光谱法的应用

第八章有机化合物的波谱分析 简介 本章学习指导 1 四谱发展简史2 四谱的优点及局限性3 四谱的基本原理4 四谱的应用及谱图的解析5 利用已知图谱鉴定有机化合物 重点是四谱中的红外光谱和核磁共振谱 吗啡 C15H15O3N 从1803年第一次被提纯 至1952年弄清楚其结构 其间经过了150年 胆固醇 C27H47O 结构的测定经历了40年 紫外光谱 UV UltravioletSpectrum 红外光谱 IR InfraredSpectrum 核磁共振谱 NMR NuclearMagneticResonance 质谱 MS MassSpectrum 与经典的化学方法相比较 波谱方法不仅具有快速 灵敏 准确 重现性好等优点 而且需要样品量少 除质谱外 用过的样品还可以回收利用 现在波谱法的应用范围已扩大到整个有机化学及其相关领域 随着波谱仪器的不断改进 性能越来越完备 灵敏度和分辨率越来越高 使过去难以做到的事 如今可以迎刃而解 例如 利用气相色 质联用技术 可以检测出人体血液中含有10 11g ml水平的四氢大麻醇 一种大麻提取物质 用快速原子轰击质子 可以提供相对分子质量为15000的糖蛋白质的结构信息 用激光和磁场解析作用产生的分子离子质谱 可以显示出DNA片段聚合物的分布情况 用二维核磁共振技术 可以测定用X射线技术无法测定的体内分子行使功能状态下的结构 0 1 1mg 1 5mg 0 001 0 1mg 2 10万 5 50万 100 1000万 50 500万 0 01 5mg 与天平精度有关 第一节光谱与分子吸收光谱 一 光的频率与波长光是电磁波 有波长和频率两个特征 电磁波包括了一个极广阔的区域 从波长只有千万分之一纳米的宇宙线到波长用米 甚至千米计的无线电波都包括再内 每种波长的光的频率不一样 但光速 c 都一样即3 1010cm s 波长与频率的关系为 c 频率 单位 赫 HZ 波长 单位 厘米 cm 表示波长的单位很多 频率的另一种表示方法是用波数 即在1cm长度内波的目 如波长为300nm的光的波数为1 300 10 7 33333 cm 1 二 光的能量及分子吸收光谱 1 光的能量每一种波长的电磁辐射时都伴随着能量 E h 频率 单位是Hzh 普郎克常数 6 626 10 34J S 2 分子吸收光谱分子吸收幅射 就获得能量 分子获得能量后 可以增加原子的转动或振动 或激发电子到较高的能级 但它们是量子化的 因此只有光子的能量恰等于两个能级之间的能量差时 即 E 才能被吸收 所以对于某一分子来说 只能吸收某一特定频率的辐射 从而引起分子转动或振动能级的变化 或使电子激发到较高的能级 产生特征的分子光谱 分子吸收光谱可分为三类 1 转动光谱分子所吸收的光能只能引起分子转动能级的跃迁 转动能级之间的能量差很小 位于远红外及微波区内 在有机化学中用处不大 2 振动光谱分子所吸收的光能引起震动能级的跃迁 吸收波长大多位于2 5 16 m内 中红外区内 因此称为红外光谱 3 电子光谱分子所吸收的光能使电子激发到较高能级 电子能级的跃迁 吸收波长在100 400nm 为紫外光谱 电磁波谱与有机光谱的对应关系 物质吸收的电磁辐射如果在红外光区域 用红外光谱仪把产生的红外谱带记录下来 就得到红外光谱图 所有有机化合物在红外光谱区内都有吸收 因此 红外光谱的应用广泛 在有机化合物的结构鉴定与研究工作中 红外光谱是一种重要手段 用它可以确证两个化合物是否相同 也可以确定一个新化合物中某一特殊键或官能团是否存在 第二节红外吸收光谱 IR 特点 