(Ultraviolet Absorption Spectroscopy) 第三章 紫外吸收光谱法 (Ultraviolet Absorption Spectroscopy)

太阳极紫外辐射

概 述 紫 外 — 可 见 吸 收 光 谱 紫外吸收光谱与分子结构的关系 紫 外 分 光 光 度 计 紫 外 吸 收 光 谱 的 应 用

　　通过研究物质分子对紫外光的吸收情况进行定性、定量和结构的方法分析。 第一节 概述 　　研究物质在紫外、可见光区的分子吸收光谱的分析方法称为紫外-可见分光光度法。紫外—可见分光光度法是利用某些物质的分子吸收200  800 nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于无机和有机物质的定性和定量测定。

表3.1 物质颜色和吸收光的关系 物质颜色 吸收光 颜色 波长/nm 黄绿 紫 400~450 黄 蓝 450~480 橙 绿蓝 480~490 红 蓝绿 490~500 红紫 绿 500~560 560~580 580~610 610~650 650~780

第二节 紫外—可见吸收光谱 　　在紫外和可见光区范围内，有机化合物的吸收带主要由б- б*、π-π*、n-б* 、n-π*及电荷迁移跃迁产生。无机化合物的吸收 带主要由电荷迁移和配位场跃迁产生。各种跃迁情况如图所示：

图3.1 电子跃迁图 其中б-б* 跃迁所需能量最大，n-π*及配位场跃迁所需能量最小，因此，它们的吸收带分别落在远紫外和可见光区。从图中纵坐标可知π-π*及电荷迁移跃迁产生的谱带强度最大，n-π*、n-б*跃迁产生的谱带强度次之，配位跃迁的谱带强度最小。

一、有机化合物的紫外—可见吸收光谱 (一)电子跃迁类型 l、б-б* 跃迁 它需要的能量较高，一般发生在真空紫外光区。饱和烃中的—C—C—键属于这类跃迁，例如乙烷的最大吸收波长λmax为 135nm。 反键*轨道 N非键轨道 成键轨道 E 反键*轨道 * * n 成键轨道   n→  * n→  *  → *  →  * 图3.2 分子的电子能级和跃迁

2、n-б. 跃迁 实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区，如 CH3OH或CH3NH2的n-б 2、n-б*跃迁 实现这类跃迁所需要的能量较高，其吸收光谱落于远紫外光区和近紫外光区，如 CH3OH或CH3NH2的n-б*分别为 183nm和 213nm。 3、π-π*跃迁 它需要的能量低于б-б*的跃迁，吸收峰一般处于近紫外光区，在200nm左右。其特征是摩尔吸光系数大，一般εmax>104 为强吸收带。如乙烯(蒸气)的最大吸收波长λmax 为 162nm。 4、n-π*跃迁 这类跃迁发生在近紫外光区和可见光区，它是简单的生色团如羰基、硝基等中的孤对电子向反键轨道的跃迁，其特点是谱带强度弱，摩尔吸光系数小，通常小于100，属于禁阻跃迁。

5、电荷迁移跃迁 所谓电荷迁移跃迁是指用电磁辐射照射化合物时，电子从给予体向与接受体相联系的轨道上跃迁，因此，电荷迁移跃迁实质是一个内氧化——还原过程，而相应的吸收光谱称为电荷迁移吸收光谱 。

1、生色团 从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团 。 (二)常用术语 1、生色团 从广义来说，所谓生色团，是指分子中可以吸收光子而产生电子跃迁的原子基团 。 表3.2 一些常见生色团的吸收特性 生色团 实例 溶剂 max/nm max 跃迁类型 烯 C6H13CH=CH2 正庚烷 177 13000  → * 炔 C5H11C≡CCH3 178 10000 羰基 CH3COCH3 异辛烷 279 13 n → * CH3COH 290 17 羧基 CH3COOH 乙醇 204 41 酰胺 CH3CONH2 水 214 60 偶氮基 CH3N=NCH3 339 5 硝基 CH3NO2 280 22 亚硝基 C4H9NO 乙醚 300 100 硝酸酯 C2H5ONO2 二氧六环 270 12

2、助色团 助色团是指带有非键电子对的基团，如—OH、—OR、—NHR、—SH、—Cl、—Br、—I等，它们本身不能吸收大于200nm的光，但是当它们与生色团相连时，会使生色团的吸收峰向长波方向移动，并且增加其吸收强度。 3、红移和紫移 在有机化合物中，常常因取代基的变更或溶剂的改变，使其吸收带的最大吸收波长入max发生移动。向长波方向移动称为红移，向短波方向移动称为紫移。

　　某些有机化合物经取代反应引入含有未共享电子对的基团( -OH、 -OR、 -NH2、-SH 、-Cl、-Br、-SR、- NR2 )之后，吸收峰的波长将向长波方向移动，这种效应称为红移效应。这种会使某化合物的最大吸收波长向长波方向移动的基团称为向红基团。　　 　　在某些生色团如羰基的碳原子一端引入一些取代基之后，吸收峰的波长会向短波方向移动，这种效应称为蓝移(紫移)效应。这些会使某化合物的最大吸收波长向短波方向移动的基团(如-CH2、-CH2CH3、 -OCOCH3)称为向蓝(紫)基团。

