第七章：紫外可见吸收光谱与荧光光谱法-有机波谱分析-课件-

第七章：紫外可见吸收光谱与荧光光谱法Ultraviolet-visibaleandFluorescencespectrometry,UV-VisandFS2023/12/6第一节：紫外可见光谱原理1.紫外可见吸收光谱：对应于分子电子能级跃迁，波长范围在10~800nm之间，其中10~190nm为远紫外或真空紫外区，190~400nm为近紫外区，400~800nm为可见光区。除了远紫外区外，为紫外可见光谱测定范围。2023/12/62.紫外可见光谱的产生M+热M+荧光或磷光电子能级差：E=E2-

E1=h

能量是量子化的；只选择性吸收符合能量差的光入射光与透射光之比取对数称为吸光度以波长作为横坐标，吸光度作为纵坐标，得到的曲线称为该化合物的吸收曲线吸收曲线中吸收度出现极大值对应的波长称为最大吸收波长

max

M+

h

→M*基态激发态E1

（△E）E22023/12/6吸收曲线的讨论：①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度极大处对应的波长称为最大吸收波长λmax②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。2023/12/63.电子跃迁与分子吸收光谱有机化合物的紫外可见吸收光谱是其分子中外层价电子跃迁的结果有机化合物的外层电子包括σ电子、π电子、n电子。有机化合物主要有四种跃迁类型，根据所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊2023/12/6⑴σ→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。⑵n→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。2023/12/6⑶π→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)。2023/12/6紫外可见光谱常用概念术语：生色团：直接在紫外可见区产生吸收的化学结构。最有用的生色团是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C≡N等。助色团：能够使生色团吸收强度增大，最大吸收波长增加的化学结构。有n电子的基团(如-OH、-OR、-NH２、-NHR、-X等)，它们与生色团相连时，会发生n—π共轭作用，吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加。红移和蓝移：λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移

。增色和减色：吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应。2023/12/6朗伯—比耳定律

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）

透光度T:描述入射光透过溶液的程度:

T=It/I0

吸光度A与透光度T的关系:

A＝－lgT

2023/12/6朗伯—比耳定律是吸光光度法的理论基础和定量测定的依据。应用于各种光度法的吸收测量；摩尔吸光系数ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度；吸光系数a(L·g-1·cm-1）相当于浓度为1g/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。2023/12/6讨论（1）吸收物质在一定波长和溶剂条件下的特征常数；（2）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，ε仅与吸收物质本身的性质有关，与待测物浓度无关；（3）可作为定性鉴定的参数；（4）同一吸收物质在不同波长下的ε值是不同的。在最大吸收波长λmax处的摩尔吸光系数，常以εmax表示。εmax表明了该吸收物质最大限度的吸光能力，也反映了光度法测定该物质可能达到的最大灵敏度。

5）εmax越大表明该物质的吸光能力越强，用光度法测定该物质的灵敏度越高。ε>105：超高灵敏；ε=(6～10）×104：高灵敏；ε<2×104：不灵敏。（6）ε在数值上等于浓度为1mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。2023/12/6第二节

紫外—可见分光光度计Ultraviolet-visibalespectrometer2023/12/6仪器紫外-可见分光光度计2023/12/6仪器可见分光光度计2023/12/6一、基本组成光源单色器样品室检测器显示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。2023/12/6

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：透镜或反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。

2023/12/63.样品室

样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。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2023/12/6二、分光光度计的类型1.单光束型简单，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。仪器复杂，价格较高。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。2023/12/62023/12/6光路图2023/12/6第三节：有机化合物结构解析

1.紫外可见光谱的表述方法UV-Vis相关函数：A:吸光度,T:透光率（I/I0)，α:吸光系数，ε：摩尔消光系数,

λ:吸收波长。其相互关系如下：A=lg1/T=lgI0/I=αlc(为百分浓度）=εlc(摩尔浓度）UV-Vis光谱图表示方法：A-λ，ε-λ，lgε-λUV-Vis谱的表述：最大吸收波长：λmax,最大吸收度：εmaxxxxnm2023/12/62.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兰移→苯胺类化合物。2023/12/63.UV-Vis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。2023/12/62σ→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；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。只能被真空紫外分光光度计检测到；作为溶剂使用；2023/12/63n→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。2023/12/64

