仪器分析第三章(含练习题).ppt

第3章紫外 可见分光光度法法UltravioletandvisibleSpectrometry UV Vis 紫外 可见吸收光谱朗伯 比尔定律紫外可见分光光度计分析条件的选择UV Vis的应用 3 1 1分子吸收光谱的形成 紫外 可见吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁 也称为电子光谱 1 远紫外光区 100 200nm 2 近紫外光区 200 400nm 3 可见光区 400 800nm 已学 物质颜色与吸收光的关系 3 1紫外 可见吸收光谱 紫外 可见吸收光谱与电子跃迁 物质分子内部三种运动形式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 3 1 2有机化合物的紫外 可见光谱 一 电子跃迁类型 有机化合物的紫外 可见吸收光谱是三种价电子跃迁的结果 电子 电子 n电子 分子轨道理论 成键轨道 反键轨道 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 主要有四种类型跃迁 其所需能量 大小顺序为 n n 1 跃迁 所需能量最大 电子只有吸收远紫外光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 例 甲烷的 max为125nm 乙烷 max为135nm 只能被真空紫外分光光度计检测到 故可作为溶剂使用 远紫外 真空 吸收带 所需能量较大 吸收波长为150 210nm 大部分在远紫外区 近紫外区不易观察到 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 2 n 跃迁 末端吸收带 所需能量较小吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区 max一般在104L mol 1 cm 1以上 属于强吸收 不饱和烃 共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁 3 跃迁 K吸收带 需能量最低 吸收波长 200nm 属于禁阻跃迁 max一般为10 100L mol 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 为275nm max为22L mol 1 cm 1 溶剂环己烷 4 n 跃迁 R吸收带 二 有机化合物紫外 可见光谱特征 1 饱和有机化合物 跃迁 n 跃迁 2 不饱和脂肪族化合物 跃迁 n 跃迁 3 芳香族化合物E1带 E2带 芳环内共轭乙烯基 产生 B带 芳环大 键跃迁产生 精细结构 3 1 3无机化合物的吸收光谱 产生无机化合物紫外 可见吸收光谱的电子跃迁形式一般分为电荷迁移跃迁和配位场跃迁 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 d f 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 一 配位场跃迁 辐射下 配合物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电荷迁移吸收光谱 电子接受体 电子给予体 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 二 电荷迁移跃迁 吸收光度法所使用的显色剂绝大多数含有生色团及助色团 本身为有色物质 当与金属离子配位时 作为配位体的显色剂 其共轭结构发生了变化 产生 跃迁 导致其吸收光谱蓝移或红移 定量分析中 要求络合物与配位剂的最大吸收波长之差大约在60nm以上 三 金属离子影响下的配位体 跃迁 3 1 4常用术语 吸收峰 谷 肩峰 末端吸收 吸收曲线 3 1 4常用术语 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则不相同 定性分析依据 Ca K B络合物 Mg K B络合物的吸收曲线 不同浓度的同一种物质 在某一定波长下吸光度A有差异 即吸光度随着浓度的增大而增大 定量分析依据 物质对光的选择性吸收 在一定实验条件下 A c 生色团与助色团 生色团 在近紫外光区和可见光区有特征吸收的基团 结构特征 含有n非键电子和 电子 生色团与助色团 助色团 分子中含有杂原子的基团 结构特征 含有n非键电子 使发色团红移 吸收强度增强 红移与蓝移 紫移 增色与减色 某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团 OH OR NH2 SH Cl Br SR NR2 之后 吸收峰的波长将向长波方向移动 这种效应称为红移效应 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 