紫外光谱教学用ppt

药物波谱解析—紫外光谱李文龙Email：wshlwl@;Tel江大学药学院

内容提纲药物结构与其紫外光谱的关系31233谱学有关的基本概念紫外光谱基础紫外光谱在药物研究中的应用3431谱学有关的基本概念何为波谱？分子能级与吸收光谱2紫外光谱基础物质对光的吸收是选择性的，利用被测物质对某波长的光的吸收来了解物质的特性，这就是光谱法的基础。紫外-可见吸收光谱基本概念价电子原子壳层中最外层电子，仅考虑未满壳层中的电子。分子轨道成键轨道σ、π；反键轨道σ*、π*；非键轨道n分子轨道可以由分子中原子轨道波函数的线性组合而得到。有几个原子轨道就可以可组合成几个分子轨道，其中有一部分分子轨道分别由对称性匹配的两个原子轨道叠加而成，两核间电子的概率密度增大，其能量较原来的原子轨道能量低，有利于成键，称为成键分子轨道，如σ、π轨道（轴对称轨道）；同时这些对称性匹配的两个原子轨道也会相减形成另一种分子轨道，结果是两核间电子的概率密度很小，其能量较原来的原子轨道能量高，不利于成键，称为反键分子轨道，如σ*、π*轨道。还有一种特殊的情况是由于组成分子轨道的原子轨道的空间对称性不匹配，原子轨道没有有效重叠，组合得到的分子轨道的能量跟组合前的原子轨道能量没有明显差别，所得的分子轨道叫做非键分子轨道。分子轨道之间的跃迁类型基态激发态基态:能量最低状态S0激发态:电子处于反键轨道上为激发态σ→σ*跃迁π→π*跃迁n→π*跃迁n→σ*跃迁自学内容：跃迁选率与禁阻跃迁⑴σ→σ＊跃迁

所需能量最大，σ电子只有吸收远紫外光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，只能被真空紫外分光光度计检测到)。如甲烷的λ为125nm,乙烷λmax为135nm。⑵

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，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。如一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λ分别为173nm、183nm和227nm。⑶π→π＊跃迁

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，摩尔吸光系数εmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，属于强吸收。不饱和烃、共轭烯烃和芳香烃类均可发生该类跃迁。如：乙烯π→π*跃迁的λ为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm-1。⑷n→π＊跃迁

需能量最低，吸收波长λ>200nm。这类跃迁在跃迁选律上属于禁阻跃迁，摩尔吸光系数一般为10～100L·mol-1·cm-1，吸收谱带强度较弱。分子中孤对电子和π键同时存在时发生n→π＊

跃迁。丙酮n→π＊跃迁的λ为275nm,εmax为22L·mol-1·cm-1（溶剂环己烷)。紫外光谱区域划分及图示远紫外区：10-200nm近紫外区：200-400nm可见光区：400-800nm吸光度:A=abc百分透过率:T=I/I0A=lg(I0/I)=lg(1/T)吸光系数的物理意义：吸光物质在单位浓度、单位厚度时的吸光度。是定性和定量的依据。有两种表示方法：摩尔吸光系数（ε）：在一定波长时，浓度为1mol/L、厚度为1cm时的吸光度。多用于分子结构研究。百分吸光系数（比吸光系数，EM）：在一定波长时，浓度为1%（W/V）、厚度为1cm时的吸光度。多用于含量测定。紫外光谱吸收带分类根据跃迁类型的不同和信号在紫外光谱中的位置，可分为四类：(1)R吸收带：杂原子生色团中（如C=O、NO2）n电子向反键π*轨道跃迁所致（n→π*）。其波长较长，但强度很弱。CH3CHO中C=O的n→π*跃迁所产生的λ290nm，ε1.7。(2)K吸收带：含共轭双键分子中π→π*跃迁所致。λ>200nm,ε很大(>103).(3)B吸收带:指闭合环状共轭双键分子中π→π*跃迁所致。是芳环的主要特征吸收带，其波长较长，但强度较弱。如苯的B吸收带波长为256nm，ε=21.5。

