波谱在有机化合物结构分析中的应用

波谱在有机化合物结构分析中的应用

摘要: 红外光谱，紫外光谱，核磁共振谱以及质谱是现代仪器分析中的常用方法，本文总结了这些现代仪器分析方法在有机化学中应用；本文将结合有机化合物结构解析的一些实例，对这四种测试方法进行总结和分析，为进一步掌握常见波谱的基本理论和有机化合物谱图解析提供指导。

关键词: 红外光谱；紫外光谱；核磁共振谱；质谱；结构解析

Abstract:Infrared spectrum, ultraviolet spectrum, nuclear magnetic resonance spectrum and mass spectrum is the commonly used method in modern instrument analysis, this paper summarizes these method applied in the organic chemistry; In this paper, some examples of structural analysis of organic compounds, summarized and analyzed for these method, in order to further grasp the basic theory and common spectrum of organic compounds to provide guidance spectra resolution.

Keywords:infrared spectrum；ultraviolet spectrum；nuclear magnetic resonance；mass spectrum；structure analysis

波谱分析是一种重要的分析手段，它广泛应用于有机化合物的结构解析和定量分析。一般而言，有机化合物的结构分析需要解决三个问题：一是分子中含有哪些基团；二是基团之间是如何连接的，包括他们的空间排列；三是提出并验证整个分子结构模型。波谱分析中的紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱和质谱是目前有机化合物结构解析的最有效工具[1]。本文总结了波谱在有机化合物结构解析中应用的一般方法。

一、红外光谱[2,3]

红外光谱是一种通过对有机化合物分子振动能级变化的测定来判断化合物分子中特定官能团的方法。用他可以确定两个化合物是否相同，也可以确定一个新化合物中某一特殊键或官能团是否存在。中红外区是有机化合物红外吸收的最

重要范围，常见商品仪器波数范围为4000－650cm-1或4000－400cm-1。尽管红外光谱是整个分子的特性，但是无论分子其余部分的结构如何，特定的官能团总是在相同或相近的频率处产生吸收谱带，正是这种特性使红外光谱具有实用性。

分子中原子的振动有两种方式：伸缩振动和弯曲振动。伸缩振动：是原子间沿着键轴的伸长和缩短。弯曲振动：是组成化学键的原子离开键轴而上下左右的弯曲，弯曲振动时键长不变，但键角常有变化。注意：那些能引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外光谱。实验结果和理论分析都证明只有偶极矩大小或方向有一定改变，即有瞬间偶极矩变化的振动才能吸收红外光而发生振动能级的跃迁。

红外光谱的解析：

1、4000-2500cm-1是X-H（X包括C、N、O、S等）的伸缩振动区，O-H、N-H、C-H和S-H键可以辨别，甚至各种不同的C-H键也能辨别出。

2、2500-1500 cm-1是双键的伸缩振动区，大部分糖基化合物集中于1650-1900 cm-1。除去羧酸盐等少数情况外，羰基峰都尖锐或稍宽，其强度都较大，在羰基化合物的红外谱图中，羰基的吸收一般为最强峰或次强峰。

3、1500-1300 cm-1主要提供了C-H弯曲振动的信息。

4、1300-910 cm-1是所有单键的伸缩振动频率、分子骨架振动频率的区域。部分含氢基团的一些弯曲振动和一些含重原子的双键（P=O，P=S等）的伸缩振动频率也在这个区域。

5、910 cm-1以下主要是苯环因取代而产生的吸收区域。这是判断苯环取代位置的主要依据（吸收源于苯环C-H的弯曲振动）。但当苯环上有强极性基团的取代时，常常不能由这一段的吸收判断取代情况。

二、紫外吸收光谱[2,3]

紫外光谱仪是最早应用来测定某些有机化合物分子结构的光谱仪。紫外吸收光谱是化合物吸收200-400nm 的紫外线而产生的吸收光谱，紫外吸收光谱根据有机分子吸收紫外光而产生的不同电子能级跃迁，将相应的吸收归为不同的吸收带。

紫外吸收光谱广泛应用于有机化合物的结构解析和定量分析。目前已经广泛应用于制药、精细化学品生产、石油化工及环境检测等领域。紫外吸收光谱具有

仪器价格便宜及操作简便等优点，同时紫外吸收光谱的基本原理相对简单。根据紫外吸收光谱可以方便地判别出有机化合物的类型、利用经验规律进行有机化合物的结构解析效果也较好，特别是利用紫外可见光谱可以确定共扼体系的存在及共扼体系的基本情况，同时由于结构解析是定量分析的基础，所以应该学习掌握紫外吸收光谱在有机化合物结构解析中应用的一般方法。

有机化合物在紫外光谱中的特征吸收：

1、饱和的碳氢化合物唯一可以发生的跃迁为ζ→ζ*，能级差很大，紫外吸收的波长很短，属于远紫外范围，即在一般紫外光谱仪工作范围之外。

2、含饱和杂原子的化合物杂原子具有孤电子对，含饱和杂原子的基团一般为助色基团。这种化合物有n→ζ*跃迁，但大多数情况，它们在近紫外区仍无明显吸收。

3、含非共轭烯、炔基团的化合物这种化合物都含π电子，可以发生π→π*的跃迁，其紫外吸收波长较ζ→ζ*为长，但乙烯吸收在165nm，乙炔吸收在173nm，因此，它们虽名为生色团，但若无助色团的作用，在近紫外区仍无吸收。

4、含不饱和杂原子的化合物这种化合物中，ζ→ζ*、π→π*属于远紫外吸收，n→ζ*常也属于远紫外吸收，不便检测，但n→π*跃迁的吸收波长在紫外区，可以检测。虽然n→π*的跃迁为禁戒跃迁，吸收强度低，但毕竟其吸收位置较佳，易于检测。

5、含有共轭体系的化合物共轭体系越大，紫外吸收波长越长，会产生K 带。该带的特点为吸收峰很强，Kmax>10000(lgK>4)。共轭双键增加，最大波长向长波方向移动，Kmax也随之增加。

6、芳香族化合物常见有B和E吸收带。烷基苯无孤对电子，对E带无影响，可使B带发生红移。助色团有孤对电子，可使E带和B带均向长波方向移动。生色基团共轭产生更大的共轭体系，使B带产生强烈的红移。

紫外谱图的解析：

1、220－280nm内无紫外吸收，说明该化合物是脂肪烃、脂环烃或它们的简单衍生物，甚至可能是非共轭的烯。

2、220－250nm内显示强吸收（ε近10000或更大），这表明K带的存在，即存在共轭的两个不饱和键（共轭二烯或α,β-不饱和醛、酮）。

3、250－290nm内显示中等强度的吸收，且常显示不同程度的精细结构，