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1、有机化合物的结构表征,4.1 研究有机化合物结构的基本程序,1.研究一个未知有机化合物的基本程序 分离提纯元素定性、定量分析测定相对分子质量推测构造式结构表征2.常用的分离方法：蒸馏、萃取、洗涤、重结晶、升华、色层、色谱等物理分离过程，有时用物理、化学相结合的分离过程。,分离后检查纯度：方法有测熔点、沸点、折射率、比旋光度等物理常数和色谱分析等。3.元素的定量定性分析 分析样品的组成元素及其含量，计算出化合物组成的实验式。4.测定相对分子质量 测定相对分子质量，结合实验式才能写出分子式。,5.推测构造式 根据化合物制备方法或来源，结合分子式，利用同分异构概念，推测可能的构造式，甚至构型式。6.
2、结构表征 物理常数测定法、化学法和近代物理法。近代物理方法：应用近代物理实验技术建立的一系列仪器分析方法-波谱法。,化学方法：(1)官能团分析方法 官能团决定研究对象所属化合物类别，进行定性分析，进行定量测定。(2)化学降解及合成方法(3)官能团转化法 把官能团化合物转化成衍生物，测定衍生物的性质。,物理常数测定法：此法只能为辅助方法。近代物理方法：红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱和质谱被广泛使用。这些方法揭示化合物微观结构，是结构表征的最有力的手段和快速的方法。,1、电磁波粒子能量：,测定物质吸收光波的频率表征分子结构的原理 有机化合物分子中的原子、电子、原子核等是运动的，质点不同，运动状态不
3、同，能量差是量子化的。用电磁波辐射物质，质点吸收电磁波，获得能量，改变运动状态。因此，分子中不同质点运动状态改变，只能吸收具有相应能量的波，即一定能量的波。换句话说，分子吸收波的频率，反映了分子中各质点的种类和运动状态。与有机分子结构有关的光波的频率如下表：,有机化合物结构表征最常用的光波谱红外光谱（IR）反映的是价电子跃迁，常用来决定化合物含有什么官能团，属于哪类化合物。紫外光谱（UV）反映的也是价电子跃迁，更多的用于电子离域体系的电子跃迁，常用来表征分子中重键的情况，特别是共轭体等。核磁共振光谱（NMR）反映的是原子核（氢核和碳核）的跃迁，常用来测定有机分子中的氢原子和碳原子连接的方式和化
4、学环境。,质谱(MS)不属于光波谱，它主要是确定分子的相对质 量和组成分子的基团，进一步推测分子的结构。表征不同结构的化合物要选用不同的方法，很难用一种方法（尤其对新化合物）准确确定分子结构，经常是几种方法联合使用，互相补充，互相验证。本章主要掌握红外光谱（IR）和核磁共振光谱（NMR）,4.2 红 外 光 谱（IR，Infraned pectroscopy）又称振动光谱，一般红外光谱仪测量吸收光的波数（频率的倒数，单位cm-1）为400-4000,测定的是分子中化学健伸缩或弯曲运动吸收的光，几乎可用于所有有机化合物的结构表征。,4.2.1基本原理,1.分子振动的类型(1)伸缩振动成键的两原子
5、沿键轴方向伸长和缩短的振动称为伸缩振动，常用 表示。伸缩振动有两种：对称伸缩振动（s）不对称伸缩振动（as）,振动频率 与两原子的质量M1、M2、键的力常数 k 有关：,或用波数表示为：,键的力常数k与键能有关，键能大，力常数大，振动频率也大。,M1和M2越小，（1/M1+1/M2）越大，振动频率也越大。,同一原子上有几个键，振动会发生互相影响，H-C-H两个C-H键振动频率相等，互相偶合，或是对称伸缩振动，或是不对称伸缩振动，振动频率也变化。,C-C-H两键振动频率相差大（2900cm-1/1000cm-1），互相影响小，看成独立的。C-C，C-N，C-O振动频率比较接近，相互有影响，因此同
