四大光譜在有機分析中的應用論文

1、<p>　　四大譜在有機分析中的應用</p><p>　　摘要：有機化學領域內無論研究何種有機化合物在分析或合成時都會遇到結構測定的問題。近三四十年來各種波譜測量技術的出現(xiàn)及其迅速發(fā)展使紫外光譜、紅外光譜、核磁共振波譜和質譜法得到了普遍 應用。現(xiàn)在這四種譜已成為鑒定有機化合物以及測定其結構的常用手段。</p><p>　　關鍵詞：波譜法，紫外——可見光譜，紅外光譜，

2、核磁共振，質譜，應用</p><p>　　前言：有機波譜分析是分析化學中發(fā)展最快、應用最廣泛的領域之一。波譜分析的基礎理論與實驗的應用已成為生命科學、材料科學、環(huán)境科學、石油化工等諸領域中重要的、不可缺少的部分。近年來西方發(fā)達國家的大學教學中，波譜分析越來越受到重視。有機波譜分析主要從紅外光譜、紫外光譜、核磁共振譜、質譜，四大領域來分析及應用。以美國為倒，近年的國家自然科學基金、高等學校提供的基金與實驗室改造資金

3、中，核磁共振譜儀居第一位，色譜與質譜聯(lián)用項目次之。充分考慮在各研究領域中各種波譜方法的特點和應用，除了對基本理論和儀器進行描述外，還應掌握波譜數(shù)據(jù)與分子結構關系的一般規(guī)律。近些年來發(fā)展起來的波譜分析方法主要是以光學理論為基礎， 以物質與光相互作用為條件， 建立物質分子結構與電磁輻射之間的相互關系， 從而進行物質分子幾何異構、 立體異構、 構象異構和分子結構的分析和鑒定。由于它具有快速、 靈敏、 準確、 重現(xiàn)等特點， 使之成為有機物結構分

4、析和鑒定的常用分析工具和重要分析方法。在實際工作中， 單用一種方法往往難以得出明確的結論， 需要綜合利用多種波譜方法聯(lián)合解析，相互說明， 互為佐證。</p><p><b>　　一、紅外光譜 </b></p><p><b>　　概述</b></p><p>　　紅外光譜具有測定方法簡便、迅速、所需試樣量少，得到的信息量大

5、的優(yōu)點，而且儀器價格比核磁共振譜和質譜便宜，因此紅外光譜在結構分析中得到廣泛的應用。</p><p>　　紅外光譜主要用于有機和無機物的定性和定量分析，其應用領域十分廣泛：如石油化工、高聚物（ 塑料、橡膠、合成纖維）、紡織、農藥、醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測、礦物甚至司法鑒定等。近二十年來精細化工發(fā)展很快，紅外光譜是分析鑒定精細化工產品的有力工具。</p><p><b>　　紅外光譜的功能&

6、lt;/b></p><p>　　1.鑒定有機物官能團</p><p>　　根據(jù)特征吸收峰的位置和強度可鑒定有機物分子所含的化學鍵和官能團，推斷化合物屬于飽和或不飽和，是脂肪族還是芳香族,是否含有雙鍵、叁鍵、羥基(0H)、氨基(NH、NH2)或羰基(C=O)等。</p><p><b>　　2.推斷分子結構</b></p>

7、<p>　　根據(jù)存在的化學鍵和官能團以及其他結構信息，通過與標準譜圖的對比推斷分子結構，進行定性分析。</p><p><b>　　3、定量分析</b></p><p>　　紅外光譜適用于一些異構體和特殊體系的定量分析，它們的紅外光譜尤其是指紋區(qū)的光譜各有特征，因此可利用各自特征吸收峰的強度定量。</p><p><b>　

8、　4、鑒定無機化合物</b></p><p>　　不要認為紅外光譜只能鑒定有機物，它也是鑒定無機物很好的手段之一，例如絡合物的研究，地礦科學的研究也普遍采用紅外光譜。</p><p>　　無機化合物的紅外光譜是酸根離子的特征。對其特征性和規(guī)律性的研究不及有機化合物成熟，不過有些無機物的特征卻是很明顯的，例如和。它們結構上的差異僅僅是所帶結晶水的多少不同，可紅外光譜有較大差異，很

