仪器分析紫外可见分光光度法

'第7章紫外可见光谱分析教学时数：5学时教学要求：l、掌握有机化合物的紫外-可见吸收光谱。2、理解分子吸收光谱与物质结构的关系。3、理解紫外分光光度计的基本组成及主要性能和测定方法。4、了解紫外-可见分光光度法在工业生产和科学研究中的应用。教学重点与难点：重点：分子吸收光谱原理，吸收定律（比耳定律），影响吸收谱带的因素，溶剂效应，有机化合物结构推断，单组分、多组分定量分析。难点：用经验规则计算lmax7-1分析光谱概述通常指的紫外光谱主要是近紫外（200-400nm）和部分可见光区（400-800nm）的光；这些光的能量相当于共价健电子和共轭分子的价电子跃迁，故又称电子光谱，或紫外可见光谱。UV-VIS是研究物质在紫外，可见光区的分子吸收光谱的分析方法，由于价电子跃迁时所需能量在紫外，可见区，所以UV-VIS是研究推断化合物结构以及进行成分分析的重要手段。一、分子光谱的产生分子光谱包括电子光谱、振动、转动光谱。E分子=Ee+Ev+Er+E平动+……E≈Ee+Ev+Er所以：1、紫外，可见光谱研究的是电子光谱。2、其分析的基本原理是建立在Larmbet-Beer定律上。其中λmaxεmax为定性分析的重要参数。A=εbc定量分析的依据11 比吸收系数E1%=10×ε/M二、UV-VIS主要研究对象凡所产生π-π*，n-π*跃迁的有机化合物在紫外，可见都有吸收，故其主要是研究含共轭双键的化合物。7-2化合物电子光谱的产生一、电子跃迁的类型根据分子轨道理论，当原子形成分子时，原子轨道将重新进行线性组合而形成分析轨道。*轨道的能量σ<ππ*>π>σ*关于“极性”：根据光电子能谱中的解释如下：电子进入成键轨道，键能增强，键距缩短，极性减弱；电子进入反键轨道，键长伸长，偶极距增加，极性增加。即轨道的极性是电子云相互集中生成或相互分离的结果。1、σ-σ*跃迁跃迁时所需λ<200nm，发生在真空紫外区（空气中N2、O2、CO2有吸收），为饱和烃中C-C、C-H（λ=125nm）的吸收，由于技术困难，应用较少。由于σ-σ*跃迁的化合物在200~1000nm内无吸收，故此类化合物，如己烷，环己烷等常作为紫外光谱测定中的溶剂。2、n-σ*跃迁近紫外区，含有未共用电子，如：-OH，-NH2，-SH，-X等。如CH3OH3、π—π*跃迁一般发生在近紫外区，含有双键或共轭双键。为强吸收，ε>104。当有共轭双键存在时，由于形成大π键，使吸收峰红移。11 4、n—π*跃迁发生在近紫外可见区，含双键基团中连有杂原子。当杂原子（如O，H）直接与双键相联，如，其中杂原子上孤对电子向反键轨道跃迁。会发生n—π*跃迁。特点是ε小(<100)，谱带强度弱，属禁阻跃迁。5、电荷迁移跃迁内氧化—还原过程，谱带较宽，吸收强度大。二、几个常用术语1、生色团能吸收紫外、可见光而产生电子跃迁的基团。一般分子结构中含有π键，（双键或叁键），可产生π—π*、n—π*跃迁。2、助色团指含有非键电子（孤对电子）的基团。它们本身不能吸收λ＞200nm的光，但与生色团相互作用，可产生红移并使吸收增加。解释：为什么引入助色团会产生红移，可从键的极性方向解释。孤对电子对极性强的轨道的影响远比对极性弱的轨道影响大。另：有些书上是这样解释的。给电子的稳定异构效应，是π*能量升高。亲电诱导效应（-I）是n能量降低。3、红移和蓝移4、弱带与强带增色与减色效应ξ增加为增色效应凡ξ＞104为强带，ξ＜103为弱带。三、紫外吸收带紫外吸收峰出现的波长范围与强度，与化合物的结构有关，一般把吸收带分为K带、R带、B带和E带，从吸收带可推测化合物分子结构信息，进行解析光谱。1、K带由π—π*跃迁产生的吸收带，λ=210-250nm特征：ξ＞104随共轭双键增加，发生红移的同时，且产生增色效应，ε著增大。