紫外光谱分析

2.3紫外吸收光谱分析（UV）2.3.1概述紫外-可见吸收光谱（UltravioletandVisibleSpectroscopy,UV-VIS）统称为电子光谱。紫外-可见吸收光谱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。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。1紫外光谱法的特点（1）紫外吸收光谱所对应的电磁波长较短，能量大，它反映了分子中价电子能级跃迁情况。主要应用于共轭体系（共轭烯烃和不饱和羰基化合物）及芳香族化合物的分析。（2）由于电子能级改变的同时，往往伴随有振动能级的跃迁，所以电子光谱图比较简单，但峰形较宽。一般来说，利用紫外吸收光谱进行定性分析信号较少。（3）紫外吸收光谱常用于共轭体系的定量分析，灵敏度高，检出限低。2紫外吸收曲线紫外吸收光谱以波长λ（nm）为横坐标，以吸光度A或吸收系数ε为纵坐标。见图2.23，光谱曲线中最大吸收峰所对应的波长相当于跃迁时所吸收光线的波长称为λmax和λmax相应的摩尔吸收系数为εmax。εmax＞104为强吸收，εmax＜103为弱吸收。曲线中的谷称为吸收谷或最小吸收(λmin),有时在曲线中还可看到肩峰（sh）。图2.23紫外—可见吸收曲线2.3.2紫外吸收光谱的基本原理1电子跃迁类型（1）σ→σ*跃迁指处于成键轨道上的σ电子吸收光子后被激发跃迁到σ*反键轨道（2）n→σ*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向σ*反键轨道的跃迁（3）π→π*跃迁指不饱和键中的π电子吸收光波能量后跃迁到π*反键轨道。（4）n→π*跃迁指分子中处于非键轨道上的n电子吸收能量后向π*反键轨道的跃迁。电子跃迁类型不同，实际跃迁需要的能量不同，σ→σ*～150nmn→σ*～200nmπ→π*～200nmn→π*～300nm吸收能量的次序为：σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*图2.24电子跃迁所处的波长范围2一些基本概念（1）发色团分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或色基。象C=C、C=O、C≡C等都是发色团。发色团的结构不同，电子跃迁类型也不同。（2）助色团有些原子或基团，本身不能吸收波长大于200nm的光波，但它与一定的发色团相连时，则可使发色团所产生的吸收峰向长波长方向移动。并使吸收强度增加，这样的原子或基团叫做助色团。（3）长移和短移某些有机化合物因反应引入含有未共享电子对的基团使吸收峰向长波长移动的现象称为长移或红移（redshift），这些基团称为向红基团；相反，使吸收峰向短波长移动的现象称为短移或蓝移（blueshift），引起蓝移效应的基团称为向蓝基团。另外，使吸收强度增加的现象称为浓色效应或增色效应（hyperchromiceffect）；使吸收强度降低的现象称为淡色效应（hypochromiceffect）。(4)吸收带分类iR—带它是由n→π*跃迁产生的吸收带，该带的特点是吸收强度很弱，εmax＜100，吸收波长一般在270nm以上。iiK—带K—带（取自德文：konjuierte共轭谱带）。它是由共轭体系的π→π*跃迁产生的。它的特点是：跃迁所需要的能量较R吸收带大，摩尔吸收系数εmax＞104。K吸收带是共轭分子的特征吸收带，因此用于判断化合物的共轭结构。紫外-可见吸收光谱中应用最多的吸收带。iiiB—带B带（取自德文：benzenoidband,苯型谱带）。它是芳香族化合物的特征吸收带。是苯环振动及π→π*重叠引起的。在230～270nm之间出现精细结构吸收，又称苯的多重吸收，如图2.20。ivE-带E带（取自德文：ethylenicband，乙烯型谱带）。它也是芳香族化合物的特征吸收之一（图2.25）。E带可分为E1及E2两个吸收带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯键和共轭乙烯键所引起的，也属π→π*跃迁。