紫外光谱法(UV)基本原理和应用

1、紫外光谱法(UV)基本原理和应用2.1 紫外光谱的基本原理紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。 分子中价电子经紫外或可见光照射时，电子从低能级跃迁到高能级，此时电子就吸收了相应波长的光，这样产生的吸收光谱叫紫外光谱。 紫外吸收光谱的波长范围是100-400nm(纳米), 其中100-200nm 为远紫外区（这种波长的光能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行研究，故这个区域的吸收光谱称真空紫外），200-400nm为近紫外区, 一般的紫外光谱是指近紫外区。波长在400800nm范围的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200800nm（

2、或2001000nm）1. 价电子的类型一、有机分子中价电子及电子跃迁的类型 在有机化合物中的价电子，根据在分子中成键电子的种类不同可分为3种： （1）形成单键的电子 （2）形成不饱和键的电子 （3）氧、氮、硫、卤素等杂原子上的未成键的n电子 2. 有机分子电子跃迁的类型 根据分子轨道理论，当两个原子结合成分子时，两个原子的原子轨道线性组合成两个分子轨道，其中一个具有较低的能量叫做成键轨道，另一个具有较高的能量叫做反键轨道。（见教材P8图1-10） 电子通常在成键轨道上，当分子吸收能量后可以激发到反键轨道上 跃迁的类型有： *, n *, *,n *。各类电子跃迁的能量大小见上图 根据光谱资料

3、和分子结构理论的分析，各种电子能级的能量高低的顺序为：n*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。3.红移（red shift）： 也称向长波移动（bathochromic shift），当有机物 的结构发生变化（如取代基的变更）或受到溶剂效应的影响时，其吸 收带的最大吸收波长（max）向长波方向移动的效应。 4.蓝移（blue shift）： 也称向短波移动（hypsochromic shift），与红移相 反的效应，即由于某些因素的影响使得吸收带的最大吸收波长（max） 向短波方向移

4、动的效应。 5.增色效应（hyperchromic effect）： 或称浓色效应，使吸收带的吸收强 度增加的效应。 6.减色效应（hypochromic effect）： 或称浅色效应，使吸收带的吸收强度 减小的效应。 7.强带：在紫外光谱中，凡摩尔吸光系数大于104的吸收带称为强带。产 生这种吸收带的电子跃迁往往是允许跃迁。 8.弱带：凡摩尔吸光系数小于1000的吸收带称为弱带。产生这种吸收带 的电子跃迁往往是禁阻跃迁。 9.末端吸收（end absorption）： 指吸收曲线随波长变短而强度增大，直至 仪器测量极限（190nm），在仪器极限处测出的吸收为末端吸收。 10.肩峰：指吸收曲

5、线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加或降低的 峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。 11.几种吸收带 （1）K带： 当分子中两个或两个以上双键共轭时，*跃迁能量降低， 吸收波长红移，共轭烯烃分子如1，3-丁二烯的这类吸收在光谱学 上称为K带（取自德文：共轭谱带，konjuierte）。K带出现的区域 为210250nm，max104（lgmax4），随着共轭链的增长，吸 收峰红移，并且 吸收强度增加。共轭烯烃的K带不受溶剂极性的影 响，而不饱和醛酮的K带 吸收随溶剂极性的增大而红移。 （2）B带和E带 ： 芳香族化合物的*跃迁，在光谱学上称为B带（benzenoid band，苯型谱带）和E带（e

6、thylenic band，乙烯型谱带），是芳香族化合物的特征吸收。所谓E带指在封闭的共轭的体系中（如芳环），因*跃迁所产生的较强或强的吸收谱带，E带又分为E1和E2带，两者的强度不同，E1带的摩尔吸光系数大于104 (lg4)，吸收出现在184nm；而E2带的摩尔吸光系数约为103，吸收峰在204nm。两种跃迁均为允许跃迁。B带指在共轭的封闭体系（芳烃）中，由*跃迁产生的强度较弱的吸收谱带，苯B带的摩尔吸光系数约为200，吸收峰出现在230270nm之间，中心在256nm,在非极性溶剂中芳烃的B带为一具有精细结构的宽峰，但在极性溶剂中精细结构消失。当苯环上有发色基团取代并和苯环共轭时，E带和

