有机物结构表征

有机化合物结构表征
对于化学家来说，面对一个未知的有机化合物，第一件事就是要对该有机物进行结构表征，说白了就是要知道它的分子结构。

有机物结构表征要获取该物质的一系列信息，包括元素组成、分子量等等。

一般的表征流程有：分离提纯、元素定性和定量分析、测定相对分子质量、推测构造式、结构表征。

一、分离提纯
传统的分离方法有蒸馏、结晶、萃取。

分离后一般要进行纯度测定。

由于有机化合物通常存在于混合物中，所以也有各种各样的技术来评价纯度，尤其是色谱技术，如高效液相色谱法和气相色谱法。

二、元素定性和定量分析
元素分析是对某些物质（如土壤、废物、体液、化学化合物）的特定元素及其同位素进行分析的过程。

元素分析可以是定性的（即检测化合物含有什么元素），也可以是定量的（即检测各元素在化合物中的百分数）。

对于有机化学来说，元素分析通常是对碳C、氢H、氮N、杂原子（包括卤族元素和硫）进行分析。

这些信息对于确定未知化合物的结构有重要的作用，帮助确定一个化合物的结构和纯度。

拉瓦锡被认为是元素分析的先驱者，他通过元素分析定量分析化合物组成。

当时元素分析是基于特定的能选择性吸收燃烧气体的吸附剂材料的前后重量变化，如今普遍使用基于导热率或红外光谱检测燃烧气体或利用其他光谱分析化合物元素组成信息。

●重量测定：利用元素的溶解度性质，将样品溶解后，特定元素产生沉淀，测量其质量；
或利用元素的挥发性质，使特定元素挥发，测量损失的质量。

●原子发射光谱：是利用物质在热激发或电激发下，每种元素的原子或离子发射特征光谱
来判断物质的组成，而进行元素的定性与定量分析的。

原子发射光谱法可对约70种元
素（金属元素及磷、硅、砷、碳、硼等非金属元素）进行分析。

中子活化分析：以一定能量和流强的中子轰击试样中元素的同位素发生核反应，通过测定产生的瞬发伽玛或放射性核素衰变产生的射线能量和强度（主要是伽玛射线），进行物质中元素的定性和定量分析。

三、测定相对分子质量
质谱法可以测定化合物的分子量，通过破碎分子后得到的碎片可以推测分子结构。

高分辨质谱法通常可以识别化合物的准确的分子式，也利用于元素分析。

在过去，质谱被限制于有一定挥发性的中性分子，但先进的电离技术使人们能够获得几乎所有有机化合物的质谱。

质谱分析是一种测量离子质荷比（质量-电荷比）的分析方法，其基本原理是使试样中各组分在离子源中发生电离，生成不同荷质比的带电荷的离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。

在质量分析器中，再利用电场和磁场使发生相反的速度色散，将它们分别聚焦而得到质谱图，从而确定其质量。

四、推测构造式
五、结构表征
结构表征通常使用物理方法，利用现代物理仪器测量方法，如红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱和质谱。

这些是揭示化合物微观结构、进行结构表征的最有力的手段和快速的方法。

传统的光谱学方法，如红外光谱、旋光、紫外/可见光谱提供了相对非特异性的结构信息，但仍用于特定种类的化合物。

传统的折射率和密度进行了重要物质识别。

表征不同结构的化合物要选用不同的方法，很难用一种方法准确决定分子结构，经常是几种方法联合使用，互相补充，互相验证。

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✧红外光谱：在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动
频率与红外光的振动频率相当。

所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。

所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。

✧紫外光谱：有机化合物中的价电子吸收一定波长的电磁波（通常是紫外光和部分可见光），
由低能级跃迁到高能级而产生的一种光谱。

在有机物中价电子轨道有五种：σ、π（成键轨道）、n（非键合电子轨道）、π*、σ*（反键轨道）。

能级依次增大，即σ最小，σ*最大。

价电子优先排满能级较低的轨道，通常处于成键轨道或非键合电子轨道，当价电子吸收外界的一定波长的电磁波，跃迁到较高的能级轨道，可能发生的跃迁方式有：σ→σ*、n→σ*、n→π*、π→π*。

不同的价电子会形成特定的吸收峰，对于分子中重键的结构可以清晰地在谱图中看出，尤其对具有共轭部分的有机物有十分重要的作用。

✧核磁共振波谱法
核磁共振技术可以在不破坏、不损坏样品的情况下准确测定有机物结构。

核磁共振技术可以提供有机物分子结构信息，已成为分子结构解析以及理化性质表征的常规技术手段，除了在物理、生物、医药等领域应用广泛，在化学中更是常规分析不可少的手段。

由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会产生一个磁矩。

这一磁矩的方向与原子核的
自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。

将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。

进动具有能量也具有一定的频率。

原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，对于某一特定原子，在已知强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。

原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，原子核磁矩的方向只能跳跃变化，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。

当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。

只在相邻的两个能级间跃迁，这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。

为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。

当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，即入射光子的频率与进动频率相符时，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收。

因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。