3.第三章紫外-可見(jiàn)吸收光譜法.ppt

1、第三章 紫外-可見(jiàn)吸收光譜法,第一節(jié) 概述,基于物質(zhì)光化學(xué)性質(zhì)而建立起來(lái)的分析方法稱(chēng)之為光化學(xué)分析法。 分為:光譜分析法和非光譜分析法。 光譜分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通過(guò)測(cè)量物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)射光、吸收光或散射光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行分析的方法。,在光譜分析中，依據(jù)物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收而建立起來(lái)的分析方法稱(chēng)為吸光光度法,主要有: 紅外吸收光譜：分子振動(dòng)光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍2.51000 m ,主要用于有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)鑒定。 紫外吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍200400 nm（近紫外區(qū)），可用于結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。 可見(jiàn)吸收光譜：電子躍遷光譜，吸收光波長(zhǎng)范圍400750 nm ，主要

2、用于有色物質(zhì)的定量分析。,物質(zhì)對(duì)光的選擇性吸收及吸收曲線,E = E2 - E1 = h ：量子化 ；選擇性吸收 吸收曲線與最大吸收波長(zhǎng) max 用不同波長(zhǎng)的單色光照射，測(cè)吸光度,光的互補(bǔ)：藍(lán) 黃,吸收曲線的討論：,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則不同。,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。 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，在max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)。 在max處吸

3、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)。,光的選擇性吸收與物質(zhì)顏色的關(guān)系： 1可見(jiàn)光的顏色和互補(bǔ)色： 在可見(jiàn)光范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光的顏色是不同的。平常所見(jiàn)的白光（日光、白熾燈光等）是一種復(fù)合光，它是由各種顏色的光按一定比例混合而得的。利用棱鏡等分光器可將它分解成紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色的單色光。,白光除了可由所有波長(zhǎng)的可見(jiàn)光復(fù)合得到外，還可由適當(dāng)?shù)膬煞N顏色的光按一定比例復(fù)合得到。能復(fù)合成白光的兩種顏色的光叫互補(bǔ)色光。,2物質(zhì)的顏色與吸收光的關(guān)系： 當(dāng)白光照射到物質(zhì)上時(shí)，如果物質(zhì)對(duì)白光中某種顏色的光產(chǎn)生了選擇性的吸收，則物質(zhì)就會(huì)顯示出一

4、定的顏色。物質(zhì)所顯示的顏色是吸收光的互補(bǔ)色。,比較有色物質(zhì)溶液顏色深淺來(lái)確定物質(zhì)含量的方法稱(chēng)為比色分析法（Colorimetric Analysis),屬于可見(jiàn)吸收光度法的范疇。實(shí)用分光光度計(jì)進(jìn)行吸收光譜分析方法稱(chēng)作分光光度法（Spectrophotometry).,一、有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜 二、無(wú)機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜,第二節(jié) 紫外可見(jiàn)吸收光譜,一、有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜,（一）電子躍遷類(lèi)型,分子軌道理論：一個(gè)成鍵軌道必定有一個(gè)相應(yīng)的反鍵軌道。通常外層電子均處于分子軌道的基態(tài)，即成鍵軌道或非鍵軌道上。,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。

5、主要有四種躍遷所需能量大小順序?yàn)椋簄 n ,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) 200nm，只能被真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)到)。如甲烷的max為125nm,乙烷max為135nm。,n躍遷 所需能量較大。吸收波長(zhǎng)為150250nm，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*躍遷。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n*躍遷的max分別為173nm、183nm和227nm。, 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)，摩爾吸光系數(shù)max一般在104Lmol

6、1cm1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。如乙烯*躍遷的max為162nm，max為1104Lmol-1cm1。, n躍遷 需能量最低，吸收波長(zhǎng)200nm。這類(lèi)躍遷在躍遷選律上屬于禁阻躍遷，摩爾吸光系數(shù)一般為10100Lmol1 cm1，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max為275nm max為22 Lmol1 cm 1（溶劑環(huán)己烷)。,生色團(tuán)與助色團(tuán),生色團(tuán)： 最有用的紫外可見(jiàn)光譜是由和n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、

7、羰基、亞硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基CN等。,助色團(tuán)： 有一些含有n電子的基團(tuán)(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它們本身沒(méi)有生色功能(不能吸收200nm的光)，但當(dāng)它們與生色團(tuán)相連時(shí)，就會(huì)發(fā)生n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)。,紅移與藍(lán)移,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)max和吸收強(qiáng)度發(fā)生變化: max向長(zhǎng)波方向移動(dòng)稱(chēng)為紅移，向短波方向移動(dòng)稱(chēng)為藍(lán)移 (或紫移)。吸收強(qiáng)度即摩爾吸光系數(shù)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。,（二）各類(lèi)有機(jī)化合物的紫外光譜,1，飽和烴及其取代衍生物

