1、第二章第二章 紫外紫外-可见吸收光谱可见吸收光谱仪器仪器 紫外-可见分光光度计基本原理基本原理一、基本组成一、基本组成 general process光源单色器样品室检测器显示1.1.光源光源 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3202500 nm。紫外区：氢、氘灯。发射185400 nm的连续光谱。近年来也有用激光作为光源的 2.2.单色器单色器 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。入射狭缝入射狭缝：光源的光由此进入单色器；准光装置准光装置：透镜或返射镜使入射光
2、成为平行光束；色散元件色散元件：将复合光分解成单色光；棱镜或光栅棱镜或光栅；聚焦装置聚焦装置：透镜或凹面反射镜，将分光后所得单色光聚焦至出射狭缝；出射狭缝出射狭缝。3.3.样品室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。在紫紫外区须采用外区须采用石英池石英池，可见区一般用可见区一般用玻璃池玻璃池。4.4.检测器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。5.5.结果显示记录系统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二、分光光度计的类型二、分光光度计的类型 types of
3、 spectrometer 1.1.单光束单光束 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。灵敏度高。2.2.双光束双光束 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。3.3.双波长双波长 将不同波长的两束单色光(1、2)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。=12nm。两波长同时扫描即可获得导数光谱。同时测定两个波长，用于研究样品中两个同时发生的反应仪器昂贵已被多波长二极管阵列代替光路图一一.紫外紫外-可见光区电磁波谱与光谱表示法可
4、见光区电磁波谱与光谱表示法 1.1.紫外紫外-可见光区电磁波谱可见光区电磁波谱紫外光紫外光远紫外(10200nm)近紫外(200400nm)空气中的O2,N2,CO2,潮气有强吸收玻璃对波长105：超高灵敏；：超高灵敏；=(610）104：高灵敏；：高灵敏；n*,*n*禁阻禁阻1.*跃迁跃迁*电子电子跃迁跃迁能级能级 间隔大间隔大波长短波长短,能量高的远能量高的远紫外光紫外光(max150nm)吸收吸收例如例如:CH4:max 125nm，乙烷乙烷max为为135nm*一般在远紫外区(max150nm),这已经超出了紫外分光光度计的测定范围,而且只能够产生*的饱和烃在近紫外和可见光区没有吸收,
5、因此常被用作测定时的溶剂用作测定时的溶剂.*跃迁的特点跃迁的特点:允许跃迁,吸收强度强,10104 4只有环丙烷在190nm2.n*跃迁跃迁-R带带nn*电子电子跃迁跃迁跃迁能跃迁能较小较小近紫外光近紫外光(max:200400nm)吸收吸收例如例如:HCHO的 n*所产生的吸收带max为310nm产生产生 nn*跃迁的条件跃迁的条件:1).分子中有含杂原子的双键双键(C=O,C=S).2).杂原子上的孤电子对与碳原子上的电子形成p-共轭共轭(CH2=CH-OCH3).nn*跃迁的特点跃迁的特点:吸收强度很弱,160nm)吸收吸收例如例如*跃迁跃迁:CH2=CH2:max为165nm;CH2=
6、CH-CH=CH2:217nm*跃迁的特点跃迁的特点:1).允许跃迁,吸收强度强吸收强度强 2).孤立双键的*跃迁大多在约200nm左右有吸收,1043).共轭双键的*跃迁的吸收200nm,104 -由共轭体系的*跃迁所产生的吸收带称为 K(德语德语共轭的共轭的)带带4.nn*跃迁跃迁nn*电子电子跃迁跃迁跃迁能较小跃迁能较小紫外区边端紫外区边端(max200nm)吸收吸收例如例如:CH3OH:n*所产生的吸收带max为183nm.=150nn*跃迁的特点跃迁的特点:1).含有氧,氮,硫,卤素(都具有未成键电子对)等的化合物都有n*引起的吸收.2).含S,I,N(电负性较小)等化合物,n电子能