鉴别化合物的特征键及其官能团 能提供大量的关于化合物的结构信息 样品用量少 易回收 气 液 固态样品均适用 灵敏度高 红外吸收光谱是分子中成键原子振动能级跃迁而产生的吸收光谱 只有引起分子偶极距变化的振动才能产生红外吸收 一 分子振动与红外光谱 1 振动方程式 k 力常数 与化学键的强度有关 键长越短 键能越小 k越大 单位为N cm 1 牛 顿 厘米 1 m1和m2分别为化学键所连的两个原子的质量 单位为克 即 化学键的振动频率 红外吸收峰的频率 与键强度成正比 与成键原子质量成反比 由吸收红外光而引起的分子振动包括 1 键的伸缩振动 2 键的弯曲振动 伸缩振动 对称伸缩振动 vs 反对称伸缩振动 vas 直线表示处于平面上的键 虚线表示指向纸面后的键 锲形线则表示指向纸面之前的键 键的伸缩振动只改变瞬间的键长 但不改变键角 2 分子的振动模式 键的弯曲振动 剪切振动 s 面内摇摆振动 面外摇摆振动 卷曲振动 键的弯曲振动不改变键长 但发生了键角的变化 二 有机化合物基团的特征频率 同类化学键和官能团的吸收频率总是出现在特定波数范围内 这种能代表某基团存在并有较高强度的吸收峰 称为该基团的特征吸收峰 简称特征峰 其最大吸收对应的频率为基团的特征频率 各类常见有机化合物基团的特征频率见教材表8 2 1 并不是所有的分子振动都能吸收红外光谱 2 只有使分子的偶极矩发生变化的分子振动才具有红外活性 3 分子中的极性基团的振动特别容易发生比较显著的红外吸收 4 多原子分子可能存在多种分子振动方式 所以它的红外光谱总是复杂的 5 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频率 总结 2 指纹区 红外光谱的1500 400cm 1的称为指纹区 该区域吸收峰通常很多 而且不同化合物差异很大 主要是各种单键 C N C O C C 的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收峰 指纹区通常用来区别或确定具体化合物 1 特征频率区 红外光谱中4000 1500cm 1称为特征频率区 因为该区域里的吸收峰主要是特征官能团的特征频率 X H 三键 及双键 C C C O C C 的伸缩振动 特征频率区通常用来判断化合物是否具有某种官能团 三 有机化合物红外图谱解析 3 相关峰 习惯上把同一官能团的不同振动方式而产生的红外吸收峰称为相关峰 如甲基 CH3 2960cm 1 as 2870cm 1 s 1470cm 1 1380cm 1 C H剪式及面内摇摆 4 已知物的鉴定 若被测物的IR与已知物的谱峰位置和相对强度完全一致 则可确认为一种物质 注意仪器的灵敏度及H2O的干扰 5 未知物的鉴定 可推断简单化合物的结构 对复杂的化合物 需要UV NMR MS的数据 四 有机化合物红外光谱解析举例 振动 吸收峰 化合物 C H伸缩振动 C H剪切振动 烷烃 2960 2860cm 1 CH2 1460cm 1 CH3 1380cm 1 CH2 n n 4 724 722 正辛烷的红外光谱 2850 3000cm 1C H伸缩振动 720 725cm 1的平面摇摆弯曲振动 CH2 1450 1470cm 1的箭式弯曲振动 CH2 CH3 1370 1380cm 1平面摇摆弯曲振动 CH3 振动 吸收峰 化合物 C H拉伸 或伸缩 C C C C C C C C苯环 拉伸或伸缩 C H剪切 烯烃 1680 1620 1000 800 RCH CH21645 中 R2C CH21653 中 