6、一个化学键，在不同的分子中不等。Y-H，y=Z和YZ振动频率比C-C键的高得 多，也可以看成独立的，因此可用官能团的伸缩振动光谱表征化合物。,（2）弯曲振动弯曲振动是离开键轴的前、后、左、右振动。键长不改变，键角改变，力常数变化小。亚甲基有面内振动和面外振动。因分子的弯曲振动，振动频率很低。,2产生红外光谱的条件1）红外光辐射的频率与分子中键振动的频率相当时，才能被吸收产生吸收光谱。2）振动过程中能引起偶极矩变化的键才能产生吸收光谱。H2、O2、N2等双原子分子，H-CC-H，对称R-CC-R中的-CC-振动时都不引起偶极矩改变，观察不到红外吸收，C=O，-N3振动引起的偶极矩变化大，吸收强度
7、大。,4.2.2 重要官能团的吸收区域红外吸收光谱大体上分成三个区域，官能团吸收区又分几个特征区：,1.官能团吸收区（高频区）在37001600cm-1区组成官能团键的吸收大都在此区，故称官能团区。其又分三个小区：Y-H伸缩振动区（37002500cm-1）主要是O-H，N-H，C-H等单键伸缩振动频率区。YZ和Y=X=Z伸缩振动区（24002100cm-1）主要包括CC，CN，C=C=C，C=N=O 键伸缩振动。Y=Z伸缩振动区（18001600cm-1）,2.指纹区(低频区)小于1600cm-1的振动频率都在此区，主要是C-C，C-N，C-O等单键的伸缩振动和各种弯曲振动的频率。分子结构的
8、微小变化，这些键的振动频率都能反映出来，就象人的指纹一样有特征，故称指纹区。能反映化合物的精细结构。,3.倍频区大于3700cm-1的区，出现的是一些键的振动频率的倍频，常比倍频率低些。,各种官能团的红外吸收频率汇于下表:,4.2.3 红外吸收光谱图及其解析,红外吸收光谱图,己烷的红外光谱图,横坐标表示吸收红外光的频率（用波数cm-1表示）和波长（用m表示），习惯下坐标是波数/cm-1，上坐标是波长/m。但也有反过来标注的。纵坐标是表示吸收红外光的强度，用透过率（%）或吸收率（%）表示（两者值相反），有的图两者都标，左坐标是透过率，右坐标是吸收率（透光度）。吸收峰不是一条线而是宽带，又称谱带。
9、,2.谱图解析(1)观察红外谱图上的官能团区，找出有关官能团键的吸收，确定化合物的类型。(2)观察指纹区，确定基团间结合方式。(3)结合制备过程、其它方法测定结果，确定可能的构造式。(4)如果是已有的化合物，查阅标准谱图验证,例4-1 已知化合物的分子式C4H8O，测得IR谱图如下，写出可能的构造式。,解：从分子式看，化合物可能是烯醇、烯醚、酮或醛。1750-1700cm-1强吸收，它是C=O特征吸收，化合物只能是酮、醛化合物；2900cm-1是-CO-H的,950cm-1是C-H的，化合物可能是醛。720cm-1有峰,是-CH2-结构特征。因此，化合物可能是CH3CH2CH2CHO,例,1-
10、己烯的红外光谱图,例,甲苯的红外光谱图,解析如下：,4.3 核磁共振谱 4.3.1 H-NMR的基本原理 1.原子核的自旋质子是自旋的。有自旋量子数+1/2和-1/2 两个自旋态，在外磁场 H0 作用下，两个自旋态能量不再相等，能量低的是自旋磁场与外磁场同向平行，能量高的是自旋磁场与外磁场逆向平行。两种自旋态的能量差E随着外磁场强度增加而变大。,2.核磁共振的条件 质子受到电磁波（无线电波）幅射，只要电磁波的频率能满足两个相邻自旋态能级间的能量差E，质子就由低自旋态跃迁到高自旋态，发生核磁共振。,实现共振有两种方法：(1)固定外磁场强度 H0 不变，改变电磁波频率，称为扫频。(2)固定电磁波频
