《紫外吸收光谱法》PPT课件.ppt

1,第二章 紫外可见吸收光谱法紫外吸收光谱法（ultraviolet and Visble Spectroscopy，UV-Vis）是研究物质在紫外区（10400nm）和可见光区（400-750nm）的分子吸收光谱法。,21分子吸收光谱一、分子吸收光谱的产生各种能级差之间的关系：E电子 E振动 E转动E分子=E电+E振+E转,2,分子吸收光谱图：,3,二、分子吸收光谱的分类1、分类：远红外光谱、红外光谱和紫外可见光谱（1）远红外光谱（分子的转动光谱）E转0.0050.05eV当E0.005ev时,同理，当E0.05ev时,可见，产生转动能级跃迁transition，需吸收波长为25025m的远红外光，由此形成的光谱称转动光谱or远红外光谱,4,（2）红外光谱（振转光谱）E振0.051eV251.25m（3）紫外可见光谱（电子光谱）E电201eV1.25 0.06m（125060nm）2、分子的电子光谱是带光谱,5,分子,（在基态振动能级上）,h能量,分子内若干个电子能级跃迁,若干个,谱带系,（电子能级跃迁）,每个谱带系含有,若干个谱带,（振动跃迁）,每个谱带含有,若干条谱线,（转动跃迁）,通常，分子是处在基态振动(Vibration)能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一振动（或不同的转动(Rotation)）能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带，这就是为什么分子的紫外、可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱的原因。又因为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。,6,22紫外吸收光谱法的基本原理一、电子跃迁类型有机化合物中有三种不同性质的价电子（1）形成单键的电子称电子（2）形成双键的电子称电子（3）未成键的孤对电子称n电子（or p电子也称非键电子）,有机物分子中各种电子能级高低次序：*n,7,在紫外和可见光谱区范围内，有机化合物的吸收带主要由*、*、n*、n*及电荷迁移跃迁产生。无机化合物的吸收带主要由电荷迁移和配位场跃迁（即dd跃迁和ff跃迁）产生。各种跃迁所需要能量顺序：*n*n*,8,图56 常见电子跃迁所处的波长范围及强度,/nm,lg,远紫外区,近紫外区,可见区,*,*,n*,n*,n*,荷移,配位场Ligand field,9,1、*跃迁饱和碳氢化合物中的电子在轨道间的跃迁，一般发生在真空紫外区，近紫外区无吸收。例如，乙烷的最大吸收波长max135nm2、n*跃迁例如NH2，OH，S，X等基团在分子上时，杂原子的n电子向反键轨道的跃迁n*跃迁吸收波长为150250nm的光子，吸收光谱大部分在真空紫外区，一部分在紫外区lg3例如甲醇n*跃迁max183 150；甲基氯n*跃迁max173；三甲胺n*跃迁max227 3、*跃迁*跃迁所需能量较小，吸收峰大都位于紫外区（其中孤立双键的最大吸收波长小于200nm）,10,一般max104例如乙烯的*跃迁，max=162nm，max=1044、n*跃迁CO，CN吸收波长200nm.10100例如丙酮的吸收峰，除强吸收的*跃迁（max=194nm。9103）外，还有280nm左右的n*跃迁10305、电荷迁移跃迁,h,给予体,受体,11,电荷跃迁的吸收带谱带较宽，吸收强度大，max104。结论：电子跃迁的类型与分子结构及其存在的基团有密切的关系，可根据分子结构来推测可能产生的电子跃迁例如：饱和烃，只有*跃迁烯烃，有*、*跃迁脂肪族醚，有*、n*跃迁醛、酮，则同时有*、n*、*、n*四种类型跃迁*跃迁，max150nm反之，可根据紫外吸收带的波长，来推测电子跃迁类型，判断化合物分子中可能存在的吸收基团,12,二、发色团、助色团1、发色团（生色团Chromogenesis group）定义：凡是导致化合物在紫外区及可见区产生吸收的基团，不论是否显出颜色都称为发色团,例如：乙烯基,乙炔基C C,羰基,亚硝基N=O,腈基CN由于这些基团产生*、n*及n*跃迁吸收能量较低，吸收峰出现在紫外、可见光区化合物中几个发色团共轭的情况：,13,表91 某些常见发色团的吸收特性,14,2、助色团Auxochromous group 助色团是指带有非键电子对（孤对电子）的基团，如OH、OR、NH2、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。