9、容易區(qū)分它們。</p><p>　　5、在精細化工中的應用</p><p>　　紅外光譜能夠明顯地揭示未知物的結構特征含有什么或不含有什么官能團和化學鍵，從譜帶位置和強度還可以判斷官能團周圍的化學環(huán)境。近年來在各種文獻和標準譜庫中已積累了大量的紅外標準譜圖，常可用于未知物的“指紋”鑒定，即當未知樣品的處理方法與標準譜圖相同時，紅外光譜的譜帶位置、峰的強度次序以及峰形與標準譜圖完全一致時，就

10、幾乎可以肯定兩者是同一化合物。近年來又發(fā)展了許多檢索程序，使未知物的結構鑒定變得比較容易。但許多精細化工品，特別是商品并不是某種純凈的化合物，具有同系物、復配物和雜質，未反應的原料和副產物等，使紅外光譜的應用受到限制。特別是某些新化合物和商品還沒有標準譜圖，用解析譜帶歸屬的方法來推斷未知物的結構就不是一件容易的事。</p><p>　　二、紫外-可見吸收光譜概述</p><p>　　紫

11、外-可見吸收光譜是利用某些物質的分子吸收200 ~ 800 nm光譜區(qū)的輻射來進行分析表征的方法。這種分子吸收光譜產生于價電子和分子軌道上的電子在電子能級間的躍遷，廣泛用于無機和有機化合物的結構表征和定量分析</p><p><b>　　紫外光譜的功能</b></p><p>　　檢定物質 　　根據(jù)吸收光譜圖上的一些特征吸收，特別是最大吸收波長雖ax和摩爾吸收系數(shù)是

12、檢定物質的常用物理參數(shù)。這在藥物分析上就有著很廣泛的應用。在國內外的藥典中，已將眾多的藥物紫外吸收光譜的最大吸收波長和吸收系數(shù)載入其中，為藥物分析提供了很好的手段。 純度檢驗 推測化合物的分子結構 </p><p>　　研究生物大分子的構象和構型</p><p>　　通過電子吸收光譜研究蛋白質分子構象。牛血清白蛋白(BSA) 水溶液在276 nm 和193 nm 有兩個吸收峰。前者主要

13、是蛋白質中酪氨酸、色氨酸的光吸收,后者主要是由肽基團的吸收而產生的。由紫外吸光譜的性質知,193 nm 附近的吸收峰是肽鏈α(螺旋和無規(guī)則卷曲構象的主要識別峰) ,而β(折迭構象型的吸收峰) 應在波長198 nm附近。故可推測此BSA 溶液中沒有β(折迭構象或極少) 。</p><p>　　氫鍵強度的測定 　　實驗證明，不同的極性溶劑產生氫鍵的強度也不同，這可以利用紫外光譜來判斷化合物在不 同溶劑中氫鍵強度，以

14、確定選擇哪一種溶劑 。 絡合物組成及穩(wěn)定常數(shù)的測定 </p><p>　　反應動力學研究 在有機分析中的應用 　有機分析是一門研究有機化合物的分離、鑒別及組成結構測定的科學，它是在有機化學和分析化學的基礎上發(fā)展起來的綜合性學科。</p><p><b>　　精細化工中的應用</b></p><p>　　紫外光譜可用于含有發(fā)色團的有機物分析

15、，如芳烴、共軛烯烴、酮和醛等，尤其在定量分析中具有靈敏度高、準確和快速方便的優(yōu)點。其應用的局限性也很明顯，如分子不含有發(fā)色團，就不能用紫外光譜檢測；通常紫外光譜吸收帶少，譜帶寬，難于進行未知物的結構鑒定，分子中發(fā)色團以外的部分對其紫外光譜影響很小。因此，中等以上復雜程度的有機化合物一般較少用紫外光譜進行結構鑒定。</p><p><b>　　核磁共振波譜</b></p><

