紫外光譜分析課件

有機(jī)波譜分析主講人:余軍霞聯(lián)系方式:yujunxia_1979@QQ:379673736教材

波譜分析教程鄧芹英、劉嵐等編著科學(xué)出版社第二版波譜分析法波譜法是化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定和成分分析的重要手段，被廣泛的應(yīng)用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)分析中。波譜分析具有樣品用量少，結(jié)構(gòu)信息豐富等特點(diǎn)。波譜分析大大縮短了復(fù)雜化合物結(jié)構(gòu)測(cè)定的時(shí)間，解決了很多領(lǐng)域如：蛋白質(zhì)、核酸、多糖的結(jié)構(gòu)測(cè)定等難點(diǎn)，并廣泛的應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域。課程內(nèi)容紫外光譜紅外光譜核磁共振氫譜核磁共振碳譜質(zhì)譜多譜綜合解析紅外光譜紫外光譜質(zhì)譜tt核磁共振未知化合物的結(jié)構(gòu)測(cè)定第一章紫外光譜本章主要內(nèi)容1.紫外光譜基本原理2.紫外光譜儀3.各類(lèi)化合物的紫外吸收光譜4.紫外光譜的應(yīng)用1.1紫外光譜基本原理1.1.1定義：分子中價(jià)電子經(jīng)紫外（或可見(jiàn)光）照射時(shí)，電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，此時(shí)電子就吸收了相應(yīng)波長(zhǎng)的光，這樣產(chǎn)生的吸收光譜叫紫外光譜。紫外吸收光譜的波長(zhǎng)范圍是10-400nm(納米),其中10-200nm為遠(yuǎn)紫外區(qū)，200-400nm為近紫外區(qū),一般的紫外光譜是指近紫外區(qū)。1.1.2紫外光譜產(chǎn)生原理

光的本質(zhì):光是一種電磁波，具有波粒二相性。波動(dòng)性：可用波長(zhǎng)()、頻率(v)和波數(shù)()來(lái)描述。M+h

→M*

基態(tài)激發(fā)態(tài)

E1

（△E）E2當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射到物質(zhì)表面時(shí)，物質(zhì)會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光E=E2-

E1=h不同的物質(zhì)，電子躍遷所需能量不同，因此不同的物質(zhì)有不同的紫外響應(yīng)特性。E基態(tài)激發(fā)態(tài)羅丹明B亞甲基藍(lán)區(qū)域波長(zhǎng)原子或分子躍遷γ射線10-3~0.1nm核躍遷X射線0.1~10nm內(nèi)層電子躍遷遠(yuǎn)紫外10~200nm中層電子躍遷紫外200~400nm外層價(jià)電子躍遷可見(jiàn)400~800nm紅外0.8~50μm分子轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)躍遷遠(yuǎn)紅外50~100μm微波0.1~100cm無(wú)線電波1~100m核自旋取向躍遷不同波長(zhǎng)的光具有不同能量，因此可引發(fā)不同能級(jí)上的電子躍遷小結(jié)

紫外和可見(jiàn)光譜是由分子吸收能量引發(fā)價(jià)電子或外層電子躍遷而產(chǎn)生的，不同的物質(zhì)有不同的紫外光譜響應(yīng)，不同的光子可引發(fā)不同能級(jí)上電子的躍遷。帶狀光譜1.1.3電子躍遷類(lèi)型有機(jī)化合物的紫外—可見(jiàn)吸收光譜是三種電子躍遷的結(jié)果：

σ電子、π電子、n電子。COHnpsHsp

*s*RKE,BnpE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。主要有四種躍遷所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋?/p>

n→π＊

<π→π＊

<n→σ＊

<σ→σ＊

（1）σ→σ＊躍遷(N→V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(zhǎng)λ<200nm；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(cè)到；作為溶劑使用；（2）

π→π＊躍遷(N→V躍遷)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)，εmax一般在104以上，屬于強(qiáng)吸收。不飽和烴π→π*躍遷乙烯π→π*躍遷的λmax為171nm，εmax為:1×104

。共軛體系中的π→π*躍遷共軛體系中的鍵與鍵可相互作用，生成大鍵。由于大鍵各能級(jí)的距離較近電子容易激發(fā)，所以吸收峰的波長(zhǎng)就增加，K帶：共軛非封閉體系的π

