有机化合物解析波普幻灯片.ppt
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1、有机化合物解析波普第1页,共110页,编辑于2022年,星期一红外光谱的特点1、确定官能团,进而确定化合物结构2、不破坏样品,测定方便,制样简单3、特征性高4、分析时间短5、样品用量少,且可回收第2页,共110页,编辑于2022年,星期一 基础知识一、红外光和红外光谱一、红外光和红外光谱E总总=E平平+E转转+E振振+E电电 红外线可引起分子振动能级的跃迁,所形成的吸收光红外线可引起分子振动能级的跃迁,所形成的吸收光谱叫红外吸收光谱,由于振动能级跃迁的同时也包含着转谱叫红外吸收光谱,由于振动能级跃迁的同时也包含着转动能级的跃迁,所以红外光谱又叫做振动能级的跃迁,所以红外光谱又叫做振-转光谱。转
2、光谱。第3页,共110页,编辑于2022年,星期一红外光可分为三个区域:红外光可分为三个区域:近红外区:近红外区:125004000cm-1,O-H,N-H,C-H的振动倍的振动倍频与组频频与组频中红外区中红外区:4000400cm-1,大部分有机化合物的振动,大部分有机化合物的振动基频基频远红外区:远红外区:40025cm-1,分子的转动光谱及重原子成键的,分子的转动光谱及重原子成键的振动振动通常的红外光谱为中红外区通常的红外光谱为中红外区第4页,共110页,编辑于2022年,星期一二、分子的振动能级基频跃迁峰位(一)双原子分子的振动X-Y第5页,共110页,编辑于2022年,星期一1.谐振
3、子(1)对X-H型键 =1307(K)1/2 式中K以(103N/nm)(2)对X-Y型键 =1307(2K/M)1/2 式中M为X原子或Y原子的原子量第6页,共110页,编辑于2022年,星期一C=C第7页,共110页,编辑于2022年,星期一2.非谐振子E振=(V+1/2)-(V+1/2)2Xe 式中V为振动量子数,其值可为0,1,2Xe为非谐性修正系数,一般远小于1v为谐振子的振动频率第8页,共110页,编辑于2022年,星期一第9页,共110页,编辑于2022年,星期一(1)振动能(势能)是原子间距离的函数。振动振幅加大,振动能振动能(势能)是原子间距离的函数。振动振幅加大,振动能则相
4、应增大。则相应增大。(2)从基态跃迁到第一激发态,将引起一个强的吸收峰,称为基频从基态跃迁到第一激发态,将引起一个强的吸收峰,称为基频峰。从基态跃迁到第二激发态引起的吸收峰,称为倍频峰。峰。从基态跃迁到第二激发态引起的吸收峰,称为倍频峰。(3)在常温下,分子处于最低的振动能级,化学键振动与简谐振动在常温下,分子处于最低的振动能级,化学键振动与简谐振动模型非常近似。由于通常的红外光谱主要讨论从基态跃迁到第一模型非常近似。由于通常的红外光谱主要讨论从基态跃迁到第一激发态或从基态跃迁到第二激发态引起的吸收。因此,可以用谐激发态或从基态跃迁到第二激发态引起的吸收。因此,可以用谐振子运动规律近似地讨论化
5、学键的振动。振子运动规律近似地讨论化学键的振动。(4)因振动量子数越大,振幅也随之加宽,故势能曲线的能级间隔因振动量子数越大,振幅也随之加宽,故势能曲线的能级间隔将越来越小。将越来越小。(5)振幅超过一定值,化学键断裂,分子离解,势能曲线趋于一条振幅超过一定值,化学键断裂,分子离解,势能曲线趋于一条水平线,这时的势能就等于离解能。水平线,这时的势能就等于离解能。第10页,共110页,编辑于2022年,星期一2.振动自由度分子自由度(分子自由度(3N)=振振动自由度自由度+平平动自由度自由度+转动自由自由度)度)振振动自由度自由度=分子自由度(分子自由度(3N)-(平(平动自由度自由度+转动自由
6、自由度)度)非非线性分子振性分子振动自由度自由度=3N-(3+3)=3N-6线性分子振性分子振动自由度自由度=3N-(3+2)=3N-5第11页,共110页,编辑于2022年,星期一谐振子的振动选律为:谐振子的振动选律为:V=+-1V=+-1非谐振子的振动选律为:非谐振子的振动选律为:V=+-1V=+-1、2 2、3 3。通常情况下,分子都处于基态通常情况下,分子都处于基态,所以在红外光谱中,通常,所以在红外光谱中,通常只考虑如下两种跃迁。只考虑如下两种跃迁。第12页,共110页,编辑于2022年,星期一(二)多原子分子的振动类型和振动自由度1.振动类型振动类型(1)伸缩振动)伸缩振动:对称伸
