紫外吸收光谱分析.docx

1、紫外吸收光谱分析 电磁波与分子吸收光谱 电子跃迁与分子结构 紫外光谱图的获得与表示 有机化合物的紫外光谱特征 紫外光谱的定性、定量分析紫外吸收光谱分析一、电磁波与分子吸收光谱1.1 电磁波的特性电磁波是一种横波，在真空中以光速传播。电磁波具有波粒二象性波动性：电磁波是以波动的形式传播，具有衍射、干涉及偏振等现象，因此它具有波动性。粒子性：电磁波由极小、密集的光量子（光子微粒）组成。电磁辐射的实质是光子的运动。电磁波在与物质相互作用时，主要表现为粒子性。电磁波波粒二象性的明显程度与其波长有关：波长愈短，粒子性愈明显；波长愈长，波动特性愈明显。1.2 电磁波谱射线：具有最高能量的微粒。仅在核反应、

2、高速粒子加速器、宇宙星体剧烈变化时产生X射线：具有软、硬之分。医学上所用的CT、X 透视仪均使用的软X 射线紫外光：包括远紫外（10200nm）和近紫外（200400nm）。 远紫外能被空气中的氧吸收（臭氧层）可见光（380 780 nm）：复合光与单色光（激光）红外光：分为近红外、红外和远红外三个区域。微波：能使物质分子“翻转”微波加热的原理；微波通信等无线电波：射频、视频、短波、中波、长波电磁波波长、频率的关系：c / 波长（m）；c光速（310 8 ms1）；频率（Hz）1.3 电磁波的能量光子作为一种物质微粒具有固有的能量： Ehh c / E能量；h普朗克常数；频率(Hz) ； c光

3、速 ；波长(m)电磁波的能量： 显粒子性时，能量由光子能量的公式而定 显波动性时，能量主要决定于电磁波振幅1.4 分子的能级与能量有机化合物分子的内部微观运动大致可分为三种，每一种微观运动都有许多种可能的状态，不同的状态具有不同的能量，对应不同的能级。分子内部的运动与对应的能量如下表所示。分子的内部运动以及对应的能量运动形式能 量符 号波长范围价电子运动电子能Ee501000 nm原子振动振动能Ev125 m分子转动转动能Er25300m分子内部的运动可分为价电子运动，分子内原子在平衡位置附近的振动和分子绕其重心的转动，这些运动具有相应的能级。因此分子具有电子能级、振动能级和转动能级。分子的能

4、量E等于这三种能级的能量之和： EEeEvEr分子的各能级之间示意图下图。1.5 分子吸收能量与电磁波吸收谱带分子能与外界进行物质与能量的交换。当分子从外界吸收能量后，就能引起分子能级的跃迁（从基态跃迁到激发态或从低能级跃迁至高能级）。分子吸收能量具有量子化的特征，即分子只能吸收等于二个能级之差的能量： EE2E1基态：一种相对的能量状态。没有绝对的基态（除非在绝对零度）激发态：也是一种能量状态相对能量高于基态的状态基态激发态相互转换：能量从何来？以何种形式失去？哪种能量能提供分子能极跃迁所刚好需要的能量呢？机械能、热能等？它们不能量子化。电磁波可通过改变频率或波长改变能量：Ehc/由于三种能

5、级跃迁所需的能量不同，所以用不同波长的电磁波照射物质，就可能在不同的电磁波区域出现吸收谱带（吸收的电磁波能量与波长的关系曲线）。相邻二个电子能级的能量差一般在120eV，对应的电磁波波长约501000nm，该波长位于紫外和可见光区，在该区域内出现的吸收光谱称为紫外可见光吸收光谱，又称电子光谱，是一种分子吸收光谱。由于在同一级电子能级中还包含了若干级的振动能级，而同一振动能级又是由若干级转动能级构成。因此，在电子能级跃迁的同时，总是伴随着多个振动能级和转动能级跃迁，即 EEeEvEr所以紫外光谱并非是一个纯电子光谱，而是电子-振动-转动的混合光谱。紫外可见光吸收光谱一般包含有若干谱带系，不同谱带

