紫外-可见吸收光谱分析法

第六章

紫外-可见吸收光谱分析法第一节紫外-可见吸收光谱分析法基础2023/2/2一、紫外-可见吸收光谱概述1.概述

紫外-可见分光光度法是利用物质的分子对紫外-可见光谱区的辐射的吸收来进行定性、定量及结构分析的方法。

产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁。波长范围：100-800nm.

(1)远紫外光区:

100-200nm；

(2)近紫外光区:

200-400nm；

(3)可见光区:

400-800nm。

广泛用于有机和无机物质的定性和定量分析。

2023/2/22.紫外-可见吸收光谱的产生当分子吸收外界的辐射能量（电磁辐射）时，会发生运动状态的变化，亦即发生能级的跃迁，其中含电子能级、振动能级和转动能级的跃迁。

分子吸收光谱：用一连续波的电磁辐射以波长大小顺序分别照射分子，并记录物质分子对辐射吸收程度随辐射波长变化的关系曲线。紫外-可见光：紫外-可见吸收光谱。

2023/2/2电子能级跃迁的能量：1～20eV振动能级跃迁的能量：

0.05～1eV转动能级间的能量：

0.005～0.050eV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。1～20eV的能量相对应的波长是1230-62nm。2023/2/2二、紫外、可见吸收光谱1、吸收曲线特点连续的带状光谱原子光谱：线状谱2023/2/2

定性分析：分子的紫外-可见光谱在宏观上呈现带状，称为带状光谱。吸收带的峰值波长为最大吸收波长，常表示为λmax，各种化合物由于组成和结构上的不同都有各自特征的紫外-可见吸收光谱，因此可以从吸收光谱的形状、波峰的位置及强度、波峰的数目等进行定性分析

。

定量分析：根据A可用来定量分析，A=-lgT=εbc。

2、紫外-可见吸收光谱的作用2023/2/23、Lambert-Beer定律2023/2/2ε:摩尔吸光系数

c单位为mol•L-1时，摩尔吸光系数ε(L•mol-1•cm-1)。l

:吸收光程（液层厚度），cm。c:吸光物质浓度。2023/2/21)吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数,不随浓度c和光程长度b的改变而改变。在温度和波长等条件一定时,仅与吸收物质本身的性质有关。

c单位为mol•L-1时，摩尔吸光系数(L•mol-1•cm-1)。2)可作为定性鉴定的参数2023/2/23)可用来估量定量分析方法的灵敏度。ε

max越大，定量分析的灵敏度越高。εmax~104：强吸收，测量浓度范围为10-6~10-5mol•L-1。例如：2023/2/2第六章

紫外吸收光谱分析法一、基本组成二、分光光度计的类型第二节

紫外-可见分光光度计2023/2/2仪器

紫外-可见分光光度计2023/2/2一、基本组成与工作原理光源碘钨灯氘灯单色器光电倍增管数据处理和仪器控制光源样品池单色器检测器数据处理仪器控制参比池样品池2023/2/2一、基本组成与工作原理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。分光光度计中常用的光源有两类:钨灯、卤钨灯等：热辐射光源

，可见光区，其辐射波长范围在320～2500nm。氢灯、氘灯等:

气体放电光源，紫外光区，可使用波长的有效范围为200～375nm。

2023/2/2

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。①入射狭缝：光源的光由此进入单色器；②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅；④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；⑤出射狭缝。2023/2/23.样品室样品池、吸收池（比色皿）。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。气体测量池两面透光微量测量池两面透光流动测量池两面透光可拆卸圆形测量池两面透光圆形测量池两面透光1cm长方形测量池两面透光2023/2/25.结果显示记录系统作用是放大信号并以适当的方式指示或记录。直流检流计、电位调零装置、数字显示及自动记录装置等。4.检测器

检测器的作用

检测器是一种光电转换元件，是检测单色光通过溶液被吸收后透射光的强度，并把这种光信号转变为电信号的装置。

对检测器的要求

检测器应在测量的光谱范围内具有高的灵敏度；对辐射能量的响应快、线性关系好、线性范围宽；对不同波长的辐射响应性能相同且可靠；有好的稳定性和低的噪音水平等。

检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。

2023/2/2二、分光光度计的类型1.单光束经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。一般不能作全波段光谱扫描。2.双光束光源发出光经单色器分光后，分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，另一束通过样品池，双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，因而能自动消除光源强度变化所引起的误差。

