第八章 紫外吸收光谱分析法

1. 第八章 紫外吸收光谱分析法 ultraviolet spectrometry, UV 一、 紫外吸收光谱的产生 formation of UV 二、 有机物紫外吸收光谱 ultraviolet spectrometry of organic compounds 三、金属配合物的紫外吸收光谱 ultraviolet spectrometry of metal complexometric compounds 第一节 紫外吸收光谱分析基本原理 principles of UV

2. 4 1 e 2 λ 3 250 300 350 400nm 一、紫外吸收光谱的产生formation of UV 1.概述 紫外吸收光谱：分子价电子能级跃迁。 波长范围：100-800 nm. (1) 远紫外光区:100-200nm (2) 近紫外光区:200-400nm (3)可见光区:400-800nm 可用于结构鉴定和定量分析。 电子跃迁的同时，伴随着振动转动能级的跃迁;带状光谱。

3. 2.物质对光的选择性吸收及吸收曲线 M + 热 M +h→ M * M + 荧光或磷光 基态 激发态 E1（△E） E2 E = E2 - E1 = h 量子化 ；选择性吸收 吸收曲线与最大吸收波长max 用不同波长的单色光照射，测吸光度;

4. 吸收曲线的讨论： • ①同一种物质对不同波长光的吸光度不同。吸光度最大处对应的波长称为最大吸收波长λmax • ②不同浓度的同一种物质，其吸收曲线形状相似λmax不变。而对于不同物质，它们的吸收曲线形状和λmax则不同。 • ③吸收曲线可以提供物质的结构信息，并作为物质定性分析的依据之一。

5. 讨论： • ④不同浓度的同一种物质，在某一定波长下吸光度 A 有差异，在λmax处吸光度A 的差异最大。此特性可作作为物质定量分析的依据。 • ⑤在λmax处吸光度随浓度变化的幅度最大，所以测定最灵敏。吸收曲线是定量分析中选择入射光波长的重要依据。

6. 3.电子跃迁与分子吸收光谱 • 物质分子内部三种运动形式： • （1）电子相对于原子核的运动； • （2）原子核在其平衡位置附近的相对振动； • （3）分子本身绕其重心的转动。 • 分子具有三种不同能级：电子能级、振动能级和转动能级 • 三种能级都是量子化的，且各自具有相应的能量。 • 分子的内能：电子能量Ee 、振动能量Ev 、转动能量Er • 即: E＝Ee+Ev+Er • ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr

7. 能级跃迁 电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。即电子光谱中总包含有振动能级和转动能级间跃迁产生的若干谱线而呈现宽谱带。

8. 讨论： （1）转动能级间的能量差ΔΕr：0.005～0.050eV，跃迁产生吸收光谱位于远红外区。远红外光谱或分子转动光谱； （2） 振动能级的能量差ΔΕv约为：0.05～１eV，跃迁产生的吸收光谱位于红外区，红外光谱或分子振动光谱； （3） 电子能级的能量差ΔΕe较大1～20eV。电子跃迁产生的吸收光谱在紫外—可见光区，紫外—可见光谱或分子的电子光谱；

9. 讨论： （4）吸收光谱的波长分布是由产生谱带的跃迁能级间的能量差所决定，反映了分子内部能级分布状况，是物质定性的依据； （5）吸收谱带的强度与分子偶极矩变化、跃迁几率有关，也提供分子结构的信息。通常将在最大吸收波长处测得的摩尔吸光系数εmax也作为定性的依据。不同物质的λmax有时可能相同，但εmax不一定相同； （6）吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成正比，定量分析的依据。

10. 仪器 紫外-可见分光光度计

11. 一、基本组成general process 光源 单色器 样品室 检测器 显示 1. 光源 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、较好的稳定性、较长的使用寿命。 可见光区：钨灯作为光源，其辐射波长范围在320～2500 nm。 紫外区：氢、氘灯。发射185～400 nm的连续光谱。

12. 2.单色器 将光源发射的复合光分解成单色光并可从中选出一任波长单色光的光学系统。 ①入射狭缝：光源的光由此进入单色器； ②准光装置：透镜或返射镜使入射光成为平行光束； ③色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅； ④聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝； ⑤出射狭缝。

13. 3.样品室 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。 4.检测器 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。 5. 结果显示记录系统 检流计、数字显示、微机进行仪器自动控制和结果处理

