波谱分析 授课教师：彭梦侠

绪论 学习要求 概述 波谱分析的发展 四谱比较 应用举例 本课程的内容及要求 参考资料 吸收光谱学基础知识

学习要求 重点： 难点： 1、了解波谱鉴定是测定有机化合物结构的重要手段。 2、了解四谱具有快速、灵敏、准确和信息丰富的特点。 教学要求： 1、了解波谱鉴定是测定有机化合物结构的重要手段。 2、了解四谱具有快速、灵敏、准确和信息丰富的特点。 3、掌握分子光谱的原理。 重点： 分子光谱的类型及表示方式 难点： 分子光谱原理

概述 研究有机化合物，不论是从天然产物中提取的还是化学方法合成的，都要测定它们的分子结构。 科研和生产中遇到的有机分析问题 原料的分析 产品的分析 中间产物的分析 混合物的分析 新化合物的分析 其他 如食物分析、临床分析、药物分析、环境保护分析、生物化学分析、石油 化学分析，以及法医分析

经典的化学方法是研究有机结构的基础，在现代有机化学研究中仍占有重要地位。   初步检验：颜色、气味、状态、灼烧实验   测定物理常数：熔点、沸点、密度、折光率、比旋光度、分子量 元素定性分析 溶解度分组 官能团分类试验

经典的化学方法的局限 经典的化学方法费时、费力、费钱，试剂的消耗量大。特别是对一些复杂有机物结构的研究，有时要花费有机化学家几年甚至几十年、几代人的精力。而得到的结构还会有某些错误，例如，胆固醇结构式的确定经过了38年（1889~1927）（为此曾颁发了诺贝尔奖金，1928年颁发给德国人文道斯）。后经X射线衍射证明还有某些错误。

例如： 鸦片中吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究，直至1952年才完全阐明，历时147年。

现代有机分析方法 现在的有机物结构测定，则采用现代有机分析法，其优点是：省时、省力、省钱、快速、准确，试剂耗量是微克级的，甚至更少。它不仅可以研究分子的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是极其重要的。 1、色谱分析法 利用物质的相互吸引力的不同，吸附、解吸，从而将混合物分离成纯品。它主要包括：气相色谱法、液相色谱法、薄层色谱法等。它是一类高效的分离方法。

2、波谱分析法 测定有机化合物结构的现代物理方法有多种，常用的有紫外光谱（ ultravioler spectroscopy 缩写为UV）、红外光谱（ infrared spectroscopy 缩写为IR）、核磁共振谱（ nuclear magnetic resonance spectroscopy 缩写为NMR）和质谱（mass spectroscopy 缩写MS），简称四谱。也称波谱分析。 波谱分析：对纯样品（可由色谱分析提供）用光谱的方法进行有机化合物的结构分析。既可定性分析，又可定量分析。

  3、    波谱法特点： (1) 样品用量少，一般来说2～3mg即可（最低可少到<1mg）； (2) 除质谱外，其它方法无样品消耗，可回收再使用； (3) 省时、简便 (4) 配合元素分析（或高分辨质谱），可以准确地确定化合物的结构 使用波谱分析鉴定有机化合物的分子结构时，应了解UV、IR、NMR、MS各种分析方法的特定功能；在利用谱图提供的信息时，要相互参照，相互补充，才能更有效地、准确地确定未知物的分子结构。 在波谱分析前应广泛了解化合物的来源、分离手段和相似的物理化学性质，这些信息不失为结构分析的手段。

实例——分子式为C8H10的化合物可能结构： 测定方法 邻二甲苯 间二甲苯 对二甲苯 乙苯 沸点 ( 用量~40mg ) 144.4 139.1 138.3 136.2 折光率 ( 用量~80mg ) 1.5055 1.4972 1.4958 1.4959 化学转化产物 ( 氧化 ) 及其熔点 ( 用量~20mg ) 邻苯二甲酸 210-211d 间苯二甲酸 348 对苯二甲酸 >300 苯甲酸 122.13 核磁共振氢谱(用量~2mg) 2.2, 7.1 2.3, 7.0 2.3, 7.1 1.3, 2.7, 7.2 红外光谱(用量~2mg)   紫外光谱(用量~2mg) 265(23), 271(2.2) 269(2.3),274(2.3) 267(2.7), 275(2.7) 206(4.5), 259(2.2)

