有机化学第七章波谱分析课件

有机化学 OrganicChemistry 第四章有机化合物的结果表征 4 1有机化合物的结构与吸收光谱 4 2红外光谱的表示方法一 红外光谱的表示方法二 分子振动与红外光谱三 有机化合物基团的特征频率四 红外谱图解析 4 3核磁共振谱一 基本原理二 化学位移 三 影响化学位移的因素四 决定原子数目的方法五 共振吸收峰 信号 的数目六 自旋偶合与自旋裂分七 偶合常数八 谱图解析 第四章有机化合物的结构表征 本章重点 红外光谱 核磁共振谱 必须掌握的内容 1 红外光谱 核磁共振谱的基本原理 2 红外光谱 核磁共振谱谱图的解析方法 前言 有机化合物的结构表征 即测定 从分子水平认识物质的基本手段 是有机化学的重要组成部分 过 去 主要依靠化学方法进行有机化合物的结构测定 其缺点是 费时 费力 费钱 试剂的消耗量大 例如 鸦片中吗啡碱结构的测定 从1805年开始研究 直至1952年才完全阐明 历时147年 而现在的结构测定 则采用现代仪器分析法 其优点是 省时 省力 省钱 快速 准确 试剂耗量是微 该式表明 分子吸收电磁波 从低能级跃迁到高能级 其吸收光的频率与吸收能量的关系 由此可见 与E 成反比 即 每秒的振动次数 E 在分子光谱中 根据电磁波的波长 划分为几个不同的区域 如下图所示 分子的总能量由以下几种能量组成 4 2红外光谱 一 红外光谱的表示方法 一般指中红外 振动能级跃迁 横坐标 波数 400 4000cm 1 表示吸收峰的位置 纵坐标 透过率 T 表示吸收强度 T 表明吸收的越好 故曲线低谷表示是一个好的吸收带 I 表示透过光的强度 I0 表示入射光的强度 一 1 二 分子振动与红外光谱 1 分子的振动方式 1 伸缩振动 2 弯曲振动 值得注意的是 不是所有的振动都能引起红外吸收 只有偶极矩 发生变化的 才能有红外吸收 H2 O2 N2电荷分布均匀 振动不能引起红外吸收 H C C H R C C R 其C C 三键 振动也不能引起红外吸收 2 振动方程式 Hooke定律 式中 k 化学键的力常数 单位为N cm 1 折合质量 单位为g 力常数k 与键长 键能有关 键能 大 键长 短 k 一些常见化学键的力常数如下表所示 折合质量 两振动原子只要有一个的质量 红外吸收信号将出现在高波数区 3 分子的振动能级跃迁和红外吸收峰位 分子的振动是量子化的 其能级为 式中 v 为振动量子数 0 1 2 振为化学键的振动频率 分子由基态v 0跃迁到激发态v 1时 吸收光的能量为 分子振动频率习惯以 波数 表示 由此可见 k 与 成反比 吸收峰的峰位 化学键的力常数k越大 原子的折合质量越小 振动频率越大 吸收峰将出现在高波数区 短 波长区 反之 出现在低波数区 高波长区 结论 产生红外光谱的必要条件是 1 红外辐射光的频率与分子振动的频率相当 才能满足分子振动能级跃迁所需的能量 而产生吸收光谱 2 振动过程中必须是能引起分子偶极矩的分子才能产生红外吸收光谱 三 有机化合物基团的特征频率 总结大量红外光谱资料后 发现具有同一类型化学键或官能团的不同化合物 其红外吸收频率总是出现在 一定的波数范围内 我们把这种能代表某基团 并有较高强度的吸收峰 称为该基团的特征吸收峰 又称官能团吸收峰 1 特征频率区 在1600 3700cm 1区域 称为 高频区 出现的吸收峰 较为稀疏 容易辨认 主要有 1 Y H伸缩振动区 2500 3700cm 1 Y O N C 2 Y Z三键和累积双键伸缩振动区 2100 2400cm 1 主要是 C C C N三键和C C C C N O等累积双键的伸缩振动吸收峰 3 Y Z双键伸缩振动区 1600 1800cm 1 主要是 C O C N C C等双键 2 指纹区 1600cm 1的低频区 主要是 C C C N C O等单键和各种弯曲振动的吸收峰 其特点是谱带密集 难以辨认 3 倍频区 3700cm 1的区域 出现的吸收峰表示基团的基本频率 而是一些基团的倍频率 其数值略低于基本频率的倍数 四 红外谱图解析 红外谱图解析的基本步骤是 