顺RCH CHR1650 中 反RCH CHR1675 弱 3000 中 3100 3010 三取代1680 中 弱 四取代1670 弱 无 四取代无 共轭烯烃 与烯烃同 向低波数位移 变宽 与烯烃同 910 905强 995 985强 895 885强 730 650弱且宽 980 965强 840 790强 无 强 1 辛烯的红外光谱 3080cm 1 C H伸缩振动 1820 995 915cm 1为 CH CH H的平面外摇摆弯曲振动 乙烯基的特征频率 吸收峰 化合物 振动 C H拉伸 或伸缩 C C C C C C C C苯环 拉伸或伸缩 C H剪切振动 炔烃 3310 3300 一取代2140 2100弱 非对称二取代2260 2190弱 700 600 3110 3010中 1600中 670弱 倍频2000 1650 邻 770 735强 间 810 750强710 690中对 833 810强 泛频2000 1660 取代芳烃 较强 对称无 强 同芳烃 同芳烃 1580弱 1500强 1450弱 无 一取代770 730 710 690强 二取代 芳烃 1 辛炔的红外光谱 第三节核磁共振谱 NMR 核磁共振技术是珀塞尔 Purcell 和布洛 Bloch 始创于1946年 获1952年诺贝尔物理学奖 至今已有六十年的历史 自1950年应用于测定有机化合物的结构以来 经过几十年的研究和实践 发展十分迅速 现已成为测定有机化合物结构不可缺少的重要手段 从原则上说 凡是自旋量子数不等于零的原子核 都可发生核磁共振 但到目前为止 有实用价值的实际上只有H1 叫氢谱 常用1HNMR表示 13C叫碳谱 常用13CNMR表示 这里我们仅讨论氢谱 解决有机领域中的以下问题 1 结构测定或确定 一定条件下可测定构型和构象 2 化合物的纯度检查 3 混合物分析 主要信号不重叠时 可测定混合物中各组分的比例 4 质子交换 单键旋转 环的转化等化学变化速度的测定及动力学研究 NMR的优点 能分析物质分子的空间构型 测定时不破坏样品 信息精密准确 一 基本原理 1 核的自旋与磁性由于氢原子是带电体 当自旋时 可产生一个磁场 因此 我们可以把一个自旋的原子核看作一块小磁铁 2 核磁共振现象原子的磁矩在无外磁场影响下 取向是紊乱的 在外磁场中 它的取向是量子化的 只有两种可能的取向 当ms 1 2时 如果取向方向与外磁场方向平行 为低能级 低能态 当ms 1 2时 如果取向方向与外磁场方向相反 则为高能级 高能态 给处于外磁场 B0 的自旋核辐射一定频率的电磁波辐射 射 当辐射所提供的能量恰好等于自旋核两种不同取向的能量差 E 时 自旋核就吸收电磁辐射的能量 从低能级跃迁至高能级 这种现象称为核磁共振 跃迁 射 E Bo 2 即 一个特定的核在一定强度的外磁场中只有一种共振频率 而不同的核在相同外磁场B0时其共振频率不同 3 核磁共振谱仪及核磁共振谱的表示方法 1 核磁共振谱仪基本原理示意图 样品管 磁铁 磁铁 如上图 装有样品的玻璃管放在磁场强度很大的电磁铁的两极之间 用恒定频率的无线电波照射通过样品 在扫描发生器的线圈中通直流电流 产生一个微小磁场 使总磁场强度逐渐增加 当磁场强度达到一定的值Bo时 样品中某一类型的质子发生能级跃迁 这时产生吸收 接受器就会收到信号 由记录器记录下来 得到核磁共振谱 2 核磁共振谱图的表示方法 二 屏蔽效应和化学位移 氢质子 1H 用扫场的方法产生的核磁共振 理论上都在同一磁场强度 Ho 下吸收 只产生一个吸收信号 实际上 分子中各种不同环境下的氢 