波谱分析紫外光谱.ppt

,第1章 紫外吸收光谱法（UV-Vis） (Ultraviolet and visible Spectroscopy ),1.1 UV光谱的基本原理 1.2 紫外-可见分光光度计 1.3 各类化合物的紫外吸收光谱 1.4 UV光谱法的应用,1.1 UV光谱的基本原理,一、光的基本性质,紫外光区：远紫外区10 - 200 nm （真空紫外区） 近紫外区200 - 400 nm,可见区200 - 400 nm （UV-Vis光谱的研究区域）,光的波长越短（频率越高），其能量越大。,二、光谱分析,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，分子光谱主要有以下几种:,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400800 nm ，主要用于有色物质的定量分析。,紫外光谱表示法：,1.紫外吸收带的强度 吸收强度标志着相应电子能级跃迁的几率， 遵从Lamder-Beer定律。,A:吸光度, : 消光系数, c: 溶液的摩尔浓度， l: 样品池长度,I0、I分别为入射光、透射光的强度,电子吸收光谱的表示法：,丙酮,2.紫外光谱的表示法,紫外光谱图是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。,横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位。 纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A(吸光度)、T(透射比或透光率或透过率)、1-T(吸收率)、(吸收系数) 中的任何一个来表示。 T = I / I0 吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。曲线最大吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置，纵坐标为它的吸收强度。,1、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）分子中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。,三、吸收光谱的产生,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。 分子的内能包括：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er 即e+v+r evr,2、三种不同的能级跃迁：,（1）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 （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）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；,M + h M *,基态 激发态 E1 （E） E2,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(带状光谱）。,四、电子跃迁,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（三种）：电子、电 子、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。,1.电子跃迁的类型,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。, 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。如一氯甲烷、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max为162nm，max为: 1104Lmol-1cm1。,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10100Lmol1 cm1，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22 Lmol1 cm 1（溶剂环己烷)。, n跃迁,2.生色团与助色团,生色团（chromophore)： 在紫外和可见光区产生吸收带的基团称为生色团。因为只有由和n跃迁才能产生紫外可见吸收，而这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团，所以这类含有键的不饱和基团称为生色团。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（auxochrome)： 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。,4.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。,5.吸收带,1) R吸收带 由含氧、氮、硫等杂原子的生色团中非成键电子从n轨道向*反键轨道跃迁时产生。 R吸收带的吸收波长比较长，吸收强度较弱。 如：乙醛分子中羰基n跃迁时产生的R吸收带波长为290nm，摩尔吸光系数为17L/molcm。,2) K吸收带,由含共轭双键分子发生跃迁时产生。 K吸收带的吸收波长200nm，吸收强度很强，摩尔吸光系数为一般104L/molcm 。 如：丁二烯、丙烯醛等发生跃迁时产生 K吸 收带； 芳环上若有生色取代基团如苯乙烯、苯甲酸 等也会产生K吸收带。,闭合环状共轭双键分子发生跃迁时产 生，是芳环的主要特征吸收带。 B吸收带的吸收波长比较长，吸收强度较弱。 如：苯的吸收带波长为256nm，摩尔吸光系数 为215L/molcm。,3) B吸收带,3) B吸收带,4) E吸收带,苯环状三个烯双键分子发生跃迁时产生，也是芳环的主要特征吸收带。 E吸收带分为E1带和E2带 E1带波长低于200nm， E2带波长略高于200nm E1带的吸收强度比E2带强 E1带：摩尔吸光系数为104L/molcm； E2带：摩尔吸光系数为103L/molcm,五、影响紫外吸收波长的因素,共轭体系使跃迁能量降低，发生跃迁吸收光谱波长增大，发生共轭红移。,1.共轭体系与吸收带波长的关系,烷基与共轭体系相连时，可以是波长 产生少量红移。 因为烷基的C-H的电子与共轭体系的 电子云发生一定程度的重叠扩大了共轭 范围，使跃迁能量降低，吸收红 移。,2.超共轭效应,溶剂的极性不同会使max发生改变；,3.溶剂效应,因为轨道的极性大小顺序为： n,当被测物具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH对吸收光谱影响较大。,4. pH对吸收光谱影响,酚酞在碱性溶液中显红色，而在酸性溶液中无色。,酸式型体只有一个C=O与苯环共轭，因而只有紫外吸收。,碱式型体整个分子是一个大的共轭体系，吸收带移至可见光区。,5. 空间结构对紫外光谱的影响,1. 空间位阻的影响:,直立键 max 平伏键 max,2. 顺反异构,双键或环上取代基在空间排列不同而形成的 异构体。,反式 max 顺式 max,3. 跨环效应,指非共轭基团之间的相互作用。 使共轭范围有所扩大，max 发生红移。,1.2 紫外-可见分光光度计,基本组成:,一、紫外-可见分光光度计结构,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。,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。,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。,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。,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。,3、 样品室,二、实验技术,1.紫外分光光度计的校正 1）波长校正 a.低压汞灯 b.苯蒸汽的B吸收带的精细结构: 230260nm有5个尖锐吸收