[工学]Chapter8-u-is.ppt

Ultraviolet visibleSpectrometry 紫外 可见吸收光谱分析 WatersHPLC W2695pump W2996DADdetector automaticinjector Empowerstation Column SymmetryC18 3 9mm 150mm 5 m Mobilephase methanol 1 aceticsolution Temperature 25 SimultaneousdetectionofFerulicacidandGastrodinbyHPLC Exmaple1 RP HPLC 270nm标准品 323nm标准品 270nm样品 323nm样品 Melaminehttp www bio Exmaple2 Mobilephase hepanesulfonicsodium watersolution acetonitrilePhenomenex LunaC8 4 6mmi d 250mm 5 m 流速1 0mL min 进样量 20 L 柱温 30 检测波长 240nm Ion pairHPLC IntroductiontoUV VisspectroscopyMeasurementofUV Visspectroscopy Lambert BeerLawInstrumentationofUV VisspectroscopyApplicationofUV Visspectroscopy UV VisismolecularabsorptionspectroscopyP326Whatarethenatureoftheseabsorptions asUVorvisiblelightirradiatemolecules electronsinthelowestmolecularorbitalmaybeexcitedandtransferredtoanorbitalofhigherenergy 1 PrinciplesofUV EeenergiesforelectronictransitionofatomsinthemoleculeEvenergiesforvibrationbetweentwoatomsErenergiesformolecularrotation 讨论 1 rotationalenergy r 0 005 0 050eVwavelength 250 25 mfar infraredlightFar infraredSpectroscopy 2 vibrationalenergy Ev 0 05 1eVwavelength 25 1 25 minfraredlightIR 3 electronicenergy Ee 1 20eVwavelength 12 5 0 06 mUV vis TheshapeofUVadsorptioncurve Excitationfromthegroundelectronicstatecanoccurtomorethanonevibrationallevelandrotatioalsublevels Theadsorptionbandsarebroadbecauseeachelectronicenergylevelhasmultiplevibrationalandrotaionalenergylevelsassociatedwithit 2 1ElectronictransitionsP319p s andn non bonding electrons 2 BasicknowledgeofUV SigmaandPiorbitals E n n n 电子跃迁能级示意图 10100200300400500600700800 波长 nm lg n 654321 n n 远UV区 近UV区 Vis区 电子跃迁所处的波长范围及强度 1 s s UVphotonrequired highenergyMethaneat125nmEthaneat135nm 2 n s Theatomswithunsharedelectronpairsshouldbecontained O S N halogens150 250nm notintense 3 p p highere 1000to10000 unsaturatedgroup C C C O 200nm 4 n p lowere 10to100 含杂原子不饱和基团 C N C O 200 400nm 近紫外 烯 炔 羰基 2 2somebasicglossary常用术语 1 Chromophore发色团 和n double bondortriplebond P324vinylC CcarbonylC Onitrosoazogroup N N ethynylC Cnitrilegroup C N 如果两个生色团相邻 发生共轭作用 则原来的各自的吸收带将消失 并在较长的波长处产生强度比原来吸收带强的新吸收带 Thecommonchromophores 2 auxochromes助色团Thep conjugationmakestheadsorptionpeakofchromophoremovetothelongwavelengthandincreasethestrength Suchatomsorgroupsarecalledasauxochormes 特点 助色团一般是带有p电子的基团 eg 3 redshiftandblueshiftIftheadsorptionpeakmovestothelongerwavelengthbytheintroduceoflone pairelectrons itiscalledasredshift 长移或红移 otherwise blueshift 短移或蓝移 Iftheadsorptionstrengthisincreased itiscalledashyperchromiceffect 浓色效应或增色效应 otherwise hypochromiceffect 淡色效应 P345 吸收带是指吸收峰在紫外光谱中的谱带位置 可分为四种类型 吸收带类型跃迁类型 max max吸收峰特征典型实例 R吸收带n 100270弱羰基 硝基 K吸收带 104217很强共轭烯 B吸收带 250 3000230 270多重吸收苯 