波谱解析introduction课件

图谱解析

InterpretationofSpectra食品科学与技术国家重点实验室江南大学超值-划算--购物推荐群：302284607IntroductiontoSpectroscopy

？SpectroscopicmethodsofstructuredeterminationDeducethestructureofanunknownorganicsubstancefromanexaminationofitsspectra物质在电磁波辐射下，分子内部发生运动，同时吸收、发射或散射某种波长的光，引起光强度的改变，根据电磁辐射与物质之间的这种相互作用而建立起来的分析方法称为波谱分析法（光谱分析法），可以对物质的结构、组分含量及基团化学环境进行分析。SpectroscopicmethodsUVtodetectconjugatedsystems,thepromotionofelectronsfromthegroundstatetotheexcitedstateIRtodetectandidentifythevibrationsofmolecules

functionalityNMR

todetectchangesinthealignmentofnuclearmagnetsinstrongmagneticfields,suchnucleias

1H,13C,15N,19F,31Petc.

molecularskeletonMS

tomeasurethemass-to-chargeratiooforganicions

molecularformulaElementalAnalysisandCalculationsHowthemolecularformulaofacompoundisdetermined?Howstructuralinformationmaybeobtainedfromthatformula?ElementalAnalysisandCalculationsQualitativeelementalanalysiscombustion(C,H),sodiumfusiontest(N,Cl,Br,I,S)Quantitativeelementalanalysiselementalanalyzer(C,H,N)

empiricalformulaMolecularmassdeterminationmassspectrometry

molecularformulatheRuleofThirteenWhereMisthemolecularmassThebaseformula:CnHn+rTable1.1Carbon/HydrogenEquivalentsforSomeCommonElementsegM=94C7H10U=3C6H6OU=4C5H2O2

U=5CH3BrU=0C5H2SU=5C6H8NU=3.5AnintegralvalueU≥0U光的能量与波长及频率之间的关系电磁波谱区

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References

Pavia,Lampman,Kriz.IntroductiontoSpectroscopy.SaundersCollegePublishing,2001Silverstein,Webster,Kiemle.SpectrometricIdentificationofOrganicCompounds.StateUniversityofNewYork,2005DudleyH.Williams,IanFleming.SpectroscopicMethodsinOrganicChemistry.TheMcGraw-HillCompanies,1995邹建平，王璐，曾润生.有机化合物结构分析.科学出版社，2005常建华，董绮功.波谱原理及解析.科学出版社，2001.宁永成.有机化合物结构鉴定与有机波谱学.科学出版社，2000.一、分子的能级图分子中存在着电子能级、振动能级和转动能级。这三种能级都是量子化的。其中电子能级的间距最大，振动能级次之，转动能级的间距最小。能级差△E

:每个能级间的间距，能量差。二、能级跃迁物质对光的吸收：当一束光照射到某物质或其溶液时，组成该物质的分子、原子或离子与光子发生“碰撞”，光子的能量就转移到分子、原子上，使这些粒子由最低能态（基态）跃迁到较高能态（激发态）。分子、原子或离子具有不连续的量子化能级，仅当照射光光子的能量（hv）与被照射物质粒子的能级差相等时才能发生吸收。有机分子能选择性的吸收光的能量，同时被激发到一个较高的能级三、分子光谱是带状光谱

不同的物质微粒由于结构不同而具有不同的量子化能级，其能量差也不相同。所以物质对光的吸收具有选择性。不同波长的光，能量不同，跃迁形式也不同，因此有不同的光谱分析法。分子在吸收过程中发生电子能级跃迁的同时伴随振动能级和转动能级的能量变化。一般原子对电磁辐射的吸收只涉及原子核外电子能量的变化，是一些分离的特征锐线，而分子的吸收光谱是由成千上万条彼此靠得很紧的谱线组成，看起来是一条连续的吸收带。分子轨道Molecularorbits*occupied成键轨道unoccupied反键轨道分子轨道可分为σ、π及n轨道等数种。形成单键的σ电子。形成双键的π电子。未成键的n电子。电子的跃迁电子能级及电子跃迁示意图→*＞n→*≥→*＞n→*n*

Transition含有未共享电子对的取代基都可能发生。含有S，N，O，Cl，Br，I等杂原子的饱和烃衍生物都出现一个n*跃迁产生的吸收谱带。是高能量跃迁，一般max<200nm，落在远紫外区。跃迁所需能量与n电子所属原子的性质关系很大。杂原子的电负性越小，电子越易被激发，激发波长越长。有时也落在近紫外区。如甲胺，max=213nm。3)

