波谱解析(中国医科大学临床药学).ppt

1 有机化合物波谱分析 药用植物化学教研室 李博 2 1806年德国学者F W Sertrner从鸦片中分离出吗啡碱 3 波谱 光谱 分析法波谱法 当物质与辐射能相互作用时 物质内部发生能级跃迁 利用由能级跃迁所产生的辐射强度随波长 或相应单位 的变化 即光谱 进行定性定量和结构分析的方法 绪论 1 紫外光谱 ultravioletspectra 外层电子能级跃迁 2 红外光谱 infraredspectra 分子振动与转动能级跃迁 3 核磁共振谱 NMRspectroscopy 核自旋能级跃迁 4 质谱 massspectra 质量裂解 能量谱 绪论 5 第一章紫外光谱 第一节吸收光谱的基础知识 一 电磁波的基本性质与分类 电磁波 在空间传播的周期性变化的电磁场 无线电波 光线 X射线 射线等都是波长不同的电磁波 又称电波 电磁辐射 光是电磁波或叫电磁辐射 具有波动性和微粒性的双重特性 6 与光的传播有关的现象宜用波动性来解释 c 1 式中 波长 在紫外 可见光区常用纳米 nm 为单位 红外光区则多用微米 m 为单位 频率 秒 1 s 1 或赫兹 Hz c 光速 其值为3 1010cm s 波数 厘米 1 cm 1 7 在讨论光与原子和分子相互作用时 可把光看成是一种从光源射出的能量子流或者高速移动的粒子 这种能量子也叫做光量子或光子 光子能量 E 与光的频率 成正比 E h hc 式中h为普朗克常数 6 63 10 34J s 根据电磁波波长不同可分成如下几个区域 8 二 吸收光谱和能级跃迁 E分子 E平动 E转动 E振动 E电子E平动 E转动 E振动 E电子 分子中分立的能量状态叫能级 处于基态的分子吸收一定能量的电磁波以后 由基态跃迁到较高能级 激发态 E E假发 E基态 h hc 9 吸光度具有加和性A总 Aa Ab Ac Ad 三 Lambert Beer定律 在单色光和稀溶液的实验条件下 溶液对光线的吸收遵守Lambert Beer定律 即吸光度 A 与溶液的浓度 C 和吸收池的厚度 l 成正比 A lC 为吸光系数 取决于入射光的波长和物质的吸光特性 溶剂和温度影响 104强吸收 103弱吸收 10 第二节紫外吸收光谱的基本知识 一 分子轨道 一 分子轨道的概念原子和分子中电子的运动状态用 轨道 来描述 是表示电子运动的概率分布 反键轨道成键轨道 11 二 分子轨道的种类 n s p s p E 电子能级和跃迁示意图 12 二 电子跃迁的类型及能量 谱学知识介绍 120160180200240270320 13 跃迁 轨道上的电子由基态到激发态属于 跃迁 需要较高的能量 所以能吸收短波长的紫外线 一般其吸收发生在低于150nm的远紫外区 跃迁双键或叁键中 轨道的电子跃迁到 能量较 跃迁的小 孤立双键或叁键吸收一般在小于200nm的紫外区 例如 乙烯在165nm处有吸收 谱学知识介绍 14 n 跃迁 在 CO CHO COOH CONH2 CN等基团中 不饱和键一端直接与具有未用电子对的杂原子相连 将产生n 跃迁 所需能量最小 吸收强度弱 但对有机化合物结构分析很有用 例如饱和酮在280nm出现的吸收就是n 跃迁 n 跃迁 含有未共用电子对的基团 如 OH NH2 SH Cl Br I等 未共用电子对将产生n 跃迁 吸收多小于200nm的紫外区 谱学知识介绍 15 1 吸收光谱 吸收曲线 是以波长 nm 为横坐标 以吸光度A 或透光率T 为纵坐标所描绘的曲线 2 吸收光谱特征值吸收峰 max谷 min肩峰 sh末端吸收 跃迁产生 有机溶剂存在末端吸收 测定时需避开 三 紫外光谱的表示方法和术语 16 3 常用术语 1 允许跃迁 禁阻跃迁能量上不允许 跃迁几率低 如 谱学知识介绍 2 发色团 分子结构含有 电子的基团 C C C O N N C S等 产生 n 跃迁 3 助色团 含有非成键n电子的杂原子饱和基团 OH SH等 4 红移 长移 由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向长波方向移动的现象 17 5 蓝 紫 移 由于取代作用或溶剂效应导致吸收峰向短波方向移动的现象 6 增色效应和减色效应 由于取代或溶剂等的改变 导致吸收峰位位移的同时 其吸收强度也发生变化 增强的称增色效应 减弱的称减色效应 谱学知识介绍 18 四 影响紫外吸收光谱的主要因素 