拉曼光谱分析法及应用,拉曼光谱分析法应用于手性药物的合成

拉曼光谱分析法简介光散射现象电磁波或光的光子和分子发生碰撞是会发生光散射。1928C.V.Raman发现拉曼散射效应1960随着激光光源复兴了拉曼光谱分析拉曼光谱和红外光谱一样，也属于分子振动光谱概述分子可以看成是带正电的核和带负电的电子的集合体。瑞利散射当高频率（1015s-1）的单色激光束打到分子的时候，和电子发生较强烈的作用使分子极化，产生一种以入射频率向所有方向散射的光，这一过程叫做瑞利散射。瑞利散射被看做分子和光子之间的弹性碰撞，由于光子能量没有发生变化，仍为hv0。所以瑞利散射是分子体力中最强的光散射现象。强度与入射光的频率的4次方成正比。拉曼原理拉曼散射但也存在很微量的光子不仅改变了光的传播方向，而且也改变了光波的频率，这种散射称为拉曼散射。其散射光的强度是入射光的10-8~10-6，拉曼散射的过程是非弹性的，这时光子从分子得到或失去能量，这种散射光的能量为h(v0-v1)或h(v0+v1),失去或得到的能量hv1，相当于分子振动能级的能量。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。拉曼原理拉曼原理hE0E1V=1V=0h0h0h0h0+E1+h0E0+h0h(0-)激发虚态瑞利散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；拉曼散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；E0基态，E1振动激发态；E0+h0，E1+h0激发虚态；获得能量后，跃迁到激发虚态.（1928年印度物理学家RamanCV发现；1960年快速发拉曼原理ANTI-STOKES0-RayleighSTOKES0+0h(0+)E0E1V=1V=0E1+h0E2+h0hh0h(0-)1.Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：E=h(0-)产生斯托克斯线；强；基态分子多；E=h(0+)产生反斯托克斯线；弱；因为基态分子比激发态分子多。Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；拉曼位移对不同物质：不同；对同一物质：与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极距=E红外活性与拉曼活性①红外活性振动ⅰ永久偶极矩；极性基团；ⅱ瞬间偶极矩；非对称分子；红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带.②拉曼活性振动诱导偶极矩=E非极性基团，对称分子；拉曼活性振动—伴随有极化率变化的振动。对称分子：对称振动→拉曼活性。不对称振动→红外活性入射光可以看成是互相垂直的电场和磁场在空间的传播。其电场强度E可用下述交变电场描述：E=E0Cos(2pn0t)(5.47)其中，E0为交变电场波的振幅，n0为激发光频率。样品分子键上的电子云与入射光电场作用时会诱导出电偶极矩P：P=aE=aE0Cos(2pn0t)(5.48)a为键的极化度。只有当键的极化度是成键原子间距离的函数，即分子振动产生的原子间距离的改变引起分子极化度变化时，才产生拉曼散射，分子才是拉曼活性的。拉曼活性红外谱图与拉曼谱图红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定；红外谱图与拉曼谱图每个原子的运动可以用固定坐标系的直角坐标(x,y,z)表示，如果分子中有N个原子，就需要3N个(x,y,z)表示,即具有3N个自由度。分子的三个平动和三个转动自由度对分子的振动无贡献，因而非线性分子有3N-6振动自由度对于线性分子，由于不存在绕分子轴本身的“转动”，因此，有3N-5个振动自由度振动自由度拉曼光谱选律SCSSCSSCS1234拉曼活性红外活性红外活性振动自由度：3N-5=4对称中心分子CO2，CS2等，对称伸缩振动是拉曼活性，红外非活性，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），不满足选律互不相容性，三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。SCSSCSSCS拉曼光谱与红外光谱分析方法的比较拉曼光谱红外光谱光谱范围40~4000cm-1光谱范围400~4000cm-1水可作为溶剂水不可作为溶剂（红外池窗片是金属卤化物，具有水溶性，有红外吸收）样品可盛放于玻璃瓶，毛细管等容器中直接测定不能用玻璃仪器测定固体样品可直接测定需要淹没制成KBr压片非极性集团的振动和分子的对称振动使分子极化率变化，所以是拉曼活性极性基团的振动和分子的部队称振动使分子的偶极矩变化，所以是红外活性因此，拉曼光谱最适于研究同种原子的非极性键如S—S、C=C、N=N、CC等的振动；红外光谱适于研究不同种原子的极性键如C=O、C—H、N—H、O—H等的振动。由此可见，对分子结构的鉴定，红外和拉曼是两种互相补充而不能互相代替的光谱分析。红外及拉曼光谱法的相同点在于，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。因此，对某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，红外吸收波数与拉曼位移均在红外光区，两者都反映分子的结构信息。拉曼光谱与红外光谱分析方法的比较由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，从单键，双键到三键由于含有可形变的电子逐渐增加，随单键双键三键谱带强度增加。