*

Transition不饱和分子能够发生

*transition。所需能量较少，一般在紫外区，若双键共轭，则吸收大大增强，波长红移，max和max均增加。max随着双键共轭程度的增加而增加。如单个双键，一般

max=150-200nm，乙烯的max=185nm；而共轭双键如丁二烯max=217nm，己三烯max=258nm。吸收带的划分Alkanes.*

Transition

highenergy;shortwavelengths,max<170nmAlcohols,Ethers,Amines,andSulfurCompounds.n*

Transition

Alcoholsandamines,175to200nm;Organicthiolsandsulfides,200to220nm;AlkenesandAlkynes.

Unsaturatedmolecules,*transitions,175nm,170nm

ratherhighenergy,sensitivetothepresenceofsubstitutionCarbonylCompounds.

n*Transition,280-290nm(

=15);*transitions,180nm(

=900)吸收曲线（吸收光谱）每一种物质对不同波长光的吸收程度是不同的。如果我们让各种不同波长的光分别通过被测物质，分别测定物质对不同波长光的吸收程度。以波长为横坐标，吸收程度为纵坐标作图所得曲线。例：丙酮

max=279nm(=15)nm摩尔吸光系数ε表示吸光物质对指定频率光子的吸收本领，它与吸收物质的性质（跃迁几率、分子截面积）及入射光的波长λ有关。

ε(L/mol·cm)

是吸光物质在特定波长和溶剂情况下的一个特征常数，数值上等于1mol·L-1吸光物质在1cm光程中的A。ε的数值大小表示样品分子在吸收峰的波长处可以发生能量转移（电子跃迁）的可能性，代表吸收峰的强度。紫外光谱中峰的强度遵守朗伯－比耳定律，一般观察到的的范围从10～105，通常＞7000为强吸收带，＜100为弱吸收带。最大吸收波长max吸收曲线表明了某种物质对不同波长光的吸收能力分布。曲线上的各个峰叫吸收峰。峰越高，表示物质对相应波长的光的吸收程度越大。其中最高的那个峰叫最大吸收峰，它的最高点所对应的波长叫最大吸收波长，用λmax表示。

Fig.UltravioletSpectrumofBenzoicAcidinCyclohexane

272

3.1282

2.9不同的物质，吸收曲线的形状不同，最大吸收波长不同。对同一物质，其浓度不同时，吸收曲线形状和最大吸收波长不变，只是吸收程度要发生变化，表现在曲线上就是曲线的高低发生变化。苯的紫外吸收光谱苯有三个吸收带，芳香族化合物的特征吸收。E1带，λmax185nm，

=47,000

E2带，λmax204nm

，=7,400B带，255nm，

=230。在气态或非极性溶剂中，苯及其许多同系物的B谱带有许多的精细结构，这是由于振动跃迁在基态电子上的跃迁上的叠加而引起的。在极性溶剂中，这些精细结构消失。生色团和助色团

生色团（chromophore）是分子中产生紫外吸收带的主要官能团，具有π电子的官能团，如C=C，C=O，N=N，N=O等。助色团（auxochrome）本身在紫外区和可见区不显示吸收的原子或基团，当连接一个生色团后，则使生色团的吸收带向红移并使吸收强度增加．一般为带有p电子的原子或原子团。助色团通常都含有n电子，与生色团相连时形成p-π共轭，导致π→π*跃迁能量降低，吸收向长波方向移动，颜色加深。常见生色团和助色团生色团：助色团：－Cl,－NH2,－OH,－SH,等含p电子的基团生色团O=C-C=C物质紫外光谱基本上是其分子中生色团及助色团的特征，紫外光谱相同，两种化合物有时不一定相同。在相同条件下，比较未知物与已知标准物的紫外光谱图，若两者的谱图相同，则可认为该待测试样与已知化合物有相同的生色团。(a)胆甾酮(b)异亚丙基丙酮影响紫外－可见吸收光谱的因素

