第6章 色谱和波谱

第六章色谱和波谱化合物的纯化和结构研究方法第六章重点讲授内容一、分离纯化方法、色谱技术简介二、红外光谱——

振动能级跃迁三、紫外光谱——

电子能级跃迁四、核磁共振——

核自旋能级跃迁五、质谱推荐参考书1、宁永成编著，《有机化合物结构鉴定与有机波谱学》，科学出版社，20012、马广慈主编，《药物分析方法与应用》，科学出版社，2000

3、陈耀祖编著，《有机分析》，高等教育出版社，1981

推荐参考书4、E.Pretsch,P.Buhlmann,C.Affolter原著，《波谱数据表——有机化合物的结构解析》，荣国斌译，朱士正校，华东理工大学出版社，20025、谢晶曦，常俊标，王绪明编著，《红外光谱在有机化学和药物化学中的应用》（修订版），科学出版社，20016、黄量，于德泉编著，《紫外光谱在有机化学中的应用》（上，下），科学出版社，2000一、分离纯化与色谱技术

反应产物(混合物)

分离纯化结构研究结构研究分离纯化纯产物确定产物结构纯天然产物确定天然产物结构天然提取物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早期的纯化方法:液体物质

——

蒸馏(distillation)和精馏(rectification)固体物质

——

重结晶(recrystalization)局限性:难以应用于半微量和微量物质的分离；蒸馏要求待分离组分有足够大的沸点差；重结晶要求杂质含量不超过5%一分离纯化与色谱技术分析、纯化方法的发展——

各种色谱技术：柱色谱（CC——columnchromatograph）薄层色谱（TLC——thinlayerchromatograph）离子交换色谱（IEC——ionexchangechromatograph）高效液相色谱（HPLC——highperformanceliquidchromatograph）气相色谱（GC——gaschromatograph）优点：分析分离并用。简单易行、分离效率高、处理量可小可大。一、分离纯化与色谱技术薄层色谱Thin-layerchromatography,TLC——

硅胶板——

展开剂——

显色剂（或UV灯）——Rf=f2/f1一、分离纯化与色谱技术吸附柱色谱AdsorptionColumnChromatography一、分离纯化与色谱技术快速柱层析——Flashcolumnchromatography——RapidcolumnchromatographyRef:J.O.C.

1978,43,2923一、分离纯化与色谱技术早期的分析方法:液体物质

——

测沸点、折射率、旋光度;化学方法等固体物质

——

测熔点;化学方法等局限性:物理量测定需要样品量大；对于结构近似的异构体难以分析；化学方法分析结构操作较复杂，不易进行。有机化合物结构研究方法有机化合物结构研究方法元素分析——

元素组成质谱（MS）——

分子量及部分结构信息红外光谱（IR）

——

官能团种类紫外—可见光谱（UV/Vis）——

共轭结构核磁共振波谱（NMR）

——

C-H骨架及所处化学环境X-射线单晶衍射和粉末衍射——晶体结构信息有机波谱法特点(1)样品用量少，一般2~3mg（可<1mg)(2)除质谱外，无样品消耗，可回收(3)省时，简便(4)配合元素分析（或高分辨质谱），可准确确定化合物的分子式和结构SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum分子吸收电磁波的能量后，从较低能级跃迁到较高能级，便产生波吸收谱，称波谱。分子内部的运动：

——

原子核间的相对振动（IR）——

振动能级

——

电子运动（UV/Vis）——

电子能级

——

分子转动

——

转动能级

——

原子核自旋运动（NMR）不同的分子，跃迁的能级差不同，则吸收的光的波长不同，就产生不同的波谱。SpectroscopyandtheElectromagneticSpectrum有机结构解析的“四大谱”红外光谱紫外光谱核磁共振质谱或：元素分析，红外，核磁，质谱分子振动能级的跃迁产生IR。用途：提供分子中官能团的结构信息。Vibration---stretchingvibration---bendingvibrationDiatomicmolecule---astretchingvibrationMultiatomicmolecular---severalvibrations红外光谱

