紫外吸收光谱法

Chapter2UltravioletAbsorptionSpectrometry第二章

紫外吸收光谱法1本章要点教学内容：

1.紫外吸收光谱的基本原理2.影响紫外吸收光谱的主要因素3.有机化合物的紫外吸收光谱4.紫外-可见分光光度计简介5.紫外吸收光谱的应用

2基本要求：

掌握分子中电子能级和电子跃迁的规律、光谱特征及其主要影响因素；熟悉各类有机化合物的紫外吸收光谱特征和紫外分光光度计的使用；了解紫外吸收光谱在有机化合物结构测定中的应用情况。教学重点：

分子结构变化及不同取代基对吸收光谱的影响。3第一节紫外吸收光谱法基本原理

一、分子吸收光谱的产生电子能级振动能级转动能级BA

在分子中，除了电子相对于原子核的运动外，还有核间相对位移引起的振动和转动。这三种运动能量都是量子化的，并对应有一定能级。分子的能级示意图4

若用△E电子、△E振动、△E转动分别表示电子能级、振动能级、转动能级差，即有△E电子△E振动△E转动

。处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量不同，而处在不同的振动能级上；当分子处在同一电子能级和同一振动能级时，它的能量还会因转动能量不同，而处在不同的转动能级上。所以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和：E分子

=E电子

+E振动

+E转动当用频率为ν的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差△E恰好等于该电磁波的能量hν时，即有△E=hν（h为普朗克常数）5此时，在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透射光的强度变小。若用一连续辐射电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，然后以波长为横坐标，以电信号（吸光度A）为纵坐标，就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图——分子吸收光谱图。6

紫外吸收光谱是由分子中价电子能级跃迁所产生，由于振动和转动能级的跃迁能量远低于电子能级的能差，因此，当电子能级改变时，振动能级和转动能级不可避免地发生变化，即电子能谱不仅包括电子跃迁产生的谱线，也包括振动和转动的谱线。仪器的分辨率不高时，各种谱线密集在一起，往往只看到一个较宽的吸收带。

这就是紫外吸收光谱由吸收线变宽成为吸收带的原因。7紫外光区的划分：紫外光的波长范围是4～400nm，其中4～200nm为远紫外区，在该波长范围内，空气中的N2、O2、CO2、水蒸气等都有吸收，给样品的测定带来干扰，因此，只有在真空中进行研究，故又称真空紫外区;而200～400nm为近紫外区，400～800nm为可见光区。常见的分光光度计一般包括紫外和可见两部分，波长范围为200～800nm，称紫外－可见分光光度计。价电子的种类：

有机分子主要有三种价电子：形成单键的σ电子、形成双键的π电子和未成键的孤对n电子。8电子跃迁的类型：

基态时，σ电子和π电子分别处于其成键轨道中，n电子处于非键轨道中。当电子吸收适当的能量时，电子可以发生由成键到反键轨道上的跃迁。因此，可能的跃迁类型主要为σσ*、ππ*、nσ*、n*等。

1.σσ*跃迁：在有机化合物分子中，饱和的

C–C、C–H等单键都是由H原子的S电子或C原子的

sp杂化所构成的σ键，其上的电子可产生这类型跃迁。

常见于饱和烃类化合物。例如乙烷max=135nm由于此种跃迁需要的能量较高，故一般发生在真空紫外光区。它们常用作紫外吸收光谱的溶剂。92.ππ*跃迁：不饱和烃类化合物及芳香族化合物除含有σ电子外，还含有π电子，由于π电子易受激发，发生ππ*跃迁需要的能量低于σσ*跃迁，吸收峰一般接近于近紫外光区，在170~200nm范围内，其特征是摩尔吸光系数大，一般εmax≥104为强吸收带。如乙烯、丙烯等化合物。当烯烃上有取代基或烯键与双键产生共轭时，其此类跃迁的波长将移到近紫外区。例如丁二烯max=217nm。而芳香族化合物的ππ*跃迁将出现三个特征吸收带（E、K、B）。103.nσ*跃迁：当分子中含有O、N、X等原子基团时会产生此种跃迁，其吸收光谱落于远紫外光区或近紫外光区，如CH3OH和CH3NH2的nσ*跃迁光谱分别为183nm和213nm。4.nπ*跃迁：这类跃迁发生在近紫外光区。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。其特点是跃迁所需能量较低，产生的吸收波长最长，但其谱带强度弱，摩尔吸光系数小。如丙酮中羰基的nπ*吸收波长为280nm。各种跃迁形式所需能量的大小为：

