精细化学品分析课件完整版 - 图文

第二章 现代分离方法

2.1 色谱法概述

分离科学是自然科学和应用科学的一个重要分支，化学的发展离不开分离科学。

分离方法：物理分离法，化学分离法

物理分离法：以被分离对象所具有的不同物理性质为依据，采用合适的物理手段进行分离 例如：气体扩散法，离心分离法，色谱分离法，过滤，萃取，蒸馏

化学分离法：按被分离对象在化学性质上的差异，通过合适的化学过程使它们获得分离。例如：沉淀和共沉淀，溶剂萃取法，离子交换法

色谱法的发展

1935年，Adams和Holmes,建立离子交换色谱 1938年，建立薄层色谱法 1941年，建立液液分配色谱法 1944年，创立纸色谱法

1952年，产生了气－液色谱法 1953年，发展了气－固色谱法 1959年，提出了大小排阻色谱法 20世纪60年代，高效液相色谱

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色谱分离示意图

在色谱法中，将填入玻璃管或不锈钢管内静止不动的一相（固

体或液体）称为固定相 ；自上而下运动的一相（一般是气体或液体）称为流动相 ；装有固定相的管子（玻璃管或不锈钢管）称为色谱柱 。当流动相中样品混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于各组分在性质和结构上的差异，与固定相相互作用的类型、强弱也有差异，因此在同一推动力的作用下，不同组分在固定相滞留时间长短不同，从而按先后不同的次序从固定相中流出

色谱分析方法的分类 按两相状态分类: 固定相、流动相

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固定相的两种状态

回转吸附剂

按固定相性质分类: 1、柱色谱 2、纸色谱 3、薄层色谱 4、棒色谱 按分离过程的物理化学原理分类: 1、吸附色谱 : 利用吸附剂表面对不同组分有不同吸附能力进行分离

2、分配色谱: 利用不同组分在两相中具有不同的分配系数进行分离 3、其他色谱法: 离子交换色谱法、反应色谱法、纸上电泳法

2.2 色谱理论

分离原理

在色谱分析中，当流动相携带样品通过色谱的固定相时， 样品分子与固定相分子之间发生相互作用，使样品在 流动相和固定相之间进行分配。与固定相分子作用力越大 的组分向前移动速度越慢，与固定相分子作用力越小的组 分向前移动速度越快，经过一定的距离后，由于反复多次 的分配，使原本性质（沸点、极性等）差异很小的组分 之间也可以得到很好的分离。

色谱流出曲线图

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色谱流出曲线图基本参数

1、基线：只有流动相通过检测器所得到的信号，OC 2、峰：流动相含有组分时通过检测器所得到的信号。 （1）峰宽（Wb)峰两侧曲线在拐点作切线而在基线 上相交的线段，IJ

（2）峰高（h)峰最高点至峰底的垂直距离，AB （3）半峰宽（Y ?）峰高一半处峰的宽度，GH （4）标准偏差（σ ）0.607倍峰处色谱峰宽的一半， 1/2EF

保留值：是色谱定性分析的主要依据

（1）死时间（tM) （2） 保留时间(tR) （3） 调整保留时间（tRˊ （4）死体积（ VM

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色谱柱中未被固定相占据的空隙体积，包括进样器和检测器的空间体积

及从进样器到柱和从柱到检测器的连接管路的体积。

V

M = tM * FC

FC ：柱压与柱温下校正后的流动相体积流速，ml/min （5）保留体积（ VR ）

从进样开始到试样色谱峰出现最高点时所流过的流动相体积。

VR

= tR * FC

VR ）

ˊ

（6）调整保留体积（

扣除了死体积后剩下的保留体积。

VR = VR -VM =(tR - tM )* FC

（7）相对保留值（12）

色谱中采用一种物质为标准，其他物质的调整保留值对此标准物质的

调整保留值的比值，称为相对保留值。即

ˊ

r

r12 = tR1ˊ/ tR2ˊ= VR1ˊ/ VR2ˊ

下标1表示其他组分，下标2表示被约定的组分 （8）保留指数（I）

国际上公认并广泛使用的定性指标，是以紧接组分的两个正构烷烃为

基准进行计算的：

IX=100*[(lg tRXˊ- lg tRnˊ)/ (lg tRn+1ˊ- lg tRnˊ)+ n ]

色谱分析

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分离度：R，是色谱柱总分离效率的指标。它表明了两种难分离的组分通过色谱柱后能否被分离，两组分形成的峰距离的远近及色谱柱的柱效率等。

