紫外光谱分析方法.doc

第四章 紫外光谱、紫外-可见光分光光度法§ 4-1紫外可见吸收光谱的产生原因：分子中价电子跃迁产生的光谱吸收一.电子跃迁类型n电子，主要跃迁有：与有机化合物有关的价电子有 c、n和1.N V跃迁:由基态跃迁至反键轨道：c* *-c 、n - n2.N- Q跃迁:非键电子跃迁到反键轨道：* *n- c 、 n- n3.N- R跃迁:c电子激发到更咼能级或电离吸收波谱：电荷转移跃迁频率* *c c > c 、* * n n > n远紫外紫外可见光配位场跃迁此外，与分光光度法有关的跃迁还有：4. 电荷转移跃迁，常见过渡金属与有机配位体（显色剂）之间电子 转移跃迁，大多在可见光区，吸收强度大，往往用于定量分析。5. 配位场跃迁，d-d或f-f轨道在配位场作用下简并，轨道分裂，产 生d-d （W、V周期）、f-f （La系、Ar系）跃迁。此吸收能量少，吸 收强度较小，多在可见光区。三.辐射吸收的基本定律一朗伯-比尔定律当一束平行光通过均匀的液体介质时，光的一部分被吸收，一部 分透过溶液，还有一部分被容器表面散射。若散射光Ir -0即Io= It （吸收光）+ la （透射光）+ Ir则 I o= It + la1透光率T= la/l o T f,吸收J2. 吸光度 A= lg1/T = Igl o/la A f,吸收 f3. 朗伯一比尔定律当入射光波长一定时（单色光），溶液吸光度A只与溶液中有色物质浓度和比色皿厚度有关，成正比，即AxLC => A = kLC 式中：k比例常数一系吸系数L比色皿厚度C-溶液浓度当C为摩尔浓度，令k =£,称为摩尔吸光系数。4. 吸光度的加和性，若溶液中有 m种成分，其在某一波长下吸光系数分别为£ 1、£ 2£ m浓度分别为Cl、C2Cm入二A总=刀£ C对于同一种物质，波长不同时£（或K）不相同。四、无机化合物的紫外-可见光谱§ 4-2有机化合物的紫外一可见光谱一. 吸收光谱表示方法（光谱图）二. 常用术谱1. 生色基团：含有n键的不饱和基团（为 C= C、C= O N= N、* 、N= O等）能产生n - n跃迁，使得有机化合物分子在紫外可见光 区产生吸收的基团。 共轭生色团a、基团结构不同：独立吸收b、相同，仅一个吸收峰，但强度随生色团数目增加叠加。 共轭：仅一个吸收峰（长波称动位置红移）强度显著增大。2. 助色基团：含有非键电子（n电子）的基团（为一OH NH、 SH X等），其本身在紫外一可见光区无吸收，但能与生团中n电子发生n- n *共轭，使生色团吸收峰（长 波方向移动红移）的基团。3. 红移和蓝移使分子的吸收峰向长波方向移动的效应称 红移。使分子的吸收峰向短波方向移动的效应称 蓝移。三. 有机化合物的紫外-可见光谱1. 饱和有机化合物 不含杂质原子时只有-（T *、入150nm 含杂质原子时除-（T *外，还有nc *吸收可能150nmCH NH 入 mae 215CHI 入 mae 258一般饱和有机化合物吸收均有远紫外，在一般意义上的紫外区没 有吸收，故可作为紫外光谱的溶剂（为烷、醇、醚等）。2. 不饱和脂肪烃 单烯：n - n *在170- 200nm,不属一般意义紫外区 共轭烯：共轭使n - n *的厶EJ,吸收峰红移，强度增大，这 种吸收带称K吸收带（共轭带）。例：CH= CH 入 m= 165nm e= 15000Chl= CH- CH= CH 入 m= 217£= 21000CH= CH- CH= CH- CH= CH 入 m= 257£= 350003. 醛、酮化合物有c、n、 n电子，可产生 n-（T *、兀-n *、n- n *，其中n- n *跃 迁在270- 300nm称R吸收带（基团带），例丙酮280nm,但£ = 10-2。对于a、B不饱和醛酮C= 0和C= C共轭，因此，R, K吸收带 均红移。R在 320-340nm £= 10- 102K在 220-240nm & >1（/=1. 