波谱分析论文

波谱分析法推断化合物的结构
Using the method of spectrum analysis to conjecture
the structure of compound
摘要：
近年来，在探究有机分子和生物大分子化学结构的各类方法中，波谱分析已经成为最可靠、最有效的分析手段，主要包括：紫外光谱、红外光谱、质谱和核磁共振等。

本文主要阐述了几种光谱的检测原理和研究进展，并分别用3种不同的方法来推断确定未知化合物的结构。

关键词：波谱分析，红外，紫外，质谱，核磁共振
1概述
早在19世纪50年代，人们就开始应用目视比色法。

19世纪末就已经开始了红外和紫外光谱测定，进入20世纪，随着科学技术的发展，仪器性能大大提高，实验方法不断改进和革新，特别是计算机的应用，使波谱法得到了突飞猛进的发展。

近年来，新应用以及新方法不断涌现。

波谱分析主要是以光学理论为基础，以物质与光相互作用为条件，建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互关系，进行物质分子几何异构、立体异构、构象异构和分子结构分析和鉴定的方法。

波谱法是建立在物质光学光谱性质上的分析方法，其主要包括红外光谱、紫外光谱、核磁共振和质谱，简称为四谱。

除此之外还包含有拉曼光谱、荧光光谱、旋光光谱和圆二色光谱、顺磁共振谱。

波谱法的种类也越来越多。

由于波谱分析法具有快速、灵敏、准确、重现性好等优点，使其应用范围广泛，涉及到化学、化工、材料科学、医学、生命科学、环保、食品安全等领域。

2基本原理
2.1红外光谱
用一定频率的红外光照射分子，分子发生振动能级的跃迁。

分子的振动分为：伸缩振动（v）、弯曲振动（δ）。

产生红外光谱的必要条件是：①红外辐射光的频率与分子振动的频率相当，才能满足分子振动能级跃迁所需的能量，而产生吸收光谱。

②必须是能引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收光谱。

红外主要分为三个区域：近红外区（波数13330 cm-1~ 4000 cm-1）中红外区（波数4000 cm-1 ~ 650 cm-1）和远红外区（波数650 cm-1 ~ 12 cm-1）。

大多数有机化合物红外吸收的波数范围在4000—665cm-1，即属于中红外区。

在红外谱图中，横坐标一般用波数（v）来表示，代表吸收峰的位置。

纵坐标用透过率（T%）或者吸光度（A）来表示，代表吸收峰的强度。

其中，透过率越小表明吸收的越好，故曲线的低谷表示是一个很好的吸收带。

2.2紫外光谱
紫外-可见吸收光谱法是利用某些物质的分子吸收200～800nm光谱区的辐射来进行分析测定的方法。

分子吸收紫外光区的电磁辐射，引起电子能级的跃迁即成键电子或非键电子由基态跃迁到激发态。

跃迁所需能量大小顺序：σ→σ* > n→σ* > π→π* > n→π*。

这种分子吸收光谱产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁，广泛用于有机和无机物质的定性和定量测定。

紫外波谱符合基本的吸收定律--朗伯-比尔定律
从试验中测出吸光度A，再利用朗伯-比尔定律就可以计算某物质在一定波长下的摩尔吸光系数（ε），就可以对某种物质进行定量分析—紫外-可见分光光度法。

2.3质谱
质谱法是一种通过制备、分离、检测气相离子来鉴定化合物的技术。

质谱法在一次分析中可提供丰富的结构信息，将分离技术与质谱法相结合是分离科学方法中的一项突破性进展。

在众多的分析测试方法中，质谱法因其具备高特异性和高灵敏度的优点而得到了广泛应用。

在高真空状态下，有机分子受到粒子流或强电场作用而失去外层电子，变成分子离子，同时还会发生化学键的有规律的裂解，生成各种质量数的碎片离子。

在磁场中，正电荷离子被分离、采集和记录，质谱图通过分子离子和碎片离子的质量数和相互关系，提供与分子结构有关的谱图信息。

质谱是唯一可以给出分子量，确定分子式的方法，而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。

2.4核磁共振
原子核存在自旋能产生核磁矩，在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。

如果辐射电磁波的能量恰好等于跃迁能量，则吸收能量产生跃迁。

核磁共振正是根据有磁矩的原子核（如1H、13C、19F、31P 等），在磁场的作用下，能够产生能级间的跃迁的原理，而采用的一种新技术。

这种新技术自1946年发现，经20世纪50年代末高分辨核磁共振仪问世以来，现已有很大发展。

高分辨核磁共振图谱的具有以下几方面优点：①适用的样品广泛。

②全部核的信息均能被反映出来。

③图谱规律强、易解析。

一般情况下，几乎所有信号均能认出，得到归属，而且非常明确。

④提供的立体化学、动力学信息多。

构型、构象、互变异构、动态反应等的立体化学和动力学信息核磁共振图谱均能清楚的反映，这是其他任何图谱所不能相比的。

3未知化合物的鉴定
给出某一未知化合物，其分子式为C8H10O，试用三种不用的波谱分析方法推断确定其结构。

3.1红外光谱法
该化合物的红外谱图如下所示：
首先计算该未知化合物的不饱和度：U=（2*8+2-10）/2=4，初步推断该物质
可能含有苯环，且不再含有其他双键等不饱和度。

从图中可以看出，在大于3000cm-1处有较强的吸收说明是苯环上的C—H键伸缩振动，在1450-1600 cm-1处有较强吸收，说明是苯环上的C=C双键，在690 cm-1的吸收说明是苯环上的单取代。

假设是醇，则应该在3600 cm-1左右有较强的吸收尖峰，因此可以排除。

且在1020-1275 cm-1处有一组较强的吸收峰，说明含有醚的结构。

综合以上信息，可推断出该未知化合物可能为苯乙醚C6H5—O—CH2—CH3。

再通过其它方法进一步确定其结构。

3.2质谱法
该化合物的质谱谱图如下所示：
质谱谱图中，横坐标为质核比，从图中可看出最大质核比为122，此为分子离子峰，即该化合物的分子量为122，结合其不饱和度为4，可以初步推测出该化合物含有苯环。

其次在质核比为94处为M-28离子碎片，可能失去的是—CH2—CH3，说明该化合物中含有乙基。

在质核比为77处为苯环离子峰，说明其中可能失去的是—O—，具有醚结构。

且质核比为51是其进一步失去乙炔分子产生的碎片。

因此综合以上信息，可推断出该未知化合物可能为苯乙醚C6H5—O —CH2—CH3。

3.3核磁共振氢谱法
该化合物的核磁共振氢谱谱图如下所示：
从图中可以看出，在δ=1.4处，积分为3H，三重峰，推断出3个氢，1个CH3峰，可能是CH2—CH3结构；在δ=4.0处，积分为2H，四重峰，推断出2个氢，1个CH3峰，可能是O—CH2—CH3结构；在δ=6.9和δ=7.3处，积分分别为3H和2H，多重峰，可推断出5个氢，苯环颠覆性单取代特征峰形。

因此综合以上信息，可推断出该未知化合物可能为苯乙醚C6H5—O—CH2—CH3。

参考文献：
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