再不同Ho下发生核磁共振 给出不同的吸收信号 例如 对乙醇进行扫场则出现三种吸收信号 在谱图上就是三个吸收峰 如图 这种由于氢原子在分子中的化学环境不同 因而在不同磁场强度下产生吸收峰 峰与峰之间的差距称为化学位移 1 化学位移 2 屏蔽效应 化学位移产生的原因 有机物分子中不同类型质子的周围的电子云密度不一样 在加磁场作用下 引起电子环流 电子环流围绕质子产生一个感应磁场 H 这个感应磁场使质子所感受到的磁场强度减弱了 即实际上作用于质子的磁场强度比Ho要小 这种由于电子产生的感应磁场对外加磁场的抵消作用称为屏蔽效应 3 化学位移值 化学位移值的大小 可采用一个标准化合物为原点 测出峰与原点的距离 就是该峰的化学位移值 一般采用四甲基硅烷为标准物 代号为TMS 化学位移是依赖于磁场强度的 不同频率的仪器测出的化学位移值是不同的 为了使在不同频率的核磁共振仪上测得的化学位移值相同 不依赖于测定时的条件 通常用 来表示 的定义为 标准化合物TMS的 值为0 4 影响化学位移的因素 1 诱导效应1 值随着邻近原子或原子团的电负性的增加而增加 2 值随着H原子与电负性基团距离的增大而减小 3 烷烃中H的 值按伯 仲 叔次序依次增加 2 电子环流效应 次级磁场的屏蔽作用 烯烃 醛 芳环等中 电子在外加磁场作用下产生环流 使氢原子周围产生感应磁场 其方向与外加磁场相同 即增加了外加磁场 所以在外加磁场还没有达到Ho时 就发生能级的跃迁 因而它们的 很大 4 5 12 乙炔也有 电子环流 但炔氢的位置不同 处在屏蔽区 处在感应磁场与外加磁场对抗区 所以炔氢的 值较小 如右图 氢原子位于产生的感应磁场与外加磁场相同方向的去屏蔽区 所以在外加磁场强度还未达到Ho时 就发生能级的跃迁 故吸收峰移向低场 值增大 三 峰面积与氢原子数目 在核磁共振谱图中 每一组吸收峰都代表一种氢 每种共振峰所包含的面积是不同的 其面积之比恰好是各种氢原子数之比 如乙醇中有三种氢其谱图为 故核磁共振谱不仅揭示了各种不同H的化学位移 并且表示了各种不同氢的数目 四 峰的裂分和自旋偶合 1 峰的裂分应用高分辨率的核磁共振仪时 得到等性质子的吸收峰不是一个单峰而是一组峰的信息 这种使吸收峰分裂增多的现象称为峰的裂分 例如 乙醚的裂分图示如下 2 自旋偶合 裂分是因为相邻两个碳上质子之间的自旋偶合 自旋干扰 而产生的 我们把这种由于邻近不等性质子自旋的相互作用 干扰 而分裂成几重峰的现象称为自旋偶合 1 自旋偶合的产生 以溴乙烷为例 Ha在外磁场中自旋 产生两种方向的感应小磁场H 当两个Ha的自旋磁场作用于Hb时 其偶合情况为 2 偶合常数 偶合使得吸收信号裂分为多重峰 多重峰中相邻两个峰之间的距离称为偶合常数 J 单位为赫 Hz J的数值大小表示两个质子间相互偶合 干扰 的大小 当Ha和Hb化学位移之差 与偶合常数 Jab 之比大于6与上时 可用上述方法来分析自旋裂分的信号 当 接近或小于Jab时 则出现复杂的多重峰 等性氢之间不产生信号的自旋裂分 3 自旋偶合的限度 条件 1 磁等性质子之间不发生偶合 2 两个磁不等性质子相隔三个 键以上时 则不发生偶合 3 同碳上的磁不等性质子可偶合裂分 3 裂分峰数的计算 裂分峰数用n 1规则来计算 n 邻近等性质子个数 n 1 裂分峰数 例如 当邻近氢原子有几种磁不等性氢时 裂分峰数为 n 1 n 1 n 1 五 核磁共振谱的解析及应用 1 应用核磁共振谱图主要可以得到如下信息 1 由吸收峰数可知分子中氢原子的种类 2 由化学位移可了解各类氢的化学环境 3 由裂分峰数目大致可知各种氢的数目 