1、色 譜 和 光 譜,化合物的純化和結(jié)構(gòu)研究方法,一、 分離純化與色譜技術(shù),反應(yīng)產(chǎn)物(混合物),分離純化,結(jié)構(gòu)研究,結(jié)構(gòu)研究,分離純化,純產(chǎn)物,確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu),純天然產(chǎn)物,確定天然產(chǎn)物結(jié)構(gòu),天然提取物,A example about purification of reaction product,Purification,早期的純化方法: 液體物質(zhì) 蒸餾(distillation)和精餾(rectification) 固體物質(zhì) 重結(jié)晶(recrystalization) 局限性: 原料需要量大, 分離效率低。,一、 分離純化與色譜技術(shù),分析、純化方法的發(fā)展 各種色譜技術(shù)： 柱色譜（CC） 薄層色

2、譜（TLC） 離子交換色譜 高效液相色譜（HPLC） 氣相色譜（GC）,優(yōu)點(diǎn)：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(shù),Chromatograph,Chromatograph is a separation process which depends on the differential distributions of the components of a mixture between a mobile bulk phase （流動(dòng)相）and an essentially thin film stationary phase（固定相）.,色譜是利用

3、不同化合物性質(zhì)的不同（如溶解能力、吸附能力、親和能力等），從而在固定相與流動(dòng)相之間的分配不同而進(jìn)行分離、分析的。 根據(jù)流動(dòng)相的物理狀態(tài)分為,液相色譜（LC） 氣相色譜（GC）,一、 分離純化與色譜技術(shù),根據(jù)物理化學(xué)作用分為,吸附色譜 分配色譜 離子交換色譜 凝膠滲透色譜 親和色譜,柱色譜 紙色譜 薄層色譜,根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作形式分為,一、 分離純化與色譜技術(shù),早期的分析方法: 液體物質(zhì) 測沸點(diǎn)、折射率、旋光度; 化學(xué)方法等 固體物質(zhì) 測熔點(diǎn); 化學(xué)方法等 局限性: 物理量測定需要樣品量大, 化學(xué)方法分析結(jié)構(gòu)操作較復(fù)雜，不易進(jìn)行。,有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究方法,有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究方法,元素分析 元素組成 質(zhì)

4、譜（MS） 分子量及部分結(jié)構(gòu)信息 紅外光譜（IR） 官能團(tuán)種類 紫外可見光譜（UV /Vis） 共軛結(jié)構(gòu) 核磁共振波譜（NMR） C-H骨架及所處化學(xué)環(huán)境 X-射線單晶衍射 立體結(jié)構(gòu),Example,IR of the four isomers,UV of the four isomers,1H NMR of the four isomers,有 機(jī) 波 譜 法 特 點(diǎn),(1) 樣品用量少，一般23mg（可1mg) (2) 除質(zhì)譜外，無樣品消耗，可回收 (3) 省時(shí)，簡便 (4) 配合元素分析（或高分辨質(zhì)譜）， 可準(zhǔn)確確定化合物的分子式和結(jié)構(gòu),Spectroscopy and the Elec

5、tromagnetic Spectrum,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(chǎn)生波吸收譜，稱波譜。 分子內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)： 原子核間的相對振動(dòng)（IR） 振動(dòng)能級 電子運(yùn)動(dòng)（UV/Vis） 電子能級 分子轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)能級 原子核自旋運(yùn)動(dòng) （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(chǎn)生不同的波譜。,Spectroscopy and the Electromagnetic Spectrum,分子振動(dòng)能級的躍遷產(chǎn)生IR。 用途：提供分子中官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息。 Vibration - streching vibration - bending vibration Diat

6、omic molecular - a stretching vibration Multiatomic molecular - several vibrations,紅外光譜Infrared Spectroscopy,紅外光譜Infrared Spectroscopy,Stretching vibrations,Infrared Spectroscopy,Bending Vibrations,Infrared Spectroscopy,Bending Vibrations,Infrared Spectroscopy,一個(gè)官能團(tuán)由于有多種振動(dòng)方式 在紅外光譜中將有一組相應(yīng)的吸收峰,紅外光譜圖,I

