第四章紫外可见吸收与分子荧光光谱法

第四章紫外可见吸收与分子荧光光谱法第1页，共83页，2023年，2月20日，星期三一分子吸收光谱的产生1分子能级E=E0+E平

+E转

+E振

+E电子ΔE=ΔE转

+ΔE振

+ΔE电子分子吸收电磁辐射后的能量变化

§4-1

概述第2页，共83页，2023年，2月20日，星期三ΔE电子>ΔE振>ΔE转第3页，共83页，2023年，2月20日，星期三2

分子吸收光谱红外光谱

(λ:0.75-1000µm)电子能级跃迁紫外、可见吸收光谱

(λ:200-750nm)10－200nm:远紫外；200－400nm:近紫外400－750nm:可见光振动能级与转动能级跃迁第4页，共83页，2023年，2月20日，星期三二紫外、可见吸收光谱1吸收曲线特点连续的带状光谱第5页，共83页，2023年，2月20日，星期三分子对辐射能的吸收具有选择性，吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax。吸收曲线的形状、λmax及吸收强度等与分子的结构密切相关。第6页，共83页，2023年，2月20日，星期三胆甾醇异亚丙基丙酮共轭基团相同的不同分子，紫外、可见吸收光谱很相似。O=C–C=C两分子具有相同的共轭基团第7页，共83页，2023年，2月20日，星期三不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似，λmax不变，浓度越大，吸光度越大；在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大。第8页，共83页，2023年，2月20日，星期三2Lambert-Beer定律第9页，共83页，2023年，2月20日，星期三K:吸收系数

c单位为g•L-1时，吸光系数a(L•g-1•cm-1)。b:吸收光程（液层厚度），cm。c:吸光物质浓度。第10页，共83页，2023年，2月20日，星期三1)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第11页，共83页，2023年，2月20日，星期三3)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：第12页，共83页，2023年，2月20日，星期三

§4-2有机物和无机物的紫外、可见吸收光谱一有机物的吸收光谱与电子跃迁（一）电子跃迁类型nπσ第13页，共83页，2023年，2月20日，星期三第14页，共83页，2023年，2月20日，星期三1.σ→σ*跃迁

饱和键σ电子的能级跃迁

吸收光谱在远紫外区(或真空紫外区),

λmax<170nm。2.n→

σ*跃迁含有O、N、S、Cl、Br、I

等杂原子的饱和烃衍生物分子的电子能级跃迁吸收光谱位于远紫外区，λmax<200nm。第15页，共83页，2023年，2月20日，星期三3.跃迁化合物

λmaxCH2=CH2171nmCH2=CH2-CH2=CH2217nmCH2=CH2-CH2=CH2-CH2=CH2258nm电子从π轨道到π*轨道的跃迁,

值很大。吸收峰随双键共轭程度的增加向长波方向移动。第16页，共83页，2023年，2月20日，星期三4.跃迁不饱和键中杂原子上的n电子到π*轨道的跃迁。吸收峰在近紫外~可见区，ε值小。跃迁与跃迁的比较跃迁机率大，是强吸收带；跃迁机率小，是弱吸收带。基团跃迁类型λmaxεmax(L/mol·cm)－COORπ→π*1654000n→π*20550第17页，共83页，2023年，2月20日，星期三5.常用术语生色团能吸收紫外、可见光的结构单元，是含有非键轨道和π分子轨道的电子体系。第18页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)助色团是能使生色团吸收峰向长波方向位移并增强其强度的官能团，是带有非键电子对的基团。–OH,–NH2,–SH及卤族元素第19页，共83页，2023年，2月20日，星期三3)红移和蓝移(或紫移)红移：吸收峰的波长λmax向长波方向移动。蓝移(紫移)：吸收峰的波长λmax向短波方向移动。第20页，共83页，2023年，2月20日，星期三（二）有机物的吸收光谱1饱和烃及其取代衍生物化合物λmax(nm)