5 X 104=28CH =CH-c-OR：320）nm ;4. 芳香化合物 无取代：苯在紫外区有三个吸收带，均由n- n *引起E 吸收带在 185nm £= 104 （60000）E2 吸收带在 204nm £= 103 (7900)B吸收带（苯带）在 254-260nm（230 270nm） £= 200 => 由于振动跃迁叠加在n - n *上引起。单取代：取代为助色基团 E2红移、B红移OHI例:E2 = 212 B=270取代为生色基团E 2与K吸收带合并，红移COOHE2 = 230B= 273C=CH 2E2 = 244B= 282CHOE2 = 244 B= 280nm 二取代：对位£ max增大，红移，邻位间此作用较小 稠环化合物：共轭苯环数增加，红移，£f§ 4-3影响紫外一可见光谱的因素一. 溶剂效应对于n - n * （n *极性较n大，与极性溶剂作用，n *下降多，n 下降少，二 EJ）跃迁引起的吸收峰，溶剂极性变大，红移。 对于n- n * （n极性较n*大，nJ多，n*下降少，二 Ef）跃迁引起 的吸收峰，溶剂极性变大，蓝移。因此，利用溶剂极性影响的不同可区分n - n *和n- n *。此外， 溶剂对吸收强度，精细结构等均有影响。所以，紫外光谱图必须注明 溶剂。二. 空间效应空间阻碍使共轭程度下降，吸收峰 蓝移。例：二苯乙烯 反式：入ma洽295,顺式：入ma洽280nm三. 超共轭效应烷基取代时，C H的。饱键和苯环分子轨道重叠，使得 EJ, 红移。例：CH3zACJ 254 M 261V、./四. PH改变介质PH对于不饱和酸、烯醇、酚、苯胺等化合物紫外光 谱影响较大。§ 4-4紫外一可见光分光光度计一. 紫外-可见光分光光度计主要部件及其作用光谱分析仪器在结构上均相似。紫外-可见光分光光度计也有很 多型号，但各类光谱分析仪器均由光源、单色器、吸收池、检测器和 显示系统等五个部分构成。1. 光源作用：提供入射光要求：提供足够强度和稳定的连续辐射，强度基本不随波长变化 而改变。种类：钨灯（卤钨灯）发光波长 3601000nm适用于可见光区氢（氘）灯 波长范围180 375nm适用于紫外区2. 单色器作用：将复合光分解为单色光玻璃=> 可见光区种类棱镜石英=> 紫外区（折射分光）光栅衍射分光适用于整个光学光谱区3. 吸收池作用：盛待测试样要求：透光性好，无折射，反射，宽度精确种类：石英=> 紫外区玻璃=> 可见光区4. 检测器作用：将光信号转变为电信号种类：硒光电池 光电管光电信增管5信号显示系统种类：检流计（72型）微安表（721）电位计（751）数显二. 紫外可见光分光光度计类型单光束（每一波长均要较正）（72、721、722、724、751等）双光束 能自动消除并补偿光源强度测量系统引起误差，可自 波长动扫描作光谱，UV 240、710、730等。双波长 特点：可消除共存物质产生的吸收、散射、光源波动等的影响§ 4-5紫外一可见光分光光度法的应用紫外-可见光吸光谱可用于定性和定量分析 一.定性分析无机化合物吸收弱，很少用于定性分析，但对有机化合物的定性 分析是常用手段之一。根据紫外可见光谱提供的信息可判断分子中生 色基团和助色基团的性质。1. 结构骨架推断：和标准谱图完全相同，贝y说明有相同生色团， 若无K吸收带则不含共轭不饱和键；无R吸收带则无n- n *。利用E、 丘、B吸收带可判断苯环或芳烃。2. 构型和构象（顺反式）三、纯度检测（微量杂质）四、定量分析（一）测定方法1 .单组分： 绝对法Cx = A/ £ l （知£） 比较法Cx = AxCs/As需已知浓度标样 标准曲线法 标准加入法 Cx = Ax Ca /（A x+a-Ax）2 .多组分 利用吸光度加和性解联主方程*3.双波长法a A= （ £ 2b-£ ib）C （a 组分在入1、入2吸光度相同）*4.差示分光光度法 A = £ l（Cs Cx）高浓度低浓度（二）测量条件选择1. 吸光度范围0.2 0.82 .