共轭效应：红移，增色效应。空间位阻：蓝移，减色效应。取代基：红移。溶剂：随着溶剂极性的增大，n→π*跃迁所产生的吸收带向短波方向移动，π→π*跃迁所产生的吸收带向长波方向移动。温度：低温产生红移，谱带尖锐，强度增加；高温使谱带变宽，精细结构消失。红移效应：吸收峰向长波方向移动，含有未共享电子对的基团取代。蓝移（紫移）效应：吸收峰向短波方向移动，如羰基碳原子一端引入-R，-OCOR等基团。共轭效应由于共轭双键中π-π*跃迁所产生的吸收带成为K吸收带。其特点是强度大，摩尔吸光系数εmax通常在10000-200000（＞104）之间；吸收峰位置（λmax）一般在217-280nm范围内。Table2-5TheEffectofConjugationonElectronicTransitions取代基（生色团）的影响红移、增色溶剂效应最大吸收波长发生变化吸收带形状的变化：当溶剂的极性由非极性改变到极性时，精细结构消失，吸收带变向平滑。溶剂的选择由于溶剂对电子光谱图影响很大，因此，在吸收光谱图上或数据表中必须注明所用的溶剂。与已知化合物紫外光谱作对照时也应注明所用的溶剂是否相同。进行紫外光谱法分析时，必须正确选择溶剂。（1）溶剂应能很好地溶解被测试样，溶剂对溶质应该是惰性的。即所成溶液应具有良好的化学和光化学稳定性。（2）在溶解度允许的范围内，尽量选择极性较小的溶剂。（3）溶剂在样品的吸收光谱区应无明显吸收。常用的紫外光谱溶剂Table2-1SolventCutoffs(minimumregionsoftransparency)Thesolventsmostcommonlyusedarewater,95%ethanol,andn-hexane.吸收定律

Lambert-Beer定律：当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质的理想溶液时，溶液的吸光度与溶液的浓度和液层厚度的乘积成正比。适用于溶液，其他均匀非散射的吸光物质（气体、固体），是吸光光度法定量分析的依据。吸光度入射光强度透射光强度摩尔吸光系数样品摩尔浓度光程透光率T与吸光度A的关系例题：已知某化合物的相对分子量为251，将此化合物用已醇作溶剂配成浓度为0.150mmol·L-1溶液，在480nm处用2.00cm吸收池测得透光率为39.8%，求该化合物在上述条件下的摩尔吸光系数。已知溶剂浓度c=0.150mmol·L-1，l=2.00cm,T=0.398ε（480nm）=A/cl

=-lg0.398/0.150×10-3×2.00=1.33×103(L·mol-1·cm-1)定量分析标准曲线法（工作曲线法）配标准系列，测绘出标准曲线在相同条件下，配制样品，测其A在标准曲线上查出样品浓度偏离吸收定律的原因：非单色光引起的偏离非平行光和光的散射溶液本身的化学和物理因素引起的偏离：离解作用、酸效应、溶剂作用测量条件的选择1.测量波长的选择：一般选用待测物质的最大吸收波长作为测量波长（入射光）但当在最大吸收波长处有干扰时，则应根据“吸收最大干扰最小”的原则来选择波长。2.控制适当的吸光度范围：由测量误差可知，当吸光度在0.2～0.8之间时，测量误差最小，所以应尽量控制吸光度在此范围进行测定。控制的方法：1）控制溶液的浓度；2）选用适当厚度的比色皿；3.选择适当的参比溶液：a.如果仅有显色剂与被测组分反应的产物有吸收，则可以用纯溶剂作参比溶液；b.如果显色剂和其他试剂有颜色，则用试剂溶液作参比液.应用实例主要用于判断有无生色基及有无共轭结构:1）根据已知基团的吸收带位置来确定结构。

测出三氯乙醛水合物有两种可能的结构，在环己烷中lmax=290nm(e=33),但在水中此吸收消失。2)判断有无共轭结构。异丙叉丙酮有两种异构体:lmax=235nm(e=12000)>220nm无强吸收2.17Whattolookforinanultravioletspectrum:

ApracticalguidePossibilities:amines,alcohols,ethers,andthiolsException:n*

ofcyanogroups(-C≡

N)(<100)Asinglebandoflowintensity(

=10to100)intheregion250-360nm,withnomajorabsorptionatshorterwavelengths(200-250nm)

n*

Asimple,orunconjugated,chromophore(containsanO,N,orS):C=O,C=N,N=N,-NO2,-COOR,-COOH,or

–CONH2.Asinglebandoflowtomediumintensity(

=100to10,000)atwavelengthslessthan220nm

n*

Agooddealoffinestructureinthelongerwavelengthband(innon-polarsolventsonly).Substituentonthearomaticringsincreasesthemolarabsorptivityabove10,000.Inpolynucleararomaticsubstances,athirdbandappearsnear200nm.Twobandsofmediumintensity(

