紫外可见吸收光谱法.ppt

第五章 紫外-可见吸收光谱法,(ultraviolet-visible absorption spectrometry，UV-VIS）紫外可见吸收光谱法： 通过研究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情况对物质进行定性、定量和结构分析的方法。,紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。 波长范围：100800 nm. (1) 远紫外光区: 100200nm (2) 近紫外光区: 200400nm (3)可见光区:400800nm 通常区域：200750nm,可用于结构鉴定和定量分析。 电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁：带状光谱。,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。,分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即: EEe+Ev+Er 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 满足上式，则微观上出现分子由较低能级跃迁氘较高能级；宏观体现在透射光的强度变弱。,吸收光谱的分类,物质分子内部三种运动形式： （1）电子相对于原子核的运动； （2）原子核在其平衡位置附近的相对振动； （3）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 即: EEe+Ev+Er evr,讨论：,（1） 转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，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； （2） 振动能级的能量差v约为：0.05eV，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； （3） 电子能级的能量差e较大120eV。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；,分子吸收光谱的形状,电子光谱一般包含有若干谱带系，不同谱带系相当于不同电子能级的跃迁。一个谱带系是由同一电子能级的能级跃迁形成的 一个谱带系含有若干谱带，不同的谱带相当于同一电子能级跃迁内不同振动能级的跃迁。 在同一谱带内包含有若干谱线，每一条线相当于转动能级的跃迁。 振动和转动能级数目很多，观察到谱带。,吸收光谱的表征,波长为横坐标，吸光度为纵坐标的曲线。 最大吸收峰；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，但此处的吸光度差值最大。 最小吸收；最小吸收波长min。 肩峰； 末端吸收：吸收较强但未形成峰形。,最大吸收波长max，表示谱带位置，是分子特征常数，可推测物质的结构信息。 整个谱带的形状决定于物质性质，反映分子内部能级分布状况，是物质定性的依据。,光强参数,有机化合物的紫外可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：电子、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，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量大小顺序为：n n ,5.2 有机化合物的UV-VIS,1).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； 特点：作为溶剂使用；,2）：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。,3）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104Lmol1cm1以上，属于强吸收。 4）n* ：跃迁一般在近紫外区（200 400 nm），吸光强度较小。 电子跃迁的类型与分子结构及存在的基团关系密切：可根据分子结构来推断可能产生的电子跃迁；根据紫外吸收带的波长及电子跃迁的类型判断分子中可能存在的基团。,5.2.2生色团与助色团,生色团：导致化合物在紫外及可见光区产生吸收的基团 最有用的紫外可见光谱是由和n跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和和未成对电子基团。如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基CN等。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如OH、OR、NH、NHR、X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n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。,红移与蓝移,有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长max和吸收强度发生变化: max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增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。,1）饱和烃及其衍生物：只可产生n跃迁。 2）不饱和烃及共轭烯烃 主要是*跃迁 乙烯*跃迁的max为162nm，max为: 1104 Lmol-1cm1。 K带共轭非封闭体系的p p* 跃迁。 共轭降低了跃迁所需能量，吸收峰向长波移动，强度较大。,（3）羰基化合物共轭烯烃中的 *, Y=H,R n * 180-190nm * 150-160nm n * 275-295nm Y= -NH2,-OH,-OR 等助色基团,R带： n * 跃迁时产生，为判断醛酮存在的重要依据。,不饱和醛酮 红移：220-260nm 成为K带。 R 带蓝移：310330nm 。 