R= (tR2-tR1) / 1/2 (W1+W2)=2 (tR2-tR1)/ (W1+W2)

tR2、 tR1分别为组分2 和组分1的保留时间 W1、W2分别为组分1 和组分2的峰宽

R值越大，表明相邻两组分分离得越好。 R<1时，两峰会有部分重叠； R＝1时，两峰稍重叠；

R>1.5时，两峰才能完全分离。

当峰形不对称或两峰稍有重叠时，测量峰底宽度比较困难，可用半峰宽代替。

R = (tR2-tR1)/ (Y1/2(1) + Y1/2(2))

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色谱定性分析

一、利用保留值定性

（1）利用已知物对照定性

在固定相和操作条件不变时，将已知物的保留值与未知物组分的 保留值进行比较。

实例：

某条件下，产品标准样品的tR为3.165m，原料为1.124m

（3）利用相对保留值和保留指数定性

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当色谱的填充密度、固定液配比、载体惰性、柱使用时间长短以及 其他操作条件有差异时，即使固定相相同，同一组分保留值也会不同

r12 = tR1ˊ/ tR2ˊ= VR1ˊ/ VR2ˊ

组分1和基准物2的调整保留值的比值

色谱手册上均列有相对保留值的数据供使用，通常选用与

被测组分保留值相近的物质作基准物。如正丁烷、正戊烷、苯、 对二甲苯、环己酮等。 是国际上公认的定性指标 （4）利用多柱定性

二、其他方法定性

（1）利用选择性检测器定性

选择性检测器是指在相同条件下，它对两类物质的响应值之比至少为10：1

实例：

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（2）色谱与其他仪器的联用

色谱突出特点是分离能力强、效率高，但鉴定困难 红外、质谱的特点是鉴别能力强 色谱－质谱联机 色谱－红外联机

色谱定量分析

色谱定量分析的依据是：在一定的操作条件下，被测组分的质量或在载气中

的浓度与它在检测器上产生的响应信号（峰面积或峰高）成正比，可用下式

表示：mi = fi Ai mi=Ai/Si mi―――被测组分i的质量； Ai―――被测组分i的峰面积；

fi ―――被测组分i的绝对质量校正因子，即单位峰面积 所代表物质质量；

Si―――被测组分i对检测器的绝对灵敏度。

Si = 1/fi

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（一）峰面积的计算方法

（1）近似测量法 一般有三种情况

1、峰高乘半峰宽法 当色谱峰呈现正态分布时，其峰面积近似 等于峰高乘半峰宽，即A = h Y1/2此法不适用于不对称峰，很窄或很小的峰 A

= 1.065 h Y1/2 单位为cm

2、峰高乘平均峰宽法 此法适用于不对称峰，在峰高的15％

和85％处分别测出该处峰的宽度，取平均值与峰高相乘而得到峰面积。

A = 1/2 ( Y1/2 + Y0.85 ) * h

3、峰高乘保留时间法 此法适用于一些比较拥挤或狭窄的峰 依据：在一定操作条件下，同系物的半峰宽与保留时间 成正比，即

当样品中各组分含量相差

很大以及不属于同系物的 Y1/2 = b tR 因此，A = h b tR 峰时，不可以采用此法。 b为常数。 （2）真实峰面积测量法 常用第二种方法 1、剪纸称重法

用剪刀将色谱峰沿峰曲线剪下来，分别在色谱峰上称重，以每个峰的质量代替峰面积，此法少用。

2、数字积分仪法 使用数字积分仪对峰面积进行测量计算，快速准确

（二）校正因子

色谱定量分析的基础是峰面积与被测物质成正比，但由于峰面积的大小

与物质的性质有关，因此同一种检测器对同一质量的不同物质产生的峰

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面积往往不相等，这样就不能直接利用峰面积计算物质的含量，必须对

峰面积进行校正，因此引入校正因子概念。

（1）绝对校正因子 是指某组分通过检测器的量与检测器对该组分的响应信号的比值，对组分i而言： fi = mi / Ai （2）相对校正因子 是某物质的绝对校正因子与某标准物质的绝对校正因子的比值 fiˊ= fi / fs 相对校正因子表示方法，分为以下几种 1、相对质量校正因子（fˊ(m) ）

fˊ(m) = fi(m)/fs(m)=Asmi/Aims

2、相对摩尔校正因子（fˊM ）

fˊM = fi(M) / fs(M) = As mi Ms / Ai ms Mi = fˊm (Ms /Mi)