苯同系物 E吸收带 2000 10000强芳环中C C 4 Classificationofadsorptionbands i R bandbyn transition 特点 max 270nm max 100 Examples acetone acrylaldehyde acetaldehyde acetophenone ii K band fromGerman konjuierte Itisformedby transitioninconjugatedsystem andthemostcommonbandinUV vis 特点 max210 270nm max 10000 溶剂极性 时 max不变 双烯 或发生红移 烯酮 butadiene benzaldehyde iii B band fromGerman benzenoidband Itisthecharacteristicbandofaromaticcompounds andcausedbyvibrationofbenzeneringand overlap Finestructureadsorptioncanbefoundbetween230and270nm E1带的吸收峰在185nm左右 吸收特别强 max 104 是由苯环内乙烯键上的 电子被激发所致 E2带在204nm处 中等强度吸收 max 7400 是由苯环的共轭二烯所引起 当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时 E带和B带均发生红移 E2带会和K带合并 iv E band FromGermanethylenicband 乙烯型谱带 图苯的紫外吸收光谱 异辛烷 3 1Lambert Beer定律Iftheincidencewavelengthisfixed k coefficient b lightlength c concentration Iftheconcentrationisdenoteding L kiscalledasadsorptioneffiecient anddenotedasa Iftheconcentrationisdenotedinmol L kiscalledasmolaradsorptioneffiecient anddenotedas Larger Higherofthesensitivityofthemethod 与波长有关 因此 常以 表示 3Lambert Beerrule T Transmittance A lg I0 It lg 1 T lgT Kbc A Absorbance RelationshipbetweenA Tandc A abc A abc 例1 已知含Fe3 浓度为500 g L 1溶液用KSCN显色 在波长480nm处用2cm吸收池测得吸光度A 0 197 计算摩尔吸光系数 解 例2 解 先计算该溶液的吸光度 1 计算吸光系数a 溶液中Nb的浓度为 用氯磺酚分光光度法测定铌 50ml溶液中含铌50 0 g 用2 00cm吸收池测得透光率为19 9 计算吸光系数a 摩尔吸光系数 由A abc 已知b 2cm 已求得A 0 701 可得 2 计算摩尔吸光系数 溶液中Nb的浓度为 由A bc 已知b 2cm A 0 701 可得 例3 称取纯度为95 5 的某吸光物质0 0500g溶解后定容至500ml 从中吸取2 00ml显色后定容至50ml 于最大吸收波长处用2cm吸收池测得透光率为0 355已知吸光物质的 1 50 104 试计算该吸光物质的摩尔质量 解 先计算该溶液的吸光度 已知b 2cm 1 50 104 由A bc 可知显色溶液内吸光物质的浓度为 吸光物质溶解定容至500ml 从中吸取2 00ml显色 显色溶液体积为50ml 因此500ml吸光物质溶液的浓度为 吸光物质质量为0 0500g 纯度95 5 体积为500ml 则其摩尔质量为 3 2analyticalrequirements1 instruments c cisnotonlyrelativetothe Tofinstruments butalsotothetransmittance Assume T 1 thecurveof c candTisasleft When T 1 therelativeerrorofconcentrationismuchsmallerinthetransmittancerangeof20 65 A 0 70 0 20 可求出浓度相对误差最小时的透光度Tmin为 Tmin 36 8 Amin 0 434通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0 15 1 00范围内 2 显色反应 1 显色剂的选择原则 使配合物吸收系数 最大 选择性好 组成恒定 配合物稳定 显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大 M R MR试液显色剂有色化合物 A CR ab A CR ab A CR a b c 图 a b 可知显色剂浓度在a b范围内 吸光度比较稳定 因此显色剂浓度大小要严格控制在a b之间 图 c 随着显色剂浓度的增大 吸光度不断增大 最好更换显色剂 2 显色剂用量 3 pH 溶液的酸度会直接影响金属离子和显色剂的存在形式 有色络合物的组成和稳定性以及显色反应进行的完全程度 确定的方法 固定待测组分及显色剂浓度 改变溶液pH值 测定其吸光度A 作出A pH关系曲线 选择曲线平坦部分所对应的pH值作为测定的酸度 通常酸度范围是由实验来确定的 4 显色温度 显色反应通常在室温下进行 有些反应温度高时 反应速度加快 但有色物质容易分解 因此 对于不同的反应 应通过实验找出适宜的温度范围 5 显色时间 显色反应速度有快有慢 确定适宜显色时间的方法 配制一份显色溶液 从加入显色剂开始每隔一定时间测吸光度一次 绘制A t曲线 曲线平坦部分所对应的时间就是最适宜显色时间 3 参比溶液的选择 选择参比溶液的原则 1 如果仅待测物质与显色剂反应的产物有吸收 可以用纯溶剂作参比溶液 即溶剂空白 如 用 NH4 2S2O8将Mn2 氧化为MnO4 时 试剂和样品都无色 因此可用蒸馏水作参比液 溶剂空白只能消除溶剂 比色皿壁 溶剂界面的影响 2 如果显色剂或其他试剂略有吸收 