第5章-紫外可见光谱分析法课件

第五章

紫外可见吸收光谱分析法一、紫外吸收光谱的产生FormationofUV二、有机物紫外吸收光谱Ultravioletspectrometryoforganiccompounds三、金属配合物的紫外吸收光谱Ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds第一节紫外吸收光谱分析基本原理Ultravioletspectrometry,UVPrinciplesofUV2023/12/5特点：1.灵敏度高

待测物质的含量10-7—10-4g/mL时，能够用分光光度法准确测定。所以它主要用于测定微量组分。

2.准确度较高相对误差在1%-5%3.仪器价格较低，操作简便、快速4.应用广泛

几乎所有的无机离子和许多有机化合物可以用分光光度法进行测定。如土壤中的氮、磷以及植物灰、动物体液中各种微量元素的测定。2023/12/5一、紫外吸收光谱的产生

FormationofUV

1.概述紫外可见吸收光谱：分子价电子能级跃迁。波长范围：100-800nm。(1)远紫外光区:

100-200nm(2)近紫外光区:

200-400nm(3)可见光区:400-800nm

可用于结构鉴定和定量分析。

2023/12/52.物质对光的选择性吸收及吸收曲线M+热M+荧光或磷光吸收曲线与最大吸收波长

max：用不同波长的单色光照射，测吸光度。M+

h

→M*基态激发态E1

（△E）E2

E=E2-E1=h

量子化；选择性吸收2023/12/5吸收曲线的讨论：①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λmax②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。③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。2023/12/5④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λmax处吸光度A的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。⑤在λmax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。2023/12/53.电子跃迁与分子吸收光谱3.1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）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。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：电子能量Ee、振动能量Ev、转动能量Er即:E＝Ee+Ev+Er

ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr2023/12/53.2能级跃迁

通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一振动（或不同的转动）能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带，这就是为什么分子的紫外、可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱的原因。又因为绝大多数的分子光谱分析，都是用液体样品，加之仪器的分辨率有限，因而使记录所得电子光谱的谱带变宽。2023/12/53.3分子吸收光谱（1）远红外光谱或分子转动光谱

转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，产生此能级的跃迁，需吸收波长约为250~25

m的远红外光,吸收光谱位于远红外区。形成的光谱称为远红外光谱或分子转动光谱。2023/12/5（2）振-转光谱（红外光谱）

分子的振动能级差一般在0.05~1eV，需吸收波长约为25~1.25

m的红外光才能产生跃迁。在分子振动时同时有分子的转动运动。这样，分子振动产生的吸收光谱中，包括转动光谱，故常称为振-转光谱。由于它吸收的能量处于红外区，故又称红外光谱。2023/12/5（3）电子光谱（紫外、可见吸收光谱）电子的跃迁能差约为1~20eV，比分子振动能级差要大几十倍，所吸收光的波长约为12.5~0.06

m，主要在真空紫外到可见光区，对应形成的光谱，称为电子光谱或紫外、可见吸收光谱2023/12/5二、有机物吸收光谱与电子跃迁

Ultravioletspectrometryoforganiccompounds1．紫外—可见吸收光谱

有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。分子轨道理论：成键轨道，反键轨道，非键轨道。

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ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊。sp

*s*RKE,BnpECOHnpsH2023/12/51.1跃迁类型（1）*跃迁

它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃中的—c—c—键属于这类跃迁。（2）n

*跃迁实现这类跃迁所需要的能量较高，吸收波长为150～250nm，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→σ*跃迁。sp

*s*RKE,BnpE2023/12/5（3）

*跃迁

它需要的能量低于

*跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右，其特征是摩尔吸光系数大，一般

max

104，为强吸收带。（4）n

*跃迁

这类跃迁发生在近紫外光区,一般>200nm

。它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道跃迁。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。sp

*s*RKE,BnpE2023/12/51.2常用术语（1）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。具有不饱和键π电子的基团，产生π→π*跃迁，和孤对电子产生n→π＊跃迁，跃迁ΔE较低。如：乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。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。2023/12/5

分子中：C为sp2杂化，分别与C、H形成σ键，故分子在同一平面内，四个碳原子各余下一个p轨道，这几个p轨道都垂直于此平面，互相平行，互相重叠，形成一个离域的大π键，四个p电子不仅在两原子间运动，而是在四个原子间运动。这样的共轭也叫做π—π共轭。2023/12/5下面为某些常见生色团的吸收光谱：2023/12/5（2）助色团

有一些含有n电子（非键电子or孤对电子）的单键基团（如-OH、－OR、－NHR、－SH、－Cl、－I等），它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生p—π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）强带和弱带

εmax>105→强带

εmax<103→弱带2023/12/5（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λmax和吸收强度发生变化：λmax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)。（5）增色效应和减色效应

——波长不变

增色效应：吸收强度增强的效应

减色效应：吸收强度减小的效应2023/12/5CCH3On→p*

;

