仪器分析第9章_紫外吸收光谱分析.ppt

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1、第十二章第十二章 紫外吸收光谱分析紫外吸收光谱分析第一节第一节 分子吸收光谱分子吸收光谱第二节第二节 紫外吸收光谱紫外吸收光谱第三节第三节 紫外可见分光光度计紫外可见分光光度计第四节第四节 紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用 ultraviolet spectrometry,UV2022/12/18 研究物质在研究物质在 紫外、可见光区紫外、可见光区 的分子吸收光谱的分子吸收光谱 的分的分析方法称为紫外析方法称为紫外-可见分光光度法可见分光光度法。紫外紫外可见分光光度法是可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收利用某些物质的分子吸收200 800 nm光谱区的辐射光谱区的辐射来进行分析测定的方

2、法。来进行分析测定的方法。紫外光谱紫外光谱(UV)为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其为四大波谱之一，是鉴定许多化合物，尤其是有机化合物的重要定性工具之一。是有机化合物的重要定性工具之一。2022/12/18第一节第一节 分子吸收光谱分子吸收光谱l（1）为什么分子光谱是带状光谱）为什么分子光谱是带状光谱l（2）为什么紫外）为什么紫外-可见光谱的吸收波长在可见光谱的吸收波长在200-800nml（3）为什么紫外）为什么紫外-可见光谱可用于定性和定可见光谱可用于定性和定量分析量分析2022/12/18电子能级间隔比振动能级和转动能电子能级间隔比振动能级和转动能级间隔大级间隔大12个数量级，在发生

3、电子个数量级，在发生电子能级跃迁时，伴有振能级跃迁时，伴有振-转能级的跃迁，转能级的跃迁，形成所谓的形成所谓的带状光谱带状光谱。分子的能量变化分子的能量变化 E为各种形式能为各种形式能量变化的总和：量变化的总和：一、分子吸收光谱的产生一、分子吸收光谱的产生evr 物质分子内部三种运动形式：物质分子内部三种运动形式：（1）电子电子相对于原子核的相对于原子核的运动运动；（2）原子核原子核在其平衡位置附近的相对在其平衡位置附近的相对振动振动；（3）分子分子本身绕其重心的本身绕其重心的转动转动。2022/12/18l1、转动能级间的能量差转动能级间的能量差r：0.0050.050eV，跃跃迁产生吸收光

4、谱位于远红外区（迁产生吸收光谱位于远红外区（50-100um)。远红外远红外光谱光谱(或分子转动光谱或分子转动光谱)l2、振动能级的能量差振动能级的能量差v约为：约为：0.05eV，跃迁跃迁产生的吸收光谱位于红外区产生的吸收光谱位于红外区(800-5000nm)，红外光红外光谱谱(或分子振动光谱或分子振动光谱)l3、电子能级的能量差电子能级的能量差e较大较大120eV。电子跃迁电子跃迁产生的吸收光谱在紫外产生的吸收光谱在紫外(200-400nm)可见光区可见光区(400-800nm)，紫外紫外可见光谱可见光谱(或分子的电子光谱或分子的电子光谱)二、分子吸收光谱的类型二、分子吸收光谱的类型 根据

5、吸收电磁波的范围不同，将分子吸收光谱分为根据吸收电磁波的范围不同，将分子吸收光谱分为远红外远红外光谱、光谱、红外光谱红外光谱及及紫外、可见光谱紫外、可见光谱三类。三类。2022/12/18二、紫外可见光谱可用于定量分析二、紫外可见光谱可用于定量分析紫外紫外-可见吸收光谱的吸收曲线可见吸收光谱的吸收曲线紫外紫外-可见吸收光谱的吸收曲线特点可见吸收光谱的吸收曲线特点l 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大吸收波长maxl 不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形

