第三章-紫外-可见分光光度法

第三章紫外－可见分光光度法•紫外－可见吸收光谱•紫外－可见分光光度计•朗伯－比尔定律•分析条件的选择•测定方法第一节紫外－可见吸收光谱•光学分析基础•紫外-可见吸收光谱•影响紫外-可见吸收光谱的因素•紫外－可见吸收光谱的应用1.1光学分析基础一电磁辐射的性质1、光学分析法：根据物质发射的电磁辐射或电磁辐射与物质相互作用建立起来的一类分析方法。2、电磁辐射:以巨大速度通过空间、不需要任何物质作为传播媒介的一种能量(交变电场和磁场)。3、波动性和粒子性(1)波动性:电磁辐射为正弦波（波长、频率、速度、振幅）。与其它波，如声波不同，电磁波不需传播介质，可在真空中传输。频率：为空间某点的电场每秒钟达到正极大值的次数（单位时间电磁场振动次数）。周期：两个相邻矢量极大（或极小）通过空间某固定点所需的时间间隔叫做辐射的周期。波长：相邻两个波峰或波谷间的距离。波数：是1cm内波的数目=1/。普朗克方程：E=hv，式中的h叫普朗克常量(Planckconstant),其值为6.626×10-34J·s。普朗克认为,物体只能按hν的整数倍一份一份地吸收或释出光能,而不可能是0.5hν等任何非整数倍。即所谓的能量量子化概念，但它只涉及光作用于物体时能量的传递过程。2能态(1)量子理论:物质粒子总是处于特定的不连续的能量状态，即能量是量子化的。(2)当粒子的状态发生变化时，该粒子将吸收或发射完全等于两个能级之间的能量差；反之亦是成立的，即：二电磁波谱白光为一复合光三物质的颜色能复合成白光的两种颜色的光叫互补色光。物质所显示的颜色是吸收光的互补色，即透过光颜色物质颜色和吸收光的关系物质颜色吸收光颜色波长/nm黄绿紫400~450黄蓝450~480橙绿蓝480~490红蓝绿490~500红紫绿500~560紫黄绿560~580蓝黄580~610绿蓝橙610~650蓝绿红650~7801.2紫外-可见吸收光谱的产生1原理运动的分子外层电子-吸收紫外-可见光区的辐射-产生电子能级跃迁-紫外-可见吸收光谱。•能级组成：除了电子能级外，分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动，即同时将发生振动能级和转动能级的跃迁！据量子力学理论，分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生非连续谱。因此，分子的能量变化E为各种形式能量变化的总和：其中ΔEe最大：1-20eV;ΔEv次之：0.05-1eV;ΔEr最小：0.05eV2分子吸收光谱跃迁类型1.σ→σ*跃迁：饱和烃（乙烷:λmax=135nm）E很高，λ150nm（远紫外区）2.n→σ*跃迁：含杂原子饱和基团（—OH，—NH2）E较大，λ150~250nm（远紫外区）3.π→π*跃迁：不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）E较小，λ~200nm体系共轭，E更小，λ更大4.n→π*跃迁：含杂原子不饱和基团（—C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外区）备注：紫外可见光谱电子跃迁类型：n—π*跃迁π—π*跃迁饱和化合物无紫外吸收电子跃迁类型与分子结构及基团有密切联系。根据分子结构→推测可能产生的电子跃迁类型。根据吸收谱带波长和电子跃迁类型→推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定）。3、相关的基本概念(1)吸收光谱（吸收曲线）：不同波长光对样品的作用不同，吸收强度不同,以A~λ作图所得的曲线。(2)吸收光谱特征：定性依据吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh(3)生色团（发色团）：分子中含有非键或π键的电子体系，能吸收紫外可见光的原子基团或结构单元。例：C＝C；C＝O；C＝N；—N＝N—注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强。