化学化工分析方法选择研发分析方法开发进阶.docx
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化学化工分析方法选择研发分析方法开发进阶
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00amon25thDecember2020
化学化工分析方法选择研发分析方法开发进阶
化学化工分析方法选择-研发分析方法开发进阶
第一章衍生的方法与应用
我们在日常的样品分析中经常会遇到一些有机合成反应中控时样品不易气化、热分解、易聚合、又或者是见水分解等等而此时由于条件的有限而又不能做化学分析来进行中控，这时我们总是想到一个熟悉而又陌生的方法---衍生。
熟悉是因为我们常常听说这个办法，而陌生是因为我们真的很难找到比较系统、全面的衍生方面的资料或者是方法介绍。
我们常说的衍生，其实我给的定义就是我们人为的加了一步反应，使我们不能直接分析的样品转化为我们能够应用已有的条件来分析。
虽然是只加了一步反应，能够分析了，但由此引入的问题也很多，下面逐一的介绍一下。
衍生法种类 衍生法种类繁多，用于色谱试样处理的衍生法主要有：
硅烷化法、成肟或腙法、酯化法、酰化法、卤化法、环化法及无机试样衍生法。
分析工作者可根据待测试样中所含官能团的种类选择适宜的衍生方法。
一般地，硅烷化衍生方法适于羟基化合物，也可用于含羧基、巯基、胺基等官能团的化合物。
酯化衍生法主要用于含羧基的化合物试样，所得到的衍生物一般为甲酯、乙酯、丙酯或丁酯，其中最常见的是甲酯化合物。
酰化衍生法主要用于胺基的酰化衍生物制备，也可用于含羟基、巯基等化合物的衍生处理。
卤化衍生法可由不同的卤化方法分析含不饱和键化合物、羟基、羧基、羰基化合物。
羟基化合物在适当条件下可与醚化试剂作用衍生成醚。
羰基化合物可适用于成肟或成腙的衍生试剂处理后作色谱分析。
环化法可用于分析含两个或两个以上官能团的有机物。
水、无机气体、无机酸、金属元素等也可通过衍生试剂作衍生处理后作色谱分析。
我们最常用衍生化反应可归三类：
硅烷化，烷基化和酰化反应。
衍生法的作用1，提高化合物热稳定性。
（特别是包含极性官能团的化合物）。
2，调整化合物的挥发性。
3，在分子中引入适合检测器的标记。
气相色谱中化学衍生的作用主要是：
1改善样品挥发性，2改善样品的峰形，3改善样品的分离，4提高化合物的检测灵敏度。
气相分析中包含有活泼H原子的基团，如：
-COOH,-OH,-SH,和–NH等化合物，因为它们趋向于形成分子间氢键，从而影响基团的化合物原有的相互作用及稳定性。
HPLC中常用的衍生方法为了增强紫外吸收，荧光及电化学检测器检测性能。
最常用的衍生方法有：
（1）硅烷化。
硅烷基衍生物广泛用于气相，是用三甲基硅烷取代酸、醇、硫醇、胺、酰按、烯醇酮醛等，分子中活泼H而形成。
三氟官能团常用于提高电子捕获检测的灵敏度。
衍生方法使氨基酸的定量和定性分析容易。
（2）烷基化。
是活泼H被脂肪族戓芳基（如苄基）所取代。
这可用硅烷化衍生试剂对含酸性氢的化合物进行改性，如羧酸和酚。
将其能转化为酯。
烷基化也可用来制备醚类、硫醚、硫酯、N-烷基胺、酰胺和磺胺。
虽然羧酸硅烷化衍生物易形成但化合物稳定性差。
（3）酰化。
可通过羧酸或羧酸衍生物反应将包含活泼H的化合物转化为酯、硫酯和酰胺。
全氘代衍生物有助于解析硅烷化组分的质谱图。
O-烷基羟胺用来制备醛和酮的O-烷基肟。
（4）增强检测性能的试剂。
当紫处吸收光谱254nm检测灵敏度为0或很低时通过在被测分子中接入在254nm有高吸光性的发色团可增强检测性能所有这些试剂均使还原性电化学检测或荧光检测容易。
衍生物制备：
同于绝大部分药物是具备高沸点或高熔点的化合物。