红移 吸收强度也随之增强 增色 3 1 5影响紫外 可见光谱的因素 一 共轭作用 非共轭体系各生色团将独立地产生吸收 但吸收强度增加 Y H R 150 160nm K n 275 295nm R C O基团可产生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 由于在结构上的差异 它们n 吸收带的光区稍有不同 羰基化合物 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 K带红移 R带蓝移 R带 max 205nm 10 100 不饱和醛酮K带红移 177 250nmR带红移 290 310nm 苯及其衍生物 苯环上助色基团对吸收带的影响 顺反异构 顺式 max 280nm max 10500反式 max 295 5nm max 29000 互变异构 酮式 max 204nm烯醇式 max 243nm 二 立体化学效应 溶剂对紫外 可见光谱的影响较为复杂 溶剂极性增大 B带精细结构消失 吸收带变向平滑 改变溶剂的极性 还会使吸收带的最大吸收波长发生变化 三 溶剂对吸收光谱的影响 溶剂对最大吸收波长的影响 如 异丙叉丙酮 溶剂极性增加 n 跃迁吸收带蓝移是因为 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 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 n 跃迁 兰移 跃迁 红移 N 亚硝基二甲胺在不同溶剂中的紫外吸收光谱图 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 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 3 2光吸收的基本定律 3 2 1朗伯 比尔定律 透射比 透光度 吸光度 吸光度 A 的大小是溶液吸光程度的度量 A越大 表明溶液对光的吸收越强 物理意义 当一束单色光通过含有吸光物质的溶液后 溶液的吸光度与吸光物质的浓度及吸收层厚度成正比 这是吸光光度法进行定量分析的理论基础 前提条件 入射光为平行单色光且垂直照射 吸光物质为均匀非散射体系 吸光质点之间无相互作用 稀溶液 辐射与物质之间的作用仅限于光吸收过程 无荧光和光化学现象发生 在含有多种吸光物质的溶液中 溶液对某一单色光的总吸光度等于各吸光物质的吸光度之和 即 b cmc g L 1k用a表示 a称为吸收系数单位 L g 1 cm 1A abc 2 摩尔吸收系数 b cmc mol L 1k用 表示 称为摩尔吸收系数单位 L mol 1 cm 1 3 2 2吸收系数 1 吸收系数a 影响 的因素 波长 吸光物质性质 溶剂 温度 溶液的组成 仪器灵敏度等 当波长 温度 溶剂等条件一定时 不同物质 不同同一物质 随 而改变 max时其 表示为 max max 灵敏度 max 104L mol 1 cm 1的方法较灵敏同一物质 不随浓度的变化而变化 3 2 3引起偏离朗伯 比尔定律的因素 一 与样品溶液有关的因素1 溶液浓度过高引起的偏差2 化学反应引起的偏差3 介质不均匀引起的偏差 二 与仪器有关的因素1 非单色光引起的偏差因此 通常应选择最大吸收波长为测定波长 2 非平行入射光引起的偏差 例 用邻二氮菲分光光度法测铁 已知溶液中Fe2 的浓度为500 g L 液层厚度为2cm 在508nm处测得透射比为0 645 计算吸收系数a和摩尔吸收系数 已知铁的摩尔质量为55 85g mol 3 3紫外及可见分光光度计 3 3 1仪器基本部件 3 3 1仪器基本部件 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 2 单色器 分光系统 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 依据不同波长光通过棱镜时折射率不同 2 单色器 分光系统 3 吸收池 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 红敏600 1200nm和蓝敏220 625nm 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 1 单光束分光光度计 3 3 2分光光度计的构造原理 2 双光束分光光度计 3 双波长分光光度计 多组分混合物混浊试样分析背景干扰共存组分干扰 3 3 2分光光度计的校正 一 波长校正 镨钕玻璃或钬玻璃 二 吸光度校正 铬酸钾溶液 3 4分析条件的选择 3 4 1仪器测量条件3 4 2显色反应条件3 4 3参比溶液3 4 4干扰及消除办法 3 5紫外 可见光谱法应用 3 5 1定性分析 一 吸收曲线比较法 1 与标准化合物的吸收光谱比较 2 与标准谱图进行比较 