7、nfrared Spectroscopy,Infrared Spectroscopy,紅外光譜圖,橫坐標(biāo) - 波數(shù)（cm-1, 下方）, 波長(mm,上方） 縱坐標(biāo) - 吸光強(qiáng)度（A）或透過率（T，%） 譜區(qū) - 4000 600 cm-1 分兩個(gè)區(qū) - 官能團(tuán)區(qū)（4000 1400 cm-1) - 伸縮振動(dòng) - 指紋區(qū)（1400 600 cm-1) - 彎曲振動(dòng),Infrared Spectroscopy,Hooks Law (for stretching vibration) 1、振動(dòng)頻率與成鍵原子折合質(zhì)量倒數(shù)的平方根成正比，即原子質(zhì)量愈輕，振動(dòng)頻率愈高； 2、振動(dòng)頻率與鍵的力常數(shù)的平方根

8、成反比，即鍵能愈大，鍵長愈短，鍵的力常數(shù)愈大，振動(dòng)頻率愈高。,Infrared Spectroscopy,C=C C=C C-C -C-H =C-H =C-H 2100-2260 1600-1670 800-1200 2850-2960 3010-3100 3300 C=O C-O -O-H 1660-1780 1000-1300 3580-3670 C=N C=N C-N -N-H 2210-2260 1630-1690 1250-1360 3310-3400 (s,or d peaks) Stronger bonds and lighter atoms give rise to highe

9、r wave numbers,不同類型鍵的伸縮振動(dòng)頻率,Infrared Spectroscopy,影響紅外吸收頻率的因素 電子效應(yīng)與共振結(jié)構(gòu)、氫鍵、空間效應(yīng) Resonance Effect e.g. 1. C=O in 2-pentanone 1720cm-1 but in 2-cyclohexenone 1680cm-1,Infrared Spectroscopy,Explanation: 2-Cyclohexenone absors at a lower frequency because the carbonyl group has greater single bond chara

10、cter due to electron delocalizion. Because a double bond is stronger than a single bond, a caronyl group with significant single bond character will stretch at a lower frequency than one with little or no single bond character.,Infrared Spectroscopy,e.g. 2. C-O in ethanol or diethyl ether 1050cm-1 i

11、n acetic acid or ethyl acetate 1250cm-1 Explanation: Because the C-O bond in an alcohol or ether is a pure single bond, whereas the C-O bond in a carboxylic acid or an ester has partial double bond character.,Infrared Spectroscopy,e.g. 3. C=O in an aldehyde 1720cm-1 in an acid halide 1800cm-1 in an

12、amide 1650cm-1,Infrared Spectroscopy,Explanation: The predominant effect of the nitrogen of an amide is electron donation by resonance. Therefore, the carbonyl group of an amide has less double bond character than the carbonyl group of a ketone or an aldehyde, so it is weaker. In contrast, the predo

13、minant effect of the halogen in a halide is inductive electron withdrawal. Therefore the carbonyl group of an acid halide has more double bond character than the carbonyl group of a ketone or an aldehyde. ( Similar for the C=O in ester. ),Infrared Spectroscopy,空間結(jié)構(gòu)對吸收峰頻率影響（略） 其他影響因素 試樣狀態(tài)、測試條件、溶劑極性等

14、峰強(qiáng)度與鍵極性、對稱性的關(guān)系 極性越大，峰越強(qiáng)； 對稱性越高，峰越弱。,各主要官能團(tuán)紅外光譜的特征吸收峰頻率,炔 烴,各主要官能團(tuán)紅外光譜的特征吸收峰頻率,炔 烴,紫外光譜 給出共軛雙鍵的信息,gives us information about compounds with conjugated double bond Ultraviolet and visible light has just the right energy to cause an electronic transition the promotion of an electron from one orbital to

15、 another of higher energy,在化學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛的一種物理分析方法 Nobel Prize: 1943 O. Stern - 測定質(zhì)子磁距 1944 I. I. Rabi - 測定原子核磁距的共振方法 1952 F. Bloch and E. M. Pucell - 核磁共振現(xiàn)象 1991 R. R. Ernst - 傅立葉變換核磁共振 確定分子的C-H骨架及所處化學(xué)環(huán)境,核磁共振氫譜和碳譜,原子核存在自旋運(yùn)動(dòng)，可用自旋量子數(shù) I 表征。,NMR: I=1/2的核，如1H, 13C, 15N, 19F, 31P,核磁共振原理簡介,核磁共振氫譜和碳譜,核磁共振氫譜和碳譜

