《紫外光谱原理》PPT课件.ppt

基本原理,一、紫外吸收的产生 二、紫外可见吸收光谱 三、分子吸收光谱与电子跃迁 四、光的吸收定律,一、概述,光谱分析法是指在光（或其它能量）的作用下，通过测量物质产生的发射光、吸收光或散射光的波长和强度来进行分析的方法。 在光谱分析中，依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有: 红外吸收光谱：分子振动光谱，吸收光波长范围2.51000 m ,主要用于有机化合物结构鉴定。 紫外吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围200400 nm（近紫外区） ，可用于结构鉴定和定量分析。 可见吸收光谱：电子跃迁光谱，吸收光波长范围400750 nm ，主要用于有色物质的定量分析。 本章主要讲授紫外可见吸光光度法。,二 紫外吸收光谱,研究物质在 紫外、可见光区 的分子吸收光谱 的分析方法称为紫外-可见分光光度法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子 在电子能级间的跃迁，因此又称电子光谱。 波长范围10800nm。该波段可以分为: 紫外光区：远紫外区：10 - 200 nm （真空紫外区） 近紫外区：200 - 400 nm 芳香族化合物或具 有共轭体系的物质在此区域有吸收。 可见光区：400-800 nm有色物质在这个区域有吸收。,紫外光谱的特点： 与其它光谱测定方法相比，紫外可见分光光度法具有仪器价格较低，操作简便的优点，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。主要用于有机化合物共轭发色基团的鉴定，成分分析，平衡常数测定、互变异构体的测定、氢键强度的测定等，是一种有力的分析测试手段。,三、紫外吸收光谱的产生与电子跃迁,1紫外可见吸收光谱 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,在有机化合物中的价电子,根据在分子中成键的类型不同分为三种：形成单键的电子、形成不饱和电子、和杂原子上为成键n电子。,分子轨道理论：一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。通常外层电子均处于分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道上。,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 , 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max为125nm,乙烷max为135nm。因碳氢化合物在近紫外区无吸收,可作紫外测量的溶剂。, 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。如甲醇、三甲基胺n跃迁的max分别为173nm、183nm和227nm。, 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10Lmolcm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max为162nm，max为: 110Lmol-cm。,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10100mol cm，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 跃迁。丙酮n跃迁的max为275nm max为22Lmol cm （溶剂环己烷)。,紫外光谱电子跃迁类型 ： n*跃迁 *跃迁 饱和化合物无紫外吸收 电子跃迁类型与分子结构及存在基团有密切联系 根据分子结构推测可能产生的电子跃迁类型； 根据吸收谱带波长和电子跃迁类型 推测分子中可能存在的基团（分子结构鉴定）,四、紫外吸收曲线及光的选择性吸收,紫外光谱是由于分子在入射光的作用下，发生了价电子的跃迁产生的。当以一定波长范围的连续光源照射样品时，一定波长的光被吸收，使透射光强度发生改变，以波长为横坐标，百分透过率T或吸光度（A）为纵坐标即可得被测化合物的吸收光谱。吸收光谱又称吸收曲线，,光的互补：蓝 黄,图示,在吸收曲线中，最大吸收值所对应的波长为最大吸收波长 max，在吸收曲线的波长最短一端，吸收相当大但不成峰形的部分称为末端吸收。整个吸收光谱的位置、强度和形状是鉴定化合物的标志。,吸收曲线的讨论：,同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最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。此特性可作为物质定量分析的依据。 在max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。,五紫外光谱中常用的术语,生色团：从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。但是，人们通常将能吸收紫外、可见光的原子团或结构系统定义为生色团。 有机化合物：具有不饱和键和未成对电子的基团 具n 电子和电子的基团, 产生n *跃迁 和 *跃迁 跃迁E较低 例： CC；CO；CN；NN 注：当出现几个发色团共轭，则几个发色团所产生的吸收带将消失，代之出现新的共轭吸收带，其波长将比单个发色团的吸收波长长，强度也增强。,某些常见生色团的吸收光谱,3紫外光谱中常用的术语,助色团： 助色团是指带有非键电子对的基团。 