第八章紫外吸收光譜分析（UV）

2.3.1概述

紫外-可見(jiàn)吸收光譜（UltravioletandVisibleSpectroscopy,UV-VIS）統(tǒng)稱(chēng)為電子光譜。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。

1紫外光譜法的特點(diǎn)（1）紫外吸收光譜所對(duì)應(yīng)的電磁波長(zhǎng)較短，能量大，它反映了分子中價(jià)電子能級(jí)躍遷情況。主要應(yīng)用于共軛體系（共軛烯烴和不飽和羰基化合物）及芳香族化合物的分析。（2）由于電子能級(jí)改變的同時(shí)，往往伴隨有振動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以電子光譜圖比較簡(jiǎn)單，但峰形較寬。一般來(lái)說(shuō)，利用紫外吸收光譜進(jìn)行定性分析信號(hào)較少。（3）紫外吸收光譜常用于共軛體系的定量分析，靈敏度高，檢出限低。2紫外吸收曲線

紫外吸收光譜以波長(zhǎng)λ（nm）為橫坐標(biāo)，以吸光度A或吸收系數(shù)ε為縱坐標(biāo)。見(jiàn)圖2.23，光譜曲線中最大吸收峰所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)相當(dāng)于躍遷時(shí)所吸收光線的波長(zhǎng)稱(chēng)為λmax和λmax相應(yīng)的摩爾吸收系數(shù)為εmax。εmax＞104為強(qiáng)吸收，εmax＜103為弱吸收。曲線中的谷稱(chēng)為吸收谷或最小吸收(λmin),有時(shí)在曲線中還可看到肩峰（sh）。

圖2.23紫外—可見(jiàn)吸收曲線2.3.2紫外吸收光譜的基本原理

1電子躍遷類(lèi)型（1）σ→σ*躍遷指處于成鍵軌道上的σ電子吸收光子后被激發(fā)躍遷到σ*反鍵軌道（2）n→σ*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向σ*反鍵軌道的躍遷（3）π→π*躍遷指不飽和鍵中的π電子吸收光波能量后躍遷到π*反鍵軌道。（4）n→π*躍遷指分子中處于非鍵軌道上的n電子吸收能量后向π*反鍵軌道的躍遷。電子躍遷類(lèi)型不同，實(shí)際躍遷需要的能量不同，σ→σ*～150nmn→σ*

～200nmπ→π*～200nmn→π*～300nm吸收能量的次序?yàn)椋?/p>

σ→σ*＞n→σ*≥π→π*＞n→π*圖2.24電子躍遷所處的波長(zhǎng)范圍2一些基本概念（1）發(fā)色團(tuán)分子中能吸收紫外光或可見(jiàn)光的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)叫做發(fā)色團(tuán)或生色團(tuán)。象C=C、C=O、C≡C等都是發(fā)色團(tuán)。發(fā)色團(tuán)的結(jié)構(gòu)不同，電子躍遷類(lèi)型也不同。（2）助色團(tuán)有些原子或基團(tuán)，本身不能吸收波長(zhǎng)大于200nm的光波，但它與一定的發(fā)色團(tuán)相連時(shí)，則可使發(fā)色團(tuán)所產(chǎn)生的吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。并使吸收強(qiáng)度增加，這樣的原子或基團(tuán)叫做助色團(tuán)。

（3）長(zhǎng)移和短移某些有機(jī)化合物因反應(yīng)引入含有未共享電子對(duì)的基團(tuán)使吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為長(zhǎng)移或紅移（redshift），這些基團(tuán)稱(chēng)為向紅基團(tuán)；相反，使吸收峰向短波長(zhǎng)移動(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為短移或藍(lán)移（blueshift），引起藍(lán)移效應(yīng)的基團(tuán)稱(chēng)為向藍(lán)基團(tuán)。另外，使吸收強(qiáng)度增加的現(xiàn)象稱(chēng)為濃色效應(yīng)或增色效應(yīng)（hyperchromiceffect）；使吸收強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱(chēng)為淡色效應(yīng)（hypochromiceffect）。(4)吸收帶分類(lèi)