InfraredSpectroscopy红外光谱

InfraredSpectroscopyStretchingvibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopyBendingVibrationsInfraredSpectroscopy一个官能团由于有多种振动方式在红外光谱中将有一组相应的吸收峰红外光谱图InfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopy红外光谱图

横坐标---波数（cm-1,下方）,波长(μm,上方）纵坐标---吸光强度（A）或透过率（T，%）谱区---4000–600cm-1

分两个区

---官能团区（4000–1400cm-1)---伸缩振动

---指纹区（1400–600cm-1)---弯曲振动InfraredSpectroscopyHook’sLaw(forstretchingvibration)1、振动频率与成键原子折合质量倒数的平方根成正比，即原子质量愈轻，振动频率愈高；2、振动频率与键的力常数的平方根成正比，即键能愈大，键长愈短，键的力常数愈大，振动频率愈高。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影响红外吸收频率的因素——电子效应与共振结构、氢键、空间效应

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

InfraredSpectroscopy氢键对吸收峰频率影响举例乙醇在CCl4中浓度变化对红外吸收的影响比较羰基的伸缩振动，说明原因丙酸酐的红外光谱乙酸乙酯的红外光谱空间位阻和张力的影响InfraredSpectroscopy其他影响因素——试样状态、测试条件、溶剂极性等峰强度与键极性、对称性的关系——极性越大，峰越强；（红外光谱的选律）对称性越高，峰越弱。各主要官能团红外光谱的特征吸收峰频率

InfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopyInfraredSpectroscopy红外谱图解析1680-1880是否有强峰羧酸3300-2500强宽峰1300-1100宽峰1300-1100中强峰酯1740-1720强峰2850,2720弱峰醛1725-1705强峰酮~1680强峰酰胺~1800强峰酰卤是否见下页~18001700双峰酸酐1680-1880没有强峰3600-3300有强峰醇3050中到弱峰1650弱峰3050中到弱峰1650-1450一系列峰烯芳香烃无其他峰2860-2960强峰烷667溴代烃1275-1060强峰醚课堂练习1.已知化学式为C9H122.已知化学式为C4H8O紫外光谱

——

给出共轭双键的信息

——givesusinformationaboutcompoundswithconjugateddoublebond(10nm~200nm远紫外,200nm~400nm近紫外,400~800nm可见光）Ultravioletandvisiblelighthasjusttherightenergytocauseanelectronictransition----thepromotionofanelectronfromoneorbitaltoanotherofhigherenergy

UltravioletandVisibleSpectroscopyTheelectronicenergystates:

UltravioletandVisibleSpectroscopyTheBeer-Lambertlaw:A=εcl

吸光度A=logI0/II0：进入样品的光强度

I：透过样品的光强度摩尔浓度c(mol.L-1)

样品池长度l（incm)

摩尔吸光系数

ε

UltravioletandVisibleSpectroscopy影响摩尔吸光系数ε的因素：跃迁类型由于n轨道的电子与π

电子集中在不同的空间区域，因此尽管nπ*的跃迁需要的能量较低，其跃迁的几率是比较小的。表现在摩尔吸光系数ε值较小

UltravioletandVisibleSpectroscopyUltravioletandVisibleSpectroscopyEffectofconjugationonλmax

——

conjugation

raisestheenergyoftheHOMOandlowerstheenergyoftheLUMO

烯烃的HOMO和LUMO的能级ThevisiblespectrumandcolorUltravioletandVisibleSpectroscopyThevisiblespectrumandcolorUltravioletandVisibleSpectroscopyUltravioletandVisibleSpectroscopyA

chromophore

（生色团）isthatpartofamoleculethatisresponsibleforaUVorvisibleabsorptionspectrum.Anauxochrome

（助色团）isasubstituentthat,whenattachedtoachromophore,alterstheλmaxandtheintensityoftheabsorption,usually

increasingbothofthem.(OHandNH2areauxochromes)

UltravioletandVisibleSpectroscopyAshifttoalongerwavelengthiscalledaredshiftandashifttoshorterwavelengthiscalledablueshift

