波谱分析 紫外光谱(研究生)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,紫外可见光谱,Ultraviolet and visible spectra (UV),1,目录,1.1,紫外光谱基本原理,1.2,紫外光谱仪,1.3,各类化合物的紫外光谱,1.4,紫外光谱应用,2,3,电磁波能量与相应能级的跃迁及波谱方法,4,利用物质对电磁波的选择性吸收，可以对其进行定性和定量分析,被吸收的特征波谱的频率（或波长）反映物质的结构特征,-,定性,吸收的强度与物质的含量有关,-,定量,5,1.1,紫外光谱基本原理,紫外和可见光谱,(,ultraviolet and visible spectroscopy, UV-Vis,),是由分子吸收能量激发价电子或外层电子跃迁而产生的吸收光谱，从原理上讲属于电子光谱。,6,紫外可见光谱一般简称紫外光谱（,UV,),。,紫外可见光谱的波长范围：,10-800 nm.,(1) 10-200nm,：远紫外光区,(,真空紫外区,),，空气中氮气、氧气、水蒸气有吸收。,(2) 200-400nm,：近紫外光区，芳香化合物或共轭化合物有吸收，紫外光谱研究范围。,(3) 400-800nm,：可见光区，有色物质有吸收，可见光谱研究范围。,7,光是电磁波，光的能量,(E),用波长,(,),或频率,(,),表示,光的能量与波长成反比，与频率成正比，波长越长，能量越低，频率越高，能量越高。,1.1.1,紫外吸收的产生,8,分子绕其重心转动,-,转动能,-,转动能级,分子内原子在平衡位置附近振动,-,振动能,-,振动能级,电子绕原子核做相对运动,-,电子运动能,-,电子能级,因此,紫外可见光谱是分子在入射光的作用下发生价电子的跃迁而产生的吸收光谱，属于电子光谱的范畴,。,能级差逐渐增大,9,但是，在电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁，呈现带状光谱。,10,1.1.2,朗伯,-,比耳,（,Lambert-Beer),定律,由于物质（溶液）对光的吸收，导致透过光的强度减弱。,透射光的强度遵循朗伯,-,比尔（,Lambert-Beer),定律（较低浓度下，,10,-2,10,-4,mol/L,）。,11,被吸收的入射光的分数正比于光程中吸光物质的分子数目；对于溶液，如果溶剂不吸收，则被溶液所吸收的光的分数正比与溶液的浓度和光在溶液中经过的距离。,文献中紫外光谱数据的表示方法：,12,紫外,-,可见吸收光谱主要通过谱带位置和吸收强度提供结构信息。,max,表示最大吸收强度处的波长,-,代表谱带位置,-,与跃迁的能级差有关,max,表示最大吸收波长处的摩尔吸光系数,-,代表谱带吸收强度,-,与跃迁的几率有关,5000,为强吸收，允许跃迁,在,2005000,为中等强度吸收，半禁阻跃迁,200,为弱吸收，禁阻跃迁,跃迁几率跃迁偶极矩基态到激发态过程中电子电荷分布变化,13,吸收光谱，又称吸收曲线,最大吸收波长,(,max,): 260 nm,最大吸收值对应的波长,肩峰,末端吸收,:,在短波长处吸收很大但不成峰形的部分。,A=0.38,14,1.1.3,溶剂的选择,样品在溶剂中溶解良好。,溶剂在测定的波长范围内没有吸收,(,透明,),。透明范围的最短波长为透明界限。,尽量采用低极性溶剂。,尽量与文献所用溶剂一致。,溶剂挥发性小、不易燃、无毒性、价格便宜等。,所用溶剂与待测组分不发生化学反应。,15,1.1.4,紫外光谱中的常用名词术语,发色团,(,chromophore,),：又称生色团，指在一个分子中产生紫外吸收带的官能团，一般为带有,电子的基团，如羰基、双键、叁键和芳环等，可给出结构类型信息。,助色团,(,Auxochrome,),：自身不吸收紫外可见光但与发色团相连时可以引起发色团吸收峰位置红移，增加吸收强度的原子或原子团，一般为带有孤电子对的基团，如,-OH, -OR, -NHR, -SH, -SR, -X,。