紫外可见分子吸收光谱法

第三讲：紫外－可见分光光度法Ultraviolet-VisibleSpectrophotometry内容简介（outline）紫外可见分光光度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。发生电子能级跃迁需要吸收光的波长恰好落在紫外－可见光区域。因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也称之为电子光谱。

原理ΔＥ分子＝ΔＥ电子＋ΔＥ振动＋ΔＥ转动hνhν一、分子电子光谱的产生电子能级S0电子能级S1电子能级S21~20eV电子光谱<0.05eV转动光谱0.05~1eV振动光谱有机化合物电子能级跃迁分子轨道理论由HOMO跃迁到LUMO σ<π<n<π*<σ*有机化合物电子跃迁类型：1.σ→σ*跃迁：饱和烃（甲烷，乙烷）E很高，λ<150nm（远紫外区）2.n→σ*跃迁：含杂原子（N、O、卤素、S）饱和基团E较大，λ150~250nm（真空紫外区）3.π→π*跃迁：不饱和基团（—C＝C—，—C＝O）E较小，λ~200nm体系共轭，E更小，λ更大其特征是摩尔吸光系数大，一般max104，为强吸收带4.n→π*跃迁：含杂原子（O、N、S等）不饱和基团（—C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外区）；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。其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。

有机化合物的紫外-可见吸收光谱无机化合物紫外-可见吸收光谱

产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。1、电荷迁移跃迁在不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。此外，一些具有d10电子结构的过度元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色。

2、配位场跃迁配位场跃迁包括d-d

跃迁和f-f

跃迁。元素周期表中第四、五周期的过度金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过渡元素五个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。配位场跃迁吸收谱带的摩尔吸光系数小，一般

max<100，电荷转移跃迁则一般

max>104。二、几个基本术语：1、生色团（chromophore)

指分子中能吸收紫外或可见光的基团，它实际上是一些具有不饱和键和含有孤对电子的基团。。2、助色团(auxochrome)带有非键电子对的基团，如-OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等，它们本身不能吸收大于200nm的光，但是当它们与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸光度。3、红移与蓝移（紫移）

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(redorbathochromicshift)。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基团称为向红基团。在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移(紫移)效应(blueorhypsochromicshift)。这些会使某化合物的最大吸收波长向短波方向移动的基团(如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3)称为向蓝（紫）基团。4、增色效应和减色效应

最大吸收带的摩尔吸光系数max增加时称为增色效应；反之称为减色效应。5、强带和弱带

max104的吸收带称为强带；max103的吸收带称为弱带。R带：由含杂原子的生色团的n*跃迁所产生的吸收带。它的特点是强度较弱，一般100，吸收峰通常位于270nm以上。K带：由共轭体系的*跃迁所产生的吸收带。其特点是吸收强度大，一般104，吸收峰位置一般处于217~280nm范围内。B带：由芳香族化合物的*跃迁而产生的精细结构吸收带。B带是芳香族化合物的特征吸收，但在极性溶剂中时精细结构消失或变得不明显。E带：由芳香族化合物的*跃迁所产生的吸收带，也是芳香族化合物的特征吸收，可分为E1和E2带。苯在己烷中的紫外光谱E2三、有机化合物紫外-可见吸收光谱

1、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*。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。

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*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n*跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。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。

2、不饱和烃及共轭烯烃

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。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。举例：3、羰基化合物

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。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。羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是，羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团，如-OH、-Cl、-OR等，由于这些助色团上的n电子与羰基双键的电子产生n共轭，导致*轨道的能级有所提高，但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级，因此实现n*

跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。4、苯及其衍生物

苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm（MAX=60000）；E2带出现在204nm（MAX=8000）；B带出现在255nm（MAX=200）。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。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。5、稠环芳烃及杂环化合物

稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物（如吡啶、喹啉）的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此外，由于引入含有n电子的N原子的，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。影响紫外-可见吸收光谱的因素1.共轭效应： 共轭效应使共轭体系形成大键，结果使各能级间的能量差减小，从而跃迁所需能量也就相应减小，因此共轭效应使吸收波长产生红移。共轭不饱和键越多，红移越明显，同时吸收强度也随之加强。共轭体系跃迁发生在最高已占分子轨道(HOMO)和最低未占分子轨道（LUMO).更多的共轭(双键)将缩小HOMO-LUMO的能极差262.超共轭效应当烷基与共轭体系相连时，σ电子与共轭体系的电子云产生一定程度的重叠，扩大了共轭范围，使跃迁能量降低，吸收红移。CH2=CH-CH3

max（nm）

max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300273. 立体效应空间位阻：影响共平面性，从而影响共轭效应。λmax=466λmax=300邻位效应：苯环邻位取代影响共轭。跨环效应：两个基团虽不共轭，但由于空间的排列，他们的电子云仍能相互影响，使最大吸收波长和吸光系数改变λmax=292ε=292λmax=280ε~15028例：苯环上邻位取代基基越多，使得共平面性越差，共轭性越差，导致吸收蓝移溶剂对紫外—可见光谱的影响较为复杂。改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。4. 溶剂对紫外可见吸收光谱的影响

改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。下表为溶剂对亚异丙酮紫外吸收光谱的影响。正己烷CHCl3CH3OHH2O

*max/nm230238237243n

*max/nm329315309305

可以看出，当溶剂的极性增大时，由n

*跃迁产生的吸收带发生蓝移，而由*跃迁产生的吸收带发生红移。因此，在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。由于溶剂对电子光谱图影响很大，选择溶剂时注意下列几点：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化学稳定性。在溶解度允许范围内，尽量选择极性较小的溶剂。溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。pH值的影响：如果化合物在不同的pH值下存在的型体不同，则其吸收峰的位置会随pH值的改变而改变。溶剂的选择32小结

共轭效应、超共轭效应，使吸收红移；极性溶剂使*跃迁能量降低，吸收红移，使n*跃迁能量升高，吸收蓝移，反之亦然；立体效应影响键的共平面性，从而影响共轭性；酸度对共轭体系的影响也很大。III.朗伯-比尔定律

当一束单色光穿过透明介质时，吸光度与吸收介质的厚度以及光路中吸光微粒的数目成正比。吸光度透光度入射光强透射光强吸光系数介质厚度物质浓度

先考察在吸收介质中,吸收层厚度为dx的小体积元内的吸收情况。光强为Ix的光束通过吸收层后,减弱了dIx，-dIx/Ix表示吸收率。根据量子理论,光束强度可以看作是单位时间内流过光子的总数，于是-dIx/Ix可以看作是光束通过吸收介质时每个光子被物质分子吸收的平均几率。从另一方面看,只有在近似分子尺寸的范围内,物质分子与光子相互碰撞时才有可能捕获光子。bb

如果浓度以重量浓度表示，吸光物质的分子量为M，则：当吸收介质内只有一种吸光物质存在时，上式简化为：式中a是吸收系数，单位是l/(g.cm)；a=/M。与分子吸收截面、跃迁几率相关L/mol.cm吸收定律的适用性

吸收定律俗称比尔定律，其成立条件是(1)入射光为平行单色光且垂直照射.(2)吸光物质为均匀非散射体系.(3)吸光质点之间无相互作用.(4)辐射与物质之间的作用仅限于光吸收,无荧光和光化学现象发生.偏离比尔定律的因素：1、本身的局限－稀溶液（<0.01mol/l)2、化学因素－解离、缔合、生成络合物或溶剂化3、仪器因素－非单色光、杂散光(非吸收光)等等吸收点IV.紫外-可见分光光度计组成部件

紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号系统。光源（LightSource）

常用的光源有热辐射光源和气体放电光源。热辐射光源：钨灯、卤钨灯（300-2500

nm）。两者均在可见区使用,卤钨灯的使用寿命及发光效率高于钨灯。气体放电光源：氢灯或氘灯190-400

nm,在紫外区使用。卤钨灯氘灯吸收池（cuvette）

用于盛放试液。石英池用于紫外-可见区的测量，玻璃池只用于可见区。检测器

简易分光光度计上使用光电池或光电管作为检测器。目前最常见的检测器是光电倍增管，有的用二极管阵列作为检测器。

光谱图

工作原理

紫外-可见分光光度计，按其光学系统可分为单波长与双波长分光光度计、单光束与双光束分光光度计。1、单光束分光光度计

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。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。2、双光束分光光度计

经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。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，还能自动消除光源强度变化所引起的误差。3、双波长分光光度计

由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长（1和2）的单色光；利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA（ΔA=A1-A2）。对于多组分混合物、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，利用双波长分光光度法，往往能提高方法的灵敏度和选择性，获得导数光谱。