6、系相当于不同的电子能级跃迁。一个谱带系含有若干谱带，不同谱带相当于不同的振动能级跃迁。同一谱带内又包含有若干光谱线，每一条线相当于转动能级的跃迁。一般的分光光度计不能分辨因振动和转动能级跃迁产生的差别，观察到的是三种能级跃迁混合所产生的吸收谱带，因而紫外可见光吸收光谱是一种带状光谱。但采取一些特殊的测定方法，可以获得较精细的吸收谱带图。下图是1,2,4,5-四唑的三种紫外吸收图。a水溶液（450600nm一个馒头状吸收峰）b环已烷溶液（分成四个吸收峰）c气相（四个吸收峰均呈现出振、转能级跃迁的精细结构）。二、电子跃迁与分子结构2.1 分子结构轨道与电子按分子轨道理论，当两个原子结合成分子时，两

7、个原子的原子轨道线性组合成两个分子轨道。其中具有较低的能量叫成键轨道，另一个具有较高的能量叫反键轨道。通常，电子是在成键轨道，当分子吸收能量后，电子可以激发到反键轨道上。有机化合物的共价键有键和键，其成键轨道用和表示，成键的电子称为电子和电子；反键轨道用*和*表示。氧、氮、硫和卤素等杂原子还含有未成键的孤对电子，称为n电子，它们处在非键轨道上。例如，在羰基（CO）中这三种电子都存在。2.1 电子跃迁与吸收波长电子跃迁是指价电子吸收能量后从成键或非键轨道跃迁到反键轨道上。价电子的跃迁主要有四种： * 跃迁是单键中的电子在成键和反键轨道间的跃迁。与*之间的能级差最大，* 跃迁需要较高的能量，相应的

8、激发光波长较短，在150160nm范围，位于远紫外光区域，超出一般紫外分光光度计的检测范围。 * 跃迁是重键（不饱和键）中的电子吸收能量跃迁到反键轨道*。* 跃迁所需能量较低，故吸收峰波长较大。孤立双键的* 跃迁产生的吸收带位于160180nm，仍在远紫外区。 n* 当重键上连有杂原子（如 CO、NO2）时，杂原子上的n电子能跃迁到* 轨道。n* 跃迁是四种跃迁中所需能量最小的，它所对应的吸收带位于270300nm的近紫外区。 n* 跃迁是氧、氮、硫和卤素等杂原子的未成键n电子向* 轨道跃迁。当分子中含有NH2、OH、SR、X等基团时，就能发生这种跃迁。这种跃迁所需能量较* 跃迁小，相应吸收带

9、的波长一般出现在200nm附近，受杂原子性质的影响较大。 各种跃迁所需能量差的示意图及说明见如下图、表。电子跃迁能级示意图电子跃迁对应的波长跃 迁 类 型吸收波长范围*单键中的电子由成键到反键轨道的跃迁150160nm远紫外光区域n*杂原子的未成键n电子向*跃迁200nm 受杂原子影响*重键（不饱和键）中的电子由成键轨道向*反键轨道跃迁160300 nm孤立重键吸收波长短；在共轭体系中有红移效应n*重键上杂原子的未成键n电子向*反键轨道跃迁270300nm与杂原子和共轭体系有关以上讨论的是跃迁所需的能量，即紫外吸收带的位置（波长）问题。由于只有只有n* 、* 和部分n* 产生的吸收带位于近紫外

10、区域，能为普通的UVVis所检测，因此紫外可见光吸收光谱的应用范围有很大的局限性。吸收带的强度（一般用摩尔吸收系数定量表示）与跃迁几率有关。跃迁几率与跃迁偶极矩的平方成正比。由成键轨道向反键轨道的跃迁几率大，所以* 跃迁产生强吸收，的值约为10 4；由非键轨道向反键轨道的跃迁几率小，所以n* 和n* 跃迁产生的吸收带值仅100左右，为弱吸收。三、紫外吸收光谱的获得和表示方法3.1 吸收光谱用某波长的紫外光照射液态或气态相的物质时，其分子的价电子可能在该波长处吸收能量，从而使透过该物质的光强度减弱（绝对吸收强度透过光强度入射光强度；相对吸收强度透过光强度/入射光强度）。若是用波长连续变化的光进行