iR—帶它是由n→π*躍遷產(chǎn)生的吸收帶，該帶的特點(diǎn)是吸收強(qiáng)度很弱，εmax＜100，吸收波長(zhǎng)一般在270nm以上。iiK—帶K—帶（取自德文：konjuierte共軛譜帶）。它是由共軛體系的π→π*躍遷產(chǎn)生的。它的特點(diǎn)是：躍遷所需要的能量較R吸收帶大，摩爾吸收系數(shù)εmax＞104。K吸收帶是共軛分子的特征吸收帶，因此用于判斷化合物的共軛結(jié)構(gòu)。紫外-可見(jiàn)吸收光譜中應(yīng)用最多的吸收帶。

iiiB—帶B帶（取自德文：benzenoidband,苯型譜帶）。它是芳香族化合物的特征吸收帶。是苯環(huán)振動(dòng)及π→π*重疊引起的。在230～270nm之間出現(xiàn)精細(xì)結(jié)構(gòu)吸收，又稱(chēng)苯的多重吸收，如圖2.20。ivE-帶E帶（取自德文：ethylenicband，乙烯型譜帶）。它也是芳香族化合物的特征吸收之一（圖2.25）。E帶可分為E1及E2兩個(gè)吸收帶，二者可以分別看成是苯環(huán)中的乙烯鍵和共軛乙烯鍵所引起的，也屬π→π*躍遷。

E1帶的吸收峰在184nm左右，吸收特別強(qiáng)，εmax＞104，是由苯環(huán)內(nèi)乙烯鍵上的π電子被激發(fā)所致，

E2帶在203nm處，中等強(qiáng)度吸收（εmax=7400）是由苯環(huán)的共軛二烯所引起。當(dāng)苯環(huán)上有發(fā)色基團(tuán)取代并和苯環(huán)共軛時(shí)，E帶和B帶均發(fā)生紅移，E2帶又稱(chēng)為K帶。

圖2.25苯的紫外吸收光譜（異辛烷）

2.3.3分子結(jié)構(gòu)與紫外吸收光譜1有機(jī)化合物的紫外吸收光譜(1)飽和烴化合物飽和烴類(lèi)化合物只含有單鍵（σ鍵），只能產(chǎn)生σ→σ*躍遷，由于電子由σ被躍遷至σ*反鍵所需的能量高，吸收帶位于真空紫外區(qū)，如甲烷和乙烷的吸收帶分別在125nm和135nm。

（2）簡(jiǎn)單的不飽和化合物

不飽和化合物由于含有π鍵而具有π→π*躍遷，π→π*躍遷能量比σ→σ*小，但對(duì)于非共軛的簡(jiǎn)單不飽和化合物躍遷能量仍然較高，位于真空紫外區(qū)。最簡(jiǎn)單的乙烯化合物，在165nm處有一個(gè)強(qiáng)的吸收帶。當(dāng)烯烴雙鍵上引入助色基團(tuán)時(shí)，π→π*吸收將發(fā)生紅移，甚至移到紫外光區(qū)。原因是助色基團(tuán)中的n電子可以產(chǎn)生p-π共軛，使π→π*躍遷能量降低，烷基可產(chǎn)生超共軛效應(yīng)，也可使吸收紅移，不過(guò)這種助色作用很弱。（3）共軛雙烯當(dāng)兩個(gè)生色基團(tuán)在同一個(gè)分子中，間隔有一個(gè)以上的亞甲基，分子的紫外光譜往往是兩個(gè)單獨(dú)生色基團(tuán)光譜的加和。若兩個(gè)生色基團(tuán)間只隔一個(gè)單鍵則成為共軛系統(tǒng)，共軛系統(tǒng)中兩個(gè)生色基團(tuán)相互影響，其吸收光譜與單一生色基團(tuán)相比，有很大改變。共軛體越長(zhǎng)，其最大吸收越移向長(zhǎng)波方向，甚至到可見(jiàn)光部分，并且隨著波長(zhǎng)的紅移，吸收強(qiáng)度也增大。