如饱和烷烃只有*跃迁，若与助色团相连，则产生 n*跃迁（P116表52 助色团在饱和化合物中的吸收峰）若助色团与发色团相连，发生n共轭，形成多电子大键，使*轨道orbit能量降低，*跃迁所需能量降低 例如，苯的B吸收带，其max.254nm，.204，当它被一个OH取代后max.270nm，.1450。不同助色团对苯吸收特征的影响（见P122表56苯及其衍生物的吸收光谱）,15,3、红移、蓝移、增色效应和减色效应（1）红移、蓝移Redshift or blueshift 某些有机化合物经取代反应引入取代基或溶剂的改变而使最大吸收波长发生移动。波长将向长波方向移动称为红移，这种基团称为向红基团（-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、-SR、-NR2）。向短波方向移动称为蓝移（or紫移）这种基团称为向蓝（紫）基团（如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3）。（2）增色效应和减色效应 有机化合物中常因分子结构中引入取代基或受溶剂的变更而的影响，使吸收带的强度即摩尔吸光系数增大或减小的现象三、吸收带 指吸收峰在紫外可见光谱中的波带位置,16,1、R吸收带R吸收带是由化合物的n*跃迁产生的吸收带。它具有杂原子和双键的共轭基团，例如：,NO NO2 N=N C=S等,特点是：n*跃迁的能量最小，处于长波方向，max在270nm以上跃迁几率小，吸收强度弱，100,例如：,max280nm max16 R带,CH3NO2 max280nm max22 R带CH3(CH2)7ONO max370nm max55 R带,17,2、K吸收带K带是由共轭体系中*跃迁产生的吸收带特点：吸收带的波长比R带短，一般max200nm跃迁几率大，吸收强度大，一般104随着共轭体系的增长，电子云束缚更小，引起*跃迁所需的能量更小，K带吸收向长波方向移动K带吸收是共轭分子的特征吸收带，是紫外光谱中应用最多的吸收带例如：CH2CHCHCH2*max217nm max104 CH3CHCHCHO（巴豆醛）*max217.5nm max1.5104,CHCH2,max248nmmax1.4104,18,3、B吸收带由苯环本身振动及闭合环状共轭双键*跃迁而产生的吸收带，是芳香族（包括杂环芳香族）的主要特征吸收带特点：在230270nm呈现一宽峰，且具有精细结构 max255nm，max200，属弱吸收常用来识别芳香族化合物,19,4、E吸收带由苯环内三个乙烯基共轭发生的*跃迁产生，也是芳香族化合物的特征吸收带E1 max1180nm，max104 E1观察不到E2 max1200nm，max7000 都属强吸收当苯环上有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并，吸收峰向长波移动,20,例如，苯乙酮,三个吸收峰：K带：max240nm 13000B带：max278nm 1100R带：max319nm 50,21,23紫外吸收光谱与分子结构的关系一、各类有机化合物的紫外吸收光谱1、饱和烃及其取代衍生物*max150nm饱和有机化合物在紫外光谱分析中常用作溶剂，如己烷、环己烷、庚烷、异辛烷、乙醇、甲醇等若有助色团和饱和烃相连，除*跃迁外，还产生n*跃迁，max产生红移2、不饱和烃及共轭烯烃（1）简单的碳碳双键产生*、*两种跃迁，*跃迁所需的能量较*跃迁小,22,例如：乙烯 max165nm 104,NO,例：丙稀醛 CH2CCHO除在208nm产生的*跃迁（1000）吸收外，在328nm附近还有一个n*吸收（13）（2）共轭双键 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。如：番茄红素11个C=C键（红色）,23,24,3、醛和酮 醛和酮中均含有羰基（C=O）。