紫外可見(jiàn)吸收光譜法

第三章紫外-可見(jiàn)吸收光譜法2023/2/2紫外-可見(jiàn)吸收光譜法是利用某些物質(zhì)的分子吸收200～800nm光譜區(qū)的輻射來(lái)進(jìn)行分析測(cè)定的方法。這種分子吸收光譜產(chǎn)生于價(jià)電子和分子軌道上的電子在電子能級(jí)間的躍遷，廣泛用于有機(jī)和無(wú)機(jī)物質(zhì)的定性和定量測(cè)定。包括比色法和紫外-可見(jiàn)光分光光度法概述17:23:54波長(zhǎng)范圍：100~800nm。遠(yuǎn)紫外區(qū)：

100~200nm；近紫外區(qū)：200~400nm；可見(jiàn)光區(qū)：400~800nm。

紫外吸收光譜：價(jià)電子能級(jí)躍遷。結(jié)構(gòu)鑒定和定量分析。電子躍遷同時(shí)，伴有振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，帶狀光譜。最大吸收峰的波長(zhǎng)λmax和相應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)κmax反映了構(gòu)成有機(jī)分子部分結(jié)構(gòu)的發(fā)射團(tuán)的特征。

紫外-可見(jiàn)吸收光譜的產(chǎn)生

17:23:54M+熱M+熒光或磷光E=E2-

E1=hν量子化；選擇性吸收；吸收曲線與最大吸收波長(zhǎng)表征參數(shù)：

max；κmaxM+

h

→M*基態(tài)激發(fā)態(tài)E1

（?E）E2

不同分子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，ΔE及所吸收光的波長(zhǎng)不同。由λ、κ分子結(jié)構(gòu)的相關(guān)關(guān)系結(jié)構(gòu)鑒定。250300350400nm1234λ電子躍遷與分子吸收光譜17:23:54物質(zhì)分子內(nèi)部三種運(yùn)動(dòng)形式：（1）電子相對(duì)于原子核的運(yùn)動(dòng)。（2）原子核在其平衡位置附近的相對(duì)振動(dòng)。（3）分子本身繞其重心的轉(zhuǎn)動(dòng)。分子有三種不同能級(jí)：電子能級(jí)、振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)三種能級(jí)都是量子化的，且各自具有相應(yīng)的能量。分子的內(nèi)能：電子能量Ee、振動(dòng)能量Ev

、轉(zhuǎn)動(dòng)能量Er即:E＝Ee+Ev+ErΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

電子的能級(jí)躍遷17:23:54

分子軌道理論：分子中電子軌道有σ成鍵軌道和σ*反鍵軌道，π成鍵軌道和π*反鍵軌道和n未成鍵軌道能量高低：σ<π<n<π*<σ*基態(tài)時(shí)成鍵電子占據(jù)成鍵軌道，未成鍵孤對(duì)電子占據(jù)非鍵軌道分子吸收紫外或可見(jiàn)光輻射后，電子就由基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)的反鍵軌道電子能級(jí)間躍遷的同時(shí)，總伴隨有振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷，即電子光譜中總包含有振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間躍遷產(chǎn)生的若干譜線而呈現(xiàn)寬譜帶。電子躍遷和吸收帶類(lèi)型17:23:54

有機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜是三種電子、四種躍遷的結(jié)果：σ電子、π電子、n電子。分子軌道理論：成鍵軌道—反鍵軌道，非鍵軌道。

當(dāng)外層電子吸收紫外或可見(jiàn)輻射后，就從基態(tài)向激發(fā)態(tài)(反鍵軌道)躍遷。主要有四種躍遷，所需能量ΔΕ大小順序?yàn)椋簄→π＊<π→π＊<n→σ＊<σ→σ＊

sp

*s

*RKE,BnpECOHnpsH1.σ→σ＊躍遷17:23:54

所需能量最大，σ電子只有吸收遠(yuǎn)紫外線的能量才能發(fā)生躍遷。飽和烷烴的分子吸收光譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)。

吸收波長(zhǎng)λ<200nm。例：甲烷λmax為125nm,乙烷λmax為135nm，環(huán)丙烷（飽和烴中最長(zhǎng)）λmax為190nm。在近紫外沒(méi)有飽和碳?xì)浠衔锏墓庾V，需真空紫外分光光度計(jì)檢測(cè)；可作為溶劑使用。2.n→σ＊躍遷17:23:54