7、缩振动对称伸缩振动 不对称伸缩振动不对称伸缩振动(2)弯曲振动)弯曲振动:面内弯曲振动面内弯曲振动 剪式振动剪式振动 平面摇摆平面摇摆 面外弯曲振动面外弯曲振动 非非平面摇摆平面摇摆 扭曲振动扭曲振动第13页,共110页,编辑于2022年,星期一第14页,共110页,编辑于2022年,星期一峰数目少于基本振动数目的原因:(1)振动过程不发生瞬间偶极变化,不引起)振动过程不发生瞬间偶极变化,不引起红外吸收。(红外吸收。(CO2)(2)频率完全相同的振动彼此发生兼并。)频率完全相同的振动彼此发生兼并。(CO2)(3)强宽峰的覆盖。)强宽峰的覆盖。(4)吸收峰有时落在中红外区。吸收峰有时落在中红外区
8、。(5)吸收强度太弱,以至无法测定。)吸收强度太弱,以至无法测定。第15页,共110页,编辑于2022年,星期一第16页,共110页,编辑于2022年,星期一第17页,共110页,编辑于2022年,星期一三、分子的偶极矩与峰强(一)峰强的表示方法(一)峰强的表示方法红外光谱用红外光谱用百分透光率百分透光率(T)表示峰强)表示峰强T%=I/I0100%也可用摩尔吸光系数表示:也可用摩尔吸光系数表示:a=1/cL*lg(T0/T)a大于大于100时,示峰带很强(时,示峰带很强(vs)a 等于等于20100,为强峰(,为强峰(v)a 等于等于1020,为中强峰(,为中强峰(m)a小于小于1时,峰很弱
9、(时,峰很弱(vw)第18页,共110页,编辑于2022年,星期一(二)决定峰强的因素1.振动过程中偶极矩的变化(1)原子的电负性 (2)振动形式(3)分子的对称性(4)其他影响因素2.能级的跃迁几率第19页,共110页,编辑于2022年,星期一四、影响峰位、峰强的其他因素(一)内部因素(一)内部因素1.质量效应质量效应2.电子效应电子效应3.空间效应空间效应4.氢键效应氢键效应5.互变异构互变异构6.振动偶合效应振动偶合效应7.费米共振费米共振8.样品的物理状态影响样品的物理状态影响9.化学键的强度及成键碳原子化学键的强度及成键碳原子杂化类型杂化类型(二)外部因素(二)外部因素1.溶剂的影响
10、溶剂的影响2.仪器的色散元件仪器的色散元件第20页,共110页,编辑于2022年,星期一1、质量效应组成化学键的原子质量越小,红外吸收频率越大。C-H 3000,C-C,1200,C-O1100,C-Cl800,C-Br550,C-I500同族元素中,元素周期增大,伸缩波数减小。F-H4000,Cl-H2890,Br-H2650,I-H2310.同周期元素中,原子序数增大,伸缩波数增大。C-H3000,N-H3400,O-H3600,F-H4000第21页,共110页,编辑于2022年,星期一2、电子效应、电子效应诱导效应诱导效应共轭效应共轭效应注意羰基中氧原子的电子云密度第22页,共110页
11、,编辑于2022年,星期一第23页,共110页,编辑于2022年,星期一第24页,共110页,编辑于2022年,星期一3、空间效应(场效应、空间位阻、跨、空间效应(场效应、空间位阻、跨环效应、环张力)环效应、环张力)场效应场效应第25页,共110页,编辑于2022年,星期一空间位阻效应空间位阻效应第26页,共110页,编辑于2022年,星期一跨环效应跨环效应1675cm-1环张力效应环张力效应第27页,共110页,编辑于2022年,星期一第28页,共110页,编辑于2022年,星期一4、氢键效应、氢键效应分子内氢键(与浓度无关)分子内氢键(与浓度无关)分子间氢键(与浓度有关)分子间氢键(与浓度
12、有关)第29页,共110页,编辑于2022年,星期一不同浓度乙醇的不同浓度乙醇的IR光谱光谱第30页,共110页,编辑于2022年,星期一5、互变异构、互变异构6、振动偶合效应、振动偶合效应第31页,共110页,编辑于2022年,星期一6、振动偶合效应、振动偶合效应孤立甲基孤立甲基1380cm-1出现单峰出现单峰偕二甲基偕二甲基 1380cm-1出现双峰(峰强相当,出现双峰(峰强相当,裂距裂距15-30cm-1)偕三甲基偕三甲基 1380cm-1出现双峰(一强一弱,出现双峰(一强一弱,裂距大于裂距大于30cm-1)第32页,共110页,编辑于2022年,星期一7、Fermi resonance
13、 费米共振费米共振C-H 862第33页,共110页,编辑于2022年,星期一第34页,共110页,编辑于2022年,星期一第35页,共110页,编辑于2022年,星期一丙酮的丙酮的IR光谱:光谱:气态:在气体槽中测定气态:在气体槽中测定 液态:用液膜法测定液态:用液膜法测定 固态:溴化钾压片法测定固态:溴化钾压片法测定丙酮丙酮c=o在气态和液态时测定结果在气态和液态时测定结果8、样品的物理状态的影响、样品的物理状态的影响第36页,共110页,编辑于2022年,星期一9、化学键的强度及成键碳原子、化学键的强度及成键碳原子的杂化类型的杂化类型化学键力常数越大,红外吸收频率越大化学键力常数越大,红