14. 二、分光光度计的类型types of spectrometer 1.单光束 简单，价廉，适于在给定波长处测量吸光度或透光度，一般不能作全波段光谱扫描，要求光源和检测器具有很高的稳定性。 2.双光束 自动记录，快速全波段扫描。可消除光源不稳定、检测器灵敏度变化等因素的影响，特别适合于结构分析。仪器复杂，价格较高。

15. 3.双波长 将不同波长的两束单色光(λ1、λ2) 快束交替通过同一吸收池而后到达检测器。产生交流信号。无需参比池。△= 1～2nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。

16. s * n H C O s p* E H K R n p , E B p s 二、有机物吸收光谱与电子跃迁ultraviolet spectrometry of organic compounds 1．紫外—可见吸收光谱 有机化合物的紫外—可见吸收光谱是三种电子跃迁的结果：σ电子、π电子、n电子。 分子轨道理论：成键轨道—反键轨道。 当外层电子吸收紫外或可见辐射后，就从基态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有四种跃迁所需能量ΔΕ大小顺序为：n→π＊ < π→π＊ < n→σ＊ < σ→σ＊

17. s * p * E K R n , E B p s 2　σ→σ＊跃迁 所需能量最大；σ电子只有吸收远紫外光的能量才能发生跃迁； 饱和烷烃的分子吸收光谱出现在远紫外区； 吸收波长λ<200 nm； 例：甲烷的λmax为125nm , 乙烷λmax为135nm。 只能被真空紫外分光光度计检测到； 作为溶剂使用；

18. 3　n→σ＊跃迁 所需能量较大。 吸收波长为150～250nm，大部分在远紫外区，近紫外区仍不易观察到。 含非键电子的饱和烃衍生物(含N、O、S和卤素等杂原子)均呈现n→σ* 跃迁。

19. 4π→π＊跃迁 所需能量较小，吸收波长处于远紫外区的近紫外端或近紫外区，εmax一般在104L·mol－1·cm－1以上，属于强吸收。 （1） 不饱和烃π→π*跃迁 乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm，εmax为: 1×104 L·mol-1·cm－1。 K带——共轭非封闭体系的p→ p* 跃迁 C=C发色基团， 但 →*200nm。 max=162nm 助色基团取代 （K带)发生红移。

20.  ₃   (HOMO LVMO) max 217nm 165nm ₂   ₁ 共轭烯烃（不多于四个双键）*跃迁吸收峰位置可由伍德沃德——菲泽 规则估算。max= 基+nii （2）共轭烯烃中的  → * 基-----是由非环或六环共轭二烯母体决定的基准值； 无环、非稠环二烯母体：max=217 nm

21. 异环（稠环）二烯母体： max=214 nm 同环（非稠环或稠环）二烯母体： max=253 nm niI : 由双键上取代基种类和个数决定的校正项 (1)每增加一个共轭双键 +30 (2)环外双键 +5 (3)双键上取代基： 酰基（-OCOR） 0 卤素（-Cl，-Br） +5 烷基（-R） +5 烷氧基（-OR） +6

22.   R K R K n       n 165nm n     （3）羰基化合物共轭烯烃中的  → * ① Y=H,Rn → *180-190nm →*150-160nm n → *275-295nm ②Y=-NH2,-OH,-OR等助色基团 K 带红移，R 带兰移； R带max =205nm ；10-100 ③不饱和醛酮 K带红移：165250nm R带兰移：290310nm

23. max（nm） max 苯 254 200 甲苯 261 300 间二甲苯 263 300 1，3，5-三甲苯 266 305 六甲苯 272 300 （4）芳香烃及其杂环化合物 苯： E1带180184nm；=47000 E2带200204 nm =7000 苯环上三个共扼双键的  → *跃迁特征吸收带； B带230-270 nm=200 →*与苯环振动引起； 含取代基时， B带简化，红移。

24. 5. 立体结构和互变结构的影响 顺反异构： 顺式：λmax=280nm； εmax=10500 反式：λmax=295.5 nm；εmax=29000 互变异构： 酮式：λmax=204 nm 烯醇式：λmax=243 nm