R带R带：由含杂原子的不饱和基团的n→π*跃迁产生。C＝O；C＝N；—N＝N—E小，λmax250~400nmεmax<100溶剂极性↑，λmax↓→蓝移（短移）（6）K带、R带、B带、E带2023/12/5b.K带：由共轭双键的π→π*跃迁产生，(—CH＝CH—)n，—CH＝C—CO—λmax>200nm，εmax>104共轭体系增长，λmax↑→红移，εmax↑溶剂极性↑，对于—(—CH＝CH—)n—λmax不变对于—CH＝C—CO—λmax↑→红移2023/12/5B带：由π→π*跃迁产生。芳香族化合物的主要特征吸收带。λmax=254nm，宽带，吸收峰230~270nm，具有精细结构。εmax=2002023/12/5

极性溶剂中，或苯环连有取代基，其精细结构消失。2023/12/52023/12/5

E带：由苯环环形共轭系统的π→π*跃迁产生。芳香族化合物的特征吸收带。E1180nm，εmax>104

（常观察不到）E2200nm，εmax=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）。2023/12/51.3各种常见有机化合物紫外-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，处于真空紫外区。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

*。其相应的吸收波长发生红移。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。2023/12/5（2）不饱和烃及共轭烯烃(A)非共轭不饱和烯烃

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左右。

C=C

发色基团，但

→

*200nm。

max=177nm助色基团取代

*

发生红移2023/12/5177nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLVMO)

max

（B）共轭烯烃

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，

*跃迁产生的吸收带又称为K带。

K带——共轭非封闭体系的

*跃迁2023/12/52023/12/5

基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值。母体基本值：（a）异环二烯/无环二烯

基=217nm

（b）同环二烯

基=253nm计算共轭烯烃

—*跃迁最大吸收峰位置的经验规则。

max=

基+

ni

i

伍德沃德——菲泽

规则(Woodward—fieser)：2023/12/5

ni

I:由双键上取代基种类和个数决定的校正项（1）每延长一个共轭双键+30nm（2）环外双键+5nm（3）增加一个烷基（-R）+5nm（4）增加一个环残基+5nm（5）酰基（-OCOR）0（6）烷氧基（-OR）+6nm（7）-SR+30nm（8）卤素（-Cl，-Br）+5nm（9）-NR2+60nm2023/12/5（3）羰基化合物①Y=H,R

n→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm

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，R带吸收较弱（εmax<100）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。2023/12/5②Y=

-NH2,-OH,-OR

等助色基团，这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生p

共轭K带红移，R带兰移；R带

max=205nm；

10-100K

K

R

R

n

n

177nm

n

③

不饱和醛酮K带红移：177

250nmR

带红移：290

310nm

2023/12/5（4）苯及其衍生物苯：苯环上三个共扼双键的

→*跃迁特征吸收带：

E1带180

184nm：

=47000E2带200

204nm：

=7000

B带230-270nm：

=200

B带：

→

*与苯环振动能级跃迁叠加引起，也称精细结构吸收带。

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，B带简化，红移。

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯2723002023/12/5乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共轭：K带强；苯的E2带与K带合并，红移；取代基使B带简化；氧上的孤对电子：R带红移，跃迁禁阻，弱。CCH3On→p*

;

R带p

→p*

;

K带2023/12/5苯环上助色基团对吸收带的影响：2023/12/5苯环上生色基团对吸收带的影响：2023/12/52.影响紫外-可见吸收光谱的因素（1）共轭效应CH2=CH2

171nm10000CH2=CH-CH=CH2217nm21000CH2=CH-CH=CH-CH=CH2

258nm34000化合物

λmax(nm)

εmax

电子共轭体系增大，红移，增大。2023/12/5空间阻碍使共轭体系破坏，λmax蓝移，εmax

减小。R=R'=Hλmax=294nm,εmax=27600

R=H,R'=CH3,

λmax=272nm,εmax=21000

2023/12/5（2）溶剂效应指溶剂极性对紫外可见吸收光谱的影响。紫外吸收光谱中常用己烷、庚烷、环己烷、二氧杂己烷、水、乙醇等作溶剂。有些溶剂，特别是极性溶剂对溶质吸收峰的波长、强度及形状可能产生影响，这种现象称溶剂效应。a.溶剂极性对吸收光谱精细结构的影响由于溶剂化作用，溶质分子被溶剂分子包围，限制了溶质分子的自由转动，因而使转动光谱表现不出来。溶剂极性越大，溶剂分子与溶质分子的作用越强，溶质分子的振动也越受到限制，因而由振动引起的精细结构也损失越多。气态溶剂：环己烷溶剂：水对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱2023/12/5

n

p

非极性极性

n>

p

→*跃迁：红移；；b.溶剂极性对

→*跃迁谱带的影响

发生

→*跃迁的分子，其激发态的极性总比基态的极性大，因而激发态与极性溶剂之间发生相互作用从而降低能量的程度更大，这样，在极性溶剂作用下，基态与激发态之间的能量差变小，吸收谱带红移。2023/12/5非极性极性n

n

p

n<

pn

→

*跃迁：兰移；；

nc.溶剂极性对n→*跃迁谱带的影响发生n→*跃迁的分子，都含有n电子，n电子与极性溶剂形成氢键，能量降低的程度比*与溶剂分子作用降低程度要大，这样，在极性溶剂作用下，基态与激发态之间的能量差变大了，吸收谱带紫移。2023/12/5溶剂的选择：