表3.3 助色团在饱和化合物中的吸收峰 助色团 化合物 溶剂 max/m  max/(L.mol-1.cm-1) -- CH4,C2H6 气态 150,165 ___ ---OH CH3OH 正己烷 177 200 C2H5OH 186 ---OR C2H5OC2H5 190 1000 ---NH2 CH3NH2 173 213 ---NHR C2H5NHC2H5 195 2800 ---SH CH3SH 乙醇 1400 ---SR CH3SCH3 210,229 1020,140 ---Cl CH3Cl ---Br CH3CH2CH2Br 208 300 ---I CH3I 259 400

(三)、吸收带 1．R吸收带 R带是由化合物的n-π*跃迁产生的吸收带,它具有杂原子和双键的共轭基团.例如: ＞C=O，--NO，--NO2, --N=N--，--C=S等。其特点是：n-π*跃迁的能量最小,，处于长波方向，一般λmax在270nm以上；但跃迁几率小，吸收强度弱，一般ε＜100L·mol-1·cm-1。例如： CH3NO2 λmax=280nm εmax=22 R带

2．K吸收带 K带是由共轭体系中π-π*跃迁产生的吸收带。其特点是：吸收峰的波长比R带短，一般λmax＞200nm,但跃迁几率大，吸收峰强度大，一般ε＞104L·mol-1·cm-1，随着共轭体系的增长，π电子云束缚更小，引起π-π*跃迁需要的能量更小，K带吸收向长波方向移动。K吸收带是共轭分子的特征吸收带，借此可判断化合物中的共轭结构。这是紫外光谱中应用最多的吸收带。例如： 丁二烯λmax =217nm εmax ：104 巴豆醛λmax=217.5nm εmax :1.5×104 在芳香环上如有生色团取代时，也会出现K带，如： 苯乙烯λmax=248nm εmax ：–1.4 × 104 苯甲醛λmax=249nm εmax ：–1.1 × 104

3. B吸收带 B带是由苯环本身振动及闭合环状共轭双键π-π 3.B吸收带 B带是由苯环本身振动及闭合环状共轭双键π-π*跃迁而产生的吸收带，是芳香族(包括杂环芳香族)的主要特征吸收带。其特点是：在230～270nm呈现一宽峰，且具有精细结构，λmax= 255nm，εmax 约200，属弱吸收,常用来识别芳香族化合物。但在极性溶剂中测定或苯环上有取代基时，精细结构消失。

4．E吸收带 E带也是芳香族化合物的特征吸收谱带，可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的π-π 4．E吸收带 E带也是芳香族化合物的特征吸收谱带，可以认为是苯环内三个乙烯基共轭发生的π-π*跃迁所发生的。E带可分为E1和E2二个吸收带。E1带的吸收峰大约在180nm(ε＞104)；E2带约在 200nm(ε<7000)，都属强吸收。El带是观察不到的，当苯环上有生色团取代且与苯环共轭时，E2带常与K带合并，吸收峰向长波移动，例如苯乙酮为 K带：λmax= 240nm，ε=13000 B带：λmax= 278nm，ε=1100 R带：λmax= 319nm，ε=50

图3.4 苯蒸气的吸收曲线 250 300 350 4 3 2 K B R /nm lg 图3.3 苯乙酮的紫外吸收光谱 溶剂 正庚烷

一般来说,随着溶剂极性增大,  → * 跃迁吸收峰红移, n→ * 跃迁吸收峰紫移。 四、溶剂对紫外吸收光谱的影响 1.溶剂的极性对最大吸收波长的影响 表3.4 溶剂对亚异丙酮吸收带的影响 吸收带 正己烷 CH3Cl CH3OH H2O 波长位移 → * λmax /nm 230 238 237 243 红移 n→ * 329 315 309 305 紫移 一般来说,随着溶剂极性增大,  → * 跃迁吸收峰红移, n→ * 跃迁吸收峰紫移。

E非< E极 E非> E极 * * n  → *跃迁 n→ *跃迁 图3.5极性溶剂对两种跃迁能级差的影响 非极性溶剂中  极性溶剂中 非极性溶剂中 极性溶剂中 → *跃迁 n→ *跃迁 图3.5极性溶剂对两种跃迁能级差的影响

2.对光谱精细结构和吸收强度的影响 　　随着溶剂极性的增大,分子振动受到限制,精细结构就会逐渐消失,合并为一条宽而低的吸收带。 　　在选择测定电子吸收光谱曲线的溶剂时，应注意如下几点： (1)尽量选用低极性溶剂； (2)能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性； (3)溶剂在样品的吸收光谱区无明显吸收。下表列出紫外、可见吸收光谱中常用的溶剂，以供选择时参考。