3、相对体积校正因子（fˊV ）

fˊV = fˊM

实例：测定某纯样品i的相对校正因子步骤

1、用分析天平称取待测样品i，记为mi

2、用分析天平称取标准样品s，记为ms

3、将二者混合均匀，进样，得到色谱图

4、计算出i组分和s组分峰面积，分别记为： Ai ，As

5、依据fˊ(m) = fi(m)/fs(m)=Asmi/Aims 进行计算

（3）相对响应 相对响应值Siˊ是指物质I与标准物质s的响应值之比。Siˊ = Si/Ss = 1/fiˊ

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（三）定量分析方法

（1）归一化法 当样品种所有组分都能产生可测量的色谱峰时。

当试样中各组分的校正因子很接近时，可直接把 峰面积归一化。

实例：用色谱归一化法计算某混合物中I组分的百分含量 1、称取一定量混合物作出色谱图

2、测出组分i的峰面积及所有峰的面积

3、利用公式进行计算

（2）内标法 当试样中各组分不能全部出峰或只是对某几个有色谱峰的组分进行定量时

内标法是称取一定质量的某纯物质作为内标物，加入到已知质量的 样品中，混合均匀后进行分析。 Pi% = mi / m * 100% = Ai fiˊms/ Asfsˊm

如果以内标物作为测定校正因子的基准物，则fsˊ= 1 Pi% = mi / m * 100% = Ai fiˊms/ Asm

如果再固定试样的称取量，加入恒量的内标物，则 Pi% = Ai / As*常数

以Pi%对Ai/As作图，可得到一条通过原点的直线，利用内标曲线确定

组分含量

实例：利用内标法计算某组分含量

1、称取10份相同质量的混合物，其中I组分的百分含量，分别是5％，10％。。。50％

2、10份混合物中分别加入定量的内标物

3、作出10张色谱分析图，得到10组Ai,As数据

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4、以Pi%对Ai/As作图，作出内标法标准曲线图，

5、取定量待测混合物，加入定量内标物，作色谱图， 得到Ai,As数据，

6、从色谱内标曲线找出Pi%

内标法标准曲线图

（3）外标法

外标法的操作是：取纯物质配成一系列不同浓度的标准溶液，分别取

一定体积注入色谱仪，得到色谱图，测出峰面积，作出峰面积和浓度

的关系曲线。然后在同样操作下进入相同量的未知试样，从色谱图上

得到峰面积，由标准曲线查出待测组分浓度。

外标法标准曲线

外标法操作和计算均简便，不必使用校正因子，但要求操作条件稳定，进样量重复性好，否则对分析结果影响大

气相色谱法（GC）Gas Chromatography

是一种具有高分离效能的分析技术，是常用的分离分析方法之一

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气相色谱仪 （由五部分组成） 气路系统 进样系统 分离系统 检测和记录系统 温控系统

气相色谱分析中一般采用不干扰样品分析的气体作载气，常用载气有氮气、氢气、氦气。

液体样品一般采用微量注射器；气体样品可用普通注射器进样。 样品进入气化室后在一瞬间就被气化，然后随载气进入色谱柱

色谱柱有U型、W型、螺旋型，毛细管柱一般是螺旋型，是用玻璃、弹性石英、不锈钢管拉制成的，柱内径为0.2-0.5mm,长度30-300mm。

（4）温控系统

色谱仪通过温控系统设定、控制和测量色谱炉、气化室和检测器三处温度。控温方法有恒温和程序升温两种。

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（5）检测和记录系统

组分分离后进入检测器，检测器将各组分的量的变化转化为电压或电流的变化，经放大后由记录仪绘出色谱图

气相色谱法特点

（1）高效能 一般填充柱有几千块理论塔板，毛细管柱有100000－1000000块理论塔板，因此可分离沸点相近的组分与复杂的多组分混合物

（2）高选择性 可通过选用选择性的固定液，使性质极为相似的组分得以分离

（3）高灵敏度 指检测器可检测出10-11-10-13的物质 （4）分析速度快 一次分析时间仅为几分钟到几十分钟

（5）应用范围广可分析气体和易挥发或可转化为易挥发的液体和固体

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气相色谱固定相：主要分为固体固定相和液体固定相两类

（1）吸附剂

吸附剂表面通常是一些多孔、表面积大、具有吸附活性的物质，与组分之间的作用主要是表面吸附。常用的吸附剂有活性炭、硅胶、氧化铝、分子筛等。固体吸附剂对永久性气体和气态烃有很好的分离效果，同时有良好的稳定性，价格低廉，色谱制作简单；但品种少，应用范围有限，活性中心易中毒，色谱峰易对称和产生拖尾等 （2）聚合物

以高分子多孔微球为代表，它是一种以苯乙烯为单体，二乙烯苯为胶联剂所形成的共聚物，是一种性能良好的吸附剂，对组分的分离基本是以相对分子质量顺序进行分离。 （二）液体固定相