拉曼光谱的谱图特征2）红外光谱中，由CN，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。3）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。这种振动形式是形成环状骨架的所有键同时发生伸缩振动。4）强极性集团如C=O在拉曼光谱中是弱谱带。拉曼光谱的谱图特征5）在拉曼光谱中X=Y=Z、N=S=O、C=C=O这类键的伸缩振动是强谱带，而在红外光谱中时弱谱带；反之，不对称伸缩振动在拉曼光谱中是弱谱带，而在红外光谱中是强谱带。6）C—C伸缩振动在红外光谱中是弱谱带，在拉曼光谱中则是强谱带，但广泛产生耦合。7）醇和烷烃的拉曼光谱相似，这是由于C—O键和C—C键的力常数或键的强度差别不大（同是单键）；羟基与甲基质量仅差2个单位。但是O—H拉曼光谱带比C—H拉曼光谱带弱拉曼光谱的谱图特征2941，2927cm-1AS（反对称）CH21029cm-1（C-C）2854cm-1S（对称）CH21444，1267cm-1CH2803cm-1环呼吸3060cm-1r-H)1600,1587cm-1c=c)苯环1039,1022cm-1单取代1000cm-1环呼吸787cm-1环变形拉曼光谱仪激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm；Ar+激光器，波长514.5nm，488.0nm；Kr+激光器，波长568.2nm;散射强度1/4单色器：光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；傅立叶变换-拉曼光谱仪FT-Ramanspectroscopy光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064m）；检测器：高灵敏度的铟镓砷探头；特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。光源：由于拉曼散射很弱，因此要求光源强度大，一般用激光光源。有可见及红外激光光源等。如具有308nm，351nm发射线的紫外激光器；Ar+激光器一般在488.0nm,514.5nm等可见区发光；而Nd:YaG激光器则在1064nm的近红外区使用。单色器：由于测定的拉曼位移较小，因此仪器需要较高的单色性。在傅立叶变换拉曼光谱仪中，以迈克尔逊干涉仪代替色散元件，光源利用率高，可采用红外激光，用以避免分析物或杂质的荧光干扰。检测器拉曼光谱仪的检测器为光电倍增管、多探测器(如CCD:ChargeCoupledDevice)等。拉曼光谱仪微区分析装置的应用：微区分析装置是拉曼光谱仪的一个附件，由光学显微镜、电子摄像管、显象荧光屏、照相机等组成。可以将局部样品的放大图显示在荧光屏上，用照相机拍摄样品的显微图象。如人眼球晶体中白内障病变部位的观测等。拉曼光谱仪从图中可见，拉曼光谱的横坐标为拉曼位移，以波数表示。，其中和分别为Stokes位移和入射光波数。纵坐标为拉曼光强。由于拉曼位移与激发光无关，一般仅用Stokes位移部分。对发荧光的分子，有时用反Stokes位移。拉曼光谱简介波长位移在中红外区。有红外及拉曼活性的分子,其红外光谱和拉曼光谱近似。可使用各种溶剂，尤其是能测定水溶液，样品处理简单。低波数段测定容易(如金属与氧、氮结合键的振动nM-O,nM-N等)。而红外光谱的远红外区不适用于水溶液，选择窗口材料、检测器困难。由Stokes、反Stokes线的强度比可以测定样品体系的温度。显微拉曼的空间分辨率很高，为1mm。时间分辨测定可以跟踪10-12s量级的动态反应过程。利用共振拉曼、表面增强拉曼可以提高测定灵敏度。其不足之处在于，激光光源可能破坏样品；荧光性样品测定一般不适用，需改用近红外激光激发等等。拉曼光谱的特点测定拉曼散射光谱时，一般选择激发光的能量大于振动能级的能量但低于电子能级间的能量差，且远离分析物的紫外-可见吸收峰。瑞利散射，斯托克斯和反斯托克斯线出现几率大小顺序为：瑞利散射>Stokes线>反Stokes线。随温度升高，反Stokes线的强度增加。拉曼光谱的特点当激发光的频率接近或等于试样的电子吸收谱带的频率时，发生共振拉曼效应。当激发光的频率接近试样的电子吸收谱带的频率时称为准共振拉曼效应；当激发光的频率等于试样的电子吸收谱带的频率时称为严格的共振拉曼效应。在做共振拉曼散射时，必须有多谱线输出的激光器或一个可以调谐的激光器。这样就可以选择与试样的电子吸收谱带频率相近或相等的激发光。但是试样的浓度很低，通常在10-8molL﹒-1左右以避免热分解，因为当即发光的频率与试样的电子吸收谱带的频率相近时，试样吸收激发光能量而回产生热分解作用。共振拉曼因为共振拉曼散射的强度很大，所以在低浓度下仍可得到有用的拉曼光谱。共振拉曼散射的强度较普通拉曼谱带的强度增加104~106倍，检测限可达10-8摩尔/升，而一般的拉曼光谱法只能用于测定0.1摩尔/升以上浓度的样品。在研究具有发色团试样和低浓度的生物试样中有很大应用。因此RRS法用于高灵敏度测定以及状态解析等,如低浓度生物大分子的水溶液测定。共振拉曼的主要不足是荧光干扰。例如用共振拉曼确定血红蛋白和细胞色素c中Fe的氧化态和Fe原子的自旋状况。此时共振拉曼仅取决于四个吡咯环的振动方式，与蛋白质有关的其它拉曼峰并不增强，在极低浓度时并不干扰。共振拉曼表面增强拉曼是用通常的拉曼光谱法测定吸附在胶质金属颗粒如银、金或铜表面的样品，或吸附在这些金属片的粗糙表面上的样品。尽管原因尚不明朗，人们发现被吸附的样品其拉曼光谱的强度可提高103-106倍。如果将表面增强拉曼与共振拉曼结合，光谱强度的净增加几乎是两种方法增强的和。检测限可低至10-9-10-12摩尔/升。表面增强拉曼主要用于吸附物种的状态解析等。表面增强拉曼SERS(Surface-EnhancedRamanScattering)