分子的紫外-可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行分析的一种常用的光谱分析法。分子在紫外-可见区的吸收与其电子结构紧密相关。紫外光谱的研究对象大多是具有共轭双键结构的分子。
紫外-可见光区一般用波长(nm)表示。其研究对象大多在 200 nm—380 nm 的近紫外光区和 380 nm—780 nm 的可见光区有吸收。紫外-可见吸收测定的灵敏度取决于产生光吸收分子的摩尔吸光系数。该法仪器设备简单,应用十分广泛。如医院的常规化验中,95%的定量分析都用紫外-可见分光光度法。在化学研究中,如平衡常数的测定、求算主-客体结合常数等都离不开紫外-可见吸收光谱。
2. 原理
紫外-可见吸收光谱是分子内电子跃迁的结果,它反映了分子中价电子跃迁时的能量变化与化合物所含发色基团之间的关系。不同的化合物由于分子结构不同,电子跃迁的类型就不同,所以紫外-可见吸收光谱会具有不同特征的吸收峰,其吸收峰的波长和强度与分子中价电子的类型有关。
2.1 分子中电子跃迁和吸收谱带的类型
在紫外-可见区域内,有机化合物吸收一定能量的辐射时,引起的电子跃迁主要有σ→σ*、n→σ*、π→π*、n→π*这 4 种类型。σ、π分别表示σ、π键电子,n 表示未成键的孤对电子,* 表示反键状态。价电子在吸收一定的能量后,将跃迁至分子中能量较高的反键轨道,各种电子跃迁所需能量大小为:σ→σ*> n→σ*>π→π*> n→π。
2.1.1σ→σ* 跃迁
由单键构成的化合物如饱和碳氢化合物只有σ电子,只能发生σ→σ* 跃迁,其吸收发生在远紫外区,波长小于 210 nm。大气中的氧在远紫外区会有强烈吸收,所以饱和烃必须在真空条件下操作,才能测得它们的吸收光谱,因此,远紫外又称真空紫外。
2.1.2.n→σ* 跃迁
含有杂原子的饱和化合物都可能发生n→σ* 跃迁。n→σ* 跃迁比σ→σ*跃迁所引起的吸收峰波长略长,大多是接近或在近紫外区。例如甲烷吸收峰在 125 nm,而一氯甲烷的吸收峰在 173 nm,碘甲烷吸收峰在 258 nm。由 n→σ*跃迁产生的吸收峰多为弱吸收峰,它们的摩尔吸光系数(ε max)一般在 100~300 范围内,因而在紫外区有时不易观察到。
2.1.3π→π跃迁(K带)
含共轭双键的分子均可发生π→π*跃迁。实现π→π*跃迁比实现σ→σ*跃迁所需的能量小,其吸收峰大多出现在 200 nm 附近。发生在共轭非封闭体系中的π→π *跃迁大多是强吸收峰(K带)。
如果芳香族化合物的紫外吸收光谱中同时出现 K带、B 带和 R 带,则R 带波长最长,B带次之,K带最短,但吸收强度的顺序正好相反。
2.1.4 n→π*跃迁(R带)
化合物分子中同时存在杂原子和双键时,就可发生 n→π*跃迁。例如-CO、- NN-、-NO等基团。
2.2 吸收光谱图
物质对光的吸收强度(吸光度)随波长变化的关系曲线称为吸收光谱曲线或吸收光谱。吸收光谱描述了该化合物对不同波长光的吸收能力,因此,不同结构的化合物应具有不同的吸收光谱(不同的吸收波长和吸光度)。
以不同波长的光透过某一浓度的被测样品溶液,测出不同波长时溶液的吸光度,然后以波长为横坐标,以吸光度为纵坐标作图,即可得到被测样品的吸收光谱。