特征：K带吸收强度高，R带强度低,（4）芳香烃及杂环化合物,苯（苯环上三个共扼双键的 *跃迁特征吸收带；） E1带180184nm； =47000 E2带200204 nm =7000 B带230-270 nm =200 其中B带为芳香族的重要特征吸收带，常用于识别：精细结构是 *与苯环振动引起；,含带有孤对电子的取代基时，由于n *共轭， B带强度 增大简化，红移；对于烷基取代基影响不大。,稠环芳香族化合物： 吸收光谱的最大特点是共轭体系增加，使波长向红移动，吸收强度增强。,5.3.无机化合物的UV-VIS,电荷转移跃迁：同时具有电子给予体和电子接受体的分子，吸收外来辐射使电子从给体外层轨道向受体轨道跃迁，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。,电子给予体,电子接受体,许多无机络合物能产生电荷转移光谱。 此类最大特点是莫尔吸收系数大 Fe2+与1,10-邻二氮菲配合物的紫外吸收光谱属于此。,配位场跃迁：d-d和f-f跃迁两种,原理：原本简并的5个d或7个f轨道在配位体按一定的几何方向配位在金属离子周围时，分裂为几组能量不等的d或f轨道。 在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d一d、 f 一f 跃迁； 必须在配位体的配位场作用下才能产生 摩尔吸收系数很小，对定量分析意义不大，但可用于研究络合物的结构。,5.4 溶剂的影响：吸收波长,n *跃迁：蓝移； ；, *跃迁：红移； ；,溶剂的影响,非极性 极性 n *跃迁：兰移； ； *跃迁：红移； ； 原因：n、 、 *轨道自身极性不同，极性溶剂的溶剂化作用不同。,极性溶剂使精细结构消失；,溶剂的选择,溶液具有良好的化学和光化学稳定性。 在溶解度允许的范围内，尽量选择进行较小的溶剂。 溶剂在试样的吸收光谱区应无明显吸收。,5.5紫外-可见分光光度计,基本组成,光源,单色器,吸收池,检测器,信号显示,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，其辐射波长范围在3202500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,2.单色器,将连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光束，直接影响光谱通带，从而影响测定的灵敏度、选择性及标准曲线的线性范围。 入射狭缝：光源的光由此进入单色器； 准光装置：透镜或返射镜，使入射光成为平行光束； 色散元件：棱镜或光栅，将复合光分解成单色光；,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。,3.吸收池：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，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,仪器类型,1.单光束： 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。,光路图详见下页。,光路图,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A进行定量分析。 优点：无需参比池，背景完全扣除，提高了测定的准确度； 双组分同时测定无需解联立方程。,5.6 UV-VIS的应用：包括有机物的定性分析和结构分析；定量分析；测定某些化合物的物理化学常数如络合物的络合比和稳定常数、氢键强度和莫尔质量等,1.定性分析 max：化合物特性参数，可作为定性依据； 谱图反映结构中生色团和助色团的特性、不饱和度、共轭程度等，但不完全反映分子特性，是结构确定的辅助工具； 鉴定步骤：1）提纯试样；2）绘制谱图并初步判断；3）对比法进行进一步鉴定；4）对照和验证，下结论。,有机化合物结构辅助解析,结构信息 （1）200800nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。 （2） 250350 nm有吸收峰（=10100）醛酮 n* 跃迁产生的R 带。 （3） 210250 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310330 nm 260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。 （4） 250300 nm 有中等强度的吸收峰（=2002000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。,立体结构和互变结构的确定,顺式：max=280nm； max=10500 反式：max=295.5 nm；max=29000 共平面产生最大共轭效应， max大,互变异构： 酮式：max=204 nm；无共轭 烯醇式：max=243 nm 比例依赖于溶剂极性：极性溶剂中酮式与水分子形成氢键系统；非极性溶剂中烯醇式存在分之内氢键。 利用定量关系可测平衡体系中两者的相对含量，从而计算平衡常数。,应用,构象的判别 叔丁基环己酮的卤元素取代，卤原子以竖键与环上碳原子相连时较好共轭实现n* 跃迁的能量较低，R吸收带红移； 而横键形式的实现n* 跃迁的能量较高：借此可以判断竖键和横键从而判定构型。,化合物中杂质的检查 判断方法： 待检测化合物如自身没有明显吸收，杂质有较强吸收时，可绘制谱图。 待测物有较强吸收，还可通过计算莫尔吸收系数来检查其纯度。,定量分析 依据：朗伯-比耳定律 A= b c,一般定量分析法 1）单一组分：先绘制谱图，再选择max，进行定量分析。 2）多组分 若各吸光物质的吸收曲线各不重叠，选择各自的max。 如相互重叠，利用吸光度的加合性，在各自的max处分别测混合物的吸光度，解联立方程。,双波长分光光度法,优点：不需参比液；可用于测定混浊溶液、吸收光谱重叠的混合物。 定量分析的依据：与背景吸收或光散射无光。,选择波长组合的条件 1）在选定的两个波长出干扰组分应具有相同的吸收。 2）在选定的两个波长出，待测组分的吸光度差值应足够大。,导数分光光度法,对吸收曲线进行一阶或高阶求导，就得到各种导数光谱曲线。 吸光度A的导数值与吸收物质的浓度成正比，这是定量分析基础。 随导数阶数的增加，谱带变得尖锐，分辨率提高，检测的灵敏度得到提高。,测量方法,正