波谱分析实验讲义汇总.docx

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波谱分析实验讲义汇总

波谱分析实验讲义

东北大学

2009年3月

实验一红外光谱实验

红外光谱（InfraredSpectroscopy）简称IR。

从50年代初以来，红外光谱已广泛用于有机分析。

作为一种吸收光谱，红外光谱主要用来迅速鉴定分子中含有哪些官能团，以及鉴定两个有机化合物是否相同。

用红外光谱和其它几种光谱技术结合，可以在较短时间内完成一些复杂未知物结构的测定。

原讲议论中介绍了510PFT-IR红外光谱仪，这里介绍用SpectrumOne红外光谱仪。

1红外基本原理

　　当红外光照射化合物分子时，部分光被吸收，并引起化合物分子振动和转动能级的跃迁而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。

红外光谱是测量一个有机化合物所吸收的红外光的频率和波长。

一般常用的电磁光谱的红外区域的频率范围是4000–650cm-1（波数），或用波长表示为2.5-15μm，也称中红外区。

波长常用的单位是微米（μm）,1μm=10-6m；频率则常用波数来表示，它与波长的关系为：

所对应的能量范围为41.86—4.186KJ/mol，相当于分子振动能级跃迁所需要的能量。

分子吸收红外光能，使分子的振动由基态激发到高能态，产生红外吸收光谱。

由于分子振动能级跃迁的同时，伴随着转动能级的跃迁，因此吸收峰为宽的谱带而不是类似原子吸收光谱中的尖锐的峰线。

由于仪器和操作条件不同，红外光谱中吸收峰的强度也有所差异，但其相对强度一般是可靠的。

有机分子不是刚性结构，组成分子的原子很像由弹簧连接起来的一组球的集合体，弹簧的强度相应于各种强度的化学键，大小不等的球相应于各种质量不同的原子。

分子中存在着两种基本振动形式，即伸缩振动和弯曲振动。

伸缩振动伴随着键长的伸长和缩短，需要较高的能量，往往在高频区产生吸收；弯曲振动（或变角振动）包括面内弯曲和面外弯曲振动，伴随着键角的扩大或缩小，需要较低的能量，通常在低频区产生吸收。

分子中各种振动能级的跃迁同样是量子化的，并且在红外区内。

如果用频率连续改变的红外光照射分子，当分子中某个化学键的振动频率和红外光的振动频率相同时，就产生了红外吸收。

需要指出的是并非所有的振动都会产生红外吸收，只有那些偶极矩的大小和方向发生变化的振动，才能产生红外吸收，这称为红外光谱的选择规律。

如果我们忽略分子的其它部分，把个别的化学键看成是用弹簧连接起来的质量为m1和m2的两个小球，弹簧的质量忽略不计，这样就可以近似地把双原子的伸缩振动看作是简谐振动，从而利用双原子的振动公式来理解化学键的振动。

其振动频率以波数表示为：

其中c为光速，k为键的力常数，m1，m2为原子的质量。

将m1，m2换算成原子的相对原子质量M1，M2，并将π，c的值代入，得到：

其中K=k×10-5dyn/cm（1dyn=107N/m）。

可以看出，（1/M1+1/M2）或K的值愈大，

的数值也愈大，即吸收带的频率越高。

力常数（K）值的大小与键能和键长有关，键能愈大，键长愈短，K值愈大。

由于伸缩振动与力常数成正比，所以它们的红外吸收光谱分别在1200-800cm-1，1680-1620cm-1，2260-2100cm-1区域范围内出现。

从公式也可以看出，原子质量愈轻，振动愈快，频率愈高。

组成O-H，N-H，C-H键的原子中都有一个相对原子质量最小的氢，因此，这些键的伸缩振动出现在频率较高的区域（3700-2850cm-1）。

2SpectrumOne红外光谱仪的工作原理

　　红外光谱仪经历了棱镜型、光栅型以及傅利叶变换型三个发展阶段，目前广泛使用的是傅利叶变换型的红外光谱仪。

SpectrumOne红外光谱仪，是由美国铂金埃尔默公司生产的傅利叶变换型红外光谱仪，其工作原理见图2-41，它是利用迈克尔逊干涉仪将一束红外光变为干涉光，当它被待测物体吸收后，由TGMS检测仪检测吸收后的干涉光，并由计算机进行傅利叶变换计算，把干涉光谱转变为红外光谱。

图1–1傅利叶变换红外光谱仪原理图

SpectrumOne红外光谱仪，光路图见图图1–2。

图1-2SpectrumOne红外光谱仪光路图

　　由于傅利叶变换型红外光谱仪是直接测定红外干涉光谱，而不是测定不同频率的红外光，从而省去了传统的红外光谱“扫描过程”，因而测定时间短，测定能量输出高，对样品的制备需求不太高。

