第四章 光谱技术精选文档.ppt

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1、第四章 光谱技术本讲稿第一页，共四十三页1、红外光谱 IR（Infrared Spectroscopy）波长波长/m/m 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 宇宙线 射线X 射线紫外线可见光红外光 微波无线电波（1）电磁波电磁波：也称作电磁辐射，其波长范围很广。本讲稿第二页，共四十三页n当辐射光的能量正好等于电子的较高和较低两个能级 之差时辐射才能被吸收,即分子吸收辐射能是量子化量子化。n对某一分子来说,它只吸收某些特定频率的辐射。n把某一有机化合物对不同波长的辐射的吸收情况(以透射率%或吸光度表示)记录下来,就是这一化合物的吸收光谱(如

2、红外光谱,紫外光谱等)。n吸收光谱与分子结构的关系密切。本讲稿第三页，共四十三页一般的红外吸收光谱指的是中红外范围。一般的红外吸收光谱指的是中红外范围。n 红外光波长范围 0.7500m，可分为三部分：近红外 （=0.783m，=128203333cm-1）中红外 （=3.030m，=3333333cm-1）远红外 （=30300m，=33333cm-1）红外光谱红外光谱是以连续波长的红外线为照射源，提供了分子振动的信息（分子振动能级的跃迁）。本讲稿第四页，共四十三页（2）分子振动分子吸收了红外线的能量，导致分子内振动能级的跃迁而产生的记录信号即为红外光谱图。三原子分子的可能振动方式为：对称伸

3、缩振动对称伸缩振动 不对称伸缩振动不对称伸缩振动本讲稿第五页，共四十三页本讲稿第六页，共四十三页由于有机化合物为多原子分子多原子分子，其红外光谱图必定非常复杂，我们不可能对谱图上的每一个吸收峰都作出解析，只要找出它们各自官能团官能团中最典型的吸收峰典型的吸收峰就可以了。相同的官能团或相同的键型往往具有相同的红外吸收特征。红外光谱可分为两个区域：官能团区（40001500cm-1）指纹区（1500650cm-1）本讲稿第七页，共四十三页常见官能团的特征伸缩振动频率本讲稿第八页，共四十三页（3）图谱解析n 解析红外光谱的一般步骤：（a）根据有机化合物的分子式计算不饱和度。不饱和度不饱和度=C原子数

4、+1-H原子数/2-卤原子数/2+三价氮原子数/2（b）分析官能团区（40001500cm-1）的吸收峰，推断分子中可能存在的官能团。（c）有烯、苯存在，解析指纹区（1000650cm-1）。本讲稿第九页，共四十三页正辛烷的红外光谱正辛烷的红外光谱n烷烃的红外光谱烷烃的红外光谱本讲稿第十页，共四十三页n烯烃的红外光谱烯烃的红外光谱3080cm-13080cm-1为为=C-H=C-H伸缩振动伸缩振动1-1-辛烯的红外光谱辛烯的红外光谱1640cm-1 C=C1640cm-1 C=C键的伸缩振动键的伸缩振动本讲稿第十一页，共四十三页n炔烃的的红外光谱炔烃的的红外光谱 1-己炔红外光谱图己炔红外光谱

5、图33103320 cm-1：CCH28502950 cm-1:CH3,CH2本讲稿第十二页，共四十三页2-丁醇的红外光谱谱图丁醇的红外光谱谱图本讲稿第十三页，共四十三页苯乙醚的红外光谱谱图苯乙醚的红外光谱谱图本讲稿第十四页，共四十三页2-2-丁醇的红外光谱谱图丁醇的红外光谱谱图苯乙醚的红外光谱谱图苯乙醚的红外光谱谱图本讲稿第十五页，共四十三页例题：例题：化合物化合物A、B、C分子式为分子式为C5H6，在催化剂作用下，均可吸收，在催化剂作用下，均可吸收3molH2，化合物，化合物B,C的的IR吸收频率为吸收频率为3300 cm-1，而，而A在此区域无吸收，化在此区域无吸收，化合物合物A和和B紫

6、外光谱紫外光谱max：230nm，化合物，化合物C在在200nm以上无吸收，试推导出以上无吸收，试推导出A、B、C的结构式。的结构式。解：(1)根据可吸收3molH2和分子式，可知三化合物不饱和度为3。(2)根据在3300 cm-1有红外吸收，表明B、C含有炔氢，而A则无。(3)根据A、B紫外光谱max：230nm，说明化合物分子中存在共轭A为：CH2=CHCCCH3C为：CH2=CHCH2CCH本讲稿第十六页，共四十三页显微红外光谱仪显微红外光谱仪 本讲稿第十七页，共四十三页2、紫外光谱（Ultraviolet Spectra-scopy）n 广义的紫外光包括波长为100-200nm的远紫外

