《紫外吸收光谱》PPT课件.ppt
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1、第1章 绪论 Preface,1.1 波谱分析法简介(一)紫外光谱法(UV)Ultraviolet Absorption Spectrometry(二)红外光谱法(IR)Infrared Absorption Spectometry(三)核磁共振波谱法(NMR)1HNMR 13CNMR Nuclear Magnetic Resonance Spetroscopy(四)质谱法(MS)有机质谱、无机质谱 Mass Spectrometry,1.2 光与物质的相互作用 1.2.1 光的波粒二象性 波长()、频率(v)、波数(v)、能量(E)之间的关系:v(cm1)1/(cm)104/(m)v c/c
2、 v式中,c 为光速。E h v h c/h c v式中,h 为 Planck 常数。h 6.626 1034 J.s 4.135 1015 eV.s,1.2.2 电磁波谱的分类,1.2.3 吸收光谱的产生 E3 E2 hv E1 hv E0,第2章 紫外光谱法(UV)Ultraviolet Spectrophotometry,2.1.1 紫外光区的分类及波长范围远紫外:10200nm 近紫外:200380nm 2.1.2 分子的能级组成和紫外光谱 一.分子的运动方式:(1)分子的平动;(2)分子中价电子的运动;(3)分子内的原子在其平衡位置附近的振动;(4)整个分子绕其质心的转动。,2.1
3、紫外光谱的基本特点,后三种运动的能量都是量子化的,分别对应分子的电子能级、振动能级和转动能级。,三种能级的能级差不同,需要不同波长的电磁辐射使它们跃迁,从而在不同的光学区出现吸收谱带。,分子和原子一样,也有自己的特征的分子能级;当分子发生电子能级跃迁的同时,必然会伴随着振动和转能级的跃迁;它们相互叠加的结果,形成了分子的特征光谱 带状光谱。,pH 2,pH 12,/nm,二.紫外光谱的形成,吸收光谱(曲线)在吸光物质浓度和液层厚度一定的条件下,让不同波长的光依次照射溶液,测量每一波长下溶液对光的吸收程度(吸光度)。以波长为横坐标,吸光度或lg为纵坐标作图,所得曲线为该物质的吸收光谱(曲线)。,
4、吸收光谱反映了物质对不同波长的光的吸收能力。,最大吸收波长(max):物质具有最大吸收时所对应的吸收光波长。,物质对光的吸收具有选择性:不同的物质分子由于结构不同而具有不同的量子化能级,其能量差也不同,所以物质对光的吸收具有选择性。,不同物质吸收光谱的形状和max各不相同,利用这一特点可用作物质的初步定性分析;同一物质在吸收峰附近,吸光度随浓度的增加而增大,所以吸收光谱也是定量分析的依据。吸收波长位于紫外区的吸收光谱,叫紫外光谱。其中的峰型、峰位、峰强、峰数提供了物质的结构信息。,紫外可见吸收光谱是电子能级的跃迁产生的(伴随着振动、转动能级的改变)。电子能级的跃迁主要是指价电子能级的跃迁。内部
5、电子的能级很低,跃迁所需要的能量很高,在可见紫外光照射的情况下能激发。,2.1.3 有机化合物的电子跃迁类型 有机化合物有三种价电子:、n 电子。例如:,当这些价电子吸收一定能量后,会跃迁到较高能级而处于激发态,此时电子所占的轨道称为反键轨道,以*表示:M+hv M*,可以看出,对于E 来说,*n*n*对于吸收峰max来说,*n*n*,其中*、n*一般 200nm。共轭*吸收带 叫 K 带。n*吸收峰大都在270 310nm附近,谱带强度弱,为禁阻跃迁。n*吸收带叫 R 带。,2.1.4 发色团、助色团、末端吸收、肩峰,(一)发色团:能吸收紫外可见光而引起电子跃迁的基团。主要是具有不饱和键和未
6、共用电子对的基团。如 C=CC=O,-N=N-,-NO2,-NO 等。能产生*、n*跃迁。,(二)助色团:本身不能吸收200nm的光,但它们与生色团相连时,能使生色团吸收峰的max向长波方向移动(红移),同时。助色团通常是带有杂原子的饱和基团和烷基,比如 OH,OR,NHR,SH,X,CH3 等。,(三)末端吸收:在仪器测量波长的下限(190200nm)附近,某些化合物的吸收曲线随着波长减小而吸收强度增大,直至波长下限处仍不见峰顶,这说明该化合物的最大吸收波长在远紫外区,在近紫外区的部分仅仅是其吸收曲线强度逐渐下降的末端,这种吸收叫末端吸收。,/nm,200,A,红移和蓝移:在有机化合物中,常
