紫外光谱分析

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主要用于研究络合物的结构,在定量分析上不如电荷迁 移跃迁重要
(6)电荷转移跃迁:
当分子形成配合物或分子内的两个大π体系相互接近时 ,电磁辐射照射后,电子从给予体向与接受体相联系的轨道 上跃迁,这实质上是一个内氧化——还原过程。电荷转移可 以是离子间、离子与分子间、以及分子内的转移,条件是同 时具备电子给体和电子受体。电荷转移跃迁吸收谱带的强度 大,一般εmax>104。这种跃迁在聚合物的交替共聚合反应的 研究中相当重要。
❖ 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;所有饱和有机化合物都可能产生的 电子跃迁。
❖ 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。 ❖ 吸收光谱通常在紫外范围以外; ❖ 只能被真空紫外分光光度计检测到; ❖ 作为溶剂使用。
(4)E吸收带( π→π*跃迁):与B吸收带一样,也是芳香族 化合物的特征谱带,吸收强度大(ε=2000~14000L /(mol·cm) ),吸收波长偏向紫外的低波长部分,有的在远紫外区。如 苯的E1和E2吸收带分别在184nm(ε=47000L/(mol·cm))和 204nm(ε=7000L/(mol·cm))。
在紫外-可见光谱中,波长λ用Å或nm为单位,吸收强度 参数用透光率T%、吸收率、A、ε、lgε表示。
具有最大吸收值的波长——λmax,最大吸收强度-εmax ε>104L/(mol·cm) 强吸收 ε=103~104L/(mol·cm) 中等吸收 ε<103L/(mol·cm) 弱吸收,禁戒跃迁
四、电子跃迁
2.常用术语
(1) 生色团:
广义上,分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团。最有用的 紫外—可见光谱是由π→π*和n→π*跃迁产生的。分子中含有非键或p 键的电子体系,能吸收特征外来辐射可产生n-p* 和p-p*跃迁或吸收的 结构单元,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—CN等。
化的总和:
ΔΕ ΔΕe ΔΕv ΔΕr
可见,电子能级间隔比 振动能级和转动能级间隔大 1~2个数量级,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。因此, 电子能级跃迁产生的吸收光 谱,包含了大量谱线并由于 这些谱线的重叠而成为连续 的吸收带。这也是分子的紫 外、可见光谱不是线状光谱 而是带状光谱的原因。
②Y=不饱和双键:不饱和醛酮 羰基与C=C双键产生p- p共轭作用, 使p → p* 和n → p* 跃迁能量下降,所以 吸收波长红移。 K带红移:162250nm(220-260nm) R带红移:290310nm(310-330nm)
重心的转动,因此除了电子能级(Electron enerቤተ መጻሕፍቲ ባይዱy level)外,
分子吸收能量将伴随着分子的振动和转动,即同时将发生
振动(Vibration)能级和转动(Rotation)能级的跃迁!据量子
力学理论,分子的振-转跃迁也是量子化的或者说将产生
非连续谱。因此,分子的能量变化E为各种形式能量变
参考书目
❖ 《聚合物近代仪器分析》,汪昆华,罗传秋,周啸编著,清华大学出版社 ❖ 《聚合物结构分析》,朱诚身主编,科学出版社 ❖ 《高聚物结构、性能与测试》,焦剑,雷渭媛主编,化学工业出版社 ❖ 《有机化合物结构鉴定与有机波谱学(第二版)》,宁永成,化学工业出版
社 ❖ 《有机化合物的结构分析——波谱方法的组合应用》,[瑞士]J·T·克拉克
以上四种跃迁中,对紫外光谱而言最重要的是π→π* 和 n →π* 跃迁。
除了上述4种电子跃迁方式外,在紫外可见光区还有两种 较特殊的跃迁方式:
(5)d一d跃迁:
有机物和高分子的过渡金属络合物都会发生这种跃迁, 这类光谱一般位于可见光区。由于选择规则的限制,配位场 跃迁吸收谱带的 摩尔吸收系数小,ε<102 。
三、 光谱吸收曲线:
1.光吸收的基本定律——朗伯-比耳定律 :
lg I0/I=abc I0 -入射光强度 ; I –透射光强度; a - 吸光系数; b - 吸收池厚
度(cm); c - 被测物质浓度,(g/L) I/I0-透射比T ,T%-百分透光率; I/I0的负对数用A表示-吸光度:
A=abc 如果c为物质的量(mol/L),则A=εbc
(2) 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。通常 是带有非键电子对的基团。
3.吸收带的类型: (1)R吸收带( n→π* 跃迁):含C=O、 -N=O、 -NO2和-
N=N-基的有机物可产生此类谱带。它是n→π*跃迁形成的吸 收带,由于n→π*跃迁能量最小,波长较长,一般λmax在 270nm以上,但跃迁几率小,吸收强度较弱( ε<102L/(mol·cm)),易被强吸收谱带掩盖,属于禁戒跃迁, 并易受溶剂的影响发生偏移。测定时需用浓溶液。
❖ 常见助色团助色顺序为:
-F<-CH3<-Br<-OH<-OCH3<-NH2<-NHCH3<-NH(CH3)2<-NHC6H5<-O-
(3)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ε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
E·普雷特施等著,贾韵仪,董庭威译,科学出版社 ❖ 《分析化学手册(第二版)第八分册 热分析》,刘振海,畠山立子,化学工业
出版社 ❖ 《X射线结构分析与材料性能表征》,滕凤恩,王煜明,姜小龙,化学工业出版
社 ❖ 《聚合物显微学》.张权主编.化学工业出版社 ❖ 《材料评价的分析电子显微方法》,[日]进藤大辅,[日]及川哲夫著,刘安生译.
苯上有助色团取代时,B带简化,红移;E2带红移。
五、有机化合物的紫外、可见光谱
(1) 饱和烃及其取代衍生物: σ→σ*, n→σ * 跃迁
(2) 不饱和烃及其共轭烯烃:σ→σ* ,π→π*跃迁
乙烯π→π*跃迁的λmax为162nm,εmax为: 1×104 L·mol-1·cm-1
C=C 发色基团, 但 p → p*200nm。
max 1480 150 200 365 600
(3) π→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≥104,属于强吸收。可以发生在任何具有不 饱和键的有机化合物分子中(如不饱和烃、共轭烯烃和芳香 烃类)。
(4) n→π*跃迁
这类跃迁发生在近紫外光区和可见光区。其特点是摩 尔吸光系数εmax小,谱带强度弱,属于禁阻跃迁。发生在含 有杂原子的不饱和化合物中。该吸收带又称R带。
❖ 由于紫外光能量较高,在引起价电子跃迁的同时,也会 引起只需要低能量的分子振动和转动能级跃迁,因此紫外光 谱不是线状光谱,而是较宽的谱带。
❖ 当分子或原子吸收光子后,外层电子由基态跃迁到激发 态,不同结构的分子,其电子的跃迁方式是不同的,而且吸 收光的波长范围不同,吸光的几率也不同,从而可根据波长 范围、吸光度鉴别不同物质结构方面的差异。
ε- 摩尔吸光系数 ❖ 在实际测量中,采用在另一等同的吸收池中放入溶剂作参比,
与被分析溶液的透射强度进行比较,即:
A = lg( I溶剂/ I溶液) ≈ lg ( I0 / I ) ❖ 吸光度具有加和性:A总λ = A1λ + A2λ + …Anλ
2. 光谱曲线的表示方法:将不同 波长的紫外光依次通过被分析 物质,分别测得不同波长下的 吸光度或透光率,然后绘制吸 收强度参数-波长曲线,就可 以得到该物质在测量波长范围 内的吸收曲线。这种曲线体现 了物质对不同波长的光的吸收 能力,也称为吸收光谱。
紫外光谱的基本原理
一、分子光谱概述:
1.1分子光谱的形成