E1带的吸收峰在184nm左右，吸收特别强，εmax＞104，是由苯环内乙烯键上的π电子被激发所致，E2带在203nm处，中等强度吸收（εmax=7400）是由苯环的共轭二烯所引起。当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，E带和B带均发生红移，E2带又称为K带。图2.25苯的紫外吸收光谱（异辛烷）2.3.3分子结构与紫外吸收光谱1有机化合物的紫外吸收光谱(1)饱和烃化合物饱和烃类化合物只含有单键（σ键），只能产生σ→σ*跃迁，由于电子由σ被跃迁至σ*反键所需的能量高，吸收带位于真空紫外区，如甲烷和乙烷的吸收带分别在125nm和135nm。（2）简单的不饱和化合物不饱和化合物由于含有π键而具有π→π*跃迁，π→π*跃迁能量比σ→σ*小，但对于非共轭的简单不饱和化合物跃迁能量仍然较高，位于真空紫外区。最简单的乙烯化合物，在165nm处有一个强的吸收带。当烯烃双键上引入助色基团时，π→π*吸收将发生红移，甚至移到紫外光区。原因是助色基团中的n电子可以产生p-π共轭，使π→π*跃迁能量降低，烷基可产生超共轭效应，也可使吸收红移，不过这种助色作用很弱。（3）共轭双烯当两个生色基团在同一个分子中，间隔有一个以上的亚甲基，分子的紫外光谱往往是两个单独生色基团光谱的加和。若两个生色基团间只隔一个单键则成为共轭系统，共轭系统中两个生色基团相互影响，其吸收光谱与单一生色基团相比，有很大改变。共轭体越长，其最大吸收越移向长波方向，甚至到可见光部分，并且随着波长的红移，吸收强度也增大。共轭多烯的紫外吸收计算共轭多烯的K带吸收位置λmax，可利用伍德沃德（Woodward）规则来进行推测，这个定则以丁二烯的作为基本数据。（i）共轭双烯基本值2174个环残基取代+5×4计算值237nm（238nm）（ii）非骈环双烯基本值2174个环残基或烷基取代+5×4环外双键+5计算值242nm（243nm）（iii）链状共轭双键2174个烷基取代+5×42个环外双键+5×2计算值247nm（247nm）（iv）同环共轭双烯基本值2535个烷基取代+5×53个环外双键+5×3延长一个双键+30×2计算值353nm（355nm）AcO(4)α，β-不饱和羰基化合物α，β-不饱和醛、酮紫外吸收计算值计算举例（i）六元环α，β—不饱和酮基本值2152个β取代+12×21个环外双键+5计算值244nm（251nm）（ii）六元环α，β—不饱和酮基本值2151个烷基α取代＋102个烷基β取代＋12×22个环外双键＋5×2计算值259nm（258nm）OOα，β－不饱和羧酸、酯、酰胺计算举例：CH3－CH＝CH－CH＝CH－COOHβ单取代羧酸基准值208延长一个共轭双键30δ烷基取代+18256nm（254nm）(5)芳香族化合物芳香族化合物在近紫外区显示特征的吸收光谱，图2.25是苯在异辛烷中的紫外光谱，吸收带为：184nm（ε68000），203.5nm（ε8800）和254nm（ε250）。分别对应于E1带，E2带和B带。B带吸收带由系列细小峰组成，中心在254.5nm，是苯最重要的吸收带，又称苯型带。B带受溶剂的影响很大，在气相或非极性溶剂中测定，所得谱带峰形精细尖锐；在极性溶剂中测定，则峰形平滑，精细结构消失。i.单取代苯苯环上有一元取代基时，一般引起B带的精细结构消失，并且各谱带的λmax发生红移，εmax值通常增大（表2-14）。当苯环引入烷基时，由于烷基的C－H与苯环产生超共轭效应，使苯环的吸收带红移，吸收强度增大。对于二甲苯来说，取代基的位置不同，红移和吸收增强效应不同，通常顺序为：对位＞间位＞邻位。当取代基上具有的非键电子的基团与苯环的π电子体系共轭相连时，无论取代基具有吸电子作用还是供电子作用，都将在不同程度上引起苯的E2带和B带的红移。当引入的基团为助色基团时，取代基对吸收带的影响大小与取代基的推电子能力有关。推电子能力越强，影响越大。顺序为－O－＞－NH2＞－OCH3＞－OH＞－Br＞－Cl＞CH3当引入的基团为发色基团时，其对吸收谱带的影响程度大于助色基团。