σ

σ*>n

σ*≥π

π*>nπ*

11Ess*pp*n各种电子跃迁能量示意图

电子跃迁所处的波长范围远紫外区近紫外区可见光区200400（λ/nm）σσ*ππ*nσ*n*12二、紫外吸收光谱的表示法和常用术语紫外吸收带的强度紫外光谱中吸收带的强度标志着相应能级跃迁的几率，遵从Laber-Beer定律A=lgI0/I=lg1/T=εcl

紫外光谱中吸收带的强度可用A、ε或lgε表示，也可用T

表示。前者随着数值的增大，吸收强度增大，后者则恰恰相反。

13紫外光谱的表示方法

图示法：A~λ、ε~λ或

lgε~λ；

数据表示法：常用λmax、εmax或lgεmax值表示。如：巴豆醛（CH3CH=CH-CHO）

λ1218nm(lgε4.26)、λ2320nm(lgε1.48)

紫外光谱图提供了两个重要的数据：吸收峰的位置和吸收光谱的吸收强度。在大多数的文献报道中，通常不绘制出紫外光谱图，只是报道化合物的最大吸收峰的波长λmax及与之相对应的摩尔消光系数ε。如：CH3I：λmax258nm（lgε2.55）。

14对于测定物质组成不确定时，可用百分吸光系数A1%1cm（或E1%1cm）表示。如：A1%1cm237=0.625表示样品浓度为1%（W/V）时，通过1cm样品池在波长237nm

处测得的吸光度值为0.625。一般情况，强吸收带

lgε>3.5

中等强度吸收带

lgε2.5~3.5

弱吸收带

lgε1~2.515常用术语1.发色团和助色团有机分子中能引起π

π*或nπ*电子跃迁的基团被称为发色团；与发色团或饱和烃相连能引起

nσ*电子跃迁的基团被称为助色团。

常见的发色团有C＝C、C=O、-COOH、C≡CPh-、-NO2、-CONH2、-COCl、-COOR等；常见的助色团有：-X、-OH、-OR、-NH2、-NR2-SR等。162.红移和蓝移；增色效应和减色效应吸收峰向长波（或短）方向移动的现象称为红（或蓝）移；使吸收带强度增大（或减小）的现象被称为增色（或减色）效应。3.肩峰和末端吸收

肩峰是指吸收曲线变化过程中有停顿之处，或吸收稍微增加或降低的峰；而末端吸收是指吸收曲线随波长变短而强度增大直至仪器测量极限，即在仪器极限处测出的吸收。174.吸收带吸收带是指与分子结构相对应的峰形及峰位，可用于推断化合物的结构。通常分为四类：

