第6章-有机化合物的结构解析模板.ppt
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1、第第6 6章章 有机化合物有机化合物的结构解析的结构解析6.1 质谱质谱质谱法:质谱法:将有机化合物的蒸气在高真空下用高能电子将有机化合物的蒸气在高真空下用高能电子流轰击,使有机分子变成一系列的碎片,这些碎片可流轰击,使有机分子变成一系列的碎片,这些碎片可能是分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、能是分子离子、同位素离子、碎片离子、重排离子、多电子离子、亚稳离子等,通过这些碎片可以确定化多电子离子、亚稳离子等,通过这些碎片可以确定化合物的分子量,分子式和其结构。合物的分子量,分子式和其结构。6.1.1 基本原理基本原理质谱图(不是电磁波谱质谱图(不是电磁波谱)基峰:基峰:强度最高的峰,定义
2、为强度最高的峰,定义为100%,其它峰高与之比,其它峰高与之比较决定。较决定。6.1.2 分子离子峰分子离子峰分子离子:分子离子:分子被电子束轰击失去一个电子形成的离分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子。子。离离子子相相对对丰丰度度质荷比质荷比M+分子离子用分子离子用 表示。表示。与分子离子相与分子离子相对应对应的峰的峰为为分子离子峰。分子离子峰。同位素离子和同位素离子峰:同位素离子和同位素离子峰:含有同位素的离子称含有同位素的离子称为为同位素离子。与同位素离子相同位素离子。与同位素离子相对应对应的峰称的峰称为为同位素离子峰。同位素离子峰。若同位素若同位素较较强强,则则含有含有S,Cl,Br
3、。同位素离子峰用同位素离子峰用M+1或或M+2表示。表示。CH213CH212CHD12CD213CHD13CD2141515161617CH3Cl M=50 100%M=51 1%M=52 32.5%6.1.3 分子离子的破裂分子离子的破裂碎片离子:碎片离子:分子离子在电离室中进一步发生键断裂生分子离子在电离室中进一步发生键断裂生成的离子,相应的峰称碎片离子峰。成的离子,相应的峰称碎片离子峰。裂解方式分裂解方式分为简单为简单开裂、开裂、-裂解和裂解和-裂解。裂解。经经重排裂解重排裂解产产生的离子称生的离子称为为重排离子。重排离子。CH3Br M 100%M+2 98%亚稳离子:亚稳离子:分子
4、碎片在电离室外,飞行途中再裂分而分子碎片在电离室外,飞行途中再裂分而产生的离子,相应的峰称亚稳离子峰。产生的离子,相应的峰称亚稳离子峰。分子离子峰的识别:分子离子峰的识别:a.氮规则氮规则凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子,其分凡不含氮原子或只含偶数个氮原子的有机分子,其分子量必为偶数;子量必为偶数;而含奇数个氮原子的分子,其分子量必为奇数。而含奇数个氮原子的分子,其分子量必为奇数。凡不符合此规律的质谱峰都不是分子离子峰。凡不符合此规律的质谱峰都不是分子离子峰。b.注意该峰与邻近峰的质量差是否合理。注意该峰与邻近峰的质量差是否合理。(M-4)(M-13)如如在在(M-4)(M-13)的的
5、范范围围存存在在峰峰,则则说说明明原原来来拟拟定定的的“分子离子峰分子离子峰”是是错误错误的。的。c.由由M+1峰或峰或M-1峰来判峰来判别别醚醚、酯酯、胺胺、酰酰胺胺、腈腈、氨氨基基酸酸等等的的分分子子离离子子峰峰很很弱弱,或根本不出或根本不出现现,而其,而其M+1峰或峰或M-1峰却相当峰却相当强强。d.由同位素峰来判别由同位素峰来判别若若有有机机物物含含有有氯氯、溴溴和和硫硫等等重重元元素素,可可以以根根据据M+2同同位素峰的某些特征来识别分子离子峰。位素峰的某些特征来识别分子离子峰。6.1.4 质谱在结构测定中的应用质谱在结构测定中的应用1.确认分子离子峰获取相对分子质量和分子式。确认分