共軛多烯的紫外吸收計(jì)算

共軛多烯的K帶吸收位置λmax，可利用伍德沃德（Woodward）規(guī)則來(lái)進(jìn)行推測(cè)，這個(gè)定則以丁二烯的作為基本數(shù)據(jù)。（i）共軛雙烯基本值2174個(gè)環(huán)殘基取代+5×4計(jì)算值237nm（238nm）（ii）非駢環(huán)雙烯基本值2174個(gè)環(huán)殘基或烷基取代+5×4環(huán)外雙鍵+5計(jì)算值242nm（243nm）（iii）鏈狀共軛雙鍵2174個(gè)烷基取代+5×42個(gè)環(huán)外雙鍵+5×2計(jì)算值247nm（247nm）（iv）同環(huán)共軛雙烯基本值2535個(gè)烷基取代+5×53個(gè)環(huán)外雙鍵+5×3延長(zhǎng)一個(gè)雙鍵+30×2計(jì)算值353nm（355nm）(4)α，β-不飽和羰基化合物α，β-不飽和醛、酮紫外吸收計(jì)算值計(jì)算舉例（i）六元環(huán)α，β—不飽和酮基本值2152個(gè)β取代+12×21個(gè)環(huán)外雙鍵+5計(jì)算值244nm（251nm）（ii）六元環(huán)α，β—不飽和酮基本值2151個(gè)烷基α取代＋102個(gè)烷基β取代＋12×22個(gè)環(huán)外雙鍵＋5×2計(jì)算值259nm（258nm）α，β－不飽和羧酸、酯、酰胺

計(jì)算舉例：CH3－CH＝CH－CH＝CH－COOHβ單取代羧酸基準(zhǔn)值208延長(zhǎng)一個(gè)共軛雙鍵30δ烷基取代+18256nm（254nm）(5)芳香族化合物

芳香族化合物在近紫外區(qū)顯示特征的吸收光譜，圖2.25是苯在異辛烷中的紫外光譜，吸收帶為：184nm（ε68000），203.5nm（ε8800）和254nm（ε250）。分別對(duì)應(yīng)于E1帶，E2帶和B帶。B帶吸收帶由系列細(xì)小峰組成，中心在254.5nm，是苯最重要的吸收帶，又稱(chēng)苯型帶。B帶受溶劑的影響很大，在氣相或非極性溶劑中測(cè)定，所得譜帶峰形精細(xì)尖銳；在極性溶劑中測(cè)定，則峰形平滑，精細(xì)結(jié)構(gòu)消失。i.單取代苯

苯環(huán)上有一元取代基時(shí)，一般引起B(yǎng)帶的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，并且各譜帶的λmax發(fā)生紅移，εmax值通常增大（表2-14）。當(dāng)苯環(huán)引入烷基時(shí)，由于烷基的C－H與苯環(huán)產(chǎn)生超共軛效應(yīng)，使苯環(huán)的吸收帶紅移，吸收強(qiáng)度增大。對(duì)于二甲苯來(lái)說(shuō)，取代基的位置不同，紅移和吸收增強(qiáng)效應(yīng)不同，通常順序?yàn)椋簩?duì)位＞間位＞鄰位。

當(dāng)取代基上具有的非鍵電子的基團(tuán)與苯環(huán)的π電子體系共軛相連時(shí)，無(wú)論取代基具有吸電子作用還是供電子作用，都將在不同程度上引起苯的E2帶和B帶的紅移。當(dāng)引入的基團(tuán)為助色基團(tuán)時(shí)，取代基對(duì)吸收帶的影響大小與取代基的推電子能力有關(guān)。推電子能力越強(qiáng)，影響越大。順序?yàn)椋璒－＞－NH2＞－OCH3＞－OH＞－Br＞－Cl＞CH3當(dāng)引入的基團(tuán)為發(fā)色基團(tuán)時(shí)，其對(duì)吸收譜帶的影響程度大于助色基團(tuán)。影響的大小與發(fā)色基團(tuán)的吸電子能力有關(guān)，吸電子能力越強(qiáng)，影響越大，其順序?yàn)椋璑O2＞－CHO＞－COCH3＞－COOH＞－CN－、－COO－＞－SO2NH2＞－NH3+ii二取代苯

在二取代苯中，由于取代基的性質(zhì)和取代位置不同，產(chǎn)生的影響也不同。a當(dāng)一個(gè)發(fā)色團(tuán)（如—NO2，—C=O）及一個(gè)助色團(tuán)（如—OH，—OCH3，—X）相互處于（在苯環(huán)中）對(duì)位時(shí)，由于兩個(gè)取代基效應(yīng)相反，產(chǎn)生協(xié)同作用，故λmax產(chǎn)生顯著的向紅位移。效應(yīng)相反的兩個(gè)取代基若相互處于間位或鄰位時(shí)，則二取代物的光譜與各單取代物的區(qū)別是很小的。例如：

