第1节紫外光谱基础重要精选文档.ppt
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1、第1节紫外光谱基础重要本讲稿第一页,共七十页波谱分析法波谱分析法是利用光谱学知识解析化合物结构的一门课程。涉及紫是利用光谱学知识解析化合物结构的一门课程。涉及紫外、红外、核磁共振波谱、质谱等,是有机化学领域必不可缺少外、红外、核磁共振波谱、质谱等,是有机化学领域必不可缺少的一门基础课程。的一门基础课程。主要是根据有机化合物的分子或原子在受到外界干扰时所呈现的主要是根据有机化合物的分子或原子在受到外界干扰时所呈现的特征谱图而进行分析测试的,所以此方法具有简单、快速、准确、特征谱图而进行分析测试的,所以此方法具有简单、快速、准确、费样少等优点,故发展迅速,广为使用。费样少等优点,故发展迅速,广为使
2、用。目目 的的 要要 求:求:本课程的主要目的是使学生了解目前国内外分析领域常用的大本课程的主要目的是使学生了解目前国内外分析领域常用的大型分析仪器及其分析化合物的原理;能够做到对未知化合物选型分析仪器及其分析化合物的原理;能够做到对未知化合物选择正确的分析方法、得到理想的分析结果。择正确的分析方法、得到理想的分析结果。本讲稿第二页,共七十页原子发射光谱荧光光谱拉曼光谱本讲稿第三页,共七十页所需理论基础知识或课程光的本质及属性分子轨道能级跃迁p结构化学p高等有机化学p大学物理本讲稿第四页,共七十页电子光谱:由电子跃迁电子跃迁而产生的吸收光谱的总称,包括紫外光谱和可见光谱。紫外吸收光谱:(又称紫
3、外光谱)分子中的某些价电子吸收一定波长的紫外光后由低能级(基态)跃迁到高能级(激发态)而产生的光谱。第一节第一节紫外光谱紫外光谱一、基础及背景一、基础及背景本讲稿第五页,共七十页紫外光谱区域紫外光谱区域光波光波x x射射线线远紫外远紫外近紫外近紫外可见光可见光红外光红外光波长波长nm1010200200400400800800紫外光区的波长范围:紫外光区的波长范围:10400nm远紫外:远紫外:10200nm,亦称,亦称真空紫外真空紫外紫外光紫外光近紫外:近紫外:200400,亦称,亦称石英紫外石英紫外(本章重点)(本章重点)近近紫外线分为长波紫外线(紫外线分为长波紫外线(UVA,320-40
4、0nm)中波紫外线()中波紫外线(UVB,290-320nm)短波紫外线()短波紫外线(UVC,190-290nm),其中),其中UVC在臭氧层被吸收,不在臭氧层被吸收,不会到达地面,对皮肤有伤害的是会到达地面,对皮肤有伤害的是UVA和和UVB。本讲稿第六页,共七十页分子能量有许多部分组成,分子的总能量如果用分子能量有许多部分组成,分子的总能量如果用ET表示,则表示,则ET=E0+Et+Ee+Ev+ErE0:零点能,分子内在的能量,它不随分子运动而改变;零点能,分子内在的能量,它不随分子运动而改变;Et:分子平动能,:分子平动能,Etf(t),它的变化不产生光谱;它的变化不产生光谱;Ee:分子
5、中的电子能量;:分子中的电子能量;Ev:分子的振动能量;:分子的振动能量;Er:分子的转动能量;:分子的转动能量;移动能级排列紧密,能级跃迁只需较少能量,跃迁产生的吸收光谱看不到。我们所讨论的吸收光谱是光或电磁波与原子及分子相互作用后,原子或分子吸收一定能量的电磁辐射能而产生的振动、转动吸收光谱和电子吸收光谱光谱检测的基础(理论依据)光谱检测的基础(理论依据)本讲稿第七页,共七十页光谱检测的基础(理论依据)光谱检测的基础(理论依据)光谱通过检测分子光谱通过检测分子/原子吸收光能后的变化(微观),经过某种转换方原子吸收光能后的变化(微观),经过某种转换方法,将这种变化变为可视的谱图形式(宏观)进
6、行记录。法,将这种变化变为可视的谱图形式(宏观)进行记录。两能级间的能两能级间的能级差用级差用EE表示,则:表示,则:EE2,12,1E E2 2E E1 1EE3,13,1E E3 3E E1 1 E4 E3 E2 E1 能级跃迁示意图本讲稿第八页,共七十页二、分子轨道的概念和电子能级的跃迁二、分子轨道的概念和电子能级的跃迁1、基本知识、基本知识n电子:指在杂原子电子:指在杂原子N、O、S等中未参与成键的孤对电子;等中未参与成键的孤对电子;电子:形成电子:形成键的电子,键的电子,键主要是不饱和键键主要是不饱和键;电子:形成电子:形成键的电子,键的电子,键主要是单键键主要是单键;电子与其它部分
