紫外光谱和荧光光谱

1、波谱分析波谱分析-UV紫外吸收光谱法紫外吸收光谱法基本原理基本原理 紫外紫外- -可见光谱是电子光谱。引起分子中电子能可见光谱是电子光谱。引起分子中电子能级的跃迁所需的光的波长范围为级的跃迁所需的光的波长范围为10-800nm10-800nm，其中，其中10-10-200nm200nm的光为远紫外光，也称真空紫外，的光为远紫外光，也称真空紫外，200-400nm200-400nm的的光为近紫外光，又称紫外光，光为近紫外光，又称紫外光，400-780nm400-780nm的光为可见的光为可见光。光。一、电子光谱的产生一、电子光谱的产生 在紫外光的照射下，物质分子中的电子能级发生在紫外光的照射下，

2、物质分子中的电子能级发生跃迁，产生电子吸收光谱。跃迁，产生电子吸收光谱。 在无外界干扰时，分子处于基态的零位振动能在无外界干扰时，分子处于基态的零位振动能级的几率最大，由电子的基态到激发态的许多振动级的几率最大，由电子的基态到激发态的许多振动（或转动）能级都可以发生电子能级跃迁，产生一（或转动）能级都可以发生电子能级跃迁，产生一系列波谱间隔对应于振动能级间隔的谱线。系列波谱间隔对应于振动能级间隔的谱线。波谱分析波谱分析-UV二、吸收光谱的表示方二、吸收光谱的表示方法法 用不同的单色光依次照射被测样品，如果某波用不同的单色光依次照射被测样品，如果某波长的光子能量正好等于被测物分子的某一能级差，长

3、的光子能量正好等于被测物分子的某一能级差，则该波长的光被吸收，透过样品后的光强减弱，产则该波长的光被吸收，透过样品后的光强减弱，产生吸收信号。生吸收信号。 另外一些波长的光不符合吸收条件，不被吸收另外一些波长的光不符合吸收条件，不被吸收，光强不变。用吸光度（或吸光系数）或透光率对，光强不变。用吸光度（或吸光系数）或透光率对波长作图得到吸收光谱。波长作图得到吸收光谱。波谱分析波谱分析-UV42021-10-16bcTA0tIIlglg 吸收的程度遵守朗伯吸收的程度遵守朗伯- -比尔定律：比尔定律： 式中：式中：A-A-吸光度；吸光度； T-T-透光率透光率 ； I It t- -透过光的强度；透

4、过光的强度； I I0 0- -入射光的强度；入射光的强度； - -摩尔吸光系数，其值越大，表明物质对摩尔吸光系数，其值越大，表明物质对该波长的光吸收程度越大，主要与波长和被测物有关；该波长的光吸收程度越大，主要与波长和被测物有关； b-b-吸收池的厚度；吸收池的厚度； c-c-溶液的浓度。溶液的浓度。波谱分析波谱分析-UVA 作图，或作图，或 作图；或作图；或T 作图。作图。肩峰：吸收曲线在下降或上升处有停顿。肩峰：吸收曲线在下降或上升处有停顿。末端吸收：吸收曲线随波长变短而强度增大，直末端吸收：吸收曲线随波长变短而强度增大，直至仪器测量极限，即在仪器极限处的吸收。至仪器测量极限，即在仪器极

5、限处的吸收。图中吸光度最高点对应的波长称为最大吸收波长图中吸光度最高点对应的波长称为最大吸收波长max波谱分析波谱分析-UV三、电子跃迁的类型三、电子跃迁的类型 有机化合物的紫外有机化合物的紫外可见吸收光谱，是其分子可见吸收光谱，是其分子中外层价电子跃迁的结果。价电子分为中外层价电子跃迁的结果。价电子分为电子、电子、电电子、子、n电子电子 分子轨道理论分子轨道理论：一一个成键轨道必定有一个成键轨道必定有一个相应的反键轨道。个相应的反键轨道。通常外层电子均处于通常外层电子均处于分子轨道的基态，即分子轨道的基态，即成键轨道或非键轨道成键轨道或非键轨道上上。波谱分析波谱分析-UV72021-10-1

6、6 当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态向激发态(反键轨道反键轨道)跃迁。跃迁。 主要有四种跃迁，所需能量主要有四种跃迁，所需能量大小顺序为：大小顺序为：n n 81、跃迁跃迁 所需能量最大，所需能量最大，电子只有吸收远紫外光的能量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才能发生跃迁。饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区紫外区(吸收波长吸收波长200nm。这类跃迁在。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跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10100Lmol-1 cm-1，吸收谱带强度较弱。分