,16,(3),红移,(,Red shift,),：吸收带的最大吸收波长向长波方向移动的效应。,(4),蓝移,(,Blue shift,),：吸收带的最大吸收波长向短波方向移动的效应。,(5),增色效应,(,Hyperchromic effect,),：使吸收带强度增加的效应。,(6),减色效应,(,Hypochromic effect,),：,使吸收带强度减小的效应。,(7),强带,：,摩尔消光系数大于,10,4,的吸收带，跃迁允许的带。,(8),弱带,：,摩尔消光系数小于,1000,的吸收带，跃迁禁阻的,(9),末端吸收,（,end absorption,）,：在仪器极限（,190nm,）处检测出的吸收,17,1.1.5,电子跃迁类型与吸收带类型,18,C,O,H,n,p,s,H,s,p,*,s,*,R,K,E,B,n,p,E,允许跃迁,(allowed transition),：,*;, ,*,禁阻跃迁,(forbidden transition),：,n, ,*; n, ,*,允许跃迁吸收强度大，禁阻跃迁吸收强度小。,大小顺序为：,*,n,*, ,*,n,*,醛基中价电子的类型,19,*,跃迁,：单键中,电子从成键轨道向反键轨道的跃迁，需要很高能量，吸收位于远紫外区（,150nm),。,甲烷,max,125nm,乙烷,max,135nm,，,烷烃可以用作溶剂。,20,n,*,跃迁,：非键轨道上,n,电子向,*,轨道跃迁，需要较高能量，吸收位于远紫外区或近紫外区。杂原子的电负性越小，越易被激发，波长越长。由于跃迁几率小，吸收弱。,CH,3,Cl,max,173nm,max,200,CH,3,OH,max,183nm,max,150,CH,3,NH,2,max,213nm,max,600,21,*,跃迁,：,分子中不饱和键的,电子向,*,轨道的跃迁，需要能量较低，孤立不饱和键的,*,跃迁吸收波长范围,160,190nm,。形成共轭体系后，跃迁能量降低，吸收波长红移，进入近紫外光区。由于,*,跃迁为允许跃迁，摩尔吸光系数一般在,10,4,以上。,乙 烯,max,162nm,丁二烯,max,217nm,己三烯,max,258nm,22,K,带吸收（,德文,konjugierte,，,共轭,）：是共轭结构中,*,跃迁引起的吸收带。,特点：,，,max 210,250nm,，吸收峰很强，,max,10000,。,，溶剂极性时，,max,不变,(,双烯,),或发生红移,(,烯酮,),。,23,芳香化合物的,-,*,跃迁,吸收带，在光谱学上称作,B,带,(,德文,Benzienoid,，苯系,),和,E,带,(,德文,Ethylenic,，,乙烯型,),起源,：均由苯环的,-,*,跃迁引起，是苯环的,UV,特征吸收。,特点,：,B,带为宽峰，有精细结构,(,苯的,B,带在,230,270nm,，中心在,254nm,),max,偏低：,200,1500,(,苯的,为,215),；,E,1,带特强,(,max,10000,) ,max,184nm,；,E,2,带中等强度,(,2000,max,10000,),max,203nm,。,24,n*,跃迁,：,分子中处于非键轨道的,n,电子向,*,轨道的跃迁，如,C=O,、,C=S,、,N=O,等官能团，对应波长在近紫外（有时达可见光）区，最大摩尔吸光系数一般小于,500,。,-COOR,max,205nm,醛、酮类化合物,max,270290nm,25,R,带吸收,是分子中不饱和杂原子官能团中,n,*,跃迁引起的吸收带，常见于,NO,2,、,C=O,等化合物。,特点：,max 270nm,，吸收峰强度弱，,max,1000,。