3样品测定方法

测定液体样品最简便的办法是液膜法。

可滴一滴样品夹在两个盐片之间使之成为极薄的液膜，用于测定。

滴入样品后应将盐片压紧并轻轻转动，以保证形成的液膜无气泡；也可将液体放入样品池中进行测定，或者将待测样品夹于两层聚乙烯薄膜之间，但这种方法对2900cm-1、1465cm-1和1380cm-1吸收峰产生干扰，仅当无需关注CH3和CH2基团时，才可以用此方法。

固体样品的测定可用两种方法，一种叫石蜡油研糊法。

将约2~3mg的固体试样与1~2滴石蜡油在玛瑙研钵中研磨成糊状，使试样均匀地分散在石蜡油中，然后把糊状物夹在盐片之间，放在样品池中进行测定。

此法的缺点是石蜡油本身在2900cm-1，1465cm-1和1380cm-1附近有强烈的吸收。

另一种方法称为溴化钾压片法。

将2~3mg试样与约300mg无水溴化钾于玛瑙研钵中，研细后放在金属模具中，在真空下用加压机加压制成含有分散样品的卤盐薄片，这样可以得到没有杂质吸收的红外光谱。

缺点是卤盐易吸水，有时难免在3710cm-1附近产生吸收，对样品中是否存在羟基容易产生怀疑。

所有用红外光谱分析的试样，都必须保证无水并有高的纯度（有时混合物样品的解析例外），否则由于杂质和水的吸收，使光谱图变得无意义。

水不仅在3710cm-1和1630cm-1有吸收，而且对金属卤化物制做的样品池也有腐蚀作用。

本实验选择未知同分异构的固体和液体，其固体分子式为C7H6O3，液体分子式为C4H4O，通过红外光谱确定其结构。

4实验操作

1．开启红外光谱分析仪电源，预热30min。

2．打开计算机桌面Spectrum程序，出现程序操作界面。

3．制样：

（1）压片：

溴化钾片、加样品的溴化钾片

（2）薄膜：

薄膜、加样品的薄膜

（3）溶液：

无样品溶液、加样品的溶液

4．选择Instrument，将空白样（溴化钾片或薄膜或无样品溶液）放入仪器光路中，扫描（Scan）本底（Background）；一般选扫描5次。

5．放入样品，扫面（Scan）样品（Sample）；与扫面本底的次数相同。

6．谱图出来后，进行基线调整，标峰位置等

7．样品测定完毕，将样品取出。

8．用打印机输出谱图。

9．关闭Spectrum程序，关闭计算机，关闭电源。

5红外光谱解析

由于多原子分子的振动自由度数目较大，加之振动偶合等因素的影响，使得红外光谱图变得相当复杂。

尽管如此，人们在研究大量有机化合物红外光谱图的基础上发现，不同化合物中相同的官能团和某些化学键在红外光谱图中有大体相同的吸收频率，一般称之为官能团或化学键的特征吸收频率。

特征吸收频率受分子具体环境的影响较小，在比较狭窄的范围出现，彼此之间极少重叠，且吸收强度较大，很容易辩认，这是红外光谱用于分析化合物结构的重要依据。

表1–1列出了常见的官能团和某些化学键的特征吸收频率。

为了便于图谱解析，通常把红外光谱分成两个区域，即官能团区和指纹区，波数4000–1400cm-1的频率范围为官能团区，吸收主要是由于分子的伸缩振动引起的。

常见的官能团在这个区域内一般都有特定的吸收峰；低于1400cm-1的区域称为指纹区，其间吸收峰的数目较多，是由化学键弯曲振动和部分单键的伸缩振动引起的，吸收带的位置和强度随化合物而异。