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

常见的有机化合物在紫外光谱中可分为以下几类1、饱和有机化合物饱和烃分子是只有C－C键和C－H键的分子，只能发生跃迁，由于σ电子不易激发，故跃迁需要的能量较大，即必须在波长较短的辐射照射下才能发生。饱和烃的吸收一般波长在150nm左右，均在远紫外区。一般紫外分光光度计无法测出。饱和的醇、醚、酮、氯代烃等在近紫外区亦不产生吸收。2、不饱和脂肪族化合物

单烯烃：紫外吸收小于200nm，一般的紫外分光光度计不能观察到。共轭双烯：紫外吸收波长在近紫外区。随着共轭体系逐渐增大，吸收波长向长波方向位移。在紫外光谱的应用上，占有重要的地位，对于判断分子的结构非常有用。在220～250nm处有强吸收峰。3、芳香族化合物苯环在184nm（6800），203.5nm（8800），254nm250），分别为有E1、E2和B带，有苯环的化合物在250～290nm内显示中等强度的吸收，且显示不同程度的精细结构。在300nm以上的高强度吸收则为稠环芳烃。4、顺式烯烃的紫外吸收波长比反式的短。tomeasurethereactionrates核磁共振原理简介

原子核是带正电荷的粒子，能自旋的核有循环的电流，会产生磁场，形成磁矩(μ)。原子核的自旋运动与自旋量子数I的关系如下：分类质量数原子序数自旋量子数NMR讯号ⅠⅡⅢ偶数偶数奇数偶数奇数奇数或偶数01，2，3...(I为整数)1/2,3/2…(I为半整数)无有有

核的自旋运动的角动量(ρ)是量子化的，不能任意取值，可用自旋量子数(I)来描述。I＝0、1/2、1……

I=0，

ρ=0，无自旋，不能产生自旋角动量，不会产生共振信号。

只有当I

＞O时，才能发生共振吸收,产生共振信号。

I为零的原子核可以看作是一种非自旋的球体，I为1/2的原子核可以看作是一种电荷分布均匀的自旋球体，1H，13C，15N，19F，31P的I均为1/2。I大于1/2的原子核可以看作是一种电荷分布不均匀的自旋椭圆体。

当自旋核处于磁场强度为H0的外磁场中时，除自旋外，还会绕H0运动，这种运动情况与陀螺的运动情况十分相象，称为进动。

核磁共振原理简介

在没有外磁场时，自旋核的取向是任意的,并且自旋产生的磁场方向也是任意的.如果把H核放在外磁场中,由于磁场间的相互作用,氢核的磁场方向会发生变化.

△E=(rh/2

)Ho

其中：r为磁旋比，是原子核特征属性;h为普朗克常数;Ho是外加磁场的强度当照射无线射频(ν)的能量刚好等于上述能量差(△E)的时候，就可以引发核自旋能级的跃迁，产生一个共振吸收信号。因此有：△E=(rh/2

)Ho=hν

即ν

=rHo/2

核磁共振原理简介n=rHo/2p

如果这样，每个氢核都在同一个位置产生核磁共振吸收信号，事实不是如此。核外有电子，电子在外磁场作用下将产生一个抵抗外加磁场的感应磁场，从而使核实际感受的磁场小于外加磁场。电子对核的这种作用称为屏蔽效应H有效

=H0-H感受

n实际=r（Ho-H感受）/2p

＝

rHo/2p－rH感受/2p

同种核由于在分子中的化学环境不同在不同共振磁场强度下显示吸收峰，成为化学位移。核磁共振仪工作原理示意图两种工作方式：固定磁场强度，改变无线电波射频扫描，或者，固定无线电波射频，改变磁场强度按磁场源分：永久磁铁、电磁铁、超导磁按交变频率分：60兆，90兆，100兆，220兆，250兆，300MHz，400MHz，