7、级更高一些,max可能出现在近紫外区(220250nm).3).含F,Cl,O(电负性较大)等化合物,n电子能级较低,max可能出现在远紫外区(170180nm).末端吸收末端吸收三三.常见的光谱术语常见的光谱术语1.发色团发色团：可以使分子在紫外可以使分子在紫外-可见光区产生吸收带的基团可见光区产生吸收带的基团.(一般为带电子基团(C=C,C C,苯环,C=O,N=N,NO2)如果一个化合物分子中如果一个化合物分子中:-发色团之间不发生共轭发色团之间不发生共轭:吸收光谱包括发色团各自的吸收光谱包括发色团各自的 吸收带吸收带 -发色团之间彼此形成共轭体系发色团之间彼此形成共轭体系:原来各自发色
8、团的吸原来各自发色团的吸 收带消失收带消失,而产生新的吸收谱带而产生新的吸收谱带(波长和吸收强度比原波长和吸收强度比原 来明显加大来明显加大)2.助色团助色团：有些原子或基团单独在分子中存在时有些原子或基团单独在分子中存在时,本身在紫外区本身在紫外区和可见区不产生吸收的原子或基团，当连接发色团和可见区不产生吸收的原子或基团，当连接发色团后，使发色团的吸收带波长移向长波后，使发色团的吸收带波长移向长波,同时使吸收强同时使吸收强度增加度增加(助色团一般为带有助色团一般为带有p电子的原子或原子团电子的原子或原子团.如如-OH,-OR,-NHR,-SR,-Cl,-Br,I,烷基等烷基等)例如例如:25
9、4nm(B带带)270nm(B带带)OH 1).助色团与键相连时,与键形成p-共轭或-超共轭,使键电子容易被激发,发生红移.例如例如:2).助色团与羰基相连时,使羰基的n-*跃迁吸收带向短波方向移动,即蓝移.其中带有p电子的原子或原子团蓝移更加明显.H-C-H H-C-H CHCH3 3-C-H -C-H CHCH3 3-C-C-CHCH3 3 CHCH3 3-C-C-OHOHO OO OO OO Omax/nm 310 290 279 204 5 17 16 41 溶剂溶剂 异戊烷 己烷 己烷 乙醇红移红移：吸收带向长波方向移动蓝移蓝移：吸收带向短波方向移动3.红移和蓝移红移和蓝移4.增色效
10、应和减色效应增色效应和减色效应增色效应增色效应：使吸收带的吸收强度增加的效应 减色效应减色效应：使吸收带的吸收强度降低的效应肩峰：肩峰：吸收曲线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加吸收曲线在下降或上升处有停顿，或吸收稍微增加 或降低的峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。或降低的峰，是由于主峰内隐藏有其它峰。强带、弱带：强带、弱带：104的吸收带为强带，的吸收带为强带，1042).R 吸收带吸收带(源于德文源于德文 radikalartig,基团基团)由共轭体系的n*跃迁产生的吸收带,因非键轨道与*轨道正交,其强度弱。max1003).B 吸收带吸收带(源于德文源于德文 benzenoid,苯系苯系)
11、芳香族化合物的特征吸收谱带,起因于*跃迁与苯环振动的重叠,其强度很弱,max约为200,max出现在230270nm范围内.4).E 吸收带吸收带(源于德文源于德文 ethylenic,乙烯型乙烯型)芳香族化合物的起因于*跃迁的较强或强吸收带.又分为E1(max104,吸收峰约吸收峰约180nm),E2(max约约103,吸收峰约吸收峰约180nm)四四.影响紫外吸收光谱的因素影响紫外吸收光谱的因素1.1.溶剂对吸收波长的影响溶剂对吸收波长的影响1).1).溶剂极性对溶剂极性对*跃迁谱带的影响跃迁谱带的影响基态基态基发态基发态溶剂极性溶剂极性 *跃迁的吸收跃迁的吸收谱带发生红移谱带发生红移例如
12、例如:环己烷改环己烷改乙醇乙醇:红移红移101020nm20nm2).2).溶剂极性对溶剂极性对nn*跃迁谱带的影响跃迁谱带的影响基态基态基发态基发态溶剂极性溶剂极性 nn*跃迁的吸收跃迁的吸收谱带发生蓝移谱带发生蓝移例如例如:环己烷改环己烷改乙醇乙醇:蓝移蓝移7nm,7nm,水水:蓝移蓝移8nm8nm溶剂溶剂己烷己烷乙醚乙醚乙醇乙醇甲醇甲醇水水介电常数介电常数2.04.325.83181max/nm (max)*229.5(12600)230(12600)237(12600)238(10700)244.5(10000)nn*327(97.5)326(96)315(78)312(74)305(