液体固定相是以惰性固体微粒（称为担体或载体）作支持剂，在其表面涂渍一种高沸点的液体有机化合物而制成。 （1）担体

其作用是提供一个较大的惰性表面，使固定液能以液膜状态均匀 地分布在其表面上。

对担体的要求：担体不参与色谱分配过程，对各类样品呈化学惰性，比表面积大，化学稳定性好及热稳定性好，粒度均匀，有足够的机械强度。

主要有硅藻土类担体和非硅藻土类担体两类 （2）固定液

1、对固定液的要求

气相色谱固定液主要是一些高沸点的有机化合物， 作为固定液用的有机化合物必须具备下列条件：

A 沸点高，挥发性小，热稳定性好，在操作温度下不 发生热分解，且有较低的蒸气压；23

B 化学稳定性好，不与被分离的组分发生不可逆的化学 反应； C 粘度和凝固点要低；

D 对载体具有良好的浸润性，以形成均匀的薄膜； E 选择性高，对组分的分配系数有较大的差别。 2、固定液与组分分子间的作用力 简述色谱分离原理

分子间的作用力主要包括静电力、诱导力、色散力和氢键力等。

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气相色谱分离操作条件的选择

（1）载气及流速的选择 是影响柱效率的主要因素

当流速较小时，分子扩散成为色谱峰扩展的主要因素，此时应采用相对分子质量较大的氮气、氩气作为载气，，使组分在载气中有较小的扩散系数，有利于降低组分分子的扩散。而当流速较大时，传质阻力成为主要的影响因素，此时宜采用相对分子质量较小的氢气、氦气作为载气，使组分在载气中有较大的扩散系数，有利于减小气相传质阻力，提高柱效。此外，选择载气时还必须考虑与所用的检测器相适应，如对热导池检测器，应选用氢气或氦气，对氢火焰离子化检测器，一般选用氮气。 （2）柱温的选择

是改进分离的重要的操作参数，柱温的选择直接影响柱的选择性、柱效率和分析速度

一般采用较低的固定液配比和较低的柱温相配合的方法，提高柱的选择性，分析时间也不会太长。

对于宽沸程、多组分的试样，一般采用程序升温的方法进行分析 转程序升温 （3）固定液配比的选择

一般来说，对于表面积大的担体，如硅藻土，配比可以大一些（不超过30%）对于表面积小的担体，如聚四氟乙烯担体，其配比一般小于10%。此外还要考虑分析试样的沸点范围，对高沸点化合物，采用低配比，反之高配比，沸点很宽时，采用高配比。 （4）担体的选择

当固定液配比不变时，担体粒度越小，表面积越大，液膜厚度越小，柱效率越高；但担体过细会使柱渗透性变坏。一般根据柱径来选择担体的粒度，保持担体的直径约为柱内径的1/20为宜。常用60－80目及80－100目担体。 （5）柱的选择

色谱柱多由不锈钢或玻璃制成。不锈钢坚固、具有惰性，但不适合于填充多孔高聚物固定相。玻璃管具有惰性，柱效高，但进行某些痕量分析时，由于表面存在有害的硅醇基团，最好先做硅烷化处理。

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另外，增加柱长对分离有利，但柱长增加会使各组分的保留时间增加，延长分析时间。一般常用的填充柱为1－3米，色谱柱内径增加，会使柱效下降，常用的填充柱内径一般为3－6mm。 （6）进样条件的选择

进样量随柱内径、柱长及固定液用量的不同而异，柱内径大，固定液用量多，可适当增加进样量。但进样量过大，会造成色谱柱超负荷，使柱效下降、峰形变宽；进样量太少，则会使含量少的组分因检测器灵敏度不够而不出峰。因此最大允许进样量应控制在峰面积或峰高与进样量呈线性关系的范围内。液体试样一般进样0.5－5微升，气体试样0.1－10毫升。

另外，气化温度对分离操作也有影响，它取决于样品的挥发性、沸点范围、稳定性及样品量等因素。一般取样品沸点或高于其沸点，以保证液体试样进样后能瞬间气化。在保证试样不被分解的情况下，适当提高气化温度对分离和分析有利。

高效液相色谱法 HPLC（High Performance

Liquid Chromatography）

它是70年代才发展起来的一种以液体为流动相的快速分析色谱技术。

HPLC特点：

1、高压 由于流动相是液体，粘度比气体大得多，当溶剂通过柱子时会受到很大的阻力，所以一般采用高压泵输液。

2、高速 流动相通过柱子的流量可达1－10mL/min，可以在几分钟或几十分钟分析完一个样品。柱子可以重复使用几百次。

3、高柱效 HPLC使用了高效固定相，它们颗粒均匀，表面孔浅， 质量传递快，柱效很高，理论塔板数可达5000－30000 塔板/m以上。

4、高灵敏度 采用高灵敏度的检测器，如紫外吸收检测器的灵敏度 可达10-10g/mL

HPLC与GC的比较

1、气相色谱要求样品能瞬间气化，不分解，适用于低中沸点、相对分子质量小于400而又稳定的有机化合物的分液相色谱一般在室温下进行，要求样品能配成溶液就行，适用于高沸点、热稳定性差、相对分子质量大于400的有机物的分离分析。