二 经验公式计算 63 一 伍德沃德 费泽 Woodward Fieser 规则共轭双键的数目 共轭体系上取代基的种类 数目和立体结构等因素都对共轭多烯体系的紫外光谱产生影响 Woodward Fieser总结出共轭烯烃最大吸收波长的计算方法 用于估算共轭多烯体系K带的 max 64 环状共轭二烯波长计算法 65 链状共轭多烯类化合物的波长计算法 66 应用此规则的注意事项 1 当有多个母体可供选择时 应优先选择较长波长的母体 如共轭体系中若同时存在同环二烯与异环二烯时 应选择同环二烯作为母体 2 环外双键在这里特指C C双键中有一个C原子在该环上 另一个C原子不在该环上的情况 如结构式A 而结构式B和C则不是 ABC 67 3 计算时应将共轭体系上的所有取代基及所有环外双键均考虑在内 对 身兼数职 的基团应按实际 兼职 次数计算增加值 同时应准确判断共轭体系的起点与终点 防止将与共轭体系无关的基团计算在内 4 该规则不适用于共轭体系双键多于四个的体系 也不适用于交叉共轭体系 典型的交叉共轭体系骨架结构如下 68 例1计算下面化合物的 max同环共轭二烯母体基本值253nm增加共轭双键 2 30 60nm环外双键 3 5 15nm环残基或烷基取代 5 5 25nm酰氧基取代 0nm max计算值353nm 实测值 356nm 环外双键 5 烷基 5 3 O R 烷基 例2烷基 基准值253nm共轭双键 30 酰氧基 0计算值303nm实测值304nm O酰氧基 共轭双键环外双键 烷基 70 异环共轭二烯母体基本值 214nm增加共轭双键 1 30 30nm环外双键 3 5 15nm环残基或烷基取代 5 5 25nm max计算值284nm 实测值 283nm 71 链状共轭双键基本值217nm4个环残基或烷基取代 20nm2个环外双键 10nm max计算值247nm 实测值 247nm 72 链状共轭双键基本值217nm4个环残基或烷基取代 20nm1个环外双键 5nm max计算值243nm 实测值 243nm 73 二 Scott规则 芳香羰基化合物用具有芳香羰基结构的化合物 max计算方法 表2 11为Scott规则 用于估算具有芳香羰基结构 XC6H4COZ 的化合物E2吸收带的 max 74 二 不饱和羰基化合物 不饱和醛 酮Woodward Fieser和Scott总结共轭醛 酮K带的 max的计算规则 75 应用该规则计算时应注意以下两点 A 环上的羰基不作为环外双键看待 例如在结构中无环外双键 B 该规则仅适用于乙醇或甲醇溶剂 溶剂改变对实测值影响较大 需将计算值进行溶剂校正 见下表 表 不饱和醛 酮 max的溶剂校正 76 例 计算下列化合物的 max 六元环 不饱和酮的基本值215nm1个烷基 取代 10nm2个烷基 取代 12 2nm2个环外双键 5 2nm259nm 实测值258nm 77 直链 不饱和酮的基本值215nm延长1个共轭双键 30nm1个烷基 位取代 18nm1个烷基 位取代 18nm281nm 实测值281nm 78 六元环 不饱和酮的基本值215nm1个烷基 位取代 10nm2个烷基 位取代 12 2nm2个环外双键 5 2nm259nm 乙醇中实测值254nm 79 六元环 不饱和酮的基本值215nm延长2个共轭双键 30 2nm同环共轭双键 39nm1个烷基 位取代 12nm3个烷基 位以远取代 18 3nm1个环外双键 5nm385nm 乙醇中实测值388nm 80 三 Scott规则 乙醇为溶剂 醛 酮 羧酸或酯 81 例 计算下列化合物的 maxZ OH基本值230nm对位NH2取代 58nm计算值288nm 实测值288nm 82 Z R基本值246nm邻位OH取代 7nm邻位环残基 3nm间位Cl取代 0nm计算值256nm 实测值257nm 83 Z H基本值250nm对位NHAc取代 45nm计算值295nm 实测值292nm 紫外光谱的结构分析应用举例例1 胆甾烯酮 I 的烯醇式乙酸酯的结构可以是 II 或 III 经测定其紫外光谱 max 238nm log 4 2 哪个结构更合理 O R I O O R III O O R II O R I HO R HO R 214 5 3 5 234nm 253 5 3 5 273nm O O R II O O R III 例2 由花精油合成得到的紫罗兰酮的两个异构体的结构就是利用紫外光谱来确定的 K带 228nm 14000 296nm 11000 O CHO OC2H5ONa C2H5OH H 紫罗兰酮 紫罗兰酮 O O 计算值 227nm 299nm 3 5 2结构分析 判断异构体 酮式 max 204nm 无共轭烯醇式 max 243nm max 270nm max 400nm 一 单组份定量分析 二 多组份定量分析 三 双波长法 四 示差分光光度法 五 导数分光光度法 六 光度滴定 3 5 3定量分析 一 单组