并且常带有羟基、羧基、氨基或酰胺基等极性基因，给直接进行GC分析带来很大困难，往往拖尾严重，或被吸，或热解，而行不出正确结果。
为了克服这些困难要，可先制成各类衍生物后再进行分析。
这样做的目的是：
1、使原来不挥发的或挥发性差的药物变成一种新的、具有一定挥发性的化合物，即降低其熔点或沸点。
2、避免对热不稳定化合物的分解，增加稳定性。
3、降低极性，减小拖尾和吸附。
4、改变化合物的理化性质以改进分离。
5、产生特殊性质，如引入氟原子，增加电子捕获能力，提高检测灵敏度等。
如（硅烷化试剂BSTFA,BSTFA+TMCS,硅烷化试剂DMDCS二甲基二氯硅烷）硅烷化作用是指将硅烷基引入到分子中，一般是取代活性氢（如：
羟基hydroxyl,羧基carboxylicacid,胺amine,硫醇thiol,磷酸盐phosphate）。
活性氢被硅烷基取代后降低了化合物的极性，减少了氢键束缚。
因此所形成的硅烷化衍生物更容易挥发。
同时，由于含活性氢的反应位点数目减少，化合物的稳定性也得以加强。
衍生化试剂分类：
（一）三甲基硅烷化试剂利用三甲基硅烷化试剂（TMS）所制成的衍生物对热稳定，色谱系统对其吸附性小，反应条件缓和，所以是制血衍生物的最重要的途径之一。
TMS化试剂主要用于含羟基化合物的衍生物制备。
常用的试剂有：
三甲基氯硅烷（TMCS）、六甲基二硅胺（HMDS）、双（三甲硅烷基）乙酰胺（BSN）、三甲基烷基咪唑（TSIM）、以及双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺（BSTFM）等。
TMCS、HMDS是广泛使用的TMS化试剂，可以个别地单独使用，也可二者同时使用。
单独使用时，需加少许胺，以使反应完全。
R-OH+（CH3）3SICL+胺-------（CH3）3SIOR+胺.HCL
单独使用HMDS时，应痕量酸作为接触剂。
2R-OH+（CH3）3SINHSI（CH3）3-------2（CH3）3SIOR+NH3
当两者同时使用时：
3R-OH+（CH3）3SICL+（CH3）3SINHSI（CH3）3-------3（CH3）3SIOR+NH4CL
实际应用中，常二者合用作为TMS试剂。
BSA，
或TSIM,
优点在于操作比较简便，只要将样品直接溶于其中即可。
在生物样品分析中，常将提取物吡啶中，再加BSA。
BSTFA,
与BSA类似。
（二）甲酯化试剂
甲酯化试剂主要用于具有羧基的化合物，二者作用后生成相应的甲酯，进行GC分析。
常用的甲酯化试剂为甲醇制HCL（或H2SO4）液或重氮甲烷乙醚液。
1、与甲醇制HCL液回流2小时。
HCL
RCOOH+CH3OH-------RCOOHCH3+H2O
2、在0℃下与重氮甲烷的乙醚溶液反应
RCOOH+H2C==N+==N--------RCOOCH3+N2
以重氮甲烷为试剂的优点是反应快速，但试剂制备比较困难，有爆炸性。
（三）卤素试剂
用于衍生物制备的卤素试剂大都是含氟化合物。
由于氟的亲电性强，对ECD显示很高灵敏度，可检测pg数量级的样品。
常用的试剂有三氟乙酐（TFAA）、五氟丙酐（PFPA）、五氟丁酐（PFBA）、七氟丁酐（HFBA）,以及甲基双三氟乙酰胺（MBTFA）。
这些试剂主要用于含氨基、羟基化合物的衍生物制备。
现以TFAA为例列出反应式如下：
R-NH2+（CF3CO）2O-R-NHCOCF3+CF3COOH
R-OH+（CF3CO）2O-R-OCOCF3+CF3COOH
操作时，先将样品四氢呋喃中，然后加TFAA试剂及吡啶。
放置几分钟即可进样。
MBTFA的优点是可用试剂直接溶解样品，TFA化极易，而且不生成反应副产物-酸。
2R-NH2+（CF3CO）2N-CH3----2R-NHCOCF3+除以上最常用的3种衍生物外不有羰基的污化等。
硅烷化试剂
