波谱分析---紫外光谱1

第1章紫外吸收光谱法（UV-Vis）(UltravioletandvisibleSpectroscopy)§1.1UV光谱的基本原理§1.2紫外-可见分光光度计§1.3各类化合物的紫外吸收光谱§1.4UV光谱法的应用§1.1UV光谱的基本原理一、光的基本性质hcEhv紫外光区：远紫外区10-200nm（真空紫外区）近紫外区200-400nm,可见区200-400nm（UV-Vis光谱的研究区域）光的波长越短（频率越高），其能量越大。二、光谱分析光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法，分子光谱主要有以下几种:紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400nm（近紫外区），可用于结构鉴定和定量分析。可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400800nm，主要用于有色物质的定量分析。紫外光谱表示法：1.紫外吸收带的强度吸收强度标志着相应电子能级跃迁的几率，遵从Lamder-Beer定律。logoIAclIA:吸光度,:消光系数,c:溶液的摩尔浓度，l:样品池长度I0、I分别为入射光、透射光的强度电子吸收光谱的表示法：丙酮2.紫外光谱的表示法紫外光谱图是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位。纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透过率)、1-T(吸收率)、(吸收系数)中的任何一个来表示。T=I/I0吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。曲线最大吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置，纵坐标为它的吸收强度。1、物质分子内部三种运动形式：1）电子相对于原子核的运动，2）分子中原子核在其平衡位置附近的相对振动3）分子本身绕其重心的转动。三、吸收光谱的产生•分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级。•三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。•分子的内能包括：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er•即Ｅ＝Ｅe+Ｅv+Ｅr•ΔΕeΔΕvΔΕr2、三种不同的能级跃迁：（1）电子能级的能量差ΔΕe较大:1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；M+hM*基态激发态E1（△E）E2hcEhvE电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带(带状光谱）。四、电子跃迁有机化合物的紫外—可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果（三种）：σ电子、π电子、n电子分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。1.电子跃迁的类型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。主要有四种跃迁，所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊⑴σ→σ＊跃迁所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光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λ200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。⑵n→σ＊跃迁所需能量较大。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→σ*跃迁。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λmax分别为173nm、183nm和227nm。⑶π→π＊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，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。需能量最低，吸收波长λ200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol－1·cm－1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λmax为275nmεmax为22L·mol－1·cm－1（溶剂环己烷)。⑷n→π＊跃迁2.生色团与助色团生色团（chromophore)：在紫外和可见光区产生吸收带的基团称为生色团。因为只有由π→π＊和n→π＊跃迁才能产生紫外可见吸收，而这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团，所以这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。•助色团（auxochrome)：有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。4.红移与蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化:λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移(或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。生色团溶剂/nmmax跃迁类型烯正庚烷17713000*炔正庚烷17810000*羧基乙醇20441n*酰胺基水21460n*羰基正己烷1861000n*，n*5.吸收带•1)R吸收带•由含氧、氮、硫等杂原子的生色团中非成键电子从n轨道向π*反键轨道跃迁时产生。•R吸收带的吸收波长比较长，吸收强度较弱。•如：乙醛分子中羰基n→π＊跃迁时产生的R吸收带波长为290nm，摩尔吸光系数为17L/mol·cm。2)K吸收带•由含共轭双键分子发生π→π＊跃迁时产生。•K吸收带的吸收波长200nm，吸收强度很强，摩尔吸光系数为一般104L/mol·cm。如：丁二烯、丙烯醛等发生π→π＊跃迁时产生K吸收带；芳环上若有生色取代基团如苯乙烯、苯甲酸等也会产生K吸收带。•闭合环状共轭双键分子发生π→π＊跃迁时产生，是芳环的主要特征吸收带。•B吸收带的吸收波长比较长，吸收强度较弱。•如：苯的吸收带波长为256nm，摩尔吸光系数为215L/mol·cm。3)B吸收带3)B吸收带4)E吸收带•苯环状三个烯双键分子发生π→π＊跃迁时产生，也是芳环的主要特征吸收带。•E吸收带分为E1带和E2带•E1带波长低于200nm，E2带波长略高于200nm•E1带的吸收强度比E2带强•E1带：摩尔吸光系数为104L/mol·cm；•E2带：摩尔吸光系数为103L/mol·cm五、影响紫外吸收波长的因素•共轭体系使π→π＊跃迁能量降低，发生π→π＊跃迁吸收光谱波长增大，发生共轭红移。1.共轭体系与吸收带波长的关系•烷基与共轭体系相连时，可以是波长产生少量红移。•因为烷基的C-H的σ电子与共轭体系的π电子云发生一定程度的重叠扩大了共轭范围，使π→π＊跃迁能量降低，吸收红移。2.超共轭效应溶剂的极性不同会使λmax发生改变；3.溶剂效应因为轨道的极性大小顺序为：ππ＊nπ*π*ππ非极性溶剂极性溶剂的溶剂化效应π*π*nn非极性溶剂极性溶剂的溶剂化效应E2BPh-OHPh-O-210(6200)235(9400)270(1450)287(2600)Ph-NH2Ph-NH3+230(8600)203(7500)280(1430)254(169)当被测物具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH对吸收光谱影响较大。4.pH对吸收光谱影响酚酞在碱性溶液中显红色，而在酸性溶液中无色。OOHOOHOH-H+OO-O-O酸式型体只有一个C=O与苯环共轭，因而只有紫外吸收。碱式型体整个分子是一个大的共轭体系，吸收带移至可见光区。5.空间结构对紫外光谱的影响1.空间位阻的影响:直立键λmax﹥平伏键λmax2.顺反异构双键或环上取代基在空间排列不同而形成的异构体。反式λmax﹥顺式λmax3.跨环效应指非共轭基团之间的相互作用。使共轭范围有所扩大，λmax发生红移。§1.2紫外-可见分光光度计基本组成:光源单色器样品室检测器显示一、紫外-可见分光光度计结构可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2、单色器将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。1、光源在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。4、检测器利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。5、结果显示记录系统检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。3、样品室二、实验技术•1.紫外分光光度计的校正•1）波长校正•a.低压汞灯•b.苯蒸汽的B吸收带的精细结构:230~260nm有5个尖锐吸收峰2）吸光度校正•选用硫酸铜、硫酸钴铵、铬酸钾等标准溶液。•铬酸钾溶液较常用•配制浓度0.04Kg/m3铬酸钾50mol/m3KOH溶液，用1cm吸收池测其吸光度。3）吸收池校正•A吸收池装样品溶液，B吸收池装参比溶液，测吸光度。然后互换。两次测定吸光度之差应小于1%。2.选择溶剂•良好的溶解能力•在所测波长无吸收•试样在溶剂中有良好的吸收峰形•挥发性小，安全，无毒