此时以空白溶液作参比溶液 即试剂参比液 如 邻二氮菲分光光度法测水中微量铁 由于试剂可能也含有微量铁而使测定结果偏大 因此要用空白溶液 即除试样外所有试剂 为参比液以抵消试剂带来的误差 3 若试样中其他组分有色 但不与显色剂反应 i 若显色剂无色 用试样溶液作参比 ii 若显色剂有色 用待测组分掩蔽后加显色剂的溶液作参比 总之 参比液的选择原则 使试液的吸光度真正反映待测物的浓度 4ultravioletspectrometerP329 1 LightsourceDeuteriumandhydrogenlampsWfilamentlampXearclamps2 Monochromator与原子吸收光度仪不同 在UV Vis光度计中 单色器通常置于吸收池的前面 可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解 3 SamplecontainersCuvettesPlasticGlassQuartz4 Detectors 硒光电池 PMT PDA 光源 单色器 样品室 检测器 显示 4 1generalprocess 1 2 3 双波长分光度计 这表明 试样溶液浓度与两个波长处的吸光度差成正比 图双波长分光光度计原理图 5 RelationshipbetweenmolecularstructureandUV 5 1UVofOrganicCompoundsP348Saturatedhydrocarboncompounds transitionvacuumultravioletregionmethane 125nm ethane 135nm Forthesubstitutedderivatives suchashalohydrocarbon transitionwillbeoccurredandthecorrespondingwavelengthwillbered shift Thus hydrocarbonandhalohydrocarbonaretheperfectsolventsinUV 2 Thesimplestunsaturatedcompounds trasnsitionvacuumultravioletregion Ethylene 165nmIfauxochromesisintroducedintothedoublebandofalkene whatwillbehappenedandwhy 3 conjugateddienes 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 共轭双键愈多 红移愈显著 甚至产生颜色 在共轭体系中 跃迁产生的吸收带为 HOMOLVMO max 伍德沃德 菲泽规则 Woodward fieser Heteroannular transoid Homoannular cisoid Example1 Example2 Example3 Thestructureofunknowncompoundcanbeconfirmedbythecalculationof max dehydrationreaction实测 max 242nm 计算 I max 217 5 3 232nm max 217 5 4 5 l 242nm 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 max 100 醛 酮 羧酸及羧酸的衍生物 如酯 酰胺等 都含有羰基 由于结构上的差异 因此它们n 吸收带的光区稍有不同 4 carbonylcompounds SaturatedAldehydesandKetones275 295nm weakRband 20 Y H Rn 180 190nm 150 160nmn 275 295nm Y NH2 OH ORAuxochromep 共轭 K带红移 R带兰移 R带 max 205nm 10 100 UnsaturatedAldehydesandKetonesK带红移 177 250nmR带红移 290 310nm n 10 033022 5 Aromaticcompounds 184nm 68000 203 5nm 8800 254nm 250 分别对应于 图苯的紫外吸收光谱 异辛烷 i singlesubstitutedbenzenes Bband finestructuredisappeared各谱带的 max redshift max increase Ultraconjugationeffect theelectrondelocalizationeffectbetween and orbitals alsoas conjugationeffect 超共轭效应比 共轭效应弱得多 Ifthenon bondingelectronsisconjugatedbythe electronsystem whateveritiselectronwithdrawinggroupsandelectrondonatingsubstituents theredshiftofE2andBwilloccur Ifitisauxochrome theeffectisrelatedwiththeelectronwithdrawingability 推电子能力越强 影响越大 顺序为 O NH2 OCH3 OH Br Cl CH3 Ifchromophoreisintroduced duetotheconjugationofdoublebondofchromophoreandbenzoid a 在220 250nm范围内出现K带 b 苯环原有的B带发生显著的红移 c 如果发色团具有R带 还可见到红移的弱R带影响的大小与发色基团的吸电子能力有关 吸电子能力越强 影响越大 其顺序为 NO2 CHO COCH3 COOH CN COO SO2NH2 NH3 ii disubstitutedbenzeneP356 a onechromophore NO2 C O oneauxochrome 如 OH OCH3 X 对位 synergisticeffect max redshift 间位或邻位 区别很小 260nm280nm380nm280nm282 5nm b botharechromophores orbothareauxochromes 