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文檔簡介
第九章紫外吸收光譜法1第1頁,課件共60頁,創作于2023年2月分子吸收光譜圖:-胡羅卜素咖啡因阿斯匹林丙酮第2頁,課件共60頁,創作于2023年2月二、分子吸收光譜的分類1、分類:遠紅外光譜、紅外光譜和紫外-可見光譜(1)遠紅外光譜(分子的轉動光譜)△E轉=0.005-0.05eV當△E=0.005ev時同理,當△E=0.05ev時可見,產生轉動能級躍遷transition,需吸收波長為250-25μm的遠紅外光,由此形成的光譜稱轉動光譜or遠紅外光譜第3頁,課件共60頁,創作于2023年2月(2)紅外光譜(振轉光譜)△E振=0.05-1eVλ=25-1.25μm(3)紫外-可見光譜(電子光譜)△E電=20-1eVλ=1.25-0.06μm(1250-60nm)2、分子的電子光譜是帶光譜第4頁,課件共60頁,創作于2023年2月分子(在基態振動能級上)hγ能量分子內若干個電子能級躍遷若干個譜帶系(電子能級躍遷)每個譜帶系含有若干個譜帶(振動躍遷)每個譜帶含有若干條譜線(轉動躍遷)通常,分子是處在基態振動(Vibration)能級上。當用紫外、可見光照射分子時,電子可以從基態激發到激發態的任一振動(或不同的轉動(Rotation))能級上。因此,電子能級躍遷產生的吸收光譜,包括了大量譜線,并由于這些譜線的重疊而成為連續的吸收帶,這就是為什么分子的紫外、可見光譜不是線狀光譜,而是帶狀光譜的原因。又因為絕大多數的分子光譜分析,都是用液體樣品,加之儀器的分辨率有限,因而使記錄所得電子光譜的譜帶變寬。雙原子分子紫外吸收譜帶形成機理(P107)第5頁,課件共60頁,創作于2023年2月三、吸收光譜的特征及其表示方法1、吸收光譜(吸收曲線)Aλ1-吸收峰λmax2-谷λmin3-肩峰4-末端吸收2、吸收曲線的橫坐標,一般用波長表示。有時也用頻率表示(γ=c/λ,△E=hγγ=cσ)3、吸收曲線的縱坐標①透光率T(%),(透射比)第6頁,課件共60頁,創作于2023年2月②吸光度A③吸收率A(%)A(%)=1-T(%)④吸光系數A=abc摩爾吸光系數ε若c為質量濃度(g/100mL)M-化合物的摩爾質量⑤對數吸光系數ε值范圍:10-105(L·mol-1·cm-1)也有ε>105~6一般認為:ε>104為強吸收,ε.103~104為較強吸收ε.102~103為較弱吸收,ε<102為弱吸收第7頁,課件共60頁,創作于2023年2月縱坐標用上述不同單位表示的吸收光譜圖(P110)0100吸收率/%0100透光率/%λ/nm0500ε/(L·mol-1·cm-1)1.02.03.0lgελ/nm同一化合物紫外吸收曲線的各種表示方法第8頁,課件共60頁,創作于2023年2月第9頁,課件共60頁,創作于2023年2月§9-2紫外吸收光譜法的基本原理一、電子躍遷類型有機化合物中有三種不同性質的價電子(1)形成單鍵的電子稱σ電子(2)形成雙鍵的電子稱π電子(3)未成鍵的孤對電子稱n電子(orp電子也稱非鍵電子)CHHO....σπσn有機物分子中各種電子能級高低次序:σ*>π*>n>π>σ第10頁,課件共60頁,創作于2023年2月在紫外和可見光譜區范圍內,有機化合物的吸收帶主要由
*、
*、n
*、n
*及電荷遷移躍遷產生。無機化合物的吸收帶主要由電荷遷移和配位場躍遷(即d—d躍遷和f—f躍遷)產生。各種躍遷所需要能量順序:
*>n
*>
*>n
*第11頁,課件共60頁,創作于2023年2月圖5-6常見電子躍遷所處的波長范圍及強度01234510100200300400500600700800λ/nmlgε遠紫外區近紫外區可見區
*
*n
*n
*n
*荷移配位場Ligandfield第12頁,課件共60頁,創作于2023年2月1、
*躍遷飽和碳氫化合物中的σ電子在σ軌道間的躍遷,一般發生在真空紫外區,近紫外區無吸收。例如,乙烷的最大吸收波長λmax=135nm2、n*躍遷例如-NH2,-OH,-S,-X等基團在分子上時,雜原子的n電子向反鍵軌道的躍遷n
*躍遷吸收波長為150-250nm的光子,吸收光譜大部分在真空紫外區,一部分在紫外區lgε<3例如甲醇n
