chapter 4 UV-Vis.ppt

19 26 16 第四章紫外吸收光谱分析法 一 紫外吸收光谱的产生FormationofUV二 有机物紫外吸收光谱UVspectraoforganiccompounds三 金属配合物的紫外吸收光谱UVspectraofmetalcomplexescompounds 第一节紫外吸收光谱分析基本原理 Chapter4UltravioletSpectrophotometry UV 4 1PrinciplesofUVSpectrophotometry 19 26 16 1 分子吸收光谱molecularabsorptionspectrometry 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 一 紫外吸收光谱的产生FormationofUV 19 26 16 电子能级electronicenergylevel分子具有三种不同能级振动能级vibrationalenergylevel转动能级rotationalenergylevel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 e 419kJ mol v 21kJ mol r 0 042kJ mol 19 26 16 能级跃迁energyleveltransition 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 19 26 16 讨论 1 转动能级间的能量差 r 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 19 26 16 2 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 19 26 16 3 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1 25 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 19 26 16 紫外可见吸收光谱 分子价电子能级跃迁 波长范围 160 780nm 1 远紫外光区 farUVregion 10 200nm 2 近紫外光区 nearUVregion 200 400nm 3 可见光区 Visregion 400 780nmfarUVorvacuumUV 可用于结构鉴定和定量分析 19 26 16 2 Absorptioncurveofcompounds 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 19 26 16 吸收曲线的讨论 discussionofabsorptioncurve 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 max 不同浓度的同一种物质 其吸收曲线形状相似 max不变 而对于不同物质 它们的吸收曲线形状和 max则不同 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 19 26 16 discussionofabsorptioncurve 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 max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 在 max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 19 26 16 3 Beer sLaw A lgT lg I0 I bcA absorbanceT transmittanceIo intensityofincidentbeamI intensityofemergentbeam molarabsorptivityb pathlengthofradiationc molarconcentrationofabsorbinganalyte 19 26 16 3 Beer sLaw Ifc g 100ml then 比吸光系数 即 吸收池厚度为1cm 试样浓度为1 时的吸光度 M molarmassofcompound 19 26 16 二 有机物吸收光谱与电子跃迁UV Visspectraandelectronictransitionoforganiccompounds 1 UV Visspectraoforganiccompounds有机化合物的紫外 可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果 电子 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 大小顺序为n n 19 26 16 1 跃迁类型transitiontypes transition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 transition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 跃迁 如CH3OH 19 26 16 3 transition它需要的能量低于 跃迁 吸收峰一般处于近紫外光区 其特征是摩尔吸光系数大 一般 max 104 为强吸收带 4 n transition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 19 26 16 2 CommontermsusedinUV Visspectrometry 1 chromophore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 能够吸收紫外 可见光 产生 或n 跃迁的原子基团 注 当出现几个生色团共轭 则几个生色团所产生的吸收带将消失 代之出现新的共轭吸收带 其波长将比单个生色团的吸收波长长 强度也增强 19 26 16 Both andn requirethepresenceofanunsaturatedfunctionalgrouptoprovidethe orbitals Strictlyspeaking istotheseunsaturatedabsorbingcentersthatthetermchromophoreapplies Forexample alkene alkyne carboxyl carbonyl ni troso 亚硝基 nitrate 硝酸酯 etc p276table9 3 19 26 16 下面为某些常见生色团的吸收光谱 19 26 16 2 auxochrome助色团 有一些含有n电子的基团 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 带有n电子的杂原子饱和基团 如 OH OR NHR SH Cl Br Ietc 3 强带和弱带 max 105 强带 max 103 弱带 19 26 16 4 redshiftandblueshift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 深色移动bathochromicshift max向短波方向移动称为蓝移 或紫移 浅色移动hypsochromicshift 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 19 26 16 3 UV Visspectraofsomeorganiccompounds Saturatedhydrocarbonsandtheirderivatives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 max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 19 26 16 2 Unsaturatedhydrocarbonandconjugatedalkene不饱和烃及共轭烯烃 A Unconjugatedalkene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 19 26 16 B conjugatedalkene 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HOMO HighestOccupiedMolecularOrbital最高被占用分子轨道LUMO LowestUnoccupiedMolecularOrbital分子最低空余轨道 19 26 16 19 26 16 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 异环二烯 无环二烯 基 217nm同环二烯 基 253nm 伍德沃德 菲泽规则 Woodward fieser 19 26 16 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 60nm 19 26 16 3 Carbonylcompounds羰基化合物 Y H Rn 180 190nm 150 160nmn 275 295nm aldehydes ketones carboxylicacids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 max 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 19 26 16 Y 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 