第1章结构鉴定UVFS

11第一章结构鉴定1.1傅里叶红外光谱1.2激光拉曼散射光谱1.3紫外光谱1.4荧光光谱1.5质谱法1.6气相色谱法1.7核磁共振波谱法1.8毛细管电泳1.9X射线分析1.10X射线光电子能谱法23紫外光谱•紫外-可见分光光度法也称紫外-可见吸收光谱法(UltravioletandVisibleSpectrophotometry)，属于分子吸收光谱，是利用某些物质对200-800nm光谱区辐射的吸收进行分析测定的一种方法。•紫外-可见吸收光谱主要产生于分子价电子在电子能级间的跃迁。•特点：灵敏度高，准确度好，仪器设备简便，价格低廉，且易于操作等优点，故广泛应用于定性和定量测定。33.1紫外光谱基本原理3.1.1分子吸收光谱的形成•A是电子能级基态，B是电子能级最低激发态。•电子能级能量差△Ee、振动能级能量差△Ev和转动能级能量差△Eτ大小关系为•△Ee＞△Ev＞△Eτ。图1-25双原子分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图4•根据量子理论，如果分子从外界吸收的辐射能(hν)等于该分子的较高能级与较低能级的能量差时，即•分子结构不同，能级间隔也不相同，吸收光的波长不同。•改变波长(λ)，记录吸光度(A)，即得吸收光谱，又称吸收曲线。•通过吸收曲线的波形、波峰的位置、波的强度及其数目，可研究物质的内部结构。分子将从较低能级跃迁至较高能级。chhE5•(1)同一溶液对不同波长的光的吸收程度不同。存在一个最大吸收波长，λmax(KMnO4，525nm)。•(2)不同浓度的KMnO4溶液的吸收光谱形状相似，λmax不变。λ与物质的特性有关，定性分析。•(3)一定波长处吸光度随溶液浓度的增加而增大，定量分析。λmax处测定吸光度，其灵敏度最高。图1-26四种不同浓度KMnO4溶液的吸收曲线63.1.2基本概念•(1)生色团分子中能吸收紫外或可见光的结构单元称为生色团。它是含有非键轨道和π分子轨道的电子体系，能引起n→π*和π→π*跃迁，例如碳碳双健、共轭双键、羰基、硝基等。表1-7常见生色团的吸收特征7•(2)助色团助色团是指带有非键电子对的能使生色团吸收峰向长波方向移动并增强其强度的官能团，如-OH、-NH2、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等。含有孤对电子，本身不吸收大于200nm的光，但是当它们与生色团相连时，产生π电子共轭，使π→π*跃迁能量降低使其λmax发生移动，并且增加其吸收强度。•(3)红移与蓝移在有机化合物中，常常因取代基的变更或溶剂的改变，使最大吸收波长λmax移动。如某些有机物引入含有未共用电子对的基团(-NH2、-NR2、-OH、-Cl、-Br、-SH、-SR等)后，λmax将向长波长方向移动，这种效应称为红移效应。这些会使某化合物的λmax向长波长方向移动的基团称为向红基团。8•与红移效应相反，有时在某些生色团(如羰基)的碳原子一端引入一些取代基(如甲基等)之后，吸收峰的波长会向短波长方向移动，这种效应称为蓝移效应。这些会使某化合物的λmax向短波长方向移动的基团称为向蓝基团。图1-27溶剂极性对π→π*和n→π*跃迁能量的影响•溶剂极性的不同也会引起某些化合物吸收光谱的红移或蓝移，这种作用称为溶剂效应。9•在π→π*跃迁中，激发态极性大于基态，当使用极性大的溶剂时，由于溶剂与溶质相互作用，激发态π*比基态π的能量下降更多，因而激发态与基态之间的能量差减小(△E1’＜△E1)，导致吸收谱带λmax红移。•在n→π*跃迁中，基态n电子与极性溶剂形成氢键，降低了基态能量，使激发态与基态之间的能量差变大(△E2’＞△E2)，导致吸收带λmax蓝移。由此可见，溶剂的极性增大时，π→π*跃迁的λmax发生红移；而n→π*跃迁的λmax发生蓝移。溶剂效应：103.2分子轨道和电子跃迁3.2.1有机化合物的分子轨道和电子跃迁•有机化合物的紫外-可见吸收光谱取决于分子结构及分子轨道上电子的性质。