光谱法鉴定有机化合物结构

近几十年发展起来的波谱方法已成为非常重要的研究物质结构的手段。在众多的物理方法中，红外光谱、核磁共振谱、质谱、紫外光谱广泛用于有机化合物的结构分析。除质谱外，这些波谱方法都是利用不同波长的电磁波对有机分子作用而产生的吸收光谱进行结构鉴定的。图2－44为各光谱与电磁波的关系示意图。波谱法具有微量、快速及不破坏被测试样的结构等优点，它的出现促进了复杂的有机化合物的研究和有机化学学科的发展。

2.3.1　红外光谱

红外光谱(infrared spectroscopy)简称IR。根据红外光谱，可以定性推断分子结构，鉴别分子中所含的基团，也可用红外光谱定量地鉴别组分的纯度和进行剖析工作。它具有迅速准确、样品用量少等优点，多用于定性分析。用于定量分析时，灵敏度较差，准确度也不高。

图2－44　各光谱与电磁波的关系

【基本原理】

当红外光透过有机分子试样时，某些频率的光被吸收。吸收红外光所产生的跃迁与分子内部的振动能级变化有关。有机分子中不同的键(如:C—C，C C，C—O，C帒 C，C—H，O—H和N—H等)具有不同的振动频率，因此可以通过红外光谱的特征吸收频率来鉴定这些键是否存在。

分子振动主要有伸缩振动(stretching)和弯曲振动(bending)两种形式。

双原子分子的振动方式可看作是两个原子在键轴方向上作简谐振动。根据胡克(Hooke)定律其振动频率与组成化学键的原子的折合质量和化学键的键力常数之间的关系可由下式表示。

式中v－——以波数表示的吸收频率;

c——光速;

k——键的力常数;

m*——相连原子的折合质量。

由上式可知，振动频率(波数)与原子折合质量的算术平方根成反比，而与键力常数k的算术平方根成正比。例如按以上公式计算得到的C—H键伸缩振动频率为3040 cm－1，实验值为2960～2850 cm－1。如果用重氢取代氢，其吸收频率变为2150 cm－1。一般来讲，键力常数基本反映了A—B原子相连的化学键的强度，如C—C单健，k值约为4.5N/cm(相当于吸收频率990 cm－1)，C C双键约增加1倍，为9.7 N/cm(吸收频率1600 cm－1)。C—O单键k值约为5.75 N/cm(相当于吸收频率1200～1000 cm－1)，C O双键也基本上增加1倍，为12.06 N/cm(吸收频率1600～1900 cm－1)。

由于引起不同类型键的振动需要不同的能量，因而每一种官能团都会有一个特征的吸收频率。同一类型化学键的振动频率是非常接近的，总是出现在某一范围内。例如，R—NH2当R从甲基变为丁基时，N—H键的振动频率都在3372～3371 cm－1之间，没有很大的变化。所以红外光谱主要用于鉴定有机分子中存在的官能团。

【红外光谱与分子结构的关系】

利用红外光谱鉴定有机化合物实际上就是确定基团和频率的相互关系。一般把红外光谱图分为两个区，即官能团区和指纹区。4000～1400 cm－1的官能团区称为红外光谱的特征区，分子中的官能团在这个区域中都有特定的吸收峰，该区域在分析中有很大的价值。在低于1330 cm－1的区域(1330～400 cm－1)，吸收谱带较多，相互重叠，不易归属于某一基团，吸收带的位置可随分子结构的微小变化产生很大的差异。因而该区域的光谱图形千变万化，但对每种分子都是特征的，故将该区域称为指纹区。在指纹区内，每种化合物都有自己的特征图形，这对于结构相似的化合物，如同系物的鉴定是极为有用的，一些最简单的有机分子官能团的红外吸收列于表2－11。