8、飽和烴類(lèi)分子中只含有鍵，因此只能產(chǎn)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(jiàn)分光光度計(jì)的測(cè)量范圍。,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*。 例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 躍遷分別出現(xiàn)在173、204和258nm處。這些數(shù)據(jù)不僅說(shuō)明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相應(yīng)的吸收波長(zhǎng)發(fā)生了紅移，顯示了助色團(tuán)的助色作用。 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(shí)用價(jià)值不大。但是它們是測(cè)定紫外和（或）可見(jiàn)吸收光譜的良好溶劑。,2，不飽和烴及共軛烯烴 在不飽和烴類(lèi)

9、分子中，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(zhǎng)為180nm 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)，吸收強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。在共軛體系中， *躍遷產(chǎn)生的吸收帶又稱(chēng)為K帶。,羧酸及羧酸的衍生物雖然也有n*吸收帶，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接連結(jié)含有未共用電子對(duì)的助色團(tuán)，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n共軛，導(dǎo)致*軌道的能級(jí)有所提高，但這種共軛作用并不能改變n軌道的能級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)n* 躍遷所需的能量

10、變大，使n*吸收帶藍(lán)移至210nm左右。,羧酸及羧酸的衍生物雖然也有n*吸收帶，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接連結(jié)含有未共用電子對(duì)的助色團(tuán)，如-OH、-Cl、-OR等，由于這些助色團(tuán)上的n電子與羰基雙鍵的電子產(chǎn)生n共軛，導(dǎo)致*軌道的能級(jí)有所提高，但這種共軛作用并不能改變n軌道的能級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)n* 躍遷所需的能量變大，使n*吸收帶藍(lán)移至210nm左右。,4，苯及其衍生物 苯有三個(gè)吸收帶，它們都是由*躍遷引起的。E1帶出現(xiàn)在180nm（MAX = 60，000）； E2帶出現(xiàn)在204nm（ MAX = 8，000 ）；B帶出現(xiàn)在255nm （MAX = 200）。在氣態(tài)或非極性溶劑

11、中，苯及其許多同系物的B譜帶有許多的精細(xì)結(jié)構(gòu)，這是由于振動(dòng)躍遷在基態(tài)電子上的躍遷上的疊加而引起的。在極性溶劑中，這些精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。當(dāng)苯環(huán)上有取代基時(shí)，苯的三個(gè)特征譜帶都會(huì)發(fā)生顯著的變化，其中影響較大的是E2帶和B譜帶。,5，稠環(huán)芳烴及雜環(huán)化合物 稠環(huán)芳烴，如奈、蒽、芘等，均顯示苯的三個(gè)吸收帶，但是與苯本身相比較，這三個(gè)吸收帶均發(fā)生紅移，且強(qiáng)度增加。隨著苯環(huán)數(shù)目的增多，吸收波長(zhǎng)紅移越多，吸收強(qiáng)度也相應(yīng)增加。,當(dāng)芳環(huán)上的-CH基團(tuán)被氮原子取代后，則相應(yīng)的氮雜環(huán)化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光譜，與相應(yīng)的碳化合物極為相似，即吡啶與苯相似，喹啉與奈相似。此外，由于引入含有n電子的N原子的，這類(lèi)雜環(huán)化合物

12、還可能產(chǎn)生n*吸收帶。,二 、無(wú)機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)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，一般分為兩大類(lèi)：電荷遷移躍遷和配位場(chǎng)躍遷。 （一）.電荷遷移躍遷 無(wú)機(jī)配合物有電荷遷移躍遷產(chǎn)生的電荷遷移吸收光譜。 在配合物的中心離子和配位體中，當(dāng)一個(gè)電子由配體的軌道躍遷到與中心離子相關(guān)的軌道上時(shí)，可產(chǎn)生電荷遷移吸收光譜。,不少過(guò)度金屬離子與含生色團(tuán)的試劑反應(yīng)所生成的配合物以及許多水合無(wú)機(jī)離子，均可產(chǎn)生電荷遷移躍遷。 此外，一些具有d10電子結(jié)構(gòu)的過(guò)度元素形成的鹵化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于這類(lèi)躍遷而產(chǎn)生顏色。 電荷遷移吸收光譜出現(xiàn)的波長(zhǎng)位置，取決于電子給予體和電子接

