紫外可见光分光光度法课件

'紫外可见光分光光度法Ultravioletspectrometry,UVultravioletspectrometry,UV制作/主讲：陈一 1.紫外吸收光谱的基本原理分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。分子在吸收能量产生电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁带状光谱。用途:结构鉴定和定量分析 1.1紫外吸收光谱的吸收范围波长范围：100-800nm.(1)远紫外光区:100-200nm(2)近紫外光区:200-400nm(3)可见光区:400-800nm 1.2吸收能量的转化分子对电磁辐射的吸收是分子总能量变化的和，即：E=Eel+Evib+Erot，式中E代表分子的总能量，Eel，Evib，Erot分别代表电子能级的能量、振动能级的能量以及转动能级的能量。右图表示分子在吸收过程中发生电子能级跃迁的同时伴随振动能级和转动能级的能量变化。一般原子对电磁辐射的吸收只涉及原子核外电子能量的变化，是一些分离的特征锐线，而分子的吸收光谱是由成千上万条彼此靠得很紧的谱线组成，看起来是一条连续的吸收带。分子光谱是带状光谱 总结（1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱；（2）振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱；（3）电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱；（4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据； 由图可见，在每一个电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一个振动能级上又有许多间距更小的转动能级。由于这个原因，处在同一电子能级的分子，可能因振动能量不同而处于不同的能级上。同理，处于同一电子能级和同一振动能级上的分子，由于转动能量不同而处于不同的能级上。当用光照射分子时，分子就要选择性的吸收某些波长（频率）的光而由较低的能级E跃迁到较高能级E‘上，所吸收的光的能量就等于两能级的能量之差：△E=E‘－E其光的频率为：γ=△E/h或光的波长为：λ=hc/△E 1.3电子能级和跃迁有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。有机物分子内各种电子的能级高低次序如图所示，σ*>π*>n>π>σ。标有*者为反键电子。 σ→σ*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区；吸收波长λ<200nm；例：甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。sp*s*RKE,BnpE n*含有未共享电子对的取代基都可能发生ns*跃迁。因此，含有S，N，O，Cl,Br，I等杂原子的饱和烃衍生物都出现一个ns*跃迁产生的吸收谱带。ns*跃迁也是高能量跃迁，一般lmax<200nm，落在远紫外区。但跃迁所需能量与n电子所属原子的性质关系很大。杂原子的电负性越小，电子越易被激发，激发波长越长。有时也落在近紫外区。如甲胺，lmax=213nm。化合物CH3OH184150CH3Cl173200(CH3)2O1852520(CH3)2NH215600λmaxmax π→π＊ππ*所需能量较少，并且随双键共轭程度增加，所需能量降低。若两个以上的双键被单键隔开，则所呈现的吸收是所有双键吸收的叠加；若双键共轭，则吸收大大增强，波长红移，λmax和εmax均增加。如单个双键，一般λmax为150-200nm，乙烯的λmax；而共轭双键如丁二烯λmax=217nm，己三烯λmax=258nm。**h（1）不饱和烃π→π*跃迁乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为:1×104L·mol-1·cm－1。K带——共轭非封闭体系的p→p*跃迁 （2）共轭烯烃中的→*165nm217nm₃₁₂（3）羰基化合物共轭烯烃中的→*①Y=H,Rn→*180-190nm→*150-160nmn→*275-295nm②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团关于此类化合物的吸收频率改变我们后面将详细研究 （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；max（nm）max苯254200甲苯261300间二甲苯2633001，3，5-三甲苯266305六甲苯272300 n→π＊nπ*所需能量最低，在近紫外区，有时在可见区。