与样品化合物的衍生反应是通过硅烷基取代羟基，羧基，巯基，氨基及亚氨基的活性氢而进行的。
衍生反应的产物是硅醚或硅酯。
几乎所有含这些活性氢的化合物都能与硅烷化试剂发生衍生反应，其反应活性顺序：
醇〉酚〉羧酸〉胺〉酰胺。
硅烷化衍生试剂包括三甲硅烷化衍生试剂，如六甲基二硅氮烷、三甲基氯硅烷、N-甲基-N-三甲硅基乙酰胺、N-甲基-N-三甲硅基三氟乙酰胺、N,O-双（三甲硅基）乙酰胺、N,O-双（三甲硅基）三氟乙酰胺、N-三甲硅基咪唑等；卤代硅烷基衍生试剂，如氯甲基二甲硅基氯硅烷、碘甲基二甲硅基氯硅烷、氯甲基二甲硅基二硅氮烷、碘甲基二甲硅基二硅氮烷、五氟苯基二甲硅基氯硅烷、特丁基五氟苯基甲硅氯硅烷、五氟苯基异丙基甲硅基氯硅烷等。
烷基化衍生试剂
制备烷基化衍生物的反应是亲核取代反应，衍生试剂的烷基取代化合物的酸性氢。
衍生反应得到的产物是醚、酯、硫醚、硫酯、N-烷基胺、N-烷基酰胺。
烷基化衍生试剂包括重氮烷烃类，如重氮甲烷等；烷基卤化物类，如五氟苄基溴、碘乙腈等；季胺盐类，如氟化二甲基苯基苄基胺，氢氧化三甲基苯基胺；醇类，如1,1,1,3,3,3-六氟异丙醇等；烷基氯甲酸酯，如三氯乙基氯甲酸酯等。
酰基化衍生试剂
酰基化衍生反应的实质是衍生试剂的酰基取代极性化合物中的活性氢。
该类试剂可用于醇、酚、硫醇、胺、酰胺、磺酰胺等化合物的衍生。
酰基化试剂主要有酰卤，如4-乙酯基六氟丁酰氯、全氟辛酰氯等；酸酐，如乙酸酐等；酰基咪唑与酰胺，如全氟乙酰咪唑、N-甲基双三氟乙酰胺。
其他衍生试剂
形成环状衍生物试剂，如硼酸和顺式1,2-二醇反应生成的环状硼酸酯、含羰基的化合物与合适的二胺生成的杂环衍生物等；手性衍生试剂，如S-（-）-七氟丁酰脯氨酰氯、R-（+）-2-甲氧基-2-苯基-3,3,3-三氟丙酰氯等
衍生化的好处:
提高色谱分辨率-增加气化-减少分子间氢键作用-分离结构相似化合物。
提高质谱特性-更高的质量碎片-更高的S/N（信噪比）-更多的特征质量-增加分子离子的丰度/灵敏度。
增加一些化合物的热稳定性-减少热降解-更高的温度适于快速分析。
提升仪器和实验室的效率-可减少因峰拖尾所造成的重复进样和试验-更易于样品鉴定和定量-容易操作-惰性衍生副产物不会对毛细管柱的性能产生影响。
衍生化试剂使用密封的小瓶包装，并用氮气保护以避免活性的丧失。
试剂与湿气接触会显着降低活性，因此要避免试剂与空气和湿气接触。
在不使用时使小瓶保持密封状态。
移液管、玻璃仪器、小瓶等试验器具在衍生之前一定要不含水或醇类物质，这对衍生是否成功至关重要。
SELECTRA-SIL硅烷化试剂
甲硅烷基衍生物是最常用的化学衍生试剂，尤其对气相色谱而言。
甲硅烷基衍生物需要活性氢，比如酸、醇类、硫醇、胺、氨基化
合物、酮和醛中的氢，该氢会被三甲基硅烷酯或三丁基二甲基硅烷取代。
三甲基硅烷的强度与BSA相同。
可用于适合BSA的同类化合物，并生成相同的衍生物。
与BSA无氟衍生物相比，可增加反应副产物的挥发性。
三甲基硅烷的给予强度与BSA相同。
可用于适合BSA的同类化合物，并生成相同的衍生物。
三甲基氯硅烷（TMCS）被添加到衍生化酰胺中，许多仲胺和受到空间阻碍的羟基不会与BSTFA单独发生反应。
与BSA无氟衍生物相比，可增加反应副产物的挥发性.。
三甲基硅烷加合物具有与BSA和BSTFA相同的给予强度。
TMS衍生物大部分都是可挥发的。
常常在GC的溶剂峰前沿出现。
三甲基硅烷加合物具有与BSA和BSTFA相同的给予强度。
TMS衍生物大部分都是可挥发的。
常常在GC的溶剂峰前沿出现。
TMCS添加剂有助于酰胺，仲胺和受阻羟基的衍生化。
可用于羟基、羧基、硫醇、伯胺和仲胺的衍生。
衍生物较TMS衍生物具有更高的稳定性。
反应副产物为中性且易挥发。
1.1
衍生化试剂
酰化试剂
缩写
英文名称
中文名称
CASNO
AceticAnhydride