16、,核磁共振原理簡介 hr 當(dāng)E射= h射 = E時(shí) E= H0 r H0 2 （r 為核常數(shù)） 射 = 2,核磁共振氫譜和碳譜,屏蔽效應(yīng)原子核外的電子在外磁場作用下將產(chǎn)生一個(gè)抵抗外磁場的感應(yīng)磁場H感應(yīng)，使核所感受到的實(shí)際磁場H有效小于外磁場 H有效 = H0 - H感受,核磁共振氫譜和碳譜,核磁共振儀的結(jié)構(gòu)示意圖及工作方式： A 固定外加磁場強(qiáng)度，改變射電頻率對樣品進(jìn)行掃描 B 固定射電頻率，改變外加磁場強(qiáng)度對樣品進(jìn)行掃描,核磁共振氫譜和碳譜,化學(xué)位移 有機(jī)分子中每個(gè)原子核所處的化學(xué)環(huán)境不同（即核外電子云密度不同），在外加磁場中產(chǎn)生的抗磁的感應(yīng)磁場大小不同，因此，不同核發(fā)生共振所需的外加磁場強(qiáng)

17、度或者射電頻率也就不同,核磁共振氫譜和碳譜,化學(xué)位移 樣 標(biāo)（Hz） = X 106(ppm) 儀（MHz） TMS 作內(nèi)標(biāo)是因?yàn)樗挥幸粋€(gè)信號(hào)，且與大多數(shù)有機(jī)化合物相比，其氫核所受到的屏蔽作用很大，可將其化學(xué)位移值定為0）,核磁共振氫譜和碳譜,核磁共振原理簡介,射 = ,r H0,2,屏蔽效應(yīng),H有效 = H0 - H感受,化學(xué)位移 (ppm),TMS (CH3)4Si作內(nèi)標(biāo), X 106,樣 標(biāo)（Hz）,儀（MHz）,核磁共振氫譜和碳譜, 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm,核磁共振氫譜和碳譜,影響化學(xué)位移的因素 1、誘導(dǎo)效應(yīng):,-CH3 0.9 -CH2- 1.3 -C

18、H- 1.5,核磁共振氫譜和碳譜,2、去屏蔽作用與體系各向異向性:,電負(fù)性： Csp Csp2 Csp3,實(shí)測化學(xué)位移: 23 4.56.0 0.91.5,推測化學(xué)位移: C=C-H C=C-H C-C-H,Ph-H, 68.5,=C-H 4.56.0,核磁共振氫譜和碳譜,2、去屏蔽作用與體系各向異向性:,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?yàn)橄魅趿藢滏I質(zhì)子的屏蔽, 分子內(nèi)氫鍵受環(huán)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(huán)境影響較大 當(dāng)樣品濃度、溫度發(fā)生變化時(shí) 氫鍵質(zhì)子的化學(xué)位移會(huì)發(fā)生變化。,ArOH 4.57.7 -COOH 1013,-OH

19、 0.5 5.5 -NH2 0.5 5,1、飽和碳原子上的質(zhì)子的 d 值：叔碳 仲碳 伯碳 2、d 值：芳?xì)?烯氫 烷氫 3、吸電子基團(tuán)（N, O, X, NO2, CO等）使 d 值變大。電負(fù)性越大，吸電子能力越強(qiáng)， d 值越大。,有機(jī)化合物中質(zhì)子化學(xué)位移基本規(guī)律：,核磁共振氫譜和碳譜,核磁共振氫譜和碳譜,有機(jī)化合物中各種質(zhì)子的化學(xué)位移值,自旋裂分與偶合常數(shù),自旋裂分 (spin splitting) 鄰近質(zhì)子間相互作用導(dǎo)致譜線增多的現(xiàn)象 自旋偶合（spin coupling) 鄰近質(zhì)子間互相導(dǎo)致譜線增多的作用 偶合常數(shù)（coupling constant) 裂分信號(hào)中兩峰間的距離 (用J

20、表示, 單位 Hz) 自旋偶合與峰的裂分表明不等價(jià)質(zhì)子間的相鄰關(guān)系,核磁共振氫譜和碳譜,當(dāng)一組等價(jià)質(zhì)子與另一組數(shù)目為 n的等價(jià)質(zhì)子鄰近時(shí) 該組質(zhì)子的1H NMR信號(hào)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(shù) n+1規(guī)律 如：CH3CH2CH 3 6 + 1 = 7 重峰 CH3CH2CH 3 2 + 1 = 3 重峰,自旋裂分與偶合常數(shù),核磁共振氫譜和碳譜,峰面積 (peak area) 正比于等價(jià)質(zhì)子的數(shù)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(guān)系。 例1：乙醇 CH3CH2OH 3 組質(zhì)子的積分曲線高度比為 3：2：1 例2：對二甲苯 甲基與苯