16、;p><b>　　概述</b></p><p>　　核磁共振波譜（NMR）經歷了從60年代的連續(xù)波技術到70年代的付里葉變換以及超導核磁共振幾個發(fā)展階段。大型高速計算機的發(fā)展和應用更使二維和三維核磁共振技術得到長足的發(fā)展，成為化學工作者不可缺少的分析工具。核磁共振在化學化工、生物化學以及醫(yī)學領域中發(fā)揮著愈來愈重要的作用。</p><p>　　在有機結構分析中的應

17、用現(xiàn)在已有許多專著論述核磁共振波譜的原理及應用，還有許多綜合性論著涉及NMR在有機結構分析中的應用。</p><p>　　1H NMR是目前研究得最充分的波譜，已得到許多規(guī)律用于研究分子結構。從1H NMR譜中可以得到四方面的結構信息：①從峰的數(shù)目判斷分子中氫的種類；②從化學位移判斷分子中存在基團的類型；③從積分線（峰面積）計算每種基團中氫的相對數(shù)目；④從偶合裂分關系（峰形狀）判斷各基團是如何連接起來的。當然，進

18、一步的實驗還可以知道基團在空間的排列</p><p><b>　　等。</b></p><p><b>　　核磁共振波譜的功能</b></p><p>　　核磁波譜在煤化學研究中的應用</p><p>　　核磁共振氫譜是研究煤液化產物結構的有效方法。早在1995年,Friedle和Brown就開始用

19、H1-HMR研究煤中抽出物的結構，了解其中氫分布情況。1960年, Brown和Ladner發(fā)展了一套經驗公式被稱為Brown-Ladner方程，在氫譜數(shù)據(jù)的基礎上，通過一些必要的假設，計算碳原子的分布信息，得出了煤液化產物的芳香度，這一經典方法一直被許多研究者采用和改進。由于H1-NMR中各類型氫信號均出現(xiàn)，定量分析較準確，是一種較成熟的分析方法,在煤結構研究中得到廣泛應用。</p><p>　　2DNMR 譜

20、與有機結構分析</p><p>　　將1DNMR 自然推廣,采用各種脈沖序列,在兩個獨立的時間域進行兩次縛里葉變換得到兩個獨立的垂直頻率坐標系的譜圖,即2DNMR 譜圖。</p><p>　　通過同核1H - 1H 全相關譜( TOCSY)研究分子結構中各種氫的相關關系,再通過異核相關譜(HMQC、HMBC) 來研究分子結構中碳與氫的互相鍵合與偶合關系, 還可以通過空間效應譜(NOESY)

21、 來研究更為復雜的分子空間立體結構。</p><p>　　固體NMR 與材料科學</p><p>　　針對固體化學位移的各向異性及自旋晶格馳豫時間很長的缺點,采用交叉極化魔角旋轉(CP -MAS) 技術,通過樣品的高速旋轉、旋轉軸與磁場方面夾角為54. 7 以及交叉極化等方法,使以上不足之處得以順利解決,使NMR 在材料科學、礦物分析、表面吸附、聚合體陶瓷等方面具有獨到的優(yōu)勢。</p

22、><p><b>　　精細化工中的應用</b></p><p>　　核磁共振波譜（NMR） 可以給出和核的化學位移，由此得到基團及其周圍化學環(huán)境的信息。積分面積可以比較準確地計算各基團的相對數(shù)目。偶合裂分關系又可以確定基團間是如何聯(lián)得到比較肯定的結構信息。應該注意的是NMR譜中的每一條譜接起來的。因此，從NMR得到的信息比較直觀可靠，即使是尚未收入標準譜圖的新化合物、含有

23、雜質和副產物的產品，都可以帶都必須加以解釋。目前國內多數(shù)從事NMR波譜儀上得到滿分析的人還只能測液體樣品，必須尋找一種合適的溶劑來溶解樣品，這使其應用受到限制。少于毫克級的樣品也難于在常規(guī)NMR波譜儀上得到滿意信噪比的譜圖。</p><p><b>　　質譜</b></p><p><b>　　概述</b></p><p>