(4)助色团:本身无紫外吸收，含有孤对电子，可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团。生色团实例溶剂max/nmmax跃迁类型烯C6H13CH=CH2正庚烷17713000→*炔C5H11C≡CCH3正庚烷17810000→*羰基CH3COCH3异辛烷27913n→*CH3COH异辛烷29017n→*羧基CH3COOH乙醇20441n→*酰胺CH3CONH2水21460n→*偶氮基CH3N=NCH3乙醇3395n→*硝基CH3NO2异辛烷28022n→*亚硝基C4H9NO乙醚300100n→*硝酸酯C2H5ONO2二氧六环27012n→*助色团化合物溶剂max/mmax/(L.mol-1.cm-1)--CH4,C2H6气态150,165___---OHCH3OH正己烷177200---OHC2H5OH正己烷186___---ORC2H5OC2H5气态1901000---NH2CH3NH2--173213---NHRC2H5NHC2H5正己烷1952800---SHCH3SH乙醇1951400---SRCH3SCH3乙醇210,2291020,140---ClCH3Cl正己烷173200---BrCH3CH2CH2Br正己烷208300---ICH3I正己烷259400(5)红移和蓝移：由于化合物结构变化（共轭、引入助色团取代基）或采用不同溶剂后吸收峰位置向长波方向的移动，叫红移（长移）吸收峰位置向短波方向移动，叫蓝移（紫移，短移）。(6)增色效应和减色效应增色效应：吸收强度增强的效应。减色效应：吸收强度减小的效应。(7)强带和弱带：εmax105→强带;εmin103→弱带4有机化合物的紫外－可见吸收光谱（1）饱和烃及取代烃•饱和单键碳氢化合物含有C-H和C-C键，只含有σ键电子,一般在远紫外区才有吸收，又称为真空紫外区，因为小于160nm的紫外光要被空气中的氧所吸收，因此需要在无氧或真空中进行测定，应用不多；这类化合物在200－1000nm范围内无吸收带，在紫外吸收光谱中常用作溶剂，如己烷，庚烷，环己烷等。•当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧，氮，卤素，硫等杂原子取代时，即其取代物如卤代烃，醇，胺等，由于这类原子中有n电子，可产生n－σ*，从而产生红移。（2）不饱和烃及共轭烯烃•这类化合物含有孤立双键和共轭双键，都含有π电子，吸收能量后可产生π－π*跃迁。•由共轭双键（两个双键被一个单键隔开时称为共轭体系）中跃迁产生的吸收带称为K（π－π*）带。•特点：强度大，摩尔吸收系数大，通常在104~2×104Lmol-1cm-1，吸收峰的位置一般在217~280nm；K带的波长和强度与共轭体系的数目，位置和取代基的种类有关。•丁二烯λmax=217nmεmax：104•巴豆醛λmax=217.5nmεmax:1.5×104•芳香环上如有生色团取代时，也会出现K带，如：苯乙烯λmax：248nmεmax：~1.4×104•苯甲醛λmax=249nmεmax：–1.1×104（3）羰基化合物（醛酮）•醛酮中均含有羰基，含有n，σ和π电子，可产生n－σ*，π－π*和n－π*三个吸收带，n－π*又称为R带，落于近紫外或紫外光区，吸收带出现在270－300nm，强度低，吸收系数为10－20，并且谱带略宽。•醛酮的羰基与双键共轭时，形成不饱和醛酮类化合物，发生红移，强度增强。（4）苯及其取代物•苯有三个吸收带，它们都由π－π*跃迁引起的：•B带是由苯环本身振动及闭合环状共轭双键π-π*跃迁而产生的吸收带，是芳香族（包括杂环芳香族）的主要特征吸收带。其特点是：在230～270nm呈现一宽峰，且具有精细结构，λmax=255nm，εmax约200，属弱吸收,常用来识别芳香族化合物。B带在气态或非极性溶剂中，有许多的精细结构，是由于振动跃迁在基态电子跃迁上的叠加，在极性溶剂中，溶质与溶剂分子的相互作用使这种精细结构消失。•E吸收带E带也是芳香族化合物的特征吸收谱带，可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的π-π*跃迁所发生的。