,26,1.1.6,影响紫外吸收波长的因素,（,1,）共轭效应,（,2,）空间效应,（,3,）跨环效应,（,4,）溶液,pH,影响,（,5,）溶剂效应,凡是影响分子中电子云分布和密度的因素,27,(1).,共轭效应,随着共轭体系的增长，最大吸收波长红移，吸收强度也增大,28,Why?,双键共轭时，分子轨道重组，形成两个成键轨道（,1,、,2,）和两个反键轨道（ *,1,、*,2,），分子的最高占有轨道能级升高，最低空轨道能级降低，由最高成键轨道跃迁至最低空轨道的能级差（ ,E,）减小。,C=C,29,，,-,不饱和羰基化合物,新分子轨道中最高占有轨道能级升高，最低空轨道能级降低,注意：,n,轨道能级基本不变,C=C,-*,max165nm 218nm(K,带）,-*,max170nm C=O,320nm(R,带）,n-,*,max290nm,30,p-*,共轭,O,、,N,、,S,、,Cl,等杂原子与双键相连时，这些助色团与双键产生,p-*,共轭，引起分子轨道重组，降低最高占有轨道和最低空轨道间的能级差。,31,杂原子助色效应大小：,N,SOCl,32,超共轭效应,max,263nm 268 nm,C-H,的,电子与共轭体系,电子云发生一定程度重叠导致的最大吸收波长红移的效应，称作,超共轭效应。,33,(2),空间位阻效应,如果取代基由于空间位阻妨碍了共轭的生色团处于同一平面会出现什么现象？,生色团不能处于同一平面,降低共轭程度，,吸收峰蓝移，吸收强度降低,34,（,3,）跨环效应（,Transannulare effect,）,环状结构分子中两个非共轭生色团由于所处的空间位置，有利于二者电子轨道的相互作用，从而产生弱的共轭效应。由此产生的,UV,光谱既不是两个生色团的加合，也不同于相应的共轭光谱。,35,讨论：,下面的四个化合物是否存在跨环效应？,化合物（,a,）无跨环效应，光谱是两个生色团的加合,化合物（,b,）（,c,）有跨环效应，谱带与,-,不饱和酮相似,化合物（,d,）有跨环效应，,电子与,S,上未成键的,3p,电子云发生,p-,共轭,36,（,4,）溶液,pH,影响,溶液,pH,值的变化，使含有酸（碱）性基团分子的结构或基团电子特性发生改变，引起,UV,光谱发生变化,37,(5).,溶剂效应,同一化合物在不同的溶剂中产生的谱带差异称为溶剂效应,溶剂极性增大后，不同跃迁的,max,变化不同。,38,*,跃迁：红移，激发态极性比基态大，更易溶剂化。,n,*,跃迁：兰移，基态极性大，更易溶剂化。,不同极性的溶剂对基态和激发态稳定化程度不同造成的,39,n,*,跃迁：蓝移,40,试比较下面化合物,K,吸收带吸收强度的大小,邻位取代减弱了硝基与苯环的共轭，导致吸收强度减弱。,41,1.2,紫外光谱仪,UV spectrometer,光源,分光系统,吸收池,检测系统,记录系统,紫外光谱仪的组成,42,(1).,光源,可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在,350,800 nm,。,紫外区：氢灯或氘灯。发射,160,390 nm,的连续光谱。,在整个紫外光区或可见光谱区可以发射连续光谱，具有足够的辐射强度、较好的强度稳定性、较长的使用寿命。,43,将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一种波长单色光的光学系统。,入射狭缝：光源的光由此进入单色器；,准直镜：透镜或返射镜使入射光成为平行光束；,色散元件：将复合光分解成单色光：棱镜或光栅；,出射狭缝,:,形成单色光束。,(2).,分光系统,44,(3).,吸收池,样品室放置各种类型的吸收池（比色皿）和相应的池架附件。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。,有,0.1-10cm,多种规格，以,1cm,的最常用。,45,利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号，常用的有光电池、光电管或光电倍增管。