分析化学“紫外可见吸收光谱法”

15:53:54新浪微博：1949年，生物老师Gaddum给一个15岁的中学生写了评语“IbelievehehasideasaboutbecomingaScientist;onhispresentshowingthisisquiteridiculous…”然后这个学生不但得了诺奖，还把那个评语裱在相框里保留了60年现在拿出来给记者们拍照……2012年诺贝尔生理学或医学奖得主英国科学家约翰·戈登（JohnB.Gurdon）生物教师评语:“我相信戈登想成为科学家，但以他目前的学业表现，这个想法很荒谬，他连简单的生物知识都学不会，根本不可能成为专家，对于他个人及想教导他的人，这根本是浪费时间”。15:53:54第7章紫外可见吸收光谱法UV-VISspectrophotometry•7.1紫外可见吸收光谱•7.2紫外-可见分光光度计•7.3紫外-可见吸收光谱法的应用•本章小结15:53:54了解掌握教学内容及目标本章作业：P137，01-11•紫外－可见吸收光谱的产生原理•生色团、助色团、红移、蓝移•紫外－可见分光光度计仪器原理和结构•紫外－可见吸收光谱法在有机定性、结构分析中的应用15:53:54•紫外-可见吸收光谱法是基于分子的价电子跃迁吸收紫外和可见光区辐射能（波长范围：10~780nm）来研究物质的组成和结构的方法。•也称为紫外-可见吸收光度法。远紫外区：10~200nm近紫外区：200~400nm可见光区：400~780nm•比色分析法•紫外可见分光光度法概述15:53:54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650~780表7-1物质颜色与吸收光颜色的关系15:53:54电磁波谱范围表15:53:54UV-Vis-NIRspectrophotometer紫外-可见-近红外分光光度计Varian’sCary®瓦里安（美国）•:547.1紫外可见吸收光谱•不同物质具有不同的分子结构，对不同波长的光会产生选择性吸收，因而具有不同的吸收光谱。•无机化合物和有机化合物吸收光谱的产生在本质上是相同的，都是外层电子跃迁的结果，但二者在电子跃迁类型上有一定区别。15:53:547.1.1有机化合物的紫外-可见吸收光谱7.1.1.1电子跃迁类型•根据分子轨道理论，分子中的电子轨道有成键轨道、*反键轨道、成键轨道、*反键轨道和n未成键轨道（或称非键轨道）。各种分子轨道能量高低的顺序为:＜＜n＜*＜*→*→*n→*n→*15:53:54有机化合物的紫外-可见吸收光谱是3种电子、4种跃迁的结果：电子、电子、n电子。分子轨道理论：成键轨道—反键轨道，非键轨道。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4种跃迁，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→*→*n→*→***RKE,BnECOHnH15:53:54→*跃迁•所需能量最大，电子只有吸收远紫外线的能量才能发生跃迁。•饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区。•吸收波长λ＜200nm。甲烷：λmax=125nm；乙烷：λmax=135nm；环丙烷：λmax=190nm（饱和烃中最长）•在近紫外没有饱和碳氢化合物的光谱，需真空紫外分光光度计检测；可作为溶剂使用。15:53:54n→*跃迁•所需能量较大，但比→*小。•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→*跃迁。n→*跃迁所需能量取决于带有n电子的原子的性质以及分子结构。15:53:54→*跃迁•所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，κmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属强吸收。