11、扫描，记录波长与吸收强度，就可获得波长吸收度的关系图：吸收光谱图。如果用复合光照射样品分子，由于这种光包含了电子跃迁对应的所有可能的能量，因而其中一些波长的光可能会被吸收，光强度就会减弱。但在射出的光中（仍然还是复合光），光强度的减弱是一个平均值，不能区别出是哪个波长的光有吸收，吸收了多少？为此需要用不同波长的单色光照射样品并检测其吸收值。分光光度计就是这样一种仪器。3.2 紫外可见光分光光度计（UVVis）物质的分子吸收光谱可通过叫分光光度计的仪器检测。对于用于紫外可见光光谱分析的叫紫外可见光分光光度计 UVVis。仪器的结构的工作原理如下。分光光度计由光源、分光系统、检测池、检测器和显示/

12、记录仪等组成。光源 提供一定波长范围的连续光谱。UV-Vis常用的氘灯或低压汞灯提供200400nm的紫外光，用钨灯提供可见光。分光系统 由单色器、光路和转动装置组成。由光源发出的复合光经单色器色散（分光）成连续的，具有一定带宽的单色光，再通过转动装置和一系列狭缝、反射镜和透镜等组成的光路，使这些单色光依次照射检测池，完成对样品的扫描。从而测定样品所吸收光的波长和强度。单色器是分光光度仪的核心部件，仪器的性能主要由它决定。滤光镜是最原始、最粗略的单色器；棱镜在很长一段时期是最常用的单色器；光栅可以说是数字化的单色器，在现代光学仪器最常用。检测器 用于检测透过样品的光强度并将光信号转换成电信号供

13、显示、输出。常用的光电转换器件有光电池、光电二极管、CCD和光电倍增管等。3.3 光的吸收图谱和吸收定律光源发出一定波长范围的连续光，经分光系统转变为一组单色光。不同波长的单色光依次照射检测池中的样品。如果某些波长的光能量正好等于被测样品分子的某一个能量差，即符合Ehc/的条件，该波长的光就会被吸收，因此透过样品到达检测器的光强度减弱，从而产生吸收信号。而波长不满足吸收条件的光，不被样品吸收，透过样品后的光强度不变。分光系统每扫描样品一次，就能检测记录下一张吸收信号波长的曲线，即吸收光谱图。吸收光谱的横坐标是波长，纵坐标是吸收强度。吸收强度一般用两种方法表示： 吸光度 A（也称光密度 OD）

14、Alg（I0 / I1）kcl （朗伯比耳定律） 透过率 T（常用百分数表示T） TI1/ I0Alg（1/ T）； lgTAkcl式中I0 、I1 入射、透过光强度；k 吸收系数；c 溶液浓度；l 溶液层厚度。在波长和溶液厚度一定的情况下，吸光度与溶液浓度成线性关系。3.4 吸收图谱的特征参数 最大吸收度波长max 吸收图谱中最大吸收度所对应的波长。max 是物质的特征常数之一，与物质的结构有一定的关系。不同的结构所产生的吸收波长是有所差异的。标准UV图谱中往往给出3个最大吸收峰所对应的波长，以增加物质鉴别可靠性的概率。 摩尔吸光系数 光路为1cm，浓度为1molL-1的样品溶液在某波长下测

15、得的吸光度。也是物质的特征常数，它定量的表示了物质对特定波长光的吸收能力。为了定量比较不同物质对光吸收的能力，就需要在单位体积所含分子数目相同（即相同的摩尔浓度）的条件下，测定其吸收强度。在样品分子量未知的情况下，常用百分吸收系数表示物质对光的吸收能力。百分吸收系数和摩尔吸光系数的关系如下： 式中M为摩尔质量3.5 分子结构与紫外吸收图谱的关系 结构 图谱：如果已知一化合物的分子结构，则根据其化合键的种类以及所含有的原子得到价电子的信息；再根据各价电子跃迁所对应的紫外波长，推测出该化合物的紫外吸收图谱。 图谱 结构：从一紫外吸收图谱各吸收峰对应的波长可推测出可能的价电子跃迁类型，从而大致知道化

