第六章色譜和波譜化合物的純化和結構研究方法第六章重點講授內容一、分離純化方法、色譜技術簡介二、紅外光譜——

振動能級躍遷三、紫外光譜——

電子能級躍遷四、核磁共振——

核自旋能級躍遷五、質譜推薦參考書1、寧永成編著，《有機化合物結構鑒定與有機波譜學》，科學出版社，20012、馬廣慈主編，《藥物分析方法與應用》，科學出版社，2000

3、陳耀祖編著，《有機分析》，高等教育出版社，1981

推薦參考書4、E.Pretsch,P.Buhlmann,C.Affolter原著，《波譜數據表——有機化合物的結構解析》，榮國斌譯，朱士正校，華東理工大學出版社，20025、謝晶曦，常俊標，王緒明編著，《紅外光譜在有機化學和藥物化學中的應用》（修訂版），科學出版社，20016、黃量，于德泉編著，《紫外光譜在有機化學中的應用》（上，下），科學出版社，2000一、分離純化與色譜技術

反應產物(混合物)

分離純化結構研究結構研究分離純化純產物確定產物結構純天然產物確定天然產物結構天然提取物OHBrKBrH2SO4ReactionMixture:HBr,H2SO4,KBr,K2SO4,H2O1-butanol,1-bromobutane,1-butene,2-butene,dibutyletherdistillation1-butanol,1-bromobutanedibutylether,H2O,HBrH2SO4,KBr,K2SO4,H2O1-Butene2-ButeneWashingbyH2SO41-bromobutaneH2SO4,HBr1)Washingbywater2)Washingby10%NaCO33)Washingbywater1-bromobutane

H2O1-butanoldibutyletherH2SO4,HBr1)Drying2)DistillationPure1-bromobutaneupperlayerlowerlayerAexampleaboutpurificationofreactionproductPurification早期的純化方法:液體物質

——

蒸餾(distillation)和精餾(rectification)固體物質

——

重結晶(recrystalization)局限性:難以應用于半微量和微量物質的分離；蒸餾要求待分離組分有足夠大的沸點差；重結晶要求雜質含量不超過5%一分離純化與色譜技術分析、純化方法的發展——

各種色譜技術：柱色譜（CC——columnchromatograph）薄層色譜（TLC——thinlayerchromatograph）離子交換色譜（IEC——ionexchangechromatograph）高效液相色譜（HPLC——highperformanceliquidchromatograph）氣相色譜（GC——gaschromatograph）優點：分析分離并用。簡單易行、分離效率高、處理量可小可大。一、分離純化與色譜技術薄層色譜Thin-layerchromatography,TLC——

硅膠板——

展開劑——

顯色劑（或UV燈）——Rf=f2/f1一、分離純化與色譜技術吸附柱色譜AdsorptionColumnChromatography一、分離純化與色譜技術快速柱層析——Flashcolumnchromatography——RapidcolumnchromatographyRef:J.O.C.

1978,43,2923一、分離純化與色譜技術早期的分析方法:液體物質

——

測沸點、折射率、旋光度;化學方法等固體物質

——

測熔點;化學方法等局限性:物理量測定需要樣品量大；對于結構近似的異構體難以分析；化學方法分析結構操作較復雜，不易進行。有機化合物結構研究方法有機化合物結構研究方法元素分析——

元素組成質譜（MS）——

分子量及部分結構信息紅外光譜（IR）

——

官能團種類紫外—可見光譜（UV/Vis）——

共軛結構核磁共振波譜（NMR）

——

C-H骨架及所處化學環境X-射線單晶衍射和粉末衍射——晶體結構信息有機波譜法特點(1)樣品用量少，一般2~3mg（可<1mg)(2)除質譜外，無樣品消耗，可回收(3)省時，簡便(4)配合元素分析（或高分辨質譜），可準確確定化合物的分子式和結構SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum分子吸收電磁波的能量后，從較低能級躍遷到較高能級，便產生波吸收譜，稱波譜。分子內部的運動：

