紫外可见吸收光谱法

第三章紫外-可见吸收光谱法2023/2/2紫外-可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收200～800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子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，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。包括比色法和紫外-可见光分光光度法概述17:23:54波长范围：100~800nm。远紫外区：

100~200nm；近紫外区：200~400nm；可见光区：400~800nm。

紫外吸收光谱：价电子能级跃迁。结构鉴定和定量分析。电子跃迁同时，伴有振动转动能级的跃迁，带状光谱。最大吸收峰的波长λmax和相应的摩尔吸光系数κmax反映了构成有机分子部分结构的发射团的特征。

紫外-可见吸收光谱的产生

17:23:54M+热M+荧光或磷光E=E2-

E1=hν量子化；选择性吸收；吸收曲线与最大吸收波长表征参数：

max；κmaxM+

h

→M*基态激发态E1

（∆E）E2

不同分子发生能级跃迁时，ΔE及所吸收光的波长不同。由λ、κ分子结构的相关关系结构鉴定。250300350400nm1234λ电子跃迁与分子吸收光谱17:23:54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。分子有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级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+ErΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

电子的能级跃迁17:23:54

分子轨道理论：分子中电子轨道有σ成键轨道和σ*反键轨道，π成键轨道和π*反键轨道和n未成键轨道能量高低：σ<π<n<π*<σ*基态时成键电子占据成键轨道，未成键孤对电子占据非键轨道分子吸收紫外或可见光辐射后，电子就由基态跃迁到激发态的反键轨道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。电子跃迁和吸收带类型17:23:54

有机化合物的紫外-可见吸收光谱是三种电子、四种跃迁的结果：σ电子、π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ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s

*RKE,BnpECOHnpsH1.σ→σ＊跃迁17:23:54

所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外线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λ<200nm。例：甲烷λmax为125nm,乙烷λmax为135nm，环丙烷（饱和烃中最长）λmax为190nm。在近紫外没有饱和碳氢化合物的光谱，需真空紫外分光光度计检测；可作为溶剂使用。2.n→σ＊跃迁17:23:54

所需能量较大,但比σ→σ＊小。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→σ*跃迁。n→σ*跃迁所需能量取决于带有n电子的原子的性质以及分子结构。

3.n

→π＊跃迁17:23:54

由n→π*跃迁产生的吸收带称为R带(德文Radikal)。能量最小；200～700nm；κmax<103L·mol-1·cm-1较小（一般小于100），弱吸收，禁阻跃迁。分子中同时存在杂原子和双键产生n→π*跃迁。C=O，N=N，N=O，C=S基团中氧原子被硫原子取代后吸收峰发生红移；

C=O：n→π*，λmax280～290nm；C=S（硫酮）：n→π*，λmax400nm左右。

R

带在极性溶剂中发生蓝移。正己烷中：279nm；乙醇中：272nm；水中：264nm。

4.

π→π＊跃迁17:23:54

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，κmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属强吸收。不饱和烃π→π*跃迁：C=C发色基团，但

→

*，λmax200nm。乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，κmax为：1×104L·mol-1·cm-1。CCHHHH助色基团取代

*发生红移。共轭双键体系的

π→π＊跃迁17:23:54

共轭双键结构的分子出现K吸收带。能量小，近紫外区，κmax>104L·mol-1·cm-1

，强吸收。（1）K带（德Konjugation，共轭）——非封闭共轭体系的

→*

跃迁丁二烯（CH2＝CH—CH＝CH2）K带：λmax=217nm，κmax=21000L·mol-1·cm-1

。极性溶剂使K

带发生红移。苯乙烯、苯甲醛、乙酰苯等，也都会出现K

带。紫外-可见吸收光谱常用术语17:23:54非发色团

在200～800nm近紫外和可见区域内无吸收的基团。只具有σ键电子或具有σ键电子和n非键电子的基团为非发色团；一般指的是饱和碳氢化合物和大部分含有O，N，S，X等杂原子的饱和化合物；对应的跃迁类型σ→σ*跃迁和n→σ*跃迁，大部分都出现在远紫外区。2.发色团

17:23:54

在近紫外和可见区域有特征吸收的基团。发色团的电子结构特征是具有π电子：C＝C，C＝O，C≡N，N＝N，N＝O，NO2等。一个双键：π→π*跃迁,强吸收，远紫外区。多个发色团（共轭）：吸收出现在近紫外区。发色团对应跃迁类型是π→π*和n→π*。在紫外光谱中，发色团并非一定有颜色。3.助色团