波谱分析的发展 } } 三十年代 UV 官能团 四十年代 IR 分子式， 分子骨架连接 五十年代 NMR MS NMR: 详细 一般文献给出的数据：

70年代，发达国家普及了波谱仪、质谱仪。80年代，我国开始引进；90年代普遍引进。 波谱分析的发展主要体现在三个方面： 1、 UV、IR、NMR、MS与计算机联机 产生了FTIR、FTNMR、二维NMR（CT断层扫描） 2、与计算机、色谱仪联机 GC-MS-COM；HPLC-MS-COM；GC-FTIR-COM 13C-FTNMR-COM

以红外光谱为例：红外显微镜、漫反射附件、衰减全反射附件、高压红外附件、中红外光纤附件等。 3、增加了光谱仪的各种附件 以红外光谱为例：红外显微镜、漫反射附件、衰减全反射附件、高压红外附件、中红外光纤附件等。 例：FTIR-配近红外智能型面上漫发射附件。这一附件使操作简化，无需制样。在有效采集样品光谱的同时，消除了被测样品外包装（如：玻璃瓶等）带来的镜反射影响。可直接测试固体、袋或瓶包装中的粉末、液体。 分析方法更简便，应用范围更广泛，分析结构的能力更强，效率更高。

四谱比较 1、测定方法的灵敏度 MS>UV>IR>1H-NMR>13C- NMR ug mg 2、仪器的价格差距 MS、NMR>>IR、UV; FTIR>IR NMR_100uHz 几十万元 NMR_400uHz百万元 US 高档的也有上百万元

NMR > MS > IR > UV 3、从测定技能 UV、IR、简易的NMR操作较简单；而精密的联用仪器。如：GC-MS-COM；HPLC-MS-COM；GC-FTIR-COM、 13C-FTNMR-COM，因操作复杂，一般配备具有一定技术水平的专门操作人员。 4、获取信息的多寡程度 NMR > MS > IR > UV 氢原子在化合物中的分布（1H-NMR）；碳的骨架（13C-NMR） 分子、离子质量 官能团信息 共轭体系的信息 5、实验所需理论背景知识 NMR>> MS > IR ~ UV

应用举例 1、NMR技术用于生物大分子结构的测定。 如：蛋白质的一、二级结构的测定。1991年获诺贝尔奖。 迄今，已经有六位科学家因在核磁共振研究领域的突出贡献而分别获得诺贝尔物理学、化学、生理学或医学奖。

2、核磁共振成像技术（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI） 是获取样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成象，也就是切片扫描方式。核磁共振手段可测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织中的含水量发生变化，所以，通过水含量分布的情况就可以把病变部位找出来。

3、FTIR与遥感技术结合监测空气污染情况 首先让光谱仪的接受望远镜通过跟踪反射镜，对准烟羽附近的无污染天空处，测太阳光的辐射，然后，再对准烟羽，测量气体对太阳辐射之吸收，求得它的光谱透过率。 4、FTIR检测珠宝 配合红外光导纤维附件、红外显微附件 5、剖析某种产品 6、用于处理交通事故。 涂料碎片的检测 7、在宇宙探索中，GS-MS联用已成功地用于海盗号检测仪，测定了火星的大气成分。 8、在体育竞赛中， GS-MS、HPLS-MS联用已用来测定运动员尿样中的兴奋剂。

本课程的内容及要求 本课程是化学、应用化学专业的选修课。开设的目的是使大家了解光谱鉴定是测定有机化合物结构的重要手段，具有快速、灵敏、准确和信息丰富的特点。通过学习，掌握UV、IR、NMR、MS等四谱解析的基本原理、仪器结构、方法特点、图谱解析、综合解析的一般方法。 要求： 首先必须了解UV、IR、NMR、MS各种方法的基本原理、操作要点、掌握谱图解析的方法和特点，进而培养应用多种谱图综合解析未知物的能力。

推荐参考书： 1、宁永成编著，《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》，科学出版社，2001 2、谢晶曦编著，《红外光谱在有机化学和药物化学中的应用》，科学出版社，1987  3、陈耀祖编著，《有机分析》 4、姚新生等编著，《有机化合物波谱分析》，人民卫生出版社，1981 5、 《波谱分析法》，于世林主编，重庆大学出版社。

有机元素定性分析 在科学研究中合成新的有机化合物后，通过测定这个化合物中的系些元素的含 量，判断它是否与所预期的相符。 在一定的条件下进行新的有机化合物的合成，产生了非预期的反应时 应的过程。 从天然初中分离出新的有机化合物时，测定它的组成。 确定工农业产品的规格或质 量 分析医药，例如砷的制剂。 测定混合物中某组份的含量，在这混合物中只有这一个组份合有某种元素。