7、子中孤，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和对电子和键同时存在时发生键同时存在时发生n 跃迁。跃迁。 丙酮丙酮n跃迁的跃迁的max为为275nm max为为22 Lmol-1 cm -1（溶剂环己烷（溶剂环己烷)。四、生色团与助色团四、生色团与助色团1、生色团（、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。在紫外和可见光区产生吸收带的基团称为生色团。11 因为只有由因为只有由和和n跃迁才能产生紫外可见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，所以这类含有基团，所以这类含有键的不饱和基团

8、称为生色团。简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、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、腈基、乙炔基、腈基CN等等。2、助色团（、助色团（auxochrome)： 有一些含有有一些含有n电子的基团电子的基团(如如OH、OR、NH、NHR、X等等)，它们本身没有生色功能，它们本身没有生色功能(不能吸不能吸收收200nm的光的光)，但当它们与生色团相连时，就会发，但当它们与生色团相连时，就会发生生n共轭作用，增强生色团的生色能力共轭作用，增强生色团的生色能力波谱分析波谱分析-UV122021-10-16 使

9、吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加，使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。这样的基团称为助色团。五、红移与蓝移五、红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因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引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长波长max和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化: max向长波方向移动称为向长波方向移动称为红移红移，向短波方向移动称为向短波方向移动称为蓝移蓝移 (或紫移或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数。吸收强度即摩尔吸光系数增大或增大或减小的现象分别称为增色效应或减减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。色效应，如图所示。13紫外

10、紫外-可见分光光度计可见分光光度计14基本组成基本组成光源光源单色器单色器样品室样品室检测器检测器显示显示一、光源一、光源 在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光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、较长的谱，具有足够的辐射强度、较好的稳定性、较长的使用寿命。使用寿命。波谱分析波谱分析-UV152021-10-16 可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在3202500nm。 紫外区：氢、氘灯。发射紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。的连续光谱。二、单色器二、单色器 将光源发射的复合光分解成单色光

11、并可从中选出一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。任波长单色光的光学系统。16三、三、 样品室样品室样品室放置各种类型的样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用两种。在紫外区须采用石英池石英池，可见区一般用可见区一般用玻璃池。玻璃池。四、四、 检测器检测器 利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的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。电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。17五、结果显示记

12、录系统五、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检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理。处理。波谱分析波谱分析-UV182021-10-16有机化合物的紫外吸收光谱特征有机化合物的紫外吸收光谱特征1、饱和化合物、饱和化合物 （1）烷烃）烷烃 饱和烷烃饱和烷烃CC，CH 只产生只产生* 跃迁，跃迁，max150 nm，在近紫外区无吸收。因而饱和烷，在近紫外区无吸收。因而饱和烷烃可用作紫外吸收测定的溶剂。烃可用作紫外吸收测定的溶剂。 如如， CH4 max=125 nm； CH3CH3 max=135 nm一、非共轭有机化合物一、非共轭有机化合物波谱分析波谱分析-

13、UV192021-10-16（2）饱和烃上）饱和烃上H被杂原子取代被杂原子取代 产生产生n* 跃迁，但强度弱，其吸收波长大跃迁，但强度弱，其吸收波长大多位于远紫外。某些化合物的多位于远紫外。某些化合物的n* 跃迁吸收在跃迁吸收在紫外区。取代杂原子数目越多，波长会越长。紫外区。取代杂原子数目越多，波长会越长。CH3Cl: n* 173 nmCH2Cl2: n* 220 nmCCl4: n* 257 nm波谱分析波谱分析-UV202021-10-16 使化合物中的使化合物中的* 跃迁吸收红移跃迁吸收红移, 但大多仍但大多仍在远紫外区。在远紫外区。CH4 : * 124 nm CH3I: * 150

14、 nm n* 258 nm 2、烯、炔及其衍生物、烯、炔及其衍生物 （1）非共轭的烯烃）非共轭的烯烃, * 跃迁，吸收峰低于跃迁，吸收峰低于190nm，在远紫外区，乙烯，在远紫外区，乙烯 175 nm，1,5-己二烯己二烯 185 nm：21 （2）烯碳上取代基数目增加，吸收波长）烯碳上取代基数目增加，吸收波长max红移。红移。 如如(CH3)2C=C(CH3)2， max=197nm。 （3）杂原子与）杂原子与C=C相连，由于杂原子有助色效应，相连，由于杂原子有助色效应，n-共轭，共轭，max红移。红移。 N、S的助色效应大于的助色效应大于O、Cl。CH2=CHCl CH2=CHOCH3 C