13、受體相應(yīng)電子軌道的能量差。,2. 配位場(chǎng)躍遷 配位場(chǎng)躍遷包括d - d 躍遷和f - f 躍遷。元素周期表中第四、五周期的過(guò)度金屬元素分別含有3d和4d軌道，鑭系和錒系元素分別含有4f和5f軌道。在配體的存在下，過(guò)度元素五 個(gè)能量相等的d軌道和鑭系元素七個(gè)能量相等的f軌道分別分裂成幾組能量不等的d軌道和f軌道。,當(dāng)它們的離子吸收光能后，低能態(tài)的d電子或f電子可以分別躍遷至高能態(tài)的d或f軌道，這兩類(lèi)躍遷分別稱(chēng)為d - d 躍遷和f - f 躍遷。由于這兩類(lèi)躍遷必須在配體的配位場(chǎng)作用下才可能發(fā)生，因此又稱(chēng)為配位場(chǎng)躍遷。,（三）、溶劑對(duì)紫外、可見(jiàn)吸收光譜的影響 溶劑對(duì)紫外可見(jiàn)光譜的影響較為復(fù)雜。改變

14、溶劑的極性，會(huì)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(shí)，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。下表為溶劑對(duì)亞異丙酮紫外吸收光譜的影響。 正己烷 CHCl3 CH3OH H2O * max/nm 230 238 237 243 n *max/nm 329 315 309 305,由上表可以看出，當(dāng)溶劑的極性增大時(shí)，由n * 躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生藍(lán)移，而由* 躍遷產(chǎn)生的吸收帶發(fā)生紅移。,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。與已知化合物紫外光譜作對(duì)照時(shí)也應(yīng)注明所用的溶劑是否相同。在進(jìn)行紫外光

15、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)：,（1）溶劑應(yīng)能很好地溶解被測(cè)試樣，溶劑對(duì)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)和光化學(xué)穩(wěn)定性。 （2）在溶解度允許的范圍內(nèi)，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(yīng)無(wú)明顯吸收。,一、基本組成 二、分光光度計(jì)的類(lèi)型,第三節(jié) 紫外可見(jiàn)分光光度計(jì),儀器,可見(jiàn)分光光度計(jì),紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì),一、基本組成,光源,單色器,樣品室,檢測(cè)器,顯示,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。,可見(jiàn)光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在3202500 nm。 紫外區(qū)：氫、

16、氘燈。發(fā)射185400 nm的連續(xù)光譜。,（動(dòng)畫(huà)）,2.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)。 入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器； 準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束； 色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵；,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； 出射狹縫。,3. 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。 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。,5. 結(jié)果顯示

17、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。,二、分光光度計(jì)的類(lèi)型,1.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。 2.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。,3.雙波長(zhǎng)：將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(1、2) 快速交替通過(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。=12nm。兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。,第四節(jié) 紫外-可見(jiàn)吸收光譜法的應(yīng)用,紫外吸收光譜法在有機(jī)定性分析中的應(yīng)用,一、化合物的鑒定 有機(jī)化合物的鑒定，

18、一般采用光譜比較法。 將未知純化合物的吸收光譜特征，如吸收峰的數(shù)目、位置、相對(duì)強(qiáng)度以及吸收峰的形狀（極大、極小和拐點(diǎn)），與純化合物的吸收光譜進(jìn)行比較。 lgA = lgk + lgbc,k只隨波長(zhǎng)變化，濃度c和吸收池厚度b不同，使吸收曲線上下移動(dòng)，并不影響其形狀。若未知化合物和純已知化合物的吸收光譜非常一致，則可認(rèn)為這兩種化合物具有相同的生色團(tuán)，以此推斷未知化合物的骨架，或認(rèn)為就是同一種化合物。 但是依據(jù)紫外光譜數(shù)據(jù)來(lái)鑒定未知化合物具有較大局限性，必須與其他方法配合。,紫外吸收光譜雖然不能對(duì)一種化合物進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定，但對(duì)了解共軛程度、空間效應(yīng)、氫鍵等；可對(duì)飽和與不飽和化合物、異構(gòu)體及構(gòu)象進(jìn)行判別。,二、結(jié)構(gòu)分析,紫外可見(jiàn)吸收光譜中有機(jī)物發(fā)色體系信息分析的一般規(guī)律是： 若在200750nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)無(wú)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(gè)雙鍵的烯烴等。 若在270350nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有低強(qiáng)度吸收峰(10100Lmol-1cm-1),（n躍遷），則可能含有一個(gè)簡(jiǎn)單非共軛且含有n電子的生色團(tuán)，如羰基。,若在20300nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有中等強(qiáng)度的吸收峰則可能含苯環(huán)。 若在210250nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收峰，則可能含有2個(gè)共軛雙鍵；若在260300nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)有強(qiáng)吸收峰，則說(shuō)