4、多通道和光导纤维探头式分光光度计

紫外－可见分光光度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用原子发射光谱法或化学分析法。在有机化合物的定性分析鉴定及结构分析方面，由于紫外－可见光谱较为简单，光谱信息少，特征性不强，而且不少简单官能团在近紫外及可见光区没有吸收或吸收很弱，因此，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。此外，它可配合红外光谱法、核磁共振波谱法和质谱法等常用的结构分析法进行定性鉴定和结构分析，是不失为一种有用的辅助方法。V.定性和定量分析一、定性分析二、定量分析

定性鉴别纯度检查和杂质限量测定单组分的定量方法多组分的定量方法定性分析定性鉴别比较法比较吸收光谱曲线用经验规则计算最大吸收波长后与实测值进行比较所谓比较法，就是在相同的测定条件（仪器、溶剂、pH等）下，1. 比较未知纯试样与已知标准物的吸收光谱曲线，如果它们的吸收光谱曲线完全等同，则可以认为待测样品与已知化合物有相同的生色团。2. 借助于前人汇编的以实验结果为基础的各种有机化合物的紫外-可见光谱标准谱图，或有关电子光谱数据表。利用标准谱图或光谱数据比较时，常用的标准谱图有以下的四种：

[1]SadtlerStandardSpectra(Ultraviolet),Heyden,London,1978.萨特勒标准图谱共收集了46000种化合物的紫外光谱。

[2]R.A.FriedelandM.Orchin,“UltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofAromaticCompounds”,Wiley,NewYork,1951.本书收集了597种芳香化合物的紫外光谱。

[3]KenzoHirayama：“HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds.”,NewYork,Plenum,1967。

[4]“OrganicElectronicSpectralData”，JohnWileyandSons，1946～（这是一套由许多作者共同编写的大型手册性丛书，所收集的文献资料由1946年开始，目前还在继续编写）。最大吸收波长计算法当采用其他物理和化学方法判断某化合物有几种可能结构时，可用经验规则计算最大吸收波长max，并与实测值进行比较，然后确认物质的结构，有伍德沃德（Woodward）规则和斯科特（Scott）规则。1．Woodward-Fieser经验规则计算共轭二烯、多烯烃及共轭烯酮类化合物π—π*跃迁最大吸收波长的经验规则。计算时，先从未知物的母体对照表得到一个最大吸收的基数，然后对连接在母体中π电子体系(即共轭体系)上的各种取代基以及其他结构因素按表所列的数值加以修正，得到该化合物的最大吸收波长。表1计算二烯烃或多烯烃的最大吸收波长位置

（注意：当两种情形的二烯烃体系同时存在时，选择波长较长的为其母体系统，即选用基数为253nm）其他结构因素的修正值几种不饱和羰基化合物的计算其他结构因素的修正值几种不饱和羰基化合物的计算例4计算，并指出在不饱和酮分子中的那个位置有取代基？解:

没有取代基的：α，γ

有取代基的：β和δ

基值215nm

取代基β(1×12)12nmδ(1×18)18nm

环外双键(1×5)5nm

共轭系统的延长(1×30)30nm

280nm例4

解:

AB

基值215nm215nm

烷基取代γ18nm18nmδ18×2nm18nm

同环共轭双键39nm0

环外双键05nm

共轭系统的延长30nm30nm

338nm286nm同分异构体(A)和(B)

最大吸收波长计算法2．Scott经验规则是计算芳香族羰基化合物衍生物的最大吸收波长的经验规则。计算方法与伍德沃德规则相同最大吸收波长计算法顺反异构体的判别一般来说，顺式异构体的max比反式异构体的小。互变异构体的测定结构分析构象的判别例如，-卤代环己酮有两种构象：C–X键可为直立键（I），也可为平伏键（II）。前者C=O上的电子与C–X键的电子重叠较后者大，因此前者的max比后者大。据此可以区别直立键和平伏键，从而确定待测物的构象。结构分析如果一化合物在紫外-可见区没有吸收峰，而其中的杂质有较强的吸收，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。如果一化合物在紫外-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。纯度检查定量分析1、单组分的定量方法a．吸光系数法b．标准曲线法c．对照法：外标一点法a．吸光系数法（绝对法）例：维生素B12

的水溶液在361nm处的百分吸光系数为207，用1cm比色池测得某维生素B12溶液的吸光度是0.414，求该溶液的浓度。解：例：精密称取B12样品25.0mg，用