7、B带均发生红移，此时的E2带又称为K带。（详见教材P21-22）max184nm(max =47000)max204nm(max =7400)max256nm(max =200)（3）R带： 指连有杂原子的不饱和化合物（如羰基、碳氮双键等）中杂原子上的n电子跃迁到*轨道，这种跃迁在光谱学上称为R带（取自德文：基团型，radikalartig），跃迁所需能量比n*的小，一般在近紫外或可见光区有吸收，其特点是在270350nm之间，值较小，通常在100以内，为弱带，该跃迁为禁阻跃迁。随着溶剂极性的增加，吸收波长向短波方向移动（蓝移）。 2.2 非共轭有机化合物的紫外吸收一、 饱和化合物含杂原子的饱

8、和化合物： *、 n*，吸收弱， 只有部分有机化合物（如C-Br、C-I、C-NH2） 的n*跃迁有紫外吸收。 饱和烷烃：*，能级差很大，紫外吸收的波 长很短，属远紫外范围。 例如：甲烷 125nm，乙烷135nm 同一碳原子上杂原子数目愈多， max愈向长波移动。 例如：CH3Cl 173nm， CH2Cl2 220nm， CHCl3 237nm ， CCl4 257nm 小结：一般的饱和有机化合物在近紫外区无吸收， 不能将紫外吸收用于鉴定； 反之，它们在近紫外区对紫外线是透明的， 所以可用作紫外测定的良好溶剂。二、 烯、炔及其衍生物 非共轭 *跃迁， max位于190nm以下的远紫外区。

9、例如：乙烯 165nm（ 15000），乙炔 173nm CC与杂原子O、N、S、Cl相连，由于杂原子的助色效应， max红移。 小结：CC，CC虽为生色团，但若不与强的 助色团N，S相连， *跃迁仍位于远 紫外区。三、 含杂原子的双键化合物1.含不饱和杂原子基团的紫外吸收 （如下页表所示） *、 n* 、 *属于远紫外吸收 n *跃迁为禁阻跃迁，弱吸收带R带2.取代基对羰基化合物的影响 当醛、酮被羟基、胺基等取代变成酸、酯、酰胺时， 由于共轭效应和诱导效应影响羰基，max蓝移。3.硫羰基化合物 R2C=S 较 R2C=O 同系物中n *跃迁max红移。一、 共轭烯烃及其衍生物2.3 共轭有机

10、化合物的紫外吸收 共轭体系的形成使吸收移向长波方向，且共轭体系越长，其最大吸收越移往长波方向，且出现多条谱带。 共轭烯烃的 *跃迁均为强吸收带， 10000，称为K带。二、 ，不饱和羰基化合物 ，不饱和羰基化合物中的价电子有 n * 和 * 两种跃迁方式，其中 n * 跃迁所需的能量最低，吸收波长一般在320nm左右，但是 由于 n * 跃迁是禁阻跃迁，其 max 值小于100，而 * 跃迁的吸收波长在220260nm，其 max 值为10000左右，为强吸收。芳香族化合物的紫外吸收一、 苯及其衍生物的紫外吸收1.苯 max= 255 nm ( = 250） B带，吸收较弱，该吸收带呈现明显的

11、精细 结构，一般为六重峰，是苯环紫外吸收的 重要吸收带，所以又称苯型带。受溶剂的 影响很大。 苯环显示三个吸收带,都是起源于 *跃迁。见教材P21图118（c）max= 184 nm ( = 60000） E1带，强吸收，落在远紫外区，一般仪器 检测不到；max= 204 nm ( = 7900） E2带，强吸收，较重要；2.一元取代苯的紫外光谱 苯环上有一元取代基时，一般B带的精细结构消失，并且各谱带的max发生红移， max值通常增大。烷基取代苯：烷基无孤电子对，对苯环电子结构产生很小的影响。由 于有超共轭效应，一般导致 B 带、E2带红移。助色团取代苯：助色团含有孤电子对，它能与苯环 电