6、状相似max不变。而对于不同物质，不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和它们的吸收曲线形状和max则不同则不同l 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异。有差异。2022/12/18紫外紫外-可见光谱用于定性分析可见光谱用于定性分析不不同同物物质质结结构构不不同同或或者者说说其其分分子子能能级级的的能能量量(各各种种能能级级能能量量总总和和)或或能能量量间间隔隔各各异异，因因此此不不同同物物质质将将选选择择性性地地吸吸收收不不同同波波长长或或能能量的外来辐射，这是量的外来辐射，这是UV-Vis定性分析的基础。定性分析的基础。-胡罗卜

7、素胡罗卜素咖啡因咖啡因阿斯匹林阿斯匹林丙酮丙酮几几种种有有机机化化合合物物的的紫紫外外吸吸收收光光谱图。谱图。2022/12/18 不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差有差异，在异，在max处吸光度处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。定量分析的依据。在在max处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。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。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。紫外紫外-可见光谱用于定量分析可见光谱用于定量

8、分析2022/12/18 第二节第二节 紫外吸收光谱紫外吸收光谱一、有机化合物的紫外吸收光谱一、有机化合物的紫外吸收光谱 按分子轨道理论，按分子轨道理论，有机化合物中有三种不同性质的电子有机化合物中有三种不同性质的电子：电子、电子、电子、电子、n n电子（电子（p p电子）电子）。COHn H有机分子包括有机分子包括:成键轨道成键轨道、；反键轨道反键轨道*、*非键轨道非键轨道n各轨道能级高低顺序：各轨道能级高低顺序：n*（分子轨道理论计算结果）；（分子轨道理论计算结果）；H2O2022/12/18 当外层电子当外层电子吸收吸收紫外或可见紫外或可见辐射辐射后，就从后，就从基态向基态向激发态激发态

9、(反键轨道反键轨道)跃迁。主要有跃迁。主要有四种四种跃迁，所需能量跃迁，所需能量大小顺序为大小顺序为 n n 200 nm。它是简单的。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。其特点是点是谱带强度弱谱带强度弱，摩尔吸光系数，摩尔吸光系数小小。*RKE,Bn E -*和和n-*两种跃迁的能量小，相两种跃迁的能量小，相应波长出现在近紫外区甚至可见光区，应波长出现在近紫外区甚至可见光区，且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。且对光的吸收强烈，是我们研究的重点。2022/12/18（二）常用术语（二）常用术语 1.生色团生色团（chr

10、omophore）从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子吸收光子而产生电而产生电子跃迁的原子基团。子跃迁的原子基团。含有含有键键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁的不饱和基团称为生色团。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、偶氮基键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基NN、乙炔基、乙炔基、腈基腈基CN等。等。2.助色团助色团（auxochrome）有一些含有有一些含有n电子的基团电子的基团(如如OH、OR、NH2、NHR、X等等)，它们本身没有生色功能，它们本身没有生色功能(不能吸收不能吸收200nm的光的光)，

11、但当它们与生色团，但当它们与生色团相连时，就会发生相连时，就会发生n共轭共轭作用，增强生色团的生色能力作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团，这样的基团称为助色团。2022/12/18下面为某些常见生色团的吸收光谱下面为某些常见生色团的吸收光谱2022/12/183 3强带和弱带：强带和弱带：摩尔吸光系数摩尔吸光系数max105 强带强带 max103 弱带弱带4.红移红移与与蓝移蓝移有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长使最大吸收波长m

12、ax和吸收强度发生变化和吸收强度发生变化:max向向长波长波方向移动称为方向移动称为红移红移，向向短波短波方向移动称为方向移动称为蓝移蓝移(紫移紫移)。2022/12/18(三三)各种常见有机化合物紫外吸收光谱各种常见有机化合物紫外吸收光谱 1.饱和烃及其取代衍生物饱和烃及其取代衍生物饱和烃类：饱和烃类：分子中只含有分子中只含有 键键，因此只能产生，因此只能产生*跃迁跃迁，最大吸收最大吸收峰一般峰一般小于小于150nm，已超出紫外可见分光光度计的测量范围，已超出紫外可见分光光度计的测量范围，处于真空紫外区。处于真空紫外区。饱和烃的取代衍生物：饱和烃的取代衍生物：如卤代烃，其卤素原子上存在如卤代