能实现n*跃迁（max.270-300nm附近，1020）；n*跃迁（max.180nm左右）；*跃迁（max.150nm左右）。一般紫外光度计只能检测n*跃迁产生的R吸收带。R带是醛酮的特征吸收带，是判断醛酮的重要依据（P120表54某些醛、酮的紫外光谱数据）当羰基双键与乙烯双键共轭时，形成了、不饱和醛、酮,由于共轭效应，使乙烯基*跃迁吸收带红移至220260nm，成为K吸收带，强吸收。羰基双键R带红移至310330nm，100，弱吸收。（P121表55某些、不饱和醛酮的吸收光谱特性）,25,由此看出：K带吸收强度高 max.104 R带吸收强度低 max102这一特征，可识别、不饱和醛、酮4、芳香族化合物（1）苯E1：180184nm处（4700）强吸收带E2：204nm处（7900）中强吸收带（末端）B：230270nm（204）弱吸收带是苯环的精细吸收带或称苯带（P118图58苯蒸气的吸收曲线）,26,（2）取代苯苯酚在庚烷和乙醇中的紫外图谱,27,（3）绸环芳香族化合物二、溶剂对紫外吸收光谱的影响溶剂的极性对溶质吸收峰的波长、强度和形状都有影响1、溶剂极性对max的影响溶剂对亚异丙酮吸收带的影响,原因：,28,轨道极性：n*,En Ep红移 En Ep蓝移2、溶剂极性对吸收光谱精细结构的影响（对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱）,29,30,苯的紫外吸收光谱(乙醇中),31,3、正确地选用溶剂正确地选用溶剂的原则：（1）溶剂能溶解试样，溶剂对溶质是惰性的（2）在溶解度允许的范围内，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问：在280310nm范围内测定某化合物的吸收光谱，能否用丙酮（最低波长极限330nm）作溶剂？）,32,54紫外分光光度计一、紫外分光光度计的基本构造紫外分光光度计仪器由辐射光源、单色器、吸收池和检测器信号处理及读数装置等五部分组成。1、光源 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小氢灯和氘灯（辐射强度比氢灯大45倍）：160375nm，多用在紫外区（钨及碘钨灯：3402500 nm，多用在可见光区）。2、单色器(Mnochromator)与原子吸收光度仪不同，在UV光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）,33,3、吸收池(Cell，Container)：用于盛放样品。可用石英材料制作（可见光区可用玻璃）。4、检测器：硒光电池、PMT5、信号处理及读数系统二、仪器类型1、单波长分光光度计752S/752SPC（上海）,752型,34,单波长单光束Incident beam分光光度计,35,单波长双光束分光光度计,UV-2450/2550,Jasco-UV/VIS,36,单波长双光束分光光度计,37,2、双波长分光光度计,岛津UV-3150,38,55紫外吸收光谱的应用一、定性分析紫外光谱对于判断有机化合物中的发色团和助色团的种类、位置、数目以及区别饱和不饱和化合物、测定分子共轭程度，进而确定未知物的结构骨架等方面有独到的优点1、紫外吸收光谱法定性鉴定的步骤将试样尽可能提纯，以除去可能存在的杂质绘制已提纯样品的吸收光谱曲线，由其光谱特征，依据一般规律，作初步判断利用对比法对该化合物进一步定性鉴定应用化学、物理、物理化学等分析方法进行对照验证，最后作出正确结论,39,2、根据光谱作初步判断（1）若化合物的紫外光谱在200400nm范围内没有吸收带化合物可能是饱和的直链烃、脂环烃或其他饱和脂肪族化合物或只含有一个双键的烯烃等（2）若化合物只在270350nm范围有弱的吸收带（10-100），化合物含有一个简单的非共轭的并含有未成键电子的发色团，如羰基、硝基等（n*）（3）若化合物在210250nm范围内有强的吸收带（104）是K吸收带的特征，可能是含有共轭双键的化合物。若在260300nm范围有强的吸收带，化合物有3个或3个以上的共轭双键。若吸收带进入可见光，则化合物可能是长共轭发色基团或是绸环化合物。