25. max(正己烷) max(氯仿) max(甲醇) max(水)  230 238 237 243 n<p n 329 315 309 305   n p n n >p 非极性 极性   n p   非极性 极性 6. 溶剂的影响 n→*跃迁：兰移；  ；  → *跃迁：红移； ；

26. 1 1：乙醚 苯酰丙酮 2：水 2 250 300 溶剂的影响 非极性 → 极性 n→*跃迁：兰移；  ；  → *跃迁：红移； ； 极性溶剂使精细结构消失；

27. 7.生色团与助色团 生色团： 最有用的紫外—可见光谱是由π→π＊和n→π＊跃迁产生的。这两种跃迁均要求有机物分子中含有不饱和基团。这类含有π键的不饱和基团称为生色团。简单的生色团由双键或叁键体系组成，如乙烯基、羰基、亚硝基、偶氮基—N＝N—、乙炔基、腈基—C㆔N等。 助色团： 有一些含有n电子的基团(如—OH、—OR、—NH２、—NHR、—X等)，它们本身没有生色功能(不能吸收λ>200nm的光)，但当它们与生色团相连时，就会发生n—π共轭作用，增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动，且吸收强度增加)，这样的基团称为助色团。

28. 红移与蓝移 有机化合物的吸收谱带常常因引入取代基或改变溶剂使最大吸收波长λmax和吸收强度发生变化: λmax向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为蓝移 (或紫移)。吸收强度即摩尔吸光系数ε增大或减小的现象分别称为增色效应或减色效应，如图所示。

29. 第九章 紫外吸收光谱分析法 ultraviolet spectro-photometry, UV 一、 定性、定量分析 qualitative and quanti-tative analysis 二、 有机物结构确定 structure determination of organic compounds 第三节 紫外吸收光谱的应用 applications of UV

30. 一、定性、定量分析qualitative and quantitative analysis 1. 定性分析 max：化合物特性参数，可作为定性依据； 有机化合物紫外吸收光谱：反映结构中生色团和助色团的特性，不完全反映分子特性； 计算吸收峰波长，确定共扼体系等 甲苯与乙苯：谱图基本相同； 结构确定的辅助工具； max ， max都相同，可能是一个化合物； 标准谱图库：46000种化合物紫外光谱的标准谱图 «The sadtler standard spectra ,Ultraviolet»

31. 2. 定量分析 依据：朗伯-比耳定律 吸光度： A=  b c 透光度：-lgT =  b c 灵敏度高： max：104～105 L· mol-1 ·cm -1；（比红外大） 测量误差与吸光度读数有关： A=0.434，读数相对误差最小；

32. 吸收光谱的测量-----Lambert-Beer定律 一、  几个术语 当强度为I0的入射光束(Incident beam) 通过装有均匀待测物的介质时，该光束将被部分吸收，未被吸收的光将透过(Emergent)待测物溶液以及通过散射(Scattering)、反射(Reflection),包括在液面和容器表面的反射)而损失，这种损失有时可达10%，那么， I0=Ie + Is +I r 因此，在样品测量时必须同时采用参比池和参比溶液扣除这些影响！

33. 二、Lambert-Beer 定律 当入射光波长一定时，待测溶液的吸光度A与其浓度和液层厚度成正比，即 k 为比例系数，与溶液性质、温度和入射波长有关。 当浓度以 g/L 表示时，称 k 为吸光系数，以 a 表示，即 当浓度以mol/L表示时，称 k 为摩尔吸光系数，以 表示，即  比 a 更常用。 越大，表示方法的灵敏度越高。 与波长有关，因此， 常以表示。

34. 三、偏离 L-B 定律的因素 样品吸光度 A 与光程 b 总是成正比。但当 b 一定时，A 与 c 并不总是成正比，即偏离 L-B 定律！这种偏离由样品性质和仪器决定。 1. 样品性质影响 a）待测物高浓度--吸收质点间隔变小—质点间相互作用—对特定辐射 的吸收能力发生变化--- 变化； b）试液中各组份的相互作用，如缔合、离解、光化反应、异构化、配 体数目改变等，会引起待测组份吸收曲线的变化； c）溶剂的影响：对待测物生色团吸收峰强度及位置产生影响； d）胶体、乳状液或悬浮液对光的散射损失。