能量上升 n轨道能量不变 K带红移 R带兰移 R带 max 205nm 10 100 不饱和醛酮由于产生 共轭K带红移 177 250nmR带红移 290 310nm 19 26 16 4 Benzeneanditsderivatives苯及其衍生物 benzene E1带180 184nm 47000E2带200 204nm 7000苯环上三个共扼双键的 跃迁特征吸收带 B带230 270nm 200 与苯环振动能级跃迁叠加引起 也称精细结构吸收带 finestructure 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 19 26 16 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 19 26 16 苯环上助色基团对吸收带的影响 19 26 16 苯环上生色基团对吸收带的影响 19 26 16 5 立体结构和互变结构对光谱的影响 顺反异构 顺式 max 280nm max 10500反式 max 295 5nm max 29000 互变异构 极性溶剂中为酮式 max 204nm非极性溶剂中为烯醇式 max 245nm 19 26 16 6 Effectofsolventonelectronicspectra溶剂对吸收光谱的影响 n 跃迁 兰移 跃迁 红移 n 19 26 16 Onfinestructure 极性溶剂使精细结构消失 19 26 16 Selectionofsolvent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 19 26 16 三 金属配合物的紫外吸收光谱UVspectraofmetalcomplexes 金属配合物的紫外光谱产生机理主要有两种类型 1 配位体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也称配位场跃迁 摩尔吸收系数 很小 对定量分析意义不大 19 26 16 2 电荷迁移跃迁charge transfertransition 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 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 19 26 16 第二节紫外 可见分光光度计 一 基本组成Generalcomponents二 分光光度计的类型Typesofspectrometer 4 2 UV VisSpectrometer 19 26 16 Instruments 19 26 16 一 基本组成Generalcomponents 光源 单色器 样品室 检测器 显示 1 Radiationsource在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱 200 1000nm 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 tungstenfilamentlamp 作为光源 其辐射波长范围在320 2500nm 紫外区 氢 氘灯 deuteriumandhydrogenlamp 发射185 400nm的连续光谱 19 26 16 2 Monochromator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 入射狭缝 光源的光由此进入单色器 准光装置 透镜或返射镜使入射光成为平行光束 色散元件 将复合光分解成单色光 棱镜或光栅 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 出射狭缝 19 26 16 3 Samplecontainer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 4 Detector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 Signalprocessandreadoutdevice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 19 26 16 UV Vis Spectrophotometer AASpectrophotometer 19 26 16 二 分光光度计的类型Typesofspectrometer 1 Single beamUV Visspectrophotometer单光束简单 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 19 26 16 单波长单光束分光光度计 19 26 16 2 Double beam双光束自动记录 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 19 26 16 单波长双光束分光光度计参比池 19 26 16 3 Double wavelength双波长将不同波长的两束单色光 1 2 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 1 2nm A A 2 A 1 2 1 bc Kc 19 26 16 4 Photodiodearrayspectrophotometer二极管阵列分光光度计使用二极管阵列检测器 photodiodearraydetector DAD P87 88 19 26 16 第三节紫外吸收光谱的应用 一 定性 定量分析Qualitativeandquanti tativeanalysis二 有机物结构确定Structuredeterminationoforganiccompounds 4 3ApplicationsofUVabsorptionspectrometry 19 26 16 一 定性 定量分析Qualitativeandquantitativeanalysis 1 Qualitativeanalysis 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 19 26 16 2 Quantitativeanalysis 依据 朗伯 比耳定律Lambert Beer sLawA bc lgT bchighsensitivity max 104 105L mol 1 cm 1 单组分一般选 max处测定A 做标准曲线 以得到最好的灵敏度 19 26 16 Standardcalibrationcurve 19 26 16 Quantitativeanalysis 对于多组分可用以下方法 解联立方程组 双波长分光光度法 doublewavelengthspectrometry 1 等吸收波长发 2 系数倍率法导数分光光度法 derivativespectrometry 19 26 16 Two componentanalysiswithdoublewavelength AC 520 AC 540AB C 520 AB 520 AC 520AB C 540 AB 540 AC 540 A AB C 520 AB C 540 AB 520 AB 540 wavelength 19 26 16 DerivativeSpectra RelationshipbetweenUVspectra 1 andtheirderivativespectra 2 19 26 16 二 有机化合物结构辅助解析structuredeterminationoforganiccompounds 1 structuralinformationfromUV Vis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 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 若在270 350nm波长范围内有低强度吸收峰 10 100L mol 1 cm 1 n 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 19 26 16 若在2 0 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 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 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 19 26 16 2 光谱解析注意事项 1 确认 max 并算出 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 19 26 16 3 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 2n4 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 2 9 8 2 6 19 26 16 4 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 9000 此化合物加氢只能吸收一分子H2 确定其结构 解 计算不饱和度 3 两个双键 共轭 加一分子氢 max 231nm 可能的结构 计算 max max 232273268268 max 异环二烯 2 环残基 环外双键 217 2 5 5 232 231 19 26 16 立体结构和互变结构的确定 顺式 max 280nm max 10500反式 max 295 5nm max 29000共平面产生最大共轭效应 max大 互变异构 酮式 max 204nm 无共轭烯醇式 max 243nm