紫外－可见光谱操作使用介绍

1. 紫外－可见光谱操作使用介绍

2. 基本知识 • 电磁辐射与紫外光谱 光是一种电磁辐射，从波长极短的宇宙射线至波长很长的无线电构成一个连续光谱。 部分电磁辐射范围 远紫外 100~200 nm 近紫外 200~400 nm 可见光 400~800 nm 近红外 800~2500 nm 远红外 2500~3500 nm 紫外光谱由分子外层电子在不同能级间 跃迁产生。

3. 朗伯—比尔定律(Lambert-beer) A=吸光度 I0=入射光强度 I=入射光通过样品后的透射强度 ε＝摩尔吸光度（cm-1.m-1） C=摩尔浓度(mol) l=光程(cm)

4. 当产生紫外吸收的物质为未知物时，其吸收强度可 用表示: A=吸光度 c为100ml溶剂中溶质的克数 l=光程(cm)

5. 选取溶剂需注意下列几点： 1) 当光的波长减小到一定数值时，溶剂会对它产生强烈的吸收(即溶剂不透明)，这即是所谓“端吸收”，样品的吸收带应处于溶剂的透明范围。透明范围的 最短波长称透明界限。 2) 样品在溶剂中能达到必要的浓度(此浓度值决定于样品摩尔吸收系数的大小)。 3) 要考虑溶质和溶剂分子之间的作用力。一般溶剂分子的极性强则与溶质分子的作用强。因此应尽量采用低极性溶剂。 4) 为与文献对比，宜采用文献中所使用的溶剂。 5) 其它如溶剂的挥发性、稳定性、精制的再现性等。

7. 基本原理 • 电子跃迁产生紫外－可见吸收光谱 分子的总能量是其键能(电子能)、振动能和转动能的总和，当分子从辐射的电磁波吸收能量之后，分子会从低能级跃迁到较高的能级。吸收频率决定于分子的能级差，其计算式为： ∆E = hυ 或 ∆E = hC /λ 式中 ∆E为分于跃迁前后能级差； υ、λ分别为所吸收的电磁波的频率及波长 C为光速； h为普朗克常数。

8. 分子的电子状态能约为 8.38 ×104~8.38 ×105 (J/mol) (4.19×105相当于286nm处发生紫外吸收) 分子振动能约为4.19×103~2.09×104 (J/mol)，分子转动能约为419~41.9 (J/mol)。 虽然每项能量不同,且有一定的变化范围,但其变化均是量子化的 。由上可见,分子从电子基态跃迁到电子激发态的 ∆E远大于振动能级,转动能级的∆E。因此,电子跃迁所吸收的电磁波是吸收光谱中频率最高的,即紫外可见光.

9. 紫外吸收谱带的形状 紫外吸收谱带之所以是较宽,纯的形状,这可通过下图加以说明。

10. 以双原子分子为例 位能曲线上的横线表示振动能级(转动能级未表示)。分子吸收电磁波能量后,电子从基态 s0跃迁到激发态,其同时伴随有振动能级的跃迁,跃迁时核间距离保持不变(Franck-Condon原理)。它们和原能级(s0，v0 )之间的能级差分别为I、II、III。由于此时还伴随着转动能级的跃迁,所以围绕I、II、III,有一系列分立的转动能级跃迁谱线(图a),这种谱只能在稀薄气态下测得,当气态压力增大,即浓度增大时,转动能级受限制,形成连续曲线(b)，在低极性溶剂中测定紫外吸收,还能保留一些紫外吸收的精细结构(c),在高极性溶剂中作图,精细结构完全消失(图d)。

11. 多原子分子电子能级跃迁的种类 有机化合物外层电子为:σ键的σ电子;π键的π电子;未成键的孤电子对n电子,它们所可能发生的跃迁,定性地可用下图表示。

12. 基本术语 a.生色团(chromophore)：产生紫外(或可见)吸收的不饱和基团，如C＝C、C＝O、NO2等。 b.助色团(auxochrome)：其本身是饱和基团(常含杂原子)，它连到生色团时，能使后者吸收波长变长或吸收强度增加(或同时两者兼有)，如：OH、 NH2、Cl等。 c.深色位移(bathochromic shift) ：由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变长。深色位移亦称为红移(red shift)。

13. d.浅色位移(hypsochromic shift) 由于基团取代或溶剂效应，最大吸收波长变短。浅色位移亦称为蓝移(blue shift)。 e.增色效应(hyperchromic effect) 使吸收强度增加的效应。 f.减色效应(hypochromic effect) 使吸收强度减小的效应。

14. 各类化合物的紫外吸收 • 简单分子 A.饱和的有机化合物 a.饱和的碳氢化合物 唯一可发生的跃迁为σ→ σ*，能级差很大，紫外吸收的波长很短，属远紫外范围。如甲烷、乙烷的最大吸收分别为125nm、135nm。 b.含杂原子的饱和化合物 杂原子具有孤电子对，一般为助色团，这样的化合物有n → σ*跃迁。但大多数情况，它们住近紫外区仍无明显吸收。硫醚、二硫化物、硫醇、胺、溴化物、碘化物在近紫外有弱吸收，但其大多数均不明显。