4 由各种峰的面积比即知各种氢的数目 2 谱图解析 例某分子式为C5H12O的化合物 含有五组不等性质子 从NMR谱图中见到 a在 0 9处有一个二重峰 6H b在 1 6处有一个多重峰 1H 6 1 1 1 14重峰c在 2 6处有一个八重峰 1H 3 1 1 1 8重峰d在 3 6处有一个单峰 1H e在 1 1处有一个三重峰 3H 解析得其结构为 第三节紫外吸收光谱 一 紫外光谱及其产生1 紫外光谱的产生物质分子吸收一定波长的紫外光时 电子发生跃迁所产生的吸收光谱称为紫外光谱 一般的紫外光谱仪是用来研究近紫外区吸收的 2 电子跃迁的类型 与电子吸收光谱 紫外光谱 有关的电子跃迁 在有机化合物中有三种类型 即 电子 电子和未成键的n电子 电子跃迁类型 吸收能量波长范围 与有机物关系如下 可以看出 电子跃迁前后两个能级的能量差值 E越大 跃迁所需要的能量也越大 吸收光波的波长就越短 二 朗勃特 比尔定律和紫外光谱图 1 Lambert Beer定律当我们把一束单色光 I0 照射溶液时 一部分光 I 通过溶液 而另一部分光被溶液吸收了 这种吸收是与溶液中物质的浓度和液层的厚度成正比 这就是朗勃特 比尔定律 用数学式表式为 吸光度 吸收度 c 溶液的摩尔浓度 mol L L 液层的厚度 E 吸收系数 消光系数 若化合物的相对分子量已知 则用摩尔消光系数 E M来表示吸收强度 上式可写成 2 紫外光谱的表示方法 应用紫外光谱仪 使紫外光依次照射一定浓度的样品溶液 分别测得消光系数E或 以摩尔消光系数 或Iog 为纵坐标 以波长 单位nm 为横坐标作图得紫外光谱吸收曲线 即紫外光谱图 如下图 在紫外光谱图中常常见到有R K B E等字样 这是表示不同的吸收带 分别称为R吸收带 K吸收带 B吸收带和E吸收带 R吸收带为跃迁引起的吸收带 其特点是吸收强度弱 max10000 共轭双键增加 max向长波方向移动 max也随之增加 B吸收带为苯的跃迁引起的特征吸收带 为一宽峰 其波长在230 270nm之间 中心再254nm 约为204左右 E吸收带为把苯环看成乙烯键和共轭乙烯键跃迁引起的吸收带 三 紫外光谱与有机化合物分子结构的关系 一般紫外光谱是指200 400nm的近紫外区 只有 及跃迁才有实际意义 即紫外光谱适用于分子中具有不饱和结构 特别是共轭结构的化合物 1 孤立重键的跃迁发生在远紫外区2 形成共轭结构或共轭链增长时 吸收向长波方向移动 即红移 例如 3 在 键上引入助色基 能与 键形成P 共轭体系 使化合物颜色加深的基团 后 吸收带向红移动 例如 四 紫外光谱的应用 1 杂质的检验紫外光谱灵敏度很高 容易检验出化合物中所含的微量杂质 例如 检查无醛乙醇中醛的限量 可在270 290nm范围内测其吸光度 如无醛存在 则没有吸收 2 结构分析根据化合物在近紫外区吸收带的位置 大致估计可能存在的官能团结构 1 如小于200nm无吸收 则可能为饱和化合物 2 在200 400nm无吸收峰 大致可判定分子中无共轭双键 3 在200 400nm有吸收 则可能有苯环 共轭双键等 4 在250 300nm有中强吸收是苯环的特征 5 在260 300nm有强吸收 表示有3 5个共轭双键 如果化合物有颜色 则含五个以上的双键 4 分析确定或鉴定可能的结构 例 1 例 2 2 测定化合物的结构 辅助 有一化合物的分子式为C4H6O 其构造式可能有三十多种 如测得紫外光谱数据 max 230nm max 5000 则可推测其结构必含有共轭体系 可把异构体范围缩小到共轭醛或共轭酮 