有机物：连有杂原子的饱和基团，如-OH、 -OR、 -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。,红移与蓝移（紫移）,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: 红移：某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团（ -OH、 -OR、 -NH2、-SH 、-Cl、-Br、-SR、- NR2 ）之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。 蓝移: 在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移（紫移）效应。如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3。,六、吸收带类型和影响因素,1R带：由含杂原子的不饱和基团的n *跃迁产生 CO；CN；NN E小，max250400nm，max100 溶剂极性，max 蓝移（短移）,2K带：由共轭双键的 *跃迁产生 (CHCH)n，CHCCO max 200nm，max104 共轭体系增长，max红移，max 溶剂极性，对于(CHCH)n max不变 对于CHCCO max红移,续前,3B带：由 *跃迁产生 芳香族化合物的主要特征吸收带 max =254nm，宽带，具有精细结构； max=200 极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失,4E带：由苯环环形共轭系统的 *跃迁产生 芳香族化合物的特征吸收带 E1 180nm max104 （常观察不到） E2 200nm max=7000 强吸收 苯环有发色团取代且与苯环共轭时，E2带与K带合并 一起红移（长移）,图示,图示,续前,影响吸收带位置的因素： 1溶剂效应： 对max影响： n-*跃迁：溶剂极性，max蓝移 -*跃迁：溶剂极性 ，max红移 对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性，苯环精细结构消失 溶剂的选择极性；纯度高；截止波长 max,PH值对紫外光谱的影响 PH值的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大，如果化合物溶液变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质。如果变为碱性，发生蓝移，可能为芳胺。,发生跃迁的分子激发态的极性总大于基态，在极性溶剂的作用下，激发态能量降低的程度大于基态，从而使基态到激发态跃迁所需的能量变小，使吸收带发生红移。 发生n跃迁的分子都含有未成键的孤对电子，与极性溶剂形成氢键，使得分子的非键轨道能量有较大程度的降低，使n跃迁所需的能量相应增大，致使吸收谱带发生蓝移。,由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点： （1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。 （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,2 PH值对紫外光谱的影响 PH值的改变可能引起共轭体系的延长或缩短，从而引起吸收峰位置的改变，对一些不饱和酸、烯醇、酚及苯胺类化合物的紫外光谱影响很大，如果化合物溶液变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质。如果变为碱性，发生蓝移，可能为芳胺。,有机化合物紫外-可见吸收光谱,1，饱和烃及其取代衍生物 饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道（ ）跃迁到反键轨道（ *）。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。 饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n* 的跃迁。 n* 的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据不仅说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。 直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和（或）可见吸收光谱的良好溶剂。,不饱和烃及共轭烯烃,2，不饱和烃及共轭烯烃 在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。 *跃迁的能量小于 *跃迁。例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为180nm 在不饱和烃类分子中，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。在共轭体系中， *跃迁产生的吸收带又称为K带。,羰基化合物,3，羰基化合物 羰基化合物含有C=O基团。 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带， n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异，因此它们n*吸收带的光区稍有不同。 羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是， 羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n* 跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。,苯及其衍生物,4，苯及其衍生物 苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX = 60，000）； E2带出现在204nm（ MAX = 8000 ）；B带出现在255nm （MAX = 200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著的变化，其中影响较大的是E2带和B谱带。 5，稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如奈、蒽、芘等，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。随着苯环数目的增多，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，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与奈相似。此外由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。,七 紫外光谱的应用 7.1 化合物的定性分析,利用紫外光谱可以推导有机化合物的分子骨架中是否含有共轭结构体系,如C=CC=C、C=CC=O、苯环等。利用紫外光谱鉴定有机化合物远不如利用红外光谱有效，因为很多化合物在紫外没有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光谱一般比较简单，特征性不强。利用紫外光谱可以用来检验一些具有大的共轭体系或发色官能团的化合物，可以作为其他鉴定方法的补充。鉴定化合物主要是根据光谱图上的一些特征吸收，特别是最大吸收波长max即摩尔吸光系数值，来进行鉴定。,鉴定的方法有两种： （1）与标准物、标准谱图对照：将样品和标准物以同一 溶剂配制相同浓度溶液，并在同一条件下测定，比较光谱是否一致。如果两者是同一物质，则所得的紫外光谱应完全一致。如果没有标准用品，可以与标准谱图进行对比，但要求测定的条件要与标准谱图完全相同，否则可靠性较差。 （2）吸收波长和摩尔吸光吸收：由于不同的化合物，如果具有相同的发色基团，也可能具有相同的紫外吸收波长，但是它们的摩尔消光吸收是有差别的。如果样品和标准物的吸收波长相同，摩尔吸光吸收也相同，可以认为样品和标准物是同一物质。,如果一个化合物在紫外区是透明的，则说明分子中不存在共轭体系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳氢化合物、胺、腈、醇等不含双键或环状共轭体系的化合物。 如果在210250nm有强吸收，表示有K吸收带，则可能含有共轭体系，如共轭二烯或，不饱和酮等。同样在260，300，330nm处有高强度K吸收带，则表示有三个、四个和五个共轭体系存在。 如果在260300nm有中强吸收（2001000），则表示有B带吸收，体系中可能有苯环存在。如果苯环上有共轭的生色基团存在时，则可以大于10000。,结构分析,如果在250300nm有弱吸收带（R吸收带），则可能含有简单的非共轭并含有n电子的生色基团，如羰基等。 如果化合物呈现许多吸收带，甚至延伸到可见光区，则可能含有一长链共轭体系或多环芳香性生色团。若化合物具有颜色，则分子中含有的共轭生色团或助色团至少有四个，一般在五个以上（偶氮化合物除外）。 但是物质的紫外光谱所反映的实际上是分子中发色基团和助色基团的特性，而不是整个分子的特性，所以，单独从紫外吸收光谱不能完全确定化合物的分子结构，必须与红外光谱、核磁共振、质谱及其他方法相配合，方能得出可靠的结论。但是紫外光谱在推测化合物结构时，也能提供一些重要的信息，如发色官能团，结构中的共轭关系，共轭体系中取代基的位置、种类和数目等。,有机化合物结构辅助解析,1）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 nm 260nm，300 nm，330 nm有强吸收峰3,4,5个双键的共轭体系。,7.2 纯度检查,如果有机化合物在紫外可见光区没有明显的吸收峰，而杂质在紫外区有较强的吸收，则可利用紫外光谱检验化合物的纯度。如果用品本身有紫外吸收，则可以通过差示法进行检验，即取相同浓度的纯品在同一溶剂中测定作空白对照，样品与纯品之间的差示光谱就是样品中含有的杂质的光谱。如生产无水乙醇时通常加入苯进行蒸馏，因此无水乙醇中常常带有少量的苯，而乙醇在紫外光谱中没有吸收，苯的max为256nm，利用苯的消光系数，即可计算乙醇的纯度。,7.3 异构体的确定,对于构造异构体，可以通过经验规则计算出max值与实测值比较，即可证实化合物是哪种异构体。对于顺反异构体，一般来说，某一化合物的反式异构体的max和max大于顺式异构体，如前所述的1，2二苯乙烯。另外还有互变异构体，常见的互变异构体有酮烯醇式互变异构，如乙酰乙酸乙酯的酮烯醇式互变异构。,在酮式中，两个双键未共轭，max204nm,而在烯醇式中，双键共轭。吸收波长较长，max243nm。通过紫外光谱的谱峰强度可知互变异构体的大致含量。不同极性的溶剂中，酮式和烯醇式所占的比例不同，乙酰乙酸乙酯在己烷种烯醇式含量最高，而在水max和max中的含量最低。,7.4 位阻作用的测定,由于位阻作用会影响共轭体系的共平面性质，当组成共轭体系的生色基团近似处于同一平面，两个生色基团具有较大的共振作用时，max不改变，max略微降低，空间位阻作用较小；当两个生色基团具有部分共振作用两共振体系部分偏离共平面时，max和max略有降低；当连接两生色基团的单键或双键被扭曲得很厉害，以致两生色基团基本未共轭，或具有极小共振作用，剧烈影响其UV光谱特征时，情况较为复杂化。