15. B.含非共轭烯、炔基团的化合物 这些化合物都含π电子，可以发生π→π*跃迁，其紫外吸收波长较σ→ σ*为长，但乙烯吸收在165nm、乙炔吸收在173nm。因此，它们虽名为生色团，但若无助色团的作用，在近紫外区仍无吸收。 C.含不饱和杂原子的化合物 在这类化合物中， σ→ σ*、 π→π*属远紫外吸收， n → σ*亦属远紫外吸收，不便检测，但n →π*跃迁的吸收波长在紫外区，可以检测。虽然n →π*的跃迁为禁阻跃迁，吸收强度低，但毕竟其吸收位置较佳，易于检测。因此，在紫外鉴定中是不应忽视的。

17. 含有共轭体系的分子 A.共轭体系的形成使吸收移向长波方向 右图显示了从乙烯变 成共轭丁二烯时的电子能 级的变化。原烯基的两个 能级各自分裂为两个新的 能级，在原有π→π*跃迁 的长波方向出现新的吸收。 一般把共轭体系的吸收带称为K带(源于德文konjugierte)。K带对近紫外吸收是重要的，因其出现在近紫外范围，且摩尔吸收系数也高，一般ε＞10000。

18. 共轭烯吸收的计算值

20. 注意：用上述规则进行计算时，有计算误差较大的例外情况。当存在环张力或两个烯键不处于同一平面而影响共扼体系的形成时，计算值都偏离实测，菠烯即是一例：注意：用上述规则进行计算时，有计算误差较大的例外情况。当存在环张力或两个烯键不处于同一平面而影响共扼体系的形成时，计算值都偏离实测，菠烯即是一例： 因两个环的张力，提高了电子基态的能量。

21. 共轭醛、酮紫外吸收(K带)的计算

24. α，β－不饱和酸、酯

25. 一些共轭羧酸的UV吸收： 化合物 实测值（ε×104）计算值 CH2=CHCO2H 200（1.0） CH3CH=CHCO2H 205（1.4） =CHCO2H 220（1.4）222（217＋5） CH3(CH=CH)2CO2H 254（2.5）256（30＋18＋208） CH3(CH=CH)3CO2H 294（3.7）286（60＋18＋208） CH3(CH=CH)4CO2H 332（4.9）316（90＋18＋208）

26. 芳香族化合物 • 苯 苯环显示三个吸收带，它们均起源于苯环π→π* 的跃迁，如下表所示。其中II、III为禁戒跃迁。

27. 烷基苯 烷基无孤电子对，但它的超共轭效应使苯环B吸收带略有深色位移，对E吸收带效应不明显。 苯环上有－CH2OH、－(CH2)nOH、－CH2NH2等取代时，助色团被一个或多个CH2与苯环隔离开了，因此它们的紫外吸收光谱与甲苯相近。 苯环上有－CH2ph、－CH2CHO、－CH2CH=CH2等取代基时，生色团被CH2隔开而不能和苯环形成共轭体系，因此紫外吸收不发生红移。CH2的这种作用称为“隔离效应”。

28. 助色团在苯环上取代的衍生物 助色团有孤电子对，它能与苯环电子共轭，所以助色团在苯环上的取代使B带、E带均移向长波方向，B带被强化，同时精细结构常消失。

30. 生色团在苯环上取代的衍生物 生色团在苯环上取代后，苯环的大π键和生色团的键相连产生更大的共扼体系，这使B带产生强烈的深色位移且在200－250nm之间出现一个K带(ε＞10000)，有时B带淹没在K带之中。 若按对E2带深色位移的大小，生色团排列的顺序为： NO2>CHO>COCH3>CO2H>COO->CN 上述生色团都是苯环的间位定位取代基。

32. 多取代苯环 a.对位取代 当两个取代基属相同类型时，双取代的最长吸收波长近似为两者单取代时的最长波长。当两个取代基类型不同时(即一个是间位定位取代基，另一个是邻、对位定位取代基)，两个取代所产生的深色位移大于单个取代基产生的深色位移之和。这种现象可用共振效应来解释：

33. 邻位或间位取代 此时两个基团产生的深色位移近似等于它们单取代时产生的深色位移之和。

35. 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，其紫外吸收也沿此顺序逐渐接近于苯的吸收。在上述三种杂芳环中，硫的电子较氮、氧能更好地和二烯的π电子共轭，因此噻吩的紫外吸收在最长波长。生色团、助色团的取代，导致五员杂芳环的紫外吸收发生较大的变化(深色位移和增色效应)。 吡啶的共轭体系和苯环相类似，故吡啶的紫外吸收类似于苯的紫外吸收， 吡啶在251nm处的吸收强，ε＝2000，也显示精细结构。