2、在GC中只有一种可供选择的色谱相，即固定相，难以通过改变载气种类来改变组分的分离度。而在HPLC中可有多种吸附剂、高效固定相、固定液、化学键合相供选择；流动相有单溶剂、双溶剂、

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多元溶剂，并可任意调配比例，达到改变载液的浓度和极性，实现分离度的改善。

3、HPLC可用于分离制备纯物质，而GC要想回收被分离组分比较困难。

简单了解化学键合固定相

利用化学反应将有机分子键合到担体表面上。例：烷基硅烷化键合相

高效液相色谱仪

包括：输送载液的高压泵、进样器、色谱柱、检测器 及记录仪五个主要部分。

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凝胶色谱法（分子排阻色谱）

分离机理不是根据样品组分与固定相之间的相互作用，而是根据试样分子尺寸大小进行分离的。

分离机理不是根据样品组分与固定相之间的相互作用，而是根据试样分子尺寸大小进行分离的。

分离原理：凝胶是凝胶色谱的固定相，是产生分离作用的基础。凝胶是一种表面惰性，含有大量液体（水），柔软而富有弹性，具有立体网状结构的多聚体。试样组分进入色谱柱后，随流动相在凝胶外部空隙及凝胶网孔旁流过。对于那些太大的组分分子由于不能进入网孔而被排斥，随流动相的移动而最先流出；小个的组分则能渗入大大小小的网孔而完全不受排斥，所以最后流出；中等大小的组分可渗入到较大的网孔中，但受到较小网孔的排斥，所以介于两者之间流出。

应用实例：蛋白分子标记物的分离

选择色谱分离方法的一般原则

对于易挥发，相对分子质量<200的样品，易选用气相色谱法，对于分子质量在200－2000之间的样品，采用高压液相色谱，对于分子质量大于2000的样品，采用凝胶色谱法。

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薄层色谱法（TLC）（Thin Layer Chromatography)

它是将吸附剂均匀涂在一块光洁的玻璃板上，形成薄层，通过流动相（展开剂）流经玻璃板上附着的吸附剂（固定相），再借助于吸附剂的毛细管作用使展开剂沿薄层上升，同时，溶解的试样也随展开剂逐渐上升，由于混合物各组分对固定相吸附能力的不同而将其加以分离的方法。

薄层色谱演示图

薄层色谱法特点

1，方法简便易行，价格低廉。 2，分析快速。

3，在色谱板上检测样品，不会丢失组分。

4，可使用多种显色剂，既能检测所有组分，也可只检测待测组分。 5，可在同一块色谱板上同时分离多个样品。 6，所需样品量很少，通常5-10mg。 7，灵敏度高。

薄层色谱法基本原理

实质上是吸附，解吸附，再吸附，再解吸附的连续过程。通过不断地往复放大微小差别，从而达到分离的目的。

如何得到比较好的分离效果呢？

主要考虑三个方面的因素： （1）混合物组分的性质； （2）吸附剂（固定相）； （3）展开剂（流动相）。

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混合物的哪些性质需要我们考虑？ 溶解性，酸碱性，极性。

对于溶解性而言，不溶解无法点样。对于酸碱性而言，如果试样与吸附剂一为酸性，一为碱性，则可能发生酸碱反应而产生不可逆吸附，使分离过程难以进行。因此吸附剂的酸碱性应与试样保持一致。一般而言，硅胶略带酸性，氧化铝略带碱性。

由于吸附剂一般都是极性物质，因而混合物试样的极性越大，则被吸附剂吸附得越牢，移动速度越慢。一般而言，对于强极性试样，应使用活性低的吸附剂，对于弱极性试样，应使用活性高的吸附剂，化合物极性顺序如下：

饱和烃<不饱和烃<醚<酯<醛，酮<胺<羟基化合物<酸<离子化合物

常见吸附剂活性顺序：

蔗糖<纤维素<淀粉<碳酸钙<硫酸钙<碳酸镁<硅胶<活性炭<氧化镁<氧化铝

常用溶剂的极性顺序:

己烷（石油醚）<二硫化碳<苯<四氯化碳<二氯甲烷<乙醚<乙酸乙酯<丙酮<丙醇<甲醇<水

混合物、溶剂、吸附剂的选择规律

薄层色谱的定性分析方法

Rf值：是指溶质的运动速度与展开剂的运动速度之比。

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Rf＝溶质的运动速度 / 展开剂的运动速度＝ 从原点至斑点中心的距离 / 从原点至溶剂前沿的距离