在很多情况下，该化合物的紫外光谱特征近似等以它所含孤立生色基团光谱的“加合”。,7.5 氢键强度的测定,溶剂分子与溶质分子缔合生成氢键时，对溶质分子的UV光谱有较大的影响。对于羰基化合物，根据在极性溶剂和非极性溶剂中R带的差别，可以近似测定氢键的强度。以丙酮为例，当丙酮在极性溶剂如水中时，羰基的n电子可以与水分子形成氢键。max264.5nm，当分子受到辐射，n电子实现n到跃迁时，氢键断裂，所吸收的能量一部分用于跃迁，一部分用于破坏氢键，而在非极性溶剂中，不形成氢键，吸收波长红移，max279nm。这一能量降低值与氢键的能量相等。,max264.5nm，对应的能量为452.53KJ/mol，max279nm，对应的能量为428.99 KJ/mol，因此，氢键的强度或键能为452.53428.9923.54 KJ/mol，这一数值与氢键键能的已知值基本符合。,7.6 成分分析,紫外光谱在有机化合物的成分分析方面的应用比其在化合物定性鉴定方面具有更大的优越性，方法的灵敏度高，准确性和重现性都很好，应用非常广泛。只要对近紫外有吸收或可能有吸收的化合物，均可用紫外分光光度法进行测定。定量分析的方法与可见分光光度法相同。定量基础朗伯-比尔定律,八、光的吸收定律,1.朗伯比耳定律 布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系。Ab 1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系。A c 二者的结合称为朗伯比耳定律，其数学表达式为： 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(透光率)T,透过度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,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。广泛地应用于紫外光、可见光、红外光区的吸收测量； 摩尔吸光系数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。 吸光系数a(Lg-1cm-1）相当于浓度为1g/L，液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。,2.摩尔吸光系数的讨论,吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数， 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。 可作为定性鉴定的参数。 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。 max越大表明该物质的吸光能力越强，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。 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。,吸光度的加合性,如果溶液中含有n种彼此间不相互作用的组分，它们对某一波长的光都产生吸收，那么溶液对该波长光总吸光度A总应等于溶液中几种组分的吸光度之和，也就是说吸光度具有加和性。 A总= abCa 2bCb 3bCc +nbCn 吸光度的加和性对多组分同时定量测定，校正干扰等极为有用。 多组分的同时测定 若各组分的吸收曲线互不重叠，则可在各自最大吸收波长处分别进行测定。这本质上与单组分测定没有区别。 若各组分的吸收曲线互有重叠，则可根据吸光度的加合性求解联立方程组得出各组分的含量。 A1= a1bCa b1bCb A2= a2bCa b2bCb,3.偏离朗伯比耳定律的原因,标准曲线法测定未知溶液的浓度时，发现：标准曲线常发生弯曲（尤其当溶液浓度较高时），这种现象称为对朗伯比耳定律的偏离。 引起这种偏离的因素（两大类）：一类是物理性因素，即仪器的非理想引起的；另一类是化学性因素。,（1）物理性因素 朗比耳定律的前提条件之一是入射光为单色光。 也难以获得真正的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光带。复合光可导致对朗伯比耳定律的正或负偏离。 非单色光、杂散光、非平行入射光都会引起对朗伯比耳定律的偏离，最主要的是非单色光作为入射光引起的偏离。,非单色光作为入射光引起的偏离,假设由波长为1和2的两单色光 组成的入射光通过浓度为c的溶液，则： 1lg（o1 /t1 ）1bc 2lg(o2 /t2 ）2bc 故： t1 o1101bc ； t2 o2102bc 式中o1、o2分别为1、2的入射光强度； t1、t2分别为1、2的透射光强度； 1、2分别为1、2的摩尔吸光系数； 因实际上只能测总吸光度A总，并不能分别测得A1和A2，故 A总 lg（o总/t总 )lg(Io1o2)/(t1t2） lg(Io1o2)/(o1101bc o2102bc ） 令： 1-2 ；设：o1 o2 A总 lg(2Io1)/t1(1102bc ） =A + lg2 - lg(1102bc ),讨论:,A总 =A1 + lg2 - lg(110bc ) = 0； 即：1=2 = 则： A总 lg（o/t）bc 0 若 0, lg（10bc ）值随c值增大而增大，则标准曲线偏离直线向c轴弯曲，即负偏离；反之，则向A轴弯曲，即正偏离。 很小时，即12： 则可近似认为是单色光。在低浓度范围内，不发生偏离。若浓度较高，即使很小， A总 1 ，且随着c值增大， A总 与A 1的差异愈大，在图上则表现为Ac曲线上部(高浓度区)弯曲愈