第3章 紫外-可见吸收光谱

null§3.1 分子光谱概述 §3.2 光吸收定律 §3.3 紫外-可见分光光度计 §3.4 化合物的电子光谱 §3.5 紫外-可见分光光度法的应用§3.1 分子光谱概述 §3.2 光吸收定律 §3.3 紫外-可见分光光度计 §3.4 化合物的电子光谱 §3.5 紫外-可见分光光度法的应用第三章§3.1 分子光谱概述§3.1 分子光谱概述一. 分子光谱的产生1. 分子的能级分子紫外吸收光谱分子可见吸收光谱分子光谱： 连续光谱 带光谱远红外光谱中红外光谱紫外-可见光谱２. 单重态与三重态２. 单重态与三重态受激有机分子的电子激发态可以归纳为两种状态：基态激发态单重态激发态三重态激发态平均寿命 10-8sec激发态平均寿命 10-4~1 sec二. 分子的活化与去活化二. 分子的活化与去活化外转移内转移荧光系间窜跃磷光反系间窜跃迟滞荧光振动弛豫２. 无辐射跃迁的类型振动弛豫: Vr 10-12sec 外 转 移:无辐射跃迁回到基态 内 转 移:S2~S1能级之间有重叠 系间窜跃: S2~T1能级之间有重叠 反系间窜跃:由外部获取能量后 T1 ~ S2１. 辐射跃迁的类型共振荧光：10-12 sec 荧 光：10-8 sec 磷 光：1~10-4 sec 迟滞荧光:102~10-4 secnull§3.2 光吸收定律 一. Lambert – Beer 定律布格(Bouguer)和朗伯(Lambert)先后于1729年和1760年阐明了光的吸收程度和吸收层厚度的关系： 1852年比耳(Beer)又提出了光的吸收程度和吸收物浓度之间也具有类似的关系: A ∝ b A ∝ c二者的结合称为朗伯-比耳定律，其数学表达式为：式中：A：吸光度；T:透射率； 　　　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；A＝－ lgT ＝ － lg（ It / I0)= ε b c （动画）（动画）１.光吸收定律的表达式及其含义null２.吸光度与透射率A＝-lgT ＝-lg(It/I0)= ε b c T ＝10 –A=10- εb c C多组分混合体系中，如果各组分分子之间不存在离解、聚合、化学反应等化学平衡时，其吸光度具有加合性，即：３.吸光度的加合性null3. 摩尔吸光系数ε 吸光物质的特征常数ε(λ)；在最大吸收波长λmax处，常以εmax表示 。 在温度和介质条件一定时，ε 仅与吸光物质的结构与性质有关，可作为定性鉴定的参数； 不随浓度c 和光程长度b 的改变而改变：ε＝ b c / A。 吸光能力与测定灵敏度的度量； εmax越大表明该物质的吸光能力越强，测定的灵敏度越高。 ε>105： 超高灵敏；C= A/ε b =0.01/105=10-7 mol/L ε=(6～10)×104 ：高灵敏； C= A/ε b =0.01/5 ×104= 2×10-7 mol/L ε<104 ： 不灵敏。 C= A/ε b =0.01/104= 10-6 mol/L ε 在数值上等于浓度为1 mol/L、液层厚度为1cm时该溶液在某一波长下的吸光度。Uv-vis 吸收曲线A＝-lgT ＝ε b c ４. 吸光系数的几种表示方法４. 吸光系数的几种表示方法 C ---mol / L ε---摩尔吸光系数 L · mol –1 · cm -1C--g / L a---吸光系数 L · g –1 · cm -1C--g / 100 mL E1%1cm---比吸光系数 100mL · g–1 · cm -1、 a、 E1%1cm之间的相互换算：二. Beer 定律的的局限性１.仪器偏离　　　单色光Lambert – Beer定律的前提条件之一是入射光为单色光。 但实际上难以获得真正意义上的纯单色光。分光光度计只能获得近乎单色的狭窄光普通带。复合光可导致对朗伯-比耳定律的正或负偏离。null２.浓度的限制　　　　稀溶液Beer定律的假定：所有的吸光质点之间不发生相互作用； 假定只有在稀溶液(C < 10-2mol/L)时才基本符合。当溶液浓度C>10-2 mol/L 时，吸光质点间可能发生缔合等相互作用，直接影响了对光的吸收。 溶液中存在着离解、聚合、互变异构、配合物的形成等化学平衡时。使吸光质点的浓度发生变化，影响吸光度。e.g. 铬酸盐或重铬酸盐溶液中存在下列平衡： CrＯ42- ＋2H＋ = Cr2Ｏ72- ＋H2Ｏ 　　CrＯ42-、 Cr2Ｏ72-的吸光性质不同，即ε(λ)不同。此时溶液pH 对测定有重要影响。３.化学偏离 恒定的化学环境e.g. 光吸收定律的假定：溶液必须使均相体系。胶体、乳胶、悬浮物、沉淀等非均相体系产生的光散射会引起对朗伯-比耳定律的偏离。４.非均相体系偏离 真溶液null４.