仪器分析紫外可见分光光度法.doc

第7章 紫外可见光谱分析
教学时数：5学时
教学要求：
l、掌握有机化合物的紫外-可见吸收光谱。
2、理解分子吸收光谱与物质结构的关系。
3、理解紫外分光光度计的基本组成及主要性能和测定方法。
4、了解紫外-可见分光光度法在工业生产和科学研究中的应用。
教学重点与难点：
重点：分子吸收光谱原理，吸收定律（比耳定律），影响吸收谱带的因素，溶剂效应，有机化合物结构推断，单组分、多组分定量分析。
难点：用经验规则计算lmax
7-1分析光谱概述
通常指的紫外光谱主要是近紫外（200-400nm）和部分可见光区（400-800nm）的光；这些光的能量相当于共价健电子和共轭分子的价电子跃迁，故又称电子光谱，或紫外可见光谱。
UV-VIS是研究物质在紫外，可见光区的分子吸收光谱的分析方法，由于价电子跃迁时所需能量在紫外，可见区，所以UV-VIS是研究推断化合物结构以及进行成分分析的重要手段。
一、分子光谱的产生
分子光谱包括电子光谱、振动、转动光谱。
E分子=Ee+Ev+Er+E平动+……
E≈Ee+Ev+Er
所以：1、紫外，可见光谱研究的是电子光谱。
2、其分析的基本原理是建立在Larmbet-Beer定律上。
其中λmax εmax 为定性分析的重要参数。
A=εbc 定量分析的依据
比吸收系数E1%=10×ε/M
二、UV-VIS主要研究对象
凡所产生π-π*，n-π*跃迁的有机化合物在紫外，可见都有吸收，故其主要是研究含共轭双键的化合物。
7-2 化合物电子光谱的产生
一、电子跃迁的类型
根据分子轨道理论，当原子形成分子时，原子轨道将重新进行线性组合而形成分析轨道。
*轨道的能量
σ<π<n<π*<σ*
轨道的极性 n>π*>π>σ*
关于“极性”：根据光电子能谱中的解释如下：
电子进入成键轨道，键能增强，键距缩短，极性减弱；
电子进入反键轨道，键长伸长，偶极距增加，极性增加。
即轨道的极性是电子云相互集中生成或相互分离的结果。
1、σ-σ*跃迁
跃迁时所需λ<200nm，发生在真空紫外区（空气中N2、O2、CO2有吸收），为饱和烃中C-C、C-H（λ=125nm）的吸收，由于技术困难，应用较少。
由于σ-σ*跃迁的化合物在200~1000 nm内无吸收，故此类化合物，如己烷，环己烷等常作为紫外光谱测定中的溶剂。
2、 n-σ*跃迁
近紫外区，含有未共用电子，如：-OH，-NH2，-SH，-X等。如CH3OH
3、π—π*跃迁
一般发生在近紫外区，含有双键或共轭双键。为强吸收，ε>104。
当有共轭双键存在时，由于形成大π键，使吸收峰红移。