15、H2=CHSCH3 max 185 190 228 (nm)。波谱分析波谱分析-UV222021-10-16CCCCNR2CCSRCCORCCCl 171 211 211 201 185 (nm)。3、含杂原子的双键化合物、含杂原子的双键化合物 （1）羰基化合物）羰基化合物 含含C=的化合物，其的化合物，其*、 *的吸收峰的吸收峰在远紫外区，在远紫外区， n*的的max 为为270-300 nm，100，为弱吸收，该吸收带为为弱吸收，该吸收带为R带带。波谱分析波谱分析-UV232021-10-16（2）取代基对羰基化合物的影响）取代基对羰基化合物的影响 乙醛的乙醛的n* max 为为293 n

16、m，醛基氢被烷基取，醛基氢被烷基取代，代， max 蓝移。蓝移。 酮羰基酮羰基n*跃迁比醛基的波长短，这是由于烷跃迁比醛基的波长短，这是由于烷基的超共轭效应，基的超共轭效应，轨道能量降低，而轨道能量降低，而*轨道能量升轨道能量升高，高，n轨道能量基本不变。轨道能量基本不变。 羧酸、酯、酰胺等化合物，极性杂原子与羰基羧酸、酯、酰胺等化合物，极性杂原子与羰基相连，使相连，使n*跃迁的跃迁的max蓝移。这是由于杂原子蓝移。这是由于杂原子上的孤对电子通过共轭和诱导效应影响羰基。上的孤对电子通过共轭和诱导效应影响羰基。波谱分析波谱分析-UV242021-10-16二、共轭有机化合物的二、共轭有机化合物的

17、UV吸收吸收1、共轭烯烃及衍生物、共轭烯烃及衍生物 共轭烯烃中，由于共轭烯烃中，由于共轭，使共轭，使*跃迁所需跃迁所需的能量降低，因而的能量降低，因而max增长。增长。波谱分析波谱分析-UV252021-10-16 共轭双键中共轭双键中* 跃迁所产生的吸收带称为跃迁所产生的吸收带称为K带带，其特点是强度大（其特点是强度大（104），），max 217nm ，K带的带的max、max与共轭体系的数目、位置、取代基的种与共轭体系的数目、位置、取代基的种类有关。类有关。26酸式型体只有一个酸式型体只有一个C=O与苯环共轭，因与苯环共轭，因而只有紫外吸收。而只有紫外吸收。碱式型体整个分子是碱式型体整个

18、分子是一个大的共轭体系，一个大的共轭体系，吸收带移至可见光区。吸收带移至可见光区。OOOHOHOOOO-OHH-+27 共轭的共轭的K吸收带波长吸收带波长max可以用经验规则计算。可以用经验规则计算。波谱分析波谱分析-UV282021-10-16计算举例：计算举例：波谱分析波谱分析-UV292021-10-16 波谱分析波谱分析-UV302021-10-16当存在环张力或立体结构影响到共轭时，当存在环张力或立体结构影响到共轭时， 计算值与真实值误差较大。计算值与真实值误差较大。应用实例：应用实例：波谱分析波谱分析-UV312021-10-16【例例1】能否用能否用UV光谱区别水芹烯的两种异构体

19、？光谱区别水芹烯的两种异构体？二者的区别：二者的区别： A B烷基、环烷基取代烷基、环烷基取代 2 3环外双键环外双键 1 0同环二烯同环二烯 0 1所以所以max （A）= 214 + 25 + 5 = 229（nm） max （B）= 253 + 35 = 268（nm）CH2CH CH3CH3CH3CHCH3CH3AB32【例例2】按经验规则预测下列化合物中紫外按经验规则预测下列化合物中紫外吸收波长最长的是：（吸收波长最长的是：（ ）BADEmax （A）= 253 + 25 = 263（nm）max （B）= 217+35 + 5=237（nm）max （C）= 217+ 25 + 5