7、由于取代基的引入或溶剂的改变,而使吸收峰位置(max)发生移动,向长波方向移动称为红移,向短波方向移动称为蓝移。增色效应:使化合物的max;减色效应:使化合物的max。,(四)肩峰:吸收曲线在上升或下降时产生变化率的略微增加或降低,从而在吸收曲线上形成小的弯曲或突出。这种小峰叫肩峰。它通常反映了主峰内隐含有其他峰,是二者产生的叠加信号。,/nm,A,2.1.5 溶剂对紫外光谱的影响 一、紫外光谱测量的常用溶剂(一)对溶剂的要求:不与样品反应;对样品有足够的溶解能力;溶剂的吸收不干扰测定;挥发性小;毒性小或无毒;不易燃;价格便宜。(二)常用溶剂及极限波长:大于此波长时,溶剂是透明的;小于此波长时
8、,溶剂将产生吸收。,二、溶剂对紫外光谱的影响溶剂效应(一)溶剂极性对紫外光谱的影响(1)增加溶剂极性,可使*跃迁吸收峰红移。(2)增加溶剂极性,可使 n*跃迁吸收峰蓝移。,例:溶 剂 对 异 丙 叉 丙酮 吸收 带 的 影 响,(二)溶剂 pH 对紫外光谱的影响 对于酸性或碱性化合物,溶剂 pH 对其紫外吸收光谱会产生明显影响,使其吸收光谱的形状、吸收峰的最大吸收波长和强度等发生变化。,例如:在 pH 13 的碱性介质中,苯酚能形成苯酚盐阴离子,引起其吸收带的红移。,在酸性介质中,苯胺转变为苯胺盐阳离子,引起其吸收带的蓝移。,(三)溶剂对紫外光谱形状的影响 气态测定可能出现精细结构峰,为转动、
9、振动能级跃迁产生。在溶液中,受溶剂分子影响,转动振动受阻,精细结构减弱(在非极性溶剂中)或消失(在极性溶剂中)。,2.3 无共轭双键的有机化合物的UV谱 特点:其吸收峰通常位于远紫外区,若含某些杂原子时,弱吸收峰能出现在近紫外区。一、饱和化合物(一)饱和烷烃:只存在*跃迁,max 200nm,强带。CH4 125nm,CH3CH3 135nm,190nm(正己烷、环己烷、正庚烷等常作为紫外溶剂),(二)含杂原子的饱和化合物 由于分子中的杂原子(O、N、S、卤素等)含有未参与成键的孤对电子(即n电子),因此 能产生 n*跃迁,max 在 200nm 左右。,通常 杂原子半径增大,max 增大,吸
10、收强度增加。CH3OH 177nm(200)CH3SH 193nm(1350)225nm(160)CH3SCH3 210nm(1020)229nm(140)杂原子数量增多,max增大。CH3Cl 173nm,CH2Cl2 220nm CHCl3 227nm,CCl4 257nm,二、孤立烯、炔类化合物(一)孤立烯烃:其*跃迁和*跃迁均在远紫外区,为强吸收带,烯碳上取代基增多将引起max红移。孤立烯*跃迁:CH2=CH2 165nm(1.2104),CH3CH2CH CH2 178nm(9000),(CH3)2C C(CH3)2 197nm(1.15 104),非共轭多烯的双键之间若有三个以上的
11、单键,则其*跃迁的max与类似碳数的单烯相近,但吸收强度随烯键增多而增大。例如:CH2=CHCH2CH2CH2CH3 177nm(11800)CH2=CHCH2CH2CH=CH2 178nm(26000),孤立环烯的*跃迁吸收波长略大于同碳的孤立链烯,若其烯碳上有烷基取代或环烷基取代,max将产生红移。183nm(6800)191nm(10200),(二)炔烃 孤立炔烃的*跃max200nm,烷基取代后max红移。例如,乙炔 173nm,强。炔烃在220nm左右还有一弱吸收带(100)。,三、孤立双键上含杂原子的化合物(一)羰基化合物 孤立羰基化合物的羰基有三个吸收带:n*180200nm(1
12、04)*150170nm(104)n*270310nm(102),为R带。,醛(R-COH)在非极性溶剂中的 n*跃迁R带有精细结构,随溶剂极性增加而逐渐消失。,/nm,酮 无类似的精细结构。若羰基碳上有助色团取代时,R带 将产生蓝移,而*跃迁吸收带将产生红移。例如,在乙醇溶剂中,n*吸收峰 O O O HCH CH3CH CH3CCH3 310nm(5)279nm(20)295nm(21),若酮类化合物的碳上有助色团取代时,能使 R带 红移。例如,在乙醇溶剂中:O O O CH3-C-CH3 CH3CH2-C-CH3(CH3)3C(CH3)3 270nm(12)277nm(20)295nm(
