超详细的紫外光谱知识，值得收藏~
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紫外光谱是研究物质分子对光吸收特性的方法，在化学、材料、生物、医学等领域有广泛应用。本文将详细介绍紫外光谱的基本原理、电子跃迁类型、光谱图解读以及影响紫外光谱的各种因素。
紫外-可见分光光度法，又称紫外-可见吸收光谱法（ultraviolet and visible spectrum），是以紫外线-可见光区域（通常200-800nm）电磁波连续光谱作为光源照射样品，研究物质分子对光吸收的相对强度的方法。物质中的分子或基团，吸收了入射的紫外-可见光能量，电子间能级跃迁产生具有特征性的紫外-可见光谱，可用于确定化合物的结构和表征化合物的性质。紫外-可见吸收光谱在化学、材料、生物、医学、食品、环境等领域都有广泛的应用。
紫外光谱的产生
在紫外光谱中，波长单位用nm（纳米）表示。紫外光的波长范围是100400nm，它分为两个区段。波长在100200nm的区段称为远紫外区，这种波长能够被空气中的氮、氧、二氧化碳和水所吸收，因此只能在真空中进行研究工作，故这个区域的吸收光谱称为真空紫外，由于技术要求很高，目前在有机化学中用途不大。波长在200400nm的区段称为近紫外区，一般的紫外光谱都是指这一区域的吸收光谱。波长在400800nm范围的称为可见光谱。常用的分光光度计一般包括紫外及可见两部分，波长在200800nm(或2001000nm)。
分子内部的运动有转动、振动和电子运动，相应状态的能量(状态的本征值)是量子化的，因此分子具有转动能级、振动能级和电子能级。通常，分子处于低能量的基态，从外界吸收能量后，能引起分子能级的跃迁。电子能级的跃迁所需能量最大，大致在1~20eV(电子伏特)之间。根据量子理论，相邻能级间的能量差△E、电磁辐射的频率v、波长λ符合下面的关系式：
△E=hv=hc/λ
式中，h是Planck(普朗克)常量，为6.624×10-34J·s=4.136×10-15eV·s；c是光速，为2.998×1010cm·s-1。应用该公式可以计算出电子跃迁时吸收光的波长。例如，某电子跃迁需要3eV的能量，它需要吸收波长多少纳米的光呢？
△E=hc/λ=（4.31610-15eV·s2.9981010cm·s-1）/3 eV=4.13310-5cm=413nm
计算结果说明，该电子跃迁需要吸收波长413nm的光。许多有机分子中的价电子跃迁，须吸收波长在 200~1000nm范围内的光，恰好落在紫外-可见光区域。因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也可以称它为电子光谱。
电子跃迁的类型
有机化合物分子中主要有三种电子：形成单键的σ电子；形成双键的π电子；未成键的孤对电子，也称n电子。基态时， σ 电子和 π 电子分别处在 σ 成键轨道和 π 成键轨道上， n 电子处于非键轨道上。仅从能量的角度看，处于低能态的电子吸收合适的能量后，都可以跃迁到任一个较高能级的反键轨道上。跃迁的情况如下图所示：
烷烃只有σ键,只能发生σ → σ的跃迁，含有重键如C=C，C三C，C=O，C=N等的化合物有σ键和π键，有可能发生σ→σ，σ→π*，π→π*，π→σ的跃迁；分子中含有氧、卤素等原子时，因为它们含有 n 电子，还可能发生 n→π，n→σ的跃迁。有机分子最常见的跃迁是 σ→σ，π→π*，n→σ*，n→π*的跃迁。