如同人有不同的指纹一样，许多结构类似的化合物，在指纹区应可找到它们的差异，因此指纹区鉴定化合物起着非常重要的作用。

如未知物的红外光谱图中的指纹区与某一标准样品相同，就可能断定它与标准样品是同一化合物。

分析红外光谱图的顺序是先官能团区，后指纹区；先高频区，后低频区；先强峰，后弱峰。

即先在官能团区找出最强的峰的归宿，然后再在指纹区找出相关峰。

对许多官能团来说，往往不是存在一个而是存在一组彼此相关的峰。

即是说，除了主证，还需有佐证，才能证实其存在。

表1–1常见官能团和化学键的特征吸收频率

基团频率/cm-1强度

A.烷基

C—H（伸缩）2853-2962（m-s）

-CH（CH3）21380-1385，1365-1370（s）

-C（CH3）31385-1395，（m）

~1365（s）

B.烯烃基（均为C-H面外弯曲）

C—H（伸缩）3010-3095（m）

C=C（伸缩）1620-1680（v）

R-CH=CH2C-H985-1000，905-920（s）

R2C=CH2880-900（s）

（Z）-RCH=CHR675-730（s）

（E）-RCH=CHR960-975（s）

C.炔烃基

≡C—H（伸缩）~3300（s）

C≡C（伸缩）2100-2260（v）

D.芳烃基

Ar-H（伸缩）~3030（v）

芳烃取代类型（C-H面外弯曲）

一取代690-710,730-770（v，s）

邻二取代735-770（s）

间二取代680-725,750-810（s）

对二取代790-840（s）

E.醇、酚和羧酸

OH（醇、酚）3200-3600（宽，s）

OH（羧酸）2500-3600（宽，s）

F.醛、酮、酯和羧酸

C=O（伸缩）1690-1750（s）

G.胺

N-H（伸缩）3300-3500（m）

H.腈

C≡N（伸缩）2200-2600（m）

S=强m=中v=不定~=约

目前，人们已把已知化合物的红外光谱图陆续汇集成册，这就给鉴定未知物带来了极大的方便。

如果未知物和某已知物具有完全相同的红外光谱，那么这个未知物的结构也就确定了。

应当指出，红外光谱只能确定一个分子所含的官能团，即化合物的类型，要确定分子的准确结构，还必须借助其它波谱甚至化学方法的配合。

实验二　氢核磁共振波谱的测定

1实验目的

1．了解核磁共振谱仪的基本结构和工作原理。

2．掌握核磁共振波谱的基本原理和HNMR谱图的解析。

2实验原理

自旋不为零的粒子，如电子和质子，具有自旋磁矩。

如果我们把这样的粒子放入稳恒的外磁场中，粒子的磁矩就会和外磁场相互作用使粒子的能级产生分裂，分裂后两能级间的能量差为ΔE=γhB0   

   其中：

γ为旋磁比，h为约化普朗可常数，B0为稳恒外磁场。

   如果此时再在稳恒外磁场的垂直方向加上一个交变电磁场，该电磁场的能量为

hν     其中：

ν为交变电磁场的频率。

   当该能量等于粒子分裂后两能级间的能量差时，即：

hν=γhB0      

2πν=γB0     

低能极上的粒子就要吸收交变电磁场的能量产生跃迁，即所谓的核磁共振。

为了实现核磁共振有两种实验方法：

1．固定外磁场B0，调节高频电磁场频率ν，实现核磁共振，此为扫频法。

2．固定高频电磁场频率ν，调节外磁场B0，实现核磁共振，此为扫场法。

本实验采用扫场法。

 H核磁共振波谱法是有机化合物结构鉴定的重要方法之一，它能提供化学位移、耦合常数和裂分峰个数以及积分曲线高度比等三方面的信息。

通过对这些信息的综合解析，可以推测被测化合物有何种含氢基团、基团的个数、基团所处的环境、基团之间的连接次序等，从而推测出被测物的结构。

3仪器和试剂

仪器：

核磁共振波谱仪任一型号

样品管：

外径5mm，长度200mm的玻璃管

试剂：

氘代氯仿（含1%四甲基硅烷，TMS）

4实验方法

1.样品配制

2.仪器状态检查

3.未知样品的HNMR测绘

5 谱图处理和解析

6 思考与讨论

1.      核磁共振谱仪中磁铁起什么作用？

2.      自旋裂分是什么原因引起的？

它在结构解析中有什么作用？

实验三紫外吸收光谱的测定

1实验目的

（1）学习紫外分光光度法测定的原理。

（2）掌握紫外分光光度法的实验技术。

  （3）掌握Lambda950紫外-可见分光光度计的使用方法并了解此仪器的主要构造。

（4）掌握紫外－可见分光光度法定量分析的基本原理和实验技术。

 2实验原理

（1）紫外-可见吸收光谱法又称紫外-可见分光光度法，是以溶液中物质的分子或离子对紫外和可见光谱区辐射能的选择性吸收为基础而建立起来的一类分析方法。

（2）紫外光：

10-400nm，可见光：

400-780nm，可被人们的眼睛所感觉

    （3）紫外-可见吸收光谱的特点：

带光谱、分子光谱。

   （4）应用：

根据最大吸收波长可做定性分析；根据朗伯-比尔定律（标准曲线法和标准加入法）可做定量分析。

   a.定性分析原理：

    吸收曲线：

吸收峰的数目、位置、相对强度以及吸收峰的形状

    b.定量分析原理：

     根据朗伯－比耳定律：

A=εbc，当入射光波长λ及光程b一定时，在一定浓度范围内，有色物质的吸光度A与该物质的浓度c成正比。

