第三章--紫外可见吸收光谱法

第三章紫外可见吸收光谱法1.定义2.紫外吸收光谱的产生3.物质对光的选择性吸收4.电子跃迁与分子吸收光谱第一节概述-2-1.定义紫外可见吸收光谱法：根据溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐射能的吸收来研究物质的组成和结构的方法，包括比色分析法与分光光度法。比色分析法：比较有色溶液深浅来确定物质含量的方法，属于可见吸收光度法的的范畴。分光光度法：使用分光光度计进行吸收光谱分析的方法。-3-紫外可见波长范围：远紫外光区：10-200nm；近紫外光区：200-400nm；可见光区：400-780nm。紫外可见吸收光谱法特点：仪器较简单，价格较便宜；分析操作简单；分析速度较快。-4-紫外可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁（伴随着振动能级和转动能级跃迁）。2.紫外可见吸收光谱的产生由于O2、N2、CO2、H2O等在真空紫外区(60-200nm)均有吸收，测定这一范围光谱时须将光学系统抽真空并充充入惰性气体。所以真空紫外分光光度计非常昂贵，在实际应用中受到一定的限制。通常所说的紫外-可见分光光度法，实际上是指近紫外-可见分光光度法(200-780nm)。-5-物质分子内部三种运动形式：电子相对于原子核的运动；原子核在其平衡位置附近的相对振动；分子本身绕其重心的转动。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：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er。2.1电子跃迁与分子吸收光谱-6-转动能级间的能量差：0.005~0.05eV，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）；振动能级的能量差：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）；电子能级的能量差较大，约为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)。分子的各能级：-7-能级跃迁：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）。-8-电子跃迁可以从基态激发到激发态的任一振动、转动能级上。故电子能级跃迁产生的吸收光谱包含了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带。绝大多数的分子光谱分析，都是用液体样品，加之仪器的分辨率有限，因而使记录所得电子光谱的谱带变宽。带状分子吸收光谱产生的原因：-9-当一束光照射到物质上时，光与物质发生相互作用，于是产生反射、散射、吸收、透射。3.物质对光的选择性吸收-10-当一束光照射到某物质或其溶液时，组成该物质的分子、原子或离子与光子发生“碰撞”。光子的能量被分子、原子所吸收，由最低能态（基态）跃迁到较高能态（激发态）。光的吸收：×××√-11-hEEE12分子、原子或离子具有不连续的量子化能级仅当光子能量与被照物质基态和激发态能量之差相等时才能发生吸收不同的物质由于其结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差也不相同，物质对光的吸收具有选择性物质对光的选择性吸收吸收曲线-12-吸收曲线：将不同波长的光透过某一固定浓度待测溶液，测量每一波长下溶液对光的吸收程度，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标作图，即可得到吸收曲线（吸收光谱）。描述了物质对不同波长光的吸收能力。-13-关于吸收曲线：同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax;不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax不同;-14-吸收光谱的波长分布：由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据；吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同；吸收谱线强度A与该物质分子吸收的光子数成正比，即与该物质的浓度C成正比，这是定量分析的依据。cbA-15-不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度A有差异，在λmax处吸光度A的差异最大。在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。-16-章节重点：紫外可见吸收光谱产生原理；物质对光的选择性吸收；吸收曲线的定义、特性及应用。第二章紫外可见吸收光谱法1.电子跃迁类型2.立体结构和互变结构的影响3.溶剂的影响-溶剂极性对吸收光谱的影响4.生色团与助色团5.红移与蓝移-增色与减色第二节有机化合物紫外可见吸收光谱-18-有机化合物的紫外-可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：成键轨道-反键轨道当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态（成键轨道）向激发态（反键轨道）跃迁。主要有四种跃迁，所需能量ΔE大小顺序为：n→π＊π→π＊n→σ＊σ→σ＊sp*s*npEnps1.电子跃迁类型COHH-19-1.1σ→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；sp*s*npE例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；故可作为溶剂使用。-20-1.2n→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（R带）。600215CH3NH2365258CH3I200173CH3CL150184CH3OH1480167H2Omaxmax（nm）化合物-21-1.3π→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；εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。