所需能量較大,但比σ→σ＊小。吸收波長(zhǎng)為150～250nm，大部分在遠(yuǎn)紫外區(qū)，近紫外區(qū)仍不易觀察到。含非鍵電子的飽和烴衍生物(含N，O，S和鹵素等雜原子)均呈現(xiàn)n→σ*躍遷。n→σ*躍遷所需能量取決于帶有n電子的原子的性質(zhì)以及分子結(jié)構(gòu)。

3.n

→π＊躍遷17:23:54

由n→π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶稱(chēng)為R帶(德文Radikal)。能量最?。?00～700nm；κmax<103L·mol-1·cm-1較小（一般小于100），弱吸收，禁阻躍遷。分子中同時(shí)存在雜原子和雙鍵產(chǎn)生n→π*躍遷。C=O，N=N，N=O，C=S基團(tuán)中氧原子被硫原子取代后吸收峰發(fā)生紅移；

C=O：n→π*，λmax280～290nm；C=S（硫酮）：n→π*，λmax400nm左右。

R

帶在極性溶劑中發(fā)生藍(lán)移。正己烷中：279nm；乙醇中：272nm；水中：264nm。

4.

π→π＊躍遷17:23:54

所需能量較小，吸收波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紫外區(qū)的近紫外端或近紫外區(qū)，κmax一般在104L·mol-1·cm-1以上，屬?gòu)?qiáng)吸收。不飽和烴π→π*躍遷：C=C發(fā)色基團(tuán)，但

→

*，λmax200nm。乙烯π→π*躍遷的λmax為162nm，κmax為：1×104L·mol-1·cm-1。CCHHHH助色基團(tuán)取代

*發(fā)生紅移。共軛雙鍵體系的

π→π＊躍遷17:23:54

共軛雙鍵結(jié)構(gòu)的分子出現(xiàn)K吸收帶。能量小，近紫外區(qū)，κmax>104L·mol-1·cm-1

，強(qiáng)吸收。（1）K帶（德Konjugation，共軛）——非封閉共軛體系的

→*

躍遷丁二烯（CH2＝CH—CH＝CH2）K帶：λmax=217nm，κmax=21000L·mol-1·cm-1

。極性溶劑使K

帶發(fā)生紅移。苯乙烯、苯甲醛、乙酰苯等，也都會(huì)出現(xiàn)K

帶。紫外-可見(jiàn)吸收光譜常用術(shù)語(yǔ)17:23:54非發(fā)色團(tuán)

在200～800nm近紫外和可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)無(wú)吸收的基團(tuán)。只具有σ鍵電子或具有σ鍵電子和n非鍵電子的基團(tuán)為非發(fā)色團(tuán)；一般指的是飽和碳?xì)浠衔锖痛蟛糠趾蠴，N，S，X等雜原子的飽和化合物；對(duì)應(yīng)的躍遷類(lèi)型σ→σ*躍遷和n→σ*躍遷，大部分都出現(xiàn)在遠(yuǎn)紫外區(qū)。2.發(fā)色團(tuán)

17:23:54

在近紫外和可見(jiàn)區(qū)域有特征吸收的基團(tuán)。發(fā)色團(tuán)的電子結(jié)構(gòu)特征是具有π電子：C＝C，C＝O，C≡N，N＝N，N＝O，NO2等。一個(gè)雙鍵：π→π*躍遷,強(qiáng)吸收，遠(yuǎn)紫外區(qū)。多個(gè)發(fā)色團(tuán)（共軛）：吸收出現(xiàn)在近紫外區(qū)。發(fā)色團(tuán)對(duì)應(yīng)躍遷類(lèi)型是π→π*和n→π*。在紫外光譜中，發(fā)色團(tuán)并非一定有顏色。3.助色團(tuán)

17:23:54

具有非鍵電子n的基團(tuán)：—NH2，—NR2，—OH，—OR，—SR，—Cl，—SO3H，—COOH等；本身在紫外和可見(jiàn)光區(qū)無(wú)吸收；至少有一對(duì)能與π電子相互作用的n電子；相當(dāng)于共軛體系(ΔΕ)，使發(fā)色團(tuán)λmax