若芳香族化合物同时有K吸收带、B吸收带、R吸收带紫外吸收，则λ：R>B>K;ε:R<B<K(4)E吸收带:也是芳环化合物的特征吸收带，源于苯环中三个烯双键的π→π*跃迁。可分为E1带和E2带。λ(E1)<200nm,λ(E2)>200nm;但ε(E1)>ε(E2)。常用术语1.发色团：分子中可以吸收光子而导致电子跃迁的基团含π→π*或n→π*跃迁的基团如C=C、C=O、-N=N-、NO2、-C=S等2.助色团：杂原子的饱和基团，与发色团或饱和烃相连，可使分子吸收光的波长增大、吸收强度增加。一般都是含n电子的基团如-OH、-NH2、-Cl、-SR、-OR等。3.长移、短移长移：长波方向移动，又称红移短移:短波方向移动，又称蓝（紫）移4.增色效应和减色效应吸收强度增加称增色效应或浓色效应使吸收强度减弱称减色效应或淡色紫外光谱的影响因素发色团共轭的影响：能有效降低电子跃迁所需要的能量，使吸收带发生红移和增色作用。助色团及烷基取代的影响：当烯、炔及芳香环等结构中不饱和碳上的氢被助色团取代时，由于n-π共轭，使吸收带发生红移和增色作用。乙烯：λmax166nm（15000）；丁二烯：λmax217nm（21000）λmax：254nmλmax：280nmλmax：261nm3.隔离效应：当不含杂原子的饱和基团C引入共轭体系A-B中成为A-C-B体系时，A与B间的共轭作用被阻止，成为两个独立的生色团，即C具有隔离效应。4.加和规律：3中A-C-B体系的紫外光谱就是A和B结构的紫外光谱的加和，即一个化合物的紫外光谱为该分子中相互不共轭部分的结构单元紫外光谱的加和，这一现象称为加和规律。一个溶液体系也是如此。5.空间效应的影响空间位阻的影响：由于空间阻碍，导致体系共轭程度下降，吸收带蓝移。顺反异构的影响：反式异构体的空间位阻小，共轭程度高，吸收带红移。分子构象的影响：自学内容跨环共轭效应的影响：自学内容(1).共轭程度增加,将导致红移,吸收强度也增加.如苯的E2λmax=204nm,ε=7400;

联苯λmax=252nm,ε=19000单键扭曲，空间位阻降低共轭程度.

如2-2’-二甲基联苯的紫外光谱类似于甲苯.酮式结构的吸收波长远小于烯醇式(2)构型的影响:在取代烯化合物中，一般反式异构体的π→π*跃迁位于长波端，吸收强度也较大。而顺式则相反。如：二苯乙烯，反式：λmax=295.5nm,ε=29000

顺式:λmax=280nm,ε=10500肉桂酸,反式：λmax=295nm,ε=27000

顺式:λmax=280nm,ε=13500花青色素类化合物R1=R2=R3=R4=HR1=CH3，R2=R3=R4=HR4=CH3，R1=R2=R3=HR1=R4=CH3，R2=R3=HΛmax/nm470510（双键扭曲）473510（双键扭曲）在环体系中:

松香酸左旋海松酸λmax=235nm,ε=16100

λmax=270nm,ε=7100

同环双键，张力大，双键扭曲(3).构象的影响：一般地,λmax(axial,直立键)>λmax(equatorial，平伏键).如:胆甾烷-3-酮

2位无取代时,λmax=286nm,logε=1.36

2-Cl取代时,λmax(axial)=299nm,logε=1.53(+13)

λmax(equatorial)=276nm,logε=1.10(-10).(4).跨环共轭效应指分子中两个非共轭基团处于一定的空间位置，尤其是在环状体系中，有利于生色团电子轨道间的相互作用。由此产生的光谱既不是两个生色团的加合,也不同于二者共轭的光谱.λmax=310nm,ε=292λmax=287nm,ε=1476.溶剂效应(1)非极性化合物的吸收位置在极性溶剂和非极性溶剂中一般无明显差异。共轭双烯化合物受溶剂极性影响较小，而不饱和羰基化合物受其影响大。(2)通常极性溶剂使R吸收带（n→π*）蓝移，而使K吸收带（π→π*）红移。下表为溶剂对4-甲基-3-戊烯-2-酮紫外吸收光谱的影响。

正己烷CHCl3CH3OHH2O

π→π*max/nm230238237243

n→π*

max/nm329315309305(3)与样品分子形成氢键。如溶剂与羰基形成氢键，则n→π*的吸收峰蓝移。(4)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。精细结构