=1,000to10,000),bothwith

maxabove200nm

anaromaticsystem Bandsofhighintensity(

=10,000to20,000),above210nm an,

-unsaturatedketoneoradieneorpolyeneThegreaterthelengthoftheconjugatedsystem,thelongertheobservedwavelength.Fordienes,usingtheWoodwood-fieserrules.Simpleketones,acids,esters,amides,andothercompoundscontainingbothsystemandunsharedelectronpairs,willshowtwoabsorptions:

n*

atlongerwavelength(>300nm,lowintensity)

*

atshorterwavelength(<250nm,highintensity) Withconjugation(enones),themaxofthe

*

bandmovestolongerwavelengths,Woodward’sRules,risesabove10,000,mayobscureorburytheweakern*

transition.,

-unsaturatedestersandacids,Nielsen’srulesCompoundswhicharehighlycoloredarelikelytocontainalong-chainconjugatedsystem(4~5)orapolycyclicaromaticchromophore.withNO2,N=N,N=O,-diketo,polybromo,polyiodoandquinoidstructurescompounds紫外-可见分光光度计氢灯和氘灯钨丝灯和卤钨灯棱镜、光栅

玻璃和石英光电倍增管0.575光源单色器吸收池检测器显示狭缝思考题在紫外可见吸收光谱（200-700nm）中，常用饱和烃（如己烷、庚烷、环己烷等）做溶剂，为什么？T=100%时，A=？铁（Ⅱ）浓度为50×10-4g·L-1的溶液,与1,10-邻二氮杂菲反应,生成橙红色络合物。该络合物在波长508nm,比色皿厚度为2cm时,测得A=0.190。计算1,10-邻二氮杂菲亚铁的ε。(已知铁的相对原子质量为5585)

思考题何谓助色团及生色团？试举例说明。在有机化合物的鉴定及结构推断上，紫外吸收光谱所提供的信息有什么特点。下列两对异构体，能否用紫外光谱加以区别第二章红外光谱法当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。红外光基本原理红外光可以使样品分子发生振动和转动，故红外光谱又称为振动光谱。分子在振动和转动过程中只有伴随净的偶极矩变化的键才有红外活性。因为分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。h=△E振（共振）对称双原子分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。（N2、O2、Cl2等）非对称分子：有偶极矩，具红外活性。红外光区的划分近红外光区（0.78~2.5µm）主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如O-H、N-H、C-H）伸缩振动的倍频吸收产生。中红外光区（2.5~25µm）是绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。中红外光谱法又简称为红外光谱法。远红外光区（25~1000µm）是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。由于低频骨架振动能灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。红外光谱的特点红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收谱带的强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且是鉴定化合物和测定分子结构的用效方法之一。FT-IRBeamsplitters（分束器）DetectorSampleCompartmentInfraredSourceHowtoprepareIRsamples?粉末样品KBr压片薄膜样品SolidsamplesHowtoprepareIRsamples?Makingasandwich

UsingaliquidcellLiquidsampleshighlypolishedsaltplate(suchasNaCl,KBr)ATR?

Attenuatedtotalreflection物体表面特别适用于过厚或吸收过强的样品，透射无法检测

无需样品制备高折射率晶体DiffuseReflectanceDiffuseReflectanceInfraredFourierTransformSpectroscopy(DRIFTS)采集和分析的是散射红外光。适用于分析微小的颗粒和粉末，包括粗糙的表面。基本不需要进行样品制备，方便、快速。聚苯乙烯薄膜的红外光谱eg.横坐标：波数或波长，纵坐标为透光率或吸光度。双原子分子的振动C-光速k-键力常数μ-折合质量Hook’slaw:影响振动频率()的因素同类原子组成的化学键，力常数k越大，振动频率越大。

C-C C=C C≡C

1200cm-1 1650cm-1 2150-1

increasingk

同类化学键，原子的相对原子质量越大，振动频率越小。C－HC－CC－OC－ClC－BrC－I3000cm-11200cm-1

1100cm-1800cm-1550cm-1

~500cm-1 increasingμ弯曲振动力常数k小，伸缩振动力常数k大

CHstretching CHbending

~3000cm-1

~1340cm-1杂化作用影响力常数K，sp>sp2>sp3

sp sp2 sp3

≡C-H =C-H -C-H 3300cm-1 3100cm-1 2900cm-1

谐振影响键的强度和长度，也即影响力常数k C=O(normal） C=O(conjugated) 1715cm-1 1675–1680cm-1实际上在一个分子中，基团与基团之间，化学键之间都会相互影响，因此，振动频率不仅决定于化学键两端的原子质量和键力常数，还与内部结构和外部因素（化学环