UV紫外可见吸收光谱-结构分析

课程名称：                            实验名称：    紫外可见吸收光谱法—结构                        学院部门：                            报告人：                              同组人员：                              实验时间：                                              提交时间：                              α( 阿而法) β( 贝塔) γ(伽马） δ（德尔塔） ε（艾普西龙） ζ（截塔） η（艾塔） θ（西塔） ι约塔） κ（卡帕） λ（兰姆达） μ（米尤） ν（纽） ξ（可系） ο（奥密克戎） π （派） ρ （若） σ （西格马）τ （套）υ （英文或拉丁字母）φ（斐） χ（喜） ψ（普西） ω（欧米伽） 一、实验目的 1、学习并掌握紫外可见分光光度计的使用； 2、了解并掌握不同的助色团对苯的紫外吸收光谱的影响； 3、了解并掌握溶剂极性对丁酮、三氯乙烯的紫外吸收光谱的影响； 4、了解并掌握pH对苯酚的紫外吸收光谱的影响。 二、实验原理 2.1 紫外吸收光谱产生的基本原理及相关概念 紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。因此，这种吸收光谱决定于分子中价电子的分布和结合情况。按分子轨道理论，在有机化合物分子中有几种不同性质的价电子：形成单键的电子称为σ键电子；形成双键的电子称为π键电子；氧、氮、硫、卤素等含有未成键的孤对电子，称为n电子。 当饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、硫、卤素等杂原子取代时，由于这类原子中有n电子，n电子较σ电子易于激发，使电子跃迁所需能量降低，吸收峰向长波长方向移动，这种现象称为红移，此时产生n→σ* 跃迁。这种能使吸收峰波长向长波方向移动的杂原子基团称为助色团。 芳香族化合物π→π*跃迁在近紫外区产生3个特征吸收带。苯的特征吸收带为184nm（E1），204nm(E2)，254nm(B)。E1带、E2带和B带式苯环上三个共轭体系中的π→π*跃迁产生的，E1带和E2带属强吸收峰带，在230—270nm范围内的B带属弱吸收带，其吸收峰常随苯环上取代基的不同而发生位移。当苯环上有助色基团如—OH、—Cl等取代基时，由于n—π共轭，使E2吸收带向长波长方向移动，但一般在210nm左右。同时，n—π共轭还能引起苯吸收的精细结构消失。 生色基团为一类含有π键的不饱和基团，在饱和碳氢化合物或苯环上引入这些基团后其最大吸收波长将移至紫外及可见区范围内，产生红移效应。 2.2 影响化合物紫外吸收的因素 2.2.1 溶剂极性  溶剂极性对紫外光谱的影响较复杂，主要可分为两类：①对吸收强度和精细结构的影响。在非极性溶剂中，尚能观察到振动跃迁的精细结构。但若改为极性溶剂后，由于溶剂和溶质的分子作用力增强，使谱带的精细结构变得模糊，以致完全消失成为平滑的吸收谱带。②对最大吸收波长（λmax）的影响。n→σ*和n→π*跃迁的分子都含有非键的n电子，基态极性比激发态大，因此基态能够与溶剂之间产生较强的氢键，能量下降较大，而激发态能量下降较小，故跃迁能量增加，吸收波长相短波方向移动，即发生蓝移。而在π→π*跃迁的情况下激发态的极性比基态强，溶剂使激发态的能级降低的比基态多，使π→π*跃迁所需能量减小发生红移。 