7、联系的紧密程度(从大到小)一般是:电子与其它部分联系的紧密程度(从大到小)一般是:电子电子电子电子n电子电子(渐松渐松)如:如:CH4:max=125nmCH3CH3:max=135nm本讲稿第九页,共七十页2 2 分子轨道的初步概念分子轨道的初步概念分子轨道理论认为:当两个氢(分子轨道理论认为:当两个氢(H)原子靠近时,)原子靠近时,H的两个的两个1S原子轨道可组成两个分子轨道。一个叫做原子轨道可组成两个分子轨道。一个叫做1S成键轨道,其能量成键轨道,其能量比比1S原子轨道低,另一个叫做原子轨道低,另一个叫做1S*反键轨道,其能量比反键轨道,其能量比1S原子原子轨道高,两个原子轨道形成两个分
8、子轨道。轨道高,两个原子轨道形成两个分子轨道。一个一个H原子只有一个原子只有一个1S原子轨道,成键时两个原子轨道,成键时两个H原子的两个原子的两个1S电子(电子(自旋方向相反自旋方向相反)进入)进入能量较低的能量较低的1S成键轨道成键轨道,使体系,使体系的能量降低,这就形成了的能量降低,这就形成了H-H单键。单键。分子式可以表示为分子式可以表示为H2http:/ n*n n*s s,和和n n电子可能发生的重要类型的电子跃迁电子可能发生的重要类型的电子跃迁本讲稿第十三页,共七十页(1)(1)、*此跃迁所需能量最大,所以最不易激发,如饱和碳氢化合物中只含有此跃迁所需能量最大,所以最不易激发,如饱
9、和碳氢化合物中只含有电子,其跃迁在远紫外区,即电子,其跃迁在远紫外区,即max200nm *n n *n n *既有双键又有杂原子如醛,酮,既有双键又有杂原子如醛,酮,酯,酸等的分子酯,酸等的分子200nm *芳烃,共轭烯烃或烯烃芳烃,共轭烯烃或烯烃上有取代基的分子上有取代基的分子200nm n n *仅含仅含S S、I I之外杂原子的分子之外杂原子的分子近紫外,远紫外均近紫外,远紫外均有有 n n *仅含仅含S S、I I杂原子分子杂原子分子200nm200nm *饱和烃分子饱和烃分子紫外波长紫外波长电子跃迁类型电子跃迁类型化合物分子类型化合物分子类型本讲稿第十八页,共七十页三、紫外吸收光谱
10、的一些基本概念三、紫外吸收光谱的一些基本概念紫外吸收光谱的表示方法紫外吸收光谱的表示方法 是以波长为横坐标,以吸光度A或吸光系数为纵坐标所描绘的曲线。吸收峰吸收峰吸收谷吸收谷肩峰肩峰末端吸收末端吸收强带强带:104;弱带:103表示方法:表示方法:237nm(104)或 :237nm(lg4.0)溶剂max溶剂max本讲稿第十九页,共七十页发色团发色团:分子结构含有电子的基团。助色团助色团:含有非成键n电子的杂原子饱和基团。红移(长移)红移(长移):由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向长波方向移动的现象。蓝(紫)移蓝(紫)移:由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向短波方向移动的现象。增色效应和减色效
11、应增色效应和减色效应:由于取代或溶剂等的改变,导致吸收峰位位移的同时,其吸收强度发生变化,增强的称增色(浓色)效应,减弱的称减色(淡色)效应。本讲稿第二十页,共七十页1 1、非发色基团、非发色基团指在指在200200400nm400nm的近紫外区没有吸收的基团,即分子中只有的近紫外区没有吸收的基团,即分子中只有*的电子跃迁,此类化合物一般是饱和烃类、含有的电子跃迁,此类化合物一般是饱和烃类、含有O O、N N、ClCl等杂原子的饱和化合物。等杂原子的饱和化合物。2 2、发色基团、发色基团发色基团这一术语是在发色基团这一术语是在1818世纪人们研究物质颜色与光吸收关系时世纪人们研究物质颜色与光吸
12、收关系时引入的,其原意是指能使化合物出现颜色的一些基团。在紫外引入的,其原意是指能使化合物出现颜色的一些基团。在紫外光谱中沿用这一术语其含义已经扩充:光谱中沿用这一术语其含义已经扩充:凡是能导致化合物在近凡是能导致化合物在近紫外产生吸收谱图的基团紫外产生吸收谱图的基团不论其本身是否显色均称为发色基团不论其本身是否显色均称为发色基团.本讲稿第二十一页,共七十页下列化合物为发色基团:下列化合物为发色基团:(1)(1)既有双键又有杂原子的分子:如:羰基既有双键又有杂原子的分子:如:羰基(2)(2)含有共轭双键的分子含有共轭双键的分子,如:苯如:苯 而而饱饱和和碳碳氢氢化化合合物物和和含含有有孤孤立立