入射光波长选择由吸收曲线确定3. 显色反应条件 显色剂用量固定L、C,改变显色剂用量作图选择 PH值：使得络合物，络合物组成，显色剂，待测离子等均稳 定的PH范围 温度 时间 干扰离子 显色剂要求：A、无色B、稳定络合物C不与共存离子络合五. Woodwarc和 Fieser 规则物质的紫外一可见光谱显示的是分子中生色基团和助色基的特性，吸收峰的波长与分子中基团种类，数目及其相互位置有关。Woodward和Fieser在大量观测结果的基础上，提出了计算共轭 体和a、p不饱和醛酮类化合物入max的经验规则 Woodward-Fieser I共轭烯烃：基本值取代增量键二烯C= C- C= C217共轭双键30 nm半环二烯空二J217环外双键5同环二烯1253烷基或环键5异环二烯00214OR 6SR 30NR 60例：CH =CF CH 2入 max=217+2< 5= 227 （实例 226）CH3CH3124 3入 max=214+5b4X 5 （2, 3, 5, 5）= 239 （实例 241）Woodward- Fieser 规则 H （见 P94）效液相色谱分析原理及流程2011-06-20中国化工仪器网点击：384高效液相色谱以经典的液相色谱为基础，是以高压下的液体为流动相的色谱过程。通常所说的柱层析、薄层层析或纸层析就是经 典的液相色谱。所用的固定相为大于 100um的吸附剂（硅胶、氧化铝 等）。这种传统的液相色谱所用的固定相粒度大，传质扩散慢，因而 柱效低，分离能力差，只能进行简单混合物的分离。而高效液相所用 的固定相粒度小（5um-10um）、传质快、柱效高。高效液相色谱法（HPLC） 是20世纪60年代后期发展起来的一种分析方法。 近年来，在保健食 品功效成分、营养强化剂、维生素类、蛋白质的分离测定等应用广泛。 世界上约有80%的有机化合物可以用HPLC来分析测定。高效液相色谱分析原理（一）高效液相色谱分析的流程由泵将储液瓶中的溶剂吸入色谱系统， 然后输出，经流量与压力 测量之后，导入进样器。被测物由进样器注入，并随流动相通过色谱 柱，在柱上进行分离后进入检测器，检测信号由数据处理设备采集与 处理，并记录色谱图。废液流入废液瓶。遇到复杂的混合物分离（极性范围比较宽）还可用梯度控制器作梯度洗脱。这和气相色谱的程序 升温类似，不同的是气相色谱改变温度，而HPLC改变的是流动相极 性，使样品各组分在最佳条件下得以分离。（二）高效液相色谱的分离过程同其他色谱过程一样，HPLC也是溶质在固定相和流动相之间进 行的一种连续多次交换过程。它借溶质在两相间分配系数、亲和力、 吸附力或分子大小不同而引起的排阻作用的差别使不同溶质得以分 离。开始样品加在柱头上，假设样品中含有 3个组分，A、B和C， 随流动相一起进入色谱柱，开始在固定相和流动相之间进行分配。 分 配系数小的组分 A不易被固定相阻留，较早地流出色谱柱。分配系 数大的组分C在固定相上滞留时间长，较晚流出色谱柱。组分 B的 分配系数介于A，C之间，第二个流出色谱柱。若一个含有多个组分 的混合物进入系统，则混合物中各组分按其在两相间分配系数的不同 先后流出色谱柱，达到分离之目的。不同组分在色谱过程中的分离情况，首先取决于各组分在两相间 的分配系数、吸附能力、亲和力等是否有差异，这是热力学平衡问题， 也是分离的首要条件。其次，当不同组分在色谱柱中运动时，谱带随 柱长展宽，分离情况与两相之间的扩散系数、固定相粒度的大小、柱 的填充情况以及流动相的流速等有关。所以分离最终效果则是热力学 与动力学两方面的综合效益。高效液相色谱的类型（一）吸附色谱在吸附色谱中，样品的极性官能团牢固地保留在填料的吸附活性 中心上，非极性烃基几乎不予保留。所以，要清楚地辨别极性功能团 的种类、数量和位置。通常，样品能用吸附色谱分离的应是能溶解于 有机溶剂并是非离子型的，强离子样品是不适宜的。吸附色谱所使用的流动相以正己烷、 三氯甲烷、二氯甲烷作为基 础，按照样品的极性加上乙醇，然而，最好是使所加入醇的浓度为 10%或更少一些。