元素定性分析的方法 氧化法： 湿法（浓硝酸溶）、干法（氧瓶燃烧） 还原法：钠熔法 灼烧法：分析金属元素

灼烧实验：灼烧试验的目的是观察样品在受热时的变化和燃烧时的现象，通过灼烧试验可以得到对鉴定未知物种类很有用的线索，灼烧试验可以判断化合物的类型，如多硝基化合物容易爆炸，多卤化合物不易燃烧，淀粉无熔点，盐类难熔化，萘易升华。

元素的鉴定 硫的鉴定 氮的检定 （对硝基苯甲醛-邻二硝基苯、联苯胺醋酸铜）

联苯胺-醋酸铜

硫和氮的检定 卤素的鉴定

磷的检定

硅的检定

有机物的溶解度分组 溶剂：水、乙醚、5%NaOH、5%NaHCO3、5%HCl及冷浓H2SO4 溶解度的测定 依次使用各种溶剂 应记住所含的元素 必要时在水浴中加热，但必须冷到室温观察结果 除形成均匀的液体外，能起化学反映，不论能否形成均匀液体，都称为溶解。

根据溶解度进行分组 在水中的溶解度 ： 极性化合物易溶于水，凡能形成氢键的化合物都易溶于水，离子型有机化合物易溶于水 在乙醚中的溶解度 ：非极性化合物或弱极性化合物能溶于乙醚，强极性化合物不易溶于乙醚 在5%NaOH溶液及5%NaHCO3溶液中的溶解度 ：区分强有机酸和弱有机酸 在5%HCl中的溶解度 ：溶于稀盐酸的化合物是碱性化合物 冷浓H2SO4：是否惰性化合物

组 所含元素 化 合 物 类 型 S1组 (包含一个官能团不超过5个碳原子的化合物) 只含C、H、O 含N 含卤素 含S 醇、醛、酮、羧酸、酸酐、缩醛、酯、醚、部分1，2—二元醇及多羟基酚 胺、酰胺、硝基烷 以上化合物的卤素衍生物 巯基酸 S2组 (含两个或两个以上极性官能团的强极性离子型化合物) 含金属 多元醇、二元醇、多元羧酸、羟基酸、简单的糖 羧酸盐、酚盐、金属络合物等 胺的有机及无机酸盐、氨基酸、酰胺、胺、脲等 卤代酸、酰卤、卤醛等 磺酸、亚磺酸 A1组 (强酸性 化合物) 10个碳以下的羧酸、酸酐 氨基酸、多硝基酚 卤代酸、卤代酚 磺酸、亚磺酸、磺酰氯

A2组 (弱酸性 化合物) 只含C、H、O 含N 含卤素 含S 高碳羧酸、酸酐、酚、烯醇 氨基酸、硝基酚、酰胺、醌脲、伯仲硝基烷 卤代酚 硫醇、硫酚、氨基磺酸、醌酰、伯胺 B组 （碱性 化合物）   胺(负性基取代芳胺及二芳基三芳基除外)芳肼，N—二烷基酰胺 M 组 酰胺、多硝基芳胺、二芳基三芳基胺、腈 硫醇、硫酸酯、砜、硫脲 多卤代芳胺、卤代酰胺 N组 不饱和烃、易磺化芳烃。醇、醛、酮、酯、多糖、醚等 I组 烷烃、简单芳烃、卤代烃、二芳基醚等

官能团检验 烃类的检验 卤代烃的检验 羟基化合物的检验 醚的检验 羰基化合物的检验 羧酸衍生物的检验 胺类的检验 硝酸化合物的检验

烃类的检验 溴的四氯化碳溶液试验 高锰酸钾试验 重金属炔化物试验 芳烃的检验 硫酸—甲醛试验 无水三氯化铝—三氯甲烷试验

卤代烃的检验 硝酸银溶液试验 碘化钠—丙酮溶液试验 硝酸银试验为SN1反应，碘化钠—丙酮溶液试验 为SN2反应

羟基化合物的检验 酰氯试验 钒—8—羟基喹啉试验 灰绿色 红色

邻位多元醇的检验

酚类的检验 溴水试验 三氯化铁试验 亚硝酸试验（李伯曼试验）

醚的检验 氢碘酸试验（Zeisel试验）

羰基化合物的检验 2，4—二硝基苯肼试验 杜伦（Tollen’s）试验

羧酸衍生物的检验 羟肟酸铁试验 羧酸酰基衍生物的检验

胺类的检验 伯、仲、叔胺的区别试验 腈试验

硝酸化合物的检验 氢氧化亚铁试验 氢氧化钠—丙酮试验

吸收光谱学基础知识 一、光的波动性 光是电磁波，具有波粒二象性。 有波长、频率两个特征。 每种波长的光的频率不一样，但光速都一样即3×1010cm/s。 波长与频率的关系为：υ= c /λ υ=频率，单位：赫（HZ）； λ=波长，单位：厘米（cm），表示波长的单位很多。如：1nm=10-7cm=10-3μm

