引入

一个从未见过的有机物,怎么确定它到底是什么?

为什么质谱能给出分子量,红外能给出官能团,核磁能给出氢原子的位置?

这几种方法为什么要配合使用,而不是只用一种?

确定有机物结构,靠的不是单一手段,而是一套“先分离、再测分子量、再定官能团、再定骨架”的组合流程。每种方法给出的是局部信息,拼起来才是完整结构。

正文

定义

有机物研究方法指通过分离提纯、元素分析、波谱分析等手段确定有机物组成、官能团和碳骨架的一整套方法。

研究流程

样品
  ↓ 分离提纯(蒸馏、重结晶、萃取、色谱)
纯品
  ↓ 元素分析(确定 C、H、O、N 等含量)
实验式
  ↓ 质谱(确定相对分子质量)
分子式
  ↓ 红外光谱(确定官能团)
官能团信息
  ↓ 核磁共振氢谱(确定氢的环境与数目)
碳骨架与连接方式
  ↓ X 射线衍射(单晶)
三维结构

顺序有讲究:不纯的样品测出的波谱是混合物的叠加,无法解析,所以分离必须在前。

分离与提纯

方法原理适用
蒸馏沸点差异互溶液体,沸点差较大
分馏沸点差异(多次气化-冷凝)沸点接近的液体混合物
重结晶溶解度随温度变化固体,杂质含量不高
萃取溶解度在不同溶剂中的差异从溶液中提取目标物
色谱吸附/分配能力差异微量、复杂混合物

重结晶的关键是选择合适溶剂:目标物在热溶剂中溶解度大、在冷溶剂中溶解度小,杂质则要么全溶要么全不溶。操作上要“趁热过滤”除去不溶杂质,再“冷却结晶”析出目标物。

色谱法分离效率最高,适合微量样品。柱色谱用于制备,薄层色谱(TLC)用于监测反应进程和判断纯度。

元素分析

测定各元素的质量分数,求出实验式(最简整数比)。

例如测得某有机物含碳 、氢 、氧 :

元素质量分数相对原子质量物质的量比
C12
H1
O16

化简得 ,实验式为 。这只是最简比,真实分子式可能是 、 等,必须由相对分子质量确定。

质谱

质谱给出相对分子质量和碎片信息。

峰含义
分子离子峰 最高质量的主要峰,对应分子量
碎片峰分子断裂产生的片段
峰含一个 ,可用于估算碳原子数

由分子量和实验式可以确定分子式:

碎片峰还能提供骨架线索。例如出现 的峰,通常对应乙基 或醛基 。

红外光谱

红外光谱给出官能团信息。不同的化学键在特定波数吸收红外光。

吸收峰()归属
(宽) 伸缩
附近(尖) 或末端炔
伸缩(烷基)
附近(强) 羰基
或
芳环骨架振动
伸缩

羰基峰是最有用的信息之一:醛、酮、羧酸、酯都在 附近有强吸收,但位置略有差异(共轭会使峰向低波数移动)。

红外不能确定碳骨架的连接顺序,也不能确定氢的数目,这是它的局限。

核磁共振氢谱

核磁共振氢谱(H NMR)给出三类信息:

信息来源作用
化学位移 氢的化学环境判断氢连在什么基团上
峰面积(积分)氢的数目比确定各类氢的相对数量
峰的裂分( 规律)相邻碳上的氢数判断相邻关系

常见化学位移:

(ppm)氢的类型
烷基
与羰基或芳环相邻的
与氧相连的 ()
烯烃
芳环氢
醛基氢
羧基氢

规律:某组氢的相邻碳上有 个氢,则该组氢的峰裂分为 重。例如乙醛 中, 的氢邻着一个醛基氢,裂分为二重峰;醛基氢邻着三个甲基氢,裂分为四重峰。

方法对比

方法给出什么不能给出什么
元素分析实验式分子量、结构
质谱分子量、碎片官能团位置
红外官能团碳骨架顺序
核磁氢谱氢的环境与数目无氢的碳的连接
X 射线衍射三维结构需要单晶,样品制备难

实际解析时通常先用质谱定分子式,再用红外找官能团,最后用核磁确定连接方式。这套组合能解决绝大多数小分子结构问题。

常见误区

错误说法问题
“实验式就是分子式”实验式只给最简比
“红外能确定碳骨架”只能确定官能团
“核磁峰面积直接给氢的个数”给的是相对比例,需结合分子式
“质谱最高峰一定是分子离子峰”有时分子离子峰很弱或不出现
“分离提纯可以省略”混合物波谱无法解析

引出

为什么共轭会使羰基的红外吸收峰向低波数移动?

二维核磁(COSY、HSQC)能提供哪些一维谱给不出的信息?

高分辨质谱如何把分子量精确到小数点后四位,从而直接确定分子式?