13、双双键键的的化化合合物物则则不不是是发发色色基基团团。但但广广义义上上,发发色色基基团团又又定定义义为为在在整整个个紫紫外外及及可可见见光光区区内内。故故:除了上述两种情况外,还有下列两种也属于发色基团。除了上述两种情况外,还有下列两种也属于发色基团。(3)(3)含有双键的分子如含有含有双键的分子如含有 CHCHCH-CH-、C CN N(4)(4)含有杂原子的分子如:含有杂原子的分子如:CHCH3 3-O-,C-S,-NO-O-,C-S,-NO3 3等;等;但大量实验证明,单个发色基团即但大量实验证明,单个发色基团即只有一个双键只有一个双键,而没有杂原子与之,而没有杂原子与之相连,其相连,其
14、*跃迁大多在远紫外跃迁大多在远紫外,当分子中,当分子中有多个发色基团并且有多个发色基团并且共轭时,或者当分子中既有双键又有杂原子时,其吸收峰才会出现在近共轭时,或者当分子中既有双键又有杂原子时,其吸收峰才会出现在近紫外区。紫外区。本讲稿第二十二页,共七十页3 3、助色基团、助色基团某某些些原原子子或或原原子子团团虽虽然然其其本本身身在在200400nm波波长长范范围围内内没没有有吸吸收收,但但是是当当它它与与发发色色基基团团相相连连时时,可可使使发发色色基基团团产产生生的的max向向长长波波方方向向移移动动,并并使使吸吸收收强强度度()增强)增强,这些原子或原子团被称为助色基团。如:,这些原子
15、或原子团被称为助色基团。如:化合物化合物C6H6C6H5-OHCH3-HCH3-ClCH3-BrCH3-Imax/nm254270125172204258特征特征:基团中含有杂原子,且杂原子上有未成键的:基团中含有杂原子,且杂原子上有未成键的n电子。电子。还有:还有:NH2,-NR2,-OH,-OR,-Cl,-COOH等均为助色基团。等均为助色基团。本讲稿第二十三页,共七十页问题:为何有这种现象?问题:为何有这种现象?因因为为当当助助色色基基团团连连接接到到发发色色基基团团上上时时,n电电子子与与电电子子相相互互作作用用,相相当当于于增增大大了了共共轭轭体体系系,降降低低了了电电子子跃跃迁迁所
16、所需需的的能能量量,使使发发色色基基团团的的max向向长长波波方方向向位位移移,且且有有的的吸吸收收强强度度增增大大,各各助助色色基基团团的的助助色色效效应强弱大致如下,效应越强,应强弱大致如下,效应越强,max越大。越大。FCH3ClBrOHSHOCH3NH2NHRNR2270nm,max200nm,max104,lg4。并且随着双键共轭体系的增长,并且随着双键共轭体系的增长,max红移,红移,max增强。增强。3、B吸收带吸收带由由闭闭合合环环状状共共轭轭双双键键*跃跃迁迁产产生生的的吸吸收收带带。它它是是芳芳环环、杂杂芳芳环化合物的特征光谱吸收带。环化合物的特征光谱吸收带。如:苯的如:苯
17、的B带:带:230270nm,中心,中心254nm,204。此此带带为为一一个个宽宽峰峰,并并常常出出现现若若干干小小峰峰,这这些些分分裂裂的的小小峰峰称称为为精精细细结结构构。出出现现此此现现象象的的原原因因主主要要是是电电子子能能级级的的变变化化与与振振动动能能级级,转转动动能能级的变化相重叠了。级的变化相重叠了。本讲稿第二十七页,共七十页注意:注意:当芳环上连有发色基团时(发色基团与苯环有当芳环上连有发色基团时(发色基团与苯环有*共轭),这共轭),这时即可看到既有时即可看到既有K带,又有苯环的特征带,又有苯环的特征B带。带。如:如:C6H5-CH=CH2K带:带:max244nm*(共轭
18、效应)(共轭效应)max=1.2104B带:带:max282nm*max=450B带带maxK带带max另外:(另外:(1)当苯环被取代,其精细结构会部分消失或全消失。()当苯环被取代,其精细结构会部分消失或全消失。(2)在极性溶剂中,由于溶质与溶剂的相互作用,)在极性溶剂中,由于溶质与溶剂的相互作用,B带的精细结构会被破带的精细结构会被破坏。坏。本讲稿第二十八页,共七十页4 4、E E吸收带吸收带 E带带也也是是芳芳香香化化合合物物的的特特征征吸吸收收峰峰,它它由由*跃跃迁迁产产生生。又又分分为为E1带带和和E2带带,二二者者分分别被看作苯环中的大别被看作苯环中的大键和共轭乙烯等键引起。键和
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