第三章紫外可见分光光度法ppt课件

第三章紫外-可见分光光度法仪器分析学习目的通过本章学习，为后续药物分析、中药分析课程中有关药品的定性鉴别、杂质检查和含量测定的学习奠定基础。学习要点紫外-可见分光光度法的基本原理；电子跃迁类型，吸收带的类型、特点及影响因素；Lambert-Beer定律；紫外-可见分光光光度计的基本构造；定性定量方法。目录第一节紫外-可见分光光度法的基本原理第二节紫外-可见分光光度计第三节紫外-可见分光光度法分析条件的选择第四节紫外-可见分光光度法的应用紫外-可见分光光度法(ultraviolet-visiblespectrophotometry，UV-Vis)是基于分子中价电子跃迁所产生的吸收光谱而进行分析的方法，又称紫外-可见吸收光谱法。该法波长范围一般在190~800nm。特点：①灵敏度较高，一般为10-7~10-4g/ml；②准确度较好，相对误差一般在0.5%，精度高的可达0.2%；③仪器设备简单，操作方便，分析速度较快。概述一、紫外-可见吸收光谱（一）电子跃迁的类型1、σ→σ*跃迁2、π→π*跃迁3、n→π*跃迁4、n→σ*跃迁5、电荷迁移跃迁6、配位场跃迁第一节紫外-可见分光光度法的基本原理电子跃迁所需能量及所处波段示意图σ→σ*＞n→σ*≈π→π*＞n→π*5、电荷迁移跃迁用电磁辐射照射化合物时，电子从给与体向接受体相联系的轨道上跃迁称为电荷迁移跃迁。某些取代芳烃分子同时具有电子给与体和电子接受体两部分，可以产生电荷转移吸收光谱。某些过渡金属离子与含生色团的试剂反应所产生的配合物，以及许多无机物离子均可产生电荷迁移跃迁。此类吸收带较宽，吸收强度大，一般εmax＞104。（一）电子跃迁的类型6、配位场跃迁第4、5周期过渡金属水合离子或过渡金属离子与显色剂所形成的配合物在电磁辐射作用下，吸收适当波长的紫外光或可见光，从而获得相应的吸收光谱。配位场跃迁吸收强度较弱，一般εmax＜102。如Ti(H2O)63+水合离子的配位场跃迁吸收带λmax为490nm。大多数镧系和锕系元素离子的4f或5f电子可发生f→f*跃迁（配位场跃迁），因而在紫外-可见光区都有吸收。（一）电子跃迁的类型8跃迁类型出现波段吸收强度化合物结构特点σ→σ*＜200nm弱单键C－CC－H饱和烃类，对紫外无贡献，但可作溶剂π→π*≈200nm强不饱和键C＝CC≡C有共轭双键存在时，π→π*跃迁所需能量降低，波长红移n→π*250～500nm弱C＝OC＝N等必须是杂原子直接连在双键上n→σ*≈200nm弱C－OHC－NH2C－SC－X含有未共用电子对的基团连接在σ键上杂原子极性↑，λ红移杂原子数目↑，λ红移电子跃迁类型及特点1、吸收光谱（吸收曲线）2、生色团3、助色团4、蓝移、红移5、增色效应、减色效应（二）紫外-可见吸收光谱中的常用术语1、吸收光谱（吸收曲线）(1)最大吸收波长（λmax）吸收曲线上的最大吸收峰所对应的波长。(2)最小吸收波长（λmin）吸收曲线上的最低部位的谷所对应的波长。(3)肩峰（λsh）吸收峰上的曲折处称为肩峰。(4)末端吸收在吸收曲线的最短波长处呈现强吸收而不成峰形的部分称为末端吸收。有机化合物分子结构中含有n→π*、π→π*跃迁的基团，能在紫外-可见光范围内产生吸收的基团。如C=C、C=O、－N=N－等简单的双键或叁键，以及C＝O、C＝N、C＝S、N＝O、－NO2等有杂原子渗入的双键或共轭双键。2、生色团含有非成键电子的杂原子饱和基团，本身不能吸收波长大于200nm的辐射，但与发色团或饱和烃相连时，能使生色团的吸收峰向长波方向位移并增强其吸收强度的基团。如－NH2、－OH、－NR2、－OR、－SH、－SR、－Cl、－Br等。这些基团中的n电子能与生色团中的π电子相互作用（可能产生p-π共轭），使π→π*跃迁能量降低，跃迁几率变大。