第七章紫外可见吸收光谱与荧光光谱法有机波谱分析ppt课件.ppt

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1、10:36:39,第七章：紫外可见吸收光谱与荧光光谱法,Ultraviolet-visibale and Fluorescence spectrometry,UV-Vis and FS,10:36:39,第一节：紫外可见光谱原理,1.紫外可见吸收光谱：对应于分子电子能级跃迁，波长范围在10800 nm之间，其中10190 nm为远紫外或真空紫外区，190400nm为近紫外区，400800nm为可见光区。除了远紫外区外，为紫外可见光谱测定范围。,10:36:39,2.紫外可见光谱的产生,M+热,M+荧光或磷光,电子能级差：E=E2-E1=h能量是量子化的；只选择性吸收符合能量差的光入射光与透射光

2、之比取对数称为吸光度以波长作为横坐标，吸光度作为纵坐标，得到的曲线称为该化合物的吸收曲线吸收曲线中吸收度出现极大值对应的波长称为最大吸收波长 max,M+h M*,基态 激发态E1（E）E2,10:36:39,吸收曲线的讨论：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度极大处对应的波长称为最大吸收波长max不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似max不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和max则不同。吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。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max处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。在ma

3、x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。,10:36:39,3.电子跃迁与分子吸收光谱,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有机化合物的外层电子包括电子、电子、n电子。有机化合物主要有四种跃迁类型，根据所需能量大小顺序为：n n,10:36:39,跃迁所需能量最大，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200nm，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的为125nm,乙烷max为135nm。n跃迁所需能量较大。吸收波长为150250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易

4、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。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n*跃迁的分别为173nm、183nm和227nm。,10:36:39,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max一般在104Lmol1cm1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*跃迁的为162 nm，max为:1104 L mol-1cm1。n 跃迁需能量最低，吸收波长200nm。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10100 Lmol-1 cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和键同时存在时发生n

5、 跃迁。丙酮n 跃迁的为275nm max为22 Lmol-1 cm-1（溶剂环己烷)。,10:36:39,紫外可见光谱常用概念术语：生色团：直接在紫外可见区产生吸收的化学结构。最有用的生色团是由和n跃迁产生的。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NN、乙炔基、腈基CN等。助色团：能够使生色团吸收强度增大，最大吸收波长增加的化学结构。有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH、-NHR、-X等)，它们与生色团相连时，会发生n共轭作用，吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加。红移和蓝移：max向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移。增色和减色：吸收强度即摩尔吸光

6、系数增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。,10:36:39,朗伯比耳定律Alg（I0/It)=b c 式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；b：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；c：溶液的摩尔浓度，单位molL；：摩尔吸光系数，单位Lmolcm；或:Alg（I0/It)=a b c c：溶液的浓度，单位gL a：吸光系数，单位Lgcm a与的关系为：a=/M（M为摩尔质量）透光度T:描述入射光透过溶液的程度:T=I t/I0吸光度A与透光度T的关系:A lg T,10:36:39,朗伯比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数在数值

7、上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为1 g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,10:36:39,讨论,（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时，仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）可作为定性鉴定的参数；（4）同一吸收物质在不同波长下的值是不同的。在最大吸收波长max处的摩尔吸光系数，常以max表示。max表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。5）max越大表明该物质

8、的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。105：超高灵敏；=(610）104：高灵敏；2104：不灵敏。（6）在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,10:36:39,第二节 紫外可见分光光度计,Ultraviolet-visibale spectrometer,10:36:39,仪器,紫外-可见分光光度计,10:36:39,仪器,可见分光光度计,10:36:39,一、基本组成,光源,单色器,样品室,检测器,显示,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。,可见光区：钨灯作为光源，其辐

9、射波长范围在3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,10:36:39,2.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；准光装置：透镜或反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；聚焦装置：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。,10:36:39,3.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。,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，

10、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,10:36:39,二、分光光度计的类型,1.单光束型简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。,2.双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。,3.双波长 将不同波长的两束单色光(1、2)快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。,10:36:39,10:36:39,光路图,1

11、0:36:39,第三节：有机化合物结构解析,1.紫外可见光谱的表述方法UV-Vis相关函数：A:吸光度,T:透光率（I/I0)，:吸光系数，：摩尔消光系数,:吸收波长。其相互关系如下：A=lg1/T=lgI0/I=l c(为百分浓度）=l c(摩尔浓度）UV-Vis光谱图表示方法：A-，-，lg-UV-Vis谱的表述：最大吸收波长：max,最大吸收度：max xxx nm,10:36:39,2.光谱解析注意事项,(1)确认max，并算出，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)乙酰化位移,B带：262 nm(302)274 nm(2040)261 nm(