20、=232（nm）max （D）= 217+25 = 227（nm）max （E）200nm，104，K带；带；n*跃迁，则跃迁，则max300-330nm，弱吸收，弱吸收，R带。带。O ，不饱和醛、酮不饱和醛、酮K吸收带的吸收带的max也可根据经也可根据经验规则计算。验规则计算。波谱分析波谱分析-UV382021-10-16波谱分析波谱分析-UV392021-10-16波谱分析波谱分析-UV402021-10-1641【例例6】计算下列化合物的计算下列化合物的max 。（A） （B）二者的区别二者的区别 A B 、取代取代 3 2 环外双键环外双键 0 1 同环二烯同环二烯 1 0均为三个双键

21、共轭均为三个双键共轭所以所以max （A）= 215 + 318 + 39+30=338（nm） max （B）= 215 + 218 + 5+30=286（nm）波谱分析波谱分析-UV422021-10-16Omax = 215 + 30+318=299（nm）波谱分析波谱分析-UV432021-10-16 max= 184 nm ( = 60000） E1带带 max= 204 nm ( = 8800） E2带带 max= 254 nm ( = 250） B 带带三、芳香族化合物的三、芳香族化合物的UV吸收吸收1、苯及其衍生物、苯及其衍生物苯环显示三个吸收带苯环显示三个吸收带,都是起源于都

22、是起源于 *跃迁跃迁.(1) 苯苯波谱分析波谱分析-UV442021-10-16 B带是由于带是由于*跃迁和苯环的振动重叠引起，跃迁和苯环的振动重叠引起，也称为精细结构吸收带。也称为精细结构吸收带。B带是芳香族化合物的重带是芳香族化合物的重要特征吸收带。要特征吸收带。 max= 184 nm ( = 60000） E1带带 max= 204 nm ( = 8800） E2带带 max= 254 nm ( = 250） B 带带波谱分析波谱分析-UV452021-10-16（2）单取代苯）单取代苯 烷基取代苯：烷基取代苯：烷基无孤电子对，对苯环电子结构产生烷基无孤电子对，对苯环电子结构产生 很小

23、的影响。由于有超共轭效应，一般很小的影响。由于有超共轭效应，一般 导致导致 B 带、带、E2带红移。带红移。如甲苯：如甲苯：E2 208nm，B带带262nm。 助色团取代苯：助色团取代苯：助色团含有孤电子对，它能与苯环助色团含有孤电子对，它能与苯环 电子共轭。使电子共轭。使 B 带、带、E2带均移向长波带均移向长波 方向，方向，B带精细结构消失。带精细结构消失。 不同助色团的红移顺序为不同助色团的红移顺序为： N（CH3)2 O，SH NH2 OCH3OH Br，ClCH3NH3+波谱分析波谱分析-UV462021-10-16生色团取代的苯：生色团取代的苯：含有含有 键的生色团与苯环相连时，

24、键的生色团与苯环相连时， 产生产生更大的更大的 * 共轭体系，使共轭体系，使 B 带，带， E2 带产生较大的红移。带产生较大的红移。 不同生色团的红移顺序为：不同生色团的红移顺序为： NO2 Ph CHO COCH3 COOH COO ，CN SO2NH2波谱分析波谱分析-UV472021-10-161) 对位取代对位取代 两个取代基属于同类型时，两个取代基属于同类型时， max 红移值近似为红移值近似为 两者单取代时的最长两者单取代时的最长 波长波长 。 两个取代基类型不同时，两个取代基类型不同时， max 的红移值远大于两的红移值远大于两 者单取代时的红移值之和者单取代时的红移值之和 。

25、（共轭效应）。（共轭效应）2）邻位或间位取代）邻位或间位取代 两个基团产生的两个基团产生的 max 的红移值近似等于它们的红移值近似等于它们 单取代时产生的红移值之和单取代时产生的红移值之和 。(3) 双取代苯双取代苯 双取代苯的吸收波长与两个取代基的类型及相对位双取代苯的吸收波长与两个取代基的类型及相对位置有关。置有关。波谱分析波谱分析-UV482021-10-16（4)稠环芳烃稠环芳烃 稠环芳烃较苯形成更大的共轭体系，紫外吸收比稠环芳烃较苯形成更大的共轭体系，紫外吸收比苯更移向长波方向，吸收强度增大，精细结构更加明苯更移向长波方向，吸收强度增大，精细结构更加明显。显。 随着稠环数的增加，共