500MHz，

……频率越高，分辨率越高。核磁共振原理简介屏蔽效应和化学位移值

n实际=r（Ho-H感受）/2p

相对于仪器的工作磁场强度，这种差异是十分微小的（百万分之十左右）。要精确的测定是很困难的。常采取相对数值表示法：在样品中加入内标，以内标的核磁共振信号定为零点，其他吸收峰的化学位移值根据这个吸收峰的位置与零点的距离来确定。化学位移还与照射频率有关，为了统一数值，用下式表示：化学位移δ(ppm)=常用TMS(CH3)4Si作内标，因为其中的氢只有一个信号，且屏蔽作用强于一般的有机化合物，信号在高场出现，其他质子信号在低场（出现在内标的左边）。ν样

–ν标（Hz）ν仪（MHz）———————X106核磁共振氢谱和碳谱

左右屏蔽作用：小大（H感应大）固定射频：较低磁场强度较高磁场强度产生共振固定磁场：高频（对应高能）低频（对应低能）δ109876543210ppm

核磁共振氢谱和碳谱

影响化学位移的因素

1、诱导效应:化合物CH3X

CH3FCH3OHCH3ClCH3BrCH3I电负性

(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核磁共振氢谱和碳谱

2、去屏蔽作用与π体系各向异向性:电负性：Csp>Csp2>Csp3实测化学位移δ:2~34.5~6.00.9~1.5

推测化学位移δ:C≡C-H>C=C-H>C-C-HPh-H,6~8.5=C-H4.5~6.0核磁共振氢谱和碳谱

2、去屏蔽作用与π体系各向异向性:核磁共振氢谱和碳谱

3、氢键的影响:——氢键使共振吸收移向低场，因为降低了氢核外的电子云密度，减弱了对氢键质子的屏蔽——分子内氢键受环境影响较小

所以与样品浓度、温度变化不大——分子间氢键受环境影响较大

当样品浓度、温度发生变化时氢键质子的化学位移会发生变化。ArOH4.5~7.7-COOH10~13-OH0.5~5.5-NH20.5~51、饱和碳原子上的质子的d

值：叔碳>仲碳>伯碳2、d值：芳氢>烯氢>烷氢3、吸电子基团（N,O,X,NO2,CO等）使d

值变大。电负性越大，吸电子能力越强，d

值越大。有机化合物中质子化学位移基本规律：

核磁共振氢谱和碳谱

核磁共振氢谱和碳谱

有机化合物中各种质子的化学位移值

化学等价(chemicallyequivalent)化学等价质子与化学不等价质子的判断

——

可通过对称操作或快速机制（如构象转换）互换的质子是化学等价的。例1：CH3-O-CH36个等价质子一个NMR信号

化学等价(chemicallyequivalent)化学等价质子与化学不等价质子的判断

——

不可通过对称操作或快速机制（构象转换）互换的质子是化学不等价的。例2：(CH3)2CHCH(CH3)2

二组NMR信号例3：

CH3-CH2-Br二组NMR信号例4：CH3-CH2COO-CH3

三组NMR信号

化学等价(chemicallyequivalent)化学等价质子与化学不等价质子的判断——

与手性碳原子相连的CH2上的两个质子是化学不等价的。等价不等价

化学等价(chemicallyequivalent)

化学等价质子与化学不等价质子的判断

化学等价(chemicallyequivalent)对称操作对称轴旋转其他对称操作（如对称面）等位质子化学等价质子对映异位质子非手性环境为化学等价手性环境为化学不等价化学等价质子与化学不等价质子的判断

化学等价(chemicallyequivalent)

化学等价质子与化学不等价质子的判断对映异位质子非对映异位质子一定是不等价质子苯环上的不等价质子——

硝基苯的1HNMR谱图乙醚的氢核磁共振谱：-CH2--CH3

自旋裂分与偶合常数

自旋裂分(spinsplitting)

——

邻近质子间相互作用导致谱线增多的现象自旋偶合（spincoupling)

——

邻近质子间互相导致谱线增多的作用偶合常数（couplingconstant)