2023/2/22023/2/23.双波长适用多组分混合物、混浊试样(如生物组织液)分析，以及存在背景干扰或共存组分吸收干扰的情况下分析，还能进行化学反应动力学研究。2023/2/2第六章

紫外吸收光谱分析法第三节

吸收带类型与溶剂效应2023/2/2nπσ电子类型2023/2/2一、电子跃迁与吸收带类型1.电子跃迁类型

外层电子

成键的价电子

非成键的价电子—n电子—

n轨道σ键，σ电子—σ成键轨道π键，π电子—π成键轨道有机分子的电子跃迁跃迁类型：

能量大小顺序：

σ<π<n<

π*<σ**、n

*、n

*、*四种类型。σ*反键轨道（激发态电子）π*反键轨道(激发态电子)2023/2/2有机化合物中的电子跃迁类型***反键轨道*反键轨道n非键轨道成键轨道成键轨道n

*

*n

**nE激发态基态其中：σ，π，n键轨道为基态轨道

σ*，π*为激发态轨道2023/2/2(1)σ→σ＊跃迁

所需能量最大,吸收的辐射波长最短，如饱和的碳氢化合物，吸收波长处于小于200nm的真空紫外区。例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。可作为溶剂使用，如己烷、庚烷、环己烷等。（2）n→σ＊跃迁含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S（卤素）)均呈现n→σ*

跃迁。所需能量较大。吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区200nm以下。

杂原子电负性越大，跃迁所需的能量越大。λmax

CH3Cl：173nm，CH3Br：204nm，CH3I：

258nm

2023/2/2（3）n→π＊跃迁由n电子从非键轨道向π*反键轨道的跃迁(R带)，基团中既有π电子，也有n电子，可以发生这类跃迁。如:C=O,N=N,N=O,C=S特点:

(a).

与组成π键的杂原子有关,杂原子的电负性越强，

λmax

越小;(b).

n→π*跃迁所需能量最小，大部分吸收在200~700nm；(c).n→π*

跃迁的几率比较小，所以摩尔吸光系数比较小，一般~102。2023/2/2(4)π→π*跃迁是π电子从成键π轨道向反键π*轨道的跃迁，含有π电子基团的不饱和有机化合物，都会发生π→π*跃迁。如含有碳碳双键、碳碳叁键的化合物。吸收一般在200nm附近。

特点：

(a)

吸收波长一般受组成不饱和键的原子影响不大，如

及

的λmax

都是175nm(b)

εmax一般在104

L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。摩尔吸光系数的显著差别，是区别π→π*跃迁和n→π*跃迁的方法之一。

2023/2/2根据π→π*

跃迁产生的体系不同，其吸收带可以表示为以下几种：（1）K带在共轭非封闭体系中π→π*

产生的吸收带。其特征是εmax

>104,为强吸收带。（2）B带(苯吸收带)芳香族和杂环芳香族化合物光谱的特征吸收带，也是由π→π*

产生的。芳环的B带在230～270nm,跃迁几率较小，属于弱吸收带εmax

≈200，其中包含精细结构。（3）E带封闭共轭体系中（芳香族和杂环芳香族化合物）中π→π*

产生的K

带，属于中等吸收带。B带和E带为芳香结构的特征谱带。2023/2/2芳香族的吸收带2023/2/2有机物各种电子跃迁吸收光谱的波长分布图

2023/2/2二、常用术语A.发色团是指分子中产生吸收带的主要官能团；吸收带的λmax＞210nm,属于π→π*

、n→π*

等跃迁类型。生色团为不饱和基团：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色团吸收带的位置受相邻取代基或溶剂效应的影响，吸收峰向长波或短波移动。B.助色团是指分子中的一些带有非成键电子对的基团。本身在紫外-可见光区不产生吸收，但是当它与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，且吸收强度增大。-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I2023/2/2C.红移是指一些带有非成键电子对的基团与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，这种效应成为红移，该基团称为红移基团：-OH、-OR、-NH2、-NR2、-SH、-SR、-Cl、-BrD.蓝移是指一些基团与某些生色团(C=O)连接后，使生色团的吸收带向短波移动，这种效应成为蓝移，该基团称为蓝移基团：-CH3、-CH2CH3、-O-COCH32023/2/2E.增色效应最大吸收带的εmax