E带可分为E1和E2二个吸收带。E1带的吸收峰大约在180nm（ε＞104）；E2带约在200nm（ε7000），都属强吸收。一般来说，El带是观察不到的，当苯环上有生色团取代且与苯环共轭时，E2带常与K带合并，吸收峰向长波移动。苯乙酮的紫外吸收光谱,溶剂:正庚烷K带：λmax=240nm，ε=13000B带：λmax=278nm，ε=1100R带：λmax=319nm，ε=50•取代基能影响苯原有的三个吸收带，其中影响较大的是E2带和B带，当苯环上引入－OH,－CHO,－NO2,－NH2时，苯的B带显著红移，吸收强度也有所增加，但B带的精细结构也消失，这是由于n－π*共轭所致；而当烷基取代时，对苯的吸收光谱影响不大•稠环芳香族化合物的紫外吸收光谱的最大特征是共轭体系增加，使波长红移，吸收强度增强。化合物E吸收带B吸收带R吸收带maxmaxmaxmaxmaxmaxnmL.mol-1.cm-1nmL.mol-1.cm-1nmL.mol-1.cm-1苯2047900254204甲苯2067000261225苯酚21062002701450苯甲酸23011600273970苯胺23086002871430苯乙烯24814000282750苯甲醛2491140032050硝基苯268110003302001.3影响紫外可见吸收光谱的因素1溶剂效应(1)对λmax影响：吸收带正己烷CH3ClCH3OHH2O波长位移→*λmax/nm230238237243红移n→*λmax/nm329315309305紫移溶剂对亚异丙酮吸收带的影响一般来说,随着溶剂极性增大,→*跃迁吸收峰红移,n→*跃迁吸收峰紫移。CHCH3CHCH3COCH3(2)对吸收光谱精细结构影响•随着溶剂极性的增大,分子振动受到限制,精细结构就会逐渐消失,合并为一条宽而低的吸收带。•选择收光谱曲线的溶剂时，应注意如下几点：（1）尽量选用低极性溶剂。（2）能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性。（3）溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。下表列出紫外、可见吸收光谱中常用的溶剂，以供选择时参考。溶剂使用波长范围/nm溶剂使用波长范围/nm水210甘油230乙醇210氯仿245甲醇210四氯化碳265异丙醇210乙酸甲酯260正丁醇210乙酸乙酯26096%硫酸210乙酸正丁酯260乙醚220苯280二氧六环230甲苯285二氯甲烷235吡啶303己烷200丙酮330环己烷200二硫化碳3752共轭体系的存在----红移CH2=CH2的π－π*跃迁，λmax165~200nm；而1,3-丁二烯，λmax=217nm由于π键与π键相互作用，产生π－π共轭效应，生成大π键，使π*轨道的能量降低，π→π*跃迁所需的能量也减小，所以生色团的吸收谱带移向长波区和吸收强度增加.CH2CH2185CHCH2CHCH2217CHCH2CHCHCHCH2258CHCH2CHCH()2296共轭双键数增加，红移增大1.4紫外-可见吸收光谱的应用1定性分析不同的有机化合物具有不同的吸收光谱。根据化合物的特征吸收峰波长和强度可以进行物质的鉴定，结合红外光谱，质谱和核磁共振谱进行定性鉴定和结构分析波长吸收带结构200－400nm无饱和直链烃，脂环烃，饱和脂肪烃270－350nm弱简单的非共轭发色团210－250nm强共轭双键250－300nm中等强度苯环2有机化合物的构型，构象测定（1）顺反异构一般，反式异构体的λmax和εmax比相应的顺式异构体大。在顺式肉桂酸和反式肉桂酸中，顺式空间位阻大，苯环与侧链双键共平面性差，不易产生共轭；反式空间位阻小，双键与苯环在同一平面上，容易产生共轭。因此，反式的最大吸收波长λmax=295nm，而顺式的最大吸收波长λmax=280nm。（2）互变异构体根据紫外吸收光谱的λmax判断是否存在互变异构体酮式没有共轭双键，它在204nm处仅有弱吸收；而烯醇式由于有共轭双键，因此在245nm处有强的K吸收带（κ=18000L·mol-1cm-1)3定量分析根据朗伯比尔定律，物质在一定波长处的