R吸收带：由含有O、S、N等杂原子的发色团如羰基、硝基中未成键n电子向π*轨道跃迁（nπ*）时所产生的吸收带。

特征：波长较长，强度很弱（λ>205nm；lgε<2.0）

K吸收带：由含共轭双键分子发生π

π*跃迁所产生的吸收带。如丁二烯、丙烯醛

特征：波长λ为210~250；强度很强lgε>4.0

18

B吸收带：是芳香族化合物的主要特征吸收带，来自闭合环状共轭双键π

π*跃迁所产生的吸收带。

特征：波长λ为230~270nm；强度较弱lgε≈2.30

乙酰苯的紫外吸收光谱（正庚烷中）19

E吸收带：是苯环中三个双键的π

π*跃迁所致，同样是芳香族化合物的特征吸收带，可分为两个区:E1带λ<200nm，E2带λ≈200nm，且强度E1（lgε=5.67）>E2

（lgε=3.84）。

当R、B、K三带同时出现时，则一般吸收波长排序为R>B>K；吸收强度排序为R<B<K。20第二节影响紫外吸收光谱的主要因素一、溶剂效应—外部因素

通常情况下溶剂的极性发生改变会引起吸收光谱的变化。增加溶剂极性能使π

π*跃迁的吸收光谱发生红移；而使nπ*跃迁的吸收光谱发生蓝移；如：异丙叉丙酮CH3COCH=C(CH3)2

正己烷氯仿甲醇水

π

π*

230238237243nm

nπ*

329315309305nm

*

溶剂的极性还影响化合物的吸收强度和精细结构。

因此，在溶解度允许范围内，选择极性小的溶剂更有利于测定。21二、分子结构的改变（内部因素）

化合物分子结构的变化将导致紫外吸收光谱发生显著的变化。当分子中双键的位置或基团排列位置的不同，它们的吸收波长及强度就会出现一定的差异。

例如，α和β紫罗兰酮分子末端环中双键位置不同，使其π

π*跃迁吸收波长分别为227nm和299nm。λmax=227nmλmax=227nm22某些化合物存在互变异构现象。例如，β二酮在不同的溶剂中可形成酮式和烯醇式的互变异构体，因烯醇式异构体中存在双键与羰基的共轭作用，π

π*跃迁所需能量较低，其吸收波长较长。烯醇式酮式23三、分子离子化（内部因素）

当化合物在不同pH介质中形成阳离子或阴离子时，其吸收波长也会随着离子化而发生位移。例如，苯胺在酸性介质中形成苯胺盐阳离子，因N原子上未成键电子的消失，其助色作用也随着消失，使其吸收带发生蓝移（230203nm；280254nm）。

苯酚在碱性介质中能形成苯酚阴离子，因O原子上孤对电子增加到三对，其共轭作用增强，导致其吸收带发生红移，强度有所增强。（210235nm；270287nm）24四、取代基不同（内部因素）

1.当发色团的一端有含孤对电子的助色团时，会产生n—π共轭作用，使π

π*跃迁的吸收波长发生红移。例如，取代烯烃-C=C-XX=SR2NR2ORCl

π

π*

+45nm+40nm+30nm+5nm

2.当苯环上H原子被助色团取代时，其E、B吸收带将产生红移。例如，氯苯：E带+6nm；B带+9nm；苯甲醚：E带+13nm；B带+13nm。253.当助色团与羰基碳原子相连时，羰基nπ*跃迁的吸收波长将产生蓝移。例如，

CH3CO-HCH3CO-NH2CH3CO-OC2H5

nπ*

290nm220nm208nm26第三节有机化合物的紫外吸收光谱一、饱和烃饱和单键碳氢化合物仅有σ键电子，跃迁时需要较大能量，须在波长较短的远紫外光照射下才能发生σσ*跃迁，其吸收峰位于远紫外区，一般在150nm左右。例如，甲烷的σσ*跃迁吸收波长为125nm。当饱和单键碳氢化合物中的H被O、N、X、S等杂原子取代时，因n电子较σ电子易激发，所需能量降低，其吸收波长向长波方向移动，此时产生n

σ*跃迁。例如碘甲烷nσ*跃迁吸收波长为258nm27二、不饱和脂肪烃

这类化合物包括含孤立双键和共轭双键的烯烃，它们均含有π电子，可产生π

π*跃迁。对于具有共轭双键的化合物，其紫外吸收光谱与含有孤立双键的有显著的不同，通常情况下由于共轭效应使化合物的吸收波长发生红移。例如，乙烯和丁二烯，前者λmax为165nm，而后者λmax为217nm；其原因是后者π—π共轭效应生成了大π键，键各能级间的距离较近，电子容易激发，所以吸收波长向长波方向移动。共轭分子包括共轭二烯（环、链状）；α、β不饱和酮；共轭多烯以及芳香核与双键或羰基的共轭。28三、芳香烃