12、子共轭。使 B 带、E 带均移向长波方向。 不同助色团的红移顺序为： N（CH3)2 NHCOCH3 O，SH NH2 OCH3OH BrClCH3NH3+生色团取代的苯：含有 键的生色团与苯环相连时，产生更大的 * 共轭体系，使B 带 E 带产生较大的红移，吸收强度增加。 不同生色团的红移顺序为： NO2 Ph CHO COCH3 COOH COO 、CN SO2NH2 ( NH3+)应用实例：酚酞指示剂3. 二元取代苯的紫外光谱 苯的二元取代物的紫外光谱与两个取代基的性质以及它们在苯环上取代的位置有关。（1）对位二取代两个取代基属于同类型时， E2带发生红移，红移大小由红移效 应强的基团决

13、定。两个取代基类型不同时， max 的红移值远大于两者单取代时的 红移值之和 。（共轭效应）（2）邻位或间位二取代 两个基团产生的 max 的红移值近似等于它们单取代时产生的红移值之和 。 对于一些特殊的二元取代苯，可以用斯科特（Scott）规则来估算该类型化合物的E2带的 max ，详见教材P2425。4. 多环芳烃化合物的紫外光谱（1）联苯类 二联苯中，因两个苯环处在同一个平面上，扩展了共轭系统，形成了新的发色系统，使苯的E2带发生红移，并且 max 增大，其尾部常常盖住了苯的B带。对位相连的三联苯和四联苯中，也因共轭体系的扩展使E2带更向红移。邻位三联苯中，由于空间位阻的影响，只有两个苯

14、环处在同一个平面上，所以它的紫外光谱与二联苯相近，而与对位三联苯不同。（2）.稠环芳烃5. 杂环化合物，只有不饱和的杂环化合物在近紫外区才会有吸收。 五元杂芳环按照呋喃、吡咯、噻吩的顺序增强芳香性，其紫外吸收也按此顺序逐渐接近苯的吸收。 呋喃：204 nm （ 6500）， 吡咯： 211nm （ 15000） 噻吩： 231nm （ 7400）a.线性系统，例如萘、蒽等。 这个系列的化合物也具有类似苯的三个吸收带。随着苯环数目的增加，各吸收带向红移动。当苯环数增加到一定时，吸收带可达可见光区，因而产生颜色。b.非线性系统，例如菲、芘等。 它们的紫外光谱同时受分子骨架和环数目两个因素的影响，因

15、而比较复杂。详见教材P26表110。2.5 影响紫外光谱的因素1. 紫外吸收曲线的形状及影响因素紫外吸收带通常是宽带。影响吸收带形状的因素有：被测化合物的结构、测定的状态、测定的温度、溶剂的极性。2. 吸收强度及影响因素1 能差因素：能差小，跃迁几率大2 空间位置因素：处在相同的空间区域跃迁几率大3. 吸收位置（吸收波长）及影响因素（1）共轭体系 共轭体系的形成使紫外光谱的吸收红移，而且共轭体系越长，红移越明显，同时，随着吸收的红移，吸收强度也增大。*共轭引起的吸收带红移 （2）超共轭效应 当烷基与共轭体系相连时，可以使波长产生少量红移。这是因为烷基的CH的电子与共轭体系的电子云发生一定程度的

16、重叠，产生超共轭效应，其结果是使电子的活动范围增大，使吸收向长波方向移动。 （3）溶剂效应 在n*跃迁中：溶剂极性增加，吸收带蓝移。 这是因为： 从上面C=O（羰基）键的电子云分布可以知道，相对于激发态*轨道来说，基态时氧原子上的n电子处于定域状态，更为集中，使得羰基的极性较为明显，因此，在n*跃迁中，基态的极性比激发态更强一些。 而在极性溶剂中，化合物与溶剂静电的相互作用或氢键作用都可使基态或激发态趋于稳定，但是极性大的稳定作用更强一些，因此极性大的溶剂对基态n电子的影响更大一些，随着溶剂极性的增大，基态和激发态之间的能量差增加，使吸收带蓝移，如下图所示：在*跃迁中：溶剂极性大，吸收波长长，

17、即在极性溶剂 中较在非极性溶剂中红移。 这是因为： 在*跃迁中，基态时电子主要集中在碳氧之间，使得基态的极性弱于激发态。 溶剂除了影响吸收带位置以外，对吸收带的精细结构也有明显的影响（详见教材P12）。 在测定化合物的紫外光谱时，选择溶剂的一般原则是溶剂对试样有良好的溶解性和选择性；在测量波长溶剂无明显吸收；待测组分在溶剂中有一定的吸收峰形；溶剂挥发性小、不易燃、无毒性、价格便宜；所选用的溶剂不与待测组分发生化学反应。 由于溶剂对基态、激发态与n态的作用不同，对吸收波长的影响也不同，因此，在记录吸收波长时，需写明所用的溶剂。 苯酚的B吸收带，在非极性溶剂中精细结构比较清楚，在极性溶剂中精细结构