12、300),(4)pH值的影响 加NaOH红移酚类化合物，烯醇。加HCl兰移苯胺类化合物。,10:36:39,3.UV-Vis 可获得的结构信息,（1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）270-350 nm有吸收峰（=10-100）醛酮 n*跃迁产生的R 带。（3）250-300 nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。（4）200-250 nm有强吸收峰（104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm，R带310-330 nm260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰

13、，3,4,5个双键的共轭体系。,10:36:39,2跃迁,所需能量最大；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200 nm；例：甲烷的max为125nm,乙烷max为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用；,10:36:39,3n跃迁,所需能量较大。吸收波长为150250nm，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。,10:36:39,4 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，max一般在以上，属于强吸收。（1）不饱和烃*跃迁 乙烯*跃

14、迁的max为162nm，max为:1104。K带共轭非封闭体系的*跃迁,C=C 发色基团，但*200nm。,max=162nm 助色基团取代（K带)发生红移。,10:36:39,不同类型化合物的UV-Vis光谱,1.饱和化合物：200 nm以上没有-*跃迁吸收，仅能看到n-*吸收。含N,S,I,Br等杂原子可以看到。,10:36:39,2.烯、炔及其衍生物：,独立非共轭不饱和烃一般-*跃迁吸收在200 nm以下。当含有助色团（含有O,N,S,卤素,双键等）时发生红移。,max 185,190,228,228max 10000,10000,100008000,10:36:39,3.含杂原子的不饱

15、和化合物,具有n-*跃迁，通常在200 nm以上，但是强度较小。羰基化合物（醛、酮、羧酸、酯、酰卤、酰胺等），前两种最大吸收波长在270300 nm之间，后四种受取代基影响发生蓝移（表6-4 p2620。硫羰基化合物（C=S)，最大吸收波长在300 nm左右。其他化合物（C=N,N=N,N=O,C=N等），一般可以看到n-*跃迁，偶氮化合物在360 nm,硝基化合物在275 nm左右，但是通常很弱。,10:36:39,基-是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；无环、非稠环二烯母体：max=217 nm,4.共轭烯烃中的*,10:36:39,异环（稠环）二烯母体：max=214 nm同环（非稠

16、环或稠环）二烯母体：max=253 nmniI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项,(1)每增加一个共轭双键+30(2)环外双键+5(3)双键上取代基：,酰基（-OCOR）0 卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5 烷氧基（-OR）+6,10:36:39,Woodward-fieser计算规则：max=基值+取代基增值1.选择最长共轭链为母体2.分支上双键不算延长双键3.当取代基为两个双键共有，重复计算。4.当存在较大环张力时，计算误差大,10:36:39,吸收波长计算,10:36:39,最大吸收波长计算：,214+5+5x4=239（249）,253+5x2+5X5=323,214+3

17、0+5+5X5=264,214+5X2+5X4=244,253+30+5X3+5X5=353,253+5X3+5X4=288*,10:36:39,5.-不饱和共轭羰基化合物,Y=H,R n*180-190nm*150-160nm n*275-295nmY=-NH2,-OH,-OR 等助色基团,K 带红移，R 带红移；R带max=205nm；10-100,不饱和醛酮K带红移：165250nmR 带红移：290310nm,10:36:39,-不饱和共轭羰基化合物K带计算：非环与六员环酮：215 nm五员环酮：202 nm-不饱和醛：207 nm,-不饱和共轭羰基化合物K带溶剂校正表,基本值,10:

18、36:39,计算例题：,215+10+2X12=249,215+30+3X18=299,215+30+12+18+5=280,207+10+2X12=241,207+2X12+5=236,207+10+12X2=241,10:36:39,6.芳香烃及其杂环化合物,苯：E1带180184nm；=47000E2带200204 nm=7000 苯环上三个共扼双键的*跃迁特征吸收带；B带230-270 nm=200*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。,10:36:39,苯环上助色基团对吸收带的影响,10:36:39,苯环上发色基团对吸收带的影响,10:36:39,取代苯吸收波长计算,10:3

