紫外-可见分光光度分析法基本原理光谱分析法就是指物质与电磁辐射作用时,物质内部发生能级跃迁,测量由此产生的发射、吸收或散射辐射的波长与强度来进行分析的方法。
依据物质对光的选择性吸收而建立起来的分析方法称为吸光光度法,主要有: 红外吸收光谱:分子振动光谱,吸收光波长范围2、5~1000 μm ,主要用于有机化合物结构鉴定。
紫外吸收光谱:电子跃迁光谱,吸收光波长范围200~400 nm(近紫外区) ,可用于结构鉴定与定量分析。
可见吸收光谱:电子跃迁光谱,吸收光波长范围400~750 nm ,主要用于有色物质或与显色剂作用生成有色物质的定量分析。
吸收曲线(吸收光谱)就是吸光物质浓度与液层厚度一定的条件下,让不同波长的光依次透过溶液,测量每一波长下溶液的吸光度,然后以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标作图而得。
它描述了物质对不同波长光的吸收能力紫外-可见分子吸收光谱与电子跃迁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、振动能级与转动能级。
电子能量E e 、振动能量E v 、转动能量E r。
ΔΕe>ΔΕv>ΔΕr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＊σ→σ＊跃迁如甲烷的λmax为125nm,乙烷λmax为135nm。
n→σ＊跃迁吸收波长为150～250nm,含非键电子的饱与烃衍生物(含N、O、S与卤素等杂原子)均呈现n →σ*跃迁。
一氯甲烷、甲醇、三甲基胺n→σ*跃迁的λmax分别为173nm、183nm与227nm。
⑶π→π＊跃迁不饱与烃、共轭烯烃与芳香烃类均可发生该类跃迁。
如乙烯π→π*跃迁:λmax为162nm, n→π＊跃迁就是构成不饱与键中的杂原子上的n电子跃迁到π＊轨道,所需能量最低,吸收波长多在270-300nm附近。
如丙酮n→π＊跃迁:λmax为275nm生色团:最有用的紫外—可见光谱就是由π→π＊与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与基团。
凡能吸收紫外或可见光而引起电子跃迁的基团,主要就是具有的不饱与键与未共用电子对的基团。
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—C三N等。
(2)助色团:指那些带有杂原子的基团(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,能增强生色团的生色能力(吸收波长向长波方向移动(红移),且吸收强度增加),这样的基团称为助色团。
由于取代基的引入或溶剂的改变,使有机化合物的λmax发生移动,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。
3、羰基化合物>C=O基团主要可产生π→π*、nσ→* 、nπ→*三个吸收带。
nπ→*吸收带又称R带,它就是醛酮的特征吸收带,落于近紫外或紫外光区,就是判断醛酮存在的重要依据。
醛、酮、羧酸及羧酸的衍生物,如酯、酰胺等,都含有羰基。
由于醛酮这类物质与羧酸及羧酸的衍生物在结构上的差异,因此它们nπ→*吸收带的光区稍有不同。
羧酸及羧酸的衍生物的羰基上的碳原子直接连结含有未共用电子对的助色团,如-OH、-Cl、-OR等,由于这些助色团上的n电子与羰基双键的π电子产生nπ→共轭,导致π*轨道的能级有所提高,但这种共轭作用并不能改变n轨道的能级,因此导致nπ→* 跃迁所需的能量变大,使nπ→*吸收带蓝移至210nm左右。
当羰基双键与碳碳双键共轭时,称为α,β不饱与醛或酮,由于共轭效应使碳碳双键π→π*跃迁吸收常红移至220-260nm成为K带,羰基双键R带红移至310-330nm。
苯及其衍生物苯有三个吸收带,它们都就是由π→π*跃迁引起的。
E1带出现在180nm(εMAX = 60,000); E2带出现在204nm( εMAX = 8,000 );B带出现在255nm (εMAX = 200)。
在极性溶剂中,这些精细结构消失。
当苯环上有取代基时,苯的三个特征谱带都会发生显著的变化,其中影响较大的就是E2带与B谱带。
5、稠环芳烃及杂环化合物稠环芳烃,如奈、蒽、芘等,均显示苯的三个吸收带,但就是与苯本身相比较,这三个吸收带均发生红移,且强度增加。
此外,由于引入含有n电子的N原子的,这类杂环化合物还可能产生nπ→*的R吸收带当它们的离子吸收光能后,低能态的d电子或f电子可以分别跃迁至高能态的d或f轨道,这两类跃迁分别称为d - d 跃迁与f - f 跃迁。
由于这两类跃迁必须在配体的配位场作用下才可能发生,因此又称为配位场跃迁。
结构分析(紫外光谱解析)了解共轭程度、空间效应、氢键等,可对饱与与不饱与化合物、异构体及构象进行判别。
紫外-可见吸收光谱中有机物发色体系信息分析的一般规律就是:⑴若在200～750nm波长范围内无吸收峰则可能就是直链烷烃、环烷烃、饱与脂肪族化合物、羧酸、氯(氟)代烃或仅含一个双键的烯烃等,没有醛、酮。
⑵若在270～350nm波长范围内有低强度吸收峰(ε＝10～100L·mol-1·cm-1),(n→π*跃迁),则可能含有一个简单非共轭的,具有n电子的生色团,如羰基等。
⑶若在2５0～300nm波长范围内有中等强度的吸收峰且有一定的精细结构,则可能含苯环。
⑷若在210～250nm波长范围内有强吸收峰,则可能含有2个共轭双键;若在260～300nm波长范围内有强吸收峰,则说明该有机物含有3个或3个以上共轭双键。