最佳的吸光度测量范围-ln T ＝εbC d[lnT] ＝-εb d C 0.4343 d T/T ＝-εb d C d C/C= 0.4343 d T/(T lgT) A=-lgT ＝0.4343T ＝0.368△ C/C ×100 = 0.4343△ T/(T lgT) ×100 =  0.4343×(±0.01)/[0.368×(-0.4343)] ×100 =± 2.7%最佳的吸光度范围：A＝0.2~0.8当 △ T= ± 0.01 ，即透射率的测量误差为1%时：null△ T= 0.01△ T= 0.01△ T= 0.005△ T= 0.005△ T= 0.001△ T= 0.001△ T= 0.0005△ T= 0.0005△ T= 0.0001△ T= 0.0001d C/C= 0.4343 d T/(T lgT) null三 . 吸收光谱的表示方法1. logε ~λnm(或埃) 2. logε ~波数/cm-1 3. logε ~频率/sec-1 菲的吸收光谱null4. ε ~λnm(或埃) 5. A ~λnm(或埃) 最常用的谱图6. T ~λnm(或埃) 菲的吸收光谱null§3.3 紫外-可见分光光度计一. 主要组成及部件的功能1. 工作原理基仪器结构框图光源碘钨灯氘灯单色器测量池参比池样品池光电倍增管数据处理和仪器控制null二. 光源（辐射源）1. 光源的要求：发射强度足够且稳定的连续光谱; 光辐射强度随波长的变化小; 有足够的使用寿命．钨灯（钨的熔点为3680K）； 波长范围：320~2500nm； 工作温度：3000K； Ihv∝ V3~4．2. 白炽光源常用类型：白炽光源与气体放电光源．卤钨灯：在钨灯中加入卤化物提高白炽灯的使用寿命．3. 气体放电光源氢弧灯（氢灯）：波长范围：165~350nm； 氢气压力：0.2~5mmHg。氘灯：内充气为氘辐射强度比起氢灯达3~5倍。null三. 单色器:平面衍射光栅四. 检测器：PMT-前面已经介绍光源碘钨灯氘灯单色器测量池CCD检测器数据处理和仪器控制CCD 光二极管阵列检测器null五. 测量池：液池、样品池、比色皿。1. 吸收池的玻璃360 nm2.25 mmnull石英200 nm2.5 mmnull2. 吸收池的形状波长范围3. 使用注意事项容易破碎null问题：请扼要叙述在非扫描型（单光束）的紫外-可见分光光度计上，人工绘制吸光物质的UV-VIS吸收光谱过程中需要注意的事项。单光束动画六. 紫外-可见分光光度计仪器的类型1. 单光束分光光度计优点：结构简单、价格低廉．缺点：受光源、检测器的波动影响：不能自动记录吸收光谱。类型动画波长增量的选择；改变波长都要用参比溶液调节T=100%；固定光谱通带与仪器参数；选择合适的溶液浓度与参比。null2. 双光束分光光度计双光束动画优点：能自动记录吸收光谱（自动扫描）；比切光器的频率慢的光源、检测器的波动不影响；是目前用得最多的分光光度计．双波长动画优点：可以测定较高浓度的样品溶液； 可以扣除背景吸收（样品池、浑浊等）； 比切光器的频率慢的光源、检测器的波动不影响； 导数吸收光谱曲线（=1~2nm)。3. 双波长分光光度计nullAA/ 双波长分紫外-可见吸收光谱nullnullnull§3.4 化合物的电子光谱 一.有机化合物的电子光谱１.跃迁类型σ→σ* σ→π*π→π* π→σ* n →π* n→ σ*nullA.σ→σ*：一般发生在远紫外线区，饱和烃类C-C键B. π→π*：发生在近紫外线区 ~200nm C. n→σ*：发生在远、近紫外线区之间 150nm~250nm C—X键，X—S、N、O、Cl、Br、I 等杂原子甲烷：λmax=125 nm 乙烷：λmax=135 nm 因此该类化合物的紫外-可见吸收光谱应用价值很小。CH2=CH2：λmax=165 nm 、CH≡CH：λmax=173 nm 但是随着共扼体系的增大或杂原子的取代， λmax向长波移动;εmax≥104，是强吸收带。CH3OH：λmax=183 nm 、CH3NH：λmax=213 nm 但是大多数吸收峰λmax小于200nm。 D. n →π* ：发生在近紫外线区与可见光区之间，是生色团中的未成键孤对电子向π*轨道跃迁。 　　　　　　属于禁阻助跃迁， εmax＜ 100，是弱吸收带。null E. 电荷迁移跃迁 ：电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁，发生在近紫外线区与可见光区之间。吸收谱带较宽、吸收强度大、εmax≥104，是强吸收带。电子接受体电子接受体电子给予体电子给予体null2. 一些常用名词A. 生色团(chromophore)是指分子中产生吸收带的主要官能团；吸收带的λmax＞210nm, 属于π→π* 、 n →π* 等跃迁类型。 