但ππ*跃迁几率大，是强吸收带；而nπ*跃迁几率小，是弱吸收带，一般εmax<500。许多化合物既有π电子又有n电子，在外来辐射作用下，既有ππ*又有nπ*跃迁。如-COOR基团，ππ*跃迁λmax=165nm，εmax=4000；而nπ*跃迁λmax=205nm，εmax=50。ππ*和nπ*跃迁都要求有机化合物分子中含有不饱和基团，以提供π轨道。含有π键的不饱和基团引入饱和化合物中，使饱和化合物的最大吸收波长移入紫外-可见区。酮(CH3)2C=O28016n→π*醛CH3CH=O29312n→π*其它CH3C(NH2)=O21460n→π*CH3NO228022n→π*CH3N=NCH33395n→π* 吸收带总结 1.4常用名词解析生色团:（chromophore）有机物中含有n→π*或π→π*跃迁的基团；产生紫外-可见吸收的官能团，如一个或几个不饱和C=C,C=O,N=N,N=O等称为生色团（chromophore）。助色团：（uxochrome）带有非键电子对的基团，本身在200nm以上不产生吸收可使生色团吸收峰向长波方向移动并提高吸收强度的一些官能团，常见助色团助色顺序为：-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-生色团与助色团 红移与蓝移某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应（bathochromicshiftorredshift）。在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移（紫移）效应（hypsochromicshiftorblueshift）。如-R，-OCOR。吸收峰强度变化包括增色效应(hyperchromiceffect)和减色效应(hypochromiceffect)。前者指吸收强度增加，后者指吸收强度减小。 1.5紫外谱图解析1．吸收曲线：每一种物质对不同波长光的吸收程度是不同的。如果我们让各种不同波长的光分别通过被测物质，分别测定物质对不同波长光的吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标作图所得曲线。2.吸收峰和最大吸收波长max吸收曲线表明了某种物质对不同波长光的吸收能力分布。曲线上的各个峰叫吸收峰。峰越高，表示物质对相应波长的光的吸收程度越大。其中最高的那个峰叫最大吸收峰，它的最高点所对应的波长叫最大吸收波长，用λmax表示。 如图，胆甾酮（a）与异亚丙基丙酮（b）分子结构差异很大，但两者具有相似的紫外吸收峰。两分子中相同的O=C-C=C共轭结构是产生紫外吸收的关键基团。1）不同的物质，吸收结构相同，吸收曲线相似，吸收程度略有不同。2）不同的物质，吸收结构不同，吸收曲线的形状不同，最大吸收波长不同。3）对同一物质，其浓度不同时，吸收曲线形状和最大吸收波长不变，只是吸收程度要发生变化，表现在曲线上就是曲线的高低发生变化。总结 1.5郎伯-比尔定律Beer-LambertlawBeer–Lambert定律是定量计算的基础I＝I0e-kCL,──＝e-kCL＝10-0.4343kCL∵I／I0＝T，∴－logT＝KCLA＝－logT＝KCLII0A-吸光度(absorbance)K–absorbedcoefficient(吸收系数)当C为摩尔浓度时,K用ε表示,ε称摩尔吸收系数。ε单位为:升/摩尔.厘米。当C为mg/ml时,用a表示，称为吸光系数K单位为ml/mg.cm。 ελ和a的大小都可以反映出吸光物质对波长为λ的单色光的吸收能力。但更常用和更好的是用ελ来表示吸光物质对波长为λ的光的吸收能力。摩尔吸光系数越大，表示物质对波长为λ的光的吸收能力越强，同时在分光光度法中测定的灵敏度也越大。吸收定律的适用条件：1．必须是使用单色光为入射光；2．溶液为稀溶液；3．吸收定律能够用于彼此不相互作用的多组分溶液。它们的吸光度具有加合性，且对每一组分分别适用，即：A总=A1+A2+A3…+An=ε1bc1+ε2bc2+ε3bc3…+εnbcn4．吸收定律对紫外光、可见光、红外光都适用 例题：已知某化合物的相对分子量为251，将此化合物用已醇作溶剂配成浓度为0.150mmol·L-1溶液，在480nm处用2.00cm吸收池测得透光率为39.8%，求该化合物在上述条件下的摩尔吸光系数和吸光系数。解：已知溶剂浓度c=0.150mmol.L-1，b=2.00cm,T=0.398,由Lambert-Beer定律得：ε（480nm）=A/cb=-lg0.398/0.150×10-3×2.00=1.33×103(L·mol-1·cm-1)由ε=aM,得:a=ε/M=ε/251=5.30(L·g-1·cm-1) 我们从Beer-Lambertlaw看出，浓度和吸光度应该是线形关系，可事实并非此？？？偏离的原因AC1．