醋酸酐
HFBA
Heptafluorobutyricanhydride
七氟丁酸酐
336-59-4
MBTFA
N-Methylbis（trifluoroacetamide）
甲基二（三氟乙酰胺
685-27-8
PFPA
Pentafluoropropionicanhydride
五氟丙酸酐
356-42-3
TFAA
Trifluoroaceticanhydride
三氟乙酸酐
407-25-0
TFAI
1-（Trifluoroacetyl）imidazole
1-三氟乙酸酰咪唑
1546-79-8
烷基化试剂
缩写
英文名称
中文名称
CASNO
Diazald
N-Methyl-N-nitroso-p-toluenesulffonamide
N-甲基-N-亚硝基-对-甲苯磺酰胺
60858-95-9
Diazald-N-methyl-13C
N-Methyl-13C-N-nitroso-p-toluenesulffonamide
N-甲基-13C-N-亚硝基-对-甲苯磺酰胺
102832-11-1
Diazald-N-methyl-13C-N-methyl-d3
N-Methyl-13C-d3-N-nitroso-p-toluenesulffonamide
N-甲基-13C-d3-N-亚硝基-对-甲苯磺酰胺
36805-97-7
DMF-DBA
N,N-Dimethylformamidedi-tert-butylacetal
N,N-二甲基甲酰胺-二特丁基乙缩醛
1188-33-6
DMF-DEA
N,N-Dimethylformamidediethylacetal
N,N-二甲基甲酰胺-二乙基乙缩醛
4637-24-5
DMF-DMA
N,N-Dimethylformamidedimethylacetal
N,N-二甲基甲酰胺-二甲基乙缩醛
6006-65-1
DMF-DPA
N,N-Dimethylformamidedipropylacetal
N,N-二甲基甲酰胺-二正丙基乙缩醛
77-76-9
DMP
2,2-Dimethoxypropane
2,2-二甲氧基丙烷
EsterateM
in1mlpyridine
吡啶
70-25-7
MNNG
1-Methyl-3-nitro-1-nitrosoguanidine
1-甲基-3-硝基-1-亚硝基胍
4426-47-5
NBB
n-Butylboronicacid
正-丁基硼酸
1765-40-8
PFBBr
Pentafluorobenzylbromide
五氟溴化苯
4426-47-5
Hexaoxacyclooctadecane
六恶环十八烷
o-MethoxyamineHCl
邻-甲氧胺HCl
TMAH
Trimethylanilinium
三甲基苯胺
1765-40-8
硅烷化试剂
缩写英文名称中文名称CASNO
BSAN,O,Bis（trimethylsiyl）acetamide双（三甲基硅烷基）乙酰胺10416-59-8
BSTFABis（trimethylsilyl）trifluoroacetamide双（三甲基硅烷基）三氟乙酰胺25561-30-2
DMDCSDimethyldichlorosilane二甲基二氯硅烷75-78-5
HMDS1,1,1,3,3,3-Hexamethyldisilazane1,1,1,3,3,3,-六甲基二硅烷999-97-3
MTBSTFAN-（ter-Butyldimethylsilyl）-N-methyltrifluoroacetamideN-（特丁基二甲基硅烷基）-N-甲基三氟乙酰胺77377-52-7
TBDMCSt-Butyldimethylchlorosilane特丁基二甲基氯硅烷18162-48-6
TFATrifluoroaceticacid三氟乙酸76-05-1