生色团为不饱和基团：C=C、N=O、C=O、C=S等；生色团吸收带的位置受相邻取代基或溶剂效应的影响，吸收峰向长波或短波移动。B. 助色团(auxochrome)是指分子中的一些带有非成键电子对的基团本身在紫外-可见光区不产生吸收，但是当它与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，且吸收强度增大。 -OH、-OR、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-IC. 红移(red shift or bathochromic shift)是指一些带有非成键电子对的基团与生色团连接后，使生色团的吸收带向长波移动，这种效应成为红移，该基团称为红移基团： -OH、-OR、 -NH2、 -NR2、 -SH、 -SR、 -Cl、-BrnullE. 溶剂的极性效应溶剂的极性不同也会引起某些化合物的吸收带红移或蓝移，这种作用称为溶剂效应。无溶剂化作用有溶剂化作用蓝移:△ E n →π* ＜ △ E n →π* 红移: △ Eπ→π* ＞ △ Eπ→π* 亚异丙酮的溶剂效应D. 蓝移(hypsochromic shift)是指一些基团与某些生色团(C=O)连接后，使生色团的吸收带向短波移动，这种效应成为蓝移，该基团称为蓝移基团： -CH3、-CH2CH3、 -O-COCH3null3.有机化合物的电子光谱A. 饱和烃及其衍生物：σ→σ*、 n→ σ*直接用烷烃获卤代烃的吸收光谱来分析这些化合物的实用价值不大，是极好的溶剂。σ→σ*：λmax＜ 150 nm n→ σ* H2O CH3CI CH3Br CH3I λmax /nm ： 167 173 204 258取代元素的极性B. 不饱和烃及共轭烯烃：σ→σ*、π→π* (K 吸收带)nullC. 羰基化合物： n →π* (R 吸收带)、n→ σ*、π→π* 醛、酮: n →π* λmax~ 270~300 nm ε max~10-20α,β不饱和醛酮: n →π* λmax~310-330 nm εmax~10~20 π→π* λmax~220-260 nm εmax~10000羧酸及其衍生物: n →π* 存在助色团：-OH、-OR、-NH2、-Cl 形成 n →π共轭， π轨道降低，π* 轨道能量升高 n 轨道能量不受影响，因此 n→π* 蓝移 λmax~210nm 识别α,β不饱和醛酮nullD. Woodward规则 计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的π→π* 最大吸收波长的Woodward经验规则。共轭双键 λ= 30nm 环外双键 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 同环二烯 λ = 253nm 共轭双键 λ = 30nm 环外双键 λ= 5nm 烷基取代基λ = 3×5nm计算值： λmax = 303nm 测定值： λmax = 306nm胆甾-2,4,6-三烯异环二烯 λ=214nm 环外双键 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 烷基取代基 λ= 5nm 异环二烯 λ = 214nm 环外双键 λ= 5nm 烷基取代基λ =3×5nm计算值： λmax = 234nm 测定值： λmax = 234nmnullα位烷基取代基 λ= 10nm α,β-烯酮 λ=215 nm 同环二烯 λ= 39 nm 共轭双键 λ= 30 nm 环外双键 λ= 5 nm α位烷基取代基 λ= 10 nm δ位烷基取代基 λ= 18 nm计算值： λmax = 317 nm 测定值： λmax = 314 nm计算共轭烯酮的Woodward经验规则。α,β-烯酮 λ=215nm 共轭双键 λ= 30nm 同环二烯 λ= 39nm 环外双键 λ= 5nm δ位烷基取代基 λ= 18nm 胆甾-2,4-二烯-6-酮nullE. 苯及其衍生物：π→π* λmax~180nm εmax~60000λmax~204nm εmax~800λmax~255nm εmax~200nullF. Scott规则 计算芳香族羰基衍生物的π→π* 最大吸收波长的经验规则。nullPhCOR母体 λ= 246 nm 对位-OH取代基 λ= 25 nm 间位-OH取代基 λ= 7 nm计算值： λmax = 278 nm 测定值： λmax = 279 nm间位-OH取代基 λ=7nm PhCOR母体 λ= 246nm 对位-OH取代基 λ=25nm PhCOR母体 λ= 246nm 间位-Br取代基 λ=2nm 邻位-烷取代基 λ=3nm PhCOR母体 λ= 246 nm 邻位-烷取代基 λ= 3 nm 间位-Br取代基 λ= 2 nm 计算值： λmax = 251 nm 测定值： λmax = 248 nmnull二.