——

原子核間的相對振動（IR）——

振動能級

——

電子運動（UV/Vis）——

電子能級

——

分子轉動

——

轉動能級

——

原子核自旋運動（NMR）不同的分子，躍遷的能級差不同，則吸收的光的波長不同，就產生不同的波譜。SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum有機結構解析的“四大譜”紅外光譜紫外光譜核磁共振質譜或：元素分析，紅外，核磁，質譜分子振動能級的躍遷產生IR。用途：提供分子中官能團的結構信息。Vibration---stretchingvibration---bendingvibrationDiatomicmolecule---astretchingvibrationMultiatomicmolecular---severalvibrations紅外光譜

InfraredSpectroscopy紅外光譜

InfraredSpectroscopyStretchingvibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopy一個官能團由于有多種振動方式在紅外光譜中將有一組相應的吸收峰紅外光譜圖InfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopy紅外光譜圖

橫坐標---波數（cm-1,下方）,波長(μm,上方）縱坐標---吸光強度（A）或透過率（T，%）譜區---4000–600cm-1

分兩個區

---官能團區（4000–1400cm-1)---伸縮振動

---指紋區（1400–600cm-1)---彎曲振動InfraredSpectroscopyHook’sLaw(forstretchingvibration)1、振動頻率與成鍵原子折合質量倒數的平方根成正比，即原子質量愈輕，振動頻率愈高；2、振動頻率與鍵的力常數的平方根成正比，即鍵能愈大，鍵長愈短，鍵的力常數愈大，振動頻率愈高。InfraredSpectroscopy

C=CC=CC-C-C-H=C-H=C-H2100-22601600-1670800-12002850-29603010-3100~3300C=OC-O-O-H1660-17801000-13003580-3670C=NC=NC-N-N-H2210-22601630-16901250-13603310-3400(s,ordpeaks)StrongerbondsandlighteratomsgiverisetohigherwavenumbersInfraredSpectroscopy影響紅外吸收頻率的因素——電子效應與共振結構、氫鍵、空間效應

ResonanceEffecte.g.1.C=Oin2-pentanone1720cm-1butin2-cyclohexenone1680cm-1

InfraredSpectroscopy氫鍵對吸收峰頻率影響舉例乙醇在CCl4中濃度變化對紅外吸收的影響比較羰基的伸縮振動，說明原因丙酸酐的紅外光譜乙酸乙酯的紅外光譜空間位阻和張力的影響InfraredSpectroscopy其他影響因素——試樣狀態、測試條件、溶劑極性等峰強度與鍵極性、對稱性的關系——極性越大，峰越強；（紅外光譜的選律）對稱性越高，峰越弱。各主要官能團紅外光譜的特征吸收峰頻率

InfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopy紅外譜圖解析1680-1880是否有強峰羧酸3300-2500強寬峰1300-1100寬峰1300-1100中強峰酯1740-1720強峰2850,2720弱峰醛1725-1705強峰酮~1680強峰酰胺~1800強峰酰鹵是否見下頁~18001700雙峰酸酐1680-1880沒有強峰3600-3300有強峰醇3050中到弱峰1650弱峰3050中到弱峰1650-1450一系列峰烯芳香烴無其他峰2860-2960強峰烷667溴代烴1275-1060強峰醚課堂練習1.已知化學式為C9H122.已知化學式為C4H8O紫外光譜

——

給出共軛雙鍵的信息

——givesusinformationaboutcompoundswithconjugateddoublebond(10nm~200nm遠紫外,200nm~400nm近紫外,400~800nm可見光）Ultravioletandvisiblelighthasjusttherightenergytocauseanelectronictransition----thepromotionofanelectronfromoneorbitaltoanotherofhigherenergy

UltravioletandVisibleSpectroscopyTheelectronicenergystates:

UltravioletandVisibleSpectroscopyTheBeer-Lambertlaw:A=εcl

吸光度A=logI0/II0：進入樣品的光強度

I：透過樣品的光強度摩爾濃度c(mol.L-1)