薄层色谱的定性分析可采用以下几种方法： （1）将样品的Rf值与标样的Rf值相比较

（2）将斑点的显色特性与标样的显色特性比较 （3）使用斑点的原位扫描 （4）与其他方式联用

薄层色谱应用

例：在有机制备实验中，由硝基苯还原制备苯胺，如何以薄层色谱法判断反应终点？

其薄层色谱分析步骤如下： （1）准备薄板

（2）点样，以苯为溶剂，将样品配成1％溶液点于薄板下端 。 （3）展开，以环己烷：乙酸乙酯＝9：2为展开剂。将薄板放入展开缸中展开。

（4）显色，在254nm紫外灯下观察。

第三章 现代仪器分析的基本原理

现代分析仪器的基本原理和所分析的物质的性质密切相关。由于物质的结构和性质的不同，造成了不同物质对光吸收或光辐射的不同，人们就是利用这种不同，把物质相互区分开来以达到分析的目的。

吸收光谱

电磁辐射的基本性质

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电磁辐射又称为电磁波，它是一种能量形式，具有电和磁的特性，其能量范围很宽，从宇宙射线到无线电波和核磁共振谱，在波长上大约相差20个数量级。

对于电磁辐射，爱因斯坦提出了光子学说，认为辐射能的最小单位是光子，光子的能量等于普朗克常数h和辐射频率υ 的乘积，即 E = h υ

实际上是现代物理的“波粒二象性”的概念，即具有波动的性质，又具有粒子的性质。这对解释电磁辐射与分子间的相互作用奠定了理论基础。

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根据电磁波的性质，大致可把电磁波分三个区域：

其中光学区域是分析化学应用最为广泛的范围。 电磁辐射的性质如何描述？

一般采用波长（ λ ），频率（ν ），速度（u），波数（? ）以及能量等概念来描述。

它们之间的关系是：λ= u / ν ? = 1/λ

当电磁辐射作用于物质时，由于其传递的能量的不同，就会产生一系列的现象，比如引起物质发生能级跃迁，产生吸收光谱。引起物质发生光化学反应，使物质的性质及形态发生质的变化。

所谓吸收光谱就是通过电磁辐射引发的物质光物理性质的变化而建立起来的一种反映物质结构和光谱关系的分析方法。 分子的运动形式有电子跃迁、分子振动、分子转动组成 分子的能量由以下几种能量组成

对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是：紫外光谱

（ultraviolet spectroscopy 缩写为UV)、红外光谱(infrared spectroscopy 缩写为IR)、核磁共振谱(nuclear magnetic

resonance 缩写为NMR)和质谱(mass spectroscopy 缩写为MS).

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都属于吸收光谱范围。

何谓吸收光谱，它是如何产生的呢？

当电磁波和物质发生相互作用，将其能量传递给物质的过程称之为吸收，由此也产生了物质的吸收光谱，除非光能量吸收过程中物质发生了光化学反应。

通常所指的分子对电磁辐射的吸收过程一般包括两个过程：其一当分子吸收了电磁辐射的能量后，它本身由稳定的基态跃迁到不稳定的激发态，即

激发态分子的寿命约为10-8-10-9s ，因此在瞬间，激发态分子就以几种驰豫过程使激发能转变为热能，或以再发射荧光或磷光的方式回到基态。

第一种形式是常见形式，第二种形式可作为发射光谱测试的一部分来定性分析化合物的结构。

分子的电子能级、振动及转动能级都是量子化的，因此要实现能级的跃迁，只有当电磁辐射的能量恰恰等于两能级能量差且被分子吸收后，分子才能从一较低的能级跃迁到较高的能级，从而产生分子吸收光谱。

光子能量E = hν

所吸收的能量ΔE=E2 - E1 = hν

所放出能量的频率为ν ，无数个ν 在谱图的横坐标中，得到一系列振动谱线，即组成红外谱图。

我们所研究的红外光谱的ν 范围属于振动能级的跃迁

对于精细化学品而言，人们更关注有机化合物的吸收光谱。

有机化合物的红外吸收光谱

分子运动与光谱关系如何？ 分子振动方式： （1）伸缩振动

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（2）弯曲振动

化合物的红外光谱可以通过量子力学的方法求解其运动方程来进行分析，也可运用分子的对称因素以点阵图解法进行归属，但这些方法只适合简单分子，而基团频率法则是在分析化合物结构时常用的方法之一。

基团频率法：不同分子基团的原子质量的不同以及原子间力常数的不同，使得每一个基团都有自己特有的吸收区域，且较固定，很少受到分子其余部分振动的影响。因此对由不同原子或官能团所引起的特征吸收带的鉴别，可作为解析红外光谱的基础。例如一般-O-H的伸缩振动在3350cm-1处会引起强吸收带，因此如一个化合物在此附近出现强吸收，就可以基本证明该化合物具有羟基。