红外吸收光谱分析红外光谱在可见光区与微波光区之间,波长范围约为0、75 - 1000µm,根据仪器技术与应用不同,习惯上又将红外光区分为三个区:近红外光区(0、75 -2、5µm )中红外光区(2、5 -25µm )远红外光区(25 - 1000µm )。
近红外光区:0、75~2、5µm主要就是由低能电子跃迁、含氢原子团(如O-H、N-H、C-H)伸缩振动的倍频吸收产生。
该区的光谱可用来研究稀土与其它过渡金属离子的化合物,并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。
中红外光区:2、5~25µm就是绝大多数有机化合物与无机离子的基频吸收带(由基态振动能级(ν=0)跃迁至第一振动激发态(ν=1)时,所产生的吸收峰称为基频峰)。
远红外光区吸收带:25 - 1000µm就是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体与固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。
一、产生红外吸收的条件1 、辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等只有当红外辐射频率等于分子中某个基团的振动频率时,分子才能吸收红外辐射,产生红外吸收光谱。
2、辐射与物质之间有耦合作用。
分子振动必须伴随偶极矩的变化。
对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。
如:N2、O2、Cl2 等。
非对称分子:有偶极矩,红外活性因此,并非所有的振动都会产生红外吸收,只有发生偶极矩变化(△μ≠0)的振动才能引起可观测的红外吸收光谱,将该分子称之为红外活性的;△μ=0的分子振动不能产生红外振动吸收,称之为非红外活性的。
分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(ν=0)跃迁至第一振动激发态(ν=1)时,所产生的吸收峰称为基频峰。
在红外吸收光谱上除基频峰外,还有振动能级由基态( ν=0)跃迁至第二激发态( ν=2)、第三激发态( ν=3)⋯,所产生的吸收峰称为倍频峰。
倍频峰、合频峰与差频峰统称为泛频峰简正振动简正振动的振动状态就是分子质心保持不变,整体不转动,每个原子都在其平衡位置附近做简谐振动,其振动频率与相位都相同。
、简正振动的基本形式一般将振动形式分成两类:伸缩振动与变形振动。
(1)伸缩振动原子沿键轴方向伸缩,键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动,用符号σ表示。
它又可以分为:对称( σs)与不对称伸缩振动( σas )。
对同一基团,不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。
变形振动(又称弯曲振动或变角振动)基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动。
变形振动分为:面内变形与面外变形振动面内变形振动包括:剪式(以δ表示)与平面摇摆振动(以ρ表示)。
面外变形振动包括:非平面摇摆(以ω表示)与扭曲振动(以τ表示)。
由于变形振动的力常数比伸缩振动的小,因此,同一基团的变形振动都在其伸缩振动的低频端出现。
绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论上计算的振动数。
这就是由如下原因引起的:(1)没有偶极矩变化的振动,不产生红外吸收;(2)相同频率的振动吸收重叠,即简并;(3)仪器不能区别频率十分接近的振动,或吸收带很弱,仪器无法检测(4)有些吸收带落在仪器检测范围之外。
影响峰位变化的因素1.内部因素(1)电子效应a.诱导效应(I效应):由于取代基具有不同的电负性,通过静电诱导作用,引起分子中电子云密度发生变化,改变键的力常数,使键或基团的特征频率发生改变。
R-CO-R νC=0 1715cm-1 ; R-CHO νC=0 1730cm -1;R-CO-Cl νC=0 1800cm-1 ; R-CO-F νC=0 1920cm-1 ;F-CO-F νC=0 1928cm-1 ;由吸电子基团引起的I效应称为吸电诱导效应,它使特征频率增高;而推电子基引起的I效应称供电诱导效应,它使力常数减少,特征频率降低。
如酮中由于-CH3就是弱推电子基,故与醛相比频率略降低。
共轭效应(M效应):共轭体系中电子离域的现象,可通过π键传递。
使共轭体系中电子云密度平均化,结果使原来的双键伸长(电子云密度降低),力常数减少,振动频率降低。
有π-π共轭与p-π共轭。
当I效应与M效应同时存在时,就要区分那种效应的贡献大,以此决定振动频率的位置。
如酯的C=O伸缩振动频率为1735cm-1,比酮(1715cm-1)高,就是因为-OR基的I效应比M效应大的结果。
(2)空间效应:场效应、空间位阻、环张力A、场效应在互相靠近的基团间,不就是通过化学键而就是以它们的静电场通过空间相互作用,引起相应键的IR谱带产生位移,见p309、B、空间位阻由于立体障碍,使共轭效应受到限制,C、环张力(３)氢键效应(分子内氢键;分子间氢键):形成氢键后,使电子云密度平均化,从而使键的力常数减小,使伸缩振动频率向低波数方向移动。
2.外部因素同一种化合物,IR谱随取样方法、溶剂、样品厚度等的不同会出现一定的差别:、(1)测定时因物态不同引起的变化(2)溶剂的影响。