13、烃，其卤素原子上存在n电子，可产生电子，可产生n*的跃迁。的跃迁。n*的能量低于的能量低于*。其相应的吸收波长。其相应的吸收波长小于小于200nm。测定紫外吸收光谱的良好溶剂。例：己烷、氯仿。测定紫外吸收光谱的良好溶剂。例：己烷、氯仿。2022/12/182.不饱和烃及共轭烯烃不饱和烃及共轭烯烃 (A)(A)非共轭不饱和烯烃非共轭不饱和烯烃 除含有除含有 键键外，还含有外，还含有 键键，它们可以产生，它们可以产生*和和*两种跃迁。两种跃迁。*跃迁的能量小于跃迁的能量小于*跃迁。例如，跃迁。例如，在乙烯分子中，在乙烯分子中，*跃迁最大吸收波长为跃迁最大吸收波长为180nm左右。左右。C=C 发色

14、基团，发色基团，但但 *200nm。max=177nm2022/12/18 （B）共轭烯烃）共轭烯烃 *在在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭共轭时，时，随着共轭系统的随着共轭系统的延长延长，*跃迁的吸收带跃迁的吸收带 将将明显明显向向长波长波方向方向移动移动，吸收强度也随之，吸收强度也随之增强增强（？）（？）。共轭双键。共轭双键愈多愈多，红移红移愈显著愈显著，甚至产生颜色。，甚至产生颜色。在在共轭体系中，共轭体系中，*跃迁产生的吸收带又称跃迁产生的吸收带又称为为K带带。K带带共轭非封闭体系的共轭非封闭体系的*跃迁跃迁2022/12/182022/12

15、/18 3.羰基化合物羰基化合物 C=O基团可产生基团可产生n*、n*、*三个吸收带，三个吸收带，n*吸收带又称吸收带又称R带带，落于近紫外或紫外光区，落于近紫外或紫外光区，R带带吸收较吸收较弱弱（maxmax100100）醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物，如酯、酰胺等，都含有羰基。由于在结构上的差异，它们羰基。由于在结构上的差异，它们n*吸收带吸收带的光区稍有的光区稍有不同。不同。2022/12/18Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团，等助色基团，这些助色团上的这些助色团上的n电子与羰基双电子与羰基双键的键的 电子产生电子产生p共轭共轭K带带红移

16、，红移，R 带蓝移带蓝移；R带带 max=205nm；10-100KKRRnn177nmn不饱和醛酮不饱和醛酮K带红移：带红移：177250nmR带红移：带红移：290310nm Y=H,R *150-160150-160nmnm（KK）n n *275-295nm275-295nm（R R）2022/12/184.苯及其衍生物苯及其衍生物l苯有三个吸收带，是由苯有三个吸收带，是由 *与与苯环振动能级跃迁叠加苯环振动能级跃迁叠加引起；也称引起；也称精细结构吸收带精细结构吸收带E1带：带：180nm（MAX=60，000）；）；E2带：带：204nm（MAX=8，000）；）；B带：带：255n

17、m（MAX=200）。）。当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生当苯环上有取代基时，苯的三个特征谱带都会发生显著显著的的变化，其中变化，其中影响较大影响较大的是的是E2带和带和B谱带谱带，B带带简化，红移简化，红移。2022/12/18乙酰苯紫外光谱图乙酰苯紫外光谱图羰基双键羰基双键与苯环与苯环共轭共轭：K带带强；强；苯的苯的E2带与带与K带带合并合并，红移红移；取代基使取代基使B带简化带简化；红移红移氧氧上上的的孤孤对对电电子子：R带带红红移移，吸吸收弱收弱；CC H3On;R带 ;K带2022/12/18二、无机化合物的紫外二、无机化合物的紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱 （自学）（自

18、学）三、溶剂对紫外吸收光谱的影响三、溶剂对紫外吸收光谱的影响（溶剂效应）（溶剂效应）溶剂对紫外溶剂对紫外可见光谱的影响较为复杂。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改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。例如，当。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。带变向平滑。*改变溶剂的极性，还会改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长使吸收带的最大吸收波长发生变化发生变化。2022/12/18 溶剂效应：溶剂效应：随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑，精细结构消失。随溶剂极性增加，吸收光谱变得平滑

19、，精细结构消失。由由n-*跃迁产生的吸收峰，随跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加溶剂极性增加，发生，发生蓝移蓝移；由由-*跃迁产生的吸收峰，随跃迁产生的吸收峰，随溶剂极性增加溶剂极性增加，发生，发生红移。红移。C=O的溶剂效应的溶剂效应max(正己烷)max(氯仿)max(甲醇)max(水)*230238237243n*3293153093052022/12/18溶剂的选择溶剂的选择在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶在进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。选择溶剂时注意下列几点：剂。选择溶剂时注意下列几点：（1）溶剂应能很）溶剂应能很好好地地溶解溶解被测试样，溶剂对溶质应该是被测试样，溶剂

20、对溶质应该是惰性惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光学的。即所成溶液应具有良好的化学和光学稳定性稳定性。（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小极性较小的溶剂。的溶剂。（3）溶剂在样品的吸收光谱区应）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收无明显吸收。2022/12/18l一、主要组成部件一、主要组成部件l二、紫外二、紫外-可见光度计的类型可见光度计的类型第三节第三节 紫外紫外-可见分光光度计可见分光光度计2022/12/18一、主要组成部件一、主要组成部件2022/12/18 热辐射光源用于可见光区，如钨灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。1、

21、光源、光源 对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度对光源基本要求：足够光强、稳定、连续辐射且强度随波长变化小。随波长变化小。(1).钨及碘钨灯：钨及碘钨灯：3601000 nm，多用在可见光区；，多用在可见光区；(2).氢灯和氢灯和氘灯氘灯：160375nm，多，多用在紫外区。用在紫外区。2、单色器、单色器 色散元件常用棱镜和光栅。色散元件常用棱镜和光栅。与原子吸收光度仪不同，在与原子吸收光度仪不同，在UV-Vis光度计中，单色器通常光度计中，单色器通常置于吸收池的前面！置于吸收池的前面！（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）（可防止强光照射引起吸收池中一些物质的分解）3、吸收池

22、、吸收池 可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光可用石英或玻璃两种材料制作，前者适于紫外区和可见光区；后者只适于可见光区。区；后者只适于可见光区。2022/12/18二、紫外二、紫外-可见分光光度计的类型可见分光光度计的类型按其光学系统可分为按其光学系统可分为单波长分光光度计单波长分光光度计和和双波长分双波长分光光度计。光光度计。2022/12/18 2.单波长双光束分光光度计单波长双光束分光光度计 国产国产710型、日立型、日立UV-340型等。型等。双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，双光束方法因光束几乎同时通过样品池和参比池，因此因此可消除光源不稳产生的误差。可消除光

23、源不稳产生的误差。-提高测量的精确度提高测量的精确度1、单波长单光束分光光度计、单波长单光束分光光度计 目前国内广泛采用目前国内广泛采用721型分光光度计。型分光光度计。具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，具有结构简单、价格低廉、操作方便、维修也比较容易，适用于常规分析。适用于常规分析。3.双波长分光光度计双波长分光光度计 国产国产WFZ800-5型、岛津型、岛津UV-260型型l优点：是可以在有背景干扰或共存组分吸收干忧的情况下优点：是可以在有背景干扰或共存组分吸收干忧的情况下对某组分进行对某组分进行定量测定定量测定。2022/12/18一、纯度检查一、纯度检查二、定性分析二、

