2025年大学《资源化学》专业题库- 化学结构分析的技术与方法

2025年大学《资源化学》专业题库——化学结构分析的技术与方法考试时间：______分钟总分：______分姓名：______一、选择题（每小题2分，共20分。下列每小题均有多个正确选项，请将正确选项的字母代号填入题后括号内。多选、错选、漏选均不得分）1.下列哪些化学位移归属通常与分子内氢原子与碳-氧双键（C=O）的偶合有关？A.α-氢的化学位移（δ≈1.0-2.0ppm）B.酰胺氢（-CONH-）的化学位移（δ≈5.0-8.0ppm）C.羧基质子（-COOH）的化学位移（δ≈10-12ppm）D.醚氧邻位氢的化学位移（δ通常在1.5-4.5ppm）2.在核磁共振波谱中，确定一个有机分子不饱和度（度数）的主要依据是：A.质谱中分子离子峰的质荷比（m/z）B.红外光谱中特征吸收峰的位置C.核磁共振氢谱中化学位移的个数D.核磁共振碳谱中化学位移的个数3.下列关于红外光谱（IR）和核磁共振（NMR）分析特点的描述，哪些是正确的？A.红外光谱对共价键的振动有特征吸收，灵敏度高B.核磁共振谱图提供分子中原子核的连接信息和化学环境C.红外光谱图谱具有唯一性，可用于绝对结构鉴定D.核磁共振谱图受样品浓度影响较大4.质谱中，分子离子峰（M+）在总离子流图中的位置（m/z值）主要反映了：A.分子式B.分子量C.分子中官能团的数量D.分子连接方式5.下列哪种核磁共振技术能够提供关于碳原子连接氢原子类型的信息？A.¹HNMRB.¹³CNMRC.DEPT(DistortionlessEnhancementbyPolarizationTransfer)D.HMBC(HeteronuclearMultipleBondCorrelation)6.对于复杂有机分子的结构鉴定，通常需要综合运用多种谱学方法。以下哪种组合通常是确定未知物分子结构比较完备的选择？A.仅红外光谱和核磁共振氢谱B.红外光谱、核磁共振氢谱和质谱C.核磁共振碳谱、质谱和紫外-可见光谱D.红外光谱、核磁共振碳谱和质谱7.在核磁共振波谱中，化学位移（δ）的单位是：A.赫兹（Hz）B.特斯拉（T）C.波数（cm⁻¹）D.百分比（%）8.红外光谱中，官能团特征吸收峰的位置主要取决于：A.原子质量B.键的力常数C.分子对称性D.溶剂效应9.下列哪种谱学方法主要基于分子对特定波长光的吸收来提供结构信息？A.红外光谱B.核磁共振波谱C.质谱D.紫外-可见光谱10.对于分子式为C₇H₁₆O的饱和一元醇，其核磁共振氢谱（¹HNMR）理论上应显示多少个不同的化学位移？A.2B.3C.4D.5二、填空题（每空2分，共20分。请将正确答案填入题中横线上）1.紫外-可见光谱主要用于研究分子中的________对光的吸收，通常与分子中的________或________结构有关。2.在核磁共振碳谱（¹³CNMR）中，脂肪碳通常出现在________ppm范围，而羰基碳（如C=O）通常出现在________ppm范围。3.质谱中的基峰（BasePeak）定义为质谱图中________的峰，其相对强度通常表示该碎片的________。4.红外光谱中，官能团的特征吸收峰通常比分子中键的振动频率________（高/低），因此更容易观察。5.核磁共振自旋-自旋偶合（裂分）现象的产生源于________之间通过化学键的相互作用。6.确定分子立体结构的重要信息通常来源于________谱和________谱。7.在核磁共振波谱中，化学位移表示信号峰相对于________信号的位置，通常以________为单位。8.质谱中的分子离子峰（M+）是分子失去一个________后形成的离子，其质荷比近似等于分子的________。9.红外光谱中，不同官能团（如O-H,N-H,C=O,C-H）的振动频率通常分布在不同的________区域。10.利用核磁共振谱图计算不饱和度（度数）的公式为：不饱和度=(C+X/2-H/2-N/2+Z/2)，其中X代表________原子，Z代表________原子。三、名词解释（每题3分，共15分。请给出下列名词的准确定义）1.化学位移（ChemicalShift）2.偶合裂分（CouplingSplitting）3.分子离子峰（MolecularIonPeak）4.官能团特征频率区（FunctionalGroupFingerprintRegion）5.不饱和度（DegreeofUnsaturation）四、简答题（每题5分，共20分。请简要回答下列问题）1.简述红外光谱（IR）分析中，样品制备方法（如KBr压片法、液体薄膜法、薄膜法）对谱图质量可能产生的影响。