紫外光谱的测定大都是在溶液中进行的，绘制出的吸收带大都是宽带，这是因为分子振动能级的能级差为0.05～1eV，转动能级的能差小于0.05eV，都远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也不可避免地会有变化，即电子光谱中不但包括电子跃迁产生的谱线，也有振动谱线和转动谱线，分辨率不高的仪器测出的谱图，由于各种谱线密集在一起，往往只看到一个较宽的吸收带。若紫外光谱在惰性溶剂的稀溶液或气态中测定，则图谱的吸收峰上因振动吸收而会表现出锯齿状精细结构。降低温度可以减少振动和转动对吸收带的贡献，因此有时降温可以使吸收带呈现某种单峰式的电子跃迁。溶剂的极性对吸收带的形状也有影响，通常的规律是溶剂从非极性变到极性时，精细结构逐渐消失，图谱趋向平滑。

在测定紫外、可见吸收光谱时，应注明在何种溶剂中测定。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注意所用的溶剂是否相同。紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：

（1）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。

（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。

（3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。

此外，要配制合理的浓度,以获得适中吸收强度谱图。选择溶剂7.其他影响氢键的影响：溶质分子内形成氢键会使吸收带红移；溶质分子间形成氢键使相关吸收带发生蓝移。互变异构：某些化合物在溶液中可能存在两种或多种互变异构体，这些异构体的互变过程常伴随着双键的位置移动和共轭体系的变化。温度的影响：温度降低，减小了振动和转动对吸收带的影响，出现精细结构，温度升高，分子碰撞频率增加，精细结构消失，谱带变宽。测量仪器的影响：仪器要定期校正。药物结构与其紫外光谱的关系333.3定性分析

max：化合物特性参数，可作为定性依据；有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性；计算吸收峰波长，确定共扼体系等甲苯与乙苯：谱图基本相同；结构确定的辅助工具；

max，

max都相同，可能是一个化合物；标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图

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定量分析朗伯—比耳定律数学表达式

A＝lg（I0/It)=εbc

式中A：吸光度；描述溶液对光的吸收程度；

b：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；

ε：摩尔吸光系数，单位L·mol－１·cm－１；

或:A＝lg（I0/It)=abc

c：溶液的浓度，单位g·L－１

a：吸光系数，单位L·g－１·cm－１

a与ε的关系为：

a=ε/M（M为摩尔质量）A.饱和烃及其衍生物：σ→σ*、n→σ*3.4药物结构及其紫外光谱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＜

150nmn→σ*H2OCH3CICH3BrCH3Iλmax/nm：167173204258取代元素的极性B.不饱和烃及共轭烯烃：σ→σ*、π→π*

(K

吸收带)化合物1,3-丁二烯1,3,5-己三烯1,3,5,7-辛四烯1,3,5,7,9-葵五烯1,3,5,7,9-,11十六烷基六烯λmax/nm217268304334364εmax21,00043,000121,000138,000C.羰基化合物：

n→π*(R

吸收带)、n→σ*、π→π*

醛、酮:n→π*λmax~270~300nmεmax~10-20α,β不饱和醛酮:n→π*λmax~310-330nmεmax~10~20

π→π*λmax~220-260nmεmax~10000羧酸及其衍生物:n→π*

存在助色团：-OH、-OR、-NH2、-Cl

形成n→π共轭，π轨道降低，π*轨道能量升高

n轨道能量不受影响，因此n→π*蓝移λmax~210nm识别α,β不饱和醛酮D.Woodward规则

计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的π→π*

最大吸收波长的Woodward经验规则。共轭双键λ=30nm

同环二烯λ=253nm

环外双键λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

同环二烯λ=253nm共轭双键λ=30nm环外双键λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm计算值：λmax

=303nm测定值：λmax

=306nm胆甾-2,4,6-三烯异环二烯λ=214nm

环外双键λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

烷基取代基λ=5nm

异环二烯λ=214nm环外双键λ=5nm烷基取代基λ=3×5nm计算值：λmax

=234nm测定值：λmax

=234nmα位烷基取代基λ=10nm

α,β-烯酮λ=215nm同环二烯λ=39nm共轭双键λ=30nm

环外双键λ=5nmα位烷基取代基λ=10nmδ位烷基取代基λ=18nm计算值：λmax

=317nm测定值：λmax

=314nmα,β-烯酮λ=215nm

共轭双键λ=30nm

同环二烯λ=39nm

环外双键λ=5nm

δ位烷基取代基λ=18nm

胆甾-2,4-二烯-6-酮参考文献：浅谈应用Woodward-Fieser规则的常见错误，化学教育，2011年3期。E.苯及其衍生物：π→π*

λmax~180nmεmax~60000λmax~204nmεmax~800λmax~255nmεmax~200化合物λmaxnmεmax×104λmaxnmεmax×103λmaxnmεmax苯1846.82048.8254250甲苯1895.52087.9262260苯甲酸23010270800苯甲醛33055242142801400苯乙烯24815282740F.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。PhCOR母体λ=246nm对位-OH取代基λ=25nm间位-OH取代基λ=7nm计算值：λmax