24、定性分析三、有机物结构三、有机物结构辅助推断辅助推断四、四、定量分析定量分析第四节第四节 紫外吸收光谱的应用紫外吸收光谱的应用2022/12/18一、纯度检查一、纯度检查l 如果一化合物在紫外区如果一化合物在紫外区没有没有吸收峰，而吸收峰，而其中的其中的杂质有较强吸收杂质有较强吸收，就可方便地检出，就可方便地检出该化合物中的痕量杂质。该化合物中的痕量杂质。l 例如：要检定甲醇或乙醇中的杂质例如：要检定甲醇或乙醇中的杂质苯苯，可利，可利用苯在用苯在254nm处的处的B吸收带，而甲醇或乙醇在此吸收带，而甲醇或乙醇在此波长处几乎没有吸收。波长处几乎没有吸收。2022/12/18 二、定性分析二、定性

25、分析 max,max：化合物特性参数，可作为化合物特性参数，可作为定性定性依据；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，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，不完全反映整个分子特性；结构确定的不完全反映整个分子特性；结构确定的辅助辅助工具工具；（一）（一）.制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱制作试样的吸收曲线并与标准紫外光谱对照对照；max，max都相同，可能可能是一个化合物；标准谱图库：标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图种化合物紫外光谱的标准谱图 The sadtler standard spectra,Ultraviolet （二）（二

26、）利用利用Woodward-Fieser 经验规则求最大吸收波长。经验规则求最大吸收波长。当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可当通过其它方法获得一系列可能的分子结构式后，可 通过此规则估算最大吸收波长并与实测值对比。通过此规则估算最大吸收波长并与实测值对比。2022/12/18三、有机化合物结构辅助推断三、有机化合物结构辅助推断 1.可获得的结构信息可获得的结构信息（1）在）在210250nm波长范围内有波长范围内有强强吸收峰吸收峰，则可能含有则可能含有2个共轭个共轭双键；若在双键；若在260350nm波长范围内有波长范围内有强强吸收峰，则说吸收峰，则说明该有机物含有明该有机物含有3

27、个或个或3个以上共轭个以上共轭双键。双键。（2）若在）若在20300nm波长范围内有波长范围内有中等强度中等强度的吸收峰则可的吸收峰则可能含苯环，假设有能含苯环，假设有精细结构精细结构的话，可能是的话，可能是苯环的特征吸收苯环的特征吸收。（3）若在若在270350nm波长范围内有低强度吸收峰波长范围内有低强度吸收峰,（n*跃迁），则可能含有羰基。跃迁），则可能含有羰基。（4 4）若在）若在200200750750nmnm波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷波长范围内无吸收峰，则可能是直链烷烃、环烷烃或仅含一个双键的烯烃等。烃、环烷烃或仅含一个双键的烯烃等。了解共轭程度，对不饱和化合物的异构体进行

28、判别了解共轭程度，对不饱和化合物的异构体进行判别2022/12/182.2.帮助确定立体结构和互变异构帮助确定立体结构和互变异构顺反异构顺反异构：顺式：顺式：max=280nm；max=10500反式：反式：max=295nm；max=29000互变异构互变异构：酮酮式：式：max=204nm烯醇式：烯醇式：max=245nm 2022/12/18四、四、定量分析定量分析 1、依据：朗伯、依据：朗伯-比耳定律比耳定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度与其浓度（c）和液层厚度（）和液层厚度（b）成正比，即）成正比，即 吸光度：吸光度：A=lgI0/I=b c F:朗伯朗伯-比耳定律比耳定律-1;-2 （为摩尔吸光系数）2、定量方法：（略）、定量方法：（略）1）标准曲线法）标准曲线法2）标准对比法）标准对比法2022/12/18