芳香族化合物为环状共轭体系，都具有三个吸收带。以苯为例，它在乙醇中的紫外光谱如下：

苯在184nm和204nm有二个强吸收带分别为E1和E2（lgε1=5.67

、lgε2=3.84

），是由苯环结构中三个双键形成的环状共轭体系的跃迁所产生，是芳香族化合物的特征吸收。

29B带在230~300nm之间，为一弱峰，有明显的裂分，其λmax=255nm（lgε=2.36）称为精细结构吸收带，是由π

π*跃迁和苯环的振动的重叠引起的，也是苯的重要特征吸收带，这些特征可用来鉴别芳香化合物。当苯环上有助色团取代基时由于n-π共轭会使吸收带向长波方向移动；对于二取代苯，当两个取代基的位置不一样时，其吸收强度和波长也不一样。一般处在对位的强度和波长大于间位和邻位。30第四节紫外-可见分光光度计31一、仪器的基本组成光源单色器样品室检测器记录仪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。可见光区钨灯作光源，紫外光区氢或氘灯作光源。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，一般为棱镜或光栅。323.样品室：放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英和玻璃两种。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。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。33二、分光光度计的类型1.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。2.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。仪器较复杂，价格较高。3.双波长：将不同波长的两束单色光(λ1、λ2)快束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。两波长同时扫描即可获得导数光谱。34三种分光光度计结构示意图3536四、紫外光谱测定时溶剂的选择基本原则：1.具有良好溶解能力2.在测定波长范围无明显吸收

3.有良好的吸收峰形4.安全、无毒，挥发性小

*应尽可能选择非极性溶剂37第五节紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱具有特征性强和灵敏度高的特征，如分子中不存在任何的发色团、助色团，则紫外无吸收。对含量极微的共轭烃、羰基、亚硝基化合物、偶氮化合物、芳香化合物，其鉴定尤其可靠和有用。紫外吸收光谱不能给出所有的结构信息，但可以给出一个鉴定特征结构的方法，尤其提供了发色团和助色团的信息。38一、定性分析就其定性分析而言，紫外吸收光谱法在无机元素的定性分析应用方面是比较少的，无机元素的定性分析主要采用原子发射（或吸收）光谱法或化学分析法；而本法的主要应用是有机化合物的定性分析和结构分析。而定性分析的光谱依据是：吸收光谱的形状、吸收峰的数目和位置及相应的摩尔吸光系数，而最大吸收波长max及相应的εmax是定性分析的最主要参数。39由于有些有机化合物在紫外区没有吸收带，有些仅有简单而宽的吸收带，光谱信息较少，特征性不强；另一方面，紫外光谱反映的基本上是分子中发色团和助色团的特性，而不是整个分子的特性，例如，甲苯和乙苯的紫外光谱实际上是一样的。因此，仅根据一个化合物的紫外光谱不能完全确定其分子结构，这种方法的应用有较大的局限性。但是它适用于不饱和有机化合物，尤其是共轭体系的鉴定，以此推断未知物的骨架结构。40通常采用的定性方法是在相同的测试条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图；若二者相同，则可推测或判断它们可能是同一物质，或具有相同的分子骨架和发色基团。

注意：紫外吸收光谱相同的两种化合物有时也未必是同一物质。但如果待测物与标准物不仅吸收波长相同，而且吸光系数也相同，则可认为二者为同一物质。41二、有机化合物分子结构的推测

1.官能团的推测：紫外光谱与有机化合物分子结构的一般关系如下：①如在200～800nm无吸收，则表明分子中不含直链和环状的共轭体系，无CHO、RBr、RI，可能是脂肪烃、脂肪胺、醚、羧酸、氟代烷、氯代烷等。

②如在210～250nm有吸收，则可能是碳链较长的羧酸、酰胺、醇、硫醇、硫醚等低共轭体系。

③如在250～300nm有弱吸收，则表明有C=O，中等强度吸收是苯核的特征。42④如化合物有颜色，则分子中所含共轭的发色团、助色团的总数将大于5（例外：偶氮，亚硝基，乙二醛、碘仿等）。⑤如一个光谱图有许多吸收谱带，其中一些甚至出现在可见光区，可推知该化合物可能含有一个长链共轭发色团和一个多环芳核发色团。432.异构体的推测①酮式/烯醇式互变异构：例如乙酰乙酸乙酯存在酮-烯醇式互变异构体

λ204nm(弱吸收带)

K带λ254nm(lgε=4.25)

两种异构体的互变平衡与溶剂有密切关系。在水这样的极性溶剂中，由于C=O可能与H2O形成氢键而降低能量以达到稳定状态，所以酮式异构体占优势；而在乙烷这样的非极性溶剂中，由于形成分子内的氢键，且形成共轭体系，使能量降低以达到稳定状态，所以烯醇式异构体比率上升。44②顺反异构体：例如1,2-二苯乙烯具有顺反两种异构体顺式反式

