有机波谱分析

现代波谱分析的新技术

班级：090211 姓名：王茜 学号：09021101

摘要：有机波谱分析主要从红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱，四大领域来分析及应用。近年来，仪器分析技术取得了日新月异的进步HPLC的紫外全波长扫描检测器和毛细管柱的应用 ．以及HPLC与．MS和FTIR的接口技术日趋完善 ．基本解决了混合的在线检测问题．而对纯有机物进行质谱、红外光谱、紫外光谱和核磁共振波谱分析可以给出该有机物确切的分子结构。因此，利用 HP LC／Ms和HPLC／FTIR对煤的萃取液进行在线分析，并用NMR对待测物质的萃取液分取出的纯组分进行离线分析，可望得到可溶有机物各组分确切的分子结构．

有机波谱分析是分析化学中发展最快、应用最广泛的领域之一。波谱分析的基础理论与实验的应用已成为生命科学、材料科学、环境科学、石油化工等诸领域中重要的、不可缺少的部分。近年来西方发达国家的大学教学中，波谱分析越来越受到重视。有机波谱分析主要从红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱，四大领域来分析及应用。以美国为倒，近年的国家自然科学基金、高等学校提供的基金与实验室改造资金中，核磁共振谱仪居第一位，色谱与质谱联用项目次之。充分考虑在各研究领域中各种波谱方法的特点和应用，除了对基本理论和仪器进行描述外，还应掌握波谱数据与分子结构关系的一般规律。

有机波谱主要运用于有机化合物的结构鉴定，以前基本上是以化学 反应为主要手段， 但化学实验的信息量是非常有限的，往往不一定能得到明确结论。近些年来发展起来的波谱分析方法主要是以光学理论为基础， 以物质与光相互作用为条件， 建立物质分子结构与电磁辐射之间的相互关系， 从而进行物质分子几何异构、 立体异构、 构象异构和分子结构的分析和鉴定。由于它具有快速、 灵敏、 准确、 重现等特点， 使之成为有机物结构分析和鉴定的常用分析工具和重要分析方法【1】。在实际工作中， 单用一种方法往往难以得出明确的结论， 需要综合利用多种波谱方法联合解析【2】 ，相互说明， 互为佐证。

一、红外光谱

红外吸收光谱主要是通过测定分子中化学键的振动频率来确定官能团， 提供未知物具有哪些官能团、化合物的类别( 芳香族、 脂肪族、 饱和、 不饱和)等． 红外光谱有时也可提供未知物的细微结构 ．如直链、 支链、 链长、 结构异构及官能团间的关系等信息，但它在综合光谱解析中居次要地位．其应用主要在聚合物组成与结构表征中具有独特的优势， 应用傅里叶变换红外光谱(FTIR)上的特征吸收峰可以推断未知物的结构． 从E P M的FTIR光谱的亚甲基摇摆振动区域的谱带中可判断出序列结构【3】． 而 FT2 Raman仪是在 F TIR仪的基础上附加FT2Raman附体组成的， 对 C=C 、 C≡C、 S=S 、 C=S 、 P=S等红外弱谱峰很灵敏，可出现强峰。

红外光谱主要以近红外光谱分析为主，其在中药纯化过程的研究上起了重要作用。目前， 中药产品质量的稳定性和均一性较低，极大地阻碍了中药现代化与国际化进程， 其主要原因之一是缺乏中药制药过程分析方法， 诸多过程参数尚无法在线检测， 更谈不上实施有效控制． 近红外光谱技术( Near infrared spectroscopy ，NIRS)是一种重要的过程分析方法， 具有快速、 原位、 非接

触、非破坏性等优点， 可同时进行多组分测定， 已在石油化工【4】、 西药质量监控【5】、 农业【6】、 化学反应终点跟踪【7】、 药物辅料识别【8】、 肉类加工等方面得到广泛应用， 但尚未见用于中药生产过程的报道．