=278nm测定值：λmax

=279nm间位-OH取代基λ=7nm

PhCOR母体λ=246nm

对位-OH取代基λ=25nm

PhCOR母体λ=246nm

间位-Br取代基λ=2nm

邻位-烷取代基λ=3nm

PhCOR母体λ=246nm邻位-烷取代基λ=3nm间位-Br取代基λ=2nm计算值：λmax

=251nm测定值：λmax

=248nm3.5有机化合物结构辅助解析

3.5.1可获得的结构信息（1）200-400nm无吸收峰。饱和化合物，单烯。（2）

270-350nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮n→π*跃迁产生的R

带。（3）

250-300nm有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征吸收（具有精细解构的B带）。（4）

200-250nm有强吸收峰（ε

104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（

230nm）；

不饱和醛酮：K带

230nm，R带

310-330nm260nm,300nm,330nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。3.5.2

光谱解析注意事项(1)确认

max，并算出㏒ε，初步估计属于何种吸收带；(2)观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；(3)乙酰化位移B带：262nm(ε302)274nm(ε2040)261nm(ε300)(4)pH值的影响加NaOH红移→酚类化合物，烯醇。加HCl蓝移→苯胺类化合物。3.5.3

分子不饱和度的计算定义：不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。

计算：若分子中仅含一，二，三，四价元素(H，O，N，C)，则可按下式进行不饱和度的计算：

=（2+2n4+n3–n1）/2

n4，n3，n1

分别为分子中四价，三价，一价元素数目。

作用：由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。例：C9H8O2

=（2+29

–8）/2=63.5.4解析示例

有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱

max=231nm（ε9000）,

此化合物加氢只能吸收2克分子H2，，确定其结构。解：①计算不饱和度

=3；两个双键；共轭？加一分子氢②

max=231nm，③可能的结构

④计算

max

max：232273268268

max=非稠环二烯（a,b）+2×烷基取代+环外双键=217+2×5+5=232（231）吸收波长计算立体结构和互变结构的确定顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000共平面产生最大共轭效应，εmax大互变异构：

酮式：λmax=204nm；无共轭

烯醇式：λmax=243nm取代苯吸收波长计算紫外光谱在药物研究中的应用344.1紫外光谱的几个经验规律规律一:

如果在200-400nm间无吸收峰,则该化合物应无共轭系统或为饱和的有机化合物.规律二:1.若在270-350nm间有弱吸收(ε=10-100),并且在200nm以上无其它吸收,则该化合物应含有一个带孤电子的未共轭生色团.如>C=O(醛,酮),>C=S.

若是羧酸,酯或酰胺时,λmax=205nm,ε=10-100(与醛,酮区别).2.若紫外光谱中有多个峰,有的甚至在可见区,则该化合物应有一个长链共轭体系或是一个稠环芳烃,或是含有-NO2,-N=N-的芳烃.如果化合物有色,则一般至少有4-5个互相共轭的生色团(双键).3.化合物的长波吸收峰在250nm以上,ε在1000-10000时,一般是芳香族化合物.若化合物的长波峰吸收强度更强,ε在10000-100000时,则极有可能是α,β-不饱和醛酮或共轭烯烃.规律三:woodword规则(估计取代共轭双烯的λmax)异环双烯的基值Λmax=214nm同环双烯的基值Λmax=253nm官能团变化对λmax的影响共轭体系增加一个双键+30共轭体系增加一个环外双键+5共轭体系增加一个烷基+5助色团取代，-Cl，-Br-OR-SR-NR2-OCOR+5+6+30+600溶剂校正0试推测下列两化合物的UV谱:A:λmax=253+4x5+2x5=283(282)nmB:λmax=214+3x5+1x5=234(234)nm规律四：Fieer-Kuhn规则（计算取代取代共轭多烯的λmax）λmax=114+5M+n（48.0-1.7n）-16.5Rendo-10Rexoεmax=1.74X104XnM为烷基数目,n为共轭双键数目,Rendo为环内有双键的环的数目,Rexo为环外有双键的环的数目.β胡罗卜素λmax=114+5×10+11(48-1.7×11)-16.5×2=453.3nm