7、光和波长为200-400nm的近紫外光。在有机化合物结构测定中应用的紫外光谱一般是近紫外光谱。n近紫外光容易使有机分子中的电子，特别是共轭体系中的电子激发而跃迁到较高能级的轨道中去，这些信息有助于对有机分子共轭体系结构的了解。本讲稿第十八页，共四十三页n紫外及可见光谱是用能产生波长为200-1000nm范围的光源照射分子，分子对光源产生吸收而得到吸收光谱。蒽醌蒽醌（实线实线）邻苯二甲酸酐邻苯二甲酸酐（虚线虚线）光密度波长/nm本讲稿第十九页，共四十三页紫外可见吸收光谱仪紫外可见吸收光谱仪 仪器简介仪器简介:该仪器采用双光路，动态校正系统，具有多样品池，高速扫描，定波长扫描，积分，多次微分等特点

8、，波长范围是190nm-1100nm。本讲稿第二十页，共四十三页例题：例题：化合物化合物A、B、C分子式为分子式为C5H6，在催化剂作用下，均可吸收，在催化剂作用下，均可吸收3molH2，化合物，化合物B,C的的IR吸收频率为吸收频率为3300 cm-1，而，而A在此区域无吸收，化合物在此区域无吸收，化合物A和和B紫紫外光谱外光谱max：230nm，化合物，化合物C在在200nm以上无吸收，试推导出以上无吸收，试推导出A、B、C的的结构式。结构式。解：(1)根据可吸收3molH2和分子式，可知三化合物不饱和度为3。(2)根据在3300 cm-1有红外吸收，表明B、C含有炔氢，而A则无。(3)根

9、据A、B紫外光谱max：230nm，说明化合物分子中存在共轭A为：CH2=CHCCCH3C为：CH2=CHCH2CCH本讲稿第二十一页，共四十三页3、核磁共振谱（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）n自50年代中期核磁共振技术开始应用于有机化学，至今已发展成为研究有机化学最重要的光谱工具之一，它最主要的用途就是确证有机化合物的结构。n核磁共振的主要研究对象是H1；C13近年来已引起注意,我们主要学习1HNMRn核磁共振是原子核在外外磁磁场场中中吸吸收收电电磁磁波波后从一个自旋能级跃迁到另一个自旋能级而产生的波谱。本讲稿第二十二页，共四十三页核磁共振仪在操作中，可以把物

10、质放在恒恒定定强强度度的的磁磁场场中，逐渐改改变变辐辐射射频频率率来进行测定，当频率恰恰好好等于能级差时，即可发生共振吸收，记录仪把吸收信号记录下来。由于磁场强度与共振频率成正比，所以也可以在固固定定辐辐射射频频率率的基础上，改改变变磁磁场场强强度度，当磁场达达到到一一定定强强度度时，即可发生共振。常用仪器：常用仪器：60MHZ60MHZ和和100MHZ100MHZ 本讲稿第二十三页，共四十三页核磁共振光谱核磁共振光谱(NMR300)(NMR300)本讲稿第二十四页，共四十三页核磁共振谱分析核磁共振谱分析n各个不同化学环境下的质子其屏蔽作用的大小是不同的。n质子的能级差是一定的,但有机化合物中

11、的质子周围都有电子,电子对外加电场有屏蔽作用,屏蔽作用的大小与质子周围电子云密度有关。n电子云密度高电子云密度高,屏蔽作用大屏蔽作用大,该质子的共振信号就在较高较高的磁场强度下发生。低低场场本讲稿第二十五页，共四十三页1-1-硝基丙烷的硝基丙烷的1HNMR1HNMR谱图谱图3 3，3-3-二甲基二甲基-1-1-丁炔的丁炔的1HNMR1HNMR谱图谱图本讲稿第二十六页，共四十三页n由于化学位移偏差的距离极其微小，约为外磁场强度的百万分之十。要精确测定绝对值相当困难。n通常采用内标法：以四甲基硅烷（TMS）作基准物（零点），一般有机物的质子共振峰都出现在小于零的位置上。0 是核磁共振仪的频率，通常

12、为60MHZ或100MHZ,300MHZ等.越小越小,对应的磁场强度高对应的磁场强度高本讲稿第二十七页，共四十三页各类特征质子的化学位移表本讲稿第二十八页，共四十三页n质子的化学位移是由质子的电子环境决定的，在同一分子中，具有相同化学位移的质子称为磁等价磁等价质子质子。如：本讲稿第二十九页，共四十三页n对于一个化合物的NMR谱，吸收峰的数目等等于于分子中不等性质子的数目，各个吸收峰的面积之比面积之比等于等于积分曲线高度之比积分曲线高度之比，也等于等于质子数之比质子数之比。下列分子有两组不等价质子，有两组峰。本讲稿第三十页，共四十三页吸收峰的裂分吸收峰的裂分例例1:1:乙醇的核磁共振谱乙醇的核磁