表3.5 常用紫外—可见测定的溶剂 溶剂 使用波长范围/nm 水 >210 甘油 > 230 乙醇 > 210 氯仿 > 245 甲醇 四氯化碳 > 265 异丙醇 乙酸甲酯 > 260 正丁醇 乙酸乙酯 96%硫酸 乙酸正丁酯 乙醚 > 220 苯 > 280 二氧六环 甲苯 > 285 二氯甲烷 > 235 吡啶 > 303 己烷 > 200 丙酮 > 330 环己烷 二硫化碳 > 375

无机配合物有电荷迁移跃迁产生的电荷迁移吸收光谱。 二、无机化合物的紫外-可见吸收光谱 　　产生无机化合物紫外、可见吸收光谱的电子跃迁形式，一般分为两大类：电荷迁移跃迁和配位场跃迁。 (一)电荷迁移跃迁 　　无机配合物有电荷迁移跃迁产生的电荷迁移吸收光谱。 　　在配合物的中心离子和配位体中，当一个电子由配体的轨道跃迁到与中心离子相关的轨道上时，可产生电荷迁移吸收光谱。

　　不少过渡金属离子与含生色团的试剂反应所生成的配合物以及许多水合无机离子，均可产生电荷迁移跃迁。 　　此外，一些具有d10电子结构的过渡元素形成的卤化物及硫化物，如AgBr、HgS等，也是由于这类跃迁而产生颜色。 　　电荷迁移吸收光谱出现的波长位置，取决于电子给予体和电子接受体相应电子轨道的能量差。 　　例如:SCN-电子亲和力比Cl-小,Fe3+- SCN-络合物的最大吸收波长大于Fe3+- Cl-络合物,前者在可见光区,后者在紫外区。

(二)配位场跃迁 　　配位场跃迁包括d - d 跃迁和f - f 跃迁。元素周期表中第四、五周期的过渡金属元素分别含有3d和4d轨道，镧系和锕系元素分别含有4f和5f轨道。在配体的存在下，过渡元素五 个能量相等的d轨道和镧系元素七个能量相等的f轨道分别分裂成几组能量不等的d轨道和f轨道。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 跃迁和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。

I－＜Br－＜Cl－＜OH－＜Ｃ2Ｏ42－＝Ｈ2Ｏ＜SCN－ ＜吡啶＝NH3 ＜乙二胺＜联吡啶＜邻二氮菲＜NO2－ ＜CN－ 　　配位体的配位场越强,d轨道分裂能就越大,吸收峰波长就越短.例如,H2O的配位场强度小于NH3的配位场强度,所以Cu2+的水合离子呈浅蓝色,吸收峰794nm处,而它的氨合离子呈深蓝色,吸收峰在663nm处。 一些常见配位体配位场强弱顺序为： I－＜Br－＜Cl－＜OH－＜Ｃ2Ｏ42－＝Ｈ2Ｏ＜SCN－ ＜吡啶＝NH3 ＜乙二胺＜联吡啶＜邻二氮菲＜NO2－ ＜CN－ (三)金属离子影响下的配位体 → * 跃迁 　　吸收光度法所使用的显色剂绝大多数都含有生色团及助色团,其本身为有色化合物.当与金属离子配位时,作为配位体的显色剂,其共轭结构发生了变化,导致其吸收光谱蓝移或红移。

三、光谱吸收曲线 (一) 朗伯一比耳定律 　　朗伯一比耳定律是光吸收的基本定律．它指出：当一束单色光穿过透明介质时，光强度的降低同入射光的强度、吸收介质的厚度及光路中吸光微粒的数目成正比，用数学式表达为： I/I0=10-abc 或 lgI0/I=abc A=abc如果浓度c的单位是百分浓度(g/100mL)，b的单位用cm，则上式中的吸光系数用符号E1%1cm表示，称为比吸光系数。 E1%1cm=10ε/M

将不同波长的单色光依次通过被分析的物质，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，即为物质的吸收光谱曲线 。 (二)光谱曲线的表示方法 　　将不同波长的单色光依次通过被分析的物质，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，即为物质的吸收光谱曲线 。 图3.6 物质的吸收光谱曲线

第三节 紫外吸收光谱与分子结构的关系 一、各类有机化合物的紫外吸收光谱 (一)饱和烃及其取代衍生物 1．饱和烃及其取代衍生物 第三节 紫外吸收光谱与分子结构的关系 一、各类有机化合物的紫外吸收光谱 (一)饱和烃及其取代衍生物 1．饱和烃及其取代衍生物 　　饱和烃类分子中只含有键，因此只能产生*跃迁，即电子从成键轨道 跃迁到反键轨道 *。饱和烃的最大吸收峰一般小于150nm，已超出紫外、可见分光光度计的测量范围。

饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n. 的跃迁。 n. 的能量低于 　　饱和烃的取代衍生物如卤代烃，其卤素原子上存在n电子，可产生n* 的跃迁。 n* 的能量低于*。例如，CH3Cl、CH3Br和CH3I的n* 跃迁分别出现在173、204和258nm处。这些数据说明氯、溴和碘原子引入甲烷后，其相应的吸收波长发生了红移，显示了助色团的助色作用。 　　直接用烷烃和卤代烃的紫外吸收光谱分析这些化合物的实用价值不大。但是它们是测定紫外和可见吸收光谱的良好溶剂。