如有可能，可进一步减小百分数。因为高浓度的醇 会减少填料的吸附活性，减弱吸附能力，并使重现困难。（二）分配色谱1.正相分配色谱正相分配色谱适用于不溶于水而溶于有机溶剂且带有极性基团的样品，但正相分配色谱不适合于离子型物质。2反相分配色谱这种方法目前应用非常广泛，应用的范围也很广，在反相分配色 谱中，样品的非极性部分起保留作用。通过使用的流动相是水一甲醇和水一乙腈， 通过加入甲醇或乙腈 的量的不同来调节分离，但如果样品带有离子型基团，需要在流动相 中加入盐或调节流动相的PH值，例如，如果样品有一个一COOH基 团，使流动相的PH值是偏向酸性的，由于抑制了一 COOH基团的电 离而加强了保留。这个方法叫离子抑止法，如果样品有强离子基，有 时候采用在流动相中加入适当抗衡离子以形成离子对的离子对法。在调节PH值中，保持PH值在填料说明书手册中所规定的范围 内，大多数化学键式的二氧化硅使用在 PH=2-9，然而，当加入盐以 后，最好使其PH=7.5-8或更小的，多孔聚合物填料能应用非常广泛的PH值（三）离子交换色谱这个方法是用填料的固定相的离子交换基团和样品的离子基团之间的离子交换来分离样品组分的，按照所交换的离子分成阳离子交 换和阴离子交换。离子交换色谱使用于能溶于水的离子型物质。在离子交换色谱中，流动相的盐的浓度、PH及盐的种类等都对保留值有很大的影响。 在高效液相色谱的离子交换中所用的盐有磷酸盐、醋酸盐和硼酸盐。因为氯化物会腐蚀不锈钢仪器，在高效液相色谱中不能使用NaCI或其他的氯化物盐类。根据测量波长有些盐也不能使用，例如，醋酸吸 收大约在210nm,当检测处在短波端的时候，用醋酸作流动相是不合 适的。（四）凝胶色谱凝胶色谱不同于以上三种分离方法。凝胶色谱是根据分子大小用 分子筛效应来分离样品组分的。这个方法也叫排阻色谱或粒度排阻色 谱。具有一定孔径的多孔性合成聚合物经常用作填料。因为在样品中，小尺寸的分子深深地渗透到微孔中，所以迟流出， 而大尺寸的分子没有渗透到微孔中， 就很快流出。通常合成树脂的分 离使用有机溶剂作流动相，叫做凝胶渗透色谱。凝胶色谱依样品的性质又可分为凝胶渗透和凝胶过滤。1凝胶渗透色谱凝胶渗透色谱(GelPermeationChromatography)简称 GPC。此一 类的色谱，使用于有机性溶媒的样品中，如PVC，PS, ABS等等，而所用的洗脱液有THF，Chloroform等等。2. 凝胶过滤色谱凝胶过滤色谱(GelFiltrarionChromatography)，简称 GFC。此一种 类的层析法，使用于水溶媒的试剂中，如蛋白质、淀粉及水性合成高 分子等等，而所用的溶液有水、缓冲液等等。凝胶的种类很多，按其原料来源可分为有机胶和无机胶。按其制 备的方法又可分为均匀、半均匀和非均匀三种凝胶。而根据凝胶的强 度又可分为软胶、半硬胶和硬胶三大类。根据它对溶剂的适用范围又 可分为亲水性、亲油性和两性凝胶等等。气相色谱仪是以气体作为流动相（载气），当样品由微量注射器“注 样”或气体进样器进样进入汽化室后，被载气携带进入填充色谱柱或 毛细管色谱柱。由于样品中各组份在色谱柱中的流动相（气相）和固 定相（液相或固相）间吸附力或溶解度的差异（即保留作用不同），在载气的冲洗下，各组份在两相间作反复多次分配并在柱中得到分 离，随后顺序通过柱后检测器依次被检测出来， 并转换为电信号送至 色谱数据处理系统绘出色谱图给出定量、定性分析结果气相色谱的工作原理：实现色谱分离的先决条件是必须具有固定相和 流动相。色谱分离的内因是固定相与被分离各组分发生的吸附（或分配）作用的差别，微观解释就是分子键相互作用力的差别。外因是由 于固定相的不间断流动，使被分离组分与固定相发生反复多次的吸 附、解析过程，这样就使那些在同一固定相上的移动速度吸附（或分 配）系数只有微小差别的组分在固定相上的移动速度产生了很大的差 别，从而达到各个组分的完全分离。