13、共振谱本讲稿第三十一页，共四十三页n自旋偶合和自旋裂分除了质子核外的电子影响引起化学位移外，还存在同一分子中相相邻邻氢氢原原子子核核间间的相互作用，这种作用对对化化学学位位移移不不产产生生影影响响，但图谱的性质发生了变化，峰峰形形产产生生裂裂分分。这种作用称为自自旋旋偶偶合合，自旋偶合引起的谱线增多现象叫做自旋裂分自旋裂分。n自旋偶合通常只在两个自旋偶合通常只在两个相邻相邻碳上的质子之间发生；碳上的质子之间发生；n当质子相邻碳上有当质子相邻碳上有n n个个同类质子同类质子时时,吸收峰裂分为吸收峰裂分为n+1n+1个个;n不同类不同类质子分裂成质子分裂成(n+1)(n(n+1)(n+1)+1)个

14、个;n不相邻的质子之间不发生偶合裂分。本讲稿第三十二页，共四十三页1,1,2-1,1,2-三氯乙烷的核磁共振谱三氯乙烷的核磁共振谱本讲稿第三十三页，共四十三页例如：1,1,2-三溴乙烷偶合常数偶合常数J Jabab=J=Jbaban自旋偶合会产生共振峰的分裂，两裂自旋偶合会产生共振峰的分裂，两裂分峰之间的距离（以分峰之间的距离（以HzHz为单位）称为为单位）称为偶合常数偶合常数，用，用J J表示。表示。n邻碳邻碳不等性质子相互偶合所得到的峰组，其不等性质子相互偶合所得到的峰组，其偶合常数是相同偶合常数是相同的。因此，的。因此，在复杂的核磁共振谱图中，通过比较不同峰组的偶合常数，可以在复杂的核磁

15、共振谱图中，通过比较不同峰组的偶合常数，可以推推断这些产生信号的质子是否在相邻的碳原子上。断这些产生信号的质子是否在相邻的碳原子上。本讲稿第三十四页，共四十三页例例1:1:化合物化合物ClCl2 2CH-CH-CHCH2 2-CHBr-CHBr2 2中的中的-CH-CH2 2-应分裂成应分裂成(1+1)(1+1)=4(1+1)(1+1)=4重峰重峰;例例2:2:ClCH ClCH2 2-CHCH2 2-CH-CH2 2BrBr中间的中间的-CH-CH2 2-应分裂成应分裂成(2+1)(2+1)=9(2+1)(2+1)=9重峰重峰.补充补充：质子相邻碳上不同类质子质子相邻碳上不同类质子本讲稿第三

16、十五页，共四十三页例1：某化合物分子式为C4H8O，IR谱显示在1720cm-1处有强吸收。NMR谱1.0三重峰（3H），1.9单峰（3H），2.7四重峰（2H）。试推测该化合物的结构。解:（1）IR 1720cm-1表明有羰基-CO-（2）NMR有三组峰，说明有三种不等价的H；其中两组H是偶合 的，根据裂分峰的数目推测为-CH2-CH3，另一单峰为-CH3，推测结果为：CH3-CO-CH2-CH3 2-2-丁酮丁酮本讲稿第三十六页，共四十三页例2：根据下面的核磁谱图,推测分子式为C4H7Br3的结构.解：两种不等价质子，比例为43；两个均为单峰，它们之间不相邻，不偶合；Br是强电负性元素，能

17、导致与其相连的碳上H的化学位移向低场移动。因此推测该结构为:本讲稿第三十七页，共四十三页例3：分子式为C7H14O，1HNMR谱1.1单峰（9H），2.1单峰（3H），2.5单峰（2H）。推测其结构。思考题:化合物分子式为C3H7Cl，NMR谱有两个三重峰，一个在0.9，另一个在低场。后者的强度是前者的2/3，另外，在这两个三重峰之间又有一个多重峰，试写出其结构。ClCH2-CH2-CH3答案:ClCH2-CH2-CH3本讲稿第三十八页，共四十三页实例实例:A A样品核磁共振谱样品核磁共振谱B B样品核磁共振谱样品核磁共振谱本讲稿第三十九页，共四十三页分子式为C10H14异构体，推测其结构。1

18、.NMR谱0.8二重峰（6H），1.8多重峰（1H），2.5二重峰（2H），7.2单峰（5H）。2.NMR谱1.3单峰（9H），7.3单峰（5H）。分子式为C7H8O异构体，推测其结构。NMR谱3.7单峰（1H），4.5单峰（2H），7.3单峰（5H）。本讲稿第四十页，共四十三页4、质谱（MS，Mass Spectrometry）n 质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。即以某种方法使一个有机分子电电离离、裂裂解解，然后按质荷比（m/z）大小把生成的各种离子分离，检测它们的强强度度，并将离子按其质质荷荷比比大大小小排排列列成谱，这种分析研究的方法叫作质谱法。n质荷比（m/z）是离子的质量（m）与其所带的电荷（z）之比，m以原子量质量单位计算，z以电子电量为单位计算。本讲稿第四十一页，共四十三页本章作业本章作业:P128 3,4,6,7本讲稿第四十二页，共四十三页主讲教师:Organic ChemistryOrganic Chemistry本讲稿第四十三页，共四十三页