14、外吸收频率越大CC 2150 C=C 1650 C-C 1200 化学键原子轨道中化学键原子轨道中S成分越多,力常数越大,成分越多,力常数越大,红外吸收频率越大。红外吸收频率越大。C-H 3300 =C-H 3100 -C-H 2900 第37页,共110页,编辑于2022年,星期一影响峰位和峰强的外部因素影响峰位和峰强的外部因素溶剂影响溶剂影响仪器影响仪器影响第38页,共110页,编辑于2022年,星期一第二节第二节红外光谱中的重要区段红外光谱中的重要区段第39页,共110页,编辑于2022年,星期一一、概念(一)特征谱带区(一)特征谱带区主要官能团的吸收主要官能团的吸收40001333cm
15、-1(二)指纹区(二)指纹区 1333400cm-1,主要为,主要为CX单键的伸缩振单键的伸缩振动以及各种弯曲振动吸收峰动以及各种弯曲振动吸收峰(三)相关峰(三)相关峰 通常把相互依存而又可以相互佐证的吸收峰通常把相互依存而又可以相互佐证的吸收峰叫相关峰叫相关峰第40页,共110页,编辑于2022年,星期一第41页,共110页,编辑于2022年,星期一第42页,共110页,编辑于2022年,星期一二、红外光谱的八个区段二、红外光谱的八个区段第43页,共110页,编辑于2022年,星期一第44页,共110页,编辑于2022年,星期一第45页,共110页,编辑于2022年,星期一第46页,共110
16、页,编辑于2022年,星期一第47页,共110页,编辑于2022年,星期一第48页,共110页,编辑于2022年,星期一(一)O-H、N-H伸缩振动区(37003000cm-1)第49页,共110页,编辑于2022年,星期一第50页,共110页,编辑于2022年,星期一第51页,共110页,编辑于2022年,星期一第52页,共110页,编辑于2022年,星期一说说 明:明:1 1、游离羟基仅在极稀溶液或气态中出现。游离酚羟基、游离羟基仅在极稀溶液或气态中出现。游离酚羟基伸缩振动位于伸缩振动位于37003500cm37003500cm-1-1低频端。峰强较缔合羟基低频端。峰强较缔合羟基弱而尖锐。
17、弱而尖锐。2 2、缔合羟基在、缔合羟基在34503450 3200cm3200cm-1-1表现一强而宽的峰。表现一强而宽的峰。3 3、羧基的、羧基的-OH-OH在在30003000 2500cm2500cm-1-1出现强而宽的峰。很出现强而宽的峰。很特征。特征。4 4、N-HN-H(游离、缔合)峰强较缔合羟基的峰弱而尖(游离、缔合)峰强较缔合羟基的峰弱而尖锐。其中,伯胺显双峰,仲胺、亚胺显单峰,叔胺不显锐。其中,伯胺显双峰,仲胺、亚胺显单峰,叔胺不显峰。峰。第53页,共110页,编辑于2022年,星期一(二)不饱和烃和芳烃(二)不饱和烃和芳烃C-H伸缩振伸缩振 动区(动区(33003000cm
18、-1)此区是区别饱和及不饱和烃的重要区域此区是区别饱和及不饱和烃的重要区域第54页,共110页,编辑于2022年,星期一第55页,共110页,编辑于2022年,星期一第56页,共110页,编辑于2022年,星期一说说 明:明:1 1、此区(、此区(3000cm3000cm-1-1)是区别饱和及不饱和)是区别饱和及不饱和烃的重要区域。烃的重要区域。2 2、峰强较、峰强较-OH-OH弱。弱。3 3、炔烃在高波数、炔烃在高波数3300cm3300cm-1-1、烯烃在低波数、烯烃在低波数30403040 3010cm3010cm-1-1源于杂化方式不同,进而键源于杂化方式不同,进而键长、长、键力常数键
19、力常数不同。不同。第57页,共110页,编辑于2022年,星期一(三)饱和烃的(三)饱和烃的C-H和醛基和醛基C-H伸缩振伸缩振动区(动区(30002700cm-1)第58页,共110页,编辑于2022年,星期一第59页,共110页,编辑于2022年,星期一第60页,共110页,编辑于2022年,星期一说明:说明:1 1、烷烃的、烷烃的C-HC-H均在均在3000cm3000cm-1-1以下。原因?以下。原因?2 2、-CH-CH3 3、-CH-CH2 2均表现为双峰,其中,高频端均表现为双峰,其中,高频端asas ,低频,低频为为s s,-CH-CH的的C-HC-H为单峰。为单峰。3 3、醛
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