2.2.2 pH值 在碱性条件下苯及某些其衍生物易形成盐离子，盐离子带负电荷对应的杂原子上孤对电子增加则n电子较原化合物增多。n电子较易激发，因此所需跃迁能量降低，其对应的3个吸收峰将发生红移。反之，在酸性条件下，化合物形成正离子，杂原子上孤对电子与氢结合，n电子云密度降低，使跃迁所需能量增加，波长向短波方向移动。 2.2.3 紫外可见分光光度计工作原理 紫外可见分光光度法是利用物质的分子或离子对某一波长范围的光的吸收作用，对物质进行定性分析、定量分析及结构分析, 所依据的光谱是分子或离子吸收入射光中特定波长的光而产生的吸收光谱。按所吸收光的波长区域不同，分为紫外分光光度法和可见分光光度法，合称为紫外可见分光光度法。紫外可见吸收光谱除主要可用于物质的定量分析外，还可以用于物质的定性分析、纯度鉴定、结构分析。 2.4 分光光度计的结构 分光光度计的类型很多，最常用的是可见分光光度计和紫外－可见光分光光度计。 各种类型的分光光度计的结构和原理基本相同，一般包括光源、单色器、比色杯、检测器和显示器五大部分。 光源：光源指一种可以发射出供溶液或吸收物质选择性吸收的光。光源应在一定光谱区域 内发射出连续光谱，并有足够的强度和良好的稳定性，在整个光谱区域内光的强度不应 随波长有明显的变化。实际上许多光源的强度都随波长变化而变化。为了解决这一问，在分光光度计内装有光强度补偿装置，使不同波长下的光强度达到一致。 可见光分光光度计常用光源是钨灯，能发射出350nm～2500nm 波长范围的连续光谱，适用范围是360nm～1000nm。现在常用光源是卤钨灯，其特点是发光效率大大提高，灯的使用寿命也大大延长。 紫外光光度计常用氢灯作为光源，其发射波长的范围为150nm～400nm 。因为玻璃吸收紫外光而石英不吸收紫外光，因而氢灯灯壳用石英制成。为了使光源稳定，分光光度计均配有稳压装置。 单色器：将来自光源的复合光分散为单色光的装置称为分光系统或单色器。单色器可分成滤光片、棱镜和光栅。滤光片能让某一波长的光透过，而其它波长的光被吸收，滤光片可 分成吸收滤光片、截止滤光片、复合滤光片和干涉滤光片。棱镜是用玻璃或石英材料制成的一种分光装置，其原理是利用光从一种介质进入另一种介质时，光的波长不同在棱镜内的传播速度不同，其折射率不同而将不同波长的光分开，玻璃棱镜色散能力大，分光性能好，能吸收紫外线而用于可见光分光光度计，石英棱镜可用于可见光和紫外光分光光度计。光栅是分光光度计常用的一种分光装置，其特点是波长范围宽，可用于紫外、可见和近红外光区，而且分光能力强，光谱中各谱线的宽度均匀一致。 比色杯：比色杯又称为吸收池或比色皿。比色杯常用无色透明、耐腐蚀和耐酸碱的玻璃或石 英材料做成，用于盛放待比色溶液的一种装置。玻璃比色杯用于可见光区，而石英比色杯用于紫外光区，比色杯的光径0.1～10cm ，一般为1cm 。同一台分光光度计上的比色杯，其透光度应一致，在同一波长和相同溶液下，比色杯间的透光度误差应小于0.5％。使用时应对比色杯进行校准。 检测器：检测器是将透过溶液的光信号转换为电信号，并将电信号放大的装置。常用的检测器为光电管和光电倍增管。 显示器：显示器是将光电管或光电倍增管放大的电流通过仪表显示出来的装置。常用的显示 器有检流计、微安表、器和数字显示器。检流计和微安表可显示透光度（T /％）和吸光度（A/°）。数字显示器可显示T /％、A /°和浓度（C/mol·L-1）。 