(二)不饱和烃及共轭烯烃 　　在不饱和烃类分子中，除含有键外，还含有键，它们可以产生*和*两种跃迁。 *跃迁的能量小于 *跃迁。例如，在乙烯分子中， *跃迁最大吸收波长为180nm。 　　在不饱和烃类分子中，当有两个以上的双键共轭时，随着共轭系统的延长， *跃迁的吸收带 将明显向长波方向移动，吸收强度也随之增强。在共轭体系中， *跃迁产生的吸收带又称为K带。

(三)羰基化合物 　　羰基化合物含有 C=O基团。 C=O基团主要可产生*、 n* 、n*三个吸收带。 n*吸收带又称R带，落于近紫外或紫外光区。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n*吸收带的光区稍有不同。 　　羧酸及羧酸的衍生物虽然也有n*吸收带，但是， 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电子产生n共轭，导致*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，因此实现n* 跃迁所需的能量变大，使n*吸收带蓝移至210nm左右。

(四)芳香族化合物 　　苯有三个吸收带，它们都是由*跃迁引起的。E1带出现在180nm(max = 60，000)； E2带出现在204nm( max = 8，000 )；B带出现在255nm (max = 200)。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子的跃迁上的叠加而引起的。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，其中影响较大的是E2带和B谱带。

表3.6 苯及其衍生物的吸收光谱 化合物 E吸收带 B吸收带 R吸收带 max max 苯 204 7900 254 甲 苯 206 nm L.mol-1.cm-1 苯 204 7900 254 甲 苯 206 7000 261 225 苯 酚 210 6200 270 1450 苯甲酸 230 11600 273 970 苯 胺 8600 287 1430 苯乙烯 248 14000 282 750 苯甲醛 249 11400 320 50 硝基苯 268 11000 330 200

(五)稠环芳烃及杂环化合物 稠环芳烃，如萘、蒽、芘等，均显示苯的三个吸收带，但是与苯本身相比较，这三个吸收带均发生红移，且强度增加。随着苯环数目的增多，吸收波长红移越多，吸收强度也相应增加。 当芳环上的-CH基团被氮原子取代后，则相应的氮杂环化合物(如吡啶、喹啉)的吸收光谱，与相应的碳化合物极为相似，即吡啶与苯相似，喹啉与萘相似。此外，由于引入含有n电子的N原子，这类杂环化合物还可能产生n*吸收带。

第四节 紫外分光光度计 一、组成部件 紫外-可见分光光度计的基本结构是由五个部分组成：即光源、单色器、吸收池、检测器和信号指示系统。 0 100 图3.7 紫外分光光度计

(一)光源 对光源的基本要求是应在仪器操作所需的光谱区域内能够发射连续辐射、有足够的辐射强度和良好的稳定性，而且辐射能量随波长的变化应尽可能小。 分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。 热辐射光源用于可见光区，如钨丝灯和卤钨灯；气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。钨灯和碘钨灯可使用的范围在340 ~ 2500nm。这类光源的辐射能量与施加的外加电压有关，在可见光区，辐射的能量与工作电压 4 次方成正比。

　　光电流与灯丝电压的n次方(n1)成正比。因此必须严格控制灯丝电压，仪器必须配有稳压装置。 在近紫外区测定时常用氢灯和氘灯。它们可在160 ~ 375 nm范围内产生连续光源。氘灯的灯管内充有氢的同位素氘，它是紫外光区应用最广泛的一种光源，其光谱分布与氢灯类似，但光强度比相同功率的氢灯要大3~5倍。

(二)单色器 　　单色器是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的波长且波长在紫外可见区域内任意可调。 　　单色器一般由入射狭缝、准光器(透镜或凹面反射镜使入射光成平行光)、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。单色器的性能直接影响入射光的单色性，从而也影响到测定的灵敏度、选择性及校准曲线的线性关系等。能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。

　　棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理 是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而 将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所 以玻璃棱镜只能用于350 ~ 3200 nm的波长范围，即 只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围 较宽，可从185 ~ 4000nm，即可用于紫外、可见和 近红外三个光域。

　　光栅是利用光的衍射与干涉作用制成的，它可用于紫外、可见及红外光域，而且在整个波长区具有良好的、几乎均匀一致的分辨能力。它具有色散波长范围宽、分辨本领高、成本低、便于保存和易于制备等优点。缺点是各级光谱会重叠而产生干扰。 　　入射、出射狭缝，透镜及准光镜等光学元件中狭缝在决定单色器性能上起重要作用。狭缝的大小直接影响单色光纯度，但过小的狭缝又会减弱光强。

(三)吸收池 吸收池用于盛放分析试样，一般有石英和玻璃材料两种。石英池适用于可见光区及紫外光区，玻璃吸收池只能用于可见光区。为减少光的损失，吸收池的光学面必须完全垂直于光束方向。在高精度的分析测定中(紫外区尤其重要)，吸收池要挑选配对。因为吸收池材料的本身吸光特征以及吸收池的光程长度的精度等对分析结果都有影响。