大孔吸附树脂纯化是近年被推广用于中药精制工艺的新技术【9】，以其纯化中药黄连过程为具体研究对象， 用黄连中各生物碱的 H P L C分析测定值作参比， 采用偏最小二乘算法( PLS ) 建立 N I R透射光谱的校正模型 ， 快速地同时测定了洗脱物中盐酸小檗碱、 盐酸巴马亭、 盐酸药根碱和黄连总生物碱的浓度 ， 从而提出一种基于 NIRS的适合中药制药过程分析的新方法 ．NIRS是介于可见光谱区和中红外光谱区之间的电磁波， 其光谱信息来源于分子中C—H， N—H，O—H基团的倍频和合频振动吸收， 化学信息量相当丰富． 在NIRS分析测试中， 一般首先需要依据已知样品化学信息， 用多元校正方法建立校正模型； 然后使用该校正模型计算处理未知样品的NIRS数据， 获取其化学组成信息

【4】． 换句话说 ，为利用NIRS信息快速测定未知样品的化学组成， 必须使用合适的计算方法处理光谱数据 ．

常用的多元校正方法有多元线性回归( MLR ) 、主成分回归( PCR ) 、PLS回归、 人工神经网络等， 用 PLS算法回归所建立的校正模型一般优于 MLR与 PCR法， 同时计算速度也很快 ．因此 ，本文选用PLS算法建立校正模型， 采用内部交叉验证均方差( R MS E C V) 和预测均方差( RMSEP ) 检验校正模型的质量与对未知样本的预报效果 ，以相对偏差 ( RSECV) 和(RSEP)考察所建模型校正和预测的相对误差，它们的计算方法参见文献【10】．

二、紫外光谱

紫外吸收光谱主要用于确定化合物的类型及共轭情况． 如是否是不饱和化合物，是否具有芳香环结构，是否具有共轭体系等化合物的骨架信息． 这里要注意的是紫外吸收光谱虽然可以反映分子结构中发色团和助色团的特性信息， 但特征性差， 且不能完全反映整个分子的特性． 它只能作为结构鉴定的一种辅助工具， 主要用于定量分析．

紫外-可见光谱(UV-Vis)常可用于煤结构的研究．UV-Vis光谱或颜色与煤的电子能级 、缩合芳环结构单元的大小有关．根据分子光谱理论 ，这些缩合芳环结构单元中的电子π→π﹡，n→π﹡跃迁导致紫外可见-近红外吸收光谱 ，其吸收峰波长上限λmax随缩合芳环共轭体系增大而红移．已知煤中缩合芳环随煤化程度增加而增大 ，所以煤的颜色也就随之加深．Friedel 等【11,12】用超薄切片 (( 1 0 ±0．5 ) μm)和 KBr 压片技术得到煤的 UV-Vs光谱 ，并通过比消光系数的定量分析发现镜煤 (84﹪C)中 5 个 ～6 个苯环的稠环芳烃含量 只有 2﹪～13﹪，指出自由基对煤的颜色有贡献；他还用 27 种稠环芳烃混合物的UV-Vis光谱模拟煤的电子能谱，并推算出煤种中的 5稠苯和 6稠苯约有 1 7﹪． 还观察到煤的电子能级带隙为0．7 8e V． 能隙的存在说明煤中的稠环芳烃结构单元的大小有限．另外 ， 紫外-可见光谱仪是HPLC的常用检测器之一 ．利用二极管阵列技术可以得到 HPLC分离后的化合物的UV谱图．

通过紫外光谱扫描 ，丹参酮IIA( UVmax268nm) 、丹参酮IIA 、IIB、I、隐丹参酮等混合溶液及丹参药材氯仿提取部分的最大吸收波长均在268nm附近 ，且丹参中丹参酮IIA一般 含量最高，故选择丹参酮IIA为基准物、氯仿为溶剂 ，用紫外分光光度法于波长268nm处测定总丹参酮含量。标准神线同归方程A=0.0949C一0.OO3 ，r=0.9996 ，n=6，线性范围 O．9～ 9.O μg／ml 。样品制备成溶液后2h内稳定 。取药材粉末( 4 O目) O．1g，精密称定，置小层析柱中，用氯仿

小心洗脱，至冼脱液无色，洗脱液定容，适当稀释后于268 nm处测定吸收值。精密度考察结果CV=0．9 7％( n=8 )；加样回收率考察Ⅹ=99．2％(n=5)．CV：1.2 ％ .