11、率 不变，改变磁场强度 H0，称为扫场。两种方式的共振仪得到的谱图相同，实验室多数采用后一种，如60 MHz，100 MHz，400 MHz就是指电磁波频率。,3核磁共振仪核磁共振仪由可变磁场，电磁波发生器，电磁波接收器，样品管等部分组成，如下面图:,样品放在两块大电磁铁中间，用固定的无线电波照射，在扫描线圈中通直流电，产生微小的磁场，使总的外磁场逐渐增加。当磁场达到H0时，试样的一种质子发生共振。信号经放大记录，并绘制出核磁共振谱图,如上图。,4.3.2 H-NMR的化学位移,由于化学环境不同，分子中的H引起核磁共振信号位置的变化称为化学位移，用 表示。1.屏蔽效应分子中的H周围有电子（化学
12、环境），电子在磁场中运动产生与外磁场方向相反的诱导磁场，抵消了一部分外磁场，若使H发生了核磁共振，必须增大外磁场强度，这种现象称为电子的屏蔽作用或屏蔽效应。,2.化学位移表示方法用四甲基硅烷（CH3)Si，TMS做参考物，其化学位移 为零，样品中某一种H的化学位移 由下式计算。,例：在60MHz的仪器上，测得氯仿与TMS间吸收性频率差为437Hz，用 表示氢的化学位移为,分子中的H所处的化学环境不同，屏蔽效应不一样，其化学位移不同。常见的各种H 的化学位移值如下表,3结构对化学位移的影响影响化学位移的主要结构因素有：相连元素的电负性，相连的重键，氢健等。（1)相连元素的电负性的影响（这种影响有
13、称诱导效应影响）与H原子相连的C上连的原子或其团的电负性越大，H的化学位值越大。如,（2）相连重键的影响,这组化合物的化学位移 为什么相差如此大呢？主要是因为它们都有 电子。在外磁场作用下，电子的环电流引起诱导磁场，诱导磁场的方向是变化的：,苯环和双健 电子流产生的诱导磁场的方向，在重键上直接连的H 处是与外加磁场一致的，相当于加大外磁场的强度，在较低的外磁场强度下就发生共振，化学位移必然大，出现在低场方向。而双键上的甲基上的氢，离诱导磁场较远，此处场强度小，它的化学位移自然小些，出现在较高磁场处。由于 电子的数目不一样，环电流大小也不一样，产生的诱导磁场强度也就不一样，所以苯环上的氢，苯环上
14、甲基的氢的化学位移与乙烯双键上的氢，双键甲基上的氢的化学位移有差别就可以理解了。,叁键的 电子是筒状的，有两种环电环，形成两个诱导磁场，叁键上的氢受到两个诱导磁场的作用相反，所以尽管叁键的 电子比双键多，但其上的氢的化学位移却比双键上的氢的化学位移小得多，但比乙烷上氢的化学位移还是大的。,（3）氢键的影响键合在电负性大的原子上的H，如O-H，N-H，可能形成氢键。氢键是起去屏蔽作用，形成氢键的H的化学位移比没有形成氢键的H的化学位移大，出现在低场。例如，醇分子中OH基上的H形成氢键时，=3.5-5.5酸分子中OH基上的H形成氢键时，=10-13注意：在溶液中测这类化合物H-NMR谱时，要考虑溶
15、液的浓度问题。,（4）其它因素影响：范德华效应，温度，溶液都要影响化学位移，所以一般在H-NMR谱图上都标注，使用的溶剂和测定温度等。,4.3.3 H-NMR的自旋偶合与自旋裂分1磁等性质子和磁不等性质子磁等性质子：在有机分子中，化学环境相同的一组原子称为磁等性质子。例如：四甲基硅烷、苯、环戊烷、甲烷、丙酮中的质子都是磁等性质子。磁等性质子的化学位移相等。,磁不等性质子：在有机分子中，化学环境不相同的质子称为磁不等性质子。例如：氯乙烷分子中甲基上的氢与亚甲基上的氢是不等性质子。2-氯丙烯中双键上的两个质子也是磁不等性质子。磁不等性质子的化学位移不相等。,2积分曲线与质子的数目,乙醇的核磁共振谱