(四)检测器 检测器的功能是检测信号、测量单色光透过溶液后光强度变化的一种装置。 常用的检测器有光电池、光电管和光电倍增管等。 硒光电池对光的敏感范围为300~800nm，其中又以500 ~ 600nm最为灵敏。这种光电池的特点是能产生可直接推动微安表或检流计的光电流，但由于容易出现疲劳效应而只能用于低档的分光光度计中。 光电管在紫外-可见分光光度计上应用较为广泛。

　　光电倍增管是检测微弱光最常用的光电元件，它的灵敏度比一般的光电管要高200倍，因此可使用较窄的单色器狭缝，从而对光谱的精细结构有较好的分辨能力。 (五)信号指示系统 它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。

二、紫外-可见分光光度计的类型 紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。 　　紫外-可见分光光度计的类型很多，但可归纳为三种类型，即单光束分光光度计、双光束分光光度计和双波长分光光度计。 1，单光束分光光度计 　　经单色器分光后的一束平行光，轮流通过参比溶液和样品溶液，以进行吸光度的测定。这种简易型分光光度计结构简单，操作方便，维修容易，适用于常规分析。 光电倍增管 试样 单色器 图3.8 单光束分光光度计原理图

2 双光束分光光度计 R  M1 M3 M0 PM 光源 M2 M4 S 图3.9双光束分光光度计原理图

经单色器分光后经反射镜分解为强度相等的两束光，一束通过参比池，一束通过样品池。 光度计能自动比较两束光的强度，此比值即为试样的透射比，经对数变换将它转换成吸光度并作为波长的函数记录下来。 双光束分光光度计一般都能自动记录吸收光谱曲线。由于两束光同时分别通过参比池和样品池，还能补偿光源和检测系统的不稳定性。

3 双波长分光光度计 单色器 λ1 接收器 吸收池 单色器 λ2 λ1 λ2 图3.10 双波长分光光度计原理图

由同一光源发出的光被分成两束，分别经过两个单色器，得到两束不同波长(1和2)的单色光，利用切光器使两束光以一定的频率交替照射同一吸收池，然后经过光电倍增管和电子控制系统，最后由显示器显示出两个波长处的吸光度差值ΔA(ΔA=A1-A2)。

优点： 可以通过波长的选择方便地校正背景吸收，消除吸收光谱重叠的干扰，多组分混合物、混浊试样(如生物组织液)的定量分析。 2 使用一个吸收池，参比溶液就是被测溶液本身，避免了溶液和吸收池之间的差异。 能获得导数光谱。 通过光学系统转换，使双波长分光光度计能很方便地转化为单波长工作方式。 如果能在1和2处分别记录吸光度随时间变化的曲线，还能进行化学反应动力学研究。

第五节 紫外吸收光谱的应用 一 紫外吸收光谱法在有机定性分析中的应用 第五节 紫外吸收光谱的应用 一 紫外吸收光谱法在有机定性分析中的应用 　　紫外吸收光谱最主要的应用是在有机化合物的定性、定量分析方面，例如化合物的鉴定、结构分析和纯度检查等，在药物、天然化合物中应用较多。 (一)化合物的鉴定 　　有机化合物的鉴定，一般采用光谱比较法。 即将外知纯化合物的吸收光谱特征，如吸收峰的数目、位置、相对强度以及吸收峰的形状(极大、极小和拐点)，与已知纯化合物的吸收光谱进行比较。为了便于比较，吸收光谱常以 lgA对λ作图， 此时朗伯—比尔定律可写成 lgA=lgk+lg bc

式右边只有k随波长变化。因此，即使浓度c和吸收池厚度b不同，也只使吸收曲线上下移动，并不影响形状。若未知化合物和纯已知化合物的吸收光谱非常一致，则可认为就是同一种化合物。但是，由于大多数有机化合物的紫外—可见光谱比较简单，谱带宽且缺乏精细结构，特征性不明显，而且很多生色团的吸收峰几乎不受分子中其它非吸收基团的影响，因此，仅依靠紫外光谱数据来鉴定未知化合物具有较大的局限性，必须与其他方法如红外光谱法、核磁共振波谱法等相配合，才能对未知化合物进行准确的鉴定。 (二)结构分析 　　紫外吸收光谱虽然不能对一种化合物作出准确鉴定，但对化合物中官能团和共轭体系的推测与确定却是非常有效的。一般有以下规律：

(1)在220～280nm范围内无吸收，可推断化合物不含苯环、共轭双键、醛基、酮基、溴和碘(饱和脂肪族溴化物在220～210 nm有吸收)。 (2)在210～250nm有强吸收，表示含有共轭双键，如在260nm、300nm、330nm左右有高强度吸收峰，则化合物含有3～5个共轭π键。 (3)在270～300nm区域内存在一个随溶剂极性增大而向短波方向移动的弱吸收带，表明有羟基存在。 (4)在约260nm处有具有振动精细结构的弱吸收带则说明有苯环存在。 (5)如化合物有许多吸收峰，甚至延伸到可见光区，则可能为多环芳烃。