三、核磁共振谱

核磁共振氢谱在综合光谱解析中主要提供化合物中有关质子的信息． ( 1 ) 质子的类型： 质子所处的化学环境说明化合物具有哪些种类的含氢官能团．( 2 ) 氢分布： 由峰的强度( 面积) 可说明各种类型氢的相对数目． ( 3 ) 核间关系： 峰的数 目标志分子中磁不等性质子的种类 ， 共振信号的数 目表明分子中不同类型质子的数量， 这里应注意是否存在信号的重叠；峰的裂分数可说明相邻碳原子上质子数； 偶合常数可确定化合物构型． 氢核间的偶合关系与氢核所处的化学环境可提供化合物的二级结构信息， 如连结方式、 位置、 距离； 结构异构与立体异构( 几何异构、光学异构、构象)等．核磁共振碳谱(13C NMR)与氢谱类似， 也可提供化合物中碳核的类型、 碳的分布 、 碳核间的关系三方面结构信息． 主要提供化合物的碳“ 骨架” 信息．碳谱的各条谱线一般都有它的惟一性， 能够迅速、 正确地否定所拟定的错误结构式． 碳谱对立体异构体比较灵敏， 能给出细微结构信息．

核磁共振波谱法( NMR ) ．可提供有机分子中氢和碳以及由它们构成的官能团、 结构单元和它们彼此的连接方式和顺序的准确结构信息， 堪称定性剖析中分子结构的“ 总装配师”．在NMR谱图中的每个峰都可找到而且必须找到确切的归属． 对于一个拟定的分子结构， 可以从理论上很好地预见其出现的谱峰位置、 形状和强度等．核磁共振二维谱． 对于复杂化学结构的未知物，可以测定氢一氢相关谱或碳一氢相关谱(COSY)，提供化合物氢核与氢核或氢核与碳核之间的相关关系，测定细微结构．

核磁共振谱是一种很有力的研究手段 ．可应用于煤的液化产物和固体煤分析．液体核磁共振主要有。1H—NMR，13C-NMR，多脉冲序列和液体二维谱等、固体核磁共振主包括固体13C — NMR、交叉极化 (CP ) 、高功率质子去偶 、魔角旋转 ( MAs ) 、偶极去相 ( DD) 、 固体二维谱等、 近年来才发展起来的核磁共振成象技术也已用于煤的研究。

核磁共振谱用于煤结构研究主要提供碳 、氢原子分布、芳香度、缩合芳环结构等结构信息．煤的1H—NMR谱和13C—NMR谱都有两个宽化的峰，分别属于芳香族和脂肪族的c和H．弥散的吸收谱表明煤中的c和H所处的微环境很复

杂．Derbyshire等对质子弛豫时间快慢的研究发现煤中存在流动相H和固定相H.Schmiers【13】等。用13C—NMR研究了两种褐煤的大分子结构， 提出相应的结构模型．认为褐煤中的芳环主要是苯环 ，一CH2一 ，一O一和一S一桥键将含不同取代基的苯环联结在一起形成大分子．Solum等【14】。研究了Argonne Premium煤的15N—NMR波谱， 发现煤中有机氮原子均存在于煤的芳环结构中．

NMR技术能够区别不同环境中的 H 和C原子， 如 ： 芳氢、 酚羟基氢， 并能区别和芳环相连α碳上 的氢及β碳相连的氢．因此NMR技术在统计结构分析中得到广泛应用.

