《仪器分析方法在有机物结构解析中的综合应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《仪器分析方法在有机物结构解析中的综合应用（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、仪器分析方法在有机物仪器分析方法在有机物结构解析中的综合应用结构解析中的综合应用综合波谱解析法综合波谱解析法定定义义：利利用用未未知知物物（纯纯物物质质）的的下下述述谱谱图图，进进行行综综合合解解析析，确确定定未未知知物物分分子子结结构构的的方方法法，称称为为综综合合光光谱解析法。谱解析法。1.质谱质谱;2.紫外吸收光谱紫外吸收光谱;3.红外吸收光谱红外吸收光谱;4.核磁共振氢谱核磁共振氢谱;5.核磁共振碳谱核磁共振碳谱 (COM、OFR) 等元素分析。等元素分析。四大或五大光谱四大或五大光谱l四大光谱四大光谱 通常把在进行未知物综合光谱解析时常用通常把在进行未知物综合光谱解析时常用的紫外吸收
2、光谱、红外吸收光谱、质子核磁共振谱及的紫外吸收光谱、红外吸收光谱、质子核磁共振谱及质谱称为四大光谱。质谱称为四大光谱。l五大光谱五大光谱 把把UVUV、IRIR、1 1H NMRH NMR、1313C NMRC NMR及及MSMS称为称为五五大光谱大光谱。 l不同光谱之间进行配合和相互佐证。不同光谱之间进行配合和相互佐证。紫外（紫外（UV）光谱）光谱在综合光谱解析中的作用在综合光谱解析中的作用l紫外吸收光谱紫外吸收光谱(UV) 主要主要用于确定化合物的类型及共轭情况用于确定化合物的类型及共轭情况用于确定化合物的类型及共轭情况用于确定化合物的类型及共轭情况。如是否是不饱和化合物如是否是不饱和化合
3、物。是否具有芳香环结构等化合物的骨是否具有芳香环结构等化合物的骨架信息。架信息。l紫外吸收光谱虽然可提供某些官能团的信息。如是否含有醛紫外吸收光谱虽然可提供某些官能团的信息。如是否含有醛基、酮基、羧基、酯基、炔基、烯基等生色团与助色团。但基、酮基、羧基、酯基、炔基、烯基等生色团与助色团。但特征性差，在综合光谱解析中一般可不予以考虑。紫外吸收特征性差，在综合光谱解析中一般可不予以考虑。紫外吸收光谱法光谱法主要用于定量分析主要用于定量分析主要用于定量分析主要用于定量分析。红外红外 （IR）谱在综合光谱解析中的作用）谱在综合光谱解析中的作用l 红红外外吸吸收收光光谱谱(IR) 主主主主要要要要提提提
4、提供供供供未未未未知知知知物物物物具具具具有有有有哪哪哪哪些些些些官官官官能能能能团团团团、化化化化合物的类别合物的类别合物的类别合物的类别 (芳香族、脂肪族；饱和、不饱和芳香族、脂肪族；饱和、不饱和)等。等。l 提提供供未未未未知知知知物物物物的的的的细细细细微微微微结结结结构构构构，如如直直链链、支支链链、链链长长、结结构构异异构构及及官官能能团团间间的的关关系系等等信信息息，但但在在综综合合光光谱谱解解析析中中居居次次要要地位。地位。 质谱在综合光谱解析中的作用质谱在综合光谱解析中的作用l 质谱质谱(MS) (MS) 主要用于确定化合物的分子量、分子式。主要用于确定化合物的分子量、分子式
5、。主要用于确定化合物的分子量、分子式。主要用于确定化合物的分子量、分子式。l质质谱谱图图上上的的碎碎片片峰峰可可以以提提供供一一级级结结构构信信息息。对对于于一一些些特特征征性性很很强强的的碎碎片片离离子子，如如烷烷基基取取代代苯苯的的m mz z 9191的的苯苯甲甲离离子子及及含含氢氢的的酮酮、酸酸、酯酯的的麦麦氏氏重重排排离离子子等等，由由质质谱谱即即可可认认定定某某些些结构的存在。结构的存在。l质质谱谱的的另另一一个个主主要要功功能能是是作作为为综综合合光光谱谱解解析析后后，验验验验证证证证所所所所推推推推测测测测的未知物结构的正确性的未知物结构的正确性的未知物结构的正确性的未知物结构