35. 2. 仪器因素 仪器因素包括光源稳定性以及入射光的单色性等。 a）入射光的非单色性：不同光对所产生的吸收不同，可导致测定偏差。 假设入射光由测量波长x和干扰i波长组成，据Beer定律，溶液对在x和i的光的吸光度分别为： 综合前两式，得  当x=i时，或者说当x=i时，有A=xbc, 符合L-B定律；  当xi时，或者说当xi时，则吸光度与浓度是非线性的。二者差别越大， 则偏离L-B越大；  当x>i，测得的吸光度比在“单色光” x处测得的低，产生负偏离；反之，当 x<i，则产生正偏离。

36. 分析条件选择 一、仪器测量条件 由于光源不稳定性、读数不准等带来的误差。当分析高浓度的样品时，误差更大。 由L-B定律： 微分后得： 将上两式相比，并将 dT 和 dc 分别换为T 和 c，得 当相对误差 c/c 最小时，求得T=0.368 或 A=0.434。即当A=0.434 时，吸光度读数误差最小！ 通常可通过调节溶液浓度或改变光程b来控制A的读数在0.15~1.00范围内。

37. 二、反应条件选择 • 显色剂的选择原则： • 使配合物吸收系数  最大、选择性好、组成恒定、配合物稳定、显色剂吸收波长与配合物吸收波长相差大等。 • 2. 显色剂用量： • 配位数与显色剂用量有关；在形成逐级配合物，其用量更要严格控制。 • 3. 溶液酸度：配位数和水解等与 pH 有关。 • 4. 显色时间、温度、放置时间等。 • 三、参比液选择 • 溶剂参比：试样组成简单、共存组份少（基体干扰少）、显色剂不吸收时，直 • 接采用溶剂（多为蒸馏水）为参比； • 2. 试剂参比：当显色剂或其它试剂在测定波长处有吸收时，采用试剂作参比（不 • 加待测物）； • 3. 试样参比：如试样基体在测定波长处有吸收，但不与显色剂反应时，可以试样 • 作参比（不能加显色剂）。

38. 四、干扰消除 1. 控制酸度： 配合物稳定性与pH有关，可以通过控制酸度提高反应选择性，副反应减少，而主反应进行完全。如在0.5MH2SO4介质中，双硫腙与Hg2+生成稳定有色配合物，而与Pb2+、Cu2+、Ni2+、Cd2+等离子生成的有色物不稳定。 2. 选择掩蔽剂 3. 合适测量波长 4. 干扰物分离 5. 导数光谱及双波长技术

39. 二、有机化合物结构辅助解析structure determination of organic compounds 1. 可获得的结构信息 （1）200-400nm 无吸收峰。饱和化合物，单烯。 （2）270-350 nm有吸收峰（ε=10-100）醛酮n→π* 跃迁产生的R带。 （3）250-300 nm 有中等强度的吸收峰（ε=200-2000），芳环的特征 吸收（具有精细解构的B带）。 （4）200-250 nm有强吸收峰（ε104），表明含有一个共轭体系（K）带。共轭二烯：K带（230 nm）；不饱和醛酮：K带230 nm ，R带310-330 nm 260nm,300 nm,330 nm有强吸收峰，3,4,5个双键的共轭体系。

40. 2.光谱解析注意事项 (1) 确认max，并算出㏒ε，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(ε302) 274 nm(ε2040) 261 nm(ε300) (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。

41. 3. 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 + 2n4 + n3 – n1 ）/ 2 n4 ， n3 ， n1分别为分子中四价，三价，一价元素数目。 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： C9H8O2  = （2 +29– 8 ）/ 2 = 6

42. 4. 解析示例 有一化合物C10H16由红外光谱证明有双键和异丙基存在，其紫外光谱 max=231 nm（ε 9000），此化合物加氢只能吸收2克分子H2，，确定其结构。 解：①计算不饱和度 = 3；两个双键；共轭？加一分子氢 ②max=231 nm， ③可能的结构 ④计算max  max：232 273 268 268 max =非稠环二烯（a,b）+2 × 烷基取代+环外双键 =217+2×5+5=232（231）

43. 立体结构和互变结构的确定 顺式：λmax=280nm； εmax=10500 反式：λmax=295.5 nm；εmax=29000 共平面产生最大共轭效应， εmax大 互变异构： 酮式：λmax=204 nm；无共轭 烯醇式：λmax=243 nm