4、n—π*跃迁
发生在近紫外可见区，含双键基团中连有杂原子。当杂原子（如O，H）直接与双键相联，如，其中杂原子上孤对电子向反键轨道跃迁。会发生n—π*跃迁。特点是ε小(<100)，谱带强度弱，属禁阻跃迁。
5、电荷迁移跃迁
内氧化—还原过程，谱带较宽，吸收强度大。
二、几个常用术语
1、 生色团
能吸收紫外、可见光而产生电子跃迁的基团。一般分子结构中含有π键，（双键或叁键），可产生π—π*、n—π*跃迁。
2、 助色团
指含有非键电子（孤对电子）的基团。它们本身不能吸收λ＞200nm的光，但与生色团相互作用，可产生红移并使吸收增加。
解释：为什么引入助色团会产生红移，可从键的极性方向解释。
孤对电子对极性强的轨道的影响远比对极性弱的轨道影响大。另：有些书上是这样解释的。
给电子的稳定异构效应，是π*能量升高。亲电诱导效应（-I）是n能量降低。
3、 红移和蓝移
4、 弱带与强带 增色与减色效应 ξ增加为增色效应
凡ξ＞104为强带，ξ＜103 为弱带。
三、紫外吸收带
紫外吸收峰出现的波长范围与强度，与化合物的结构有关，一般把吸收带分为K带、R带、B带和E带，从吸收带可推测化合物分子结构信息，进行解析光谱。
1、 K带
由π—π*跃迁产生的吸收带，λ=210-250nm
特征：ξ＞104随共轭双键增加，发生红移的同时，且产生增色效应，ε著增大。
2、 R带
由n—π*跃迁产生的吸收带，由等基团上的双键与杂原子上孤对电子共轭产生的吸收带的总称。
特征：为一弱吸收，若有强吸收峰在附近时，可红移或掩盖。使用极性溶剂时，随极性增强发生蓝移。
3、 B带
由闭合环状共轭双键π—π*跃迁产生的，B带为芳香族（包括杂环芳香族）化合物的特征吸收带。由苯环的骨架振动与苯环内的π—π*重迭所引起。
特征：Ⅰ为一弱吸收
Ⅱ在气态或非极性溶剂中，有许多精细结构
Ⅲ在极性溶剂中，精细结构消失成一宽峰，苯被取代时，细微结构也会消失。
若芳香族化合物中同时出现K带、B带、R带。则λR＞λB＞λK
IR＜IB＜IK
4、 E带
E带也是芳香族化合物的特征吸收，由苯环中三个烯双键的π—π*跃迁所引起的，分为E1、E2带。
当苯环上有发色团取代并与苯环共轭时，E2与K带合并且长移，B带红移。
① 若苯环上有助色团取代时，E2红移，但λ<210nm ，由此可推断化合物结构。
四、有机化合物的紫外、可见光谱
1、饱和烃及其衍生物
含σ-σ*（n-σ*），产生的光谱在紫外区，故仅含σ-σ*跃迁的化合物，如环己烷、乙烷、庚烷等是测定紫外吸收的良好溶剂。
2、不饱和有机化合物
含π电子，产生π—π*跃迁，其吸收光谱出现在紫外可见区。
① 孤立双键
② 共轭双键
随共轭程度的增强，λ长移且吸收程度增强。
3、羰基化合物
当羰基与助色团直接相连时，由于n电子与π共轭，将使π—π*跃迁红移，n—π*跃迁蓝移。
4、苯及其衍生物
苯有三个吸收带，由π—π*跃迁引起。有取代基时，对三个吸收带都有影响。
取代基
E2带（强吸收）
B带（弱吸收）
烷基
影响不大
红移
精细结构消失 红移吸收强度增大
生色团
红移且ε增大
红移且ε增大
助色团
红移且ε增大
红移且ε增大
所以，对E1影响不大，对E2 B带影响基本一致。
5、 稠环芳烃
与上述情况相似，杂环芳环与相应的碳环相似。
溶剂极性对吸收带位置的影响：
化合物在溶液中的紫外吸收光谱易受剂的影响，而改变其吸收带的位置（红移或蓝移）与吸收强度（ε变化）而且对吸收带的位移影响更为显著。
1、n—π*跃迁
由于羧基的n轨道电子在基态时，氧原子处于定域状态，当激发成π*轨道，电子向碳原子一方发生跃迁，即对n—π*跃迁来说，于激发态相比，基态为极性结构。
由于基态比激发态的极性大，因此羧基氧上的未共用电子基态时，容易与极性溶剂稳定化，使△E增强，吸收带发生蓝移。
1、 π—π*跃迁
对于π—π*跃迁，则是π电子从电子云密集在C-O键之间的基态，向着电子云完全分开的激发态进行跃迁：原有的激发态的极性比基态极性大，故在极性溶剂中，激发态较易被溶剂稳定化，而使能量△E降低，吸收带红移。
因此，在溶解度允许范围内，尽可能采用极性小的溶剂以减小溶剂效应。
3．溶剂极性对互变异构体光谱特性的影响
五、溶剂对电子光谱的影响
1、溶剂对电子光谱的影响比较复杂，改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。
① 溶剂的极性由非极性到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。
② 最大吸收波长的变化，当溶剂由非极性到极性变化时，n—π*产生的吸收紫移，π—π*产生的吸收红移。故测定时必须注意溶剂。
2、溶剂的选择
③ 尽量选用低极性溶剂；
④ 溶解性能好，且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；
⑤ 在样品的吸收光谱区无明显吸收