2.简述核磁共振氢谱（¹HNMR）中，化学位移和偶合裂分信息分别提供了关于分子结构的哪些重要信息？3.简述质谱（MS）中，分子离子峰（M+）和基峰（BasePeak）的相对强度对于结构推断的意义。4.简述紫外-可见光谱（UV-Vis）分析在判断分子共轭体系存在及其程度方面的作用。五、论述题（每题10分，共30分。请结合实例或原理进行较为详细的论述）1.论述如何综合运用红外光谱、核磁共振氢谱和碳谱、质谱来鉴定一个饱和一元脂肪酸的分子结构。请说明各谱图应重点关注哪些信息。2.论述核磁共振二维谱（如COSY,HSQC,HMBC）在确定复杂分子结构中的优势和应用原理。以一个包含酯基和烯烃的分子为例，说明如何利用这些谱图信息连接碳氢骨架。3.论述在资源化学领域（如矿物分析、煤化学、石油化工等），选择合适的化学结构分析技术（光谱、色谱等）时需要考虑哪些因素？并举例说明针对某类资源化学品（如煤、页岩油、某种矿石提取物）应优先考虑使用哪些分析方法及其原因。---试卷答案一、选择题1.AB2.AB3.AB4.B5.C6.B7.D8.B9.D10.C二、填空题1.共轭体系；官能团；不饱和键2.0~50；160~2203.最大相对丰度；相对丰度4.高5.自旋核6.核磁共振；质谱7.参考基准；波谱8.电子；相对分子质量9.波数10.氧；氮三、名词解释1.化学位移：指在核磁共振波谱中，样品中氢（或碳）原子核的共振频率与标准参照物（通常是TMS）的共振频率之差，用δ表示，单位为ppm。2.偶合裂分：指核磁共振波谱中，自旋量子数不为零的原子核（自旋核）之间通过化学键的相互作用，使得单个自旋核的共振信号分裂成多个峰（称为裂分）的现象。3.分子离子峰：指在质谱图中，由分子失去一个电子后形成的、代表分子原始质量的离子峰，通常位于质谱图的最左边。4.官能团特征频率区：指红外光谱中，不同官能团的特征吸收峰通常集中分布的区域，如3400-3800cm⁻¹的O-H,N-H伸缩振动区，1700-1800cm⁻¹的C=O伸缩振动区等。5.不饱和度：指分子中双键、叁键和环所相当的碳原子数。计算公式为：不饱和度=(C+X/2-H/2-N/2+Z/2)，其中C为碳原子数，H为氢原子数，N为氮原子数，X为卤素原子数（F,Cl,Br,I），Z为氧原子数（通常不计算）。四、简答题1.KBr压片法：样品与KBr混匀压片，适用于固体样品，但要求样品不含水，且与KBr化学性质不反应，否则谱图会受干扰或出现吸收。液体薄膜法：将液体样品滴加在盐片（如NaCl）表面，形成均匀薄膜，适用于液体，但薄膜易破碎。薄膜法（如ATR）：将固体样品直接与金刚石压片或盐片接触，通过反射检测，无需样品预处理，操作简便，尤其适用于难以制样的样品，谱图分辨率可能更高。2.化学位移信息提供了分子中氢原子所处的化学环境，间接反映了与氢原子相连的基团类型以及分子骨架的局部结构信息。例如，脂肪氢通常在低场（δ0-2），烯氢在中等场（δ4.5-7），芳氢在高场（δ6.5-8.5），羟基氢在高场且易受氢键影响。偶合裂分信息提供了分子中氢原子之间的连接关系（近邻关系），反映了氢原子所在碳原子上或其他近邻碳原子上氢原子的数量，可用于确定碳骨架的连接方式和对称性。3.分子离子峰（M+）的相对强度反映了该分子在电离条件下生成离子的难易程度，即分子的稳定性，可以为判断分子式提供参考。基峰（BasePeak）的相对强度定义为100%，它通常是分子碎片离子中丰度最高的那个，其结构往往具有代表性，可以提供关于分子中主要断裂键或碎片类型的信息，有助于推断分子结构。4.紫外-可见光谱主要研究分子中能够吸收紫外或可见光的电子跃迁。具有共轭体系的分子（如烯烃、炔烃、芳香环、羰基共轭体等）的π电子或n→π*、π→π*跃迁会出现在紫外-可见光区，吸收波长λmax的位置和强度（摩尔吸光系数ε）与共轭体系的长度和extent直接相关。共轭程度越大，λmax越向长波方向移动（红移），ε越大。因此，UV-Vis可用于判断分子中是否存在共轭结构，并估算其共轭程度。五、论述题1.鉴定饱和一元脂肪酸（R-COOH）结构需综合分析各谱图信息：*红外光谱（IR）：关注3400cm⁻¹附近是否出现宽而强的O-H伸缩振动峰（与羧基氢有关），1700cm⁻¹附近是否出现强的C=O伸缩振动峰，以及2850-3000cm⁻¹范围内的C-H伸缩振动峰，1460cm⁻¹和1375cm⁻¹附近的C-H弯曲振动峰。*核磁共振氢谱（¹HNMR）：*计算不饱和度：根据分子式C₇H₁₆O，不饱和度=(7+0/2-16/2-0/2+0/2)=1。