19、6:39,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；氧上的孤对电子：R带，跃迁禁阻，弱；,10:36:39,6.溶剂的影响,n*跃迁：兰移；,*跃迁：红移；,10:36:39,溶剂的影响,非极性 极性n*跃迁：兰移；*跃迁：红移；,极性溶剂使精细结构消失；,10:36:39,羰基化合物共轭烯烃中的*,Y=H,R n*180-190nm*150-160nm n*275-295nmY=-NH2,-OH,-OR 等助色基团,K 带红移，R 带红移；R带max=205nm；10-100,不饱和醛酮K带红移：165250nmR 带红移：290310nm,

20、10:36:39,（4）芳香烃及其杂环化合物,苯：E1带180184nm；=47000E2带200204 nm=7000 苯环上三个共扼双键的*跃迁特征吸收带；B带230-270 nm=200*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。,10:36:39,5.立体结构和互变结构的影响,顺反异构：,顺式：max=280nm；max=10500反式：max=295.5 nm；max=29000,互变异构：,酮式：max=204 nm 烯醇式：max=243 nm,10:36:39,立体结构和互变结构的影响,10:36:39,解析示例,有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外

21、光谱 max=231 nm（9000），此化合物加氢只能吸收2克分子H2，确定其结构。,解：计算不饱和度=3；两个双键；共轭？加一分子氢 max=231 nm，可能的结构 计算 max,max：229 273 269 269,max=非稠环二烯（a,b）+2 烷基取代+环外双键=214+25+5=229（231）,10:36:39,练习1：有下列四种化合物已知其结构，其中之一用 UV 光谱测得其max 为 302nm，问应是哪种化合物？,计算：（1）253+30+3x5+5=303（2）215+39+35+10+18=327（3）215+39+25+18=297（4）215+12=227应为（

22、1）,10:36:39,比较下列化合物的UVVIS吸收波长的位置（max）,10:36:39,在紫外可见吸收光谱中，下列具有最大吸收波长的物质是,10:36:39,第四节：荧光光谱和磷光光谱法简介Fluorescence and phosphorescence spectra,10:36:39,一、荧光和磷光光谱法概述,1.化合物吸收特定能量之后，其吸收的部分能量以光辐射的形式释放的过程称为分子发光过程，与分子相关的发光规律性称为分子发光光谱。2.分子发光包括光致发光、化学发光和生物发光，分别指分子吸收光能、化学能和生物能之后的光辐射规律。3.荧光和磷光都属于分子发光光谱，是分子的光致发光现象

23、。是指化合物吸收一定光能后发射出一定规律光谱的效应。4.荧光光谱是指吸收光能后的分子从单线态回到基态后释放光辐射的规律，磷光光谱则是指分子从单线激发态转变成三线态后回到基态释放光辐射的规律。,10:36:39,5.分子的荧光光谱特指发射光频率处于紫外和可见光区的光致发光规律，能够产生荧光光谱的化合物成为荧光物质。6.荧光物质一般都同时具有激发光谱和发射光谱两种性质，其中激发光谱是指采用不同波长的光线照射化合物后产生的荧光强度规律，而发射光谱是指采用特定波长的光照射化合物后，产生荧光波长和强度的规律，与化合物结构相关。7.荧光强度与荧光物质的吸光强度及其荧光物质的荧光效率成正比。荧光的光谱特性与

24、分子的电子结构相对应，基本与紫外可见光谱一致。8.荧光光谱的特点：灵敏度高。检测限比吸收光谱法低13个数量级；选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光,10:36:39,9.荧光特征与环境因素有关：温度降低会使荧光强度增大；带有酸性或碱性取代基的芳香化合物的荧光与溶液pH值有关；溶剂极性增加有时会使荧光强度增加，荧光波长红移；若溶剂和荧光物质形成氢键或使荧光物质电离状态改变，会使荧光强度、荧光波长改变；含重原子的溶剂（碘乙烷、四溴化碳）使荧光减弱。溶解氧的存在往往使荧光强度降低。10.荧光光谱中发射光谱与分子的吸收光谱基本处在同一个区域，但是呈现镜像关系。原因在于振动能级的影响。,10:36:39,荧光过程示意图,10:36:39,二、荧光光谱计结构及原理,光源：通常采用Xe灯或激光源激发光单色器：用于给出特定波长的激发光样品池：用于放置被测样品发射光单色器：用于分离特定波长发射荧光检测器：采用光电倍增管等，用于记录荧光强度通常测量范围与紫外可见光谱相同。,10:36:39,