三、 仪器与试剂 3.1 实验仪器 紫外可见分光光度计      日本岛津UV-2501PC 石英吸收池              1cm×1cm 容量瓶                  10ml    吸量管                  1mL，0.1mL      3.2 实验试剂 乙醇、氯仿（三氯甲烷）、丁酮、三氯乙烯、正己烷（均为A.R） 0.1mol/L HCl（盐酸） 0.1 mol/L NaOH（烧碱、强碱） 苯的正己烷溶液（以1：250比例混合而成） 甲苯的正己烷溶液（以1：250比例混合而成） 0.3mg/mL 苯酚的乙醇溶液 0.3518mg/mL 苯酚的正己烷溶液 0.4410mg/mL 苯酚的水溶液 0.8mg/mL 苯甲酸的正己烷溶液 0.8mg/mL 苯甲酸的乙醇溶液 0.3mg/mL 苯乙酮的正己烷溶液 0.2694mg/mL 苯乙酮的乙醇溶液 四、 实验步骤 4.1 苯及其一取代物的吸收光谱的测绘 在五只10mL容量瓶中分别加入1.00mL苯、甲苯、苯乙酮、苯酚、苯甲酸的正己烷溶液，用正己烷稀释至刻度，摇匀。将他们依次装入带盖的石英吸收池中，以正己烷为参比，从200—400nm进行波长扫描，得吸收光谱。 观察各吸收光谱的图形，找出最大吸收波长λmax，并计算各取代基使苯的λmax红移了多少？ 4.2 溶剂性质对紫外吸收光谱的影响 4.2.1 溶剂极性对n→π* 跃迁的影响 在三只10mL的容量瓶中，各加入0.04mL（长嘴滴管1滴）的丁酮，分别用水、乙醇、氯仿稀释至刻度，摇匀。将它们依次装入石英吸收池，分别相对各自的溶剂，从200—400nm进行波长扫描，制得吸收光谱。比较它们吸收光谱的最大吸收波长的变化，并解释。 4.2.2 溶剂极性对π→π* 跃迁的影响 在三只10mL的容量瓶中依次加入1滴三氯乙烯溶液，并分别用水、乙醇、正己烷稀释至刻度，摇匀。将它们依次装入石英吸收池，相对各自的溶剂，从200—400nm进行波长扫描，制得吸收光谱。比较它们吸收光谱的最大吸收波长的变化，并解释。 4.2.3 溶剂极性对吸收峰吸收强度和形状的影响 在三只10mL的容量瓶中，分别加入1.00mL苯酚、苯乙酮、苯甲酸乙醇溶液，用乙醇稀释至刻度，摇匀。将他们依次装入带盖的石英吸收池中，依乙醇为参比，从200—400nm进行波长扫描，得吸收光谱。与苯酚、苯乙酮、苯甲酸的正己烷溶液的吸收光谱相比较，得出结论。 4.3 溶液的酸碱性对苯酚吸收光谱的影响 在两只10mL的容量瓶中，各加入1.00mL苯酚的水溶液，分别用0.1mol/L HCl、0.1 mol/L NaOH溶液稀释至刻度，摇匀。将它们依次装入带盖的石英吸收池中，相对水，从200—400nm进行波长扫描，得吸收光谱。比较它们吸收光谱的最大吸收波长，并解释。 五、 实验结果分析 5.1 测试条件 扫描范围：200.00nm~400.00nm。 扫描速度：fast。 步长：0.2nm。 狭缝宽度：0.1nm。 5.2 实验结果与分析 5.2.1 苯及其一取代物的吸收光谱的测绘 图1  苯及其一取代物的紫外吸收光谱 图1所示为苯及其一取代物的紫外吸收光谱。在波长230nm~270nm之间可观察到B吸收带，B吸收带精细结构程度随样品组成不同而改变。波长200nm~230nm处为苯环E吸收带， E1和E2吸收带重叠较为严重，从谱图中难以被分辨出。E吸收带吸收强度明显大于B吸收带吸收带，部分谱线仪器未能检出。鉴于E吸收带吸收峰不完整且谱线杂乱，选取各样品B吸收带进行分析。各样品B吸收带最大吸收波长λmax值和精细结构数据见表1。 