增加时称为增色效应。F.减色效应最大吸收带的εmax

减小时称为减色效应。G.强带最大吸收带的εmax

≥104的吸收带为强带。H.弱带最大吸收带的εmax

＜103的吸收带为弱带。2023/2/22023/2/2三、溶剂对紫外可见吸收光谱的影响

1.选择溶剂考虑因素（1）溶剂本身的透明范围；（2）溶剂对溶质的惰性；（3）溶剂对溶质要有良好的溶解性。极性化合物选择极性溶剂，非极性化合物选择非极性溶剂。相似相溶原理2023/2/22.溶剂的影响溶剂的极性不同也会引起某些化合物的吸收带位置和强度的变化，这种作用称为溶剂效应。蓝移:△

En→π*

＜△

En→π*

红移:

△

Eπ→π*

＞△

Eπ→π*

ππ*nππ*n△

En→π*

△

Eπ→π*

△

En→π*

△

Eπ→π*

无溶剂化作用溶剂化作用2023/2/2非极性极性

n

np

n<p

n

p

非极性极性n>pn

→

*跃迁：蓝移；；

→*跃迁：红移；；正己烷CHCl3CH3OHH2Oπ→π*

λmax/nm230238237243n→π*λmax/nm329315309305亚异丙酮的溶剂效应n2023/2/2A.饱和烃及其衍生物：σ→σ*、n→σ*直接用烷烃获卤代烃的吸收光谱来分析这些化合物的实用价值不大，是极好的溶剂。σ→σ*：λmax＜

150nm

n→σ*H2OCH3CICH3BrCH3Iλmax/nm：167173204258取代元素的极性四、有机化合物的紫外-可见吸收光谱

2023/2/2165nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLVMO)

max

基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值；无环、非稠环二烯母体：

max=217nm共轭烯烃（不多于四个双键）

*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德——菲泽规则估算。

max=基+nii

B、不饱和脂肪烃2023/2/2异环（稠环）二烯母体：

max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：

max=253nmniI:由双键上取代基种类和个数决定的校正项

(1)每增加一个共轭双键+30(2)环外双键+5(3)双键上取代基：酰基（-OCOR）0卤素（-Cl，-Br）+5烷基（-R）+5烷氧基（-OR）+62023/2/2C、羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,R

n→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=

-NH2,-OH,-OR

等助色基团K带红移，R带兰移；R带max=205nm；10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③不饱和醛酮K带红移：165250nmR

带兰移：290310nm

2023/2/2

苯：E1带180184nm；

=47000E2带200204nm=7000

苯环上三个共扼双键的→*跃迁特征吸收带；B带230-270nm

=200

→

*与苯环振动引起；含取代基时，B带简化，红移。

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300D.苯及其衍生物：π→π*

2023/2/2乙酰苯紫外光谱图羰基双键与苯环共扼：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，跃迁禁阻，弱；CCH3On→p*

;

R带p

→p*

;

K带可由Scott规则计算芳香族羰基衍生物的π→π*最大吸收波长的经验规则。2023/2/2苯环上助色基团对吸收带的影响2023/2/2苯环上发色基团对吸收带的影响2023/2/2第六章

紫外吸收光谱分析法一、定性、定量分析二、有机化合物的解析第三节紫外-可见吸收光谱的应用2023/2/2一、定性、定量分析定性分析、结构分析、定量分析物理化学参数的测定：分子量、配合物的配合比与稳定参数、酸碱离解常数、化学反应动力学常数等。1.定性分析的依据吸收光谱的形状

吸收峰的数目εmax(λ)λmax定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色团与助色团；光谱信息在紫外-可见光谱范围重叠现象严重。2023/2/2A.比较吸收光谱比较未知物与标准物质在相同化学环境与测量条件下的紫外-可见吸收光谱，若吸收光谱的形状、吸收峰的数目、

εmax(λ)、λmax完全相同，就可以确定未知物与标准物质具有相同的生色团与助色团。与标准物质吸收光谱的比较：2.定性分析方法2023/2/2与标准吸收光谱谱图的比较：Sadtler.

SdandardSpectra(Ultraviolet).

Heyden,London,1978.

共收集了46000种化合物的紫外吸收光谱R.A.FriedelandM.Orchin,UltravioletSpectraofAromaticCompounds,

Wiley,NewYork,1951.

共收集了579种芳香化合物的紫外吸收光谱Kenzo.Hirayama,HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds,

NewYork,Plenum,1967.M.J.Kamlet,

OrganicElectronicSpectraData,

Vol.1,pp1946~1952,Interscience,1960.