（4）若化合物在250300nm范围内有中等强度的吸收带（：103104）化合物往往含有苯环，这是苯环B吸收带的特征。,40,3、对比法（1）同标准试样光谱比较，当溶剂和浓度相同时，若二者光谱相同，则是同一化合物。（2）同化合物的标准光谱图进行比较（溶剂必须相同）常见光谱图集“The Sadtler Standard Spectra,Ultraviolet”收集了46000种化合物的紫外光谱,41,补充：UV-Vis分光光度法的应用一、定性分析1.制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照；2.利用Woodward-Fieser 和Scott经验规则求最大吸收波长。即，当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可通过此类规则估算最大吸收波长并与实测值对比。,Woodward-Fieser规则,42,四,43,二、有机化合物的构型、构象的测定例如：1.2二苯乙烯具有顺、反两种异构体,反式,顺式,max:295.5nm max:280nmmax:29000 max:10500,44,2、互变异构体的测定,例如：,酮式,烯醇式,max:204nm,max:243nmmax:1.8104,在极性溶剂中，酮式占优势.在非极性溶剂中，烯醇式占优势,P135图517乙酰乙酯在不同溶剂中的紫外吸收光谱图,45,3、构象的判别例如：叔丁基环己酮位氢原子被卤素取代后,三、化合物中杂质的检查例如，乙醇中含有杂质苯，苯max256nm，而乙醇在此波长处无吸收菲的氯仿溶液在max296nm处有强吸收，lg4.10，用某种方法精制的菲，测得其lg值比标准菲低10%，这说明精制菲的含量只有90，其余很可能是蒽等杂质,46,四、定量分析1、单一组分测定：选择max，利用标准曲线法2、多组分测定（1）各组分的吸收曲线互相不重叠，与单一组分测定方法相同。（2）各组分的吸收曲线互相重叠，根据吸光度的加和性原理。,47,3、双波长分光光度法1951年B.chance提出（1）基本原理,设波长为1和2的两束单色光强度相等，则：,Ac,定量分析的依据,48,（2）优点因只用一个吸收池，不用参比液，故消除了背景吸收、光散射及两个吸收池不匹配引起的测量误差，提高了测量的选择性和准确度,举例：Y 的存在下测定X,Y 的存在不干扰 X 的测定,49,（3）1和2的选择是方法的关键要求：A足够大，且尽量小（提高测量精密度）,等吸收点法（常用）选择12组合的条件：在所选的1，2处待测组分的A应足够大干扰组分有相同的吸收（在1，2处）测苯酚：测量波长 1，参比波长2 or 2（三氯苯酚和1 有相同吸收的点有两个：2 和2，但2更接近1精密度好），所以，以2 作参比波长，消除了y对x的干扰。,50,图 520 作图法选择波长1和2,51,4、光度滴定通过测量滴定过程中吸光度的变化来确定滴定分析终点的方法，称为光度滴定法AV滴定剂设x、p、t为被滴定物质、反应物和滴定剂的摩尔吸光系数X+t p（1）当被滴定物质和产物在指定波长下无吸收，而滴定剂有吸收。即，xp0 t0如，550nm,KMnO4滴定Fe2+滴定曲线（a）,x=p=0,t0,Vep,（a）,52,（2）当滴定产物有吸收，而被滴定物质和滴定剂无吸收。即，x t 0 p 0如，260nm,EDTA滴定Cu2+滴定曲线（b）,x=t=0,p0,Vep,（b）,p=t=0,x 0,Vep,（c）,（3）当被滴定物质有吸收，其余不吸收。即，p t 0 x 0如，350nm,Fe()orAs()滴定重铬酸盐滴定曲线（c）,53,（4）当滴定产物不吸收，其余有吸收。即，p=0 x t 0滴定曲线（d）,x t 0,p=0,Vep,（d）,t p 0,x=0,Vep,（e）,（5）当被滴物不吸收，其余有吸收。即，x=0 t p 0 滴定曲线（e）,54,（6）当被滴物不吸收，其余有吸收。即，x=0 p t 0滴定曲线（f）,p t 0,x=0,Vep,（f）,55,光度滴定法亦可用于连续滴定例：用EDTA滴定Bi3+和Cu2+，在745nm处，Bi3+、Cu2+、EDTA均不吸收，BiEDTA络合物无吸收，但Cu-EDTA有吸收,Vep(Bi3+),Vep(Cu2+),