,常用记录系统有检流计、微安表、数字电压表、微机自动控制与数据处理系统等。,(4).,检测系统,(5).,记录系统,46,47,48,1.3,各类化合物的紫外光谱,1.3.1,饱和烃化合物,饱和烃分子，, *,跃迁，吸收带位于真空紫外区，应用价值小，此类化合物常用作溶剂，如正己烷。,含杂原子的饱和化合物，如醇、醚、胺、卤代烃等，除了产生, *,跃迁外，还可有,n, *,跃迁，吸收带多数也是位于真空紫外区，应用价值小，此类化合物常用作溶剂，如四氯化碳、乙醇等。,49,1.3.2,简单的不饱和化合物,乙烯，, *,，,165 nm,乙炔，, *,，,173 nm,孤立羰基化合物，, *,，,150-170 nm,n *, 270-300,10000),，说明存在共轭的不饱和键，如共轭二烯或,-,不饱和羰基化合物 。,在,250 , 300, 330nm,有强吸收峰，说明有三个、四个和五个共轭体系存在。,250,300 nm,有中等强度吸收,(, 1000),，显示不同程度精细结构，且在,200nm,有强吸收带，说明含有苯环或芳杂环。,270-350 nm,有弱吸收,(10,100),，,R,带，且,200nm,附近无吸收带，可能有孤立羰基的存在。,300nm,以上有高强度吸收，并呈现多个吸收带，,max,较大，甚至延伸至可见光区，说明具有长共轭结构；若具有明显精细结构，则可能为稠环芳烃（芳杂环）及其衍生物,紫外光谱给出的结构信息,70,1.4.2,纯度检查,待测化合物本身无紫外吸收：测定杂质的吸收。,本身有紫外吸收：示差法。,实例,1,：通过测定苯的消光系数进行无水乙醇纯度的测定，因制备无水乙醇时用苯共沸蒸馏带水。,实例,2,：马来酸氯苯那敏含量测定，测,264nm,处的吸光度，药典,2000,版第二部。,71,1.4.3,异构体的确定,构造异构体可以通过经验规则计算推断。,松香酸两个共轭双键不同环，根据,Woodward-Fieser,规则，其基准值为,214nm,，加上取代基影响，松香酸的最大吸收波长不会超过,250nm,。而左旋海松酸，两个共轭双键同环，其基准值即为,253nm,，加上取代基影响，最大吸收波长远远超过,250nm,。所以只要测定这两个有机物的紫外光谱，即可区分两个有机物。,松香酸,左旋海松酸,紫罗兰酮,紫罗兰酮,紫罗兰酮两个碳碳双键不共轭，而,紫罗兰酮两个碳碳双键共轭，因此，,紫罗兰酮的最大吸收波长至少要比,紫罗兰酮少,30nm,。,72,反式异构体的,max,和,均大于顺式异构体。,互变异构体的确定。,73,反应产物的判断,反应条件的变化会产生不同的产物,A,或,B,A,B,产物,A,相当于三个烷基取代，其紫外最大推算波长为,214+35,229nm,。而产物,B,不仅相当于,4,个烷基取代，而且共轭的双键是环外的，其最大波长为,214+45+5,239nm,，两者的紫外吸收波长有显著的差别。若实际测得最大波长为,240nm,则产物为,B,，而实测波长为,230nm,则为,A,。,现推算：,A,最大波长为,214+35,229nm,，,B,最大波长为,253+35,268nm,，而,C,因是非共轭双键体系，最大波长应在,200nm,以下。对该加氢反应的产物紫外实测最大波长为,233nm,，与,A,推算值最接近，因而产物是,A,。,A,B,C,74,1.4.4,位阻作用的测定,75,1.4.5,氢键强度的测定,丙酮在水中,max,为,264.5nm,，在非极性溶剂中为,279nm,，分别对应能量,452.53,和,428.9 kJ/mol,，其差值反映了氢键的大小：,23.54 kJ/mol,。,E = 6.02,10,23,hv =6.0210,23,hc/,= (,6.0210,23,6.62610,-34,3.010,8,)/(264.5,10,-9,),= 452.42 kJ/mol,76,1.4.6,反应速率的测定,如果反应物与产物,UV,吸收带不重叠，可间隔一定时间对反应液进行测定，根据吸收带吸光度随时间的变化，计算反应速率，进而推导反应速率常数,77,1.4.6,定量分析,利用朗伯,-,比耳定律及吸光度加合性，进行定量分析。