7—3紫外及可见分光光度计
一、 主要组成部分
通常都由五部分组成，光源（辐射源）→单色器→吸收池→检测器→信号显示器（读数指示器）
紫外
1、 氢灯、氘灯作为光源
要求强度大，稳定，E随 变化尽可能小
2、 棱镜光栅作为单色器，但只能用石英棱镜
3、 吸收池采用石英吸收池
4、 光电信增管，光电管作为检测器，但采用蓝敏光电管
5、 显示系统
可见
白帜光源（钨灯、碘钨灯）
要求强度大，稳定，E随 变化尽可能小
与紫外同
采用玻璃棱镜
可采用玻璃吸收池
与紫外同
采用红敏光电管
二、分光光度计的类型
分为三类：即单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计
1、单波长分光光度计 单光束分光光度计
双光束分光光度计
2、 双波长分光光度计
测定波长
参比波长
因两个不同波长的光通过同一吸收池，可以消除因吸收池参数不同、位置不同、污垢以及制备参比溶液带来的误差，提高准确度。
双波长分光光度计对 高浓度试样
多组分混合试样
混浊试样
相互干扰的混合试样
等不仅方法简单，且精确度高。
详见P65表4-7

7-4 有机化合物紫外最大吸收波长的推算
目前UV-VIS主要用于有机化合物的定性定量分析以及结构分析，但对于大多数简单官能团来说，特征性不强，但对于含不饱和键的化合物来说，可用于鉴定共轭生色团，依此推断化合物的结构，若再配合红外，核磁共振，则可得到比较全面的信息，所以它是一种十分有用的辅助方法。
当推断化合物可能的结构时，通常是根据经验公式计算次化合物的最大吸收波长λmax，并与实测值进行比较，然后确认其结构。
常用的经验规则有：
一、 Woodward规则
1、计算对象:共轭二烯、多烯烃、α、β不饱和醛酮。
不适用于芳香系统和交叉体系
2、计算方法
将化合物分为母体和取代基两部分
（一）二烯烃及多烯烃
注：两种同时存在时，选择波长较大者为母体
取代基 基数 备注
增加一个共轭双键 30 指与直接与共轭体系有关的因素
环外双键 5 指与共轭体系有关者，孤立双键
不计算在内
-R 5
-OR 6
-SR 30
-X(Cl、Br) 5
-NR2 60
（二）不饱和羰基化合物
基本结构:-C=C-C=C-C=O
X
母体或取代基 基本值
链状或三元以上环状（环己酮） 215nm
五元环状 215-13=202nm
α、β不饱和醛 X=H 215-6=209nm
酯、酸X=OH、OR 215-22=193nm
共轭双键增加值 30nm
环外双键 5nm
同环二烯 39nm
-OH α位：35nm，β位：30nm，γ以上：50nm
烷基 α位：10nm，β位：12nm，γ以上：18nm
-OAC 6nm
-Cl α位：15nm，β位：12nm
-Br α位：25nm，β位：30nm
-SR β位：85nm
-NR2 β位：95nm
二、scott规则
用以计算芳香族羰基的衍生物
母体为 O
R C Z 基本值为 R C Z

Z为烷基或环残基 246nm
Z=H 250nm
Z=OH、OR 230nm
取代基： -R（烷基或环残基）邻3、 间3、 对10
-R =OH、OR 邻间7、 对25
-R=O-（酚钠盐） 邻11、 间20、 对78
-R=Cl邻间 0、 对10
-R=Br 邻 间2、 对15
-R=NH2邻 间13、 对58

7-5 紫外吸收光谱的应用
一、定性分析
主要根据光谱图提供的数据参数，如：λmax，λmin吸收系数ε等，作为定性的依据；
1、光谱的一致性
将试样与标准品用同一溶剂配成相同浓度的溶液,分别测其吸收光谱,比较光谱图是否完全一致
2、比较最大吸收波长λmax及摩尔吸光系数λmax或不分吸收系数λmax的一致性
紫外吸收光谱是由分子中的发色团决定的，若两种不同的化合物有相同的发色团，往往导致不同分子结构产生相似的紫外光谱，即λmax相似，但εmax或E1cm 1%λmax则可区别
3、比较吸光度比值的一直性
如；维生素B2在稀醋酸中λmax分别是267nm，375nm及444nm，相同浓度的吸光度比值为；
A375/A257=0.314-0.333
A444/A267=0.364-0.388
三、有机化合物构型和构象的测定
1、化合物的构型
化合物中若有两个发色团产生共轭效应，若这两个发色团由于立体阻碍它们在同一平面上，就会影响共轭效应；
2、互变异构
3、构系
二、定量分析
依据；A=εbc
单一组分的测定
1、 标准曲线法
2、 标准加入法
3、 标准比较法
二、多组分混合物的测定
1、 混合物中二组分吸收峰不干扰，相当于单组分测定
2、 两组分的光谱部分重叠
3、 二组分光谱重叠
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