由于效应相同 两个基团不能协同 则吸收峰不超过单取代时的波长 且邻 间 对三个异构体的波长也相近 230nm260nm258nm255nm255nm iii multisubstitutedbenzenes Scott总结了芳环羰基化合物的一些规律 提出了羰基取代芳环250nm带的计算方法 取代苯吸收波长计算P357 例3基本值 246邻位环残基 3对位 OCH3 25274nm 276nm 例4基本值 246邻位环残基 3邻位 OH取代 7间位CI取代 0256nm 257nm 例5基本值 246邻位环残基 3间位 OCH3取代 7对位 OCH3取代 25281nm 278nm 5 2UVofInorganicCompounds d Mn Lb M n 1 L b 1 h 6 ThefactorsinfluenceUV visibleadsorptionspectroscopy 6 1Conjugationeffect 图1 3丁二烯分子轨道能级示意图 max redshift共轭体系越长 最大吸收越移向长波方向 6 2Ultraconjugationeffect redshift 6 3solventeffectP345 1 n transition blueshiftwiththeincreaseinsolventpolarity因为具有孤对电子对的分子能与极性溶剂发生氢键缔合 其作用强度以极性较强的基态大于极性较弱的激发态 致使基态能级的能量下降较大 而激发态能级的能量下降较小 故两个能级间的能量差值增加 2 trasnsition redshiftwiththeincreaseinthesolventpolarity因为在多数 跃迁中 激发态的极性要强于基态 极性大的 轨道与溶剂作用强 能量下降较大 而 轨道极性小 与极性溶剂作用较弱 故能量降低较小 致使 及 间能量差值变小 如下图右 图溶剂对 n 的影响 对吸收光谱精细结构影响 溶剂极性 苯环精细结构消失 Howtoselectthesolvent 1 gooddissolvingability andnoreactivitywithsolute 2 withthepermissionofsolubility thesolutionwithlesspolarityisselected 3 solventwithnoobviousadsorption 6 4pHvalueofsolvent ThechangeofpHvaluewillbringtheextensionorshortenessofconjuagetedsystem Unsaturatedacid enol hydroxybenzene aniline a 苯酚的UV光谱图 b 苯胺的UV光谱图 图溶液酸碱性对紫外光谱的影响 6 5立体结构和interconversion互变结构 顺反异构 顺式 max 280nm max 10500反式 max 295 5nm max 29000 互变异构 酮式 max 204nm烯醇式 max 245nm 7 1qualitativeanalysis 1 Comparisonwithabsorptionspectraofstandardsample 2 Comparisonwithstandardspectra 3 Combination maxwith max 7ApplicationofUV visspectrophotometry 1 StructureinformationA Noanyabsorptionspectrumintheregionof220 800nmimpliesexistenceofacyclic 脂肪族 compound amine 胺 nitrile腈 alcohol carboxylacid fluo chloro hydrocarbon withoutanycyclicconjugatedsystem andsuchgroupsasaldehyde ketone bromide iodine ect B Strongabsorptionpeakintheregionof210 250nmsuggestspossiblyconjugatedunitof2doublebonds C Strongabsorptionbandintheregionof250 350nmsuggestsconjugatedunitof3to5ofdoublelinkages D Onlysomeweakpeaksappear270 350nm Itmaybemeansthatthecompoundcontainsonlychromophore 发色团 withnon conjugatedunsharednelectrons E Middlestrongbandsaccompaniedwithfinestructureintheregionof250 300nmimplyexistenceofphenylgroup 2 Degreeofunsaturationofmolecule 定义 不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的 对 数 如 乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子 不饱和度为1 计算 若分子中仅含一 二 三 四价元素 H O N C 则可按下式进行不饱和度的计算 2 2n4 n3 n1 2n4 n3 n1分别为分子中四价 三价 一价元素数目 作用 由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键 三键 环 芳环的数目 验证谱图解析的正确性 例 C9H8O2 2 2 9 8 2 6 3 Example C10H16IRprovedtheexisitanceofdoublebond six memberedringandpropyl and max 231nm 9000 inUV vis andonlyamolecularofH2canbeaddedintheadditionreaction Howaboutthestructure A 不饱和度 3 两个双键 共轭 加一分子氢 max 231nm 可能的结构 max m