26、轭双键数目增多，随着稠环数的增加，共轭双键数目增多，E1、E2和和B带均红移，且吸收强度增加。带均红移，且吸收强度增加。E1可到可到200nm以上，以上，E2和和B有可能进入可见光区。有可能进入可见光区。E2带的移动幅度最大，可能带的移动幅度最大，可能淹没淹没B带。带。波谱分析波谱分析-UV 这类化合物的紫外光谱较复杂，稠环的环数愈多，共轭体系愈大，这类化合物的紫外光谱较复杂，稠环的环数愈多，共轭体系愈大，max红移愈多，甚至延伸至可见光区。如萘、蒽和并四苯的紫外光谱示于图红移愈多，甚至延伸至可见光区。如萘、蒽和并四苯的紫外光谱示于图2-6中中，谱带位置和峰形可用于稠环化合物的鉴定。，谱带位置

27、和峰形可用于稠环化合物的鉴定。环上非共轭取代基对它们的紫外光谱影响不大，若想鉴定光谱中的环上非共轭取代基对它们的紫外光谱影响不大，若想鉴定光谱中的每条吸收带是困难的，最好是通过与标准谱图对比来鉴定稠环化合每条吸收带是困难的，最好是通过与标准谱图对比来鉴定稠环化合物的类型。物的类型。波谱分析波谱分析-UV502021-10-16四、四、 影响影响UV光谱的因素光谱的因素 影响影响UV吸收光谱的因素比较多，有溶剂、空间结构、取吸收光谱的因素比较多，有溶剂、空间结构、取代基等。代基等。1、溶剂的影响、溶剂的影响 UV常用的溶剂：烷烃（己烷、庚烷、环己常用的溶剂：烷烃（己烷、庚烷、环己烷）、烷）、 H

28、2O、甲醇、乙醇等。、甲醇、乙醇等。UV测定非极性化合测定非极性化合物多用环己烷作溶剂，而测定极性化合物多用物多用环己烷作溶剂，而测定极性化合物多用 H2O、甲醇、乙醇作溶剂。、甲醇、乙醇作溶剂。51 (1) 当溶剂的极性增加时，吸收峰的精细结构变得当溶剂的极性增加时，吸收峰的精细结构变得不明显，甚至消失。如：不明显，甚至消失。如：52 (2) 溶剂的极性不同还会使溶剂的极性不同还会使max发生改变；发生改变；因为轨道的极性大小顺序为：因为轨道的极性大小顺序为： n*非极性溶剂非极性溶剂极性溶剂的溶剂化效应极性溶剂的溶剂化效应53E2BPh-OHPh-O-210(6200)235(9400)2

29、70(1450)287(2600)Ph-NH2Ph-NH3+230(8600)203(7500)280(1430)254(169) (3) 当被测物具有酸性或碱性基团时，溶剂的当被测物具有酸性或碱性基团时，溶剂的pH对对吸收光谱影响较大。吸收光谱影响较大。波谱分析波谱分析-UV542021-10-162、空间结构的影响、空间结构的影响 (1)空间位阻对空间位阻对max的影响的影响 生色团的平面性越好，共轭程度越大，生色团的平面性越好，共轭程度越大，max会越长。会越长。max 247 253 237 231nm 直立键直立键 max 平伏键平伏键 max 波谱分析波谱分析-UV552021-1

30、0-16 （2）顺反异构对）顺反异构对max的影响的影响 反式异构体电子离域范围较大，键的张力较小，反式异构体电子离域范围较大，键的张力较小，*跃迁的跃迁的max会较长。例如肉桂酸的两种异构体会较长。例如肉桂酸的两种异构体HHCOOHHHCOOHmax 295 280nm反式反式 max 顺式顺式 max 波谱分析波谱分析-UV562021-10-16（3） 跨环效应跨环效应 指非共轭基团之间的相互作用。指非共轭基团之间的相互作用。 使共轭范围有所扩大，使共轭范围有所扩大，max max 发生红移。发生红移。波谱分析波谱分析-UV572021-10-16五、五、 紫外光谱解析及应用紫外光谱解析及应用v（1 1）化合物在）化合物在 220 - 800nm 220 - 800nm 内无紫外吸收，说明该化合内无紫外吸收，说明该化合 物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物（氯化物、醇、物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物（氯化物、醇、醚、羧酸等），甚至可能是非共轭的烯。醚、羧酸等），甚至可能是非共轭的烯。v（2 2）220-250nm220-2