在同一类基团中影响谱带位置的因素主要有如下四个方面。

1．诱导效应

由于取代基具有不同的电负性，通过静电诱导作用，引起分子中电子云密度的改变，从而导致分子中化学键的力常数k的变化，改变了基团的特征频率，例如:

2．共轭效应

由于共轭效应引起电子离域，结果使原来的双键伸长，键力常数k减小，振动频率降低，例如:

表2－11　一些简单有机分子官能团的红外吸收

3．空间效应

分子中的空间位阻会使共轭效应受到限制，共轭效应受到破坏，使得吸收频率增大，如:

4．氢键

醇、酚、羧酸和胺等化合物含O—H，N—H官能团，能够形成氢键，使O—H键长伸长，键力常数k减小，频率降低。当醇和酚浓度小于0.01 mol/L时，羟基处于游离态，在3630～3600 cm－1出现吸收峰。当浓度增加时，会产生二聚体，于3515 cm－1出现吸收峰。如果浓度再增加，还会形成多聚体，则于3500 cm－1出现宽峰。

在羧酸溶液中也是一样，稀溶液中C O吸收大约在1760 cm－1。在浓溶液、纯液体和固体中，由于C O和O—H氢键产生二聚体，结果使两个峰均向低波数位移，其吸收分别在1730～1710 cm－1和3300～2500 cm－1范围内。后者为一个宽而强的谱带。分子内形成的氢键可使谱带大幅度向低频方向移动。

另外，根据苯环上C—H键的面外弯曲振动的吸收频率常常能确定环上取代基的位置。红外光谱的这些特征吸收谱带对于苯环上取代基位置的确定是十分有用的信息。

【样品的制备】

1．固体样品

(1)石蜡油研糊法(Nujol)将固体样品1～3mg与1滴石蜡油一起研磨约2min，然后将此糊状物夹在两片盐板中间即可放入仪器测试。其中石蜡油本身有几个强吸收峰，识谱时需注意。

(2)熔融法该法是对熔点低于150℃的固体或胶状物将其直接夹在两片盐板之间融熔，然后测定其固体或熔融薄层的光谱。此方法有时会因晶型不同而影响吸收光谱。

(3)压片法将1mg样品与300 mg KC1或KBr混匀研细，在金属模中加压5min，可得含有分散样品的透明卤化盐薄片，没有其他杂质的吸收光谱，但是KBr等盐易吸水，需注意操作。

2．液体样品

液体状态的纯化合物，可将一滴样品夹在两片盐板之间以形成一层极薄的膜，用于测定即可。

3．溶液样品

溶剂一般用四氯化碳、二硫化碳或氯仿。应用双光束分光计，以纯溶剂作参考。

4．气体样品

将气体样品灌注入专门抽空的气槽内进行测定。吸收峰的强度可通过调整气槽中样品的压力来达到。

不管哪种状态的样品的测定都必须保证其纯度大于98%，同时不能含有水分以避免羟基峰的干扰和腐蚀样品池的盐板。

【测定方法】

红外光谱仪分为色散型和干涉型两种。目前较普遍使用的多为色散型红外光谱仪，该红外光谱仪主要由三个基本部分组成，即红外光源、单色器和检测器。另外还有样品仓或特殊的样品分析装置、滤光器和放大记录系统。随着计算机技术的迅速发展，人工智能已经植入红外光谱的操作系统和分析系统。实现了计算机控制的软件操作、采样操作、系统诊断、谱图解析及帮助提示功能的同步一体化和高度自动化，使得测试工作快速、方便、准确。

近年来，一次性的红外样品测试卡已经应用于红外光谱的样品分析。这种方便的红外样品测试卡的载样区为直径19 mm含聚乙烯(PE)或聚四氟乙烯(PTFE)的微孔膜圆片。PE和PTFE膜都是化学稳定性的，可用于4000～400 cm－1的红外分析，但对样品3200～2800 cm－1之间的脂肪族C—H伸缩振动有影响。所用的样品一般为含有0.5 mg固体样品或5μL液体样品的有机溶液。用滴管将溶解的样品滴在薄膜上，几分钟后待溶剂在室温下挥发后即可测定。非挥发性的液体也可用该方法进行测定。采用溶液法、溴化钾压片法和聚乙烯膜测试卡测定的乙酰苯胺样品的红外谱图分别列于图2－45。