16、合键的类型与可能含有的原子。紫外吸收光谱主要通过吸收谱带位置和吸收强度提供有机分子的结构信息。max和max是分子的特征常数，与化合物的电子结构密切相关，是鉴别化合物的重要依据。文献上常用max（max）的格式报道化合物的紫外光谱特征。但紫外光谱图更能全面反映化合物的光吸收信息。习惯上采用吸光度（A）波长（nm）坐标系表示化合物随波长的变化而产生的吸收谱带，波长范围也可以从190780nm 。3.6 紫外吸收图谱的一些术语前面讨论了有机分子中电子跃迁的类型以及对应的吸收谱带的波长范围。从有机化合物的宏观结构出发，也可以将有机分子中的基团与紫外吸收谱带联系起来。 生色团（发色团）chromoph

17、ore 含有键的不饱和基团。一般而言，含有键电子的分子（通常为重键和含有杂原子的分子），都能发生* 和n* 跃迁，所以能在近紫外光区域产生吸收带。常见的生色团有 CC、CC、CO、CN、NO2等。需要注意的是，孤立的重键的吸收谱带位于远紫外区域，实际应用价值不大，但若分子中含有共轭体系时，吸收谱带将产生红移。 助色团 auxochrome 能使吸收带向长波方向移动的杂原子基团。助色团通常是饱和单键碳氢化合物中的氢被氧、氮、卤素、硫等杂原子取代后所形成的，由于这些原子中有n电子，n电子较电子易于激发，使电子跃迁所需能量减弱，故吸收谱带向长波方向移动。 红移 指取代基或溶剂效应引起吸收带向长波方向

18、移动效应。总结： 分子的能级与能级的跃迁 3个能级 电子能级（Ee）、振动能级（Ev）和转动能级（Er） 分子的能量 EEeEvEr 分子只能吸收等于二个能级之差的能量： EE2E1 电子跃迁的种类及吸收带范围 3种电子：、n 4种跃迁 成键轨道反键轨道：*和* 非键轨道反键轨道：n*和n* 有紫外吸收信息的跃迁：*、 n*、n* 紫外可见光分光光度仪 组成与工作原理； 吸收光谱 波长与吸收度关系曲线；吸收度的计算公式 生色团和助色团； 共轭体系对吸收带的影响； 红移与蓝移 max和max的含义四、有机化合物的紫外吸收光谱紫外吸收光谱是物质吸收紫外光引起分子内电子能级跃迁的结果，所以化合物的电

19、子分布和结合情况决定其紫外吸收光谱的特征。以下按化合物分类进行讨论。 4.1 饱和化合物1烷烃 烷烃（饱和单键碳氢化合物）中只有键电子，键电子只有在吸收很大的能量后，才能产生* 跃迁，因而吸收带在远紫外区（10200nm），超出了一般紫外分光光度计的检测范围。所以烷烃不能用紫外光谱来研究。正是因为这些化合物在2001000nm范围内无吸收带的特性，在紫外吸收光谱分析中常用它们作溶剂。2含杂原子的饱和化合物 当烷烃中的氢被O、N、S、X等杂原子取代后，由于这类原子中有n电子，因此在这些化合物中存在* 和n* 两种跃迁。将使电子跃迁所需能量减低，取代后的化合物吸收谱带红移。但这些化合物的吸收带仍处

20、于远紫外区，只有部分含硫、氮以及卤素院子的化合物在近紫外区有弱吸收，在紫外光谱分析方面的用处不大。结论：一般饱和化合物在近紫外区没有吸收，不能直接用紫外光谱进行分析。 4.2 不饱和化合物所有含有重键（双键或三键）的化合物都归类其中，但按单、重键的排列规律可分为两大类： 非共轭的和共轭的。 非共轭的不饱和化合物单、重键之间的排列无规律 非共轭的脂肪烃化合物由于这些化合物只有孤立的重键（如乙烯、丁烯的四种异构体、乙炔等），其* 跃迁产生的吸收带虽然大于* 吸收带的波长，但仍落在远紫外区，实际应用价值不大。 含不饱和杂原子基团这些化合物（如含羰基、硝基等生色基团的化合物）含有、和n电子，所以四种电