π→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，εmax一般在以上，属于强吸收。

（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104。K带——共轭非封闭体系的π→π*跃迁

C=C发色基团，但

→

*200nm。

max=162nm助色基团取代（K带)发生红移。2023/12/6不同类型化合物的UV-Vis光谱1.饱和化合物：200nm以上没有σ-σ*跃迁吸收，仅能看到n-π*吸收。含N,S,I,Br等杂原子可以看到。化合物n-π*εmax溶剂化合物n-π*εmax溶剂CH3OHCH3ClCH3BrCH3I177173202257200200264387己烷己烷庚烷庚烷CH3NH2(CH3)3NCH3SCH3174215199227210229220060040009001020140气态气态乙醇2023/12/62.烯、炔及其衍生物：独立非共轭不饱和烃一般π-π*跃迁吸收在200nm以下。当含有助色团（含有O,N,S,卤素,双键等）时发生红移。λmax185, 190, 228, 228Εmax10000, 10000, 10000 80002023/12/63.含杂原子的不饱和化合物具有n-π*跃迁，通常在200nm以上，但是强度较小。羰基化合物（醛、酮、羧酸、酯、酰卤、酰胺等），前两种最大吸收波长在270~300nm之间，后四种受取代基影响发生蓝移（表6-4p2620。硫羰基化合物（C=S)，最大吸收波长在~300nm左右。其他化合物（C=N,N=N,N=O,C=N等），一般可以看到n-π*跃迁，偶氮化合物在360nm,硝基化合物在275nm左右，但是通常很弱。。2023/12/6165nm217nm

₃

₁

₂

(HOMOLOMO)

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+

ni

i

4.共轭烯烃中的

→*2023/12/6异环（稠环）二烯母体：

max=214nm同环（非稠环或稠环）二烯母体：

max=253nmni

I: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）+6

2023/12/6Woodward-fieser计算规则：λmax=基值+取代基增值1.选择最长共轭链为母体2.分支上双键不算延长双键3.当取代基为两个双键共有，重复计算。4.当存在较大环张力时，计算误差大2023/12/6吸收波长计算2023/12/6最大吸收波长计算：214+5+5x4=239（249）253+5x2+5X5=323214+30+5+5X5=264214+5X2+5X4=244253+30+5X3+5X5=353253+5X3+5X4=288*2023/12/65.α-β不饱和共轭羰基化合物①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团K带红移，R带红移；R带

max=205nm；

10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③

不饱和醛酮K带红移：165

250nmR

带红移：290

310nm

2023/12/6α-β不饱和共轭羰基化合物K带计算：非环与六员环酮：215nm五员环酮：202nmα-β不饱和醛：207nm溶剂甲醇，水，氯仿，二氧六环，乙醚，己烷，环己烷校正值08-5-5-7-11-11

α-β不饱和共轭羰基化合物K带溶剂校正表基本值2023/12/6计算例题：215+10+2X12=249215+30+3X18=299215+30+12+18+5=280207+10+2X12=241207+2X12+5=236207+10+12X2=2412023/12/66.芳香烃及其杂环化合物

苯：E1带180

184nm；

=47000E2带200

204nm

=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2723002023/12/6苯环上助色基团对吸收带的影响2023/12/6苯环上发色基团对吸收带的影响2023/12/6取代苯吸收波长计算2023/12/6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2023/12/66.溶剂的影响非极性极性n

n

p

n<

p

n

p

非极性极性

n>

pn

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；

max(正己烷)

max(氯仿)

max(甲醇)

max(水)

230238237243n

3293153093052023/12/6溶剂的影响1：乙醚2：水12250300苯酰丙酮

非极性→极性n

→

*跃迁：兰移；；

→*跃迁：红移；；极性溶剂使精细结构消失；2023/12/6羰基化合物共轭烯烃中的

→*①Y=H,Rn→*

180-190nm

→

*

150-160nm

n→*

275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团K带红移，R带红移；R带

max=205nm；

10-100K

K

R

R

n

n

165nm

n

③

不饱和醛酮K带红移：165

250nmR

带红移：290

310nm

2023/12/6（4）芳香烃及其杂环化合物

苯：E1带180

184nm；

=47000E2带200

204nm

=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2723002023/12/65.立体结构和互变结构的影响顺反异构：顺式：λmax=280nm；εmax=10500反式：λmax=295.5nm；εmax=29000互变异构：

酮式：λmax=204nm

烯醇式：λmax=243nm

2023/12/6立体结构和互变结构的影响2023/12/6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：229273269269

max=非稠环二烯（a,b）+2×烷基取代+环外双键=214+2×5+5=229（231）2023/12/6练习1：有下列四种化合物已知其结构，其中之一用UV光谱测得其

max

为302nm，问应是哪种化合物？计算：（1）253+30+3x5+5=303（2）215+39+35+10+18=327（3）215+39+25+18=297（4）215+12=227应为（1）2023/12/6比较下列化合物的UV－VIS吸收波长的位