13C—NMR谱能提供大分子骨架信息， 又可观察不与质子相连的基团，如 c＝O和 c≡N 等基团中的c信息，而H—NMR对此则无能为力．从c-NMR得到的芳香度是直接观测的，优于任何其它方法所得值，最先被Knight描述的结构参数包括芳碳上取代基的数量、非桥键芳碳原子数、脂肪碳含量、每个平均分子中的芳环数等、许多文献中都应用高分辨NMR谱研究煤及其衍生物的结构.13c—NMR多脉冲序列如DEPT技术(无畸变极化转穆增强法) 谱图中多重峰相位与正常FT谱一致 ，

根据偶合常数的不同，将各种类型的碳分开，为研究煤分子结构提供了更详细的信息．由于煤中部分乃至大部分是不能被溶解的大分子骨架结构，所以对固体煤的直接研究非常重要、固体核磁共振碳谱可在不破坏原煤结构的情况下直接分析煤的固体样品 ．获取其结构信息、利用交叉极化 ( CP ) 、魔角 自旋( MAS )等技术 ，可以获得煤的固体CP/NMR高分辨谱 ，直接进行煤的芳香度测量．用常规的 CP／MAS谱 ，结合偶极去相及分峰实验，可以得到更精细的煤的结构参数．David等【15】用大功率去偶、交叉极化的方法获得了煤的13C—NMR谱 ，并估算了芳香度． 张蓬洲等【16】用CCP 、MAS技术对我国12种不同变质程度的煤进行了研究，得到煤的l2种结构参数．用NMR测定的桥碳数计算出每个煤样的芳香簇团大小，并根据计算结果设计出各种煤的芳香组结梅模型、马志茹等【17】利用固体CP，CP／MAS／TOSS和偶极去相(DD)等实验技术对峰峰肥煤进行了分析，并通过计算获得一系列煤的结构参数．了解了峰峰肥煤的结构特征．

近年来出现的核磁共振成象技术 已开始应用于煤的研究中，探测煤的化学和物理结构、Dieckman等用吡啶和氘代吡啶处理煤 ，观察质子成象、被氘代溶剂溶胀的煤可用来描绘煤大分子结构中的小分子流动相部分 ，用质子溶剂处理的煤可用来观察进入煤中溶剂的分布情况.

四、质谱

质谱主要提供有关分子的分子量、元素组成、由裂解碎片推导结构单元等结构信息． 质谱图上的碎片峰可以提供一级结构信息． 质谱的另一个主要功能是在综合光谱解析后， 验证所推测的未知物结构的正确性．

气相色谱～质谱联用技术对小分子混合物样品的分析极为方便． 飞行时间二次离子质谱利用碎片离子的质量、 相对丰度和谱图峰形的分布解析碎片离子． 碎片离子的质量是质谱图解析的根本依据； 碎片峰的相对丰度则提供了被测物质的结构信息；谱图峰形的分布为有机组分的化学组成提供了概略的宏观信息．全二维气相色谱与通常的气相色谱相比具有 分辨率高、 峰容量大、 灵敏度好、 分析速度快以及定性更有规律可循等特点【19】 ， 非常适合复杂体系的分离分析． 已被应用于石油产品、 精油、 杀虫剂、 中药挥发油及烟气等复杂体系领域的研究。

从分子水平上对煤进行分离的分析是确定煤的化学结构的关键．在不破坏共价键的前提下 ．可溶化是从分子水平上分离煤的必要条件．饭野雅最早发现 CS2-NMP混合溶剂具有优良的溶煤能力，添加少量的如四氰基乙烯 ( TCNE) 和四氰基对醌二甲烷 ( TCNQ) 等受电子试剂可进一步提高萃取率．利用该混合溶剂优良的溶煤能力和某些受电子试剂的增溶作用至少可使某些煤中大部分有机物在保持共价键的条件下实现可溶化 ，进而利用多种现代分析技术可望了解其中各组分确切的分子结构．

