紫外可见分子吸收光谱法

第三讲：紫外－可见分光光度法Ultraviolet-VisibleSpectrophotometry内容简介（outline）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。发生电子能级跃迁需要吸收光的波长恰好落在紫外－可见光区域。因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也称之为电子光谱。原理ΔＥ分子＝ΔＥ电子＋ΔＥ振动＋ΔＥ转动hν一、分子电子光谱的产生电子能级S0电子能级S1电子能级S21~20eV电子光谱0.05eV转动光谱0.05~1eV振动光谱有机化合物电子能级跃迁分子轨道理论由HOMO跃迁到LUMOσπnπ*σ*有机化合物电子跃迁类型：1.σ→σ*跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，λ150nm（远紫外区）2.n→σ*跃迁：含杂原子（N、O、卤素、S）饱和基团E较大，λ150~250nm（真空紫外区）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其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带4.n→π*跃迁：含杂原子（O、N、S等）不饱和基团（—C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外区）；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，通常小于100，属于禁阻跃迁。有机化合物的紫外-可见吸收光谱无机化合物紫外-可见吸收光谱产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。1、电荷迁移跃迁在不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。此外，一些具有d10电子结构的过度元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色。MLn+b-hM(n-1)+L(b-1)-电子给予体电子接受体h[FeSCN]3+-2+[FeSCN]2+2+2、配位场跃迁配位场跃迁包括d-d跃迁和f-f跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。配位场跃迁吸收谱带的摩尔吸光系数小，一般max100，电荷转移跃迁则一般max104。二、几个基本术语：1、生色团（chromophore)指分子中能吸收紫外或可见光的基团，它实际上是一些具有不饱和键和含有孤对电子的基团。。2、助色团(auxochrome)带有非键电子对的基团，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等，它们本身不能吸收大于200nm的光，但是当它们与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。3、红移与蓝移（紫移）有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团(-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2)之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应(redorbathochromicshift)。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基团称为向红基团。在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移(紫移)效应(blueorhypsochromicshift)。这些会使某化合物的最大吸收波长向短波方向移动的基团(如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3)称为向蓝（紫）基团。4、增色效应和减色效应最大吸收带的摩尔吸光系数max增加时称为增色效应；反之称为减色效应。5、强带和弱带max104的吸收带称为强带；max103的吸收带称为弱带。•R带：由含杂原子的生色团的n*跃迁所产生的吸收带。它的特点是强度较弱，一般100，吸收峰通常位于270nm以上。•K带：由共轭体系的*跃迁所产生的吸收带。其特点是吸收强度大，一般104，吸收峰位置一般处于217~280nm范围内。•B带：由芳香族化合物的*跃迁而产生的精细结构吸收带。B带是芳香族化合物的特征吸收，但在极性溶剂中时精细结构消失或变得不明显。•E带：由芳香族化合物的*跃迁所产生的吸收带，也是芳香族化合物的特征吸收，可分为E1和E2带。苯在己烷中的紫外光谱E2三、有机化合物紫外-可见吸收光谱1、饱和烃及其取代衍生物饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道跃迁到反键轨道*。饱和烃的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。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*的跃迁。n*的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和(或)可见吸收光谱的良好溶剂。2、不饱和烃及共轭烯烃在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。*跃迁的能量小于*跃迁。例如，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为180nm。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，*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。