TMCSTrimethylchlorosilane三甲基氯硅烷75-77-4
TMSDEATrimethylsilyldiethylamine三甲基硅烷基二乙胺996-50-9
TMSITrimethylsilylimidazole三甲基硅烷咪唑18156-74-6
柱前衍生化的条件：
色谱中柱前衍生化使用的衍生化反应应满足以下几个条件：
1、反应迅速、定量的进行、反应重复性好，反应条件不苛刻，容易操作。
2、反应的选择性高，最好只与目标化合物反应，即反应要有专一性。
3、衍生化反应产物只有一种，反应的副产物和衍生化试剂应不干扰目标化物的分离与检测。
4、衍生化试剂应方便易得，通用性好。
总之，柱前衍生化可以扩大色御用分析的应用范围，使色谱分析的结果能更令人满意，所以柱前衍生化是色谱样品一个重要方法。
下面通过实例说明：
第一节气相色谱中常用的柱前衍生化方法
一、硅烷化衍生化方法
硅烷化衍生化方法是气相色谱样品应用最多的方法，它是得用质子性化合物（如醇，酚，酸，胺，硫醇等）与硅烷化试剂反应，形成挥发性的硅烷衍生物，一般反应式为：
R3Si-X+H-R’-------R3Si-R’+HX硅烷化反应一般在数分钟内即可完成。
常用的硅甲基化试剂见表：
常用的硅甲基化试剂
试剂名称化学式
N-三甲基硅乙酰胺CH3CONHSI（CH）3
N-甲基-N-三甲基硅乙酰胺CF3CONCH3SI（CH）3
N-三甲基硅环丙二胺氨（CH3）3SI-NCH=NCH=CH
N-三甲基硅二乙基胺（CH3）3SIN（C2H5）2
三甲基氯硅烷（CH3）3SICL
二甲基氯硅烷H（CH3）2SICL
氯甲基二甲基氯硅烷（CH2CL）（CH3）2SICL
六甲基二硅胺（CH3）3SINHSI（CH3）3
N,O-双三甲基硅三氟乙酰胺（CH3）3SIN=C-OSI（CH3）3
|
CF3
三甲基硅咪唑（CH3）3SI-N____===N
|========|
能进行硅烷化的化合物反应性一般为：
醇>酚>羧酸>胺>酰胺，反应活性还受空间位阻的影响，其醇的反应活性为伯醇>仲醇>叔醇，胺的反应活性为：
伯胺>仲胺。
二、酯人生化方法
有机酸由于极性较强，易产生严重的拖尾现象，而且大多数有机酸挥发性差，热稳定性也较低。
因此，许多有机酸（特别是长碳链的有机酸）在进行气相色谱分析之前都要衍生为相应的酯。
常用的酯化方法有以下一些。
1、甲醇法有机酸与甲醇在催化剂的存在下加热，可以发生酯化反应，生成有机酸的甲酯
催化剂
RCOOH+CH3OH-------------------RCOOHCH3+H2O
加热
当催化剂使用H2SO4,HCL时，需要回流，反应时间较长。
若用三氟化硼作分催化剂，反应可在室温下完成，通常是将三氟化硼通入甲醇中配制酯化剂，然后再进行酯化反应。
2、重氮甲烷法重氮甲烷可与有机酸反应，生成有机酸的甲酯，放出氮气
RCOOH+CH2N2-------------RCOOCH3+N2
此方法简便有效，反应速度快，转化率高，很少有副反应，不引入杂质，但反应要在非水介质中进行。
反应条件虽温和，但重氮甲烷不稳定，有爆炸性，有毒（致癌），制备和使用时要特别小心。
常温下酚羟基可与重氮甲烷缓慢反应，但在0℃以下时可避免酚羟基
反应。
3、三氟乙酸酐法在三氟乙酸酐的存在下有机酸和醇可以反应生成酯
RCOOH+R’OH---------------RCOOR’+H2O
此法特别适于空间位阻较大的有机酸和醇或酚的酯化。
4、其他酚化方法为了提高方法的灵敏度和选择性，有时需要制备甲酯以外的酚，这些酯化方法有的类似于甲酯化反应，如以重氮乙烷、重氮丙烷、重氮甲苯代替氮甲烷，可制得相应的酯。
而且这些试剂稳定性好、爆炸性小。
用BF3的丙醇、丁醇或戊醇溶液与有机酸反应，也可制备相应的丙酯、丁酯或戊酯。