24、;　　質譜法，用于有機化合物的研究已有四、五十年的歷史，現(xiàn)已發(fā)展為一門獨立的學科，廣泛地應用于有機化學、生化、石油、環(huán)境、食品、地質和醫(yī)療衛(wèi)生等領域。</p><p>　　有機化合物的分子在高真空中受到電子流轟擊或強電場作用，分子會丟失一個外層電子，生成帶正電荷的分子離子，同時化學鍵也會發(fā)生某些規(guī)律性的斷裂，生成各種特征質量的碎片離子。這些帶正荷的離子，由于質量不同，在靜電場和磁場（或其他質量分析器）的綜合作用下

25、，按照質荷比（m/z）大小的順序分離開來，收集和記錄這些離子就得到質譜圖。一張質譜圖可提供有機物準確的相對分子質量、分子和一些碎片的元素組成等信息，從而推斷出分子式。質譜對有機物的定性具有獨特的能力，且比其他儀器方法更靈敏，微克級甚至納克級的樣品足以得到一張很好的質譜圖。質譜技術的快速進展更使其在有機化學領域中發(fā)揮更大的作用。</p><p><b>　　質譜的功能</b></p>

26、;<p>　　確定相對分子質量和分子式</p><p>　　由質譜確定相對分子質量、分子式比其他方法準確度高，測定速度快、樣品量少。分子離子峰的質荷比(m／z)就是該化合物的相對分子質量，再根據(jù)同位素峰的相對強度就可以確定分子式。</p><p>　　質譜在生命科學領域中的應用進展</p><p><b>　　煤化學中的應用</b>

27、;</p><p>　　20 世紀80 年代初期發(fā)展起來的MS/MS技術是用質譜分離和鑒定煤液體混合物中單個組分的新方法。徐秀峰等采用MS/MS技術對撫順老虎臺氣煤吡啶抽提殘煤熱解加氫產物的組成進行了結構解析, 得到了幾類化合物系列, 鑒定了氫化菲、氫化苯并芴等多環(huán)芳烴以及苯酚類多環(huán)芳烴等結構，這一結果為研究煤基本結構單元的結構提供了重要的科學依據(jù). Ciupek等利用MS/MS技術鑒定出煤液化產物中稠環(huán)芳烴結構

28、, 并比較了由不同電離源所得到的各種離子質譜圖的區(qū)別。Buchanan用甲醇和氘代甲醇作化學電離試劑, 區(qū)分了同一分子量的不同含氧芳香化合物的分子結構。</p><p><b>　　小分子的分析 </b></p><p>　　質譜在小分子上的檢測主要是用核素稀釋小分子標志物后，采用氣相色譜一質譜聯(lián)用(GC-MS)法對其進行分析。質譜能夠測定一些小分子如木質素、酶水解后

29、的混合酶和葡萄糖的含量。質譜法也能夠改進細胞色素P450亞型基礎上的激素的預實驗處理方法的步驟，從而提高其檢測效率”近年來質譜在脂肪酸中的應用報道也很常見，質譜通過對脂肪酸產物的醛酮結構的分析和定量，能夠闡明脂肪酸的轉變過程。在具體的分子構象如葡萄糖的立體異構——左旋／右旋的葡萄糖和手性四糖的結構也能夠通過質譜測得。</p><p><b>　　藥物分析 </b></p>&l

30、t;p>　　質譜在藥物分析中的突出優(yōu)勢在于能夠方便監(jiān)控藥物在體內過程中發(fā)生的變化，分析低濃度范圍內的體內藥物濃度，闡明藥物作用的部位、強弱、時效及毒副作用，為藥物設計、合理用藥提供實驗和理論基礎。用質譜檢測藥物結構準確、快速，幾乎可以用于所有藥物檢測。如在抗癌藥上的最新進展顯示采用核磁共振和蒸發(fā)光散射一質譜聯(lián)用能夠用來對聚集的蒽環(huán)類抗生素進行分子動力學分析。而另一項報道顯示前列腺癌變細胞中的分裂原激活蛋白能夠用質譜進行準確的測定。