3、助色团(1)蓝移（紫移、短移）因化合物的结构改变或溶剂效应等引起的吸收峰向短波方向移动的现象(2)红移（长移）因化合物的结构改变或溶剂效应等引起的吸收峰向长波方向移动的现象4、蓝移、红移(1)增色效应由于化合物的结构发生某些变化或外界因素的影响，使化合物的吸收强度增大的现象(2)减色效应由于化合物的结构发生某些变化或外界因素的影响，使化合物的吸收强度减小的现象5、增色效应、减色效应（三）吸收带依据电子跃迁和分子轨道类型，吸收带可分为：1、R带——Radikal(基团)2、K带——Konjugation(共轭作用)3、B带——benzenoid(苯)4、E带——芳香族化合物特征吸收带1、R带——Radikal(基团)由含杂原子不饱和基团（C＝O、－NO、－NO2、－N＝N－）的n→π*跃迁引起。吸收峰处于较长波长范围（250~500nm）内，吸收强度中等（ε＜100）。2、K带——Konjugation(共轭作用)由共轭双键中π→π*跃迁引起。吸收峰出现在200nm以上，吸收强度大（ε＞105）。随着共轭双键的增加，吸收峰红移，吸收强度有所增加。如丁二烯λmax=217nm为K带。3、B带——benzenoid(苯)芳香族（包括杂芳香族）特征吸收带。由苯等芳香族化合物的π→π*跃迁所引起的吸收带之一。吸收峰出现在230~270nm之间，中心波长256nm。在极性溶剂中，B带精细结构变得不明显或消失。苯的紫外吸收光谱（异辛烷溶剂中）4、E带——芳香族化合物特征吸收带由苯环结构中3个乙烯的环状共轭系统的π→π*跃迁所引起。分为E1和E2两个吸收带。E1吸收带约在184nm，εmax=60000，强吸收带。E2吸收带在204nm以上，εmax=8000，强吸收带。苯的紫外吸收光谱（异辛烷溶剂中）电子结构化合物跃迁λmax（nm）εmax吸收带σ乙烷σ→σ*13510000π乙烯π→π*16510000π乙炔π→π*1736000π和n丙酮π→π*约16016000n→σ*1949000n→π*27915Rπ-πCH2=CH-CH=CH2π→π*21721000Kπ-π和nCH2=CH-CHOπ→π*21011500Kn→π*31514R芳香族π苯芳香族π→π*约18060000E1同上约2008000E2同上255215B一些化合物的电子结构、跃迁和吸收带211、有机化合物的紫外吸收光谱2、影响紫外吸收光谱的主要因素（四）紫外-可见吸收光谱与分子结构的关系22(1)饱和化合物饱和碳氢化合物只有σ电子，因此只能产生σ→σ*跃迁，需要能量较大，吸收的波长通常在150nm左右的真空紫外光区。含有O、N、S、X等杂原子的饱和化合物，除σ电子外，还有n电子，可发生n→σ*跃迁，在200nm附近有弱吸收，通常为末端吸收。仅少数化合物（如烷基碘）的λmax为259nm（εmax=400）。在200~400nm的近紫外区没有强吸收（常称为透明）。在紫外吸收光谱分析中常作溶剂。1、有机化合物的紫外吸收光谱23(2)不饱和烃及共轭烯烃含孤立双键或叁键的简单不饱和脂肪化合物，可以产生σ→σ*和π→π*两种跃迁。最大吸收波长λmax小于200nm。具有共轭体系的不饱和化合物，共轭体系越长，跃迁时所需能量越小，吸收峰红移越显著。如1,3,5,7,9,11-十二烷基六烯λmax为364nm，εmax为138000。1、有机化合物的紫外吸收光谱(3)羰基化合物羰基化合物含有C=O基团，可发生n→σ*、n→π*和π→π*跃迁。其中n→π*跃迁所需要能量较低，吸收波长在近紫外光区或紫外光区，ε为10~100。醛、酮、羧酸及其衍生物(酯、酰胺、酰卤等)，均属于这类化合物的吸收类型。α、β-不饱和醛、酮，由于C=O和C=C双键共轭，使π→π*跃迁红移至200nm以上，ε约为104；而n→π*跃迁红移至310~350nm（ε＜100）。如CH2=CH-CHO，共轭π→π*跃迁λmax为210nm，n→π*跃迁λmax为315nm。1、有机化合物的紫外吸收光谱(4)芳香族化合物苯具有环状共轭体系，在紫外光区，由π→π*跃迁产生E1带、E2带和B带3个吸收带。