借助GC的分离功能和MS的鉴定功能的分析方法可提供所测组分的一些结构信息．GC虽已被广泛用于有机物的分离分析 ，但对难挥发和不稳定成分的分离分析十分困难．HPLC可以弥补GC的不足，但还存在分离效果欠佳的问题．Stock等【20】通过在碱性溶液中氧化和在N一甲基一2吡咯烷酮(NMP)一吡咯混合溶剂中脱羧处理，用 GC／Ms测定了Pocahontas N o.3煤衍生物一系列多环芳烃的结构．魏贤勇等【21】先以CS2继而以苯作溶剂对煤进行彻底萃取，利用GC／MS和LC／MS分析萃取液．揭示了煤中部分有机质的分子结构．另外，Wei 等还用 LC／ MS分析研究了煤的CS2一NMP萃取物的组成．顾永达等【22】对具有连续演化的煤样的索氏萃取物中芳烃馏分进行GC／MS分析，研究了多环芳烃的组成与分布以及其

随煤化过程变化的分布特征．王旭珍等【23】用GC／MS分析煤萃取物中的含氮杂环化合物芳香馏分 ( NPAH)的组成结构，发现该氮杂环化合物主要是同时含有S和N杂原子， 以氮杂二苯并噻吩及其 C1～C5烷基取代物的形式存在 ，为煤化学结构和成因的研究提供了重要信息．在较温和的条件下通过用超临界流体萃取和超临界GC／MS分析也可以得到煤中部分有机物的结构信息，该方法属可分离、非破坏性分析，但只能测定煤中的小分子成分．

由于煤焦油与原煤具有密切的关系，故煤焦油中的物质代表了煤中的部分原始结构和原始物质．李香兰等【24】用GC／MS研究了低温煤焦油馏分的组成和统计结构，建立了用GC／MS数据建构煤焦油等煤液体平均分子结构的方法陈皓侃等

【25】用GC／MS技术测定了热解及加氢热解煤焦油的组成特征，并在此基础上研究了其与煤结构的关系．

在从分子水平上揭示煤的结构的基础上。可以深入了解煤种 、煤中显微组分及煤的各种物理和化学性质与煤结构的关系，进而依据这些关系开发煤中有机质的有效分离和定向转化工艺 ，从煤中获取高附加值的精细化学品．即基于分子煤化学的研究成果 ，可望在煤转化工艺开发方面取得根本性的突破。相信随着现代检测技术的不断进展和完善 ，一定会对煤结构有更深入的了解和认识 ，从而推动分子煤化学的发展．

要想确定某一化合物的结构， 先要对各种波谱信息做细致、 全面的观察分析， 从不同侧面， 由此及彼、 由表及里、 由浅人深， 逐步地加以分析， 经过分析和考察， 掌握各方面特征， 从而为逐步地认识化合物打基础． 综合，是把分析得到的大量有价值的各种光谱数据汇集起来， 作全面整体考察， 以明确各信息之间、 信息与结构之间、 各谱之间的内在联系及分析其蕴含的结构实质， 从而在本质上认识化合物的结构．分析和综合是密切相关、 相辅相成的， 分析为综合准备材料， 综合为分析提供指导． 波谱解析的过程有时就是一个边分析边假设验证的过程， 通过分析一综合一再分析一再综合的往复循环， 逐步认识和鉴定化合物的结构． 当然， 这里也有一个实践经验积累的过程， 平时见的越多， 解的越多， 量的积累就会产生质的飞跃， 综合解谱会越来越顺利． 近年来，仪器分析技术取得了日新月异的进步HPLC的紫外全波长扫描检测器和毛细管柱的应用 ．以及HPLC与．MS和FTIR的接口技术日趋完善 ．基本解决了混合的在线检测问题．而对纯有机物进行质谱、红外光谱、紫外光谱和核磁共振波谱分析可以给出该有机物确切的分子结构。因此，利用 HP LC／Ms和HPLC／FTIR对煤的萃取液进行在线分析，并用NMR对待测物质的萃取液分取出的纯组分进行离线分析，可望得到可溶有机物各组分确切的分子结构．

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