6、的正确性。核磁共振氢谱核磁共振氢谱 （1H）在综合光谱解析中的作用）在综合光谱解析中的作用 核核磁磁共共振振氢氢谱谱(1H NMR) 在在综综合合光光谱谱解解析析中中主主主主要要要要提提提提供供供供化化化化合物中所含质子的信息：合物中所含质子的信息：合物中所含质子的信息：合物中所含质子的信息：1. 1.质子的类型：质子的类型：质子的类型：质子的类型：说明化合物具有哪些种类的含氢官能团。说明化合物具有哪些种类的含氢官能团。2. 2.氢分布：氢分布：氢分布：氢分布：说明各种类型氢的数目。说明各种类型氢的数目。3. 3.核间关系核间关系核间关系核间关系: : 氢核间的偶合关系与氢核所处的化学环境氢核
7、间的偶合关系与氢核所处的化学环境 核核间间关关系系可可提提供供化化合合物物的的二二二二级级级级结结结结构构构构信信信信息息息息，如如连连连连结结结结方方方方式式式式、位位位位置置置置、距距距距离离离离；结结结结构构构构异异异异构构构构与与与与立立立立体体体体异异异异构构构构( (几几几几何何何何异异异异构构构构、光光光光学学学学异异异异构、构象构、构象构、构象构、构象) )等等 三方面的结构信息三方面的结构信息三方面的结构信息三方面的结构信息。核磁共振碳核磁共振碳 (13C) 谱在综合光谱解析中的作用谱在综合光谱解析中的作用l 核磁共振碳谱核磁共振碳谱 (13C NMR)碳谱与氢谱类似，也可提
8、供化碳谱与氢谱类似，也可提供化合物中合物中 1. 碳核的类型碳核的类型; 2. 碳分布碳分布 ; 3. 核间关系三方面结构信息。核间关系三方面结构信息。 主要提供化合物的碳主要提供化合物的碳主要提供化合物的碳主要提供化合物的碳“ “骨架骨架骨架骨架” ”信息信息信息信息。l 碳谱的各条谱线一般都有它的惟一性，能够迅速、正碳谱的各条谱线一般都有它的惟一性，能够迅速、正确地否定所拟定的错误结构式。碳谱对确地否定所拟定的错误结构式。碳谱对立体异构体比较立体异构体比较立体异构体比较立体异构体比较灵敏灵敏灵敏灵敏，能给出细微结构信息能给出细微结构信息能给出细微结构信息能给出细微结构信息。 2. 综合光谱
9、解析的顺序与重点 (1)了解样品了解样品A 来源：来源： 天然品、合成品、三废样品等天然品、合成品、三废样品等 物理化学性质与物品理化学参数：物理化学性质与物品理化学参数：l物物态态、熔熔点点、沸沸点点、旋旋光光性性、折折射射率率、溶溶解解度度、极极性性、灰灰分分等等，可可提提供供未未知知物物的的范范围围，为为光光谱谱解解析析提提供供线线索索。一一般般样样品品的的纯纯度度需需大大于于98，此时测得的光谱，才可与标准光谱对比。此时测得的光谱，才可与标准光谱对比。 (2)2)确定分子式确定分子式 由质谱获得的分子离子峰的精密质量数或同位素峰强比确定分由质谱获得的分子离子峰的精密质量数或同位素峰强比
10、确定分子式。必要时，可配合子式。必要时，可配合元素分析元素分析。质谱碎片离子提供的结构信。质谱碎片离子提供的结构信息，有些能确凿无误地提供某官能团存在的证据，但多数信息息，有些能确凿无误地提供某官能团存在的证据，但多数信息留作验证结构时用留作验证结构时用。(3)计算不饱和度计算不饱和度 由由分分子子式式计计算算未未知知物物的的不不饱饱和和度度 推推测测未未知知物物的的类类别别，如如芳芳香香族族( (单单环环、稠稠环环等等) )、脂脂肪肪族族( (饱饱和和或或不不饱饱和和、链链式式、脂脂环环及及环数环数) )及含不饱和官能团数目等。及含不饱和官能团数目等。 (4)紫外吸收光谱紫外吸收光谱 由未知
11、物的紫外吸收光谱上吸收峰由未知物的紫外吸收光谱上吸收峰- -的位置，推测共轭情况的位置，推测共轭情况 ( (p-p-与与-共轭、长与短共轭、官能团与母体共轭的情况共轭、长与短共轭、官能团与母体共轭的情况) )及未知物的类及未知物的类别别( (芳香族、不饱和脂肪族芳香族、不饱和脂肪族) )。(5)红外吸收光谱红外吸收光谱 用未知物的红外吸收光谱主要推测其类别及可能具有的官能团等。用未知物的红外吸收光谱主要推测其类别及可能具有的官能团等。 解析重点：解析重点： 羰基峰羰基峰 (C=O) 是红外吸收光谱上最重要的吸收峰是红外吸收光谱上最重要的吸收峰 (在在1700cm-1左右的强吸收峰左右的强吸收峰