260nm280nm380nm280nm282.5nm

b當(dāng)兩個(gè)發(fā)色基或助色基取代時(shí)，由于效應(yīng)相同，兩個(gè)基團(tuán)不能協(xié)同，則吸收峰往往不超過(guò)單取代時(shí)的波長(zhǎng)，且鄰、間、對(duì)三個(gè)異構(gòu)體的波長(zhǎng)也相近。例如：

230nm260nm258nm255nm255nmiii多取代苯

多取代苯的吸收波長(zhǎng)情況較脂肪族化合物復(fù)雜，一些學(xué)者也總結(jié)出不同的計(jì)算方法，但其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性比脂肪族化合物的計(jì)算結(jié)果差，具有一定的參考性。Scott總結(jié)了芳環(huán)羰基化合物的一些規(guī)律，提出了羰基取代芳環(huán)250nm帶的計(jì)算方法例1基本值：246鄰位環(huán)殘基+3對(duì)位—OCH3+25 274nm（276nm）例2基本值：246鄰位環(huán)殘基+3鄰位—OH取代+7間位CI取代+0256nm（257nm）例3基本值：246鄰位環(huán)殘基+3間位—OCH3取代+7對(duì)位—OCH3取代+25281nm（278nm）2無(wú)機(jī)化合物的紫外-可見(jiàn)吸收光譜

無(wú)機(jī)化合物的電子躍遷形式有電荷遷移躍遷和配位場(chǎng)躍遷。（1）電荷遷移躍遷（2）配位場(chǎng)躍遷2.3.4影響紫外吸收光譜的因素

1共軛效應(yīng)圖2.271，3丁二烯分子軌道能級(jí)示意圖共軛體系的形成使λmax紅移，并且共軛體系越長(zhǎng)，紫外光譜的最大吸收越移向長(zhǎng)波方向。

2超共軛效應(yīng)當(dāng)烷基與共軛體系相連時(shí)，可以使波長(zhǎng)產(chǎn)生少量紅移。

3溶劑效應(yīng)（1）n→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收峰隨溶劑極性的增加而向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。因?yàn)榫哂泄聦?duì)電子對(duì)的分子能與極性溶劑發(fā)生氫鍵締合，其作用強(qiáng)度以極性較強(qiáng)的基態(tài)大于極性較弱的激發(fā)態(tài)，致使基態(tài)能級(jí)的能量下降較大，而激發(fā)態(tài)能級(jí)的能量下降較小（如圖2.28a），故兩個(gè)能級(jí)間的能量差值增加。實(shí)現(xiàn)n→π*躍遷需要的能量也相應(yīng)增加，故使吸收峰向短波長(zhǎng)方向位移。

（2）π→π*躍遷所產(chǎn)生的吸收峰隨著溶劑極性的增加而向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。因?yàn)樵诙鄶?shù)π→π*躍遷中，激發(fā)態(tài)的極性要強(qiáng)于基態(tài)，極性大的π*軌道與溶劑作用強(qiáng)，能量下降較大，而π軌道極性小，與極性溶劑作用較弱，故能量降低較小，致使π及π*間能量差值變小（如圖2.28b）。因此，π→π*躍遷在極性溶劑中的躍遷能△Ep小于在非極性溶劑中的躍遷能△En。所以在極性溶劑中，π→π*躍遷產(chǎn)生的吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。圖2.28溶劑對(duì)π→π*，n→π*的影響4溶劑pH值對(duì)光譜的影響

pH的改變可能引起共軛體系的延長(zhǎng)或縮短，從而引起吸收峰位置的改變，對(duì)一些不飽和酸、烯醇、酚、及苯胺類(lèi)化合物的紫外光譜影響很大。如果化合物溶液從中性變?yōu)閴A性時(shí)，吸收峰發(fā)生紅移，表明該化合物為酸性物質(zhì)；如果化合物溶液從中性變?yōu)樗嵝詴r(shí)，吸收峰發(fā)生藍(lán)移，表明化合物可能為芳胺。（a）苯酚的UV光譜圖（b）苯胺的UV光譜圖

圖2.29溶液酸堿性對(duì)紫外光譜的影響2.3.5紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)

1紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)的基本結(jié)構(gòu)紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)由光源、單色器、吸收池、檢測(cè)器以及數(shù)據(jù)處理及記錄（計(jì)算機(jī)）等部分組成。圖2.30雙光束分光光度計(jì)的原理圖圖2.31紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)光路圖圖2.32雙波長(zhǎng)分光光度計(jì)原理圖圖2.33UV-300紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)光路圖2.3.6紫外吸收光譜的應(yīng)用

物質(zhì)的紫外吸收光譜基本上是其分子中生色團(tuán)及助色團(tuán)的特征，而不是整個(gè)分子的特征。如果物質(zhì)組成的變化不影響生色團(tuán)和助色團(tuán)，就不會(huì)顯著地影響其吸收光譜，如甲苯和乙苯具有相同的紫外吸收光譜。另外，外界因素如溶劑的改變也會(huì)影響吸收光譜，在極性溶劑中某些化合物吸收光譜的精細(xì)結(jié)構(gòu)會(huì)消失，成為一個(gè)寬帶。所以，只根據(jù)紫外光譜是不能完全確定物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)，還必須與紅外吸收光譜、核磁共振波譜、質(zhì)譜以及其他化學(xué)、物理方法共同配合才能得出可靠的結(jié)論。

1化合物的鑒定

利用紫外光譜可以推導(dǎo)有機(jī)化合物的分子骨架中是否含有共軛結(jié)構(gòu)體系，如C＝C－C＝C、C＝C－C＝O、苯環(huán)等。利用紫外光譜鑒定有機(jī)化合物遠(yuǎn)不如利用紅外光譜有效，因?yàn)楹芏嗷衔镌谧贤鉀](méi)有吸收或者只有微弱的吸收，并且紫外光譜一般比較簡(jiǎn)單，特征性不強(qiáng)。利用紫外光譜可以用來(lái)檢驗(yàn)一些具有大的共軛體系或發(fā)色官能團(tuán)的化合物，可以作為其他鑒定方法的補(bǔ)充。

如果一個(gè)化合物在紫外區(qū)是透明的，則說(shuō)明分子中不存在共軛體系，不含有醛基、酮基或溴和碘。可能是脂肪族碳?xì)浠衔铩贰㈦妗⒋嫉炔缓p鍵或環(huán)狀共軛體系的化合物。如果在210～250nm有強(qiáng)吸收，表示有K吸收帶，則可能含有兩個(gè)雙鍵的共軛體系，如共軛二烯或α，β-不飽和酮等。同樣在260，300，330nm處有高強(qiáng)度K吸收帶，在表示有三個(gè)、四個(gè)和五個(gè)共軛體系存在。如果在260～300nm有中強(qiáng)吸收（ε＝200～1000），則表示有B帶吸收，體系中可能有苯環(huán)存在。如果苯環(huán)上有共軛的生色基團(tuán)存在時(shí)，則ε可以大于10000。如果在250～300nm有弱吸收帶（R吸收帶），則可能含有簡(jiǎn)單的非共軛并含有n電子的生色基團(tuán)，如羰基等。鑒定的方法有兩種：（1）與標(biāo)準(zhǔn)物、標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照：將樣品和標(biāo)準(zhǔn)物以同一溶劑配制相同濃度溶液，并在同一條件下測(cè)定，比較光譜是否一致。（2）吸收波長(zhǎng)和摩爾吸收系數(shù)：由于不同的化合物，如果具有相同的發(fā)色基團(tuán)，也可能具有相同的紫外吸收波長(zhǎng)，但是它們的摩爾吸收系數(shù)是有差別的。如果樣品和標(biāo)準(zhǔn)物的吸收波長(zhǎng)相同，摩爾吸收系數(shù)也相同，可以認(rèn)為樣品和標(biāo)準(zhǔn)物是同一物質(zhì)。2純度檢查

如果有機(jī)化合物在紫外可見(jiàn)光區(qū)沒(méi)有明顯的吸收峰，而雜質(zhì)在紫外區(qū)有較強(qiáng)的吸收，則可利用紫外光譜檢驗(yàn)化合物的純度。3異構(gòu)體的確定

對(duì)于異構(gòu)體的確定，可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則計(jì)算出λmax值，與實(shí)測(cè)值比較，即可證實(shí)化合物是哪種異構(gòu)體。如:乙酰乙酸乙酯的酮-烯醇式互變異構(gòu)

溶劑：1.己烷；2.乙醇；3.水

圖2.34乙酰乙酸乙酯的紫外吸