B带是芳香族化合物的特征。当苯环上引入－NH2、－OH、－CHO、－NO2基团时，苯的B带显著红移，吸收强度增大。如果引入的基团带有不饱和杂原子时，则产生了n→π*跃迁的新吸收带。如硝基苯、苯甲醛的n→π*跃迁的吸收波长分别为330nm和328nm。1、有机化合物的紫外吸收光谱2、影响紫外吸收光谱的主要因素分子的内部结构和外部环境等各种因素对吸收谱带也有一些，主要表现为谱带位移、谱带强度的变化、谱带精细结构的改变等。(1)位阻影响(2)跨环效应(3)溶剂效应(4)体系pH值的影响(1)位阻影响化合物中若有两个生色团产生共轭效应，可使吸收带长移。但如果两个生色团由于立体阻碍妨碍它们处于同一平面上，就会影响共轭效应。二苯乙烯由于顺式结构有立体阻碍，苯环不能与乙烯双键在同一平面上，不易产生共轭，因此反式结构的K带λmax比顺式明显红移，且吸收系数也增加。2、影响紫外吸收光谱的主要因素二苯乙烯顺式反式异构体的紫外吸收光谱2、影响紫外吸收光谱的主要因素(2)跨环效应跨环效应指非共轭基团之间的相互作用。如对亚甲基环丁酮在214nm处出现一中等强度的吸收带，同时284nm处出现R带。这是由于结构中虽然双键与酮基不产生共轭体系，但适当的立体排列，使羰基氧的孤电子对与双键的π电子发生作用，相当于n→π*跃迁的R带向长波移动。对亚甲基环丁酮2、影响紫外吸收光谱的主要因素(3)溶剂效应n→π*随溶剂极性的增大，吸收峰向短波移动。π→π*随溶剂极性的增大，吸收峰向长波移动。极性溶剂对两种跃迁能级差的影响示意图2、影响紫外吸收光谱的主要因素溶剂极性对异丙叉丙酮的两种跃迁吸收峰的影响跃迁类型正己烷三氯甲烷甲醇水π→π*230nm238nm237nm243nmn→π*329nm315nm309nm305nm对称四嗪的吸收光谱a.蒸气态中b.环己烷中c.水中极性溶剂往往使吸收峰的精细结构消失2、影响紫外吸收光谱的主要因素(4)体系pH值的影响体系酸碱度对酸碱性有机化合物吸收光谱的影响普遍存在。如酚类化合物由于体系pH值不同，其解离情况不同，而产生不同的吸收光谱。OHOH－H＋O－λmax210.5nm（εmax6200）236nm（εmax9400）270nm（εmax1450）287nm（εmax2600）2、影响紫外吸收光谱的主要因素二、朗伯-比尔定律朗伯-比尔定律(Lambert-Beer)是光吸收的基本定律，是分光光度法定量分析的依据和基础。如果浓度c以物质的量浓度（mol/L）表示，则公式可以写成其中ε称为摩尔吸收系数，单位为L/（mol·cm）。如果浓度c以质量百分浓度（g/100ml）表示，则公式可以写成其中称为百分吸收系数，单位为100ml/（g·cm）。吸收系数两种表示方式之间的关系是：lgATElccAl1%1cmAElc%1110cmEM（一）数学表达式及物理意义例某种从中药提取物分离纯化制得的有效成分，浓度为12.6μg/ml，用1cm吸收池，在最大吸收波长238nm处测得其吸光度为0.437，试计算其（λmax）；若该组分的分子量是264，计算其ε（λmax）。解：已知c=12.6μg/ml=12.6×10-6×100=1.26×10-3(g/100ml)朗伯-比尔定律公式运用%11cmE1%21max30.437()3.47101.26101cmAEcl＝32%11max1016.91047.31026410)(cmEM1、化学因素2、光学因素（非单色光，杂散光，散射光和反射光，非平行光）（二）偏离朗伯-比尔定律的因素吸光物质可因浓度的改变而发生离解、缔合、溶剂化以及配合物生成等变化，使吸光物质的存在形式发生变化，从而偏离朗伯-比尔定律。C6H5COOH＋H2O=C6H5COO－＋H3O＋λmax（nm)273268εmax[L/(mol·cm)]970560稀释溶液或改变溶液pH值时，吸收波长及吸收系数都会改变。1、化学因素2、光学因素(1)非单