　　紫外—可见吸收光谱也可以用来作同分异构体的判别。例如，下面两种化和物： (Ⅰ) (Ⅱ) 用化学方法只能测出它们各含有两个羰基，但二者的紫外光谱却有很大差别。化合物(Ⅰ)在270nm处有最大吸收，吸收峰位置与丙酮相同而强度差不多是丙酮的两倍。化合物(Ⅱ)由于两个碳氧双键共轭，吸收峰出现在400nm左右。

再如，乙酰乙酸乙酯存在下述酮—烯醇互变异构体： 酮式 烯醇式 酮式没有共轭双键，它在204nm处仅有弱吸收；而烯醇式由于有共轭双键，因此在245nm处有强的K吸收带(κ=18000L·mol-1cm-1)。

　　例如，在顺式肉桂酸和反式肉桂酸中，顺式空间位阻大，苯环与侧链双键共平面性差，不易产生共轭；反式空间位阻小，双键与苯环在同一平面上，容易产生共轭。因此，反式的最大吸收波长λmax =295 nm(εmax= 7000)，而顺式的最大吸收波长λmax =280 nm(εmax= 13500) 　　 采用紫外光谱法，还可以测定某些化合物的互变异构现象。例如，乙酰乙酸乙酯有酮式和烯醇式间的互变异构：

图3.11 酮式与水形成分子间氢键 烯醇式形成分子内氢键 在极性溶剂中，最大吸收波长λmax= 272nm(εmax= 16)，说明该峰由 n—π*跃迁引起，所以在极性溶剂中，该化合物应以酮式存在。相反，在非极性的正己烷中，出现λmax= 243nm的强峰，这说明在非极性溶剂中，形成了分子内氢键，故是以烯醇式为主。

二 催化动力学光度法 所谓动力学分析法是指通过测量反应速率来进行定量分析的方法。催化反应速率在一定范围内与催化剂浓度成比例关系，因而以光度法或其它方法检测催化反应速率就可以实现对催化剂浓度的测定。 在催化动力学光度法分析中，既可以催化显色反应作指示反应，又可以催化褪色反应作指示反应，对于反应： D + E ==== F + G 催化剂

A=kb (cF)t=Kc催t (1)为最常用的以显色反应为指示反应的催化光度法基本关系式. 若产物F为有色化合物，通过检测反应过程中F组分的吸光度以确定反应速率，当反应物E、D大量过量，在检测过程中浓度变化可以忽略的情况下cD cE与Ka合并为Kb ，上式可简化为t 时刻F组分的吸光度，由朗伯—比尔定律得： A=kb (cF)t=Kc催t

(2)最常用的以褪色反应为指示反应的催化光度法基本关系式。 　　若反应物D为有色化合物，通过检测反应过程中D组分的吸光度以确定反应速度，当E组分大量过量时， cE 可视为常数，与Kc合并为 Kd则以D组分在0时刻的吸光度A0和t时刻的吸光度A来表示 lg =Kc催t A AO

从以上公式可知：当t固定不变时，A(显色法)或lg(A0/A)(褪色法)与催化剂浓度成正比，因此可依据此原理制作标准曲线进行分析。  　　常用的催化动力学光度法、固定时间法和斜率法,其中固定时间法最为简单。 　　从以上公式可知：当t固定不变时，A(显色法)或lg(A0/A)(褪色法)与催化剂浓度成正比，因此可依据此原理制作标准曲线进行分析。 　　催化动力学光度法具有极高的测定灵敏度，检出限一般为10-10～10-8g·ml-1,有时可低至10-12 g·ml-1 。但影响该法测定准确度的因素较多，操作要求严格，测量精度较差。

三、定量分析 用已知的标准样品配制成一系列不同浓度的溶液， 在一定的实验条件和合适的波长下，分别测定其吸光 　　用已知的标准样品配制成一系列不同浓度的溶液， 在一定的实验条件和合适的波长下，分别测定其吸光 度，然后以吸光度相对于物质的浓度作图，得一吸光 度与浓度的校正曲线图。理想的校正曲线应为通过原 点的直线，利用该线性关系，就能求得待测组份中该 物质的含量。

 (一)解联立方程组的方法 图3.12 吸光度与浓度的校正曲线图

(二)双波长分光光度法 1、等吸收波长法 当混合组份的吸收曲线是如图所示的情况时，除用解二元一次方程组的方法测定外，还可采用等吸收波长法。 1、等吸收波长法 当混合组份的吸收曲线是如图所示的情况时，除用解二元一次方程组的方法测定外，还可采用等吸收波长法。 　　为了消除干扰组份的吸收，一般采用作图法确定干扰组份的等吸收波长。图中是混合试样中A、B两组份的吸收曲线，其中A是干扰组份，B是待测组份。在用作图法选择波长时，可将测定波长λ2选在被测组份B的吸收峰处(或其附近)，而参比波长λ1的选择，应考虑能消除干扰物质的吸收，即使 A组份在λ1的吸光度等于它在λ2的吸光度 (Aλ1=Aλ2)。