•生色团：含有键的不饱和基团，λmax＜200nm。•乙烯：λmax=162nmκmax=1.0×104L·mol-1·cm-1•若形成不饱和键的原子含有非键电子，则也能发生n→*跃迁。n→*跃迁比→*跃迁所需能量小，吸收波长要长一些，但其κmax仅为10-100L·mol-1·cm-1以上。n→*跃迁一些常见生色团的吸收特性-P122表7-115:53:55•由n→π*跃迁产生的吸收带称为R带(德文Radikal)。•能量最小；200～700nm；κmax103L·mol-1·cm-1较小（一般小于100），弱吸收，禁阻跃迁。•分子中同时存在杂原子和双键产生n→π*跃迁。C=O，N=N，N=O，C=S•基团中氧原子被硫原子取代后吸收峰发生红移；C=O：n→π*，λmax280～290nm；C=S（硫酮）：n→π*，λmax400nm左右。•R带在极性溶剂中发生蓝移。正己烷中：279nm；乙醇中：272nm；水中：264nm。n→*跃迁15:53:557.1.1.2生色团的共轭作用如果一种化合物分子中含有两个或两个以上的生色团，但两个生色团处于非共轭状态，那么各个生色团将独立地产生吸收，总的吸收是各个生色团吸收的加和。若两个生色团发生共轭作用，则原来生色团吸收峰消失，在长波方向产生新的吸收峰，吸收强度也会显著增加。按照分子轨道理论，在共轭体系中，电子具有更大的离域性，离域效应使得*轨道能量下降，从而导致吸收峰红移。15:53:55对于多烯化合物，非共轭体系的最大吸收波长与含一个烯键的化合物基本相同，但摩尔吸收系数则与烯键数目同步增大。共轭多烯化合物随着共轭体系的增大其吸收峰红移，摩尔吸收系数也会随共轭体系增大而发生显著变化。1-己烯：λmax=177nmκmax=11800L·mol-1·cm-11,5-己二烯：λmax=178nmκmax=26000L·mol-1·cm-1近似相等增大15:53:55醛、酮和羧酸中碳氧双键同烯键之间的共轭作用也会降低*轨道能量，从而使→*跃迁和n→*跃迁的吸收峰都发生红移。•巴豆醛（CH3CH＝CHCHO）乙醇溶液：→*λmax=220nmκmax=15000L·mol-1·cm-1n→*λmax=322nmκmax=28L·mol-1·cm-1•单独烯键：→*λmax=170nm•单独羰基：→*λmax=166nm•n→*λmax=280nm15:53:55B吸收带（苯吸收带）→*跃迁——芳香族和杂芳香族化合物的特征谱带•B带包含多重峰或称精细结构，（由于振动次能级对电子跃迁的影响所引起的），经常用于芳香族化合物的辨认。•E1带：λmax=184nm•κmax=50000L·mol-1·cm-1•E2带：λmax=204nm•κmax=7400L·mol-1·cm-1•B带：λmax=254nm•κmax=200L·mol-1·cm-115:53:55表7-3某些苯衍生物的吸收特性化合物分子式溶剂λmax／nmκmax／L·mol-1·cm-1苯C6H62％甲醇2542042007400甲苯C6H5CH32％甲醇2622082257000氯苯C6H5Cl2％甲醇2642101907400碘苯C6H5I2％甲醇2582077007000苯酚C6H5OH2％甲醇27121312606200酚盐离子C6H5O-2％甲醇28623524009400苯甲酸C6H5COOH2％甲醇27223097011600苯胺C6H5NH22％甲醇28023013208600苯胺盐离子C6H5NH3+2％甲醇254203169750015:53:55从表7-3可以看出，当苯环上有-OH、-NH2等取代基时，吸收峰红移，吸收强度增大。其原因在于这些基团中的n电子能够同苯环上的电子发生共轭作用，从而使轨道的*能量降低。•助色团：像这样一些本身的紫外和可见光区无吸收，但能使生色团吸收峰红移、吸收度增大的基团。•主要的助色团：-OH、-OCH3、-NH2等。