εmax

甲烷124

~

乙烷135

~

H2O167

1480CH3OH177

150

CH3Cl173

200CH3I257

365CH3NH2

215

600第21页，共83页，2023年，2月20日，星期三2不饱和烃1)非共轭不饱和烃CH2=CH-(CH2)2-CH3184nmCH2=CH-(CH2)2-CH=CH2

185nmCH2=CH2

171nm烯烃λmax第22页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)共轭不饱和烃CH2=CH-CH=CH-CH=CH2:λmax=258nm第23页，共83页，2023年，2月20日，星期三3)羰基化合物R带：n→π*跃迁，弱吸收K带：π→π*跃迁，强吸收RC=OY第24页，共83页，2023年，2月20日，星期三RC=OYK带:

红移R带:

蓝移R带:270~300nm

K带:~150nmY=H,RY=-NH2,-OH,-OR第25页，共83页，2023年，2月20日，星期三K带:

红移→220~260nmR带:

红移→310~330nmC=CC=OC=O=第26页，共83页，2023年，2月20日，星期三基团结构π→π*λmax(nm)n→π*λmax(nm)－C=O166280－C=C－C=O240320－C=C－C=C－C=O270350245435第27页，共83页，2023年，2月20日，星期三4)苯及其衍生物苯π→π*跃迁的三个吸收带E1带:

180nmε=60000E2带:

204nmε=8000B带:

250nmε=200第28页，共83页，2023年，2月20日，星期三苯环上的取代基使

B带简化、红移，吸收强度增大。苯甲苯苯胺化合物λmax(nm)(B带)εmax苯254200甲苯261300间二甲苯2633001,3,5-三甲苯266305第29页，共83页，2023年，2月20日，星期三苯环与羰基双键共轭羰基双键：K带和R带红移；苯环：B带简化，E2带与K带重合且红移乙酰苯的紫外吸收光谱第30页，共83页，2023年，2月20日，星期三5)稠环芳烃及杂环化合物苯的三个吸收带红移，且强度增加。苯环的数目越多，波长红移越多。第31页，共83页，2023年，2月20日，星期三二无机物的吸收光谱与电子跃迁1电荷转移吸收光谱无机络合物例：

λmax=490nm,εmax>104，定量测定灵敏度高。电子受体电子给予体第32页，共83页，2023年，2月20日，星期三2配位场跃迁在配体的配位场作用下，过渡元素5个能量相等的d轨道和镧系、锕系元素7个能量相等的f轨道分裂成几组能量不等的d轨道及f轨道，吸收辐射后，低能态的d或f电子分别跃迁至高能态的d或f轨道，即产生了d一d和

f一f

跃迁。第33页，共83页，2023年，2月20日，星期三八面体场∆E配位场跃迁属禁戒跃迁，吸收强度弱，εmax<102，不适合用于定量分析，但可用于研究配合物的结构及无机配合键理论等。第34页，共83页，2023年，2月20日，星期三三影响紫外、可见吸收光谱的因素1共轭效应的影响CH2=CH2

171nm10000CH2=CH-CH=CH2217nm21000CH2=CH-CH=CH-CH=CH2

258nm34000化合物

λmax(nm)

εmax

电子共轭体系增大，红移，增大。第35页，共83页，2023年，2月20日，星期三空间阻碍使共轭体系破坏，λmax蓝移，εmax减小。R=R'=Hλmax=294nm,εmax=27600

R=H,R'=CH3,

λmax=272nm,εmax=21000

第36页，共83页，2023年，2月20日，星期三2取代基的影响取代基-SR-NR2-OR-Cl-CH3红移距离(nm)45403055助色团取代，

π→π*跃迁吸收带发生红移。第37页，共83页，2023年，2月20日，星期三3溶剂的影响气态溶剂：环己烷溶剂：水对称四嗪在蒸气态、环己烷和水中的吸收光谱1)

对吸收谱带精细结构的影响第38页，共83页，2023年，2月20日，星期三无溶剂效应极性溶剂效应π*nnπππ*能量2)