11 1、R带由n—π*跃迁产生的吸收带，由等基团上的双键与杂原子上孤对电子共轭产生的吸收带的总称。特征：为一弱吸收，若有强吸收峰在附近时，可红移或掩盖。使用极性溶剂时，随极性增强发生蓝移。2、B带由闭合环状共轭双键π—π*跃迁产生的，B带为芳香族（包括杂环芳香族）化合物的特征吸收带。由苯环的骨架振动与苯环内的π—π*重迭所引起。特征：Ⅰ为一弱吸收Ⅱ在气态或非极性溶剂中，有许多精细结构Ⅲ在极性溶剂中，精细结构消失成一宽峰，苯被取代时，细微结构也会消失。若芳香族化合物中同时出现K带、B带、R带。则λR＞λB＞λKIR＜IB＜IK3、E带E带也是芳香族化合物的特征吸收，由苯环中三个烯双键的π—π*跃迁所引起的，分为E1、E2带。当苯环上有发色团取代并与苯环共轭时，E2与K带合并且长移，B带红移。①若苯环上有助色团取代时，E2红移，但λ<210nm，由此可推断化合物结构。四、有机化合物的紫外、可见光谱1、饱和烃及其衍生物含σ-σ*（n-σ*），产生的光谱在紫外区，故仅含σ-σ*跃迁的化合物，如环己烷、乙烷、庚烷等是测定紫外吸收的良好溶剂。2、不饱和有机化合物含π电子，产生π—π*跃迁，其吸收光谱出现在紫外可见区。①孤立双键11 ①共轭双键随共轭程度的增强，λ长移且吸收程度增强。3、羰基化合物当羰基与助色团直接相连时，由于n电子与π共轭，将使π—π*跃迁红移，n—π*跃迁蓝移。4、苯及其衍生物苯有三个吸收带，由π—π*跃迁引起。有取代基时，对三个吸收带都有影响。取代基E2带（强吸收）B带（弱吸收）烷基影响不大红移精细结构消失红移吸收强度增大生色团红移且ε增大红移且ε增大助色团红移且ε增大红移且ε增大所以，对E1影响不大，对E2B带影响基本一致。1、稠环芳烃与上述情况相似，杂环芳环与相应的碳环相似。溶剂极性对吸收带位置的影响：化合物在溶液中的紫外吸收光谱易受剂的影响，而改变其吸收带的位置（红移或蓝移）与吸收强度（ε变化）而且对吸收带的位移影响更为显著。1、n—π*跃迁由于羧基的n轨道电子在基态时，氧原子处于定域状态，当激发成π*轨道，电子向碳原子一方发生跃迁，即对n—π*跃迁来说，于激发态相比，基态为极性结构。由于基态比激发态的极性大，因此羧基氧上的未共用电子基态时，容易与极性溶剂稳定化，使△E增强，吸收带发生蓝移。1、π—π*跃迁对于π—π*跃迁，则是π11 电子从电子云密集在C-O键之间的基态，向着电子云完全分开的激发态进行跃迁：原有的激发态的极性比基态极性大，故在极性溶剂中，激发态较易被溶剂稳定化，而使能量△E降低，吸收带红移。因此，在溶解度允许范围内，尽可能采用极性小的溶剂以减小溶剂效应。3．溶剂极性对互变异构体光谱特性的影响五、溶剂对电子光谱的影响1、溶剂对电子光谱的影响比较复杂，改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。①溶剂的极性由非极性到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。②最大吸收波长的变化，当溶剂由非极性到极性变化时，n—π*产生的吸收紫移，π—π*产生的吸收红移。故测定时必须注意溶剂。2、溶剂的选择③尽量选用低极性溶剂；④溶解性能好，且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；⑤在样品的吸收光谱区无明显吸收7—3紫外及可见分光光度计一、主要组成部分通常都由五部分组成，光源（辐射源）→单色器→吸收池→检测器→信号显示器（读数指示器）紫外1、氢灯、氘灯作为光源要求强度大，稳定，E随变化尽可能小2、棱镜光栅作为单色器，但只能用石英棱镜3、吸收池采用石英吸收池4、可见白帜光源（钨灯、碘钨灯）要求强度大，稳定，E随变化尽可能小与紫外同采用玻璃棱镜可采用玻璃吸收池与紫外同11 光电信增管，光电管作为检测器，但采用蓝敏光电管1、显示系统采用红敏光电管二、分光光度计的类型分为三类：即单光束分光光度计、双光束分光光度计、双波长分光光度计1、单波长分光光度计单光束分光光度计双光束分光光度计1、双波长分光光度计测定波长参比波长因两个不同波长的光通过同一吸收池，可以消除因吸收池参数不同、位置不同、污垢以及制备参比溶液带来的误差，提高准确度。