17:23:54

具有非键电子n的基团：—NH2，—NR2，—OH，—OR，—SR，—Cl，—SO3H，—COOH等；本身在紫外和可见光区无吸收；至少有一对能与π电子相互作用的n电子；相当于共轭体系(ΔΕ)，使发色团λmax

（红移），“助色”能力：F<CH3<Cl<Br<OH<OCH3<NH2<NHCH3<N(CH3)2<NHC6H5<O-。4.红移-蓝移17:23:54红移：由取代基或溶剂效应引起的使吸收向长波长方向移动称为红移。蓝移：使吸收向短波长方向移动称为蓝移。

增色效应—κmax；减色效应—κmax；强带—κmax≥104

L·mol-1·cm-1

弱带—κmax<103L·mol-1·cm-1

；

溶剂影响

17:23:54紫外-可见吸收常用的溶剂

常见溶剂：环己烷、95％的乙醇和二氧六环。杂质去除：活性硅胶过滤的方法来去除溶剂中微量的芳香烃和烯烃杂质。非极性溶剂：环己烷，“透明”极限波长210nm；极性溶剂：95％的乙醇，透明”极限波长是210nm。溶剂选择时需要考虑的因素：

①溶剂本身的透明范围；

②溶剂对溶质是惰性的；③溶剂对溶质要有良好的溶解性。

光吸收定律（朗伯-比耳定律）17:23:54

A＝lg（I0/It)=-lgT=κcl

式中A：吸光度，描述溶液对光的吸收程度；

l：液层厚度(光程长度)，通常以cm为单位；

c：溶液的摩尔浓度，单位mol·L-1；

κ：摩尔吸光系数，单位L·mol-1·cm-1；

或

A＝lg（I0/It)=alρ

ρ

：溶液的质量浓度，单位g·L-1

a：吸光系数，单位L·g-1·cm-1

a与κ的关系为：a=κ/M（M为摩尔质量）吸收曲线的讨论：17:23:54①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λmax。②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同③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。④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λmax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。⑤在λmax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。光路图基本组成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：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500nm。紫外区：氢、氘灯。发射185～400nm的连续光谱。光源单色器信号放大和测量检测器样品池显示

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。3.样品池

试样室：吸收池(比色皿)+池架附件。吸收池：石英池，玻璃池。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。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。复杂，价高。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。17:23:542.溶剂的影响

17:23:54

对烯和炔影响较小，但使酮峰值位移。（1）极性溶剂对n→π*跃迁的影响规律：极性溶剂使n→π*吸收带发生蓝移，κmax；极性，蓝移的幅度。为什么？原因：Cδ+=Oδ-极性，激发态时O电子云密度，键极性；基态时的作用强，基态能量大，激发态能量小。能级间的能量差，蓝移。

（2）极性溶剂对π→π*跃迁的影响

17:23:54规律：使π→π*吸收带发生红移，κmax略有降低。原因：C=C基态时，两个π电子位于π成键轨道上，无极性；π→π*跃迁后，分别在成键π和反键π*轨道上，C+=C-，极性，与极性溶剂作用强，能量。能级间的能量差，红移。使分子的吸收峰向长波方向移动的效应称红移。使分子的吸收峰向短波方向移动的效应称蓝移。17:23:54极性溶剂致使π→π*跃迁的K带发生红移。

既有K带又有R带时，溶剂极性越大则K带与R带的距离越近(K带红移,R带蓝移)，见图(因为R在右，K在左)；而随着溶剂极性的变小两个谱带则逐渐远离。

共轭烯：共轭使π-π*的ΔE↓，吸收峰红移，强度增大，这种吸收带称K吸收带（共轭带）有σ、π、n电子，可产生n-σ*、π-π*、n-π*，其中n-π*跃迁在270－300nm称R吸收带（基团带）溶剂的影响17:23:54非极性→极性n

→

*跃迁：蓝移，，κ

。→*跃迁：红移，，κ。极性溶剂使精细结构消失。1：乙醚2：水12250300λ/nm乙酰丙酮的紫外-可见吸收光谱17:23:54（3）发色团取代苯衍生物17:23:54

具有双键的基团的取代，它与苯环共轭在200～250nm出现K带，使B带发生强烈红移，有时B带被淹没在K带之中。

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