21、子跃迁方式都存在。* 、n* 和* 绝大部分在近紫外区没有吸收，仅n* 跃迁的吸收带在近紫外区。这种由n* 跃迁产生的吸收带称为R带（源于德文radikal 基团）。R带的特征是吸收波长较长，大都在270300nm ；吸收强度弱。下表是一些这类简单化合物的R带数据。一些常见化合物的R带参数化合物丙酮乙醛乙酸乙酸乙酯乙腈max/max279/15290/16204/60207/69160/-溶 剂已烷庚烷水石油醚醛、酮的羰基的R带在270300nm ；而酸、酯羰基的R带在200 nm左右。结论：含有不饱和杂原子基团的化合物，将出现R吸收带。 含共轭体系的化合物单、重键之间交替排列在许多情况下孤立

22、的重键在近紫外区不产生吸收或吸收很弱，但在共轭双键体系（单键和双键交替隔开的体系）中，各间隔的键之间相互作用（共轭效应），生成大键。由于大键各能级间的能量差减小，电子极容易激发跃迁，因而其吸收带红移，吸收峰总是大于200nm，吸收强度也有所增强，生色作用相当明显。所以这类具有共轭体系的化合物是紫外吸收光谱的研究重点。这种由共轭* 跃迁所产生的吸收带称为K带（源于德文konjugation 共轭作用）。K带的吸收特点是吸收强度强，max 104，吸收波长与共轭体系的大小密切相关。共轭体系越大，* 跃迁产生的红移越多。 但当多个重键之间形成共轭体系时，从共轭双烯的基本骨架C=CC=C的吸收带217

23、nm起，一般每增加一个双键max大约红移30nm。当共轭双键达到一定数目后，甚至产生颜色。如果带杂原子的双键基团与其它双键基团形成共轭体系，其n* 跃迁产生的吸收带将红移。如丙酮的吸收带在276nm，而不是* 跃迁的166nm处。由于含共轭体系的化合物的吸收谱带在紫外区十分显著，因而在理论分析和大量实验数据归纳总结基础上，建立了若干经验公式用于预测比较复杂有机化合物的紫外光谱。如Woodward规则、FieserKuhn规则等。结论：含共轭体系的化合物具有K带特征，每增加一个双键，波长红移约30nm。 4.3 芳香族化合物芳香族化合物均为环状共轭体系，也是紫外吸收光谱研究的重点之一。 苯和取代

24、苯苯有三个共轭双键，因此有三个成键轨道和三个反键轨道，其* 跃迁时的情况比较复杂，可以有不同的激发态。苯有三个吸收带：E1带位于184nm，约为50000；E2带位于204nm，约为7900。这两个吸收带是由苯环结构中的三个双键环状共轭体系的跃迁所产生的，是芳香族化合物的特征吸收，但一般的紫外分光光度计的起始波长是190 nm，不能显示出：E1带。在苯的UV吸收谱中有一个特别的吸收带B吸收带。B吸收带（源于德文benzenoid，苯的）是一系列吸收带，位于230270nm处（256nm 处约200），亦称精细结构吸收带，这是由* 跃迁和苯环的振动叠加引起的。它常用来辨认芳香族化合物。但在极性溶

25、剂中，这种精细结构会减弱甚至消失。苯的UV吸收光谱图 苯环助色团：当助色团与苯环直接相连时，取代苯的E2和B带红移，吸收强度也有所增强，但B带的精细结构消失，这是由于n* 共轭所致。另外，当取代苯的两个取代基在不同位置（对、邻、间）时，它们的max和mzx都有差异，这对同分异构体的辨认有一定的帮助。 苯环生色团：当生色团与苯环相连时，B带有较大的红移，同时在200250nm出现强K带（苯环与生色团形成更大的共轭体系），104 ，有时会将E2和B带淹没，对紫外光谱带的完整解释带来很大的困难。 稠环芳烃与苯环相似，稠环芳烃也有E1、E2和B三个吸收带，三个吸收带都伴随有振动能级跃迁的精细结构。随着