*躍遷λmax=183ε=150;甲基氯n
*躍遷λmax=173;三甲胺n
*躍遷λmax=2273、
*躍遷
*躍遷所需能量較小,吸收峰大都位于紫外區(其中孤立雙鍵的最大吸收波長小于200nm)第13頁,課件共60頁,創作于2023年2月一般εmax≥104例如乙烯的
*躍遷,λmax=162nm,εmax=1044、n
*躍遷-C=O,-C=N吸收波長≥200nmε.10-100例如丙酮的吸收峰,除強吸收的
*躍遷(λmax=194nm。ε=9×103)外,還有280nm左右的n
*躍遷ε=10-305、電荷遷移躍遷hγ給予體受體第14頁,課件共60頁,創作于2023年2月電荷躍遷的吸收帶譜帶較寬,吸收強度大,εmax>104。結論:電子躍遷的類型與分子結構及其存在的基團有密切的關系,可根據分子結構來推測可能產生的電子躍遷例如:飽和烴,只有
*躍遷烯烴,有
*、
*躍遷脂肪族醚,有
*、n
*躍遷醛、酮,則同時有
*、n
*、
*、n
*四種類型躍遷
*躍遷,λmax<150nm反之,可根據紫外吸收帶的波長,來推測電子躍遷類型,判斷化合物分子中可能存在的吸收基團第15頁,課件共60頁,創作于2023年2月二、發色團、助色團1、發色團(生色團Chromogenesisgroup)定義:凡是導致化合物在紫外區及可見區產生吸收的基團,不論是否顯出顏色都稱為發色團例如:乙烯基C=C乙炔基-C≡C-羰基C=O亞硝基-N=O腈基-C≡N由于這些基團產生
*、n
*及n
*躍遷吸收能量較低,吸收峰出現在紫外、可見光區化合物中幾個發色團共軛的情況:第16頁,課件共60頁,創作于2023年2月
表9-1某些常見發色團的吸收特性生色團溶劑
/nm
max躍遷類型烯正庚烷17713000
*炔正庚烷17810000
*羧基乙醇20441n
*酰胺基水21460n
*羰基正己烷1861000n
*,n*偶氮基乙醇339,665150000n
*,硝基異辛酯28022n
*亞硝基乙醚300,665100n
*硝酸酯二氧雜環己烷27012n
*第17頁,課件共60頁,創作于2023年2月2、助色團Auxochromousgroup助色團是指帶有非鍵電子對(孤對電子)的基團,如-OH、-OR、-NH2、-NHR、-SH、-Cl、-Br、-I等,它們本身不能吸收大于200nm的光,但是當它們與生色團相連時,會使生色團的吸收峰向長波方向移動,并且增加其吸光度。如飽和烷烴只有
*躍遷,若與助色團相連,則產生n
*躍遷(P116表5-2助色團在飽和化合物中的吸收峰)若助色團與發色團相連,發生n
共軛,形成多電子大鍵,使*軌道orbit能量降低,
*躍遷所需能量降低例如,苯的B吸收帶,其λmax.254nm,ε.204,當它被一個-OH取代后λmax.270nm,ε.1450。不同助色團對苯吸收特征的影響(見P122表5-6苯及其衍生物的吸收光譜)第18頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、紅移、藍移、增色效應和減色效應(1)紅移、藍移Redshiftorblueshift某些有機化合物經取代反應引入取代基或溶劑的改變而使最大吸收波長發生移動。波長將向長波方向移動稱為紅移,這種基團稱為向紅基團(-OH、-OR、-NH2、-SH、-Cl、-Br、--SR、-NR2)。向短波方向移動稱為藍移(or紫移)這種基團稱為向藍(紫)基團(如-CH2、-CH2CH3、-OCOCH3)。(2)增色效應和減色效應有機化合物中常因分子結構中引入取代基或受溶劑的變更而的影響,使吸收帶的強度即摩爾吸光系數增大或減小的現象三、吸收帶指吸收峰在紫外-可見光譜中的波帶位置第19頁,課件共60頁,創作于2023年2月1、R吸收帶R吸收帶是由化合物的n
*躍遷產生的吸收帶。它具有雜原子和雙鍵的共軛基團,例如:C=O-NO-NO2-N=N--C=S等特點是:①n
*躍遷的能量最小,處于長波方向,λmax在270nm以上②躍遷幾率小,吸收強度弱,ε<100例如:C=OCH3CH3λmax280nmεmax16R帶CH3NO2λmax280nmεmax22R帶CH3(CH2)7ONOλmax370nmεmax55R帶第20頁,課件共60頁,創作于2023年2月2、K吸收帶K帶是由共軛體系中