双波长分光光度计对高浓度试样多组分混合试样混浊试样相互干扰的混合试样等不仅方法简单，且精确度高。详见P65表4-77-4有机化合物紫外最大吸收波长的推算目前UV-VIS主要用于有机化合物的定性定量分析以及结构分析，但对于大多数简单官能团来说，特征性不强，但对于含不饱和键的化合物来说，可用于鉴定共轭生色团，依此推断化合物的结构，若再配合红外，核磁共振，则可得到比较全面的信息，所以它是一种十分有用的辅助方法。当推断化合物可能的结构时，通常是根据经验公式计算次化合物的最大吸收波长λmax，并与实测值进行比较，然后确认其结构。常用的经验规则有：11 一、Woodward规则1、计算对象:共轭二烯、多烯烃、α、β不饱和醛酮。不适用于芳香系统和交叉体系2、计算方法将化合物分为母体和取代基两部分（一）二烯烃及多烯烃注：两种同时存在时，选择波长较大者为母体取代基基数备注增加一个共轭双键30指与直接与共轭体系有关的因素环外双键5指与共轭体系有关者，孤立双键不计算在内-R5-OR6-SR30-X(Cl、Br)5-NR260（二）不饱和羰基化合物基本结构:-C=C-C=C-C=OX母体或取代基基本值链状或三元以上环状（环己酮）215nm五元环状215-13=202nmα、β不饱和醛X=H215-6=209nm酯、酸X=OH、OR215-22=193nm共轭双键增加值30nm环外双键5nm同环二烯39nm11 -OHα位：35nm，β位：30nm，γ以上：50nm烷基α位：10nm，β位：12nm，γ以上：18nm-OAC6nm-Clα位：15nm，β位：12nm-Brα位：25nm，β位：30nm-SRβ位：85nm-NR2β位：95nm二、scott规则用以计算芳香族羰基的衍生物母体为ORCZ基本值为RCZZ为烷基或环残基246nmZ=H250nmZ=OH、OR230nm取代基：-R（烷基或环残基）邻3、间3、对10-R=OH、OR邻间7、对25-R=O-（酚钠盐）邻11、间20、对78-R=Cl邻间0、对10-R=Br邻间2、对15-R=NH2邻间13、对587-5紫外吸收光谱的应用11 一、定性分析主要根据光谱图提供的数据参数，如：λmax，λmin吸收系数ε等，作为定性的依据；1、光谱的一致性将试样与标准品用同一溶剂配成相同浓度的溶液,分别测其吸收光谱,比较光谱图是否完全一致2、比较最大吸收波长λmax及摩尔吸光系数λmax或不分吸收系数λmax的一致性紫外吸收光谱是由分子中的发色团决定的，若两种不同的化合物有相同的发色团，往往导致不同分子结构产生相似的紫外光谱，即λmax相似，但εmax或E1cm1%λmax则可区别3、比较吸光度比值的一直性如；维生素B2在稀醋酸中λmax分别是267nm，375nm及444nm，相同浓度的吸光度比值为；A375/A257=0.314-0.333A444/A267=0.364-0.388三、有机化合物构型和构象的测定1、化合物的构型化合物中若有两个发色团产生共轭效应，若这两个发色团由于立体阻碍它们在同一平面上，就会影响共轭效应；2、互变异构3、构系二、定量分析依据；A=εbc单一组分的测定1、标准曲线法2、标准加入法11 1、标准比较法二、多组分混合物的测定1、混合物中二组分吸收峰不干扰，相当于单组分测定2、两组分的光谱部分重叠3、二组分光谱重叠11'