1 共轭效应延长共轭系统 p 超共轭 红移 1 共轭 使 n 跃迁峰红移 共轭双键数目越多 吸收峰红移越显著 谱学知识介绍 19 20 2 p 共轭 体系越大 助色基团的助色效应越强 使 跃迁红移 1 共轭效应 谱学知识介绍 21 表1 3一些助色基的助色效应 22 3 超共轭效应 超共轭 烷基取代双键碳上的氢以后 通过烷基的C H键和 体系电子云重叠引起的共轭作用 使 跃迁红移 但影响较小 1 共轭效应 谱学知识介绍 23 2 立体效应 1 生色团之间 生色团与助色团之间空间过于拥挤 则导致共轭程度降低 吸收峰位紫移 max247253237231227 肩峰 谱学知识介绍 24 2 顺反异构 因反式异构体空间位阻较小 能有效地共轭 则峰位位于长波端 吸收强度也较大 2 立体效应 max295nm max280nm max27000 max13500 谱学知识介绍 25 3 跨环效应 在环状体系 分子中两个非共轭生色团处于一定的空间位置 产生的光谱 既非两个生色团的加合 亦不同于二者共轭的光谱 2 立体效应 max nm 205214220230 肩峰 197 max21002148702007600 谱学知识介绍 26 3 溶剂效应 1 溶剂极性的改变对吸收峰位置和强度都有影响 跃迁 溶剂极性的增大 红移 n 跃迁 溶剂极性的增大 蓝移 谱学知识介绍 27 2 酸性 碱性或两性物质时 溶剂的pH值对光谱的影响很大 如 谱学知识介绍 28 紫外光谱的 max的主要影响因素小结 共轭体系 立体效应 溶剂 1 共轭2 p 共轭3 超共轭效应 1 空间位阻2 顺反异构3 跨环效应 1 溶剂极性2 溶液的pH值 极性 n 跃迁蓝移 跃迁红移 酚 烯醇 碱中 红移羧酸类 碱中 红移苯胺类 酸中 蓝移 特例 29 吸收带是说明吸收峰在紫外可见光谱中的位置 2 K带 由共轭双键的 跃迁产生 CH CH n CH C CO max 200nm max 104共轭体系增长 max 红移 max 溶剂极性 max 红移 1 R带 由n 跃迁产生C O C N N N NO NO2等的特征 max 300nm max 100溶剂极性 max 蓝移 六 吸收带的类型与分子结构 30 3 B带 芳香族化合物的主要特征吸收带苯蒸汽可见精细结构 max约200苯溶液及苯在极性溶剂中 宽带 精细结构消失 230 256 270nm 4 E带 由苯环环形共轭系统的 跃迁产生芳香族化合物的特征吸收带E1带180nm max 104 紫外常观察不到 E2带200nm max 7000强吸收苯环有发色团取代且与苯环共轭时 E2带与K带合并一起红移 长移 31 第三节不同类型化合物产生的电子跃迁类型 1 饱和烃类化合物只含有 键电子 只产生 跃迁 最大吸收到出现在 200nm的真空紫外区 2 烯 炔及衍生物既有 键电子又有 键电子 键电子引起 及 跃迁 谱学知识介绍 32 3 含杂原子的双键化合物a 醛酮类 C O 跃迁位于远紫外区 n 跃迁 max270 300nm 100 b 羧酸 酯 酰氯 酰胺类 n 跃迁 max显著蓝移 谱学知识介绍 未成键电子对与羰基 电子相互作用 激发态 能量提高 电负性杂原子的诱导效应可能降低羰基基态n的能级 两种作用都使n 跃迁能增高 吸收带蓝移 4 芳香族类化合物的紫外吸收 1 苯及其衍生物的紫外吸收 苯 max 256nm k 250 B带 吸收较弱 该吸收带呈现明显的精细结构 一般为六重峰 是苯环紫外吸收的重要吸收带 所以又称苯型带 受溶剂的影响很大 在极性溶剂中 其精细结构消失 苯环显示三个吸收带 都是起源于 跃迁 max 184nm k 60000 E1带 强吸收 落在远紫外区 一般仪器检测不到 max 204nm k 7900 E2带 强吸收 较重要 一元取代苯的紫外光谱 苯环上有一元取代基时 一般B带的精细结构消失 并且各谱带的 max发生红移 max值通常增大 烷基取代苯 烷基无孤电子对 对苯环电子结构产生很小的影响 由于有超共轭效应 一般导致B带 E2带红移 助色团取代苯 助色团含有孤电子对 它能与苯环 电子共轭 使B带 E带均移向长波方向 不同助色团的红移顺序为 N CH3 2 NHCOCH3 O SH NH2 OCH3 OH Br Cl CH3 NH3 生色团取代的苯 含有 键的生色团与苯环相连时 产生更大的 共轭体系 使B带E带产生较大的红移 吸收强度增加 