13、60)异亚丙基丙酮异亚丙基丙酮CH3COCH=C(CH3)2吸收带与溶剂极性的关系吸收带与溶剂极性的关系3).3).溶剂的选择溶剂的选择 溶剂不与样品发生反应溶剂不与样品发生反应 溶剂对样品有足够的溶解能力溶剂对样品有足够的溶解能力 样品在该溶剂有良好的吸收峰型样品在该溶剂有良好的吸收峰型 在所测定的波长范围内在所测定的波长范围内,溶剂本身没有吸收溶剂本身没有吸收 溶剂挥发性小溶剂挥发性小,不易燃、无毒性、价格便宜不易燃、无毒性、价格便宜非极性化合物(特别是芳香族化合物)一般用己烷作溶剂,极性化合物一般用甲醇或乙醇作溶剂.常见溶剂的透明界限常见溶剂的透明界限溶剂溶剂水水乙乙腈腈正己正己烷烷环己
14、环己烷烷95%95%乙乙醇醇甲甲醇醇乙醚乙醚 二氧二氧六环六环氯仿氯仿界限界限（nmnm）190190 19190 0200200205205205205205205 215215215215245245溶剂溶剂：在测定的波长区透明在测定的波长区透明 蒸馏水比较理想，但对多数非极性有机化合蒸馏水比较理想，但对多数非极性有机化合 物不适用物不适用商业供应光谱纯不一定是纯的1.干燥2.配制溶液浓度，调整吸光度定性测定 0.7-1.2定量测定 0.2-0.8不同生色团需要浓度不同样品溶液的配制2.2.分子离子化对吸收波长的影响分子离子化对吸收波长的影响 如果一个分子在不同的pH 值介质中形成阳离子阳
15、离子或阴阴离子离子,吸收波长随离子化而改变max/nm(max)230(8600)203(7500)280(1470)254(160)211(6200)236(9400)270(1450)287(2600)原因原因氨基结合质子成盐后,氮原子的未成键电子消失,氨基的助色作用也随之消失.酚羟基含有两对孤对电子,当形成酚盐负离子后氧原子孤电子对增加到3对,使p-共轭作用进一步增强.例如例如NH2NH3+H+OH_OHO_H+OH_五五.不饱和有机化合物的紫外吸收光谱不饱和有机化合物的紫外吸收光谱1.1.共轭烯烃共轭烯烃孤立C=C的烯烃化合物-*跃迁一般在160200nm.共轭双键-*跃迁明显红移根据
16、分子轨道理论,随着共轭体系中双键数目的增多,最高占据轨道(HOMO)的能量逐渐增高,最低占据轨道(LUMO)的能量逐渐降低,电子在前线轨道中的跃迁能E逐渐减小,导致相应吸收谱带红移.休克尔分子轨道能级图休克尔分子轨道能级图LUMOHOMO165nm217nm(1).1,3-丁二烯丁二烯1,3-丁二烯与孤立乙烯基的电子能级图丁二烯与孤立乙烯基的电子能级图(2).(2).共轭二烯、三烯、四烯的紫外吸收光谱共轭二烯、三烯、四烯的紫外吸收光谱伍德瓦尔德伍德瓦尔德-费塞尔费塞尔(Woodward-Fieser)经验规则经验规则链状共轭多烯类化合物的链状共轭多烯类化合物的波长计算法波长计算法环状共轭多烯类
17、化合物的环状共轭多烯类化合物的波长计算法波长计算法环二烯环二烯同环二烯同环二烯异环二烯异环二烯半环二烯半环二烯CH2环二烯的结构环二烯的结构:例例1:1:1234母体异环共轭双烯母体异环共轭双烯 214nm214nm环外双键环外双键 1 +5nm1 +5nm烷基取代烷基取代 4 +20nm4 +20nmmax计算值计算值 239nm 实测值实测值 241nm例例2:2:母体同环共轭双烯母体同环共轭双烯 253nm253nm环外双键环外双键 2 +10nm2 +10nm烷基取代烷基取代 4 +20nm4 +20nmmax计算值计算值 283nm 实测值实测值 282nm1234HO例例3:3:母
18、体同环共轭双烯母体同环共轭双烯 253nm253nm扩展双键扩展双键 2 +60nm2 +60nm环外双键环外双键 3 +15nm3 +15nm烷基取代烷基取代 5 +25nm5 +25nm酰氧基取代酰氧基取代 1 +0nm1 +0nmmax计算值计算值 353nm 实测值实测值 352nm1234CH3C OO 52.,-2.,-不饱和羰基化合物的紫外吸收光谱不饱和羰基化合物的紫外吸收光谱(1).,-(1).,-不饱和羰基化合物的分子轨道不饱和羰基化合物的分子轨道C=C-C=O发色团的分子轨道能级发色团的分子轨道能级C OC CC C C On np p-*跃迁跃迁:能量最低,吸收强度较弱(