→π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶。（210~250nm）

CH2=CH-CH=CH2芳香族化合物中的π→π*躍遷

E1帶180184nm；>10000E2帶200204nm≈1000

苯環(huán)上三個(gè)共扼雙鍵的→*躍遷特征吸收帶；

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300B帶230-270nm=200

→

*與苯環(huán)振動(dòng)引起；含取代基時(shí)，B帶簡(jiǎn)化，紅移。（3）n→σ＊躍遷（N→Q躍遷）

所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(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（生色團(tuán)、助色團(tuán)、紅移、藍(lán)移）。（4）n→π＊躍遷（N→Q躍遷）n→π＊躍遷是指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向π＊反鍵軌道的躍遷，這種躍遷稱(chēng)為R躍遷，一般在近紫外或可見(jiàn)光區(qū)有吸收，其特點(diǎn)是在270~350nm，吸光系數(shù)較小在100以?xún)?nèi)，為弱帶，該躍遷為禁阻躍遷。如：甲基乙烯基丙酮：λmax為324nm小結(jié)：紫外光譜一般指近紫外區(qū)，即200-400nm，那么就只能觀察*和n*躍遷。也就是說(shuō)紫外光譜只適用于分析分子中具有不飽和結(jié)構(gòu)的化合物。1.1.4影響紫外吸收波長(zhǎng)的因素共軛效應(yīng)超共軛效應(yīng)溶劑效應(yīng)立體效應(yīng)pH對(duì)紫外光譜的影響共軛效應(yīng)

共軛體系使分子的最高已占軌道能級(jí)升高，最低空軌道能級(jí)降低，使*躍遷能量降低，共軛體系越長(zhǎng)，紫外光譜的最大吸收越向長(zhǎng)波方向移動(dòng)（紅移），并且強(qiáng)度也增大。n=4n=3n=5吸光系數(shù)波長(zhǎng)345*H（CH=CH）nH超共軛效應(yīng)當(dāng)烷基與共軛體系相連時(shí)，σ電子與共軛體系的電子云產(chǎn)生一定程度的重疊，擴(kuò)大了共軛范圍，使躍遷能量降低，吸收紅移。CH2=CH-CH3

max（nm）

max苯254200甲苯261300間二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300溶劑效應(yīng)非極性溶劑

極性溶劑非極性溶劑

極性溶劑極性溶劑導(dǎo)致*躍遷能量減小，吸收紅移，非極性溶劑：吸收藍(lán)移。非極性溶劑n→π*躍遷能量減小，吸收紅移，極性溶劑：吸收藍(lán)移。*n→π*立體效應(yīng)空間位阻：影響共平面性，從而影響共軛效應(yīng)。λmax=466λmax=300鄰位效應(yīng)：苯環(huán)鄰位取代影響共軛?？绛h(huán)效應(yīng)：兩個(gè)基團(tuán)雖不共軛，但由于空間的排列，他們的電子云仍能相互影響，使最大吸收波長(zhǎng)和吸光系數(shù)改變?chǔ)薽ax=292ε=292λmax=280ε~150例：苯環(huán)上鄰位取代基基越多，使得共平面性越差，共軛性越差，導(dǎo)致吸收藍(lán)移

例雙鍵或環(huán)上取代基在空間排列不同而形成的異構(gòu)體。反式λmax﹥順式λmaxpH對(duì)光譜的影響pH的改變可能引起共軛體系的延長(zhǎng)或縮短，從而引起吸收峰位置的改變。苯酚、苯胺在酸堿性溶液中的吸收光譜波長(zhǎng)（nm）波長(zhǎng)（nm）吸光度吸光度中性堿性中性酸性小結(jié)

共軛效應(yīng)、超共軛效應(yīng)，使吸收紅移；極性溶劑使*躍遷能量降低，吸收紅移，使n*躍遷能量升高，吸收藍(lán)移，反之亦然；立體效應(yīng)影響鍵的共平面性，從而影響共軛性；酸度對(duì)共軛體系的影響也很大。1.1.5紫外光譜中常用的名詞術(shù)語(yǔ)生色團(tuán)（發(fā)色團(tuán)）助色團(tuán)紅移藍(lán)移增色效應(yīng)減色效應(yīng)強(qiáng)帶弱帶

生色團(tuán)（發(fā)色團(tuán)）：

最有用的紫外—可見(jiàn)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(lèi)含有π鍵的不飽和基團(tuán)稱(chēng)為生色團(tuán)。簡(jiǎn)單的生色團(tuán)由雙鍵或叁鍵體系組成。如乙烯基、羰基、硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基、苯等。舉例:

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(méi)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(huì)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(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，且吸收強(qiáng)度增加)，這樣的基團(tuán)稱(chēng)為助色團(tuán)。藍(lán)移、紅移、增色減色效應(yīng)

有機(jī)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ㄩL(zhǎng)λmax和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化:

λmax向短波方向移動(dòng)稱(chēng)為藍(lán)移

(或紫移),向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱(chēng)為紅移。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(chēng)為增色效應(yīng)或減色效應(yīng)，如圖所示。肩峰：吸收曲線在下降或上升處有停頓，或吸收稍微增加或降低的峰，是由于主峰內(nèi)隱藏有其它峰。強(qiáng)帶、弱帶：ε>104的吸收帶為強(qiáng)帶，ε<1000的吸收帶為弱帶波長(zhǎng)吸光系數(shù)1.1.6紫外光譜的表示法

紫外光譜圖是由橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)和吸收曲線組成的。橫坐標(biāo)表示吸收光的波長(zhǎng)，用nm為單位。縱坐標(biāo)表示吸收光的吸收強(qiáng)度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透過(guò)率)T=I/I0。吸收曲線表示化合物的紫外吸收情況。曲線最大吸收峰的橫坐標(biāo)為該吸收峰的位置，縱坐標(biāo)為它的吸收強(qiáng)度。對(duì)吸收曲線的說(shuō)明：①同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收程度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為最大吸收波長(zhǎng)λmax②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變，吸收強(qiáng)度改變。而對(duì)于不同物質(zhì)，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(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。④在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。紫外吸收帶的強(qiáng)度

吸收強(qiáng)度標(biāo)志著相應(yīng)電子能級(jí)躍遷的幾率，遵從Lamder-Beer定律A:吸光度,:消光系數(shù),c:溶液的摩爾濃度，l:樣品池長(zhǎng)度I0、I分別為入射光、透射光的強(qiáng)度

1.線形關(guān)系此定律表明濃度和吸光度之間存在線形關(guān)系，但是通常只在一定的低濃度范圍線性關(guān)系才成立，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)曲線法測(cè)定未知試樣的濃度。2.具有加和性

A總=A1+A2+A3+A43.只適合于單色光譜AC1.1.7選擇溶劑的原則在選擇紫外吸收光譜分析的溶劑時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：（1）在溶解度允許的范圍內(nèi)，應(yīng)盡量選用極性較小的溶劑；（2）對(duì)試樣有良好的溶解能力和選擇性，并且形成的溶液具有良好的化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性；（3）在測(cè)定光譜區(qū)域，溶劑本身無(wú)明顯吸收。1.2紫外光譜儀

紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)1.2.1基本組成

光源單色器樣品室檢測(cè)器記錄儀光源

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。

可見(jiàn)光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。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(zhǎng)單色光的光學(xué)系統(tǒng)。①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器；②準(zhǔn)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(fù)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。樣品室

樣品室放置各種類(lèi)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(jiàn)區(qū)一般用玻璃池。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。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1.2.2分光光度計(jì)的類(lèi)型單光束

簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)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(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。雙光束

自動(dòng)記錄，快速全波段掃描。可消除光源不穩(wěn)定、檢測(cè)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。雙波長(zhǎng)

將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無(wú)需參比池。△=1～2nm。兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。1.3各類(lèi)化合物的紫外吸收光譜1.3.1飽和化合物含飽和雜原子的化合物：σ*、n*，吸收弱，只有部分有機(jī)化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*躍遷有紫外吸收。

飽和烷烴：σ*，能級(jí)差很大，紫外吸收的波長(zhǎng)很短，屬遠(yuǎn)紫外范圍。乙烷135nm，丙烷150nm，環(huán)丙烷190nm

同一碳原子上雜原子數(shù)目愈多，λmax愈向長(zhǎng)波移動(dòng)。例如：CH3Cl173nm，CH2Cl2220nm，

CHCl3237nm，CCl4257nm雜原子的半徑增大，化合物的電離能降低，吸收帶波長(zhǎng)紅移。

小結(jié)：一般的飽和有機(jī)化合物在近紫外區(qū)無(wú)吸收，不能將紫外吸收用于鑒定；反之，它們?cè)诮贤鈪^(qū)對(duì)紫外線是透明的，所以可用作紫外測(cè)定的良好溶劑。1.3.2烯、炔及其衍生物

非共軛

*躍遷，λmax位于190nm以下的遠(yuǎn)紫外區(qū)。例如：乙烯165nm（ε15000），乙炔173nm

C＝C與雜原子O、N、S、Cl相連，由于雜原子的助色效應(yīng)，λmax紅移。（P14表1-5）

小結(jié)：C＝C，C≡C雖為生色團(tuán)，但若不與強(qiáng)的助色團(tuán)N，S相連，*躍遷仍位于遠(yuǎn)紫外區(qū)。1.3.3含雜原子的雙鍵化合物n*（180~200nm，寬帶）π