12、)，易辨认。，易辨认。 其重要性在于含羰基的化合物较多，其次是羰基在其重要性在于含羰基的化合物较多，其次是羰基在1H NMR上无其信号，在上无其信号，在无碳谱时，可用无碳谱时，可用IR确认羰基的存在。确认羰基的存在。 氰基氰基 (2240cml左右左右) 等不含氢的官能团，在等不含氢的官能团，在1H NMR上也无信号；此时上也无信号；此时IR是是1H NMR的补充。的补充。 红外吸收光谱解析顺序与原则l解析顺序与原则解析顺序与原则： “先先特特征征(区区)、后后指指纹纹(区区)；先先最最强强(峰峰)、后后次次强强(峰峰)；先先粗粗查查、后后细找；先否定、后肯定；解析一组相关峰细找；先否定、后肯
13、定；解析一组相关峰”的顺序与原则。的顺序与原则。 前三项是解析应遵循的顺序，后两项是解析应遵循的原则。前三项是解析应遵循的顺序，后两项是解析应遵循的原则。 (6) 核磁共振氢谱的解析顺序核磁共振氢谱的解析顺序首先确认孤立甲基及类型，以孤立甲基的积分高度，计算出氢分首先确认孤立甲基及类型，以孤立甲基的积分高度，计算出氢分布。布。其次是解析低场共振吸收峰其次是解析低场共振吸收峰 (醛基氢、酚羟基氢、羧基氢等醛基氢、酚羟基氢、羧基氢等)，因，因这些氢易辨认，根据化学位移，确定归属。这些氢易辨认，根据化学位移，确定归属。最后解析谱图上的高级偶合部分，根据偶合常数、峰分裂情况及最后解析谱图上的高级偶合部
14、分，根据偶合常数、峰分裂情况及形状推测取代位置、结构异构、立体异构等二级结构信息。形状推测取代位置、结构异构、立体异构等二级结构信息。 (7) (7) 核磁共振碳谱的解析核磁共振碳谱的解析重点重点 查看全去偶碳谱上的谱线数与分子式中所含碳数是否相同查看全去偶碳谱上的谱线数与分子式中所含碳数是否相同？ 数目数目相同相同: 说明每个碳的化学环境都不相同，分子无对称性。说明每个碳的化学环境都不相同，分子无对称性。数目不相同数目不相同(少少): 说明有碳的化学环境相同说明有碳的化学环境相同, 分子有对称性分子有对称性由偏共振谱由偏共振谱(OFR)，确定与碳偶合的氢数。确定与碳偶合的氢数。由各碳的化学位
15、移，确定碳的归属。由各碳的化学位移，确定碳的归属。 (8) 验证验证 根根据据综综合合光光谱谱解解析析，拟拟定定出出未未知知物物的的分分子子结结构构，而而后后需需经经验验证证才才能能确认。确认。 根据所得结构式计算不饱和度，与由分子式计算的不饱和度应一致。根据所得结构式计算不饱和度，与由分子式计算的不饱和度应一致。 按按裂裂解解规规律律，查查对对所所拟拟定定的的结结构构式式应应裂裂解解出出的的主主要要碎碎片片离离子子，是是否否能在能在MS上找到相应的碎片离子峰。上找到相应的碎片离子峰。 核对标准光谱或文献光谱。核对标准光谱或文献光谱。 若上述三项核对无误，则所拟定的结构式可以确认若上述三项核对
16、无误，则所拟定的结构式可以确认。 例例1, 某未知物的某未知物的95乙醇溶液在乙醇溶液在245nm有最大吸收有最大吸收(lg2.8)。该未该未知物纯品的质谱显示，分子离子峰的质荷比为知物纯品的质谱显示，分子离子峰的质荷比为130，参照元素分析分，参照元素分析分子式应为子式应为C6H10O3。试由质谱试由质谱(图图1)、红外光谱、红外光谱(用不含水的纯液体测用不含水的纯液体测得图得图2)及核磁共振氢谱及核磁共振氢谱(图图3)，推断其分子结构式。，推断其分子结构式。图图1 C1 C6 6H H1010O O3 3的质谱的质谱 图2 C6Hl0O3红外吸收光谱 图图3 C6H10O3的核磁共振氢谱的