16、（60MHz）,在核磁共振谱图上，有一条从低场向高场的阶梯曲线，称为积分曲线。积分曲线每个阶梯的高度与其相应的一组吸收峰的面积成比例，峰面积与该组磁等性质子的数目成比例。因此积分曲线高度比等于相应磁等性子质的数目比。积分曲线的总高度与分子中质子总数目成比例。,例如：上图中a.b.c三组峰积分曲线的高度分别为17.8、12.4和6，相当于3：2：1，正是a.b.c三组质子峰代表的质子3：2：1，是乙醇的-CH3、-CH2、-OH上质子数的比值。3自旋偶合与自旋裂分1）自旋偶合：分子中相邻的磁不等性质子之间自旋相互作用称自旋-自旋偶合，简称自旋偶合。2）自旋裂分：自旋偶合作用使互相偶合的质子共振吸
17、收峰分裂成多重峰的现象称为自旋裂分。,例：1，1一二氯乙烷的H-NMR谱图如下，相邻的甲基上一组磁等性质子与亚甲基一组磁等性质子是不等性磁质子，相互作用，使两个峰都裂分成多重峰。,3）裂分规律：（n+1）规律：一组磁等性质子与相邻的一组n个磁等性质子相偶合，此组磁等性质子吸收峰裂分成（n+1）个峰，称为（n+1）规律，为什么会是（n+1）呢？以CH3CHCl2为例讨论：甲基上的磁等性质子用a表示，次甲基上磁等性质子用b表示。Hb与三个Ha偶合，也就是受三个Ha的诱导磁场作用，这三个诱导磁场有四种排列方式、和（表示与外加磁场平行，表示反平行）.,而和又各有三种排列、和与、和，因此Hb吸收峰裂分成
18、四重峰，裂分面积比为1：3：3：1。而Ha与一个Hb偶合，也就是受一个Hb诱导磁场作用，这个磁场有两种方向和。因此Ha有三重裂分峰，裂分峰面积比为1：1，把这个结果用下图表示：,4）互相偶合的两组峰的裂分峰外型互相偶合的两组峰的外型都是从外侧开始向上倾斜。5）一组裂分峰的化学位移一组裂分峰的化学位移，由这组裂分峰的化学位移中点决定。,4偶合常数互相偶合的两组峰分a和b，每组峰中各峰间的距离称为偶合常数，用Jab表示，单位Hz，下标a.b表示a.b两组磁等性质子互相偶合。如上图1，1-二氯乙烷的裂分图。互相偶合的两组峰的偶合常数相等。不相偶合的偶合常数不等。,J=03.5Hz J=1218Hz
19、J=514Hz,4.3.4 1H-NMR 的谱图解析1 1H-NMR 谱图横坐标为化学位移，下横坐标用 表示右边TMS的=0，数值由右向左标记,左边化学位移值大，但往左外磁场强度低，往右外磁场强度高。上横坐标常用Hz表示化学位移。,2一张H-NMR谱图上可以知道有机分子结构的什么信息?1）由图上吸收峰的组数，可以知道分子结构中磁等性质子组数目。2）由峰的强度（积分曲线）可以知道分子中磁等性质子的比例。3）由峰的裂分数可知相邻磁等性质子数目。4）由峰的化学位移（值）可以判断各种磁等性质子的归属。5）由裂分峰的外观或偶合常数，可知那些磁等性质子是相邻的。,谱图解析例举例1 分子式为C3H6O的化合
20、物的H-NMR谱如下,分析：可能为CH3COCH3或CH3CH2CHO，1H-NMR谱只有一组峰=2.1左右，该化合物可能是CH3COCH3。,例23，3-二甲基1-丁炔的核磁共振谱是否是下图,分析：（CH3）3C-CCH中有两组磁等性质子，比例为9：1，互相不偶合C-H=2.3左右，-CH3=1.2左右。这些情况与谱图一致。所以是3,3-二甲基-1-丁炔的核磁共振谱图,例3用H-NMR谱区别CH3CH2CH2-NO2和（CH3）2CH-NO2,分析：CH3CH2CH2NO2,有三组峰，裂分数分别为三重峰、多重峰、三重峰，三组成强度比为3：2：2，化学位移分别为0.9、2.1、4.5。而在（C