λmax=280nm；lgεmax=4.02λmax=295nm；lgεmax=4.43（空间位阻，影响共平面）(共平面产生最大共轭效应，ε大）45例如：肉桂酸的顺、反式异构体如下：

λmax＝280nmλmax＝295nmlgεmax=4.13lgεmax=4.43同样，同一化学式的多环二烯，可能有两种异构体：一种是顺式；另一种是异环二烯，是反式。一般来说，异环二烯的吸收带强度总是比同环二烯的大。461.如果一个化合物在紫外区没有吸收峰，而其中的

杂质有较强的吸收，就可方便的检该化合物中是否

含有微量的杂质。

例1.如检查甲醇或乙醇中是否含有杂质苯。苯在256nm处有B吸收带，而甲醇或乙醇在此波长附近几

乎没有吸收。

例2.检查四氯化碳中有无二硫化碳杂质。只要观察在318nm处有无二硫化碳的吸收峰即可。

三、纯度的检查472.如果一个化合物在紫外可见区有较强的吸收带，有时可用摩尔吸光系数来检查其纯度。

例如，检查菲的纯度。在氯仿溶液中，菲在296nm处有强吸收（文献值lgε=4.10）。而用某法精制的菲，熔点为100℃，沸点为340℃（文献值：熔点为99~101℃，沸点为336℃），似乎已很纯。如果用紫外光谱检查，测得的lgε值比标准菲值低10%,因而样品的实际含量只有90%，说明含有杂质。48四、定量分析—郞伯-比尔定律定量分析的依据是朗伯-比尔定律，同基础分析“分光光度分析法”一样，应用广泛。常见有如下几种方法：1．单组分的定量分析如果在一个试样中只要测定一种组分，且在选定的测量波长下，试样中其它组分对该组分不干扰，这种单组分的定量分析较简单。一般有标准对照法和标准曲线法两种。49①标准对照法在相同条件下，平行测定试样溶液和某一浓度Cs（应与试液浓度接近）的标准溶液的吸光度Ax和As，则由Cs可计算试样溶液中被测物质的浓度Cx：标准对照法因使用单个标准，引起误差的偶然因素较多，故往往较不可靠。50②．标准曲线法是实际分析工作中最常用的一种方法。配制一系列不同浓度的标准溶液，以不含被测组分的空白溶液作参比，测定标准系列溶液的吸光度，绘制吸光度－浓度曲线，称为校正曲线（也叫标准曲线或工作曲线）。在相同条件下测定试样溶液的吸光度，从校正曲线上找出与之对应的未知组分的浓度。此外，有时还可以采用标准加入法。512.多组分的定量分析根据吸光度具有加和性的特点，在同一试样中可以同时测定两个或两个以上组分。假设要测定试样中的两个组分A、B，如果分别绘制A、B两纯物质的吸收光谱，绘出三种情况，如下图所示。52(a)情况表明两组分互不干扰，可以用测定单组分的方法分别在λ1、λ2测定A、B两组分；(b)情况表明A组分对B组分的测定有干扰，而B组分对A组分的测定无干扰，则可以在λ1处单独测量A组分，求得A组分的浓度CA；然后在λ2处测量溶液的吸光度AA+B

λ2及A、B纯物质的εA

λ2和εBλ2值，根据吸光度的加和性，即得则可以求出CB。53(c)情况表明两组分彼此互相干扰，此时，在λ1、λ2处分别测定溶液的吸光度AA+Bλ1及AA+Bλ2，而且同时测定A、B纯物质的εAλ1、εB

λ1及εAλ2、εBλ2

然后列出联立方程:解得CA、CB。显然，如果有n个组分的光谱互相干扰，就必须在n个波长处分别测定吸光度的加和值，然后解n元一次方程以求出各组分的浓度。应该指出，这将是繁琐的数学处理，且n越多，结果的准确性越差。用计算机处理测定结果将使运算大为方便。54(d)吸收光谱重叠严重的情况，还能进行分析吗？