具有简单、高灵敏度和高准确度的优点。,吸收波长选择原则：,吸收强度大,-,灵敏度,无溶剂或杂质干扰,-,准确度,一般选择最大吸收波长,78,1.4.7,解析示例,（,1,）分子不饱和度的计算,定义：,不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的“对”数。,如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。,计算：,若分子中仅含一，二，三，四价元素(,H，O，N，C)，,则可按下式进行不饱和度的计算：,= （2 + 2,n,4,+,n,3,n,1,）/ 2=,n,4,，,n,3,，,n,1,分别为分子中四价，三价，一价元素数目。,注意：,二价元素如硫、氧对计算结果无影响。但对于高价态的,S,、,N,、,P,等，计算结果低于实际不饱和度。,作用：,由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。,例：,C,9,H,8,O,2,= （2 +29, 8 ）/ 2 = 6,79,不饱和度,=,1,表示分子结构中可能含有,C=C,，,C=O,，,C=N,，,N=N,，,C=S,等双键或环状结构；,=,2,可能是,2,个上述结构单元的组合，也可能含有,C C,，,C N,或,N N,等三键；,4,时，常考虑分子中含有芳香环,(,苯环或杂环,),80,有一六元环状化合物,C,10,H,16,由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱,max,=231,nm,（,9000）,，,此化合物加氢只能吸收2,molH,2,，确定其结构。,解：计算不饱和度,= 3；,两个双键；共轭,max,=231 nm，,可能的结构,计算,max,max,=,非稠环二烯（,a,b）+2,烷基取代+环外双键,=217+2,5+5=232,（,231,）,（,2,）定性分析示例,81,（,3,）定量分析示例,从柳树皮提取水杨酸，,100g,柳树皮用水煮，过滤得到,1000ml,的水,杨酸萃取液,(,含有其它物质,),，用紫外可见光谱增量法定量分析水杨酸含量,(,样品,池厚度,1cm),。,#1,溶液的配制：,25ml,萃取液，,10ml Fe(NO,3,),3,水溶液，和水配成,100ml,的溶液,(,硝酸铁能与水杨酸形成络合物，在可见光区有吸收,),；测试紫外光谱，得到吸光度,A1 = 0.075,。,#2,溶液的配制：,25ml,萃取液，,10ml Fe(NO,3,),3,水溶液，,5.00ml 1.00 10, 3,mol/L,的水杨酸，和水配成,100ml,的溶液；测试紫外光谱，得到吸光度,A2 = 0.215,。,问：萃取液的浓度是多少,?,100g,柳树皮中含有多少克的水杨酸,(,水杨酸,MW=138),。,82,解：,#1,溶液和,#2,溶液的配制方法相同，只不过,#2,溶液中加入了一定量的水杨酸。,#2,样品的吸光度增加完全是由于加入水杨酸标准溶液造成的。,水杨酸的加入量是已知的，即浓度增量为：,则水杨酸的摩尔吸光系数,：,#1,样品的浓度：,原,25ml,萃取液的浓度为：,100g,柳树皮中含有的水杨酸为：,83,（,4,）光谱解析注意事项,(1) 确认,max,，,并算出,，,初步估计属于何种吸收带；,(2) 观察主要吸收带的范围，判断属于何种共轭体系；,(3),乙酰化位移,B,带,：,262,nm(,302) 274 nm(,2040) 261 nm(,300),(4),pH,值的影响,加,NaOH,红移酚类化合物，烯醇。,加,HCl,兰移苯胺类化合物。,84,谢谢！,85,