表1  苯及其一取代物B吸收带λmax值和精细结构数据 编号 样品 λmax （nm） 精细结构（峰个数） 1 苯酚正己烷溶液 270 3 2 苯甲酸正己烷溶液 274 2 3 苯乙酮正己烷溶液 278 2 4 苯正己烷溶液 254 6 5 甲苯正己烷溶液 261 5         ①生色基团对苯最大吸收波长的影响：对比表1中苯甲酸、苯乙酮与苯的最大吸收波长值发现，苯甲酸红移20nm，苯乙酮红移24nm。苯甲酸、苯乙酮分子中取代基—COOH和 均为生色基团。在苯环上引入生色基团后，共轭体系增长使苯环上电子云密度减小，跃迁所需能量降低，因此最大吸收波长向长波方向移动。精细结构出峰数目对比结果显示，生色基团可使苯环B吸收带精细结构消失，精细结构出峰数从6个减少为2个。 ②助色基团对苯最大吸收波长的影响：苯酚的λmax与苯相比红移了16nm，甲苯则红移了7nm。苯酚分子中的—OH和甲苯分子中的—CH3均为助色基团。助色基团原子中含有的n电子较σ易于激发，使电子跃迁所需能量降低吸收峰向长波方向移动。—OH较—CH3的n电子云密度更高，苯酚的红移现象比甲苯更明显。与此同时n—π共轭使苯环上精细结构消失，所以苯酚精细结构出峰数为3甲苯为5，均低于苯的精细结构出峰数。 5.2.2 溶剂极性对n→π* 跃迁的影响 图2  溶剂极性对丁酮n→π* 跃迁的影响 图2为使用不同溶剂的丁酮溶剂紫外吸收光谱。图中270nm前后可观察到羰基n→π*跃迁所产生的R吸收带。随溶剂的不同，R吸收带λmax有所变化，结果见表2。 表2  不同溶剂中丁酮R吸收带λmax值 编号 样品 λmax （nm） 1 丁酮氯仿溶液 276 2 丁酮水溶液 266 3 丁酮乙醇溶液 273       n→π*跃迁的分子中含非键的n电子，其基态极性比激发太大，因此基态分子能与溶剂之间产生较强氢键，能量下降较大。而激发态能量下降较小，因此在极性溶剂中最大吸收波长向短波方向移动，产生蓝移。 5.2.3 溶剂极性对π→π* 跃迁的影响 图3为三氯乙烯与不同溶剂混合后的紫外吸收光谱图。图中200~250nm处为π→π* 跃迁所产生的K吸收带。由于样品浓度过高，吸收峰超出仪器检测限，使得K吸收带吸收峰未能在图中完全显示出来，且峰形杂乱，重叠较严重。由于吸收峰未能在图中显示出，因此以峰起始位置的波长作比较，经对比后发现三氯乙烯的正己烷溶液和乙醇溶液出峰位置基本不发生变化，其水溶液在相对低波长处出现吸收。 图3  溶剂极性对三氯乙烯π→π* 跃迁的影响 对于π→π* 跃迁，激发态分子的极性比基态分子强，溶剂与激发态分子间形成氢键所降低的能级比基态多，使得在极性溶剂中π→π* 跃迁所需能量变小，吸收峰发生红移。 5.2.4 溶剂极性对吸收峰吸收强度和形状的影响 （a）正己烷作溶剂；（b）乙醇作溶剂 图4  溶剂极性对吸收峰吸收强度和形状的影响 分别以正己烷和乙醇作溶剂，测定苯酚、苯甲酸、苯乙酮的紫外吸收光谱，实验结果如图4所示。表3为各测试样品B吸收带最大吸收波长处吸光度值和精细结构出峰数目。 表3  溶剂极性对吸收峰吸收强度和形状的影响 编号 正己烷溶剂 乙醇溶剂 样品 λmax处吸光度 精细结构（峰个数） 样品 λmax处吸光度 精细结构（峰个数） 1 苯酚正己烷 0.2924 3 苯酚乙醇 0.5818 2 2 苯甲酸正己烷 0.6156 2 苯甲酸乙醇 0.5498 2 3 苯乙酮正己烷 0.1831 2 苯乙酮乙醇 0.2232 1               由图4和表3可得，溶剂极性增大后，苯环B吸收带精细结构消失更为明显。