37. 紫外谱图的解析 • 隔离效应与加和规律 设A为生色团，B为生色团或助色团。当A与B相连生成A－B时，若B为生色团，二者形成更大的共轭体系；若B为助色团，助色团的孤电子对与A形成p、π共轭，相比于A，A－B出现新的吸收(一般均为强化了的吸收)。 设C为不含杂原子的饱和基团，在A－C－B结构中，C阻止了A与B之间的共轭作用，亦即C具有隔离效应。从另一方面来看，A－C－B的紫外吸收就是A、B紫外吸收之加和。这称为“加和规律”。

38. 紫外谱图提供的结构信息 紫外谱图提供的主要信息是有关该化合物的共轭体系或某些碳基等的存在的信息。可以粗略地归纳为下述几点： ①化合物在220－800nm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、醚、羧酸等)，甚至可能是非共轭的烯。 ②220－250nm内显示强的吸收(ε近10000或更大)，这表明K带的存在。即存在共扼的两个不饱和键(共轭二烯或α，β －不饱和醛、酮)。

39. ③250－290nm内显示中等强度吸收，且常显示不同程度的精细结构，说明苯环或某些杂芳环的存在。 ④250－350nm内显示中、低强度的吸收，说明碳基或共轭羰基的存在。 ⑤ 300nm以上的高强度吸收，说明该化合物具有较大的共轭体系。若高强度吸收具有明显的精细结构。说明稠环芳烃、稠环杂芳烃或其衍生物的存在。

40. 解析紫外谱图方法及有关注意事项 a.紫外光谱也是吸收光谱，解析谱图时，应同时顾及吸收带的位置、强度和峰的形状三个方面：从吸收带位置可估计产生该吸收的共轭体系的大小；吸收强度有助于K带、B带和R带的识别；从吸收带形状可帮助判断产生紫外吸收的基团。如某些芳环衍生物，在峰形上显示一定程度的精细结构。

41. b.立体位阻的作用常 使一些共轭体系的吸 收带发生明显的蓝移。 这是由于共轭体系的 共平面性受到破坏所 致。

42. C.介质的影响 在进行紫外测定时，介质常有较重要的影响。总的说来，相对于该化合物蒸汽的紫外吸收，低极性溶剂的溶液其紫外吸收变化小，高极性溶剂的溶液其紫外吸收变化大，且精细结构消失。因此一般应尽量采用低极性溶剂。

43. ① n→π*跃迁，当溶剂极性增强时，有明显的蓝移，其原因为化合物基态较激发态极性强，它和极性溶剂形成较强烈的氢键，从而增加了跃迁的能量，导致蓝移。

44. ②π→π*跃迁，当溶剂极性增强时，常有红移(不如n→π*跃迁溶剂极性增加时的蓝移明显)。其原因为激发态极性较基态大，当溶剂极性增加时，激发态因生成较强的氢键，能量降低较多，因而有红移。

45. ③苯环E2带(204nm)的溶剂效应需视衍生物个取代基的性质而定。取代基为邻、对位取代基时，溶剂效应很小；取代基为间位取代基时，随溶剂极性的增加而产生红移。③苯环E2带(204nm)的溶剂效应需视衍生物个取代基的性质而定。取代基为邻、对位取代基时，溶剂效应很小；取代基为间位取代基时，随溶剂极性的增加而产生红移。

46. ④对具有酸碱性的一些有机物，如：酚、苯胺等，溶液的PH值对其吸收位置有很明显的影响。④对具有酸碱性的一些有机物，如：酚、苯胺等，溶液的PH值对其吸收位置有很明显的影响。 ⑤最常用的标推谱图仍为萨特勒(Sadtler)紫外谱图，因它同时有核磁共振氢谱、核磁共振碳谱、红外谱，且有上述谱图的综合索引，因此查阅萨特勒谱图是十分方便的，其查阅方式和查萨特勒红外谱相似。

47. 紫外光谱应用举例 紫外光谱在决定一系列维生素、抗菌素及一些天然物结构曾起过重要作用，如维生素A1、A2、B12、B1、青霉素、链霉素、土霉素、萤火虫尾部的发光物质等。 例如：CS2＋CH3CHO C5H10N2S2有两种可能结构，利用UV谱进行判断。 NH3

48. (A) (B) 解：先选取两个模型化合物 λmax：217（8000） λmax：276（2.1×104） 246（8×103） λmax：288（1.28×104） 243（8000） 实测未知物（A或B）的UV数据为： 由此推测为化合物A。

49. 紫外吸收光谱用来决定双键的位置，既简单又有效，例如：紫外吸收光谱用来决定双键的位置，既简单又有效，例如： 松香酸 235～248nm 左旋海松酸 260～283nm

50. 又如： α紫罗兰酮 β紫罗兰酮 β紫罗兰酮由于双键共轭，其紫外吸收波长较α紫罗 兰酮明显地到了长波方向。