五、有机化合物的波谱分析方法
仪器分析技术的发展，特别是波谱技术的发展，能为鉴定有机化合物和确定其结构提供非常有价值的信息。
波谱方法具有分析速度快，用量少等优点，已在国内外获得了广泛的应用。
本部分简要介绍了紫外、红外、核磁、质谱这四大谱图的原理和应用。
实验二十一紫外-可见光光谱
一、实验目的
了解紫外-可见光光谱。
二、基本原理
1. 基本概念
有机化合物的紫外-可见光光谱是由于分子中价电子的跃迁所形成的。
紫外-可见光是电磁波中波长为100～800nm范围的波段。
分子在入射光的作用下，其电子从一个能级（E′）跃迁到另一个能级（E″），就要吸收光子的能量，所吸收光的频率ν决定于两个能级间的能量差，即
E″-E′=hν
h为普朗克常数（h = 6.626×10-34J·s）。
可见，产生跃迁的两个能级间隔愈小，吸收光的频率愈小，波长愈长；反之，两个能级间的间隔愈大，吸收光的频率愈大，波长愈短。
实际上，分子吸收能量是相当复杂的过程。
分子的内部运动包括有转动、振动、和电子的运动。
分子的能级近似地就由转动能级、振动能级和电子能级所构成。
一般分子的转动能级间隔约在0.05eV以下，振动能级间隔约为0.05～1eV，电子能级间隔约为1～20eV。
当电子能级改变时，转动能级和振动能级都要发生改变，也要吸收光子能量。
所以，由于电子跃迁所形成的电子光谱是相当复杂的，如果仪器的分辨力不够，许多谱线密集在一起就形成谱带。
电子光谱一般包括一系列谱带系；不同的谱带系相当于不同的电子跃迁，每个谱带是由于振动能级的改变所形成，谱带内所包含的谱线是由于转动能级的改变所形成的。
如果吸收光谱是以吸收曲线（以吸收强度对波长作图所得到的曲线）表示，吸收曲线将呈现一些峰和谷。
每个峰峦相当于谱带，在某些情况下，这些谱带或多或少地表现出明显的齿状结构，这就是所谓振动结构。
关于吸收光谱的吸收强度，在实验上可用Lambet-Beer定律来描述。
定律指出：被吸收的入射光的分数正比于光程中分子数目；对于溶液，如果溶剂不吸收，则被溶液所吸收光的分数正比于溶液的浓度。
这个定律可用下式表示：
D= log (I0 / I) =εcL
D称为光密度(或A，吸光度)，L吸收层的厚度（cm），c是摩尔浓度，ε是摩尔消光系数，它用来描述分子吸收光的能力，通常以吸收峰位置的波长的消光系数ε或logεmax 来表示。
2. 典型有机化合物电子吸收光谱简介
前面已指出分子的紫外-可见光光谱是分子价电子的跃迁而产生的。
依据分子中化学键的特性和不同电子跃迁的类型，可以帮助我们了解有机化合物电子吸收光谱。
有机化合物在远紫外都有强的吸收带。
这大多是与分子中σ电子的跃迁有关；而紫外-可见区的吸收带，则几乎都是由于n→π*和π→π*跃迁所产生的。
(1) 若分子中只含有σ单键，则只能有σ→σ*跃迁，吸收带大多在200nm以下。
(2) 若分子中只含有单个的π键，则有π→π*跃迁。
几乎所有含隔离双键的化合物，在190nm附近都有强吸收，ε≈10000，这是π键的特性。
当分子中引入助色基后，吸收带移向长波，移动情况与取代基的特性有关。
但由于有n→π*和π→π*跃迁，而产生两个吸收带。
(3) 若取代基的原子还含有孤对电子时，例如N=O,＞C=O,＞C=S,-N=N-，-N≡N-，NO2等，则呈现三个吸收带，分别是π→π*、n→π*和n→σ*跃迁。
其中n→π*在较长的波长
吸收最弱，这个带是这类化合物的特征。
当引入取代基后，通常使n→π*带发生蓝移；移动情况与取代基的特性有关。
(4) 如分子中含有不止一个双键，双键是隔离的，不形成共轭时，则吸收带的波长没有多大变化，仅强度增加；若形成共轭体系时，则吸收光谱显著不同：吸收带移向长波，且随共轭体系的增大而有规律地增长和增强。
(5) 对于芳香族化合物，由于苯环π电子共轭体系的特殊性，而呈现出较强的吸收，其中一个弱带，一般在265nm附近，且具有精细结构。
这就是苯环的吸收特征。
从上述所介绍的有机化合物电子吸收光谱的概况中，就能够比较容易地掌握各类化合物吸收光谱的特征。
下面简介各类化合物的紫外吸收光谱。
①烷烃是仅由单键形成的，所以只有σ→σ*跃迁，吸收带在200nm以下。
被含有孤对电子的基(助色基)取代后，则吸收波长比相应的原化合物来得长。
