紫外吸收光谱分析ppt课件.ppt
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1、本次课应掌握的重点:1、物质对光吸收的本质是什么?2、为什么物质对光会发生选择性吸收?3、各类有机化合物在紫外-可见光区的特征吸收;4、K、R、E、B 吸收带分别是由哪些结构单元产生的?哪条吸收带常用于定量分析?5、溶剂极性及酸度对有机化合物的紫外吸收光谱有何影响?,1-1 概述,紫外分子吸收光谱法( UltravioletMolecular Absorption Spectrometry ,UV),又称紫外分光光度法(Ultraviolet Spectrophotometry)。它是研究分子吸收 190380 nm 波长范围内的吸收光谱。紫外吸收光谱主要产生于分子价电子的跃迁,通过测定分子对
2、紫外光的吸收,可以用于鉴定和定量测定有机化合物。,光是一种电磁辐射(Electromagnetic radiation)或叫电磁波(Electromagnetic wave)能被人们看见的光称为可见光。 各种看不见的光,如紫外光、红外光、X-射线、 -射线等,它们也都是某一波长区域的电磁辐射。,紫外光(ultraviolet light),紫外光是指波长为 10380 nm 的电磁辐射,它又可分为远紫外光(Far ultraviolet light)和近紫外光(Near ultraviolet light)。 远紫外光的波长范围是10200nm。远紫外光又有真空紫外光(Vacuum ultra
3、violet light)之称.,1-2 吸收物质及其紫外吸收光谱,一. 吸收的一般性质 1. 吸收的本质 光被物质吸收,实际上就是光的能量转移到了物质的原子或分子中去了。光通过物质后,某些频率的光能使物质的原子或分子由最低能级(基态)跃迁到较高的能级(激发态)。,量子化学表明:原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级,如图1-2,所以,物质只能吸收与两个能级之差相同的或为其整数倍的能量。对于光来说,就是只能吸收一定频率或波长的光。即: (1-1),只有当照射光光子的能量 hv与被照射物质微粒的基态、某一激发态能量之差相当时才能发生吸收。 不同的物质微粒由于结构不同,则有不同的量子化
4、能级,其能级之间的能量差是不同的,所以,不同的物质可以吸收不同波长的光,即:物质对光的吸收具有选择性。,2. 分子吸收光谱(Molecular Absorption Spectrum),紫外光的能量与分子中价电子跃迁吸收的能量相适应,所以紫外光谱属于分子吸收光谱。,分子内部的运动可分为价电子运动、分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动,则分子中存在三种能量,而三种能量都是量子化的,所以有三种能级存在于分子中,即电子能级Ee (Electronic Level)、振动能级Ev (Vibrational Level)、和转动能级Er (Rotational Level)。 在这三种能量
5、中,电子能级之间能量差最大,振动能级相差次之,转动能级相差最小。即: Ee Ev Er,电子能级跃迁所需的能量一般在120eV。如果是5eV, 则由式(3-1)可计算相应的波长:已知 h6.62410-34Js4.13610-15eVs c(光速)2.9981010s-1故: 可见,电子能级跃迁产生的吸收光谱主要处于紫外及可见光区(200780nm)。这种分子光谱称为电子光谱或紫外及可见光谱。,振动能级的能量差一般在 0.0251 eV之间。如果能量差是 0.1eV,则它为 5eV 的电子能级间隔的 2,所以电子跃迁并不是产生一条波长为 248 nm 的谱线, 而是产生一系列的谱线,其波长间隔
6、约为 248nm 2 5 nm。 在振动能级跃迁时还伴随着转动能级的跃迁。转动能级的间隔小于0.025eV。如果间隔是 0.005 eV,则它为 5 eV的0.1,相当的波长间隔是 248 nm0.1 0.25 nm。,紫外及可见吸收光谱,一般包含若干谱带系,不同谱带系相当于不同的电子能级跃迁,一个谱带系(即同一电子能级跃迁,如由能级 A 跃迁到能级 B)含有若干谱带,不同谱带相当于不同的振动能级跃迁。同一谱带内又包含若干光谱线,每一条线相当于转动能级的跃迁,它们的间隔如上所述约为 0.25nm。一般分光光度计的分辨率,观察到的为合并成较宽的谱带,所以分子光谱是一种带状光谱。,与纯振动能级之差
