波譜分析參考表

波譜分析用光質詢分子，並傾聽它們吸收了什麼。輻射與物質之間的每一次相互作用都是量子化的——一個鍵、一個電子或一個原子核只接受恰好等於其允許狀態之間能隙的能量——因此光譜就是一份機器可讀的結構指紋。本頁五個面板對應化學家面對未知物要問的五個問題：IR（存在哪些鍵）、¹H 與 ¹³C NMR（哪些原子坐在哪些環境裡）、MS（分子有多重），以及 UV-Vis（它的電子雲對可見光和紫外線作何反應）。

化學鍵像掛在彈簧上的質量一樣振動：更重的原子、更松的鍵振動更慢。IR 用波數（cm⁻¹）報告位置——波長的倒數，之所以用它是因為它與能量成正比——面板的 41 條吸收帶覆蓋 4000 到 400。診斷錨點：C=O 在 1700 附近的伸縮強而醒目（酯 1750-1735、醛 1740-1720、酮 1725-1705、酸 1725-1700）；3550-3200 的寬 O–H 汙跡是氫鍵的信號；1600/1500 處一對尖銳芳環譜帶出賣了苯環。1500 以下是指紋區，在那裡識別分子靠的是整個圖樣——而非任何單峰——與參比譜對比完成。波數之所以用於 IR，是因為它與光子能量成正比，並把鍵的吸收保持在整潔的 400–4000 cm⁻¹ 範圍內。

質子 NMR 按電子鄰域給氫分類，結果以相對參比 TMS 的化學位移 δ（ppm）報告（TMS 定為 0.00，因為它的矽對質子的遮蔽幾乎強過一切）。電負性鄰居抽走電子密度，使質子去遮蔽，把它推向低場更高的 δ：烷基 CH₃ 位於 0.7-1.3，接上氧後同樣的質子落到 3.3-3.8，芳環把它們帶到 6.5-8.5，醛質子到 9-10，羧酸 O–H 一直到 10-13。每個訊號的積分數出產生它的質子個數，其裂分遵循 n+1 規則——有 n 個等價鄰居的質子裂成 n+1 條線，連線關係就是這樣讀出來的。面板的 23 種環境對 O–H 和 N–H 標註了 D₂O 交換：與重水一搖，這些訊號便消失，是標準的確認技巧。

碳 NMR 覆蓋 0-220 ppm，直接繪製骨架圖，每種不同的碳一條線。地標是化學常識：sp³ 碳 8-55，連氧或氮的碳被推向低場 35-70，sp² 與芳環 100-155，所有羰基 160-220——醛酮 C=O 最高（190-220），酯、酸、醯胺和酸酐聚在 160-185。兩個冷知識：天然同位素 ¹²C 是 NMR 啞巴（核自旋為 0），這就是為什麼只佔 1.1% 的 ¹³C 必須扛起訊號、需要多得多的掃描次數；而對質子的寬頻去耦把本會雜亂的裂分收攏成乾淨的單峰，每種碳一條。

電子轟擊使分子電離，儀器按質荷比 (m/z) 分揀碎片。分子離子 M⁺ 給出分子量；裂解圖樣則像一張郵政地址——面板的 30 個碎片是最常見的：m/z 43（C₃H₇⁺ 或乙醯基）、91（卓鎓/苄基陽離子，烷基苯的標誌）、105（苯甲醯）。中性丟失從同一張表讀出：M−18 意味著一個醇剛脫了水，M−31 意味著甲氧基離開。鹵素用同位素自我介紹：氯的 ³⁵Cl/³⁷Cl（3:1）與溴的 ⁷⁹Br/⁸¹Br（1:1）給出恰好這些比例的 M 與 M+2 峰對。McLafferty 這類重排（γ-H 跨羰基遷移）則從完整的結構單元產生診斷峰。

UV-Vis 觀察電子在軌道之間的跳躍：不飽和體系的 π→π*（允許躍遷，強）與孤對電子進入反鍵軌道的 n→π*（近似禁阻，弱，ε 只有 10-100）。吸收光的單元是生色團，而共軛是那個槓桿：每增加一個雙鍵都收窄 HOMO–LUMO 間隙，把 λ_max 推向更長的波長——表格展示了這架梯子：孤立烯烴低於 200 nm，二烯 217，三烯 258，苯的禁阻 B 帶在 256，蒽到 375，進入可見光區。強度服從 Beer–Lambert 定律，A = ε·b·c——吸光度等於摩爾吸光係數 ε（直接從表裡讀）乘光程乘濃度——這正是 UV-Vis 不只是鑑定器、更是定量儀器的原因。

• IR 峰永遠釘在一個固定數字上。氫鍵會顯著移動並展寬 O–H；共軛會把 C=O 拉低 20-40 cm⁻¹。表給的是範圍，不是法律。
• NMR 位移越大質子越多。位置報告環境，積分才報告數目。0.9 處的高峰可能是四十個甲基上的氫；9.8 處孤零零一條只是一個醛質子。
• 分子離子是最大或最高的峰。最高峰（基峰）是最容易形成的那個碎片——常是 m/z 43 或 91。M⁺ 可能很小，甚至完全缺席。
• 紫外光譜的顏色就是化合物吸收的顏色。看到的顏色是互補色：在 400 nm（紫）吸收的物質看起來是黃的。

相關工具：有機化學（這些表鑑定的官能團）、氧化還原與電化學（電子轉移——分子變化的另一條路），以及化學資料手冊。