定量分析常用的方法是标准曲线法即只要绘出以吸光度A为纵坐标，浓度c为横坐标的标准曲线，测出试液的吸光度，就可以由标准曲线查得对应的浓度值，即未知样的含量。

紫外/可见/近红外光谱仪光路示意图

3仪器与试剂

Lambda950紫外-可见分光光度计，比色皿（10ml的5个），容量瓶250mL1支；50mL7支；胖肚吸量管20mL1只；刻度吸量管5mL2只。

4实验步骤

实验内容：

1、试剂配制：

（1）苯溶液：

1mL苯置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（2）甲苯溶液：

1mL甲苯置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（3）苯乙酮溶液：

1mL苯置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（4）苯酚溶液：

精确称取0.1000g苯酚置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（5）邻羟基苯甲酸溶液：

精确称取0.1000g邻羟基苯甲酸置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（6）苯甲酸溶液：

精确称取0.1000g苯甲酸置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

（7）对羟基苯甲酸溶液：

精确称取0.1000g对羟基苯甲酸置于250mL容量瓶中，用无水乙醇稀释到刻度。

2、仪器测定：

在紫外分光光度计上分别对上述溶液进行扫描，波长范围是200-400nm，得到吸收光谱。

实验操作步骤：

（1）.打开主机、计算机电源。

（2）.预热30分钟左右。

（3）.打开计算机桌面lambda950程序。

（4）.出现methods界面，选择双击00APC.MSC。

（5）.把空白液于试样液分别置于相应的光路系统中（里侧为空白，外侧为样品）。

首先把两个都放置空白溶液，点击主界面上的autozero按钮，程序会按设定的波长自动扫描，检查空白基线是否稳定。

这时start按钮是红色的，禁止按它。

（6）.扫描完成后，Start按钮变绿色，仪器会提示放入1号样品，按确定。

把两个空白样品放在光路中，点击Start，开始扫描空白样品。

扫描完成后会提示放入2号样品。

一定要记住相关样品的文件名。

（7）.如果基线良好，就在一个空白样品的位置上放上待测样品。

点击“确定”按钮，仪器会自动测定这个样品。

记住相关样品的文件名。

（8）.扫描完成后，仪器会提示放第3号样品，把新样品代替原来的样品后按“确定”按钮，仪器会自动测定这个样品。

重复此操作。

记住相关样品的文件名。

（9）.样品测定完毕，将样品取出。

（10）依次关闭主机电源、Lambda950程序、计算机电源。

5数据处理

观察各吸收光谱的图形，找出最大吸收波长λmax,并计算各取代基使苯的λmax迁移了多少？

并与试验结果加以比较。

6思考题

1、引起误差的因素有哪些？

如何减少误差？

2、本实验中为什么使用石英比色皿而不能使用玻璃比色皿？

3、举例说明取代基的性质对苯环的吸收峰产生什么影响?

实验四质谱的测定

1实验目的

（1）了解质谱的基本原理

（2）了解质谱仪的基本构造和基本类型

（3）了解电子轰击电离磁质谱仪的测量过程

（4）掌握分子电离的基本方式

（5）掌握分子质谱的解析方法

2实验原理

质谱法：

通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（M／Z）大小进行分离并记录其信息的分析方法。

质谱仪的构造

离子源：

Ø硬电离:

电子轰击电离,化学电离

Ø软电离:

基质辅助激光解吸,电喷雾电离

质量分析器

Ø磁质谱：

1~10,000，高分辨，体积大。

Ø四极杆：

1~4000，体积小，扫描速度快，适合于GC-MS,LC-MS

Ø离子阱质谱：

1~4000，准高分辨，性价比高，适用范围广。

Ø飞行时间质谱：

无上限，高分辨，常与基质辅助激光解吸连用

Ø傅立叶变换：

1-70,000，高分辨，性能高，昂贵。

3实验方法

（1）在微机上设定实验参数：

电离方式：

化学电离或电子轰击

温度

分子量范围

（2）样品制备：

关闭真空阀，将进样器从仪器上取出，用溶液冲洗干净

将样品用挥发性溶剂配制成溶液，用滴管滴加到进样器的顶端，待溶剂挥发后，准备进样

（3）进样

将进行器插入真空口，打开真空阀

（4）待真空度达到一定数值，点击开始测量

（5）打印图谱

（6）取出进样器，用明火进行加热，除去残余样品，然后将进样器放回，打开真空阀，保持真空。

4谱图解析

离子碎裂反应基本类型：

断裂：

游离基中心强烈的成对倾向。

电荷保留。

i断裂：

正电荷中心对一对电子的吸引导致的断裂，电荷转移。

σ键断裂：

发生在键上，随后发生断裂反应，烃类中常发生。

McLafferty（麦氏重排）：

-H重排到不饱和基团上并伴随着发生键断裂，产生奇电子离子。

物质：

CH3-C5H10-CO-CH3

谱图：

5思考与讨论

（1）质谱仪中的真空系统有什么作用？

（2）通常用于化学结构谱图分析的质谱图是用什么电力源制备的？