18、消失。（4）立体效应 立体效应是指因空间位阻、构象、跨环共轭等影响因素导致吸收光谱的红移或蓝移，立体效应常常伴随增色或减色效应。 a.空间位阻的影响 空间位阻妨碍分子内共轭的发色基团处于同一平面，使共轭效应减小或消失，从而影响吸收带波长的位置。如果空间位阻使共轭效应减小，则吸收峰发生蓝移，吸收强度降低；如果位阻完全破坏了发色基团间的共轭效应，则只能观察到单个发色基团各自的吸收谱带。如下面三个二酮，除n*跃迁产生的吸收带（275nm）外，存在一个由羰基间相互作用引起的弱吸收带，该吸收带的波长位置与羰基间的二面角（）有关，因为二面角的大小影响了两个羰基之间的有效共轭的程度。当越接近于0或180时，

19、两个羰基双键越接近处于共平面，吸收波长越长；当越接近90时，双键的共平面性越差，波长越短。 另外，苯环上取代有发色基团或助色基团时，如果2位或2，6位有另外的取代基，取代基的空间位阻削弱了发色基团或助色基团与苯环间的有效共轭，值将减小，这种现象又称为邻位效应。 b. 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 c.构象 直立键 max 平伏键 max -卤代环己酮中，当卤素处在直立键时较处在平伏键吸收波长长，这是由于卤素处于直立键时易于羰基发生共轭，即：d.跨环效应 跨环效应指两个发色基团虽不共轭，但由于空间的排列，使它的电子云仍能相互影响，使max和m

20、ax改变。如下列两个化合物，化合物1的两个双键虽然不共轭，由于在环状结构中，C=C双键的电子与羰基的电子有部分重叠，羰基的n*跃迁吸收发生红移，吸收强度也增加。（5）pH对紫外光谱的影响 pH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。 如果化合物溶液从中性变为碱性时，吸收峰发生红移，表明该化合物为酸性物质； 如果化合物溶液从中性变为酸性时，吸收峰发生蓝移，表明化合物可能为芳胺。 例如，在碱性溶液中，苯酚以苯氧负离子形式存在，助色效应增强，吸收波长红移，而苯胺在酸性溶液中，NH2以NH3+存在，p共轭消失，吸收波长蓝移

21、。 又如酚酞在酸性介质中，分子中只有一个苯环和羰基形成共轭体系，吸收峰位于紫外区，为无色；在碱性介质中，整个酚酞阴离子构成一个大的共轭体系，其吸收峰红移到可见光区，为红色。pH对光谱的影响pH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。苯酚、苯胺在酸碱性溶液中的吸收光谱波长（nm）波长（nm）吸光度吸光度中性碱性中性酸性紫外光谱仪 紫外光谱仪一般又称为紫外分光光度计。仪器：紫外-可见分光光度计波长范围：200-1000nm一、基本组成光源单色器吸收池检测器显示器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：

22、钨灯作为光源，其辐射波长范围在3501000 nm。紫外区：氢、氘灯。发射180360 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。棱镜和光栅是单色器的主要部件。3.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.检测器检测器的功能是检测光强度，并将光强度转变为电讯号。对检测器的基本要求是：灵敏度高；对光的响应时间短；对不同波长的光具有相同的响应可靠性；噪声水平低；有良好的稳定性等。常用的检测器有：光电池；光电管；光电倍增管等。5.显示器（测量信号显示系统） 对不同型号的分光光度计，记录装置有所不同，可以是电表

23、指示 或图表指示，也可以是数字显示等。近年来，在分光光度计上应用了微处理机，从而提高了仪器的精度、灵敏度和稳定性。二、仪器的类型1.单光束分光光度计单色器吸收池接受器 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，定量分析，一般不能定性分析。2.双光束分光光度计 经过单色器的光被斩光器一分为二，一束通过参比溶液，一束通过样品溶液。可快速全波段扫描。 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3.双波长分光光度计 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。无需参比池。= 12nm。两波长同时扫描得到

