仪器分析第9章_紫外吸收光谱分析

15:23:23第十二章紫外吸收光谱分析第一节分子吸收光谱第二节紫外吸收光谱第三节紫外可见分光光度计第四节紫外吸收光谱的应用ultravioletspectrometry,UV15:23:23研究物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱的分析方法称为紫外-可见分光光度法。紫外—可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200~800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。15:23:23第一节分子吸收光谱（1）为什么分子光谱是带状光谱（2）为什么紫外-可见光谱的吸收波长在200-800nm（3）为什么紫外-可见光谱可用于定性和定量分析15:23:23电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大1~2个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，形成所谓的带状光谱。分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：rveΔΕΔΕΔΕΔΕ一、分子吸收光谱的产生ΔΕeΔΕvΔΕr物质分子内部三种运动形式：（1）电子相对于原子核的运动；（2）原子核在其平衡位置附近的相对振动；（3）分子本身绕其重心的转动。h*MhMt0II15:23:231、转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区（50-100um)。远红外光谱(或分子转动光谱)2、振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区(800-5000nm)，红外光谱(或分子振动光谱)3、电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外(200-400nm)—可见光区(400-800nm)，紫外—可见光谱(或分子的电子光谱)二、分子吸收光谱的类型根据吸收电磁波的范围不同，将分子吸收光谱分为远红外光谱、红外光谱及紫外、可见光谱三类。15:23:23二、紫外－可见光谱可用于定量分析紫外-可见吸收光谱的吸收曲线紫外-可见吸收光谱的吸收曲线特点①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同③不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异。15:23:23紫外-可见光谱用于定性分析不同物质结构不同或者说其分子能级的能量(各种能级能量总和)或能量间隔各异，因此不同物质将选择性地吸收不同波长或能量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。-胡罗卜素咖啡因阿斯匹林丙酮几种有机化合物的紫外吸收光谱图。15:23:23不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。紫外-可见光谱用于定量分析15:23:23第二节紫外吸收光谱一、有机化合物的紫外吸收光谱按分子轨道理论，有机化合物中有三种不同性质的电子：σ电子、π电子、n电子（p电子）。COHnpsH有机分子包括:成键轨道s、p；反键轨道s*、p*非键轨道n各轨道能级高低顺序：spnp*s*（分子轨道理论计算结果）；H2O15:23:23当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁，所需能量ΔΕ大小顺序为n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊sp*s*RKE,BnpE15:23:23（一）跃迁类型1、ss*跃迁它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃中的—c—c—键属于这类跃迁。2.ns*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高，吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ*跃迁。sp*s*RKE,BnpE15:23:233.pp*跃迁它需要的能量低于ss*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带。4.np*跃迁这类跃迁发生在近紫外光区,一般200nm。它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小。sp*s*RKE,BnpEp-p*和n-p*两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。15:23:23（二）常用术语1.生色团（chromophore）从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。2.助色团（auxochrome）有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH2、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n－π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。15:23:23生色团溶剂/nmmax跃迁类型烯正庚烷17713000pp*炔正庚烷17810000pp*羧基乙醇20441np*酰胺基水21460np*羰基正己烷1861000np*，ns*偶氮基乙醇339，665150000np*，硝基异辛酯28022np*亚硝基乙醚300，665100np*硝酸酯二氧杂环己烷27012np*下面为某些常见生色团的吸收光谱15:23:233．强带和弱带：摩尔吸光系数εmax105→强带εmax103→弱带CCClHHH4.红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(紫移)。15:23:23(三)各种常见有机化合物紫外吸收光谱1.饱和烃及其取代衍生物饱和烃类：分子中只含有s键，因此只能产生ss*跃迁，最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外可见分光光度计的测量范围，处于真空紫外区。饱和烃的取代衍生物：如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生ns*的跃迁。ns*的能量低于ss*。其相应的吸收波长小于200nm。测定紫外吸收光谱的良好溶剂。例：己烷、氯仿。15:23:232.不饱和烃及共轭烯烃(A)非共轭不饱和烯烃除含有s键外，还含有p键，它们可以产生ss*和pp*两种跃迁。pp*跃迁的能量小于ss*跃迁。例如，在乙烯分子中，pp*跃迁最大吸收波长为180nm左右。C=C发色基团，但pp*200nm。ccHHHHmax=177nm15:23:23（B）共轭烯烃pp*在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长，pp*跃迁的吸收带将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强（？）。共轭双键愈多，红移愈显著，甚至产生颜色。在共轭体系中，pp*跃迁产生的吸收带又称为K带。K带——共轭非封闭体系的pp*跃迁15:23:23化合物溶剂max/nmmax1,3-丁二烯己烷21721，0001,3,5-己二烯异辛烷26843，0001,3,5,7-辛四烯环己烷304—1,3,5,7,9-癸四烯异辛烷334121，0001,3,5,7,9,11-十二烷基六烯异辛烷364138，00015:23:233.羰基化合物OCRYC=O基团可产生ns*、np*、pp*三个吸收带，np*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区，R带吸收较弱（εmax100）醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于在结构上的差异，它们np*吸收带的光区稍有不同。15:23:23OCRY②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团，这些助色团上的n电子与羰基双键的p电子产生pp共轭K带红移，R带蓝移；R带max=205nm；10-100KKRRpppnppn177nmpOcppppppncOcc③不饱和醛酮K带红移：177250nmR带红移：290310nm①Y=H,Rp→p*150-160nm（K）n→p*275-295nm（R）15:23:234.苯及其衍生物苯有三个吸收带，是由p→p*与苯环振动能级跃迁叠加引起；也称精细结构吸收带E1带：180nm（MAX=60，000）；E2带：204nm（MAX=8，000）；B带：255nm（MAX=200）。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带，B带简化，红移。15:23:23乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共轭：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；红移氧上的孤对电子：R带红移，吸收弱；CCH3Onp;R带pp;K带15:23:23二、无机化合物的紫外-可见吸收光谱（自学）三、溶剂对紫外吸收光谱的影响（溶剂效应）溶剂对紫外—可见光谱的影响较为复杂。*改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。*改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。15:23:23溶剂效应：◆随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。由n-p*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，发生蓝移；由p-p*跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加，发生红移。C=O的溶剂效应max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)pp*230238237243np*32931530930515:23:23溶剂的选择在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光学稳定性。（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。（3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。15:23:23一、主要组成部件二、紫外-可见光度计的类型第三节紫外-可见分光光度计15:23:23一、主要组成部件光源单色器样品室检测器显示15:23:23热辐射光源用于可见光区，如钨灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。1、光源对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。(1).钨及碘钨灯：360~1000nm，多用在可见光区；(2).氢灯和氘灯：160~375nm，多用在紫外区。2、单色器色散元件常用棱镜和光栅。与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）3、吸收池可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。15:23:23二、紫外-可见分光光度计的类型按其光学系统可分为单波长分光光度计和双波长分光光度计。15:23:232.单波长双光束分光光度计国产710型、日立UV-340型等。双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此可消除光源不稳产生的误差。-----提高测量的精确度1、单波长单光束分光光度计目前国内广泛采用721型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。3.双波长分光光度计国产WFZ800-5型、岛津UV-260型优点：是可以在有背景干扰或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行定量测定。15:23:23一、纯度检查二、定性分析三、有机物结构辅助推断四、定量分析第四节紫外吸收光谱的应用15:23:23一、纯度检查如果一化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的杂质有较强吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。例如：要检定甲醇或乙醇中的杂质苯，可利用苯在254nm处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收。15:23:23二、定性分析max,max：化合物特性参数，可作为定性依据；有机化合物紫外吸收光谱：反映结构