规律五:Woodword-Fieser-Nielsen规则(计算取代的α,β-不饱和醛酮及酸和酯的λmax)

基值(非环,六元环或大环)(1)醛酮:215nm；

(2)酸酯:193nm官能团变化对λmax的影响α,β-不饱键在五元环中-13醛-6每延伸一个共轭双键+30同环共轭双烯+39环外双键+5每个烷基取代αβγ或更远δ+101218每个极性基团,-OHαβγδ+35+30+30+50-ORαβγδ+35+30+17+31-SRβ+85-OAcαβγδ+6-NR2β+95-Clαβ+15+12-Brαβ+25+30溶剂校正：甲、乙醇氯仿

1，4-二氧六环乙醚环己烷，己烷水0-1-5-7-11+8λmax=215+30×2+39+12+18×3+5

=385(388)nmλmax=215+10+12×2+5×2=259(254)nmλmax=193+12×2+5=222(220)nm规律六：单取代苯、二取代苯及稠环芳烃苯的紫外光谱具有三个吸收峰E1带λmax=184，ε=4.7×104.E2带λmax=204，ε=7.4×103.B带(是一精细结构带)λmax=254，ε=230.苯被有非键电子(助色团)或紧接环的π电子(生色团)基团取代后,其E2带和B带(其精细结构往往会消失)都会向长波方向移动.红移效应大小的顺序:给电子基团-O->-NH2>-OCH3>-OH>-Br>-Cl>-CH3吸电子基团:-NO2>-CHO>-COCH3>-COOH>-CN,-COO->NH3+

显然,对于光谱影响的大小与取代基的拉电子和推电子程度有关.只要扰乱了共轭体系电子云的分布,都要发生红移.2.对于二取代苯的λmax的估计,有下面4个有用的规则:当一个吸电子基和一个给电子基互相处于对位时,产生协同作用,故λmax显著红移.(2)当一个吸电子基和一个给电子基互相处于间或邻位时,该光谱与单取代芳香化合物的光谱仅稍有不同.(3)当两个吸电子基或两个给电子基互相处于对位时,该光谱与单取代芳香化合物的光谱相近.基值Z=烷基或环残基(酮)246nm;Z=H(醛)250;Z=OH或OR(酸或酯)230每个取代基的增值R=烷基或环残基O,MP+3+10R=OH或ORO,MP+7+25R=O-OMP+11+20+78R=ClO,MP0+10R=BrO,MP+2+15R=NH2O,MP+13+58R=NHAcO,MP+20+45R=NHMeP+73R=Nme2O,MP+20+85(4)取代苯衍生物RC6H4COZ的λmax估算符合Scott经验规律.

Λmax=246+7+25+3=281(279)nm

4.2有机化合物紫外光谱的解析与应用紫外谱图和数据检索自学内容：Sadtler(萨特勒)红外光谱数据库联网检索：Sadtler红外谱图数据库检索(世界上最大的红外谱图库)science-softCon

UV/Vis

Spectra

Data

Base

(紫外/可见光谱图)

α-紫罗兰酮的λmax值用Woodword规则计算为227nm（实测为228nm），而β-紫罗兰酮的λmax值计算为299nm（实测为296nm）。显然二者的UV谱有明显的区别，β-紫罗兰酮由于双键共轭，其紫外吸收波长较α-紫罗兰酮明显移到长波方向。α-紫罗兰酮

β-紫罗兰酮例2．下列双烯在乙醇中的λmax分别是231（21000）；236（12000）；245（18000），试判断这些吸收峰分属哪个化合物？ABCA：λmax=214+5×4+5×2=244nmB：λmax=214+5×4=234nmC：λmax=214+5×2+5=229nm3例3.2-(1-环己烯基)-2-丙醇的水解产物结构

产物λmax=242nm（10100）ABA：λmax=214+5×3=229nmB：λmax=214+5×4+5=239nm（正确）例4、如下图所示化合物Hoffman消去反应产生烯类化合物，产物的紫外吸收为λmax=236.5nm,判断产物结构为A或B?A：λmax=215+5+10=230nmB：λmax=215+10+12=237nm（正确）例5.下列两化合物的λmax最有可能分别为A.346nm、261nm；B306nm、243nm；C279nm、230nm；D350nm、251nm(A).A：λmax=193+30+39+35+12+18×2=3