•助色团至少要有一对非键n电子，这样才能与苯环上的电子相作用，产生助色作用。15:53:557.1.1.3溶剂对吸收光谱的影响选择溶剂原则：既要使溶剂本身在测定波长范围内无吸收，又要考虑它对被测物质的吸收光谱可能产生的影响。紫外-可见吸收常用的溶剂非极性溶剂：环己烷，“透明”极限波长210nm；极性溶剂：95％的乙醇，透明”极限波长是210nm。溶剂对物质吸收光谱的影响主要包括以下几个方面。1.对最大吸收波长的影响------λmax。2.对光谱精细结构和吸收强度的影响-------苯的B带、κmax。15:53:5515:53:55溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：极性溶剂使n→*吸收带发生蓝移，κmax；极性，蓝移的幅度。原因：Cδ+=Oδ-极性，激发态时O电子云密度，键极性；基态时的作用强，基态能量大，激发态能量小。能级间的能量差，蓝移。（1）极性溶剂对n→*跃迁的影响15:53:55溶剂的影响：对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。规律：使→*吸收带发生红移，κmax略有降低。原因：C=C基态时，两个π电子位于π成键轨道上，无极性；→*跃迁后，分别在成键和反键*轨道上，C+=C-，极性，与极性溶剂作用强，能量。能级间的能量差，红移。（2）极性溶剂对→*跃迁的影响15:53:55极性溶剂致使→*跃迁的K带发生红移。既有K带又有R带时，溶剂极性越大则K带与R带的距离越近(K带红移,R带蓝移)，见图(因为R在右，K在左)；而随着溶剂极性的变小两个谱带则逐渐远离。15:53:55溶剂的影响非极性→极性n→*跃迁：蓝移，，κ。→*跃迁：红移，，κ。极性溶剂使精细结构消失。1-乙醚2-水12250300λ/nm乙酰丙酮的紫外-可见吸收光谱15:53:557.1.2无机化合物的吸收光谱无机化合物的光度法分析一般用于研究金属离子络合物的吸收光谱在络合物中，电子的吸收跃迁可能发生在：1.受配位体影响的金属离子的原子轨道之间；2.受金属离子影响的有机配位体分子轨道之间；3.以上两种轨道之间。因为吸收过程更为复杂，无机络合物的吸收过程分为三种类型。15:53:55配合物的电子光谱分为三类1.d--d跃迁,中心离子谱带,350-400nm,可见区(380-780nm)。2.配位体与金属离子间或金属离子间的电荷迁移。3.配体内部的电子转移(n→*,n→*,→*),380nm,紫外区。ΔE=h=hc/普鲁氏蓝KFeⅢ[FeⅡ(CN)6]紫外-可见光谱(电子光谱)电子在轨道间跃迁而产生的光谱15:53:55d-d配位场跃迁•绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d轨道。•当它们在溶液中与水或其它配位体生成络合物时，受配位体配位场的影响，原来能量相同的d轨道会发生能级分裂。•由于d轨道间能量差（分裂能）的存在，络合物就可以吸收适当波长的辐射能，发生d–d跃迁。•吸收光的波长取决于分裂能的大小。•配位体的配位场越强，d轨道分裂能越大，吸收峰波长越短。κmax=0.1～100L·mol-1·cm-115:53:55这种d-d跃迁所需能量较小，产生的吸收峰多在可见光区，强度较弱。κmax=0.1～100L·mol-1·cm-1f-f跃迁带在紫外-可见光区，它是镧系、锕系的4f或5f轨道裂分出不同能量的f轨道之间的电子跃迁而产生的。一些常见配位体配位场强弱顺序：I-＜Br-＜Cl-＜F-＜OH-＜C2O42-=H2O＜SCN-＜吡啶=NH3＜乙二胺＜联吡啶＜邻二氮菲＜NO2-＜CN-[Co(NH3)5X]n+的紫外—可见吸收光谱X=NH3时，n=3,X=F,Cl,Br,I时，n=215:53:55电荷转移迁移•电荷转移迁移是指络合物中配位体和金属离子之间，一方的电子向主要属于另一方的轨道的跃迁。•产生电荷转移跃迁的必要条件是络合物的组分之一具有电子给予体的特性（SCN