樣品池長度l（incm)

摩爾吸光系數

ε

UltravioletandVisibleSpectroscopy影響摩爾吸光系數ε的因素：躍遷類型由于n軌道的電子與π

電子集中在不同的空間區域，因此盡管nπ*的躍遷需要的能量較低，其躍遷的幾率是比較小的。表現在摩爾吸光系數ε值較小

UltravioletandVisibleSpectroscopyUltravioletandVisibleSpectroscopyEffectofconjugationonλmax

——

conjugation

raisestheenergyoftheHOMOandlowerstheenergyoftheLUMO

烯烴的HOMO和LUMO的能級ThevisiblespectrumandcolorUltravioletandVisibleSpectroscopyThevisiblespectrumandcolorUltravioletandVisibleSpectroscopyUltravioletandVisibleSpectroscopyA

chromophore

（生色團）isthatpartofamoleculethatisresponsibleforaUVorvisibleabsorptionspectrum.Anauxochrome

（助色團）isasubstituentthat,whenattachedtoachromophore,alterstheλmaxandtheintensityoftheabsorption,usually

increasingbothofthem.(OHandNH2areauxochromes)

UltravioletandVisibleSpectroscopyAshifttoalongerwavelengthiscalledaredshiftandashifttoshorterwavelengthiscalledablueshift

UltravioletandVisibleSpectroscopyUsesofUV/VISspectroscopy——todeterminestructure——tomeasurethebindingconstantinsupermolecularchemistry——tomeasurethereactionrates

常見的有機化合物在紫外光譜中可分為以下幾類1、飽和有機化合物飽和烴分子是只有C－C鍵和C－H鍵的分子，只能發生躍遷，由于σ電子不易激發，故躍遷需要的能量較大，即必須在波長較短的輻射照射下才能發生。飽和烴的吸收一般波長在150nm左右，均在遠紫外區。一般紫外分光光度計無法測出。飽和的醇、醚、酮、氯代烴等在近紫外區亦不產生吸收。2、不飽和脂肪族化合物

單烯烴：紫外吸收小于200nm，一般的紫外分光光度計不能觀察到。共軛雙烯：紫外吸收波長在近紫外區。隨著共軛體系逐漸增大，吸收波長向長波方向位移。在紫外光譜的應用上，占有重要的地位，對于判斷分子的結構非常有用。在220～250nm處有強吸收峰。3、芳香族化合物苯環在184nm（6800），203.5nm（8800），254nm250），分別為有E1、E2和B帶，有苯環的化合物在250～290nm內顯示中等強度的吸收，且顯示不同程度的精細結構。在300nm以上的高強度吸收則為稠環芳烴。4、順式烯烴的紫外吸收波長比反式的短。tomeasurethereactionrates核磁共振原理簡介

原子核是帶正電荷的粒子，能自旋的核有循環的電流，會產生磁場，形成磁矩(μ)。原子核的自旋運動與自旋量子數I的關系如下：分類質量數原子序數自旋量子數NMR訊號ⅠⅡⅢ偶數偶數奇數偶數奇數奇數或偶數01，2，3...(I為整數)1/2,3/2…(I為半整數)無有有

核的自旋運動的角動量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子數(I)來描述。I＝0、1/2、1……

I=0，

ρ=0，無自旋，不能產生自旋角動量，不會產生共振信號。

只有當I

＞O時，才能發生共振吸收,產生共振信號。

I為零的原子核可以看作是一種非自旋的球體，I為1/2的原子核可以看作是一種電荷分布均勻的自旋球體，1H，13C，15N，19F，31P的I均為1/2。I大于1/2的原子核可以看作是一種電荷分布不均勻的自旋橢圓體。

當自旋核處于磁場強度為H0的外磁場中時，除自旋外，還會繞H0運動，這種運動情況與陀螺的運動情況十分相象，稱為進動。

核磁共振原理簡介

在沒有外磁場時，自旋核的取向是任意的,并且自旋產生的磁場方向也是任意的.如果把H核放在外磁場中,由于磁場間的相互作用,氫核的磁場方向會發生變化.