说明分子含有一个度数（双键或环）。*观察化学位移：应出现4组不同化学位移的信号（因分子对称性可能少于4组，但氢环境种类应为4）。*观察积分面积：各信号积分面积之比对应氢原子数目之比，总氢数为16，需满足R-COOH的结构（甲基3H,亚甲基4Hx2,亚甲基2H,羧基质子1H）。*观察偶合裂分：甲基信号通常为单峰，亚甲基信号可能为双峰（n+1规则），连接羧基的亚甲基和甲基氢可能与其他氢有偶合。结合化学位移和积分，确定各氢环境。*核磁共振碳谱（¹³CNMR）：应出现5组不同化学位移的信号（因饱和，且羧基碳与α碳偶合，可能看到多峰）。脂肪碳信号通常在0-50ppm，羧基碳（C=O）在165-180ppm。*质谱（MS）：分子离子峰M+的m/z值应等于分子量（C₇H₁₆O的分子量为114）。基峰通常为与分子离子结构相关的碎片峰，如失去甲基的[R-COO]⁺碎片。*综合分析：结合IR的官能团峰，NMR的氢谱（环境种类、积分、裂分）和碳谱（环境种类）确定碳骨架连接方式，以及MS的分子量和碎片信息，最终确定结构为R-COOH，并确定R基团。例如，若NMR示为3H(δ0.9,s),2H(δ1.3,t),2H(δ1.5,t),2H(δ2.1,q),1H(δ10.5,s)，则R基团为CH₂CH₂CH₃，结构为CH₃CH₂CH₂COOH。2.核磁共振二维谱在复杂分子结构确定中具有重要优势，通过测量原子核之间的远程连接信息，克服了一维谱峰重叠的困难：*COSY(CorrelationSpectroscopy):主要用于确定直接相连的氢原子（¹H-¹H偶合，J值通常>3Hz）之间的连接关系。在二维谱图上，通过F₂维（化学位移）与F₁维（化学位移）的交叉峰，可以直接找到氢原子对（如AB对应在δ₁处的A信号与δ₂处的B信号交叉）。这对于确定分子骨架的片段连接非常有用。*HSQC(HeteronuclearSingleQuantumCoherence):用于连接氢谱（¹HNMR）和碳谱（¹³CNMR）。碳原子信号出现在F₂维，与其直接连接的氢原子信号在F₁维形成交叉峰。由于¹H和¹³C之间的偶合很弱，每个碳信号都与其直接连接的氢信号相关联，即使存在大量峰重叠，也能清晰地看到每个碳原子的连接氢环境，极大地简化了碳骨架的解析。*HMBC(HeteronuclearMultipleBondCorrelation):用于确定较远距离的连接关系（通常³J或²J偶合，即氢与相距2或3个键的碳原子之间的连接）。在二维谱图上，碳信号（F₂）与氢信号（F₁）通过远程偶合相关联。这为连接不同部分的碳原子提供了关键信息，对于确定复杂分子的整体骨架至关重要。*举例（含酯基CH₃COO-和烯烃CH=CH₂）：*HSQC:可连接酯基的甲基碳（δC~20-30ppm）与3个甲基氢（δH~0.8-1.2ppm），酯羰基碳（δC~170ppm）与2个亚甲基氢（δH~1.2-1.5ppm），烯烃碳（δC~130,115ppm）与2个烯氢（δH~4.5-6.5ppm）。*COSY:可连接酯基甲基氢与亚甲基氢，亚甲基氢与烯烃氢，烯烃氢之间可能存在远程偶合（通过HMBC证实）。*HMBC:可提供关键远程连接：酯基甲基氢可能与烯烃碳相关联，酯基亚甲基氢可能与烯烃碳或邻近碳相关联，从而将酯基和烯烃部分连接起来，确定整体骨架。例如，HMBC可能显示δH1.4(亚甲基)与δC130(烯烃碳)的连接，δH1.4与δC115(烯烃碳)的连接，δH0.9(甲基)与δC170(羰基)的连接，以及δH0.9与δC130(烯烃碳)的连接（如果存在远程偶合）。3.在资源化学领域选择化学结构分析技术需考虑：*样品性质：物态（固体、液体、气体）、形态（粉末、块状、粘稠）、纯净度（单一组分、复杂混合物）、稳定性（是否易分解、氧化）、样品量大小。*分析目标：是定性鉴定（知道是什么），还是定量分析（知道含量），或是结构确证（精确知道结构）？需要提供的信息类型（官能团、骨架、含量）。*分析精度和复杂度：需要分析的技术难度，样品是否复杂，需要分辨的组分是否接近。*成本和效率：不同技术的设备投入、运行成本、分析时间。*现有设备条件。举例：*煤化学：煤是复杂的固体混合物。常先用元素分析确定C,H,O,N,S含量。结构分析：*红外光谱（IR）：快速鉴定煤中主要的官能团，如含氧官能团（酚羟基、羧基）、含氮官能团、含硫官能团以及芳香环、脂肪链等。成本低，操作快，可用于普查。*热重分析-红外联用（TGA-IR）：研究煤的热解过程，并结合TGA和IR分析不同温度下解吸出的挥发分（如H₂O,CO₂,CO,CH₄,烃类）的组成和官能团。*核磁