-22-[C=C是发色基团]取代基-SR-NR2-OR-ClCH3红移距离45(nm)40(nm)30(nm)5(nm)5(nm)助色基团取代，pp*跃迁（K带)将发生红移I.不饱和烯烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104.（K带--非封闭体系的π→π*跃迁）CCHHHH-23-共轭烯烃（不多于四个双键）p→p*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德-菲泽规则估算:II.共轭烯烃中的p→p*165nm217nmppppp3p1p2p4max=基+nii-24-无环、非稠环二烯母体：max=217nm异环（稠环）二烯母体：max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：max=253nm每增加一个共轭双键：+30；环外双键：+5；双键上取代基：酰基（-OCOR）：0卤素（-Cl，-Br）：+5烷基（-R）：+5烷氧基（-OR）：+6nii:由双键上取代基种类和个数决定的校正项CH3CH2CH3基--由非环或六元环共轭二烯母体决定的基准值-25-吸收波长计算:-26-取代苯吸收波长计算:-27-III.羰基化合物共轭烯烃中的p→p*OCRY①Y=H,Rn→s*180-190nmp→p*150-160nmn→p*275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团K带红移，R带兰移；KKRRpppnppn165nmpOcppppppncOcc③,-不饱和醛酮K带红移：165250nmR带红移：290310nm-28-IV.芳香烃及其杂环化合物E1带：180184nm，=47000E2带：200204nm，=7000B带：230-270nm，=200，p→p*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。-29-乙酰苯紫外光谱图：羰基双键与苯环共扼：K带强，苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化。CCH3Onp，R带pp，K带-30-苯环上助色基团对吸收带的影响：-31-苯环上发色基团对吸收带的影响：-32-2.立体结构和互变结构的影响HH顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500互变异构：酮式：λmax=204nm烯醇式：λmax=243nmH3CCH2CCOEtOOH3CCHCCOEtOHO反式：λmax=295.5nm；εmax=29000HH-33-3.溶剂极性对吸收光谱的影响1-乙醚为溶剂2-水为溶剂12250300苯酰丙酮-34-3.1对最大吸收波长λmax的影响p→p*跃迁基团，大多数激发态的极性比基态强，因而溶剂极性增大后，溶剂化作用使激发态能量降低的程度大，从而使基态和激发态的能量差减小，吸收峰红移，εmax下降；n→p*跃迁基团，基态时n电子会与极性溶剂（如水或乙醇等）形成氢键，使n轨道的能量降低一个氢键的能量值，相比之下激发态能量降低较小，因而随溶剂极性增大，吸收峰蓝移，εmax升高。-35-3.2对精细结构的影响极性溶剂使精细结构消失-36-溶剂本身有紫外吸收，选用溶剂时须注意其最低波长极限：-37-3.3溶剂选择的原则比较未知物与已知物的吸收光谱时，必须采用相同的溶剂；应竟可能地使用非极性溶剂，以便获得物质吸收光谱的特征精细结构；所选溶剂在需要测定的波长范围内无吸收或吸收很小。-38-4.生色团与助色团生色团：最有用的紫外-可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。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。助色团：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。-39-5.红移与蓝移、增色与减色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。-40-章节重点：电子跃迁的4种类型及各自的特点；溶剂极性对吸收光谱的影响及其选择原则；掌握概念：生色团、助色团、红移、蓝移。第二章紫外可见吸收光谱法1.基本组成2.紫外-可见分光光度计类型第三节紫外-可见分光光度计-42--43-1.基本组成光源单色器样品室检测器显示1.1光源可见光区：钨灯。其辐射波长范围在320～2500nm紫外区：氢、氘灯。发射180～375nm的连续光谱要求：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。-44-1.2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。入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准直镜：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；色散元件：将复合光分解成单色光，棱镜或光栅；聚焦透镜：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝-45-光学系统的核心部分，起分光的作用。其性能直接影响入射光的单色性，影响测定灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。色散元件：棱镜：依据不同波长光通过棱镜时折射率不同而将不同波长的光分开，缺点是波长分布不均匀，分辨能力较低。光栅：利用光的衍射与干涉作用制成，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有几乎均匀一致的高分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。-46-1.3样品室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。-47-检流计、微安表，电位计、数字电压表、记录仪、示波器及计算机等进行仪器自动控制和结果处理1.4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。1.5结果显示记录系统-48-2.分光