电子的跃迁可以分成三种类型：基态成键轨道上的电子跃迁到激发态的反键轨道，称为N→V跃迁，如 σ→σ*，π→π* 的跃迁；杂原子的孤对电子向反键轨道的跃迁，称为N→Q跃迁，如n→σ*，n→π*的跃迁；还有一种N→R跃迁，这是σ键电子逐步激发到各个高能级轨道上，最后变成分子离子的跃迁，发生在高真空紫外的远端。
紫外光谱图
下图是乙酸苯酯的紫外光谱图。紫外光谱图提供两个重要的数据：吸收峰的位置和吸收光谱的吸收强度。由下图可以看出，化合物对电磁辐射的吸收性质是通过一条吸收曲线来描述的。图中以波长(单位 nm)为横坐标，它指示了吸收峰的位置在260nm处；纵坐标指示了该吸收峰的吸收强度，即吸光度为0.8。
影响紫外光谱的因素
生色团和助色团
分子中凡是能吸收某一段光波内的光子而产生跃迁的基团，就称为这一段波长的生色团(chromophore）。紫外光谱的生色团是：碳碳共轭结构、含有杂原子的共轭结构、能进行 n→π跃迁的基团、能进行n→σ跃迁并在近紫外区能吸收的原子或基团。常见的生色团列于下表：
分子中能使生色团吸收峰向长波方向位移并增强其强度的基团称为助色团(auxochrome)。当这些具有非键电子的原子连在双键或共轭体系上，形成非键电子与π电子的共轭，即p-π共轭时，会使电子活动范围增大，吸收向长波方向位移，并使颜色加深。这种效应，称助色效应。下表为乙烯体系、α，β-不饱和羰基体系及苯环体系被给电子助色团取代后波长的增值。
红移现象和蓝(紫)移现象
由于取代基或溶剂的影响，使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移(redshift)现象。由于取代基或溶剂的影响，使最大吸收峰向短波方向移动的现象称为蓝(紫)移(blue shift)现象。波长与电子跃迁前后所占据轨道的能量差成反比，因此，能引起能量差变化的因素如共轭效应、超共轭效应、空间位阻(空阻)效应及溶剂效应等都可以产生红移现象或蓝移现象。
将烷基引入共轭体系时，烷基中的 C-H 键的电子可以与共轭体系的 π 电子重叠，产生超共轭效应，其结果使电子的活动范围增大，吸收向长波方向位移。超共轭效应增长波长的作用不是很大，但对化合物结构的鉴定还是有用的。下表列举的数据表明了在共轭体系上的烷基对吸收波长的影响。
由于溶剂与溶质分子间形成氢键、偶极极化等的影响，也可以使溶质吸收波长发生位移。例如π→π* 跃迁，激发态比基态的极性强，因此极性溶剂对激发态的作用比基态强，可使激发态的能量降低较多，以使基态与激发态之间的能级的能差减小，吸收向长波位移，即发生红移现象。又如n→π跃迁，在质子溶剂中，溶质氮或氧上的 n 轨道中的电子可以被质子溶剂质子化，质子化后的杂原子增加了吸电子的作用，吸引n轨道的电子更靠近核而能量降低，故基态分子的 n 轨道能量降低，n→π 跃迁时吸收的能量较前为大，这使吸收向短波位移，即发生蓝移现象，见下图。
增色效应和减色效应
使ε值增加的效应称为增色效应(hyperchromic effect)。使ε值减弱的效应称为减色效应(hypochromic effect)。 ε值与电子跃迁前后所占据轨道的能差及它们相互的位置有关，轨道间能差小，处于共平面时，电子的跃迁概率较大，ε值也就较大。在分子中，相邻的生色团由于空间位阻效应而不能很好地共平面，对化合物的吸收波长及ε值均有影响。例如，二苯乙烯由于存在双键，具有顺反异构体，反式异构体的两个苯环可以与烯的 π键共平面，形成一个大的共轭体系，它的紫外吸收峰λmax=290nm( ε=27000)；而顺式异构体两个苯环在双键的一边，由于空间位阻不能很好地共平面，共轭作用不如反式的有效，它的紫外吸收峰λmax=280nm(ε=14000)。下图是顺、反二苯乙烯的紫外吸收光谱。
本文原文来自科研N次方测试平台