13、21),(二)硫羰基化合物(R2CS)其*跃迁max 200nm(103)n*跃迁max 200nm(103)n 跃迁(R 带)max 500nm 取代基对 CS 吸收的影响与羰基类似。(C3H7)2CS 在己烷溶剂中的吸收带:n*503nm(9)n*215nm(5100)*230nm(6300),(三)含氮杂生色团(C=N、C=N、N=N、N=O、NO2 等)的化合物 亚胺基、腈基、偶氮基等:*max 200 nm n*max 240 360 nm,n*max 200 nm 硝基:*max 200nm(4000),n*max 278nm(16),硝酸酯基(ONO2):n*270 nm(20)
14、N硝基(NNO2):*200 nm(4000)240 nm(7000)亚硝基(NO):*270290 nm(1000)n*630790 nm(120),2.4 含有共轭键的有机化合物的UV谱 含 共 轭 双 键 的 有 机 化合 物 的紫 外 吸 收光 谱的 max 200nm,随着共轭体系的延长,max 红移增大。,A,200 250 300 350 nm H(CH=CH)n H 的紫外光谱,n3,n4,n5,2.4.1 共轭烯烃紫外吸收带的计算 一、1,3-丁二烯的分子轨道 CH2CHCHCH2分子中,各碳原子均采用 SP2 杂化,各形成三个键,都还有一个未参与杂化的 2Pz 轨道,它们相
15、互平行,以肩并肩的形式,电子云从侧面交盖,形成四个分子轨道。CH2CH2 CH2CHCHCH2,165nm,217nm,4,1,3-丁二烯的分子轨道能级图,二、共 轭 二、三、四 烯 及 其 衍 生 物 max 的 计 算 Woodward Fieser 规则_ 母体:max/n m 基本值 开链共轭双烯 217 异环共轭双烯 214(228)*同环共轭双烯 253(241)*_*括号外为六元环的数据;括号内为五元环或七元环的数据。,Woodward Fieser 规则(续)_ 取代状况:max/n m 增加值 扩展共轭双键 30 环外双键 5 共轭双键上的取代基:(1)OCOR 或 OCOA
16、r 0(2)OR 6(3)R 5(4)SR 30(5)NR1R2 60(6)Cl、Br 5,Woodward Fieser 规则适用于计算共轭四烯以下的体系中H原子被官能团取代时的max。使用WoodwardFieser规则的注意事项:(1)“异环共轭双烯”是指共轭双烯母体中的二个双键分别在两个稠链环内。,(2)“同环共轭双烯”是指共轭双烯母体中的两个双键都在同一个环内。,(3)“环外双键”是指该双键的一个碳原子与环相连,另一个碳原子在此环的环外的双键。,(4)当有多个可供选择的母体时,应优先选择max大的作为母体。,OCH3,(5)“扩展双键”是指在母体的基础上增加的共轭双键。,(6)“交叉
17、共轭体系”只能选取分叉中一边的共轭双键,另一边的双键不算扩展双键,其上的取代基也不计增加值。,(7)整个共轭体系中的所有取代基及所有的环外双键都应计算增加值。,(8)本规则不适用于芳烃。,OH,通常,用紫外光谱进行结构鉴定,有下列两种方法:1、计算值与实测值比较法:即利用经验规则,计算最大吸收波长,然后与实测值相比较。2、吸收光谱比较法:即将未知物的UV谱与标准谱图进行比较。比较二者的符合情况来判断结构。,【例1】能否用UV光谱区别水芹烯的两种异构体?,CH,CH2,H3C CH3,CH,CH3,H3C CH3,(A)(B),二者的区别:A B烷基取代 2 3环外双键 1 0同环二烯 0 1,
18、所以 max(A)=217+25+5=232(nm)max(B)=253+3 5=268(nm),【例2】按经验规,指出下列化合物的紫外吸收波长的大小顺序:,【例2】按经验规,指出下列化合物的紫外吸收波长的大小顺序:应为 A(25310)B(214155)C(217105)D(21710)E(200),232,263,234,227,200,max=253+25+15+30=323(nm),同环二烯 基值 253 烷基取代 5 5 5 环外双键 3 35 扩展双键 1 30 _max 323 nm,【例 3】按经验规则计算化合物的紫外吸收峰波长为:,【例4】某一未知化合物 C10H14,有五种
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