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。2023/12/5（3）立体结构和互变结构对光谱的影响顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=245nm

2023/12/5（4）pH值的影响

影响物质存在型体，影响吸收波长。如：苯酚水溶液：吸收峰：210.5nm，270nm；苯酚NaOH溶液形成苯酚阴离子：吸收峰：235nm，287nm。2023/12/51.电荷迁移吸收光谱

电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱Mn+—Lb-M(n-1)+—L(b-1)-h

[Fe3+CNS-]2+h

[Fe2+CNS]2+电子给予体电子接受体分子内氧化还原反应：

>104Fe2+与邻菲罗啉配合物的紫外吸收光谱属于此。三、金属配合物的紫外吸收光谱

ultravioletspectrometryofmetalcomplexometriccompounds

金属配合物的紫外光谱产生机理主要有两种类型：2023/12/52.配位场

跃迁

在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d一d、f一f

跃迁。必须在配体的配位场作用下才可能产生，称配位场跃迁。

摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。2023/12/5八面体场∆E配位场跃迁属禁戒跃迁，吸收强度弱，εmax<102，不适合用于定量分析，但可用于研究配合物的结构及无机配合键理论等。2023/12/5一、基本组成Generalprocess二、分光光度计的类型Typesofspectrometer

第二节

紫外可见分光光度计Ultravioletspectrometer2023/12/5751型分光光度计：2023/12/5紫外-可见分光光度计2023/12/52023/12/52023/12/52023/12/52023/12/5一、基本组成Generalprocess光源单色器样品室检测器显示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。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。

紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。2023/12/5光源：2023/12/5

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入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅。

④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；⑤出射狭缝。2023/12/5棱镜和光栅单色器2023/12/53.样品室

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。2023/12/54.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2023/12/5二、分光光度计的类型

Typesofspectrometer

1.单光束分光光度计

简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。2023/12/5单波长单光束分光光度计0.575光源单色器吸收池检测器显示2023/12/52.双光束分光光度计

自动记录，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。可自动扫描吸收光谱；自动消除光源强度变化带来的误差2023/12/5单波长双光束分光光度计

差值ΔA光源单色器吸收池检测器显示光束分裂器参比池2023/12/53.双波长分光光度计

将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快速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。

ΔA=Aλ2-Aλ1=(ελ2-ελ1)bC=KC双波长分光光度计结构特点两个单色器不需要参比溶液2023/12/5一、定性、定量分析Qualitativeandquanti-tativeanalysis二、有机物结构确定Structuredeterminationoforganiccompounds第三节

紫外吸收光谱的应用ApplicationsofUV2023/12/5一、定性、定量分析

Qualitativeandquantitativeanalysis1.定性分析

max

,

max：化合物特性参数，可作为定性依据。

有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映整个分子特性。结构确定的辅助工具；

max，

max都相同，可能是一个化合物；标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图

«Thesadtlerstandardspectra,Ultraviolet»

2023/12/52.定量分析

依据：朗伯-比耳定律

吸光度：A=

bc透光度：-lgT=

bc

灵敏度高：

max：104～105L·mol-1·

cm-1。

2023/12/5二、有机化合物结构辅助解析

structuredeterminationoforganic

compounds

1.可获得的结构信息了解共轭程度、空间效应等；可对饱和与不饱和化合物、异构体及构象进行判别。紫外—可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律是：⑴若在200～750nm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃、饱和脂肪族化合物或仅含一个双键的烯烃等。⑵若在270～350nm波长范围内有低强度吸收峰(ε＝10～100L·mol-1·cm-1),（n→π*

跃迁），则可能含有一个简单非共轭且含有n电子的生色团，如羰基。2023/12/5⑶若在2５0～300nm波长范围内有中等强度的吸收峰则可能含苯环，假设有精细结构的话，可能是苯环的特征吸收。⑷若在210～250nm波长范围内有强吸收峰，则可能含有2个共轭双键；若在260～350nm波长范围内有强吸收峰，则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。⑸若该有机物的吸收峰延伸至可见光区，则该有机物可能是长链共轭或稠环化合物。

2.光谱解析注意事项(1)确认

max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系。2023/12/53.分子不饱和度的计算定义：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）/2

n4，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+29

–8）/2=62023/12/54.解析示例

有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键、六元环和异丙基存在，其紫外光谱

max=231nm（ε9000），此化合物加氢只能吸收一分子H2，，确定其结构。解：①计算不饱和度

=3；两个双键；共轭？加一分子氢②

max=231nm，③可能的结构

④计算

max

max：232273268268

max=异环二烯+2×环残基+环外双键=217+2×5+5=232（231）