按照分子轨道理论，有机化合物分子中的价电子包括单键σ电子、重键π电子和非成键n电子。当分子吸收一定能量后，其价电子将从能量较低的轨道跃迁至能量较高的反键轨道。图1-28各种电子跃迁相应的吸收峰和能量•一个有机化合物分子对紫外光或可见光的特征吸收，可以用吸收最大处的波长，即吸收峰波长(λmax)来表示，它取决于分子激发态与基态间的能量差。11从化合物的性质来看，与紫外-可见吸收光谱有关的电子跃迁是n→σ*、n→π*和π→π*。•(1)n→σ*跃迁含有S、N、O、P、卤素等杂原子的饱和有机化合物。吸收峰多出现在200nm以下，在紫外区不易观察到这类跃迁。•(2)n→π*和π→π*跃迁含有不饱和基团，大于200nm的紫外区。例如碳碳双键、羰基、硝基等，均是含有π键的基团。还有一些基团例如-OH、-NH2、-SH及卤素元素等，它们都含有未成键n电子。π→π*跃迁产生强吸收带，摩尔吸光系数可达104Lmolcm-1，而n→π*跃迁吸收光谱的强度小，摩尔吸光系数一般在500Lmolcm-1以下。12•如果有机化合物含有几个生色团且不共轭，该吸收光谱基本上由这些生色团的吸收带所组成。生色团相同，则吸收峰波长基本不变，且摩尔吸光系数将随生色团数目增加而增大。若发生共轭，则原有吸收峰将发生位移，同时摩尔吸光系数增大。•气态有机物的吸收光谱反映的是孤立分子，因而其振动光谱和转动光谱的精细结构也能表现出来。•当有机物溶于某溶剂，则分子不能自由转动，使转动光谱表现不出来。极性很大的溶剂会使振动光谱消失。溶剂极性还会使吸收光谱发生移动。极性溶剂一般会使π→π*跃迁谱带红移，n→π*跃迁谱带蓝移。某些有机化合物在引入孤对电子基团后，也会发生红移或蓝移。133.2.2无机化合物的分子轨道和电子跃迁•(1)电荷转移吸收光谱某些无机化合物的分子同时具有电子给予体和电子接受体部分，在辐射照射下，电子从给予体外层轨道跃迁到接受体轨道，这种由于电子转移产生的吸收光谱，称为电荷转移光谱。吸收强度大，摩尔吸光系数一般超过104Lmolcm-1，具有高灵敏度。•(2)配位体场吸收光谱过渡元素都有未填满的d电子层，镧系和锕系元素含有f电子层，这些电子轨道的能量通常是相等的(简并)。当这些金属离子处在配位体形成的负电场中时，会发生d电子跃迁和f电子跃迁，又称为配位体场跃迁，相应的光谱称为配位体场吸收光谱。位于可见光区，强度弱，摩尔吸光系数约为0.1～100Lmolcm-1，定性分析用处不大，多用于配合物的研究。143.3影响紫外光谱的因素3.3.1Lambert-Beer定律•Lambert-Beer定律是光吸收的基本定律，也是分光光度分析法的理论依据和计算基础。•Lambert和Beer分别于1760年和1852年独立研究了光通过溶液的吸收程度与溶液层厚度和溶液浓度之间的定量关系。如果同时考虑溶液浓度与液层厚度对光吸收程度的影响，则可得kbcII0lgLambert-Beer定律的数学表达式I0、I分别为入射光强度和透射光强度；b为光通过的液层厚度；c为吸光物质的浓度；k为比例常数，与吸光物质的性质、入射光波长及温度等因素相关。15lg(I0/I)表示溶液的吸收程度，定义为吸光度(A)；同时，(I0/I)是透射光强度与入射光强度之比，定义透射比(旧称透光度或透光率，T)，故有kbcTIIA1lglg0应用Lambert-Beer定律的注意事项：•①适用于单色光，是分光光度法定量分析的理论依据；•②适用于均匀非散射的吸光物质，包括液、气和固；•③吸光度具有加和性，指的是溶液的总吸光度等于各吸光物质的吸光度之和。163.3.2吸光系数与摩尔吸光系数•Lambert-Beer定律中比例常数k值与浓度c有关。如果c的单位为gL-1，k常用a表示，a称为吸光系数，其单位是Lg-1cm-1；如果c的单位为molL-1，常数k用ε表示，ε称为摩尔吸光系数，其单位是Lmolcm-1。