,εisthemolarabsorptivityandisgivenin

M-1cm-1A=abcAAxCxC當(dāng)吸光度在0.2～0.8之間時，測量誤差較小。當(dāng)T=0.368或A=0.434時，測量誤差最小?？刂七m當(dāng)?shù)奈舛确秶?9.3.1.1比較法定性鑒別的依據(jù)：

特征吸收光譜的形狀→吸收峰的數(shù)目→吸收峰的位置→吸收峰的強(qiáng)度(相應(yīng)的吸光系數(shù))。在相同的測定條件下，比較未知試樣與已知標(biāo)準(zhǔn)物的吸收光譜。9.3.1定性分析比較光譜時,溶劑要相同.9.3紫外-可見光譜的應(yīng)用9.3.1.2最大吸收波長計算法1.利用Woodward-Fieser經(jīng)驗規(guī)（伍德沃德規(guī)則）求最大吸收波長適用于共軛二烯、三烯、四烯及共軛烯酮類化合物的π-π*躍遷的最大吸收波長的計算。方法：找到母體，得到其最大吸收基數(shù)，然后對連接在母體π電子體系上的取代基及其他結(jié)構(gòu)因素加以修正，即加上這些取代基的相應(yīng)的波長數(shù)。延伸雙鍵30環(huán)外雙鍵5

共軛體系上取代烷基5OR6SR30Cl,Br5位移增量（nm）:1）共軛二烯最大吸收位置的計算母體：非環(huán)或異環(huán)二烯烴基準(zhǔn)值214nm同環(huán)二烯烴基準(zhǔn)值253nm注：如果化合物是同時具有兩種母體的二烯烴體系，則選擇波長長的作為母體，即選同環(huán)二烯烴，其基數(shù)取253nm。

基值

214四個烷基取代4520二個環(huán)外雙鍵2510計算值(max)244nm實測值(max)247nm例1（p250例二）

基值

214五個烷基取代5525二個環(huán)外雙鍵2510共軛雙鍵延長13030計算值(max)279nm例2abbcdeABC2），不飽和酮最大吸收位置的計算值六元環(huán)或非環(huán)，不飽和酮基準(zhǔn)值215nm位移增量（nm）同環(huán)共軛雙鍵39環(huán)外雙鍵（C=C）5延伸雙鍵30具體見表9-5共軛體系上取代基α：10；β：12；γ位或更高位：18OCORαβγδ：6OHα：35；β：30；γ：50Clα：15：β：12Brα：25；β：30NR2β：952.Fieser-Kuhn經(jīng)驗規(guī)則3.Scott經(jīng)驗規(guī)則見教材251頁。不要求。9.3.2結(jié)構(gòu)分析光吸收定律：朗伯—比耳定律

當(dāng)強(qiáng)度為I0的一定波長的單色入射光通過裝有均勻待測物的溶液介質(zhì)時，該光束將被部分吸收Ia，部分反射Ir，余下的則通過待測物溶液It。反射光強(qiáng)度與器皿及溶液性質(zhì)有關(guān)，在相同的測定條件下，可忽略不記：9.3.3定量分析

吸光物質(zhì)的吸光度正比于其濃度c：A=-lgT=Kbc

9.3.3.1單組分的測定

標(biāo)準(zhǔn)曲線法是應(yīng)用最多的一種方法。配制一系列不同含量的待測組分的標(biāo)準(zhǔn)溶液，以不含待測組分的空白溶液為參比，測定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度。繪制吸光度—濃度曲線，得到標(biāo)準(zhǔn)曲線（工作曲線）。然后在相同條件下測定試樣溶液的吸光度。由測得的吸光度在曲線上查得待測組分的濃度，最后計算得到試樣中待測組分的含量