在极性溶剂中，溶剂和溶质的分子作用力增强，使谱带的精细结构变得模糊，以致完全消失成为平滑的吸收谱带。同时由于溶剂本身有一定的吸收带，如果和溶质的吸收带有重叠将改变溶质的峰吸收强度。上述两个因素同时影响了溶质的峰吸收强度和形状。 5.3 溶液的酸碱性对苯酚吸收光谱的影响 图5  溶液的酸碱性对苯酚吸收光谱的影响 分别用0.1mol/L氢氧化钠和0.1mol/L的HCl溶液定容1.00mL的苯酚水溶液，以水作参比进行紫外光谱扫描，所得结果见图5。图中200~250nm处为苯环E吸收带，250~300nm处为B吸收带。由图5可见，苯酚氢氧化钠溶液E、B吸收带最大吸收波长均大于苯酚盐酸溶液。这是因为在碱性溶液中，苯酚以 形式存在，使未成键n电子密度增大，由于n电子较容易激发因此最大吸收向长波方向移动。反之，在酸性溶液中，氧上的n电子质子化，可使n→π*的吸收位置向短波方向移动。 六、实验讨论 6.1 本实验使用日本岛津UV-2501PC型紫外可见分光光度计测定了一系列苯及其一取代物，不同溶剂中丁酮、三氯乙烯和的紫外吸收光谱，根据实验结果分别探讨了助色团、生色团，溶剂极性和酸碱性对溶质紫外吸收光谱的影响，并得出以下结论： （1）生色团和助色团可使苯环上B吸收带最大吸收波长发生红移，同时使B吸收带精细结构消失。 （2）在极性溶剂中，n→π*跃迁所需能量增大，最大吸收波长向短波方向移动。 （3）溶剂极性增加，π→π*跃迁所需能量减小，最大吸收波长向长波方向移动发生红移。 （4）溶剂极性可使苯环上B吸收带精细结构较少甚至消失，变成平滑的吸收峰。 （5）在碱性溶剂中，溶质最大吸收波长发生红移；反之在酸性溶剂中，溶质最大吸收波长向短波方向移动。 6.2综合各实验结果可发现，本次实验的测试结果误差较大。大部分谱图在波长250nm以下范围内吸收峰杂乱，且吸收强度超出仪器检测范围造成部分吸收峰不能在图中完整显示出来，给实验结果的分析带来了困难与误差。通过对比其他小组的实验结果并结合本组情况得出以下几点原因： （1）本次实验所需配制的溶液较多，在溶液的配制过程中各不同实验人员操作均有一定误差。 （2）所配制待测样品浓度过高，致使吸收峰超出仪器检出限，吸光度值应在1以下，而本实验吸光度均在1以上。 （3）仪器使用次数增多，零部件受影响发生老化，为实验结果带来了误差。 6.3通过这次实验，进一步掌握了紫外可见分光光度计的是应用方法和工作原理。熟悉并掌握了利用紫外可见分光光度计进行定性分析的实验方法和原理。对于影响紫外光谱吸收曲线因素和相关原理得到了较好的巩固。 七、注意事项 1、本实验试样均为挥发溶液，测定时比色皿必须加盖，样品装填量应不少于比色皿高度的三分之二不多于四分之三； 2、测定完成后把波长调到550nm处再退出测试软件； 3、样品溅入比色室后应立即用滤纸或软纱布擦拭干净； 八、思考题 8.1 说明溶剂极性对n→π*跃迁和π→π*吸收峰将产生什么影响？ 答：对于n→π*跃迁，在极性溶剂中，溶剂与基态分子形成氢键使基态分子能量下降，增加了跃迁所需能量，最大吸收波长向短波方向移动；而对于π→π*跃迁，溶剂与激发态分子形成氢键使激发态分子能量下降，跃迁所需能量减小，最大吸收波长向长波方向移动发生红移。 8.2 在本实验中能否用蒸馏水代替各溶剂作参比，为什么？ 答：不行。由于溶剂性质不同使得不同溶剂本身具有一定的吸收带。测定紫外吸收光谱时，使用参比的目的是为了扣除溶剂对溶质吸收光谱的所带来的影响，降低实验误差。因此，在测试时，应使用待测溶液中对应的溶剂作为参比，而不能统一使用蒸馏水。