二、光的粒子性（能量） 光的能量 光具有波粒二相性。光量子的能量为： E=hυ=hc/λ=hcσ   光的能量 光具有波粒二相性。光量子的能量为： E=hυ=hc/λ=hcσ h-普郎克常数（6.626×10-34J.S）   σ=1/ λ 波数（σ）：1cm长度中波的数目

E = E内 + E平动 + E转动 + E振动 + E电子 + E内旋 三、分子的运动和能量 E = E内 + E平动 + E转动 + E振动 + E电子 + E内旋   能量变化较大的分子内部运动方式主要有三种： 所以分子的总能量可以认为是这三种能量的总和： E分子 = E电子 + E振动 + E转动 若用△E电子、 △ E振动、 △ E转动分别表示电子能级、振动能级转动能级差，即有△ E电子 △ E振动 △ E转动。处在同一电子能级的分子，可能因其振动能量不同，而处在不同的振动能级上。当分子处在同一电子能级和同一振动能级时，它的能量还会因转动能量不同，而处在不同的转动能级上。

图中A和B表示不同能量的电子能级。在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。 分子中电子能级、振动能级和转动能级示意图 图中A和B表示不同能量的电子能级。在每一电子能级上有许多间距较小的振动能级，在每一振动能级上又有许多更小的转动能级。

当用频率为的电磁波照射分子，而该分子的较高能级与较低能级之差△ E恰好等于该电磁波的能量 h时，即有 △ E = h （ h为普朗克常数） 此时，在微观上出现分子由较低的能级跃迁到较高的能级；在宏观上则透射光的强度变小。若用一连续辐射的电磁波照射分子，将照射前后光强度的变化转变为电信号，并记录下来，然后以波长为横坐标，以电信号（吸光度 A）为纵坐标，就可以得到一张光强度变化对波长的关系曲线图——分子吸收光谱图。

四、分子吸收光谱类型 分子获得能量后，可以增加原子的转动或振动、或激发电子到较高的能级。但它们的能级是量子化的，因此只有光子的能量恰等于两个能级之间的能量差时（即ΔE）才能被吸收。所以对于某一分子来说，只能吸收某一特定频率的辐射，从而引起分子转动或振动能级的变化，或使电子激发到较高的能级，产生特征的分子光谱。 E=hv E= hc/λ 该式表明：分子吸收电磁波，从低能级跃迁到高能级，其吸收光的频率与吸收能量的关系。

在分子光谱中，根据电磁波的波长（λ）划分为几个不同的区域，如下图所示： 区 域 波 长 原子或分子的跃迁 γ射线 10-3~0.1nm 核跃迁 X射线 0.1~10nm 内层电子跃迁 远紫外 10~200nm 中层电子跃迁 紫外 200~400nm 外层（价）电子跃迁 可见 400~800nm 红外 0.8~50μm   分子转动和振动 远红外 50~1000μm 微波 0.1~100cm 无线电波 1~100m 核磁共振

分子光谱 电子光谱 振动光谱 转动光谱 UV-Vis 10nm ~ 780nm NI 780nm ~ 2.5m IR 2.5 m ~ 50 m 远红外 50 m ~ 300 m 微波 0.3mm~ 1m

五、吸收光谱的表示方法 A ～λ作图，或ε ～λ作图；或T ～λ作图。 用不同的单色光依次照射被测样品，如果某波长的光子能量正好等于被测物分子的某一能级差，则该波长的光被吸收，透过样品后的光强减弱，产生吸收信号。另外一些波长的光不符合吸收条件，不被吸收，光强不变。用吸光度（吸光系数）或透光率对波长作图得到吸收光谱。 A ～λ作图，或ε ～λ作图；或T ～λ作图。

郎伯-比耳定理 吸光度A 透过光强度I 入射光强度I0 透射率T ε为摩尔吸收系数 a吸光系数 b为光在溶液中经过的距离 C为溶液浓度

通常，分子是处在基态振动能级上。当用紫外、可见光照射分子时，电子可以从基态激发到激发态的任一振动（或不同的转动）能级上。因此，电子能级跃迁产生的吸收光谱，包括了大量谱线，并由于这些谱线的重叠而成为连续的吸收带，这就是为什么分子的紫外、可见光谱不是线状光谱，而是带状光谱的原因。又因为绝大多数的分子光谱分析，都是用液体样品，加之仪器的分辨率有限，因而使记录所得电子光谱的谱带变宽。 分子光谱都是带状光谱。