化合物溶剂max/nmmax1,3-丁二烯己烷217210001,3,5-己三烯异辛烷268430001,3,5,7-辛四烯环己烷304—1,3,5,7,9-癸五烯异辛烷3341210001,3,5,7,9,11-十二烷基六烯异辛烷364138000举例：3、羰基化合物羰基化合物含有C=O基团。C=O基团主要可产生*、n*、n*三个吸收带，n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n*跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。4、苯及其衍生物苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX=60000）；E2带出现在204nm（MAX=8000）；B带出现在255nm（MAX=200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。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。5、稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此外，由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。影响紫外-可见吸收光谱的因素1.共轭效应：共轭效应使共轭体系形成大键，结果使各能级间的能量差减小，从而跃迁所需能量也就相应减小，因此共轭效应使吸收波长产生红移。共轭不饱和键越多，红移越明显，同时吸收强度也随之加强。CCHOMOLUMO共轭体系•跃迁发生在最高已占分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道（LUMO).•更多的共轭(双键)将缩小HOMO-LUMO的能极差262.超共轭效应当烷基与共轭体系相连时，σ电子与共轭体系的电子云产生一定程度的重叠，扩大了共轭范围，使跃迁能量降低，吸收红移。CH2=CH-CH3max（nm）max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300273.立体效应HCCOOCH3CCOO空间位阻：影响共平面性，从而影响共轭效应。λmax=466λmax=300邻位效应：苯环邻位取代影响共轭。跨环效应：两个基团虽不共轭，但由于空间的排列，他们的电子云仍能相互影响，使最大吸收波长和吸光系数改变OOλmax=292ε=292λmax=280ε~15028例：苯环上邻位取代基基越多，使得共平面性越差，共轭性越差，导致吸收蓝移溶剂对紫外—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。4.溶剂对紫外可见吸收光谱的影响改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。正己烷CHCl3CH3OHH2O*max/nm230238237243n*max/nm329315309305可以看出，当溶剂的极性增大时，由n*跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由*跃迁产生的吸收带发生红移。因此，在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。由于溶剂对电子光谱图影响很大，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化学稳定性。2.在溶解度允许范围内，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。4.pH值的影响：如果化合物在不同的pH值下存在的型体不同，则其吸收峰的位置会随pH值的改变而改变。溶剂的选择32小结共轭效应、超共轭效应，使吸收红移；极性溶剂使*跃迁能量降低，吸收红移，使n*跃迁能量升高，吸收蓝移，反之亦然；立体效应影响键的共平面性，从而影响共轭性；酸度对共轭体系的影响也很大。III.朗伯-比尔定律当一束单色光穿过透明介质时，吸光度与吸收介质的厚度以及光路中吸光微粒的数目成正比。bcIITA0lglg吸光度透光度入射光强透射光强吸光系数介质厚度物质浓度先考察在吸收介质中,吸收层厚度为dx的小体积元内的吸收情况。光强为Ix的光束通过吸收层后,减弱了dIx，-dIx/Ix表示吸收率。根据量子理论,光束强度可以看作是单位时间内流过光子的总数，于是-dIx/Ix可以看作是光束通过吸收介质时每个光子被物质分子吸收的平均几率。从另一方面看,只有在近似分子尺寸的范围内,物质分子与光子相互碰撞时才有可能捕获光子。bb如果浓度以重量浓度表示，吸光物质的分子量为M，则：当吸收介质内只有一种吸光物质存在时，上式简化为：bcA式中a是吸收系数，单位是l/(g.cm)；a=/M。abcA与分子吸收截面、跃迁几率相关L/mol.cm吸收定律的适用性吸收定律俗称比尔定律，其成立条件是(1)入射光为平行单色光且垂直照射.(2)吸光物质为均匀非散射体系.(3)吸光质点之间无相互作用.(4)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收,无荧光和光化学现象发生.偏离比尔定律的因素：1、本身的局限－稀溶液（0.01mol/l)2、化学因素－解离、缔合、生成络合物或溶剂化3、仪器因素－非单色光、杂散光(非吸收光)等等吸收点IV.紫外-可见分光光度计组成部件紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号系统。光源（LightSource）常用的光源有热辐射光源和气体放电光源。•热辐射光源：钨灯、卤钨灯（300-2500nm）。两者均在可见区使用,卤钨灯的使用寿命及发光效率高于钨灯。•气体放电光源：氢灯或氘灯190-400nm,在紫外区使用。卤钨灯氘灯吸收池（cu