三、酰化衍生化方法
酰化能降低羟基、氨基、巯基的极性，改善这些化合物的色谱性能（减少峰的拖尾），并能提高这些化合物的挥发性，也能增加某些易氧化化合物（如儿茶酚胺）的稳定性。
当酰化时引入含有卤离子的酰基时，还可提高使用电子捕获检测器。
当酰化时入含有卤离子的酰基时，还可提高使用电子捕获检测器（ECD）的灵敏度。
常用的酰化试剂有酰卤、酸酐和反应活性的酰化物（如乙酸咪唑），其反应为
RNH2RNHCOR’
||
ROH+（R’CO）2O（或R’COX）-------------------ROCOR’+H2O（或HX）
||
RSHRSCOR’
常用的酰化方法有以下一些。
1、乙酰化法标准的乙酰化法是将样品溶于氯仿（5ml）中，与乙酸在50℃反应2-6小时，真空除去剩余试剂。
还可以乙酸钠为碱性催化剂，以乙酸酐为乙酰化试剂进行乙酰化反应，用于糖类的分析。
吡啶、三乙胺、甲基咪唑等也可作为碱性催化剂。
乙酰化反应通常在非水介质中进行，但胺类和酚类化合物乙酰化时可在水溶液中进行。
2、多氟酰化法常用的多氟酰化试剂是三氟乙酰（TFA）五氟丙酰（PFP）和七氟丁酰（HFB）,其反应活性是TFA>PFP>HFB。
TFA和PFP的衍生物挥发性较强，而GFB的衍生物ECD灵敏度高。
多氟酰化反应的时间除取决于多氟酰化试剂的活性外，还取决于目标化合物的活性。
如：
麻黄碱和伪麻黄碱及其同系物与三氟乙酸酐（TFAA）在60℃时5min可完成反应：
而哌可酸，脯氨酸，谷氨酸，γ-氨基丁酸的甲酯与HFBA的反应需在120℃时20分钟完成。
多数情况氟酰化反应不需溶剂，但也有些需在溶剂中进行。
此外，有时还需加碱性催化剂。
如胺和酚的多氟酰化常以苯为溶剂，三乙胺为催化剂；糖类的三氟乙酰化是在三氯甲烷溶剂中，以吡啶为催化剂进行的。
四、卤化衍生化方法
在目标化合物中引入卤原子后可使用ECD检测器，提高检测的灵敏度（降低检测限），同时也可改善挥发性和稳定性，常用的卤化衍生化方法有以下一些。
1、卤素法用卤素直接作为衍生化试剂品，卤素的作用是加成或取代
RCH=CH2+CL2---------------------RCHCLCH2CL
RC=CR+BR2-------------------RCBR=CBRR------------RCBR2-CBR2R
CL
苯------------------------氯苯+对二氯苯
FE
CL2,P
CH3COOH------------------------CLCH2COOH
H
2、卤化氢法常用HCL和HBR为衍生化试剂与不饱和链发生加成反应或与羟基发生转换反应
HX
RCH=CH2---------RCHXCH3
HX
RCH2OH----------------RCH2X+H2O
ZNCL2
HX
RCH----CHR’------------------RCHOHCHXR’
\/
O
（X=CL,BR）
3、N-溴代丁二酰亚胺（NBS）法NBS是选择性很强卤化衍生试剂，可使烯丙位的氢原子发生溴代反应
|||NBS|||
C=C-C-------------C=-C-C-
||||
HBR
NBS
甲苯----------------------溴苄
衍生化方法还可些金属化合物成为可挥发性化合物，用于分析，在些就不作详细介绍了。
第二节液相色谱中常用的柱前衍生化方法
1、紫外衍生化反应
液相色谱使用最多的是紫外检测器，为了使一些没有紫外吸收或紫外吸收很弱的化合物能补紫外检测器检测，往往是通过衍生化反应在这些化合物的分子中引入有强紫外吸收的基团，这些衍生物可被紫外检测器检测。
常用紫外衍生基团
基团名称最大吸收波长（λmax/nm）摩尔吸收系数
2-
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