（紅移），“助色”能力：F<CH3<Cl<Br<OH<OCH3<NH2<NHCH3<N(CH3)2<NHC6H5<O-。4.紅移-藍(lán)移17:23:54紅移：由取代基或溶劑效應(yīng)引起的使吸收向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)稱(chēng)為紅移。藍(lán)移：使吸收向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)稱(chēng)為藍(lán)移。

增色效應(yīng)—κmax；減色效應(yīng)—κmax；強(qiáng)帶—κmax≥104

L·mol-1·cm-1

弱帶—κmax<103L·mol-1·cm-1

；

溶劑影響

17:23:54紫外-可見(jiàn)吸收常用的溶劑

常見(jiàn)溶劑：環(huán)己烷、95％的乙醇和二氧六環(huán)。雜質(zhì)去除：活性硅膠過(guò)濾的方法來(lái)去除溶劑中微量的芳香烴和烯烴雜質(zhì)。非極性溶劑：環(huán)己烷，“透明”極限波長(zhǎng)210nm；極性溶劑：95％的乙醇，透明”極限波長(zhǎng)是210nm。溶劑選擇時(shí)需要考慮的因素：

①溶劑本身的透明范圍；

②溶劑對(duì)溶質(zhì)是惰性的；③溶劑對(duì)溶質(zhì)要有良好的溶解性。

光吸收定律（朗伯-比耳定律）17:23:54

A＝lg（I0/It)=-lgT=κcl

式中A：吸光度，描述溶液對(duì)光的吸收程度；

l：液層厚度(光程長(zhǎng)度)，通常以cm為單位；

c：溶液的摩爾濃度，單位mol·L-1；

κ：摩爾吸光系數(shù)，單位L·mol-1·cm-1；

或

A＝lg（I0/It)=alρ

ρ

：溶液的質(zhì)量濃度，單位g·L-1

a：吸光系數(shù)，單位L·g-1·cm-1

a與κ的關(guān)系為：a=κ/M（M為摩爾質(zhì)量）吸收曲線的討論：17:23:54①同一種物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸光度不同。吸光度最大處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)稱(chēng)為最大吸收波長(zhǎng)λmax。②不同濃度的同一種物質(zhì)，其吸收曲線形狀相似λmax不變。而對(duì)于不同物質(zhì)，它們的吸收曲線形狀和λmax則不同③吸收曲線可以提供物質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息，并作為物質(zhì)定性分析的依據(jù)之一。④不同濃度的同一種物質(zhì)，在某一定波長(zhǎng)下吸光度A有差異，在λmax處吸光度A的差異最大。此特性可作作為物質(zhì)定量分析的依據(jù)。⑤在λmax處吸光度隨濃度變化的幅度最大，所以測(cè)定最靈敏。吸收曲線是定量分析中選擇入射光波長(zhǎng)的重要依據(jù)。光路圖基本組成1.光源在整個(gè)紫外光區(qū)或可見(jiàn)光譜區(qū)可以發(fā)射連續(xù)光譜，具有足夠的輻射強(qiáng)度，較好的穩(wěn)定性，較長(zhǎng)的使用壽命。

可見(jiàn)光區(qū)：鎢燈作為光源，其輻射波長(zhǎng)范圍在320～2500nm。紫外區(qū)：氫、氘燈。發(fā)射185～400nm的連續(xù)光譜。光源單色器信號(hào)放大和測(cè)量檢測(cè)器樣品池顯示

2.單色器

將光源發(fā)射的復(fù)合光分解成單色光并可從中選出一任波長(zhǎng)單色光的光學(xué)系統(tǒng)。①入射狹縫：光源的光由此進(jìn)入單色器。②準(zhǔn)光裝置：透鏡或返射鏡使入射光成為平行光束。③色散元件：將復(fù)合光分解成單色光；棱鏡或光柵。

④聚焦裝置：透鏡或凹面反射鏡，將分光后所得單色光聚焦至出射狹縫。⑤出射狹縫。3.樣品池

試樣室：吸收池(比色皿)+池架附件。吸收池：石英池，玻璃池。在紫外區(qū)須采用石英池，可見(jiàn)區(qū)一般用玻璃池。4.檢測(cè)器

利用光電效應(yīng)將透過(guò)吸收池的光信號(hào)變成可測(cè)的電信號(hào)，常用的有光電池、光電管或光電倍增管。5.結(jié)果顯示記錄系統(tǒng)