17、核磁共振氢谱氢分布氢分布 3:3:2:2烯基峰解析： 1计算不饱和度 UN = (2 + 2610)2 = 2，具有两个双键 或一个三键。2质质谱谱: 无无苯苯环环特特征征离离子子mz 77、65、51及及39，不不可可能能是是芳芳香香族族化化合合物。物。mz 85与与87，峰强类似，但未知物不含溴，不可能是同位素峰。，峰强类似，但未知物不含溴，不可能是同位素峰。3红外吸收光谱红外吸收光谱: (1) 特特征征区区第第一一强强峰峰1720cm-1双双峰峰 (1735、1715)，说说明明未未知知物物含含有有二二个个羰羰基基。查查羰羰基基相相关关峰峰，确确定定羰羰基基的的类类型型。按按羰羰基基峰峰
18、的的数数值值1735cm-1，可可能能是是酯酯羰羰基基峰峰。1715cm-1可可能能是是酮酮、醛醛或或酸酸的的羰羰基基峰峰，由由于于光光谱谱上上无无醛醛基基氢氢峰峰 （28002650cm-1 2个个），虽虽然然3600cm-1有有弱吸收峰，不可能是羧酸的羟基峰，因此不可能是醛或酸。弱吸收峰，不可能是羧酸的羟基峰，因此不可能是醛或酸。l根根据据上上述述理理由由，未未知知物物可可能能含含有有酯酯基基 (1735cm-1) 与与酮酮基基(1715cm-1)两两个个羰羰基基。查查酯酯基基的的相相关关峰峰，在在未未知知物物的的IR光光谱谱上上可可以以找找到到：1250cm-1 ( )。而酮羰在中红外吸
19、收光谱上无相关峰。而酮羰在中红外吸收光谱上无相关峰。l (2) 特特征征区区第第二二强强峰峰 1365cm-1 及及相相关关峰峰 2970cm-1 分分别别是是甲甲基基的的峰峰。1420及及2930cm-1峰峰分分别别是是亚亚甲甲基基的的峰峰。说说明明未未知知物物可可能能具具有有CH3-CH2-基基团团。由由分分子子式式减减去去羰羰基基与与酯酯基基：C6Hl0O3-C2O3=C4Hl0，说说明明应应含含有有两两个个甲甲基基与与两两个个亚亚甲甲基基。进进一一步步证证明明CH3与与CH2基基团团的的存存在在及连接方式，可用及连接方式，可用NMR提供的信息。提供的信息。(3)由于未知物不含水，而在其
20、IR光谱的3600、1315及1150cm-1处有醇羟基的 峰，根据峰位1150cm-1 ，可能是叔醇基。未知物只有三个氧，因此只可能是酮醇异构产生的叔醇基。由于酮醇异构产生的醇的含量较少，因此叔醇基的峰较弱。为了证明酮醇异构现象的存在，还要查看是否有酮醇异构时的烯基峰。由IR光谱上可以看到在1640cm-1处出现烯基峰。CH3COCH2COOCH2CH3 CH3C(OH)=CHCOOCH2CH3 c d e a b f4核磁共振氢谱 (图3) 2.20 为孤立甲基氢的共振峰，其积分高度相当于3个氢。以此推算,1.20、3.34及4.11分别相当于3、2及2个氢。氢分布3:3:2:2. 根根据
21、据偶偶合合情情况况，可可知知未未知知物物具具有有一一个个乙乙基基(-CH2-CH3，A2X3系系统统)、一一个个孤孤立立的的CH3-及及一一个个孤孤立立的的-CH2-。根根据据乙乙基基中中的的-CH2-化化学学位位移移很很高高，可可知知其其与与氧氧相相连连。孤孤立立的的-CH2-的的化化学学位位移移也也较较高高，但但低低于于乙乙基基中中-CH2-的的化化学学位位移移，只只能能是是与与两两个个-CO-相相连连。4.90 的的小小峰峰是是酮醇异构时的烯氢；酮醇异构时的烯氢；1.94 的小峰是酮醇异构时与双键相邻的甲基。的小峰是酮醇异构时与双键相邻的甲基。 因因 此此 ， 未未 知知 物物 的的 结