26、稠环环数的增加，共轭体系增大，三个吸收带的波长均红移，E1带出现在200nm以上，E2和B带可能进入可见光区域，吸收强度也大大增强。线性排列的稠环（如萘、蒽、并四苯等）三个吸收带红移的幅度不同，E2带的移动幅度较大，因此常常出现B带被E2带淹没的情形。角型稠环（如菲等）三个吸收带移动幅度相近。结论：E2和B带是芳香族化合物的重要特征标志，常作为其定性分析的依据。总结：饱和化合物（单键）化合物在近紫外区没有吸收带，无紫外吸收光谱研究价值。但可以作为测试溶剂使用。非共轭的不饱和化合物在含有助色团时将出现R吸收带，其特征是吸收波长较长，大都在270300nm ；吸收强度弱，max 通常在100左右。

27、含共轭体系的化合物有K吸收带。其特点是吸收强度强，max 10 4，吸收波长与共轭体系的大小密切相关，自217nm起，一般每增加一个双键max大约红移30nm。芳香烃化合物有三个吸收带：E1、E2和B吸收带。B吸收带具有精细结构特征。但苯环上的取代基对E2和B吸收带影响较大，使它们红移。当取代基为生色团时将出现很强的K带，甚至会淹没E2和B吸收带。4.4 溶剂对紫外吸收光谱的影响（溶剂效应）在应用紫外吸收光谱分析时，有些溶剂，特别是极性溶剂，对溶质吸收峰的波长、强度及性状可能产生影响。这是因为溶剂和溶质间常形成氢键，或溶剂的偶极使溶质的极性增强，引起* 及n* 吸收带的迁移。* 吸收带（生色团

28、）的迁移往往是红移；而n* 吸收带（助色团）的迁移有时则是蓝移。因此在紫外光谱分析中，在溶解度允许范围内，应选择极性较小的溶剂，以排除溶剂对紫外吸收光谱的影响，尽可能得到正确的光谱图及max和max 。五、紫外吸收光谱分析的应用 5.1 有机化合物的结构分析与定性分析 有机化合物的结构分析是一个十分复杂的任务，单靠一种方法，尤其是紫外光谱很难完成。因为紫外光谱仅与分子中的生色团和助色团有关，只涉及电子结构与电子有关的那一部分。因此，在结构分析中紫外光谱的作用主要是提供有机物共轭体系以及与共轭体系有关的骨架。 有机化合物的定性鉴定相对比较简单，尤其是有标准物质或标准图谱时，可用比较法。即在相同条

29、件下测定未知物和标准物的吸收图谱，然后进行比较。如果两张图谱完全相同，则可认为两个化合物结构相同。这种方法在质谱、核磁共振和红外光谱中可以得到比较肯定的结果，但用在紫外光谱中应特别小心。具有相同结构的两种分子，在相同条件下测定的紫外光谱应是完全相同（这是必要条件），但反之，不同结构的物质，在相同条件下测得的紫外光谱也可能完全相同。即只要它们的生色团、助色团相同，而其余部分虽然不同，但是这些部分对紫外吸收没有贡献，那么这些物质的紫外光谱就可能是一样的。如异丙叉丙酮与胆甾4烯3酮的紫外光谱非常相近，难以区别，但它们是完全不同的分子，整体结构相差很大。它们能产生相同紫外光谱的原因是它们都有含杂原子的

30、共轭双键，而其余部分是对紫外吸收没有贡献的饱和结构。 紫外光谱用于定性分析的依据和一般规律利用紫外光谱定性分析应同时考虑吸收谱带的个数、位置、强度以及性状。从吸收谱带位置可以估计被测物结构中共轭体系的大小；结合吸收度可以判断吸收带的类型，以便推测生色团的种类。其中吸收带位置（max）和吸收强度（max）是定性分析的主要参数。有机物紫外吸收与结构关系的一般规律如下： 如果在220250nm有一个强吸收带（max约10 4）表明分子中存在一个共轭体系，该吸收带是K带；在300nm以上区域有高强吸收带则说明分子中有更大的共轭体系存在。 如果在270350nm区域出现一个低强度吸收带（max约10100），则应该是R带，可以推测该化合物含有带n电子的生色团。若同时在200nm附近没有其他吸收带，则进一步说明该生色团是孤立的，不与其他生色团共轭。 如在250300