对π→π*跃迁和n→π*跃迁的影响溶剂极性增加，

π→π*跃迁吸收带红移，

n→π*跃迁吸收带蓝移。第39页，共83页，2023年，2月20日，星期三π→π*和n→π*跃迁的溶剂效应溶剂正己烷CHCl3CH3OHH2Oπ→π*λmax/nm230238237243n→π*λmax/nm329315309305报告某物的紫外、可见吸收光谱时，需注明所使用的溶剂。第40页，共83页，2023年，2月20日，星期三3)

溶剂的选择a.

溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。b.

在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。c.

溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收第41页，共83页，2023年，2月20日，星期三

§4-3紫外-可见分光光度计显示一基本结构光源单色器样品池检测器第42页，共83页，2023年，2月20日，星期三1光源作用:提供辐射能激发被测物质分子，使之产生电子能级跃迁吸收光谱。连续光源可见区钨灯,碘钨灯紫外区氘灯,氢灯第43页，共83页，2023年，2月20日，星期三3吸收池石英吸收池：紫外－可见区使用。玻璃吸收池：可见区使用。4检测器

光电倍增管，二极管阵列检测器2单色器作用:由连续光源中分离出所需要的足够窄波段的光束。第44页，共83页，2023年，2月20日，星期三二紫外-可见分光光度计类型1单波长分光光度计1)单光束分光光度计缺点测量结果易受光源波动性的影响，误差较大第45页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)双光束分光光度计可自动扫描吸收光谱；自动消除光源强度变化带来的误差第46页，共83页，2023年，2月20日，星期三2双波长分光光度计双波长分光光度计结构特点两个单色器不需要参比溶液第47页，共83页，2023年，2月20日，星期三测量信号：第48页，共83页，2023年，2月20日，星期三}两波长处的背景吸收相等定量分析关系式：自动校正背景吸收原理适合测定混浊液第49页，共83页，2023年，2月20日，星期三

§4-4紫外-可见吸收光谱法的应用一定性分析1吸收曲线比较法吸收峰的数目，形状，λmax,

εmax等。1)

与标准谱图比较2)与标准化合物的吸收光谱比较第50页，共83页，2023年，2月20日，星期三维生素A1,λmax:326nm维生素A2,λmax:351nm第51页，共83页，2023年，2月20日，星期三A合成维生素维生素A2第52页，共83页，2023年，2月20日，星期三2计算不饱和有机化合物λmax的经验规则1)伍德沃德(Woodward-Fieser)规则适用于共轭烯烃(不多于四个双键)、共轭烯酮类化合物π→π*跃迁吸收峰λmax的计算。P79表4-9，表4-10第53页，共83页，2023年，2月20日，星期三P80例1异环二烯基数：214环外双键：52，3，5位烷基取代：4×5

λ计算：239nm共轭烯烃第54页，共83页，2023年，2月20日，星期三例：水芹烯有两种异构体，经其他方法测定其结构为A及B。其紫外光谱：α体的λmax为263nm(εmax为2500)，β体的λmax为231nm(εmax为900)。试问A及B何者为α体，何者为β体？基数：214环外双键：5烷基取代：2×5

λ计算：229nmA基数：253烷基取代：3×5

λ计算：268nmB第55页，共83页，2023年，2月20日，星期三基数：215增加一个共轭双键：30同环二烯：39环外双键：5α取代烷基：10δ取代烷基：18

λ计算：317nmP80例2

、不饱和羰基化合物第56页，共83页，2023年，2月20日，星期三例：根据红外光谱和核磁共振谱推定某一化合物的结构可能为(1)或(2),其紫外光谱的=284nm，通过计算说明其结构为何式。215-13-223512×2239nm第57页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)斯科特(Scott)规则适用于芳香族羰基取代衍生物λmax的计算基数：230对位胺基：58