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红外谱图和分子结构的关系

综上所述，不同的分子或官能团有自己独特的运动方式，通过对红外辐射的吸收，会产生不同的红外吸收谱图，红外谱图中，峰的位臵、峰形、强度给出了分子结构中官能团的信息（有什么样的官能团，没有什么样的官能团），通过对这些信息的汇总，我们可以分析甚至可以确定分子的结构。

初步鉴定红外光谱的九个重要的和比较确定的区域

例：下图为一化合物的红外谱图，其可能结构为：

试判断下面红外谱图符合哪个化合物的结构。

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从图中可以看出：在3300 cm处有强的吸收谱，证明有 的存在，但在1900－1650 cm-1处没有C=O伸缩振动的谱带，所以可以排除1和3，所以最终确定化合物结构为2。 下面，我们详细了解不同官能团的特征吸收。 （1）C-H的伸缩振动及弯曲振动

不同类型的C-H键的伸缩振动出现在特定的频率范围3300－2700 cm-1处出现吸收，而其弯曲振动则出现在1000－650cm-1的指纹区范围内。大致情况如下面两表所示。

不同类型的C-H伸缩振动

-1

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不同类型C-H的弯曲振动

指纹区碳氢键弯曲振动作用？

为鉴定烯烃及芳烃的精细结构提供了依据。如烯烃是单取代？顺式？反式？三取代？苯环是单取代？邻位二取代？对位二取代？ 例：已判断化合物有如下结构，如何通过红外谱图判断其最终结构？

如果在690 cm处发现有中等强度吸收峰，则为顺式； 如果在970 cm-1处发现有中等强度吸收峰，则为反式。

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-1

例：已判断化合物可能为如下两种结构，如何利用指纹区判断其最终结构？

从所提供的红外谱图来看，750，700cm-1处有两处中等强度吸收峰，说明此化合物为单取代芳烃，所以此化合物为乙苯。

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（2）双键的伸缩振动（C=C，C=N)

一般在1680－1600，根据组成原子的不同吸收位臵稍有变化，但其强度受化合物环境影响较大。C=C的吸收一般很弱，而芳香族共轭体系中C=C的伸缩振动一般在1600－1450波数处出现1－4个强的谱带。

例：下面化合物可能有哪些红外吸收峰？ CH3CH=CHCH2CHO

3040-3010范围内有一谱带（=C-H的伸缩振动）， 2960－2870范围内有两个吸收峰（-CH3的伸缩）， 2850，2750两个吸收峰（O=C-H伸缩振动峰）， 1680－1620有一个C=C伸缩振动峰， 1900以下有C=O伸缩振动谱带， 指纹区还有该化合物顺反异构体的证据。 （3）叁键的伸缩振动

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化合物结构中共轭键引起这些值向低波数位移。

例：氰基一般在2260－2240波数处有强吸收，但当其连接在苯环上时，其吸收向2240－2190低波范围移动。

（4）羟基及氨基的红外光谱

两者的红外光谱均出现在高波数区，即3750－3000范围内，但又有很大区别。

羟基一般在3450－3200范围内出现相当宽的强吸收谱带。

胺出现在3500－3100范围内，与羟基的谱带比较，胺的吸收强度弱，但谱带尖锐。

（5）羰基的红外吸收

羰基是有机化合物中重要基团，涉及到羧酸、醛、酮、酯、酸酐等诸多类型化合物，其主要的特征谱带如下表所示。

含羰基化合物的红外吸收范围

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羰基的红外吸收也受化合物共轭结构的影响，当其处于共轭位臵时，其特征波数亦向低波数方向移动。

例：已判断化合物为下列结构的一种，是从红外谱图确定其最终结构。

如何进行谱图解析？

试图对未知物谱图进行解析时，应该首先集中精力确定几个主要基团存在与否。C=O,O-H,N-H,C-O,C=C,碳碳叁键，碳氮叁键和NO2是最值得注意的，如果它们存在，几乎立刻给出结构信息。不要试图 对3000右边附近的峰做详细解析，几乎所有的化合物都有这些吸收。不要担心找不到基团所处环境的细节。下面是重要特征的检查表。

1、羰基存在吗？

C=O基团在1820－1660范围内产生一个强吸收峰， 此峰通是谱图中最强峰，并有中等宽度，不可能忽略掉它。

2、如果C=O出现，检查下列类型（如果不存在，见第三条）酸 OH也存在吗？3400－2400附近有宽吸收（常覆盖C-H)

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酰胺 N-H也存在吗？3500附近的中强吸收，有时是一个等强的双峰