目前比较先进的Nicolet-Avator360全新智能型FT-IR仪配有标准取样附件和样品池。针对不同的类型的样品，插入相应的智能软件即可测定。

实验测试完毕后，应将玛瑙研钵、刮刀和模具接触样品部件用丙酮擦洗，红外灯烘干，冷却后放入干燥器中。红外光谱仪应在切断电源、光源冷却至室温后，关好光源窗。样品池或样品仓应卸除，以防样品污染或腐蚀仪器。最后将仪器盖上罩，登记和记录操作时间和仪器状况，经指导教师允许后方可离去。

图2－45　乙酰苯胺样品的红外谱图

【注意事项】

1．水在3710 cm－1和1630 cm－1有强吸收峰，因此在做红外分析时，待测样品及盐片均需充分干燥处理。

2．5000～660 cm－1范围内记录红外光谱时，宜采用氯化钠盐片;需在830～400 cm－1范围内记录红外光谱时，宜采用溴化钠盐片。

3．为了防潮，在盐片上涂抹待测样品时，宜在红外干燥灯下干燥。测试完毕后，应及时用二氯甲烷或氯仿擦洗。干燥后，置于干燥器内备用。

4．石蜡为碳氢化合物，在3030～2830 cm－1有C—H伸缩振动，在1460～1375 cm－1有C—H的弯曲振动。故在红外解析时，应注意将这些峰划去，以免对图谱的正确解析产生干扰。

5．熟练地解析红外光谱图需要长期的知识经验积累。

2.3.2　核磁共振(NMR)Nuclear M agnetic Resonance

核磁共振(NMR)谱是现代化学家分析有机化合物结构最为有效的化学方法之一。该技术取决于当有机物被置于磁场中时所表现的特定核的核自旋性质。在有机化合物中所发现的这些核一般是1 H，13 C，19 F，15 N和31 P，所有具有磁矩的原子核(即自旋量子数I＞0)都能产生核磁共振。而12 C，16 O和32 S没有核自旋，不能用作NMR谱的研究。在有机化学中最有用的是氢核和碳核，氢的同位素中，1 H质子的天然丰度比较大，核磁也比较强，比较容易测定。在组成有机化合物的元素中，氢是不可缺少的元素，本教材仅就1 H NMR进行讨论。

最常用的频率为400MHz的NMR仪，H0为4.70mT;频率为500MHz的超导NMR仪，H0为11.75mT。目前900MHz的超导NMR仪已经问世，这必将对有机化学、生物化学和药物化学的发展起到重要的促进作用。

图2－46　自旋态能量差与磁场的相互关系

【基本原理】

原子核是自旋的，由于质子带电，它的自旋产生一个小的磁矩。从另一方面来讲，自旋量子数为+1/2或－1/2。有机化合物的质子在外加磁场中，其磁矩与外加磁场方向相同或相反。这两种取向相当于两个能级，其能量差ΔE与外加磁场的强度成正比:

式中γ——磁旋率(质子的特征常数);

h——普朗克常数。

如果用能量为hν=ΔE的电磁波照射，可使质子吸收能量，从低能级跃迁到高能级，即发生共振。

图2－46表明了磁场强度H0和自旋态能量差之间的相互关系，可以看出自旋态能量差与H0成正比。

在核磁共振的测试中，样品管置于磁场强度很大(400 MHz仪器的9.40mT)的电磁铁腔中，用固定频率(400 MHz)的无线电磁波照射时，在扫描发生器的线圈中通直流电，产生一微小的磁场，使总磁场强度有所增加。当磁场强度达到一定的H0值，使上式中的ν值恰好等于照射频率时，样品中的某一类质子发生能级跃迁，得到能量吸收曲线，接受器就会收到信号，记录仪就会产生NMR图谱。由此式可得:

ν=γH0/2π

1．化学位移(chemical shift)

质子的共振频率不仅由外加磁场和核的磁旋率决定，而且还受到质子周围的分子环境的影响。某一个质子实际受到的磁场强度，不完全与外磁场相同。质子由电子云包围，这些电子在外界磁场的作用下发生循环的流动，又产生一个感应磁场。假若它和外界磁场是以反平行方向排列的，这时质子所受到的磁场强度将减少一点，称为屏蔽效应。屏蔽得越多，对外界磁场的感受就越少，所以质子在较高的磁场强度下才发生共振吸收。相反，假若感应磁场是与外界磁场平行排列的，就等于在外加磁场下再增加了一个小磁场，即增加了外加磁场的强度。此时，质子受到的磁场强度增加了，这种情况称为去屏蔽效应。电子的屏蔽和去屏蔽效应引起的核磁场共振吸收位置的移动称为化学位移。

化学位移用δ来表示，可以用总的外加磁场的百万分之几(10－6)来计量。在确定化合物结构时，要准确地测出10－6数量级的变化是非常困难的，所以在实际操作中一般都选择适当的化合物作为参照标准。1 H NMR测定中最常用的参照物是四甲基硅烷(tetramethylsilane，TMS)。将它的质子共振位置定为零。由于它的屏蔽比一般的有机分子大，故大多数有机化合物中质子的共振位置呈现在它的左侧。具体测定时一般把TMS溶入被测溶液中，称为内标法。TMS不溶于重水，当用重水作溶剂时，将装有TMS的毛细管置于被测重水中测定，称为外标法。一些常见的有机官能团质子的化学位移列于图2－47中。

由于化学位移与仪器产生的频率成正比，因此频率越高，化学位移也就分开得越大。例如当使用100MHz仪器时，观察到的质子共振频率是100 Hz，相对应的化学位移(以TMS为标准)为1.0。如果用500MHz仪器测定时，质子共振出现在500 Hz，而不是100 Hz，化学位移仍然是1.0。这样可分开原来不易分开的质子。

在同一分子中的氢核，由于化学环境不同，化学位移受到影响。影响化学位移的主要因素有相邻基团的电负性、各向异性效应、范德华效应、溶剂效应及氢键作用。

图2－47　一些常见有机官能团质子的化学位移

1－硝基丙烷的1 H NMR谱给出了三组峰(图2－48)。其中心峰的化学位移值分别为1.0，2.0和4.4，表明该分子中存在三种不同化学类型的氢键。由于硝基表现出强的吸电子性，使邻近的Ha的电子云密度降低，对该质子的屏蔽效应显著降低，成为去屏蔽效应，因而Ha的化学位移出现在低场。随着碳链的增加，这种去屏效应逐渐降低，所以1－硝基丙烷中氢质子的化学位移顺序为Ha＞Hb＞Hc。

图2－48　1－硝基丙烷的1 HNMR谱图(300MHz，CDCl3)

2．自旋耦合

在有机化合物的1 H NMR谱图中同一类质子吸收峰个数增多的现象叫做裂分。产生这种裂分现象的原因是由于质子本身就是一个小磁体，每个原子不仅受外磁场的作用，也受邻近的质子产生的小磁场的影响。在一般情况下，具有核自旋量子数I的A原子与另一个B原子耦合裂分形成B峰的数目可由下式得到:

N=2nI+1

式中N——观察到的B原子的数目;

n——相邻磁等性A原子的数目; I——A原子的核自旋量子数。当A原子为1 H，13 C，19 F和31 P时，由于I=1/2，这种表达可简化为n+1规律。根据这一规则，1－硝基丙烷的1 H NMR谱裂分方式应该是Hc和Ha均受邻近Hb上两个氢质子的耦合，裂分形成三重峰，而Hb则为六重峰(图2－48)。

