波谱分析紫外光谱

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1、 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 hcE hv 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

2、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

3、 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 。 log oIA clI 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

4、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

5、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 。

6、 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 : 1 20eV。 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 ： 0.05 eV， 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：

7、 0.005 0.050eV， 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） E2hcE hv E 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

8、 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

9、 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。 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10 100Lmol 1 cm 1， 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

10、 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 N N、 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

11、 、 NH R、 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

12、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

13、/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

14、 ， 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/m

15、olcm 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

16、生 改 变 ；3.溶 剂 效 应 因 为 轨 道 的 极 性 大 小 顺 序 为 ： n* *非 极 性 溶 剂 极 性 溶 剂 的 溶 剂 化 效 应* *nn非 极 性 溶 剂 极 性 溶 剂 的 溶 剂 化 效 应 E2 BPh-OHPh-O- 210(6200)235(9400) 270(1450)287(2600)Ph-NH 2Ph-NH 3+ 230(8600)203(7500) 280(1430)254(169) 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

17、 性 溶 液 中 显 红 色 ， 而 在 酸 性 溶 液中 无 色 。 O OH O OH OH -H + O O- O- O 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

18、 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 :光 源 单 色 器 样 品 室 检 测 器 显 示一 、 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 320 2500nm。 紫 外 区 ： 氢 、 氘 灯 。 发 射 185 400 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

19、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

20、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 峰 2） 吸 光 度 校 正 选 用 硫 酸 铜 、 硫 酸 钴 铵 、 铬 酸 钾 等 标 准 溶液 。 铬 酸 钾 溶 液 较 常 用 配 制 浓 度 0.04Kg/m3铬 酸 钾 50mol/m3KOH 溶 液 ， 用 1cm吸 收 池 测 其 吸 光 度 。 3） 吸 收 池 校 正 A吸 收 池 装 样 品 溶 液 ， B吸 收 池 装 参 比 溶 液 ， 测 吸 光 度 。 然 后 互 换 。 两 次 测 定 吸 光 度 之 差 应 小 于 1%。 2.选 择 溶 剂 良 好 的 溶 解 能 力 在 所 测 波 长 无 吸 收 试 样 在 溶 剂 中 有 良 好 的 吸 收 峰 形 挥 发 性 小 ， 安 全 ， 无 毒