酯 C-O也存在吗？1300－1000附近有强吸收 酸酐 1810和1760附近有两处吸收

醛 醛基CH存在吗？2850和2750附近有两个弱吸收峰 酮 排除以上五种选择后 3、如果C=O不存在

3600－3300有宽吸收峰，1300－1000附近观察有C-O峰可得出确定结论。

胺 检查NH 3500附近有中强吸收峰

醚 在1300－1000附近有C-O出现，而OH不出现 4、双键和/或芳环

C=C在1650附近有弱吸收峰

1650－1450范围内有中强吸收表明有芳环 参看C-H谱区可确定以上结论(3000左边有 C-H吸收峰） 5、叁键

碳氮叁键在2250附近有中强锐吸收峰 碳碳叁键在2150附近有弱锐吸收峰 也要检查3300附近的炔C-H 6、硝基

1600－1500和1390－1300范围内有两个强吸收峰 7、烃

没有发现以上各吸收峰

主要吸收峰在3000右边附近CH谱区有非常简单的 光谱，其他吸收峰只在1450和1375处。

鉴定未知化合物的基本步骤 1、准备性工作

了解试样的来源、纯度、熔点、沸点等；

2、经元素分析确定实验式；有条件时可由MS谱测定相对分子量，确定分子式；根据分子式计算不饱和度，其经验公式为：

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Ω = 1 + n4 + 1 / 2（n3 – n1）式中：Ω—代表不饱和度；n1、n3、

n4分别代表分 子中一价、三价和四价原子的数目。双键和饱和环状结构的Ω为1、三键为2、苯环为4。

3、解析谱图。

红外谱图解析实例

例1：化合物分子式为C3H3Br，其红外谱图如下，请推测其结构。

解：

先计算其不饱和度， Ω = 1 + n4 + 1 / 2（n3 – n1） ＝1＋3＋1/2（0－4）＝2

然后进行推测：化合物可能有两个双键、或者一个双键一个环、或者一个叁键。

随后我们观察谱图：3000cm-1以上只有3300cm-1有一尖锐强峰，而无不饱和双键伸缩振动峰，说明有末端炔氢存在，而无双键存在，推断该化合物有叁键而无双键或环。另外2140处有碳碳叁键的弱吸收峰存在证实了我们的判断。 最后，我们进行结构的推测：

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例2：化合物分子式为C9H10O，其红外谱图如下，请推测其结构。

解：

先计算其不饱和度， Ω = 1 + n4 + 1 / 2（n3 – n1） ＝1＋9＋1/2（0－10）＝5

Ω>4，我们推测有可能存在苯环，从红外谱图中可以可出：3000 cm-1

左边有不饱和双键的伸缩振动，同时在1600－1450 cm-1有四个强吸收峰，说明苯环存在，另外在1720 cm-1 出现一个中等宽度的强吸收峰，说明羰基存在，而从红外谱图中我们没有发现诸如羟基、氨基、醛基、酸酐及碳氧单键存在，说明化合物为酮，而在指纹区700，750 cm-1两处吸收说明该化合物为苯环的单取代衍生物。 我们从上面可以得到哪些化合物结构片断信息呢？

所以我们推测化合物结构可能是：

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例3：化合物分子式为C3H5O2Cl，其红外谱图如下，请推测其结构。

解：

先计算其不饱和度， Ω = 1 + n4 + 1 / 2（n3 – n1） ＝1＋3＋1/2（0－6）＝1

从谱图中很容易看出，1720 cm-1处有一中等宽度的强吸收峰，说明羰基的存在，这样满足了一个不饱和度的要求。这样也排除了环和双键存在的可能。

另外3400－2400处宽的强吸收峰说明了羟基的存在，结合1080 cm-1

处C－O的强吸收峰，说明该化合物应该为羧酸，即－COOH。 综合以上判断，我们推测化合物结构可能是：

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至于化合物结构究竟是以上两种结构的哪个，仅通过红外是无法判断的，需要其他仪器方法来判断。

例4：肉桂的主要成分的分子式为C9H8O，从下面的红外谱图推断其结构。

解：

先计算其不饱和度， Ω = 1 + n4 + 1 / 2（n3 – n1） ＝1＋9＋1/2（0－8）＝6

Ω>4，我们推测有可能存在苯环，从红外谱图中可以可出：3000 cm-1

左边有不饱和双键的伸缩振动，同时在1600－1450 cm-1有四个强吸收峰，说明苯环存在，690，750指纹区告诉我们此苯环为单取代苯环。

另外在1720 cm-1出现一个中等宽度的强吸收峰，说明羰基存在，2850，2750 cm-1处告诉我们此羰基为醛基。

综合以上信息，我们已经确定了5个不饱和度，剩下的一个不饱和度应为双键（环和羰基均不可能），而在3000 cm-1左边的确也有双键的伸缩振动峰。那么我们会得到这样的片断信息。

将其合理排列，我们不难得出化合物结构为：

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