7、Ev 相适应的辐射是波长约为 0.7850m 的光,这种光在近红外(包括中红外)区,所以,当用红外线照射分子时,则此能量不足以引起电子能级的跃迁,只能引起振动和转动能级的跃迁,这样得到的光谱称为红外吸收光谱(Infrared absorption spectrum)。,如果用能量更低的远红外线和微波(50300m)照射分子,则只能引起转动能级的跃迁,这样得到的光谱称为远红外光谱(Far-infrared spectrum)和微波谱(Microwave spectrum)。 不同波长范围的电磁波所能激发的分子和原子的运动情况如下表所示:,二. 分子的紫外吸收光谱 1.有机化合物的紫外吸收光谱 (
8、1).有机化合物分子中电子跃迁的类型,在有机化合物分子中有几种不同性质的价电子:形成单键的电子称为键电子;形成双键的电子称为 键电子;氧、氮、硫、卤素等含有未成键的孤对电子,称为 n 电子(或称 p 电子)。当它们吸收一定能量E 后,这些价电子将跃迁到较高能级(激发态),此时电子所占的轨道称为反键轨道,而这种跃迁同分子内部结构有密切关系。,这些跃迁可分成如下三类: . NV 跃迁:由基态轨道跃迁到反键轨道,包括饱和碳氢化合物中的* 跃迁以及不饱和烯烃中的* 跃迁( *、*分别表示键电子、键电子的反键轨道)。 . NQ 跃迁:是分子中未成键的 n 电子激发到反键轨道的跃迁,包括 n*、n* 跃迁
9、。. NR 跃迁:是键电子逐步激发到各个高能级,最后电离成分子离子的跃迁(光致电离)。.电荷迁移跃迁:电子从给予体向接受体跃迁.,由上述可见,有机化合物价电子可能产生的跃迁主要为*、n*、n*及*。各种跃迁所需能量是不同的,可用下图表示。由图可见,各种跃迁所需大小为: * n* * n*,一般说来,未成键孤对电子较易激发,成键电子中电子具有较高的能级, 而反键电子却相反。因此,简单分子中 n* 跃迁、配位场跃迁需最小的能量,吸收带出现在长波段方向,n*、* 及电荷迁移跃迁的吸收带出现在较短波段,而* 跃迁则出现在远紫外区。,(2). 有机物分子的紫外吸收光谱,现根据电子跃迁讨论有机化合物中较为
10、重要的一些紫外吸收光谱,由此可以看到紫外吸收光谱与分子结构的关系。,. 饱和烃及其取代衍生物,饱和单键碳氢化合物只有键电子, 键电子最不易激发,* 跃迁产生的吸收一般在远紫外区(10200nm)。但由于这类化合物在 2001000nm 范围内无吸收带,在紫外吸收光谱分析中常用作溶剂(如己烷、庚烷、环己烷等)。,当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代时,吸收峰向长波长方向移动, 这种现象称为深色移动或称红移(bathochromic shift), 此时产生 n* 跃迁。 例如甲烷一般跃迁的范围在125135nm,碘甲烷(CH3I)的吸收峰则处在150210nm(*跃迁)及25
11、9nm(n*跃迁):,CH2I2 及 CHI3 的吸收峰则分别是 292nm 及 349nm (n* 跃迁)。 这种能使吸收峰波长向长波长方向移动的杂原子基团称为助色团(auxochrome)。 如NH2, NR2 ,OH,OR,SR,Cl,Br,I 等等。,.不饱和脂肪烃,这类化合物如乙烯、丁二烯,它们含有键电子,吸收能量后产生* 跃迁。 若在饱和碳氢化合物中,引入含有键的不饱和基团,将使这一化合物的吸收峰出现在紫外及可见区范围内,这种基团称为生色团(chromophore)。 生色团是含有* 或 n* 跃迁的基团, 如:C=C、CC 、C=N、C=O 、N=N等。,具有共轭双键的化合物如:
12、共轭二烯、,-不饱和酮、,-不饱和酸、多烯、芳香核与双键或羰基的共轭等等,由于-共轭效应生成大键。使各能级间的距离较近(键的平均化),所以吸收峰的波长就增加,生色作用大为加强。 例如乙烯的max为171nm(15530Lmol-1cm-1); 丁二烯(CH2=CH-CH=CH2)吸收峰发生深色移动(max217nm),吸收强度也显著增加(21000 Lmol-1cm-1)。,由于共轭双键中* 跃迁所产生的吸收带称为K 吸收带。 特点:1、强度大,摩尔吸光系数max通常在10000200000(104)L mol-1 cm-1之间; 2、吸收峰位置(max)一般处在近紫外及可见光范围内。 K 吸
13、收带的波长及强度与共轭体系中共轭双键的数目等有关。共轭双键愈多,深色移动愈显著据此可以判断共轭体系的存在情况,这是紫外吸收光谱的重要应用。 K 吸收带还常用于定量分析。,. 羰基化合物 羰基化合物含有 基团,主要可以产生 n* , n* 及* 三个吸收带。 n* 吸收带又称 R 带,落于紫外光区(270 350nm)。它的特点是强度低(max 为1020),并且谱带略宽,是羰基化合物的特征吸收带。 当醛、酮的羰基与双键共轭时,形成了,-不饱和醛酮类化合物。由于羰基与乙烯基共轭,即产生共轭作用,使* 和 n* 吸收带向红移动,前一吸收带强度高(max 104),后一吸收带强度低(max 102)
14、。这一特征可以用来识别 ,-不饱和醛、酮。,乙酰苯的紫外吸收光谱(正庚烷溶剂):由于乙酰苯中的羰基与苯环的双键共轭,因此可以看到很强的 K 吸收带(lg4)。另外,还出现R 吸收带及苯环的 B 吸收带。,.苯及其衍生物,苯在 185nm(= 47000)和204nm (= 7900)处有两个强吸收带,分别称为 E1和 E2 吸收带,是由苯环结构中的环状共轭系统的跃迁所产生的。 若苯环上有助色团如 OH、Cl 等取代,由于 n- 共轭,使 E2 吸收带向长波方向移动,一般在 210nm 左右; 若有生色团取代而且与苯环共轭(共轭),则 E2 吸收带与 K 吸收带合并且发生深色移动。 除此之外,在
15、230270nm处(256nm处= 200 )还有较弱的一系列精细结构吸收带,称为B吸收带,这是由于* 跃迁和苯环的振动的重叠引起的。,如果对位二取代苯的一个取代基是推电子基团,而另一个是拉电子基团,深色移动就非常大。例如:,.稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃,如萘、蒽、菲等,均显示苯的三个吸收带,但这三个吸收带均发生红移,且强度增加。随着苯环数目增多,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,与相应的碳环化合物极为相似,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,这类杂环化合物还
16、可能产生 n * 吸收带,如吡啶在非极性溶剂的相应吸收带出现在270 nm 处(max = 450 L mol-1 cm-1 )。,. 吸收光谱的应用,官能团的检出及同分异构体的判别 根据化合物的紫外及可见区吸收光谱可以推测化合物所含的官能团。例如一化合物在220800nm范围内无吸收峰,它可能是脂肪族碳氢化合物,不含双键或环状共轭体系,没有醛、酮或溴、碘等基团。,如果在 210250nm 有强吸收带,可能含有二个双键的共轭单位;在 260350nm 有强吸收带,表示有35个共轭单位。 如化合物在 270350nm 范围内出现的吸收峰很弱(=10100 )而无其它强吸收峰,则说明只含非共轭的,
17、具有 n 电子的生色团,如 。 如在 250300nm 有中等强度吸收带且有一定的精细结构,则表示有苯环的特征吸收。,判别同分异构体: 例如乙酰乙酸乙酯存在下述酮-烯醇互变异构体:,又如1,2-二苯乙烯具有顺式和反式两种异构体:,反式:max=295nm max=27000顺式:max=280nm max=10500,例1.苯酰丙酮在乙醚和在水中的 UV 光谱图如下图所示,解释该化合物在不同溶剂中的主要存在形式及吸收峰归属。,解:由图可知:苯酰丙酮在乙醚中(1)主要以烯醇式存在,因为在 300nm 处存在强的 K 吸收带(红移),前一吸收带属苯环的 B 吸收带。在水中(2)主要以酮式存在,在
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