*躍遷產生的吸收帶特點:①吸收帶的波長比R帶短,一般λmax>200nm②躍遷幾率大,吸收強度大,一般ε>104③隨著共軛體系的增長,電子云束縛更小,引起*躍遷所需的能量更小,K帶吸收向長波方向移動④K帶吸收是共軛分子的特征吸收帶,是紫外光譜中應用最多的吸收帶例如:CH2=CH-CH=CH2
*λmax=217nmεmax=104
CH3-CH=CH-CHO(巴豆醛)
*λmax=217.5nmεmax=1.5×104-CH=CH2λmax=248nmεmax=1.4×104第21頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、B吸收帶由苯環本身振動及閉合環狀共軛雙鍵
*躍遷而產生的吸收帶,是芳香族(包括雜環芳香族)的主要特征吸收帶特點:①在230-270nm呈現一寬峰,且具有精細結構②λmax=255nm,εmax=200,屬弱吸收③常用來識別芳香族化合物第22頁,課件共60頁,創作于2023年2月4、E吸收帶由苯環內三個乙烯基共軛發生的
*躍遷產生,也是芳香族化合物的特征吸收帶E1λmax1=180nm,εmax>104E1觀察不到E2λmax1=200nm,εmax>7000都屬強吸收當苯環上有發色團取代且與苯環共軛時,E2帶與K帶合并,吸收峰向長波移動第23頁,課件共60頁,創作于2023年2月例如,苯乙酮-C-CH3=O三個吸收峰:K帶:λmax240nmε=13000B帶:λmax278nmε=1100R帶:λmax319nmε=50第24頁,課件共60頁,創作于2023年2月§9-3紫外吸收光譜與分子結構的關系一、各類有機化合物的紫外吸收光譜1、飽和烴及其取代衍生物
*λmax<150nm飽和有機化合物在紫外光譜分析中常用作溶劑,如己烷、環己烷、庚烷、異辛烷、乙醇、甲醇等若有助色團和飽和烴相連,除
*躍遷外,還產生n
*躍遷,λmax產生紅移2、不飽和烴及共軛烯烴(1)簡單的碳-碳雙鍵產生
*、
*兩種躍遷,
*躍遷所需的能量較
*躍遷小第25頁,課件共60頁,創作于2023年2月例如:乙烯λmax=165nmε=104C=OC=SC=N--N=O例:丙稀醛CH2=C-CHO除在208nm產生的
*躍遷(ε=1000)吸收外,在328nm附近還有一個n
*吸收(ε=13)(2)共軛雙鍵當有兩個以上的雙鍵共軛時,隨著共軛系統的延長,*躍遷的吸收帶將明顯向長波方向移動,吸收強度也隨之增強。(P277表9-4某些共軛多烯的吸收特性)如:番茄紅素11個C=C鍵(紅色)第26頁,課件共60頁,創作于2023年2月第27頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、醛和酮醛和酮中均含有羰基(C=O)。能實現n
*躍遷(λmax.270-300nm附近,ε=10-20);n
*躍遷(λmax.180nm左右);*躍遷(λmax.150nm左右)。一般紫外光度計只能檢測n
*躍遷產生的R吸收帶。R帶是醛酮的特征吸收帶,是判斷醛酮的重要依據(P120表5-4某些醛、酮的紫外光譜數據)當羰基雙鍵與乙烯雙鍵共軛時,形成了α、β不飽和醛、酮-C=C-C=Oβα由于共軛效應,使乙烯基
*躍遷吸收帶紅移至220-260nm,成為K吸收帶,強吸收。羰基雙鍵R帶紅移至310-330nm,ε<100,弱吸收。(P121表5-5某些α、β不飽和醛酮的吸收光譜特性)第28頁,課件共60頁,創作于2023年2月由此看出:K帶吸收強度高εmax.104R帶吸收強度低εmax<102這一特征,可識別α、β不飽和醛、酮4、芳香族化合物(1)苯E1:180-184nm處(ε=4700)強吸收帶E2:204nm處(ε=7900)中強吸收帶(末端)B:230-270nm(ε=204)弱吸收帶是苯環的精細吸收帶或稱苯帶(P118圖5-8苯蒸氣的吸收曲線)第29頁,課件共60頁,創作于2023年2月(2)取代苯苯酚在庚烷和乙醇中的紫外圖譜第30頁,課件共60頁,創作于2023年2月(3)綢環芳香族化合物P123表5-7幾種綢環芳烴的吸收光譜二、溶劑對紫外吸收光譜的影響溶劑的極性對溶質吸收峰的波長、強度和形狀都有影響1、溶劑極性對λmax的影響P124表5-8溶劑對亞異丙酮吸收帶的影響吸收帶正己烷乙腈氯仿甲醇水波長位移