——

裂分信号中两峰间的距离

(用J表示,单位Hz)自旋偶合与峰的裂分表明不等价质子间的相邻关系核磁共振氢谱和碳谱

当一组等价质子与另一组数目为n的等价质子邻近时该组质子的1HNMR信号峰将裂分为

n+1

重峰其中每相邻两条谱线间的距离相等，即为偶合常数

——n+1规律如：CH3CH2CH36+1=7重峰

CH3CH2CH

32+1=3重峰

自旋裂分与偶合常数

核磁共振氢谱和碳谱

CH3CHCl2附加磁场——相邻质子核的影响CH3CHCl21/81/83/83/8几率峰强度比为1：3：3：1裂分峰的强度比＝(a+b)n展开后各项的系数比

自旋裂分与偶合常数

自旋裂分与偶合常数

当一组等价质子邻近有两组等价质子（等价质子数目分别为n1

和n2

个）——则该组质子最多被裂分为：（n1+1）×（n2+1）重峰。如：CH3CH2CH2OH(3+1)×(2+1)=12重峰注:12重峰是最大可能,经常因重叠使谱线数减少。

自旋裂分与偶合常数

自旋裂分与偶合常数

自旋裂分与偶合常数

abcClCH2CH2CH2IHa(2+1)×(2+1)=9重峰dd峰质子间的自旋偶合一般是指相隔3个键的两组质子间的偶合(3Jab)——

相邻碳上氢的偶合同碳偶合

——

相同碳原子上的两个不等价质子会发生同碳偶合

(geminalcoupling,2Jab)远程偶合

——

相隔超过3个键的两组质子间的偶合称远程偶合

(longdistancecoupling,4Jab)

——

通常是通过共轭体系相连的氢

自旋裂分与偶合常数

HaandHbwillspliteachother

自旋裂分与偶合常数

核磁共振氢谱和碳谱

峰面积(peakarea)正比于等价质子的数目用积分曲线表示峰面积。积分曲线的高度与峰面积成正比关系。例1：乙醇CH3CH2OH

3组质子的积分曲线高度比为3：2：1例2：对二甲苯

甲基与苯环质子的积分曲线高度比为3：2

积分曲线(integrationline)核磁共振氢谱和碳谱

积分曲线(integrationline)

1HNMR谱图的解析识别出杂质峰，如溶剂峰以及溶剂中的水峰等根据积分曲线确定各组峰的相应质子数根据化学位移推测各组质子的类型根据偶合裂分情况确定各组质子间的相互关系重水交换法识别活泼氢（OH,NH,COOH)综合分析（结合其它波谱），确定结构核磁共振氢谱和碳谱

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常用氘代溶剂峰以及溶剂中的水峰常用氘代溶剂峰以及溶剂中的水峰C6D14常用氘代溶剂峰以及溶剂中的水峰实例分析acbdC6H5CH2CH2OOCCH3

abcd核磁共振氢谱和碳谱

实例分析

abbacedcba实例分析

abdc实例分析

bac~e实例分析

cab实例分析

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

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

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

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

A不饱和度的计算CnHmNaObXc:不饱和度=[(2n+2)-m+a-c]/2C9H10O实例分析

C9H10O实例分析

2323C9H12O实例分析

高分辨核磁共振谱Δn≥10J核磁共振碳谱（13CNMR)13C峰度仅1.11％，比1H信号弱得多，约1/6400化学位移范围：0～220ppm提供各种类型碳（伯、仲、叔、季碳）的信息。不能用积分曲线获取碳的数目信息邻近有吸电子基团，信号移向低场（左移）碳周围电子密度增加，信号移向高场（右移）常规13CNMR谱为全去偶谱，因而所有的碳信号均为单峰。核磁共振氢谱和碳谱

核磁共振碳谱（13CNMR)碳的类型d(ppm)碳的类型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核磁共振碳谱（13CNMR)dcbaDEPT13CNMR

DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer“不失真地极化转移增强”一种特殊技术，可识别碳的类型（CH3,CH2,CH,andC)可确定与碳相连的质子的数目以及各类碳的数目核磁共振碳谱（13CNMR)核磁共振氢谱和碳谱

DEPT13CNMRcitronellal二维核磁共振谱Two-dimentionalNMRspectra1971年J.Jeener首次提出了二维核磁共振的概念Ernst教授进行了大量卓有成效的研究，推动了二维核磁共振的发展，再加上他对脉冲-傅立叶变换核磁共振的贡献，获1991年诺贝尔化学奖——

提