6、子离子峰获取相对分子质量和分子式。根据氮规则推测分子中是否含有氮原子。根据氮规则推测分子中是否含有氮原子。根根据据同同位位素素离离子子峰峰的的强强度度,推推测测分分子子中中是是否否含含有有氯氯、溴及硫原子。溴及硫原子。2.根根据据碎碎片片离离子子峰峰及及分分子子离离子子峰峰与与碎碎片片离离子子峰峰的的差差值值推测分子结构中可能存在的结构单元。推测分子结构中可能存在的结构单元。6.2 紫外光谱紫外光谱光光是是一一定定波波长长范范围围的的电电磁磁波波。根根据据波波长长不不同同,电电磁磁波波可分为若干个区域:可分为若干个区域:紫外光紫外光谱谱:物物质质分子分子选择选择性吸收一定波性吸收一定波长长的紫
7、外光的紫外光时时,电电子子发发生生跃跃迁所迁所产产生的吸收光生的吸收光谱谱。6.2.1 基本原理基本原理真空紫外光谱仪:真空紫外光谱仪:工作波长在工作波长在远紫外区远紫外区(100-200nm),测定化合物图谱要在真空中进行。,测定化合物图谱要在真空中进行。一般紫外光一般紫外光谱仪谱仪:工作波:工作波长长在近紫外区(在近紫外区(200-400nm),通常,通常还还包含可包含可见见光。光。分子内价分子内价电电子的子的跃跃迁,迁,选择选择性吸收紫外光而性吸收紫外光而产产生紫外生紫外吸收。吸收。1.1.朗伯朗伯-比尔定律比尔定律吸光度吸光度A和溶液的浓度和溶液的浓度C(molL)和光通过的溶液厚度和
8、光通过的溶液厚度L(cm)成正比,即:成正比,即:2.2.紫外紫外-可见光谱的构成可见光谱的构成以吸光度或投射率为纵坐标,以波长(单位以吸光度或投射率为纵坐标,以波长(单位nm)为横)为横坐标作图得紫外光谱吸收曲线,即紫外光谱图。坐标作图得紫外光谱吸收曲线,即紫外光谱图。A=lg =lg =cLIIT1摩尔吸收系数:摩尔吸收系数:透过率:透过率:TA6.2.2 紫外光谱与分子结构的关系紫外光谱与分子结构的关系有机化合物分子中几种不同性质的价电子:有机化合物分子中几种不同性质的价电子:电子电子形成单键的电子;形成单键的电子;电子电子形成不饱和键的电子;形成不饱和键的电子;n 电子电子N、O、S、
9、X等含有未成键的孤对电子。等含有未成键的孤对电子。有机分子有三种不同的价电子,当它吸收一定能量后,有机分子有三种不同的价电子,当它吸收一定能量后,可以产生可以产生4种电子跃迁:种电子跃迁:E*n nn n n n*不饱和烃才产生,不饱和烃才产生,E次小次小。(K带带)n 杂原子中杂原子中n电子向电子向 跃迁,跃迁,E次大次大。n 杂原子中杂原子中n电子向电子向 跃迁,跃迁,E最小最小。(R带带)饱和饱和CC、CH 键才产生键才产生,E 最大最大。能量大小顺序:能量大小顺序:n n未成键孤对电子轻易激发,成键电子中未成键孤对电子轻易激发,成键电子中电子较相应电子较相应的的电子具有较高的能级,而反
10、键电子却相反。电子具有较高的能级,而反键电子却相反。简单分子中简单分子中n跃迁需最小能量,吸收带出现在长波跃迁需最小能量,吸收带出现在长波段,段,n及及跃迁的吸收带出现的较短波段,而跃迁的吸收带出现的较短波段,而跃迁则出现在远紫外区。跃迁则出现在远紫外区。发发色基:在可色基:在可见见和紫外光区能和紫外光区能产产生吸收的基生吸收的基团团,即能,即能产产生生*、n*跃跃迁的基迁的基团团,如苯、,如苯、烯烃烯烃、羰羰基和基和硝基。硝基。助色基:某些基助色基:某些基团团(OH,OR,X,NH2等含有未共用等含有未共用电电子子对对的基的基团团)本身在可)本身在可见见-紫外光区不紫外光区不产产生吸收,但是
11、他生吸收,但是他们们被取代到被取代到发发色基色基团团上,由于上,由于P-共共轭轭,能使吸收峰,能使吸收峰向向长长波(波(红红移)方向移移)方向移动动。溶剂对紫外光谱的影响:溶剂对紫外光谱的影响:n-*跃迁,溶剂极性增加,蓝移。跃迁,溶剂极性增加,蓝移。因因孤孤电电子子对对的的分分子子能能与与极极性性溶溶剂剂发发生生氢氢键键缔缔合合,其其作作用用强强度度以以极极性性较较强强的的基基态态大大于于极极性性较较弱弱的的激激发发态态,致致使基态能量下降较大,而激发态降低少。使基态能量下降较大,而激发态降低少。-*跃迁,溶剂极性增加,红移。跃迁,溶剂极性增加,红移。多多数数-*跃跃迁迁,激激发发态态的的极