*λmax/nm230234238237243長移n*λmax/nm320314315309305短移原因:第31頁,課件共60頁,創作于2023年2月軌道極性:n>
*>
*
△En△EpC=C在非極性溶劑中在極性溶劑中△En
*nC=O△Ep在非極性溶劑中在極性溶劑中△En>△Ep紅移△En<△Ep藍移2、溶劑極性對吸收光譜精細結構的影響(P125圖5-12對稱四嗪在蒸氣態、環己烷和水中的吸收光譜)第32頁,課件共60頁,創作于2023年2月第33頁,課件共60頁,創作于2023年2月苯的紫外吸收光譜(乙醇中)
第34頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、正確地選用溶劑正確地選用溶劑的原則:(1)溶劑能溶解試樣,溶劑對溶質是惰性的(2)在溶解度允許的范圍內,盡量選擇極性較小的溶劑(3)溶劑在樣品的吸收光譜區應無明顯吸收P126表5-9常用于紫外-可見區測定的溶劑,表中給出了各種溶劑使用的最低波長極限,所選溶劑必須在大于最低波長極限的范圍內使用。問:在280~310nm范圍內測定某化合物的吸收光譜,能否用丙酮(最低波長極限330nm)作溶劑?)第35頁,課件共60頁,創作于2023年2月§5-4紫外分光光度計(自學)一、紫外分光光度計的基本構造紫外分光光度計儀器由輻射光源、單色器、吸收池和檢測器信號處理及讀數裝置等五部分組成。1、光源對光源基本要求:足夠光強、穩定、連續輻射且強度隨波長變化小氫燈和氘燈(輻射強度比氫燈大4~5倍):160-375nm,多用在紫外區(鎢及碘鎢燈:340-2500nm,多用在可見光區)。2、單色器(Mnochromator)與原子吸收光度儀不同,在UV光度計中,單色器通常置于吸收池的前面!(可防止強光照射引起吸收池中一些物質的分解)第36頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、吸收池(Cell,Container):用于盛放樣品。可用石英材料制作(可見光區可用玻璃)。4、檢測器:硒光電池、PMT5、信號處理及讀數系統二、儀器類型1、單波長分光光度計752S/752SPC(上海)752型第37頁,課件共60頁,創作于2023年2月單波長單光束Incidentbeam分光光度計0.575光源單色器吸收池檢測器顯示第38頁,課件共60頁,創作于2023年2月單波長雙光束分光光度計UV-2450/2550Jasco-UV/VIS第39頁,課件共60頁,創作于2023年2月單波長雙光束分光光度計比值光源單色器吸收池檢測器顯示光束分裂器第40頁,課件共60頁,創作于2023年2月2、雙波長分光光度計島津UV-3150第41頁,課件共60頁,創作于2023年2月§5-5紫外吸收光譜的應用一、定性分析紫外光譜對于判斷有機化合物中的發色團和助色團的種類、位置、數目以及區別飽和不飽和化合物、測定分子共軛程度,進而確定未知物的結構骨架等方面有獨到的優點1、紫外吸收光譜法定性鑒定的步驟①將試樣盡可能提純,以除去可能存在的雜質②繪制已提純樣品的吸收光譜曲線,由其光譜特征,依據一般規律,作初步判斷③利用對比法對該化合物進一步定性鑒定④應用化學、物理、物理化學等分析方法進行對照驗證,最后作出正確結論第42頁,課件共60頁,創作于2023年2月2、根據光譜作初步判斷(1)若化合物的紫外光譜在200-400nm范圍內沒有吸收帶化合物可能是飽和的直鏈烴、脂環烴或其他飽和脂肪族化合物或只含有一個雙鍵的烯烴等(2)若化合物只在270-350nm范圍有弱的吸收帶(ε=10-100),化合物含有一個簡單的非共軛的并含有未成鍵電子的發色團,如羰基、硝基等(n→π*)(3)若化合物在210-250nm范圍內有強的吸收帶(ε≥104)是K吸收帶的特征,可能是含有共軛雙鍵的化合物。若在260-300nm范圍有強的吸收帶,化合物有3個或3個以上的共軛雙鍵。若吸收帶進入可見光,則化合物可能是長共軛發色基團或是綢環化合物。(4)若化合物在250-300nm范圍內有中等強度的吸收帶(ε:103-104)化合物往往含有苯環,這是苯環B吸收帶的特征。