鉴定已知化合物 1 观察特征频率区 判断官能团 以确定所属化合物的类型 2 观察指纹区 进一步确定基团的结合方式 3 对照标准谱图验证 测定未知化合物 1 准备性工作 了解试样的来源 纯度 熔点 沸点等 经元素分析确定实验式 有条件时可有MS谱测定相对分子量 确定分子式 根据分子式计算不饱和度 其经验公式为 1 n4 1 2 n3 n1 式中 代表不饱和度 n1 n3 n4分别代表分子中一价 三价和四价原子的数目 双键和饱和环状结构的 为1 三键为2 苯环为4 2 按鉴定已知化合物的程序解析谱图 谱图解析示例 1 烷烃 1 2853 2962cm 1C H伸缩振动 2 1460cm 1 1380cm 1C H CH3 CH2 面内弯曲振动 3 723cm 1C H CH2 n n 4 平面摇摆振动 若n 4吸收峰将出现在734 743cm 1处 2 烯烃 1 3030cm 1 C H伸缩振动 2 C H伸缩振动 3 1625cm 1C C伸缩振动 4 C H CH3 CH2 面内弯曲振动 二者的明显差异 1 C C双键的伸缩振动吸收峰 顺式 1650cm 1 反式 与CH3 CH2的弯曲振动接近 2 C H的平面弯曲振动吸收峰位置 顺式 700cm 1 反式 965cm 1 3 醇 三者的异同点 1 缔合O H的伸缩振动吸收峰 均出现在3350cm 1处左右 差距不大 2 C O键的伸缩振动吸收峰有明显的差异 伯醇 1050 1085cm 1 仲醇 1100 1125cm 1 叔醇 1150 1120cm 1 4 醛与酮 二者的异同点 1 在1700cm 1处均有一个强而尖的吸收峰 为C O 羰基 的特征吸收峰 C O 羰基 吸收峰的位置与其邻近基团有关 若羰基与双键共轭 吸收峰将向低波数区位移 2 醛基在2715cm 1处有一个强度中等的尖峰 这是鉴别分子中是否存在 CHO的特征基团 5 羧酸及其衍生物 1 O H伸缩振动吸收峰 二聚体3000 2500cm 1 2 C H伸缩振动吸收峰 3 C O伸缩振动吸收峰 1725 1700cm 1 脂肪族羧酸 1700 1680cm 1 芳香族羧酸 1 C O伸缩振动 在1850 1780cm 1 1790 1740cm 1两处同时出现 2 C O C伸缩振动 1300 1050cm 1 强吸收 4 3核磁共振谱 一 基本原理 1 原子核的自旋 核象电子一样 也有自旋现象 从而有自旋角动量 核的自旋角动量 是量子化的 不能任意取值 可用自旋量子数 I 来描述 I 0 1 2 1 I 0 0 无自旋 不能产生自旋角动量 不会产生共振信号 只有当I O时 才能发生共振吸收 产生共振信号 I的取值可用下面关系判断 质量数 A 原子序数 Z 自旋量子数 I 奇数奇数或偶数半整数n 1 2 n 0 1 2 奇数整数 偶数 偶数0 例如 2 自旋核在外加磁场中的取向 取向数 2I 1 在没有外电场时 自旋核的取向是任意的 3 磁共振的产生 磁性核的自旋取向表明 在外场中的取向 它的某个特定能级状态 用磁量子数ms表示 取值为 I 0 I 即 每一个取向都代表一个能级状态 有一个ms 如 1H核 I 1 2 ms为 1 2和 1 2 结论 1 E H0 2 1H受到一定频率 的电磁辐射 且提供的能量 E 则发生共振吸收 产生共振信号 二 化学位移 1 化学位移的由来 屏蔽效应 化学位移是由核外电子的屏蔽效应引起的 若质子的共振磁场强度只与 磁旋比 电磁波照射频率H0有关 那么 试样中符合共振条件的1H都发生共振 就只产生一个单峰 这对测定化合物的结构是毫无意义的 实验证明 在相同的频率照射下 化学环境不同的质子将在不同的磁场强度处出现吸收峰 H核在分子中不是完全裸 露的 而是被价电子所包围的 因此 在外加磁场作用下 由于核外电子在垂直于外加磁场的平面绕核旋转 从而产生与外加磁场方向相反的感生磁场H 这样 H核的实际感受到的磁场强度为 式中 为屏蔽常数 核外电子对H核产生的这种作用 称为屏蔽效应 又称抗磁屏蔽效应 显然 核外电子云密度越大 屏蔽效应越强 