影响的大小与发色基团的吸电子能力有关，吸电子能力越强，影响越大，其顺序为－NO2＞－CHO＞－COCH3＞－COOH＞－CN－、－COO－＞－SO2NH2＞－NH3+ii二取代苯在二取代苯中，由于取代基的性质和取代位置不同，产生的影响也不同。a当一个发色团（如—NO2，—C=O）及一个助色团（如—OH，—OCH3，—X）相互处于（在苯环中）对位时，由于两个取代基效应相反，产生协同作用，故λmax产生显著的向红位移。效应相反的两个取代基若相互处于间位或邻位时，则二取代物的光谱与各单取代物的区别是很小的。例如：NO2NH2NH2NO2NH2NO2NH2NO2260nm280nm380nm280nm282.5nmb当两个发色基或助色基取代时，由于效应相同，两个基团不能协同，则吸收峰往往不超过单取代时的波长，且邻、间、对三个异构体的波长也相近。例如：COOHNO2NO2COOHNO2COOHNO2COOH230nm260nm258nm255nm255nmiii多取代苯多取代苯的吸收波长情况较脂肪族化合物复杂，一些学者也总结出不同的计算方法，但其计算结果的准确性比脂肪族化合物的计算结果差，具有一定的参考性。Scott总结了芳环羰基化合物的一些规律，提出了羰基取代芳环250nm带的计算方法例1基本值：246邻位环残基+3对位—OCH3+25274nm（276nm）例2基本值：246邻位环残基+3邻位—OH取代+7间位CI取代+0256nm（257nm）例3基本值：246邻位环残基+3间位—OCH3取代+7对位—OCH3取代+25281nm（278nm）OH3COOOHCICOOC2H5CH3OH3COO2无机化合物的紫外-可见吸收光谱无机化合物的电子跃迁形式有电荷迁移跃迁和配位场跃迁。（1）电荷迁移跃迁（2）配位场跃迁2.3.4影响紫外吸收光谱的因素1共轭效应图2.271，3丁二烯分子轨道能级示意图共轭体系的形成使λmax红移，并且共轭体系越长，紫外光谱的最大吸收越移向长波方向。2超共轭效应当烷基与共轭体系相连时，可以使波长产生少量红移。3溶剂效应（1）n→π*跃迁所产生的吸收峰随溶剂极性的增加而向短波长方向移动。因为具有孤对电子对的分子能与极性溶剂发生氢键缔合，其作用强度以极性较强的基态大于极性较弱的激发态，致使基态能级的能量下降较大，而激发态能级的能量下降较小（如图2.28a），故两个能级间的能量差值增加。实现n→π*跃迁需要的能量也相应增加，故使吸收峰向短波长方向位移。（2）π→π*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加而向长波长方向移动。因为在多数π→π*跃迁中，激发态的极性要强于基态，极性大的π*轨道与溶剂作用强，能量下降较大，而π轨道极性小，与极性溶剂作用较弱，故能量降低较小，致使π及π*间能量差值变小（如图2.28b）。因此，π→π*跃迁在极性溶剂中的跃迁能△Ep小于在非极性溶剂中的跃迁能△En。所以在极性溶剂中，π→π*跃迁产生的吸收峰向长波长方向移动。图2.28溶剂对π→π*，n→π*的影响4溶剂pH值对光谱的影响pH的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚、及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大。如果化合物溶液从中性变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质；如果化合物溶液从中性变为酸性时，吸收峰发生蓝移，表明化合物可能为芳胺。（a）苯酚的UV光谱图（b）苯胺的UV光谱图图2.29溶液酸碱性对紫外光谱的影响2.3.5紫外-可见分光光度计1紫外-可见分光光度计的基本结构紫外-可见分光光度计由光源、单色器、吸收池、检测器以及数据处理及记录（计算机）等部分组成。图2.30双光束分光光度计的原理图图2.31紫外-可见分光光度计光路图图2.32双波长分光光度计原理图图2.33UV-300紫外可见分光光度计光路图2.3.6紫外吸收光谱的应用物质的紫外吸收光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，而不是整个分子的特征。如果物质组成的变化不影响生色团和助色团，就不会显