21、H3）2CHNO2中，有二组峰，分别为=2.7，6 H，双重峰；=4.8，1 H，七重峰。,注意：1.一种磁等性质子与一种m个磁等性质子和另一种n个磁等性质子同时偶合，则此种磁等性质子裂分数理论上应为（m+1）.(n+1)个。如果仪器的分辨率不高，就变成一组多重峰，裂分峰有重叠。2苯环的情况与1有类似的情况，一取代苯的五个环上H，在分辨率低的仪器上，有一个峰，分辨率高些的仪器上是五重峰，在分辨率更高的仪器上，可能有三组不同裂分的峰。,紫外光谱（自学）通常指的紫外光谱主要是近紫外（200-400nm）和部分可见光区（400-800nm）的光；这些光的能量相当于共价健电子和共轭分子的价电子跃迁，故
22、又称电子光谱，或紫外可见光谱。一、紫外光谱图1坐标横坐标：吸收光波长入/nm。纵坐标：lgA或lgk。,A吸收度 A=lg(Io/I)Io入射光的强度。I透射光的强度。A：与化合物的电子结构有关，与试样浓度，吸收池长度有关。K：摩尔吸光系数（摩尔消光系数），化合物的特定常数。A=k.c.l k=A/c.lC-试样溶液的浓度/molL-1l吸收池长度/cm,2吸收峰的特点吸收带：吸收峰向上，是一个平坦的宽峰，称为吸收带。紫外光能量比红外光大，使价电子跃迁的同时，分子的转动和振动能级也同时跃迁。在价电子吸收的同时，分子转动、振动也同时吸收，结果紫外吸收光谱与振、转吸收光谱混杂在一起，变成平坦吸收峰
23、，难分辨。,最大吸收波长max：紫外吸收峰顶对应的波长最大摩尔消光系数max：紫外吸收峰顶对应的消光系数。试样溶剂：试样溶剂种类影响max和max。因此在紫外光谱图上给出试样的溶剂。如丙酮在环已烷溶剂中的紫外光谱须标,二、基本原则1.有机分子价电子轨道（能级）：有三种轨道：、成键轨道；n非健合电子轨道如O、N、S、P、F、C1、Br、I等孤电子对；*，*反键轨道。能级顺序：基态时，价电子排在、n 轨道中，吸收光能量，价电子跃迁到较高能级上，成为缴发态，产生吸收光谱。,2电子跃迁需要的能量价电子跃迁有四种形式。1）*跃迁电子被核束缚得劳，*跃迁的能量大710kJmol-1,*跃迁等杂原子上的n电
24、子，发生n*跃迁需要的能量比*跃迁小，有的也在远紫外区有吸收。,3）n*跃迁、CN:等杂原子形成重键，其上的n电子吸收能量发生n*跃迁，其能量是较低，发生在近紫外区。4）*跃迁。C=C，C=O、C=C-C=C、C=C-C=C-C=O等 电子吸收能量发生*跃迁，有部分在远紫外有吸收，如C=C等，但随着共轭键的增长，跃迁的能量减小，进入近紫外区。,各种电子跃迁及其所需要的能量归纳于下表中：,发色基团：象C=C、C=O、C=N、N=O等不饱和基团本身能吸收紫外光和可见光称为发色基团。助色基团：象 等含有孤对电子的基团称为助色基团。本身不吸收紫外光。但接到共轭链端上，能使吸收光波长向红外区移动，产生红
25、移现象，也能增大kmax。,3有紫外一可见光吸收的化合物的结构含有发色基团的化合物。发色基团共轭键增长，吸收光max增大（红移），发色基共轭链端接助色基团，max也增大。1）随着分子中-CHCH-童元增加，吸收光 max也增大，也增大。,2）R-（CH=CH）n-CO-H(R)类化合物如一些不饱和醛类化合物吸收紫外光的情况：,4一些规律及紫外光谱的应用1)发色基结构越长，max 越大2)发色基共轭体系越大，max 也越大。3)发色基上连结助色基越多，红移越大，max 也越大紫外光谱主要反映共轭体系化合物的结构特征，远不如IR、谱NMR谱应用普遍。紫外光谱对一些化合物可以做为定量分析用。,三、图