•吸光系数a和摩尔吸光系数ε是吸光物质在一定波长和溶剂情况下的特征常数。最大吸收波长处的摩尔吸光系数，εmax。ε越大表示该有色物质对入射光的吸收能力越强，显色反应越灵敏。ε≥6×104，灵敏；ε＜2×104不灵敏。173.3.3偏离Lambert-Beer定律的因素•根据Lambert-Beer定律，当液层厚度(b)一定时，以吸光度(A)为纵坐标，对应的浓度(c)为横坐标作图，可得一过原点的直线，称为校正曲线或工作曲线。图1-29校正曲线对Lambert-Beer定律的偏离•实际会发生偏离，特别是高浓度时。•若溶液的实际吸光度比理论值大，则为正偏离；若吸光度比理论值小，则为负偏离。18产生偏离的原因主要来源于以下三个方面：•(1)Beer定律本身的局限性Beer定律通常只有在稀溶液(小于0.01mol·L-1)中才适用。高浓度时，质点间距缩小影响电荷分布，导致其吸光系数改变。•(2)化学因素不同物质，甚至同一物质的不同型体对光的吸收程度可能不同。Beer定律假定，溶液中各组分之间无相互作用，这也是利用光吸收的加和性同时测定多组分混合物的基础。高浓度时，溶液中的吸光物质因离解、缔合、溶剂化作用或化合物形式的改变，使吸收曲线的位置、形状及峰高改变，从而引起对Beer定律的偏离。测定时要严格控制条件，使被测组分以一种形式存在。19•(3)仪器因素包括入射光不是真正的单色光、单色器内的内反射，以及因光源、检测器波动等引起的偏离，其中非单色光是最主要仪器因素。Lambert-Beer定律只适用于单色光，但单色光难以得到。由于物质对不同波长光的吸收程度不同，因而导致对Lambert-Beer定律的偏离。实际工作不严格要求很纯的单色光，而要求尽量入射光波长选择在最大吸收处，这不仅有较高的灵敏度，而且此处的吸收曲线较为平坦，吸光系数变化不大，非单色光引起的偏离比在其他波长处小得多。203.3.4分析条件的选择•显色反应：与待测物质反应生成对紫外或可见光有较大吸收物质的反应；所用试剂称为显色剂。配位、氧化还原以及生色基的衍生化等。显色反应要求：(1)生成物紫外—可见光区吸光能力强，即ε大。选择性好，干扰少。在满足灵敏度的前提下，主要依据选择性。例如，Fe(Ⅱ)与邻二氮菲在pH＝2～9的水溶液中生成橙红色配合物，灵敏度不高(ε508＝1.1×104L·mol-1·cm-1)，但选择性好而应用广。(2)生成物组成恒定。(3)生成物性质稳定，显色条件易控制，重现性好。(4)对照性要好，显色剂与配合物λmax之差大于60nm。3.3.4.1显色反应的选择试样反应条件和仪器测量条件213.3.4.2显色反应条件的选择•显色剂、溶液酸度、显色时间、显色温度、溶剂、试剂加入顺序、有机配合物的稳定性及共存离子的干扰等。(1)显色剂决定灵敏度，多用有机显色剂。用量通过实验优化。(2)反应体系的酸度实验优化：不同pH条件下显色溶液和空白溶液吸光度之差值呈现最大而平坦的区域，即最佳pH范围。可应用缓冲溶液。(3)显色反应时间、温度尽量选择室温，通过实验优化。(4)溶剂有机溶剂通常能降低有色化合物的解离度，提高显色反应的速率，从而提高显色反应的灵敏度。223.3.4.3仪器测量条件的选择•仪器测量误差主要源于光源的发光强度不稳定、光电效应的非线性、杂散光的影响等因素。1、测量波长“吸收最大，干扰最小”原则；λmax，灵敏度高，且曲线平坦，能够减少误差。2、狭缝宽度理论上越小越好，但太小会降低信噪比。3、参比溶液原则：使试液的吸光度真正反映待测组分的浓度。原理：吸光度具有加和性，选择参比消除干扰。根据具体条件选择溶剂参比、试剂参比、试样参比、平行操作溶液参比。233.3.5控制合适的吸光度范围•浓度的相对误差不仅与透射比的绝对误差△T的大小有关，还与透射比本身的大小有关。不同T值时计算的浓度相对误差作图，得图1-30。•实际测定时，透射比T15％～65％之间，或吸光度A0.2～0.8之间，才能保证浓度测量的相对误差较小(＜4％)。当透射比T＝36.8％或A＝0.