3．峰面积

在1 H NMR谱图中，每组峰的面积与产生这组信号的质子数成正比。比较各组信号的峰面积，可以确定各种不同类型质子的相对数目。近代核磁共振仪都具有自动积分功能，可以在谱图上记录下积分曲线。峰面积一般用阶梯式积分曲线来表示，积分曲线由低场向高场扫描。在有机化合物的1 H NMR谱图中，从积分曲线的起点到终点的高度变化与分子中质子的总数成正比，而每一阶梯的高度则与相应质子的数目成正比。现代核磁共振仪也可将分子中各种质子的比值数标于其相应的峰下。例如，图2－48中1－硝基丙烷的Ha，Hb，Hc质子面积比值为3 2 2。

【实验方法】

1．核磁共振测定一般使用配有塑料塞子的标准玻璃样品管。选用适当的溶剂溶解并配制成浓度为20%左右的溶液约1mL。对于粘度不大的液体有机化合物，可以不用溶剂直接测定。对具有一定粘度的液体化合物样品，最好在有溶剂条件下测定。一个非常简便的方法就是先加入1/5体积的被测物质，然后加入4/5体积的溶剂，加上塞子摇匀后进行测定。

2．对于固体有机化合物一定要选择合适的溶剂，溶剂不能含有氢质子。最常用的有机溶剂是CCl4。随着被测物质极性的增大，就要选择氘代的溶剂CDCl3或D2 O。如果这些溶剂不适用，一些特殊的氘代溶剂如CD3 OD，CD3 COCD3，C6 D6，DMSO－d6和DMF－d7等都可用来进行测定。如果有机样品对酸性不敏感，可用三氟乙酸作溶剂(其δ＞12)，不干扰其他质子的吸收。值得注意的是，这些溶剂常常导致化学位移与在CCl4和CDCl3测定条件下的偏差。但是这种偏差有时可能有利于分开由CCl4或CDCl3引起重叠形成的吸收峰。

3．如果溶剂中不含TMS，则需向样品中加入1～2滴TMS作内标。

4．装样完毕后，即在老师指导下进行测试。

【图谱的解析】

核磁共振谱的解析可以提供有关分子结构的丰富资料。根据每一组峰的化学位移可以推测与产生吸收峰的氢核相连的官能团的类型;自旋裂分的形状提供了邻近的氢的数目;而峰的面积可算出分子中存在的每种类型氢的相对数目。

在解析未知化合物的核磁共振谱时，一般步骤如下:

1．首先区别有几组峰，从而确定未知物中有几种不等性质子(即电子环境不同，在图谱上化学位移不同的质子)。

2．计算峰面积比，确定各种不等性质子的相对数目。

3．确定各组峰的化学位移值，再查阅有关数据表，确定分子中间可能存在的官能团。

4．识别各组峰自旋裂分情况和耦合常数值，从而确定各不等性质子的周围情况。

5．总结以上几方面的信息资料，提出未知物的一个或几个与图谱相符的结构或部分结构。

6．最后参考未知物其他的资料，如红外光谱、沸点、熔点、折射率等，确定未知物的结构。

【注意事项】

1．如果样品呈液态，可以直接测试。如果是固体样品，或是粘性较大的液体，就需配成溶液进行测试。

2．用氘代的溶剂如CDCl3或D2O时，活性质子会与氘氢交换，因而这些质子的信号会消失。

3．用D2O作溶剂时，由于TMS不溶于其中，则可采用4，4－二甲基－4－硅代戊磺酸钠(TSPA)(CH3)2 SiCH2 CH2 CH2 SO3 Na作为基准物。

(编写:唐瑞仁　校核:王微宏)