根据吸光度的加和原则，混合物在λ1和λ2处的吸光度分别为： A λ1 =AAλ1+ABλ1 A λ2 = AAλ2+ABλ2 A=Aλ2- Aλ1 B A A 1 2 图3.13 A、B吸收曲线

A=AAλ2+ABλ2- AAλ1-ABλ1= ABλ2-ABλ1 双波长分光光度计的输出信号是： A=AAλ2+ABλ2- AAλ1-ABλ1 由于双波长分光光度计使用同一光源，即λ1及λ2强度 相等，根据AAλ2 =AAλ1，所以 A=AAλ2+ABλ2- AAλ1-ABλ1= ABλ2-ABλ1 输出信号A与干扰组份无关，它正比于B组份的浓度 c，这样就消除了干扰组份的影响。

如图所示，此时，可采用系数倍率法测定。设A组份 在λ1和λ2的吸光度分别为AAλ1和AAλ2，则倍率系数 2、系数倍率法 当干扰组份A不存在吸光度相等的两个波长时，采用上述方法不能测量B组份的含量， 如图所示，此时，可采用系数倍率法测定。设A组份 在λ1和λ2的吸光度分别为AAλ1和AAλ2，则倍率系数 K= AAλ2/ AAλ1，若使用倍率系数仪将AAλ1的值扩大K 倍，则有KAAλ1= AAλ2，此时，KAAλ1-AAλ2=0，与 等吸收波长法类似，A组份的干扰被消除。这种方法 也可以用于测定含有三种组份的混合样品。

B A B A   图3.14 吸收曲线

3、双波长法测定混浊样品 在用双光束法测定混 浊样品时，由于参比溶剂不像样品那样混浊，因此测 量时不能消除样品混浊产生的背景吸收。在双波长法 测定中，若将λ2设在样品的吸收峰上，λ1设在样品无 特征吸收的波长上，此时λ1和λ2处的背景吸收应相 等。显然，λ2 上测得的是样品本身的吸收与背景吸收 的总和，λ1测得的是背景吸收，因此，用双波长法可 以消除样品混浊产生的背景吸收。由于消除背景后的 样品吸收与其浓度成正比，因此可对样品进行定量分 析。

(三)导数分光光度法 1)能够分辨两个或两个以上完全重叠或以很小波长差相重叠的吸收峰。当两个峰的峰高与半宽度的比值不相同时，则可认为它们的尖锐程度不同。图中两个尖锐程度不同的吸收峰1和峰2在同一波长处相互重叠，叠加成吸收峰3，从吸收峰3的外形，很难辨别出它是由两个吸收峰叠加而成的，如果将其透光率曲线4进行一次求导，就得到如曲线5所示的导数光谱线。在曲线的正负两个方向上，各出现两个导数光谱峰，从而很容易地辨认出来。

图3.15 导数光谱(从透光率求得)

(2)能够分辨吸光度随波长急剧上升时所掩盖的弱 的吸收峰。通常，当一个弱峰处于强峰的吸光度急剧 上升处时，检出很困难。而导数光谱能提高分辨能 力，一般经过数次求导后，有可能分辨出叠加在强峰 肩部的弱峰。 (3)能够确认宽阔吸收带的最大吸收波长。

考研真题 1.紫外可见光谱法的基本定量关系式 。 2.紫外可见光度计的光源 和 。 (北师大2001年) 4.已知某化合物在己烷中的λmax为327nm，在水中的λmax为305nm，从溶剂效应分析，该吸收带是由 跃迁引起的。 5.用普通分光光度法测得标准溶液C1 的透光率为20%，某试液的透光率为14%。若以视差分光光度法测定，

以C1为参比，则溶液的透光率应该为 。 6.用联系变化法测定络合物的组成时，测得金属离子占总浓度的分数为0.33，则络合物的组成(M：R)为 。 (南开大学2002年) 7.具有共轭体系的化合物，其紫外吸收光谱随共轭双键数目的增多，最大吸收波长_____移，且摩尔吸光系数_________。 8.已知有色络合物在一定波长下用2cm吸收池测定时其透光率T=0.60。若在相同条件下改用1cm吸收池测定，吸光度A为_______，用3cm吸收池测定，T为_____________。

9.今有两种有色络合物X和Y，已知其透过率关系为lgTy–lgTx=1，则其吸光度关系Ay–Ax=____________。 10.某分光光度计的仪器测量误差T=0.02，当测的透光率T=70%，则引起的浓度的相对误差为_________。(南开大学2003年) 11．紫外光谱分析在近紫外区使用______吸收池，而不能使用______作吸收池，这是因为__________。(首都师范大学2000年) 12.化合物CH2=CHOCH3，除有σ→σ*、n→σ*、σ→π*跃迁外，还有_____类型的跃迁。(首都师范大学2000年)