λ计算：288nmλ测定：288nm第58页，共83页，2023年，2月20日，星期三二结构分析1判别顺反异构体顺式反式λmax=280nmεmax=13500λmax=295nmεmax=27000第59页，共83页，2023年，2月20日，星期三2判别互变异构体酮式:λmax=272nm,εmax=16烯醇式:λmax=243nm,εmax=16000第60页，共83页，2023年，2月20日，星期三三纯度的控制和检验乙醇含10ppm苯的乙醇苯溶液含10-6M蒽的苯溶液a)

根据吸收光谱判断b)

根据lgε判断例如：标准菲现测得某菲的精制品，说明精制品不纯。第61页，共83页，2023年，2月20日，星期三四定量分析1单组分定量方法校准曲线法第62页，共83页，2023年，2月20日，星期三2多组分定量方法1)解联立方程组{第63页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)双波长等吸收分光光度法ab(270nm)两个基本条件:选定的两个波长下干扰组分具有等吸收点选定的两个波长下待测组分的吸光度差值应足够大b组分测定波长第64页，共83页，2023年，2月20日，星期三△A标准曲线第65页，共83页，2023年，2月20日，星期三

§4-5分子荧光和磷光分析一

原理1

荧光和磷光的产生分子的多重度M=2s+1s:

电子自旋量子数的代数和单重态(S):分子中全部轨道

里的电子都是自旋配对的，即s=0,则M=1。S0:

基态单重态，S1:

第一激发单重态，S2:

第二激发单重态三重态(T):分子中具有两个自旋不配对的电子，即s=1,则M=3。T0:基态三重态，T1：第一激发三重态，T2：第二激发三重态。第66页，共83页，2023年，2月20日，星期三T1基态激发态单重态激发单重态激发三重态S1S0&T1的能量低于S1的能量第67页，共83页，2023年，2月20日，星期三(激发)系间窜跃kf激发态分子从单重激发态的最低振动能层经辐射回到基态的过程。荧光发射第68页，共83页，2023年，2月20日，星期三激发态分子从三重激发态的最低振动能层经辐射回到基态的过程磷光发射(激发)系间窜跃磷光第69页，共83页，2023年，2月20日，星期三激发光谱：将荧光（磷光）的发射波长固定在最大发射波长处,改变激发波长并测定相应的荧光（磷光）强度，由此得到的荧光(磷光）强度与激发波长的关系曲线即为激发光谱。发射光谱：将激发光波长固定在最大激发波长处,改变发射波长并测定相应的荧光（磷光）强度，由此得到的荧光(磷光）强度与发射波长的关系曲线即为发射光谱。2

激发光谱和发射光谱第70页，共83页，2023年，2月20日，星期三相对强度萘的激发、荧光和磷光光谱激发光谱荧光光谱磷光光谱第71页，共83页，2023年，2月20日，星期三荧光发射光谱的特点：1)Stokes位移：与激发光谱相比,发射光谱的波长总是出现在更长的波长处。2)发射光谱的形状与激发波长无关。3)吸收光谱与发射光谱呈镜像对称关系。

维生素B2荧光发射光谱第72页，共83页，2023年，2月20日，星期三第73页，共83页，2023年，2月20日，星期三1)跃迁类型与跃迁相比，跃迁的大100~1000倍，寿命较短，通过系间窜跃至三重态的速率也较小，因此跃迁的荧光效率较高。激发发射3荧光和分子结构的关系第74页，共83页，2023年，2月20日，星期三2)共轭效应化合物λ/nm苯0.07283萘0.29321蒽0.46400一般而言，π电子共轭体系越大，荧光效率越高，且荧光光谱红移。强荧光无荧光第75页，共83页，2023年，2月20日，星期三3)刚性平面结构酚酞(无荧光)荧光素(强荧光)刚性平面结构可减少分子的振动，使分子与溶剂和其它溶质分子的相互作用减小，因而有利于提高荧光效率。第76页，共83页，2023年，2月20日，星期三芴(=1.0)联苯(=0.18)滂