△E=(rh/2

)Ho

其中：r為磁旋比，是原子核特征屬性;h為普朗克常數;Ho是外加磁場的強度當照射無線射頻(ν)的能量剛好等于上述能量差(△E)的時候，就可以引發核自旋能級的躍遷，產生一個共振吸收信號。因此有：△E=(rh/2

)Ho=hν

即ν

=rHo/2

核磁共振原理簡介n=rHo/2p

如果這樣，每個氫核都在同一個位置產生核磁共振吸收信號，事實不是如此。核外有電子，電子在外磁場作用下將產生一個抵抗外加磁場的感應磁場，從而使核實際感受的磁場小于外加磁場。電子對核的這種作用稱為屏蔽效應H有效

=H0-H感受

n實際=r（Ho-H感受）/2p

＝

rHo/2p－rH感受/2p

同種核由于在分子中的化學環境不同在不同共振磁場強度下顯示吸收峰，成為化學位移。核磁共振儀工作原理示意圖兩種工作方式：固定磁場強度，改變無線電波射頻掃描，或者，固定無線電波射頻，改變磁場強度按磁場源分：永久磁鐵、電磁鐵、超導磁按交變頻率分：60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300MHz，400MHz，

500MHz，

……頻率越高，分辨率越高。核磁共振原理簡介屏蔽效應和化學位移值

n實際=r（Ho-H感受）/2p

相對于儀器的工作磁場強度，這種差異是十分微小的（百萬分之十左右）。要精確的測定是很困難的。常采取相對數值表示法：在樣品中加入內標，以內標的核磁共振信號定為零點，其他吸收峰的化學位移值根據這個吸收峰的位置與零點的距離來確定。化學位移還與照射頻率有關，為了統一數值，用下式表示：化學位移δ(ppm)=常用TMS(CH3)4Si作內標，因為其中的氫只有一個信號，且屏蔽作用強于一般的有機化合物，信號在高場出現，其他質子信號在低場（出現在內標的左邊）。ν樣

–ν標（Hz）ν儀（MHz）———————X106核磁共振氫譜和碳譜

左右屏蔽作用：小大（H感應大）固定射頻：較低磁場強度較高磁場強度產生共振固定磁場：高頻（對應高能）低頻（對應低能）δ109876543210ppm

核磁共振氫譜和碳譜

影響化學位移的因素

1、誘導效應:化合物CH3X

CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3I電負性

(X)

4.0(F)3.5(O)3.1(Cl)2.8(Br)2.5(I)δ(ppm)

4.263.403.052.682.16-CH30.9-CH2-1.3-CH-1.5核磁共振氫譜和碳譜

2、去屏蔽作用與π體系各向異向性:電負性：Csp>Csp2>Csp3實測化學位移δ:2~34.5~6.00.9~1.5

推測化學位移δ:C≡C-H>C=C-H>C-C-HPh-H,6~8.5=C-H4.5~6.0核磁共振氫譜和碳譜

2、去屏蔽作用與π體系各向異向性:核磁共振氫譜和碳譜

3、氫鍵的影響:——氫鍵使共振吸收移向低場，因為降低了氫核外的電子云密度，減弱了對氫鍵質子的屏蔽——分子內氫鍵受環境影響較小

所以與樣品濃度、溫度變化不大——分子間氫鍵受環境影響較大

當樣品濃度、溫度發生變化時氫鍵質子的化學位移會發生變化。ArOH4.5~7.7-COOH10~13-OH0.5~5.5-NH20.5~51、飽和碳原子上的質子的d