有时B带会被E2带所淹没 不同生色团的红移顺序为 NO2 Ph CHO COCH3 COOH COO CN SO2NH2 NH3 应用实例 酚酞指示剂 2 多环芳烃化合物的紫外光谱 联苯类 二联苯中 因两个苯环处在同一个平面上 扩展了共轭系统 形成了新的发色系统 使苯的E2带发生红移 并且kmax增大 其尾部常常盖住了苯的B带 对位相连的三联苯和四联苯中 也因共轭体系的扩展使E2带更向红移 邻位三联苯中 由于空间位阻的影响 只有两个苯环处在同一个平面上 所以它的紫外光谱与二联苯相近 而与对位三联苯不同 稠环芳烃 3 杂环化合物 只有不饱和的杂环化合物在近紫外区才会有吸收 五元杂芳环按照呋喃 吡咯 噻吩的顺序增强芳香性 其紫外吸收也按此顺序逐渐接近苯的吸收 因五元杂环中杂原子上的孤电子对参与了共轭而不显示n 吸收带 呋喃 204nm k6500 吡咯 211nm k15000 噻吩 231nm k7400 a 线性系统 例如萘 蒽等 这个系列的化合物也具有类似苯的三个吸收带 随着苯环数目的增加 各吸收带向红移动 当苯环数增加到一定时 吸收带可达可见光区 因而产生颜色 b 非线性系统 例如菲 芘等 它们的紫外光谱同时受分子骨架和环数目两个因素的影响 因而比较复杂 38 1 确定未知化合物是否含有与某一已知化合物相同的共轭体系 未知化合物与已知化合物的紫外谱图具有相同的走向 可认为两者具有相同的共轭体系 溶剂保持一致 因此UV一致 不一定是一个化合物 第四节紫外光谱的应用 39 2 主要用于判断结构中的共轭系统 结构骨架 如香豆素 黄酮等 谱学知识介绍 max215nm 咪唑 max275nm 苯丙烯酸 40 黄酮类化合物 220 280nm 谱带II 苯甲酰系统300 400nm 谱带I 肉桂酰系统 41 II带强 I带弱 异黄酮类化合物 245 270nm 谱带II 苯甲酰系统 42 3 可以确定未知结构中的共轭结构单元 通过Woodward规则等方法获得推测结构的吸收峰位计算值 并于实测值相比较 与同类型的已知化合物的紫外光谱进行比较 可进行结构分析类比 该规则只适用于共轭二烯 三烯 四烯 不适用于芳香体系 芳香系统另有规则 谱学知识介绍 43 1 共轭烯烃类化合物的紫外光谱 Woodward Fieser规则 共轭二烯 三烯 四烯 44 从防风草中分离得到一化合物 UV max EtOH 241nm 判断是松香酸 A 还是左旋海松酸 B 确定未知化合物的共轭结构单元 45 2 费泽 库恩 Fieser Kuhn 规则共轭四烯以上化合物的紫外光谱 46 例 47 3 共轭不饱和羰基化合物的紫外光谱 48 49 例 鸦胆子中一种苦木内酯化合物UV谱 max EtOH 221 280nm max EtOH NaOH 221 328nm a骨架 六元不饱和酮类215nm OH 35nm 烷基 12 2 24nm max计算值274nmb骨架 不饱和酯类193nm 烷基 12 2 24nm max计算值217nm 50 确定构型 构型不同 max及 max也不同 通常 反式 trans 异构体的 max及 max值较相应的顺式 cis 异构体大 谱学知识介绍 4 确定构型或构象 空间位阻大共平面性差空间位阻小共平面性好 max280nm max10500 max295 5nm max29000 51 确定构象 1 共轭二烯类化合物构象 顺式比相应的反式异构体的吸收波长长 但吸收强度弱 max270nm max234nm max5000 15000 max12000 28000 如 52 5 测定互变异构现象 如 苯甲酰基乙酰苯胺存在酮型 A 和烯醇型 B 互变现象 max nm 245 308pH l2 308323 则 245nm为A吸收峰 308nm为B异构体吸收峰 原因 pH l2时 烯醇羟基失去质子变为烯醇离子C 故红移 53 1 在200 800nm区间无吸收峰 结构无共轭双键 2 220 250nm 强吸收 max在104 2 104之间 有共轭不饱和键 共轭二烯 不饱和醛 酮 3 250 290nm 中等强度吸收 max1000 10000 通常有芳香结构 4 250 350nm 中低强度吸收 10 100 且200nm以上无其他吸收 则含有带孤对电子的未共轭的发色团 羰基或共轭羰基 谱学知识介绍 第五节分析紫外光谱的几个经验规律 54 5 有多个吸收峰 有的在可见区