22、结 构构 式式 可可 能能 是是 乙乙 酰酰 乙乙 酸酸 乙乙 酯酯(CH3COCH2COOCH2CH3)。5验证(1) 不饱和度不饱和度 乙酰乙酸乙酯的不饱和度是乙酰乙酸乙酯的不饱和度是2，合理。，合理。(2) 质谱质谱 15 115 43 87 85 45 29CH3COCH2COOCH2CH3 乙乙酰酰乙乙酸酸乙乙酯酯断断裂裂的的碎碎片片离离子子峰峰在在质质谱谱图图上上都都可可以以找找到到。证证明明化化学学结结构构式式合合理理。因因化化学学结结构构简简单单，无无须须再再查对标准光谱核对。查对标准光谱核对。6峰归属小结峰归属小结l (1)IR max(cm-1)：3400(酮醇异构时的羟基
23、峰，很弱)、2970( )、2930( )、1735( 酯)、1715( 酮)、1640(酮醇异构时的 烯氢峰，弱)、1420 ( )、1365( )、1315( )、1250( )、1150( )、1040( )。l(2) 1H NMR(ppm)：4.90(酮醇异构的CH，弱)、4.11(2H, q，OCH2CH3)、3.34 (2H，S，COCH2CO)、2.20(3H，S，COCH3)、 1.94(酮 醇 异 构 的 CH3C )、 1.22(3H， t， -CH2-CH3).l(3)MS mz：130(M+)、87(+CH2COOCH2CH3)、85(CH3COCH2CO+)、45(C
24、H3CH20+)、43(CH3CO+，甲基酮的特征离子)、29(C2H5+，乙基特征离子)、15(CH3+，甲基的特征离子)。CH3COCH2COOCH2CH3例例2. 2. 某某化化合合物物分分子子式式是是C C9 9H H1010O O2 2，其其MSMS，1 1H H NMRNMR，IRIR谱谱如如下下图图所所示示，其其紫紫外外光光谱谱在在230-270nm230-270nm出出现现7 7个个精精细细结结构构的的峰，试推导其化合物的结构。峰，试推导其化合物的结构。15010891437965391750123075069030302.05.17.35H2H3HC-O伸缩振动伸缩振动C=O
25、C-H变形振动，变形振动，苯环单取代苯环单取代苯环苯环1) 数据总结数据总结质谱质谱： 出现的几个最强峰：出现的几个最强峰：108，150，91，43紫外光谱：在紫外光谱：在230270nm出现出现7个精细结构的峰，可能有个精细结构的峰，可能有苯环结构。苯环结构。红外光谱：红外光谱： 重要的吸收峰重要的吸收峰 可能归属可能归属 1750cm-1 C=O 1230cm-1 C-O伸缩振动伸缩振动 690/750cm-1 C-H变形振动，苯环单取代变形振动，苯环单取代1H NMR谱：化学位移谱：化学位移 相对质子数相对质子数 峰重数峰重数 可能归属可能归属 7.3 5 单峰单峰 苯环单取代苯环单取
26、代 5.1 2 单峰单峰 CH2-O 2.0 3 单峰单峰 CH3-C-O|2) 解析鉴定解析鉴定不饱和度：不饱和度：n = 1+9-10/2 = 5化化合合物物含含苯苯环环，对对照照UV中中230-270nm有有苯苯环环的的精精细细结结构构吸吸收收峰峰；IR中中在在3030cm-1，1650-1400cm-1有有吸吸收收；1H NMR在在7.27左右有共振峰；左右有共振峰；MS有对应的碎片峰；不饱和度为有对应的碎片峰；不饱和度为4。IR中中1750cm-1对应对应C=O吸收峰；对应剩下的吸收峰；对应剩下的1个不饱和度。个不饱和度。1H NMR谱谱显显示示出出分分子子中中含含有有三三类类不不同同的的质质子子，比比例例分分别别是是5：2：3，三三组组峰峰均均是是单单峰峰，互互相相之之间间没没有有耦耦合合作作用用，CH2化化学学位位移到了移到了5.1，可能是与，可能是与O直接相连，可能的结构是：直接相连，可能的结构是：3) 验证验证A 苯环上的质子苯环上的质子NMR谱出现在较低场，不与其它质子谱出现在较低场，不与其它质子偶合，呈单峰。偶合，呈单峰。B 亚甲基质子与氧相连，出现在低场，呈单峰。亚甲基质子与氧相连，出现在低场，呈单峰。C 甲基质子与羰基相连呈单峰。甲基质子与羰基相连呈单峰。推导的结构中只有三种类型的质子，比例是推导的结构中只有三种类型的质子，比例是5：2：3。