值：叔碳>仲碳>伯碳2、d值：芳氫>烯氫>烷氫3、吸電子基團（N,O,X,NO2,CO等）使d

值變大。電負性越大，吸電子能力越強，d

值越大。有機化合物中質子化學位移基本規律：

核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振氫譜和碳譜

有機化合物中各種質子的化學位移值

化學等價(chemicallyequivalent)化學等價質子與化學不等價質子的判斷

——

可通過對稱操作或快速機制（如構象轉換）互換的質子是化學等價的。例1：CH3-O-CH36個等價質子一個NMR信號

化學等價(chemicallyequivalent)化學等價質子與化學不等價質子的判斷

——

不可通過對稱操作或快速機制（構象轉換）互換的質子是化學不等價的。例2：(CH3)2CHCH(CH3)2

二組NMR信號例3：

CH3-CH2-Br二組NMR信號例4：CH3-CH2COO-CH3

三組NMR信號

化學等價(chemicallyequivalent)化學等價質子與化學不等價質子的判斷——

與手性碳原子相連的CH2上的兩個質子是化學不等價的。等價不等價

化學等價(chemicallyequivalent)

化學等價質子與化學不等價質子的判斷

化學等價(chemicallyequivalent)對稱操作對稱軸旋轉其他對稱操作（如對稱面）等位質子化學等價質子對映異位質子非手性環境為化學等價手性環境為化學不等價化學等價質子與化學不等價質子的判斷

化學等價(chemicallyequivalent)

化學等價質子與化學不等價質子的判斷對映異位質子非對映異位質子一定是不等價質子苯環上的不等價質子——

硝基苯的1HNMR譜圖乙醚的氫核磁共振譜：-CH2--CH3

自旋裂分與偶合常數

自旋裂分(spinsplitting)

——

鄰近質子間相互作用導致譜線增多的現象自旋偶合（spincoupling)

——

鄰近質子間互相導致譜線增多的作用偶合常數（couplingconstant)

——

裂分信號中兩峰間的距離

(用J表示,單位Hz)自旋偶合與峰的裂分表明不等價質子間的相鄰關系核磁共振氫譜和碳譜

當一組等價質子與另一組數目為n的等價質子鄰近時該組質子的1HNMR信號峰將裂分為

n+1

重峰其中每相鄰兩條譜線間的距離相等，即為偶合常數

——n+1規律如：CH3CH2CH36+1=7重峰

CH3CH2CH

32+1=3重峰

自旋裂分與偶合常數

核磁共振氫譜和碳譜

CH3CHCl2附加磁場——相鄰質子核的影響CH3CHCl21/81/83/83/8幾率峰強度比為1：3：3：1裂分峰的強度比＝(a+b)n展開后各項的系數比

自旋裂分與偶合常數

自旋裂分與偶合常數

當一組等價質子鄰近有兩組等價質子（等價質子數目分別為n1

和n2

個）——則該組質子最多被裂分為：（n1+1）×（n2+1）重峰。如：CH3CH2CH2OH(3+1)×(2+1)=12重峰注:12重峰是最大可能,經常因重疊使譜線數減少。

自旋裂分與偶合常數

自旋裂分與偶合常數

自旋裂分與偶合常數

abcClCH2CH2CH2IHa(2+1)×(2+1)=9重峰dd峰質子間的自旋偶合一般是指相隔3個鍵的兩組質子間的偶合(3Jab)——

相鄰碳上氫的偶合同碳偶合

——

相同碳原子上的兩個不等價質子會發生同碳偶合

(geminalcoupling,2Jab)遠程偶合

——

相隔超過3個鍵的兩組質子間的偶合稱遠程偶合

(longdistancecoupling,4Jab)

——

通常是通過共軛體系相連的氫

自旋裂分與偶合常數

HaandHbwillspliteachother

自旋裂分與偶合常數

核磁共振氫譜和碳譜

峰面積(peakarea)正比于等價質子的數目用積分曲線表示峰面積。積分曲線的高度與峰面積成正比關系。例1：乙醇CH3CH2OH

3組質子的積分曲線高度比為3：2：1例2：對二甲苯

甲基與苯環質子的積分曲線高度比為3：2

積分曲線(integrationline)核磁共振氫譜和碳譜

積分曲線(integrationline)