要发生共振吸收就势必增加外加磁场强度 共振信号将移向 高场区 反之 共振信号将移向低场区 因此 H核磁共振的条件是 2 化学位移的表示方法 不同化学环境的H核 受到不同程度的屏蔽效应的影响 因而吸收峰出现在核磁共振谱的不同位置上 吸收峰这种位置上的差异称为化学位移 为什么选用TMS 四甲基硅烷 作为标准物质 1 屏蔽效应 共振信号在高场区 值规定为0 绝大多数吸收峰均出现在它的左边 2 结构对称 是一个单峰 3 容易回收 b p低 与样品不缔合 三 影响化学位移的因素 凡影响电子云密度的因素都将影响化学位移 其中 影响最大的是 诱导效应和各向异性效应 1 电负性的影响 元素的电负性 通过诱导效应 使H核的核外电子云密度 屏蔽效应 共振信号 低场 例如 2 磁各向异性效应 A 双键碳上的质子 烯烃双键碳上的H质子位于 键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域 称为去屏蔽区 去屏蔽效应的结果 使烯烃双键碳上的H质子的共振信号移 向稍低的磁场区 其 4 5 5 7 同理 羰基碳上的H质子与烯烃双键碳上的H质子相似 也是处于去屏蔽区 存在去屏蔽效应 但因氧原子电负性的影响较大 所以 羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区 其 9 4 10 B 三键碳上的质子 碳碳三键是直线构型 电子云围绕碳碳 键呈筒型分布 形成环电流 它所产生的感生磁场与外加磁场方向相反 故三键上的H质子处于屏蔽区 屏蔽效应较强 使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区 其 2 3 练习 苯环上H质子的共振信号应出现在高场区还是低场区 为什么 小结 四 决定质子数目的方法 吸收峰的峰面积 可用自动积分仪对峰面积进行自动积分 画出一个阶梯式的积分曲线 峰面积的大小与质子数目成正比 峰面积高度之比 质子个数之比 五 共振吸收峰 信号 的数目 一个化合物究竟有几组吸收峰 取决于分子中H核的化学环境 有几种不同类型的H核 就有几组吸收峰 例如 低分辨率谱图 六 自旋偶合与自旋裂分 在高分辨率核磁共振谱仪测定CH3CH2 I或CH3CH2OH时CH3 和 CH2 的共振吸收峰都不是单峰 而是多重峰 产生的原因 相邻的磁不等性H核自旋相互作用 即干扰 的结果 这种原子核之 间的相互作用 叫做自旋偶合 由自旋偶合引起的谱线增多的现象 叫做自旋裂分 偶合表示核的相互作用 裂分表示谱线增多的现象 现以CH3CH2 I为例 讨论自旋偶合与自旋裂分作用 首先 分析 CH3上的氢 以Ha表示 它的邻近 CH2 上有两个H核 以Hb表示 Hb对Ha的影响可表示如下 H核的自旋量子数I 1 2 在磁场中可以有两种取向 即 1 2 以 表示 和 1 2 以 表示 这样 Hb的自旋取向的排布方式就有以下几种情况 同理 也可画出Ha对Hb的影响 由此可见 裂分峰的数目有如下规律 峰的数目 n 1n 为相邻H核的数目 七 偶合常数 每组吸收峰内各峰之间的距离 称为偶合常数 以Jab表示 下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类 偶合常数的单位用Hz表示 偶合常数的大小与外加磁场强度 使用仪器的频率无关 值得注意的是 自旋偶合与相互作用的两个H核的相对位置 有关 当相隔单键数 3时 可以发生自旋偶合 相隔三个以上单键 J值趋于0 即不发生偶合 磁等性H核之间不发生自旋裂分 如CH3 CH3只有一个单峰 八 谱图解析 1 一张谱图可以向我们提供关于有机分子结构的如下信息 1 由吸收峰的组数 可以判断有几种不同类型的H核 2 由峰的强度 峰面积或积分曲线高度 可以判断各类H的相对数目 3 由峰的裂分数目 可以判断相邻H核的数目 4 由峰的化学位移 值 可以判断各类型H所属的化学结构 5 由裂分峰的外型或偶合常数 可以判断哪种类型H是相邻的 2 分子式为C3H60的某化合物的核磁共振谱如下