24、吸光度差A，根据A =(12)Lc进行定量分析 。可测定高浓度试样，多组分混合试样以及混浊试样。紫外吸收光谱的应用 紫外光谱在有机化学中最主要的用途是测定分子结构等的定性分析和利用紫外分光光度法进行有机物成分的定量分析。一、 定性分析 吸收光谱的形状、吸收峰的数目及最大吸收波长的位置和相应的摩尔吸收系数是定性鉴定的依据。 采用比较光谱法：在相同的测定条件下，比较待测物与已知标准物质的吸收光谱曲线，如果它们的吸收光谱曲线的max ， max都相同，则可认为是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图根据紫外可见吸收光谱推测化合物所含的官能团1.结构分析220-800nm 无吸

25、收峰。说明不含共轭双键系统和不含有杂原子的发色 团，可能是饱和化合物和孤立的烯烃和炔烃等。. 250-350 nm仅有一弱吸收峰（=10-200），可能是带n电子的未共轭 发色团（羰基，硝基，-N=N等）的n* 跃迁产生的R 带。250-300nm 有中等强度的吸收峰（=200-2000），芳香环的特征吸收 （具有精细结构的B带）。210-250 nm有强吸收峰（104），表明含有两个双键的共轭体系（K） 带。共轭二烯：K带（230 nm）； 不饱和醛酮：K带230 nm ，R带310-330 nm. 260nm350 nm有强吸收峰，含有35个双键的共轭体系。 2. 利用紫外可见光谱判别有机

26、化合物的同分异构体a. 互变异构酮式： max=206 nm；无共轭双键（极性溶剂中以酮式为主）烯醇式：max=245 nm；有共轭双键 （非极性溶剂中以烯醇式为主）b.顺反异构顺反异构体的max 、 不同，可用紫外可见光谱判断顺式或反式构型。二、定量分析依据：朗伯-比耳定律物质在一定波长处的吸光度与它们的浓度呈线性关系。 吸光度： A= b c 透光度：-lgT = b c 紫外可见分光光度法可用于测定微量组分、常量组分和多组分混合物的测定。1. 单组分物质的定量分析 （2）标准曲线法 配制一系列已知浓度的标准溶液，在max处分别测得标准溶液的A，然后作出A-c校正曲线图，在完全相同的条件下

27、测出样品溶液的吸光度，从曲线上求得相应的样品溶液的浓度。（1）比较法相同条件下配制样品溶液和标准溶液（与待测组分的浓度近似），在相同的实验条件和最大波长max处分别测得吸光度为Ax和As，然后进行比较， Cx =Cs （Ax / As） 2.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。Aa+b1= a1Lca b1Lcb Aa+b2= a2Lca b2Lcb 若各组分的吸收曲线单向重叠，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。

28、Aa+b1= a1Lca b1Lcb Ab2= b2Lcb 3.双波长分光光度法进行定量分析不需空白溶液作参比；但需要两个单色器获得两束单色光(1和2)；以参比波长1处的吸光度A1作为参比，来消除干扰。在分析混浊、背景吸收较大、干扰较多、颜色较深的复杂试样时显示出很大的优越性。灵敏度、选择性、测量精密度等方面都比单波长法有所提高。双波长分光光度法进行定量分析依据开始调节仪器，使1和2光强相等I0，根据朗伯-比耳定律： A 1=lg I0/ I1= 1 L c+AS A 2=lg I0/ I2= 2 L c+AS A = A 1 A 2=(12)Lc表明：试样溶液对波长1和2吸光度的差值A 与待测 物浓度成正比。AS ：背景吸收测定组分X和Y混合样品时，选定的波长1和2处干扰组分应具有相同吸光度： 设x为待测组分，y为干扰组分，二者的吸光度差分别为: Ax和Ay，则该体系的总吸光度差Ax+y为： Ax+y = Ax + Ay 即： Ay = A y1 A y2 = 0 故： Ax+y = A x=(x1 x2)Lcx 此时：测得的吸光度差A只与待测组分x的浓度呈线性关系，而与干扰组分y无关。若x为干扰组分，则也可用同样的方法测定y组分。在选定的两个波长1和2处待测组分的吸光度应具有