26、谱的解析步骤1观察谱图1）谱带数目，max 进入可见光区的程度。若有多条谱带进入可见光区，可能是长的共轭键、稠环芳烃结构的发色基团。仅一条谱带，max 20000可能为简单、长共轭结构,max=1000020000，可能是简单二烯烃，-不饱和羰基化合物。max=10000左右，芳核上连发色基团max=10100（max=270350）可能是酮。2找模型化合物的紫外光谱图对照一般说来，相似发色基团结构有相似的谱图,如Me(CH=CH)nMe、芳香族化合物的紫外谱图如下：,3确定化合物的结构1）找模型化合物的谱图2）查资料，找有关结构的紫外图，标准谱图。3）借助其它结构分析方法的结果，互相印证。如
27、化学法，IR、NMR等。,第五节 质 谱 化合物分子在高真空下，受高能（501000V）电束轰击，得到不同质量的“碎片”，按质荷比大小的顺序排列，到得到质量顺序称为质谱，质谱不属光波谱。一、质谱的应用质谱有两个重要应用，一是测定分子相对质量，二是推断分子结构。1测定化合物的相对分子质量利用质谱可以精确的测定化合物的相对分子质量，如CO、N2、C2H2等，相对分子质量的,为28，仅在十分位上有差异，用一般的测定化合物分子量的方法是难以区别的，但用质谱却能区分开。2给出分子结构方面的信息，推断分子的结构化合物被教击成一些分子碎片，通过这些碎片进行组合复制可以得到分子结构信息，对分子结构来表征。,3
28、使用质谱的优点用质谱方法测定化合物的相对分子质量和结构表征，有快速、简捷、精确，样品用量少等（g）等优点。更重要的优点是，通过色谱质谱联用，可以用混合物来测定化合物的相对分子质量和推导化合物的结构。只有色谱能把混合物分离开，就可以把混合物的各组分的相对分子质量和结构信息得到，这给化学工作者带来很大的方便。,二、基本原理化合物分子中各原子与基团结合的方式不同，化学键的键能不同，原子对电子束缚程度不同，在高真空气态受到的高能量（50100eV）电子束轰击，会失去一个电子的分子离M.+和不同质量带正电荷的碎片。通常用质量与带电荷之比（简称质荷比，用m/e表示）表示这些碎片。在电场、磁场的作用下，分子
29、离子、碎片可按m/e的大小得到分离。M.+的质量就是化合物的相对分子质量，碎片的种类，质量和强度与化合物规律结合起来，就可以推断分子比结构。,三、质谱仪和质谱图1质谱仪的工作原理质谱仪的工作原理如图：,2质谱图横坐标：m/e纵坐标：各峰的相对强度，用%表示。强度最大者为100%。峰：线状，线的高度与离子数目成比例。四、谱图解析1相对分子质量的确定（分子离子峰的识别）一般情况下m/e最大者为分子离子峰，这个峰值不一定是最大的峰，取决于M.+的稳定性和轰击对电子束的质量。1）M.+的稳定性顺序：,2）电子束能量高，M.+数少；电子束能量大高，M.+消失，这时要改变仪器操作条件，重新测定质谱。3）M
30、.+是最普通同位素的峰，即最轻同位素的峰。可能出现M+1，M+2的峰。一些同位素的天然丰度如下：,M+1峰可由2H、13C、15N、17O、33S等形成，M+2峰可由18O、81Br或两个多一个中质的同位素形成。由同位素长度%，决定M.+与M+1或M+2峰强度，确定M.+。,4）确定分子相对质量一般化合物，M.+的质量为相对分子质量含有几个碳的烃（忽略2H）有：M+1峰强度/M.+峰强度=n x1.1%/98.9%可以求分子中含碳数，也可以用来判断是否是M.+。,溴化合物的M.+与M+2强度相近，如下图:,1-溴丙烷的质谱图,2分子结构的推断1）按质谱图上的各种碎片，是否按着化合物化学键断裂关系逐一推断。2）到质谱图库中检素，可按两种方式与化合物类似的结构，看其谱图与其比较，按质谱图去查类似化合物的结构。3）如果研究的化合物是已有的化合物，可以查标准谱图对照。4）由质谱推断的化合物结构必须有其它方法印证。,