入射光为非单色光：严格地说吸收定律只适用于入射光为单色光的情况。但在紫外可见光分光光度法中，入射光是由连续光源经分光器分光后得到的，这样得到的入射光并不是真正的单色光，而是一个有限波长宽度的复合光，这就可能造成对吸收定律的偏离。 证明如下：设由强度为I0、1和I0、2的1和2两种波长组成的入射光，通过溶液后的强度分别为I1和I2。在1处：在2处： 综合：对非单色光引起的偏离，其原因是由于同一物质对不同波长的光的摩尔吸光系数不同造成的。所以只要在入射光的波长范围内，摩尔吸光系数差别不是太大，由此引起的偏离是较小的。当1=2时，或者说当1=2时，有A=1bc,符合L-B定律；当12时，或者说当12时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大，则偏离L-B越大； 2．非平行光和光的散射：当入射光是非平行光时，所有光通过介质的光的光程不同，引起小的偏离。另外，当溶液中含有悬浮物或胶粒等散射质点时，入射光通过溶液时就会有一部分光因散射而损失掉，使透过光强度减小，测得的吸光度增大，从而引起偏离吸收定律。3．化学因素引起的偏离：1）离解作用2）酸效应3）溶剂作用 1）离解作用：在可见光区域的分析中常常是将待测组分同某种试剂反应生成有色配合物来进行测定的。有色配合物在水中不可避免的要发生离解，从而使得有色配合物的浓度要小于待测组分的浓度，导致对吸收定律的偏离。特别是在稀溶液中时，更是如此。2）酸效应：如果待测组分包括在一种酸碱平衡体系中，溶液的酸度将会使得待测组分的存在形式发生变化，而导致对吸收定律的偏离。3）溶剂作用：溶剂对吸收光谱的影响是比较大的，溶剂不同时，物质的吸收光谱不同。 1.6影响紫外-可见吸收光谱的因素1.共轭效应电子共轭体系增大，λmax红移，max增大由于共轭效应，电子离域到多个原子之间，导致pp*能量降低。同时跃迁几率增大，max增大。 2.极化效应在光的作用下，有机化合物都有发生极化的趋向，既能转变为激发态。当共轭双键的两端有容易使电子流动的基团(给电子基或吸电子基)时，极化现象显著增加。给电子基为带有未共用电子对的原子的基团。如-NH2,-OH等。未共用电子对的流动性很大，能够和共轭体系中的电子相互作用引起永久性的电荷转移，形成-共轭，降低了能量。吸电子基是指易吸引电子而使电子容易流动的基团。如：共轭体系中引入吸电子基团，也产生电子的永久性转移，λmax红移。电子流动性增加，吸收光子的吸收分数增加，吸收强度增加。给电子基与吸电子基同时存在时，产生分子内电荷转移吸收，λmax红移，max增加。 给电子基的给电子能力顺序为：-N(C2H5)2>-N(CH3)2>-NH2>-OH>-OCH3>-NHCOCH3>-OCOCH3>-CH2CH2COOH>-H吸电子基的作用强度顺序是：-N+(CH3)3>-NO2>-SO3H>-COH>-COO->-COOH>-COOCH3>-Cl>-Br>-I 3.空间位阻空间阻碍使共轭体系破坏，λmax蓝移，εmax减小。 从烷基取代硝基苯、偶氮苯顺反异构体的紫外吸收谱图也可以清楚地看到空间阻碍对分子吸收光谱的影响。与硝基苯相比，2,4,6-三丁基硝基苯在255nm附近的吸收峰已经消失；偶氮苯反式异构体的摩尔吸光系数则远远大于顺式，且吸收峰位红移。 4.溶剂效应改变溶剂的极性，会引起吸收带形状的变化。改变溶剂的极性，还会使吸收带的最大吸收波长发生变化。一般溶剂极性增大，p   p*跃迁吸收带红移,n   p*跃迁吸收带蓝移,如图所示。分子吸光后，成键轨道上的电子会跃迁至反键轨道形成激发态。一般情况下分子的激发态极性大于基态。溶剂极性越大，分子与溶剂的静电作用越强，使激发态稳定,能量降低。即p*轨道能量降低大于p轨道能量降低，因此波长红移。而产生n   p*跃迁的n电子由于与极性溶剂形成氢键，基态n轨道能量降低大，n   p*跃迁能量增大，吸收带蓝移。 下表为溶剂对一种丙酮紫外吸收光谱的影响。正己烷CHCl3CH3OHH2O*230238237243n*329315309305如左图，N-亚硝基二甲胺在不同溶剂中的紫外吸收光谱显示，溶剂极性增大，吸收峰呈规律性红移。而右图则表明，极性溶剂往往使吸收峰的振动精细结构消失。 1.7无机金属离子紫外光谱分析过渡金属离子的d轨道在对称性不同的配位场中发生不同形式的分裂,就会有吸收峰数目,波长和强度不同的吸收光谱。吸收光谱的不同金属离子所处的几何环境的差异络合物的立体结构 1.配体微扰的金属离子d-d电子跃迁和f-f电子跃迁在配体的作用下过渡金属离子的d轨道和镧系、锕系的f轨道裂分，吸收辐射后，产生d-d、f-f跃迁；在配体的配位场作用下才可能产生也称配位场跃迁；摩尔吸收系数ε很小，对定量分析意义不大。2.金属离子微扰的配位体内电子跃迁金属离子的微扰，将引起配位体吸收波长和强度的变化。变化与成键性质有关，若共价键和配位键结合，则变化非常明显。3.