12、极性性较较大大,而而基基态态极极性性小小,极极性性溶溶剂剂更更容容易易与与*作作用用,能能量量下下降降较较大大,与与作作用用能量下降小。能量下降小。紫紫外外光光谱谱是是指指200400nm的的近近紫紫外外区区,只只有有*及及n *跃迁才有实际意义。跃迁才有实际意义。即紫外光谱适用于分子中具有不饱和结构,特别是共即紫外光谱适用于分子中具有不饱和结构,特别是共轭结构的化合物。轭结构的化合物。(1)孤立重键的跃迁发生在远紫外区)孤立重键的跃迁发生在远紫外区(2)形成共轭结构时,吸收波长向长波方向移动,)形成共轭结构时,吸收波长向长波方向移动,即红移,且共轭链越长,红移越多、吸收强度越大。即红移,且共
13、轭链越长,红移越多、吸收强度越大。6.3 红红外光谱外光谱6.3.1 基本原理基本原理1.1.红外光的红外光的特点特点红红外外光光的的波波长长范范围围:0.8100 m,分分为为三三个个波波段段:近近红红外外区区(0.82.5 m)、中中红红外外区区(2.516 m)和和远远红红外外区区(16100 m)。一般一般红红外光外光谱仪谱仪的工作范的工作范围围:2.525 m。E=h =hc/吸收吸收频频率也可用波数率也可用波数()表示,波表示,波长长的倒数,即的倒数,即=1/=/c。2.2.红外吸收的产生红外吸收的产生红红外外光光谱谱:由由分分子子中中化化学学键键的的振振动动能能级级的的跃跃迁迁而
14、而产产生的生的。红红外光外光的能量的能量 =分子中化学分子中化学键键振振动动的能的能级级差差当当射射到到物物质质上上的的电电磁磁波波的的频频率率等等于于化化学学键键的的振振动动频频率率时时,分分子子振振动动就就会会产产生生跃跃迁迁,该该电电磁磁波波就就会会被被物物质质吸收,否吸收,否则则不被吸收不被吸收。分分子子吸吸收收红红外外光光的的频频率率由由化化学学键键和和键键连连原原子子的的本本质质所决定所决定。当当物物质质吸吸收收一一定定波波长长的的红红外外光光的的能能量量时时,就就发发生生振振动动能能级级的的跃跃迁迁。用用不不同同波波长长的的红红外外光光依依次次照照射射下下样样品品而而测测出出的的
15、吸吸收曲收曲线线就得到就得到红红外光外光谱图谱图。分分子子中中原原子子间间化化学学键键的的不不同同,导导致致化化学学键键的的振振动动能能级级不不同同,则则有有不不同同的的红红外外吸吸收收曲曲线线,即即不不同同的的红红外外光光谱谱。红红外外光光谱谱理理论论就就是是研研究究分分子子中中化化学学键键特特征征和和红红外外光光谱谱之之间间的关系的关系。分分子子中中以以某某种种化化学学键键相相联联的的原原子子间间并并不不是是固固定定不不动动的的。经经典典力力学学的的观观点点:处处于于化化学学键键平平衡衡的的两两个个原原子子间间,就就象象一一定定质质量量的的小小球球用用一一定定弹弹性性强强度度的的弹弹簧簧连
16、连结结起来一起来一样样。质质量量为为m1和和m2的小球分的小球分别别代表不同的原子,代表不同的原子,弹弹簧代表化学簧代表化学键键,弹弹性性强强度用度用K来表示,来表示,弹弹性性强强度不同度不同相当于化学相当于化学键键键键强强度不同。把化学度不同。把化学键键振振动动可看成物理可看成物理学上的学上的简谐简谐振振动动。根据根据虎克虎克(Hooke)定律,其振定律,其振动频动频率和率和弹弹簧的簧的弹弹性性强强度相关,它度相关,它们们的关系式的关系式为为:分子中分子中化学键强度对应弹簧的化学键强度对应弹簧的力常数力常数,小球对应,小球对应成键原子。即化学键的振动频率与化学键的强度和键成键原子。即化学键的
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