1HNMR譜圖的解析識別出雜質峰，如溶劑峰以及溶劑中的水峰等根據積分曲線確定各組峰的相應質子數根據化學位移推測各組質子的類型根據偶合裂分情況確定各組質子間的相互關系重水交換法識別活潑氫（OH,NH,COOH)綜合分析（結合其它波譜），確定結構核磁共振氫譜和碳譜

solventd(ppm)solventd(ppm)cyclohexane1.40acetone2.05benzene7.20aceticacid2.058.50chloroform7.26THF1.753.60acetonitrile1.95dioxane3.55water4.70DMSO2.50methanol3.354.80DMF2.772.957.50Ethylether1.163.36pyridine8.506.987.35ChemicalShiftValuesofCommonSolvents常用氘代溶劑峰以及溶劑中的水峰常用氘代溶劑峰以及溶劑中的水峰C6D14常用氘代溶劑峰以及溶劑中的水峰實例分析acbdC6H5CH2CH2OOCCH3

abcd核磁共振氫譜和碳譜

實例分析

abbacedcba實例分析

abdc實例分析

bac~e實例分析

cab實例分析

20A.ClCH2C(Cl)(OCH2CH3)2B.Cl2CHCH(OCH2CH3)2C.CH3CH2OCH(Cl)CH(Cl)OCH2CH3實例分析√實例分析

p-ClC6H4COCH3A.CH3COOCH2CH3D.CH3CH2CH2NO2B.p-CH3CH2C6H4IE.CH3CH2IC.CH3COOCH(CH3)2F.(CH3)2CHNO2實例分析

EA.CH3COOCH2CH3D.CH3CH2CH2NO2B.p-CH3CH2C6H4IE.CH3CH2IC.CH3COOCH(CH3)2F.(CH3)2CHNO2實例分析

DA.CH3COOCH2CH3D.CH3CH2CH2NO2B.p-CH3CH2C6H4IE.CH3CH2IC.CH3COOCH(CH3)2F.(CH3)2CHNO2實例分析

A不飽和度的計算CnHmNaObXc:不飽和度=[(2n+2)-m+a-c]/2C9H10O實例分析

C9H10O實例分析

2323C9H12O實例分析

高分辨核磁共振譜Δn≥10J核磁共振碳譜（13CNMR)13C峰度僅1.11％，比1H信號弱得多，約1/6400化學位移范圍：0～220ppm提供各種類型碳（伯、仲、叔、季碳）的信息。不能用積分曲線獲取碳的數目信息鄰近有吸電子基團，信號移向低場（左移）碳周圍電子密度增加，信號移向高場（右移）常規13CNMR譜為全去偶譜，因而所有的碳信號均為單峰。核磁共振氫譜和碳譜

核磁共振碳譜（13CNMR)碳的類型d(ppm)碳的類型d(ppm)sp3TMS0sp2=C100-150RCH38-35ArC110-170RCH2R15-50RCONH2165-175R3CH20-60RCOOR165-175R4C30-40RCOOH175-185C-I0-40RCHO190-200C-Br25-65RCOR205-220C-Cl35-80C-N40-60C-O50-80sp≡C65-85核磁共振碳譜（13CNMR)dcbaDEPT13CNMR

DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer“不失真地極化轉移增強”一種特殊技術，可識別碳的類型（CH3,CH2,CH,andC)可確定與碳相連的質子的數目以及各類碳的數目核磁共振碳譜（13CNMR)核磁共振氫譜和碳譜

DEPT13CNMRcitronellal二維核磁共振譜Two-dimentionalNMRspectra1971年J.Jeener首次提出了二維核磁共振的概念Ernst教授進行了大量卓有成效的研究，推動了二維核磁共振的發展，再加上他對脈沖-傅立葉變換核磁共振的貢獻，獲1991年諾貝爾化學獎——

提