21、環(huán)質(zhì)子的積分曲線高度比為 3：2,積分曲線 (integration line),核磁共振氫譜和碳譜,積分曲線 (integration line),1H NMR譜圖的解析,識(shí)別出雜質(zhì)峰，如溶劑峰以及溶劑中的水峰等 根據(jù)積分曲線確定各組峰的相應(yīng)質(zhì)子數(shù) 根據(jù)化學(xué)位移推測各組質(zhì)子的類型 根據(jù)偶合裂分情況確定各組質(zhì)子間的相互關(guān)系 重水交換法識(shí)別活潑氫（OH, NH, COOH) 綜合分析（結(jié)合其它波譜），確定結(jié)構(gòu),核磁共振氫譜和碳譜,Chemical Shift Values of Common Solvents,實(shí)例分析,a,c,b,d,C6H5CH2CH2OOCCH3 a b c d,核磁共振氫

22、譜和碳譜,20,A. ClCH2C(Cl)(OCH2CH3)2 B. Cl2CHCH(OCH2CH3)2 C. CH3CH2OCH(Cl)CH(Cl)OCH2CH3,實(shí)例分析,核磁共振碳譜 （13C NMR),13C峰度僅1.11，比1H信號(hào)弱得多，約1/6400 化學(xué)位移范圍：0 220 ppm 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(shù)目信息 鄰近有吸電子基團(tuán)，信號(hào)移向低場（左移） 碳周圍電子密度增加，信號(hào)移向高場（右移） 常規(guī) 13C NMR 譜為全去偶譜，因而所有的碳信號(hào)均為單峰。,核磁共振氫譜和碳譜,核磁共振碳譜 （13C NMR),核磁共振碳譜 （13C

23、NMR),d,c,b,a,一、基本原理 In a technique called mass spectrometry, a molecule is vaporized and then ionized by removing an electron. This produced a molecular ion, which is a radical cation, a species with an unpaired electron and a positive charge. Because of possessing high energy, the molecular ion may

24、 break apart into cations, radicals, neutral molecules, and other radical cations.,Mass Spectrometry,Mass Spectrometry,分子離子的產(chǎn)生,Mass Spectrometry,儀器工作原理圖,Mass Spectrometry,質(zhì)譜圖樣式,Mass Spectrometry,Molecular ion - the m/z value of the molecular ion gives the molecular weight of the compound Fragment io

25、ns - a smaller m/z value than molecular ion, can give a structural information Base peak - is the one with the greatest intensity. ( it is assigned a relative intensity of 100% ) M+1 peak or M+2 peak - often occurs， because there are naturally isotopes of carbon, or other atoms,Mass Spectrometry,二、質(zhì)

26、譜在確定結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 給出分子量, 推測分子式 通過分子離子和碎片離子間的關(guān)系，結(jié)合化合物質(zhì)譜裂解規(guī)律，提供分子的部分結(jié)構(gòu)信息。 驗(yàn)證化合物結(jié)構(gòu)的合理性,Mass Spectrometry,1、 從同位素相對峰強(qiáng)度計(jì)算 Example: The mass spectrum of an unknown compound has a molecular ion with a relative intensity of 43.27%, and an M+1 peak with a relative intensity of 3.81%. How many carbon atoms are there

27、 in the compound?,分子量、分子式的確定,Mass Spectrometry,Solution: There are two naturally isotopes of carbon: 98.89% 12C and 1.11% 13C 同位數(shù)豐度表見后,分子量、分子式的確定,同位素峰度表 Element Natural abundance Hydrogen 1H 99.99% 2H 0.01% Carbon 12C 98.89% 13C 1.11% Chlorine 35Cl 75.77% 37Cl 24.23% bromine 79Br 50.69% 81Br 49.31%,

28、Mass Spectrometry,Mass Spectrometry,同位素離子峰可以幫助確定分子組成 含Cl, Br原子的分子 強(qiáng)度比符合二項(xiàng)式（a + b)n的展開式 其中，a 常見元素的豐度 b 同位素的豐度 n - 該元素的個(gè)數(shù) 如：CHCl3: (3 + 1)3 = 27 + 27 + 9 + 1 So, M:(M+2):(M+4):(M+6) =27:27:9:1,Example,Mass Spectrometry,2、 從高分辨質(zhì)譜分子量計(jì)算 High-Resolution Mass Spectrometry (HRMS) can determine the exact molecular mass of a fragment with a precision of 0.0001 amu.,分子量、分子式的確定,Mass Spectrometry,Example Some co