檢流計(jì)、數(shù)字顯示、微機(jī)進(jìn)行儀器自動(dòng)控制和結(jié)果處理。分光光度計(jì)的類(lèi)型1.單光束

簡(jiǎn)單，價(jià)廉，適于在給定波長(zhǎng)處測(cè)量吸光度或透光度，一般不能作全波段光譜掃描，要求光源和檢測(cè)器具有很高的穩(wěn)定性。2.雙光束

自動(dòng)記錄，快速全波段掃描?？上庠床环€(wěn)定，檢測(cè)器靈敏度變化等因素的影響，特別適合于結(jié)構(gòu)分析。復(fù)雜，價(jià)高。3.雙波長(zhǎng)

將不同波長(zhǎng)的兩束單色光(λ1、λ2)快束交替通過(guò)同一吸收池而后到達(dá)檢測(cè)器。產(chǎn)生交流信號(hào)。無(wú)需參比池。?=1～2nm。兩波長(zhǎng)同時(shí)掃描即可獲得導(dǎo)數(shù)光譜。17:23:542.溶劑的影響

17:23:54

對(duì)烯和炔影響較小，但使酮峰值位移。（1）極性溶劑對(duì)n→π*躍遷的影響規(guī)律：極性溶劑使n→π*吸收帶發(fā)生藍(lán)移，κmax；極性，藍(lán)移的幅度。為什么？原因：Cδ+=Oδ-極性，激發(fā)態(tài)時(shí)O電子云密度，鍵極性；基態(tài)時(shí)的作用強(qiáng)，基態(tài)能量大，激發(fā)態(tài)能量小。能級(jí)間的能量差，藍(lán)移。

（2）極性溶劑對(duì)π→π*躍遷的影響

17:23:54規(guī)律：使π→π*吸收帶發(fā)生紅移，κmax略有降低。原因：C=C基態(tài)時(shí)，兩個(gè)π電子位于π成鍵軌道上，無(wú)極性；π→π*躍遷后，分別在成鍵π和反鍵π*軌道上，C+=C-，極性，與極性溶劑作用強(qiáng)，能量。能級(jí)間的能量差，紅移。使分子的吸收峰向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的效應(yīng)稱(chēng)紅移。使分子的吸收峰向短波方向移動(dòng)的效應(yīng)稱(chēng)藍(lán)移。17:23:54極性溶劑致使π→π*躍遷的K帶發(fā)生紅移。

既有K帶又有R帶時(shí)，溶劑極性越大則K帶與R帶的距離越近(K帶紅移,R帶藍(lán)移)，見(jiàn)圖(因?yàn)镽在右，K在左)；而隨著溶劑極性的變小兩個(gè)譜帶則逐漸遠(yuǎn)離。

共軛烯：共軛使π-π*的ΔE↓，吸收峰紅移，強(qiáng)度增大，這種吸收帶稱(chēng)K吸收帶（共軛帶）有σ、π、n電子，可產(chǎn)生n-σ*、π-π*、n-π*，其中n-π*躍遷在270－300nm稱(chēng)R吸收帶（基團(tuán)帶）溶劑的影響17:23:54非極性→極性n

→

*躍遷：藍(lán)移，，κ

?！?躍遷：紅移，，κ。極性溶劑使精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。1：乙醚2：水12250300λ/nm乙酰丙酮的紫外-可見(jiàn)吸收光譜17:23:54（3）發(fā)色團(tuán)取代苯衍生物17:23:54

具有雙鍵的基團(tuán)的取代，它與苯環(huán)共軛在200～250nm出現(xiàn)K帶，使B帶發(fā)生強(qiáng)烈紅移，有時(shí)B帶被淹沒(méi)在K帶之中。

羰基雙鍵與苯環(huán)共扼：K帶強(qiáng)，苯的E2帶與K帶合并，紅移；取代基使B帶簡(jiǎn)化；氧上的孤對(duì)電子：R帶，躍遷禁阻，弱。CCH3On→p