1. 过程:运动的分子外层电子--------吸收外来辐射------产生 电子能级跃迁-----分子吸收光谱。
M h I0 M * It h
2. 能级组成:物质分子内部除了电子相对于原子核的运动外,
还有原子核在其平衡位置附近的相对振动和分子本身绕其
二、紫外光谱的产生:
当紫外光照射分子时,分子吸收光子能量后受激发而从一个能 级跃迁到另一个能级: Δ E=hν=hc/λ
❖ 式中ΔE——吸收的能量;ν-相当ΔE能量的光子频率;h-普 朗克常数6.626
❖ 如果紫外光的波长为300nm ,代入上式,可求出紫外光的 能量E≈4eV。这个能量可以引起电子能级的跃迁(0~20eV) 。由于内层电子能级很低,一般不易激发,所以电子能级的 跃迁主要指价电子的跃迁。因此,紫外光谱是由于分子吸收 光能后,价电子由基态能级激发到能量更高的激发态而产生 的,所以紫外光谱也称电子光谱。
(2) 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。
化合物 H2O
CH3OH CH3CL
CH3I CH3NH2
max(nm) 167 184 173 258 215
有机化合物的电子光谱是三种电子跃迁 的结果:σ电子、π电子、n电子。
HC O n
s
Hp
分子轨道理论:成键轨道—反键轨道 当外层电子吸收电磁辐射后,就从基 态向激发态(反键轨道)跃迁。主要有 四种跃迁类型. 所需能量ΔΕ大小顺序为: n→π* < π→π* < n→σ* < σ→σ*
1.跃迁类型 (1) σ→σ*跃迁
(2)K吸收带( π→π*):共轭烯烃、取代芳香化合物可产生 这类谱带。它是π→π*跃迁形成的吸收带,特点是波长比R 吸收带短( λmax >200nm),跃迁几率大,吸收强度大( εmax>104L/(mol·cm))。K带是共轭分子的特征吸收带,也是 紫外光谱中应用最多的吸收带。
(3)B吸收带(苯环振动加π→π*跃迁):芳环、芳杂环的主 要特征谱带。特点:在230~270nm的谱带较宽且含多重峰或 精细结构,最强峰约在255nm处, ε约为200L/(mol·cm),属 于弱吸收带,常用于识别芳香族化合物。精细结构是由于振 动能级的影响,当使用极性溶剂时,精细结构消失。
1.2 分子光谱的类型
(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。形成的光谱称为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,称为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,称为紫外—可见光谱或分子的 电子光谱。
化学工业出版社 ❖ 《聚合物材料的动态力学分析》.T.穆腊亚马著 谌福特译.化学工业出版社
紫外光谱
❖ 紫外光谱的基本原理 ❖ 影响紫外光谱的因素 ❖ 紫外、可见分光光度计 ❖ 紫外光谱在高分子结构研究中的应用
紫外光谱法(ultraviolet spectrophotometry) 是利用物质在紫外光区的分子吸收光谱,对物质进 行定性分析、定量分析及结构分析的方法。通常所 说的紫外光谱的波长范围是200~400nm,常用的紫 外光谱仪的测试范围可扩展到可见光区域,包括 400~800nm的波长区域。所以一般紫外分光光度计 的波长范围有:200~800nm或200~1000nm两种。
max=162nm
H
H
c
c
K带——共轭非封闭体系的π→π*跃迁
H
H
❖ 助色基团取代 ,π→π* (K带)发生红移
取代基 -SR 红移距离 45(nm)
-NR2 40(nm)
-OR 30(nm)
-Cl 5(nm)
CH3 5(nm)
(3)羰基化合物:>C=O 发色基团 。
R
CO Y
① Y=H,R : n → s* 180-190nm p → p* 150-160nm p n → p* 275-295nm 162nm p
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