19、Ph CHO COCH3 COOH COO CN SO2NH2(NH3+)应用实例：应用实例：酚酞指示剂酚酞指示剂一些单取代苯的紫外吸收特征一些单取代苯的紫外吸收特征G:助色团取代基,苯环的各谱带红移,推电子能力越强,影响越大.G-CH3 -Cl -Br -OH -OCH3 -NH2 -O-G:发色团取代基,苯环的各谱带红移,吸收强度增加.影响大小与吸电子能力有关.-NH3+-SO2NH2 -COO-、-CN -COOH -CHO -NO2(2).(2).苯的二元取代物的紫外光谱苯的二元取代物的紫外光谱二取代苯二取代苯(R(R1 1-C-C6 6H H4 4-R-R2 2)的的E E2 2带红
20、移值带红移值(2%(2%甲醇溶液甲醇溶液)双取代苯双取代苯1)对位取代对位取代 两个取代基属于同类型时，两个取代基属于同类型时，max 红移值近似为红移值近似为 两者单取代时的最长两者单取代时的最长 波长波长。两个取代基类型不同时，两个取代基类型不同时，max 的红移值远大于两的红移值远大于两 者单取代时的红移值之和者单取代时的红移值之和 。（共轭效应）。（共轭效应）2）邻位或间位取代）邻位或间位取代 两个基团产生的两个基团产生的 max 的红移值近似等于它们的红移值近似等于它们 单取代时产生的红移值之和单取代时产生的红移值之和 。.对二取代苯的紫外光谱对二取代苯的紫外光谱a.a.两个取代基同
21、为两个取代基同为吸电子基或推吸电子基或推电子基团电子基团,E,E2 2带发生红移带发生红移,红移大小由红红移大小由红移效应强的基移效应强的基团决定团决定.b.b.两个取代基分两个取代基分别为吸电子基别为吸电子基和推电子基团和推电子基团,使使maxmax显著红显著红移移,E,E2 2带红移带红移值值远远大远远大于于1 1+2 2.NO2NH2NO2COOH同类取代基同类取代基异类取代基异类取代基(1 1:26.5):26.5)(2 2:65.0):65.0)maxmax估算值估算值:203.5+65.0=268.5nm实测值实测值:266nm:266nmmaxmax估算值估算值:203.5+65
22、.0+26.5 =295nm实测值实测值:381.5nm:381.5nm(2 2:65.0):65.0)(1 1:26.5):26.5).邻邻(间间)二取代苯的紫外光谱二取代苯的紫外光谱邻位或间位二取代苯的邻位或间位二取代苯的E E2 2带的红移值近似两个取代基红移值之和带的红移值近似两个取代基红移值之和,即即1 1+2 2.COOHOHCOOHOH-COOH的的 1 1:26.5:26.5-OH的的2 2:7.0:7.01 1+2 2=33.5nm=33.5nmmaxmax估算值估算值:203.5+33.5=237.0nm实测值实测值:237.3nm237.3nmmaxmax估算值估算值:2
23、03.5+33.5=237.0nm实测值实测值:237.5nm:237.5nm.具有苯羰基结构具有苯羰基结构(R-C6H4-COX)化合物的化合物的max计算计算oommp母体羧酸母体羧酸 230nm230nmP P 位位-NH-NH2 2 取代取代 +58nm+58nmmax计算值计算值 288nm 实测值实测值 288nmEtOH例例1:1:CH2NOHOOHO例例2:2:母体烷基酮母体烷基酮 246nm246nmo o位位-OH-OH 取代取代 +7nm+7nmo o位位烷基烷基取代取代 +3nm+3nmmax计算值计算值 256nm 实测值实测值 255nmEtOHPoo例例3:3:例
24、例4:4:母体烷基酮母体烷基酮 246nm246nmo o位位烷基烷基取代取代 +3nm+3nmm m位位OCHOCH3 3取代取代 +7nm+7nmP P位位OCHOCH3 3取代取代 +25nm+25nmmax计算值计算值 281nm 实测值实测值 278nmEtOHPooOCH3H3COOmom母体烷基酮母体烷基酮 246nm246nmo o位位烷基烷基取代取代 +3nm+3nmo o位位OHOH取代取代 +7nm+7nmm m位位ClCl取代取代 0nm0nmmax计算值计算值 256nm 实测值实测值 257nmEtOHClOHCH3OCOOC2H5稠环芳烃稠环芳烃 稠环芳烃较苯形成