13.朗伯-比尔定律的积分表达式为lgI0/I =εbc ，在利 指透过 。(郑州大学2002年) 14.物质与电磁辐射相互作用后,产生紫外可见吸收光 谱,这是由于( ) A.分子的振动 B.分子的转动 C.原子核外层电子跃迁 D.原子核内层电子跃迁

15.在异丙叉丙酮CH3COCH=C(CH3)2中，n→π*跃迁谱带在下述哪种溶剂中测定时，其最大吸收的波长最长( ) A.水 B.甲醇 C.正己烷 D.氯 16.在醇类化合物中，O—H 伸缩振动频率随溶液浓度的增加向低波数方向移动的原因是( ) A 溶液极性变大 B 形成分子间氢键随之加强 C 诱导效应随之变大 D 易产生振动耦合

17.在一些含有 >C=O、—N=N等基团的分子中,由 n—π*跃迁产生的吸收带称为( ) A. K吸收带 B. E吸收带 C. B吸收带 D. R吸收带 (南开大学2001年) 18.相同的A、B两种物质经相同的方式显色测量后， 所得吸光度相等。已知其摩尔吸光系数εA﹥εB，则 摩尔质量的关系是( ) A. M(A)﹥M(B) B. M(A)﹤M(B) C. M(A)=M(B) D. M(A)=0.5M(B)

19. 用紫外-可见分光光度法测定某化合物的含量，当其浓度为Cmol/L 时，透光率为T，当其浓度由C变为0 19.用紫外-可见分光光度法测定某化合物的含量，当其浓度为Cmol/L 时，透光率为T，当其浓度由C变为0.5Cmol/L时，在同样测定条件下，其透光率应为( ) A. T3/2 B. T2 C. T1/2 D. T1/3 (南开大学2002年) 20.下列说法正确的是：( ) A. 透射率与浓度成直线关系； B. 摩尔吸收系数随波长而改变;

C. 比色法测定Fe(SCN)2+时，选用红色滤光片； D．吸光度与浓度成直线; E. 玻璃棱镜适用于紫外光区. 21.光度分析中，在某浓度下以1.0cm吸收池测得透光率为T，若浓度增大一 倍，透光率为：( ) A. T2 B. T/2 C. 2T D. T1/2 22.在紫外、可见光区有吸收的化合物是：( ) (首都师范大学2002年)

23.下列化合物中含有n-π*、π-π*、σ-σ*跃迁的化合物是( ) A.一氯甲烷 B.丙酮 C.丁二烯 D.二甲苯 24.下述条件适合于摩尔比法测定络合物组成的是( ) A.固定金属离子浓度 B.显色剂浓度不变 C.以[M]/(CR+CM)确定络合物组成 D.以[R]/(CR+CM)确定络合物组成 25.紫外—可见分光光度法的应用包括( )(多选) A. 结构的推测 B. 络合物研究 C. 酸、碱离解常数的测定 D. 元素的定性分析

26.在醇类化合物中，O-H伸缩振动随溶液浓度的增加向低波数移动的原因是( ) A.诱导效应 B.溶液极性增大 C.形成分子间氢键 D.振动偶合 27.在下列化合物中质子化学位移(δ)最大值是( ) A.CH3Br B.CH4 C.CH3I D.CH3F (南开大学2003年) 28.有两种化合物(1)CH2=CHOCH3 (2) CH2=CHCH2CH2OCH3 下面五种说法中正确的是：( ) A.两者都有π–π*； B. 两者都有n–π*； C.两者的π–π*吸光波长相同；

D.化合物(1)的π–π*吸光波长比(2)的长； E.化合物(1)的π–π*吸光波长比(2)的短。 29.丙酮在乙烷中的紫外吸λmax=279nm,εmax=14.8，该吸收峰是那种跃迁引起的？( )(多选) A. n→π* B. π→π* C. n→σ* D. σ→σ E.π→σ* (首都师范大学2001年) 30.硫腙-四氯化碳萃取剂吸收黄色光，因此该萃取剂呈现的颜色为( ) A . 蓝 B. 绿 C. 紫 D. 黄

31.在某波长处，用2.0cm的比色皿，测得Al3+-CAS的透光度为60%，若改用1.0cm的比色皿，则原试液的透光度应为( ) A. 0.11 B. 0.22 C. 0.66 D. 0.77 32.下列化合物中，哪一个最大吸收波长最大：( ) (A) (B) (C) (D) 33. 对于π→π*和n→π*跃迁类型由非极性溶剂至极性溶剂会发生什么变化？为什么？ (北师大2002年) 34.某化合物的紫外光谱有B吸收，还有λ=240nm,ε=1.34×104及λ=319nm,ε=50两个吸收带，此化合物中含有什么基团？有何种跃迁？ (首都师范大学2001年)

35.如图所示，β-CD(环糊精)具有类似于桶状的外亲水、内疏水的分子穴(cavity)结构。其分子穴内部的极性大致与醇相似，如果某化合物分子由水相进入β-CD内部(这一过程称为包配作用)，预测这一化合物的UV–Vis吸收光谱最大波长将可能发生什么变化？ (郑州大学2002年)