电荷转移吸收光谱电荷转移跃迁：辐射下，分子中原定域在金属M轨道上的电荷转移到配位体L的轨道，或按相反方向转移，所产生的吸收光谱称为荷移光谱。 ultravioletspectrometer2.紫外-可见分光光度计 2.1分光光度计的主要部件和工作原理：0.575光源单色器吸收池检测器显示 热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340~2500nm。氢灯和氘灯。可在160~375nm范围内产生连续光源。另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳压器。光源：用于提供足够强度和稳定的连续光谱。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。 分光系统：分光系统也叫单色器。单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在紫外可见区域内任意可调。单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。光栅单色器棱镜单色器 吸收池（比色皿）：在紫外可见分光光度法中，一般都是用液体溶液进行测定的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色皿。有玻璃和石英两种。光检测系统：用于检测光信号。利用光电效应将光强度信号转换成电信号的装置，也叫光电器件。常用的光检测系统主要有光电池、光电管和光电倍增管。 硒光电池光电池：光电管：它是在抽成真空或充有惰性气体的玻璃或石英泡内装上2个电极构成，其结构如图：1243 1是光电管的阳极，它由一个镍环或镍片组成；2是光电管的阴极，它由一个金属片上涂一层光敏物质构成，如涂上一层氧化铯。涂上的光敏物质具有这样一个特性：当光照射到光敏物质上时，它能够放出电子；3为电池，其作用是在阴、阳极之间加上一电压；4为放大器，放大由光电管产生的电信号；光电管将光强度信号转换成电信号的过程是这样的：当一定强度的光照射到阴极上时，光敏物质要放出电子，放出电子的多少与照射到它的光的大小成正比，而放出的电子在电场的作用下要流向阳极，从而造成在整个回路中有电流通过。而此电流的大小与照射到光敏物质上的光的强度的大小成正比。这就是光电管产生光电效应的原理。红敏管625-1000nm蓝敏管200-625nm 光电倍增管：它是一个非常灵敏的光电器件，可以把微弱的光转换成电流。其灵敏度比前2种都要高得多。它是利用二次电子发射以放大光电流，放大倍数可达到108倍。1个光电子可产生106～107个电子 2.2分光光度计的主要类型单光束分光光度计：0.575光源单色器吸收池检测器显示这类分光光度计的特点是：结构简单，价格便宜。主要适用于定量分析，而不适用于作定性分析。另外，结果受电源的波动影响较大。 单波长双光束分光光度计：双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）变化的影响。双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于定性分析。 双波长双光束分光光度计：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。 3.紫外光谱分析max(nm)异环双烯的基数214同环双烯的基数253增量,对于:扩延共轭双键+30烷基取代或环的剩余部分+5环外双键+5烷氧基(RO)+6烷硫基(RS)+30卤素(Cl,Br)+5溶剂校正+0max=总数3.1共轭双烯max计算规律 max=214(基数)+4×5(烷基或环的剩余部分)+5(环外双键)=239nm实验值为max241nm max=214(基数)+3×5(环的剩余部分)+5(环外双键)=234nm观察值为max235nm(19,000) max=253(基数)+3×5(环的剩余部分)+5(环外双键)=273nm观察值max=275nm(10,000) 3.2共轭烯酮的紫外吸收共轭烯酮的max计算规律化合物max(nm)(1)开链母体,-不饱和烯酮215(开链或六元环)(2)五元环,-不饱和烯酮202(3),-不饱和醛210 增量,对于:扩延共轭的双键+30烷基,环的剩余部分+10+12及更高+18极性基团-OH+35+30+50-OCOCH3,,+6-OCH3+35+30+17+31 1-Cl+15+12-Br+25+30-NR2+95环外双键+5高双烯(homodiene)+39溶剂校正可变数max=总数 max=215(基数)+10(-取代)+12(-取代)=237nm观察值max=232nm max=215(基数)+2×12(-取代)+5(环外双键)=244nm观察值max=245nm max=202(基数)+35(-OH)+12(-取代)=249nm观察值max=247nm 3.3取代苯吸收波长计算'