25、更大的共轭体系，紫外吸收比苯稠环芳烃较苯形成更大的共轭体系，紫外吸收比苯 更移向长波方向，吸收强度增大，精细结构更加明显。更移向长波方向，吸收强度增大，精细结构更加明显。杂芳环化合物杂芳环化合物 五员杂芳环按照呋喃、吡咯、噻吩的顺序增强芳香性，五员杂芳环按照呋喃、吡咯、噻吩的顺序增强芳香性，其紫外吸收也按此顺序逐渐接近苯的吸收。其紫外吸收也按此顺序逐渐接近苯的吸收。呋喃呋喃 204 nm （6500）吡咯吡咯 211nm （15000）噻吩噻吩 231nm （7400）六六 空间结构对紫外光谱的影响空间结构对紫外光谱的影响6.1 空间位阻的影响空间位阻的影响 顺反异构顺反异构 双键或环上取代基
26、在空间排列不同而形成的异构体。双键或环上取代基在空间排列不同而形成的异构体。反式反式 max 顺式顺式 max 6.2立体结构和互变结构的确定CCHHCCHH顺式：max=280nm；max=10500反式：max=295.5 nm；max=29000共平面产生最大共轭效应，max大互变异构互变异构：酮式：max=204 nm；无共轭 烯醇式：max=243 nm H3CCH2CCOEtOOH3CCHCCOEtOHO6.3 跨环效应跨环效应 指非共轭基团之间的相互作用。指非共轭基团之间的相互作用。使共轭范围有所扩大，使共轭范围有所扩大，max 发生红移。发生红移。七七 紫外谱图提供的结构信息紫
27、外谱图提供的结构信息（1）化合物在）化合物在 220-800nm 内无紫外吸收，说明该化合内无紫外吸收，说明该化合 物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物（氯化物、醇、物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物（氯化物、醇、醚、羧酸等），甚至可能是非共轭的烯。醚、羧酸等），甚至可能是非共轭的烯。（2）220-250nm内显示强的吸收（内显示强的吸收（近近10000或更大），或更大），这表明这表明K带的存在，即存在共轭的两个不饱和键（共轭二带的存在，即存在共轭的两个不饱和键（共轭二烯或烯或、不饱和醛、酮）不饱和醛、酮）（3）250-290nm内显示中等强度吸收，且常显示不同程内显示中等强度吸收，且常显示
28、不同程度的精细结构，说明苯环或某些杂芳环的存在。度的精细结构，说明苯环或某些杂芳环的存在。（4）250-350nm内显示中、低强度的吸收，说明羰基或内显示中、低强度的吸收，说明羰基或共轭羰基的存在。共轭羰基的存在。max(nm)max可能结构可能结构200-40010000（强吸收）（强吸收）（示有（示有K带）可判可能含有二带）可判可能含有二个双个双键键共轭分子共轭分子C=C-C=CC=C-C=O260-300104（强吸收）（强吸收）（示有（示有K带）可判有带）可判有35个不个不饱和共轭体系饱和共轭体系260-3002001000（中强吸收）（中强吸收）（示有（示有B带）可判化合物含有带）可
29、判化合物含有苯环结构苯环结构250-30010100（弱吸收）（弱吸收）（示有（示有R带），可判分子中可带），可判分子中可能有（能有（）羰基。）羰基。C=O化合物分子结构的初步估计化合物分子结构的初步估计八八 应用应用1.推断官能团推断官能团 如果一个化合物在紫外区有强的吸收，表明它可能如果一个化合物在紫外区有强的吸收，表明它可能存在共轭体系，吸收波长越长，共轭体系越大。存在共轭体系，吸收波长越长，共轭体系越大。2.判断异构体判断异构体 不同的异构体可能具有不同的紫外光谱，以此来判不同的异构体可能具有不同的紫外光谱，以此来判断属哪个异构体。断属哪个异构体。3.推断分子结构推断分子结构 (可结合可结合Woodward规则的计算结果规则的计算结果)4、分子量的测定、分子量的测定5、定量分析的应用、定量分析的应用反应速度的测定反应速度的测定 朗伯朗伯-比尔定律比尔定律6、医药研究、医药研究 抗癌药物对抗癌药物对 DNA 变性影响的研究变性影响的研究 人血清与癌细胞关系的研究人血清与癌细胞关系的研究