π*（150~170nm，強(qiáng)帶）

nπ*（R帶：270~300nm）躍遷為禁戒躍遷，弱吸收帶2.取代基對(duì)羰基化合物的影響當(dāng)醛、酮被羥基、胺基等取代變成酸、酯、酰胺時(shí)，由于共軛效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)影響?hù)驶奈諑?。COHnpsH1.含不飽和雜原子基團(tuán)的紫外吸收（P15表1-6）1.3.4共軛有機(jī)化合物的紫外吸收共軛體系的形成使吸收移向長(zhǎng)波方向共軛烯烴的π

π*躍遷均為強(qiáng)吸收帶，≥10000，稱(chēng)為K帶。共軛體系越長(zhǎng)，其最大吸收越移往長(zhǎng)波方向，且出現(xiàn)多條譜帶。其最大吸收波長(zhǎng)可通過(guò)woodward-Fieser規(guī)則計(jì)算（P16表1-7）。

Woodward-Fieser規(guī)則：取代基對(duì)共軛雙烯λmax的影響具有加和性。max=基+nii基：是由非環(huán)或六環(huán)共軛二烯母體決定的基準(zhǔn)值；nii:由雙鍵上取代基種類(lèi)和個(gè)數(shù)決定的校正項(xiàng)A開(kāi)鏈或非駢環(huán)共軛雙烯無(wú)環(huán)、非稠環(huán)二烯母體：

基=217nm雙鍵上烷基取代：+5環(huán)外雙烯：+5B同環(huán)共軛雙烯或共軛多烯駢環(huán)異環(huán)共軛雙烯基本值：214同環(huán)共軛雙烯基本值：253環(huán)外雙鍵+5烷基或環(huán)殘基取代+5每增加一個(gè)共軛雙鍵+30助色團(tuán)：?；?OCOR）0鹵素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+6硫鍵（-SR）+30胺基（-NR2）+60Woodward-Fieser規(guī)則應(yīng)用范圍：非環(huán)共軛雙烯、環(huán)共軛雙烯、多烯、共軛烯酮、多烯酮

注意:①選擇較長(zhǎng)共軛體系作為母體；②交叉共軛體系只能選取一個(gè)共軛鍵，分叉上的雙鍵不算延長(zhǎng)雙鍵；③某環(huán)烷基位置為兩個(gè)雙鍵所共有，應(yīng)計(jì)算兩次。計(jì)算舉例：

當(dāng)存在環(huán)張力或立體結(jié)構(gòu)影響到共軛時(shí)，計(jì)算值與真實(shí)值誤差較大。1.3.4α，β－不飽和醛、酮（乙醇或甲醇為溶劑）Aα，β－不飽和醛、酮(P17表1-8)非極性溶劑中測(cè)試值與計(jì)算值比較，需加上溶劑校正值，計(jì)算舉例：環(huán)張力的影響B(tài)

α，β－不飽和酸、酯、酰胺α，β－不飽和酸、酯較相應(yīng)α，β－不飽和醛、酮藍(lán)移。α，β不飽和酰胺、α，β不飽和腈的λmax值低于相應(yīng)的酸1.3.5芳香族化合物的紫外吸收苯及其衍生物的紫外吸收A苯苯環(huán)顯示三個(gè)吸收帶,都是起源于π

π*躍遷.max=184nm(=60000）E1帶max=204nm(=7900）E2帶

max=255nm(=250）B帶B單取代苯

烷基取代苯：烷基無(wú)孤電子對(duì)，對(duì)苯環(huán)電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很小的影響。由于有超共軛效應(yīng)，一般導(dǎo)致B帶、E2帶紅移。

助色團(tuán)取代苯：助色團(tuán)含有孤電子對(duì)，它能與苯環(huán)π

電子共軛。使B帶、E帶均移向長(zhǎng)波方向。

不同助色團(tuán)的紅移順序?yàn)椋?/p>

NCH3)2﹥NHCOCH3﹥O－，SH﹥NH2﹥OCH3﹥OH﹥Br﹥Cl﹥CH3﹥NH3+生色團(tuán)取代苯：含有π鍵的生色團(tuán)與苯環(huán)相連時(shí)，產(chǎn)生更大的π

π*共軛體系，使B帶E帶產(chǎn)生較大的紅移。

不同生色團(tuán)的紅移順序?yàn)椋?/p>

NO2>Ph>CHO>COCH3>COOH>COO－

>CN>SO2NH2(>NH3+)C雙取代苯對(duì)位取代

兩個(gè)取代基屬于同類(lèi)型時(shí)，λmax紅移值近似為兩者單取代時(shí)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)

。兩個(gè)取代基類(lèi)型不同時(shí)，λmax的紅移值遠(yuǎn)大于兩者單取代時(shí)的紅移值之