31、有報道稱結合親和力純化技術，使用探針探測各種分析物之間的聯(lián)系，質譜能用來分析藥物中的活質分子和篩選優(yōu)選引導物。該項研究第一次使用質譜同時進行了藥物開發(fā)中的體外和體內細胞的藥理學和臨床實驗的研究，是質譜的又一項前沿領域的具體應用。而質譜對微生物代謝產物的分析，能作為一些抗生素藥物對微生物分解能力的評價指標。近年來有報道稱質譜在表面活性劑的選擇、人工血液、新型生物假肢和人工皮膚等的分析上已有應用。</p><p>　

32、　蛋白質 在蛋白質的研究方面</p><p>　　質譜測定內容包括蛋白質的一級結構如分子量的測定、蛋白質組研究、肽指紋圖譜測定、肽序列的測定、巰基和二硫鍵的定位、蛋白質翻譯后的修飾等。質譜分析蛋白質組特征對樣品的預處理過程要求非常嚴格，需要考慮到技術的相容性和檢測限。與常規(guī)的方法相比，在一個多信號途徑的單一實驗中，質譜能夠鑒別所有的磷酸化蛋白，包括它們的磷酸纖維素氨基酸的位置。一些保持蛋白質的完整性的技術已被成功

33、開發(fā)，包括多維HPLC與電火花電離質譜串聯(lián)技術、毛細管陣列支持的去吸附／去離子化-質譜聯(lián)用技術等。近年來，肽指紋圖譜(PMF)已經應用于新蛋白質的發(fā)現(xiàn)。通過對蛋白酶解或降解得到的多肽混合物進行質譜分析，將所得肽片與多肽蛋白數(shù)據(jù)庫中的理論肽片進行比較，根據(jù)不同蛋白質所得肽片的指紋特征，從而判別所得蛋白質為已知或未知。</p><p><b>　　精細化工中的應用</b></p>

34、<p>　　有機化合物的質譜圖給出分子離子峰和一系列碎片峰。從分子離子和同位素峰的相對強度，利用貝儂表可以推出分子式。從碎片峰m/z的大小和間距可推測分子中含有的官能團。質譜的檢測靈敏度明顯高于紅外光譜和核磁共振波譜，適于微克級樣品的檢測。對于含有Cl、Br、S的樣品，質譜檢測結果是可靠的。近年來發(fā)展起來的大氣壓離子化技術克服了過去樣品難于汽化，不易直接測質譜圖的缺點，很容易得到分子離子峰。由于質譜圖中基本上沒有碎片離子峰，它

35、也適于混合物的測定。如果把質譜數(shù)據(jù)與其他波譜分析方法結合起來，就會成為有機化合物定性定量分析的強有力的工具。對于有機物的結構和構型分析，質譜不如核磁共振波譜和紅外光譜。</p><p>　　參考文獻 1.uglas A Skoog，Donald M West ．Principles of instrumental analysis(second edition) [M] ，ca：Smmders Col

36、lege ，1980 ． 2.H．Williams ，I ．Fleming，Spectroscopic methods in organic chemistry McGraw-Hill Book Co．Singapore，F(xiàn)ifth Ed ，1995 ． 3珍 ， 袁洪福 ， 徐廣通 ， 強冬梅 ，現(xiàn)代近紅外光譜分析技術，中國石油4勇， 宗志敏． 秦 志宏 等． 分于煤化學的構想及其 發(fā)展前景 見： 中國</p&g

37、t;<p>　　5. 楊頻1 生物無機化學導論1 西安:西安交通大學出版社,1991</p><p>　　6. 董慶年.煤結構研究中的付里葉變換紅外光譜[A].見: 吳瑾光主編.近代付里葉變換紅外光譜技術及應用下冊第二章[M].北京: 科學技術文獻出版社, 1994. 63~ 88</p><p>　　7. 彭勤紀，璧人 ，波譜分析在精細化工中的應用，中國石化出版社