这是由n→σ*跃迁所引起的。
所以，这类取代物一般有两个吸收带，长波带的可能是n→σ*，短波带的可能是σ→σ*。
②烯烃烯烃分子的吸收波长要比饱和烷烃的波长长。
分子中含有＞C＝C＜双键。
但π→π*表现出两个吸收带：强带（允许的）约在172～194nm，ε≈10000；弱带（被禁止的）约在210nm，ε≈1000。
③羰基化合物这类化合物有三个吸收带。
强带（π→π*）约在150nm，ε≈10000；中强带（n→σ*）约在190nm，ε≈1000；弱带（n→π*）约在280nm附近，ε≈10～20。
分子中引入助色基团后，会使n→π*带蓝移，强度减弱。
脂肪酮的n→π*约在280～290nm；脂肪醛约在280～300nm。
④羧酸可以看作羰基碳原子上代入OH的结果，所以n→π*带降到210nm左右，ε约50～100。
在远紫外区有强的吸收。
饱和脂肪酸链的长短对吸收峰的影响不大。
不饱和酸，如果没有共轭作用，无论脂肪族或芳香族，或它们的同系物，其吸收强度相同，吸收峰随碳链增长微向长波方向移动，强度增强。
⑤含氮化合物这类化合物的R带（n→π*），对于硝基烷，约在270nm；对于亚硝基物，约在370nm，且具有精细结构。
对于偶氮或叠氮化合物，其吸收峰都在更长的波长，约在280～450nm。
所以这类化合物具有颜色。
⑥芳香化合物苯环的共轭体系与脂肪族的不同，苯呈现三个吸收带：两个强带在180nm（ε≈47000）和203nm（ε≈7000）；一个弱吸收带约在265nm（ε≈220）。
这三个带都与苯环的π电子共轭体系有关。
这三个带分别称为K带（或E带）、B带和R带。
苯的弱带在非极性溶剂中具有明显的精细结构。
这个带是苯及其衍生物的特征，可用来判别有无苯环的存在。
3. 紫外光谱的应用
紫外光谱给人们提供的是：功能团之间是否存在共轭，以及在共轭体系中取代基的位置、种类和数目，此外，紫外光谱还可用来检定产品的纯度及对部分有机物进行定量分析。
表2.9 各种含双键的吸收带
化合物溶剂λmax nm ε
三、基本操作
1. 溶剂的选择
在测定紫外-可见光光谱时一般应用样品的溶液，所使用的溶剂必须具备以下几个条件：
(1) 溶剂在样品的吸收光谱区没有明显的吸收；
(2) 不与样品作用，能很好地溶解被测物，并且形成的溶液具有良好的化学和光化学稳定性；
(3) 尽量选用低极性溶剂，避免溶剂与样品形成氢键而产生溶剂效应。
常用溶剂为正己烷、水、乙醇和苯。
表2.10列出紫外-可见光光谱中常用的溶剂在紫外区域透明的极限波长，以供选择时参考。
2. 样品的制备与测定
(1) 准确称量10～100mg样品，置于100～500mL容量瓶中。
容量瓶的体积大小决定于样品的ε值，若ε值较大，则称取少量的样品，选择大的容量瓶。
若ε值较小，则应选用小的容量瓶；
(2) 以适当的溶剂溶解样品；
(3) 将样品溶液倒入石英吸收池中，将石英吸收池插入支架（注意：所用的石英吸收池一般为1cm见方，样品用量大约为3mL，在使用石英吸收池时严禁用手指接触透光部分。
若有溶液溅出可用擦镜纸轻拭。
）；
(4) 将支架推入，测定紫外光谱；
(5) 在测定紫外光谱时，如果吸光度A(或光密度D)太大（一般在0.5～0.9），则需要将溶液稀释。
可用1～10mL移液管移取溶液至另一个100mL容量瓶中，用同样的溶剂稀释至刻度；
(6) 测量完后，倾出样品溶液，石英吸收池用清洁溶剂（同上）淋洗数次，再用乙醇淋洗，然后置于盒中贮存。
具体操作根据所选用的仪器型号的不同而有所不同，详见各仪器说明书。
表2.10 各种常见溶剂的使用最低波长极限
溶剂最低波长极限/nm 溶剂最低波长极限/nm
200-250 250-300 乙醇210 苯280
正丁醇210 四氯化碳265
氯仿245 N，N-二甲基甲酰
胺
270
环己烷210 甲酸甲酯260 十氢化萘200 四氯乙烯290 1，1-二氯乙烷235 二甲苯295 二氯甲烷235
1，4-二氧六环225
十二烷200 300-350 乙醚210 丙酮330
水210 苯甲腈300 庚烷210 溴仿335 己烷210 吡啶305 甲醇215
甲基环己烷210
异辛烷210 350-400 异丙醇215 硝基甲烷380 乙腈210。