第43頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、對比法(1)同標準試樣光譜比較,當溶劑和濃度相同時,若二者光譜相同,則是同一化合物。(2)同化合物的標準光譜圖進行比較(溶劑必須相同)常見光譜圖集“TheSadtlerStandardSpectra,Ultraviolet”收集了46000種化合物的紫外光譜第44頁,課件共60頁,創作于2023年2月補充:UV-Vis分光光度法的應用一、定性分析1.制作試樣的吸收曲線并與標準紫外光譜對照;2.利用Woodward-Fieser和Scott經驗規則求最大吸收波長。即,當通過其它方法獲得一系列可能的分子結構式后,可通過此類規則估算最大吸收波長并與實測值對比。Woodward-Fieser規則第45頁,課件共60頁,創作于2023年2月Woodward-Fieser規則估算最大吸收波長的幾個實例:四第46頁,課件共60頁,創作于2023年2月二、有機化合物的構型、構象的測定例如:1.2-二苯乙烯具有順、反兩種異構體C=CHHC=CHH反式順式λmax:295.5nmλmax:280nmεmax:29000εmax:10500第47頁,課件共60頁,創作于2023年2月2、互變異構體的測定例如:CH3-C-CH2-C-OC2H5?
CH3-C=CH-C-OC2H5=O=O=OOH酮式烯醇式λmax:204nmλmax:243nmεmax:1.8×104CH3-C=CH-C-OC2H5=OOH在極性溶劑中,酮式占優勢.在非極性溶劑中,烯醇式占優勢=O=OCH3-C-CH2-C-OC2H5O-HHH-OHP135圖5-17乙酰乙酯在不同溶劑中的紫外吸收光譜圖第48頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、構象的判別例如:叔丁基環己酮α位氫原子被鹵素取代后XC4H9=OXC4H9=OⅠⅡ三、化合物中雜質的檢查例如,乙醇中含有雜質苯,苯λmax=256nm,而乙醇在此波長處無吸收菲的氯仿溶液在λmax=296nm處有強吸收,lgε=4.10,用某種方法精制的菲,測得其lgε值比標準菲低10%,這說明精制菲的含量只有90%,其余很可能是蒽等雜質第49頁,課件共60頁,創作于2023年2月四、定量分析1、單一組分測定:選擇λmax,利用標準曲線法2、多組分測定(1)各組分的吸收曲線互相不重疊,與單一組分測定方法相同。(2)各組分的吸收曲線互相重疊,根據吸光度的加和性原理。第50頁,課件共60頁,創作于2023年2月3、雙波長分光光度法1951年B.chance提出(1)基本原理設波長為λ1和λ2的兩束單色光強度相等,則:∴△A∝c定量分析的依據光源單色器1單色器2檢測器切光器狹縫吸收池第51頁,課件共60頁,創作于2023年2月21A
XY(2)優點因只用一個吸收池,不用參比液,故消除了背景吸收、光散射及兩個吸收池不匹配引起的測量誤差,提高了測量的選擇性和準確度舉例:Y的存在下測定XY的存在不干擾X的測定第52頁,課件共60頁,創作于2023年2月(3)λ1和λ2的選擇是方法的關鍵要求:△A足夠大,且△λ盡量小(提高測量精密度)等吸收點法(常用)選擇λ1-λ2組合的條件:在所選的λ1,λ2處①待測組分的△A應足夠大②干擾組分有相同的吸收(在λ1,λ2處)測苯酚:測量波長-λ1,參比波長λ2orλ2’(三氯苯酚和λ1有相同吸收的點有兩個:λ2和λ2’,但λ2更接近λ1→精密度好),所以,以λ2作參比波長,消除了y對x的干擾。XY
1
2
2‘A/nm第53頁,課件共60頁,創作于2023年2月圖5-20作圖法選擇波長λ1和λ2第54頁,課件共60頁,創作于2023年2月4、光度滴定通過測量滴定過程中吸光度的變化來確定滴定分析終點的方法,稱為光度滴定法A-V滴定劑設εx、εp、εt為被滴定物質、反應物和滴定劑的摩爾吸光系數X+t→p(1)當被滴定物質和產物在指定波長下無吸收,而滴定劑有吸收。即,εx=εp=0εt>0如,550nm,KMnO4滴定Fe2+滴定曲線(a)A0V
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