无机化合物的电子光谱 1. 电荷迁移跃迁 ：与有机物类似，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁，发生在近紫外线区与可见光区之间。hv电子接受体电子给予体Mn+____Lb-M(n-1)+____L(b-1)-Cl- ____(H2O)nCl ____(H2O)n - hvFe3+____OH-hv[Fe3+____CNS-]2+Fe2+____OH[Fe2+____CNS]2+εmax≥104，是强吸收带null2. 配位体场跃迁A. f →f 跃迁镧系------ 4f 锕系------ 5f 由于f 轨道被具有高量子数的外层轨道所屏蔽，受外界影响较小，并且不易受外层电子有关的键合性质的影响。 εmax＜ 100，是弱吸收带因此，呈现窄带吸收nullB. d →d 跃迁null一. 定性分析1. 定性分析的依据§3.5 紫外-可见分光光度法的应用定性分析、结构分析、定量分析 物理化学参数的测定：分子量、配合物的配合比与稳定参数、酸碱离解常数、化学反应动力学常数等.2. 定性分析方法吸收光谱的形状 吸收峰的数目 εmax(λ) λmaxA. 用经验规则计算λmax与测定的λmax比较Woodward规则：计算共轭二烯、多烯烃、共轭烯酮类化合物的π→π* 最大吸收波长的经验规则。Scott规则：计算芳香族羰基衍生物的π→π* 最大吸收波长的经验规则。定性分析方法缺陷：只能定性分析化合物所具有的生色团与助色团； 光谱信息在紫外-可见光谱范围重叠现象严重。nullSadtler. Sdandard Spectra (Ultraviolet). Heyden, London, 1978. 共收集了46000种化合物的紫外吸收光谱 R. A. Friedel and M. Orchin, Ultraviolet Spectra of Aromatic Compounds, Wiley, New York, 1951. 共收集了579种芳香化合物的紫外吸收光谱 Kenzo. Hirayama, Handbook of Ultraviolet and Visible Absorption Spectra of Organic Compounds, New York, Plenum, 1967. M. J. Kamlet, Organic Electronic Spectra Data, Vol. 1,1946~1952, Interscience,1960. 与物质吸收光谱的比较：B.比较吸收光谱与标准吸收光谱谱图的比较：比较未知物与标准物质在相同化学环境与测量条件下的紫外-可见吸收光谱，若吸收光谱的形状、吸收峰的数目、 εmax(λ)、λmax完全相同，就可以确定未知物与标准物质具有相同的生色团与助色团。与标准吸收光谱谱图的比较时注意：相同化学环境与测量条件null二. 有机化合物构象与构型的确定乙酰乙酸乙酯的酮式与烯醇式互变异构:反顺式肉桂酸 λmax=295nm εmax=7000顺式肉桂酸 λmax=280nm εmax=13500极性溶剂中形成氢键--酮式 λmax=272nm εmax=16 n→π*非极性溶剂中形成分子内氢键--烯醇式 λmax=243nm εmax大 π →π*反顺式肉桂酸与顺式肉桂酸UV-VIS的差异：null2MAX1MAX3MAXB. 光谱信息部分独立三. 定量分析1. 定量分析的依据A＝-lgT ＝-lg(It/I0)= ε b c Lambert – Beer 定律A.光谱信息完全独立1MAXnullC. 光谱信息重叠解联立方程式:根据吸光度所具有的加和性:abnull等吸收波长法:Aλ1= Aaλ1+ Abλ1Aλ2= Aaλ2+ Abλ2∆A= Aλ1- Aλ2= Aaλ1+ Abλ1- Aaλ2- Abλ2 Abλ2= Abλ1\ ∆A= Aaλ1- Aaλ2null2. 相对分子量的测定3. 氢键强度的测定Mr＝ε b C/AC--g / La---吸光系数， L · g –1 · cm -1要求知道ε：可以用与待侧物具有相同的生色团与助色团同类化合物的ε数值代替。e.g. 在极性溶剂水中丙酮的 n→π* MAX = 264.5 nm △ E =452.96 kJ/mol 在非极性溶剂己烷中丙酮的 n→π* MAX = 279 nm △ E =429.40 kJ/mol 丙酮在水中的氢键强度为： △ E =452.96- 429.40= 23.56 kJ/mol