至于究竟是哪一种 需要进一步用红外和核磁共谱来测定 第五节质谱 MS 质谱法是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 第二离子等 通过这些碎片可以确定化合物的分子量 分子式和其结构 质谱法主要用于测定分子量 也用于分析分子的结构 质谱仪的灵敏度高 用量少 用时少 对微量 复杂的天然有机化合物结构的测定十分有效 一 质谱的基本原理 使待测的样品分子气化 用具有一定能量的电子束 或具有一定能量的快速原子 轰击气态分子 使气态分子失去一个电子而成为带正电的分子离子 分子离子还可能断裂成各种碎片离子 所有的正离子在电场和磁场的综合作用下按质荷比 m z 大小依次排列而得到谱图 使气态分子转化为正离子的方法 EI源FAB源 二 质谱图 质谱图由横坐标 纵坐标和棒线组成 横坐标标明离子质荷比 m z 的数值 纵坐标标明各峰的相对强度 棒线代表一定质荷比的离子 也可用质谱表来表示 如甲烷 三 离子的主要类型 形成及其应用 1 分子离子和分子离子峰 分子离子峰的特点 1分子离子峰一定是奇电子离子 2分子离子峰的质量数要符合氮规则 不含氮或含偶数氮的有机物其分子质量为偶数 含奇数氮的有机物其相对分子质量为奇数 分子离子峰的应用 分子离子峰的质荷比就是化合物的相对分子质量 所以 用质谱法可测分子量 分子被电子束轰击失去一个电子形成的离子称为分子离子 分子离子用M 表示 在质谱图上 与分子离子相对应的峰为分子离子峰 2 同位素离子和同位素离子峰 同位素离子峰的特点 1同位素一般比常见元素重 其峰都出现在相应一般峰的右侧附近 一定是奇电子离子 2同位素峰的强度与同位素的丰度是相当的 3分子离子峰与相应的同位素离子峰的强度可用二项式 A B n的展开式来推算 含有同位素的离子称为同位素离子 在质谱图上 与同位素离子相对应的峰称为同位素离子峰 同位素离子峰的应用 1 对于鉴定分子中的氯 溴 硫原子很有用 2 根据实验测得的质谱中的同位素离子峰的相对强度和贝诺 Beynon 表 经过合理的分析可以确定化合物的分子式 3 碎片离子和重排离子 EE 指偶电子碎片离子OE 指奇电子碎片离子 分子离子在电离室中进一步发生键断裂生成的离子称为碎片离子 经重排裂解产生的离子称为重排离子 由自由基引发的 由自由基重新组成新键而在 位导致碎裂的过程称为 裂解 裂解方式 1 裂解 醛 酮等含羰基的化合物易发生 裂解 2 裂解 胺 醇 醚 卤代烷等化合物可通过 裂解生成杂原子正离子 由正电荷 阳离子 引发的碎裂的过程称为i 碎裂 它涉及两个电子的转移 1i 碎裂一般都产生一个碳正离子 2对于没有自由基的偶电子离子 EE 只可能发生i 碎裂 3 i 碎裂 i 碎裂 卤代烷 醚 硫醚 胺等可通过i 裂解生成碳正离子 当 键形成阳离子自由基时发生的碎裂过程称为 过程 m z15m z29m z43 1由于 过程 烷烃的质谱会显示出m z15 29 43 57 71 一系列偶电子离子碎片 2对于正烷烃 这些不同碎片的离子强度有一定的规律 即C3H7 和C4H9 的强度最大 然后逐渐有规律地降低 3当存在叉链时 过程将优先在叉链处碎裂 4 过程 苄基型碳正离子 丙烯基型碳正离子 三级碳正离子是质谱中常见的碎片离子 它们分别是通过苄基型裂解 丙烯基型裂解 碳碳键的一般裂解形成的 如 H重排加上 裂解 或i 碎裂 或 过程 称为 H过程 H过程可以通过六元环状过渡态进行 也可以通过四员环状过渡态进行 奇电子离子可以通过自由基引发 H过程 偶电子离子可以通过正电荷引发 H过程 5 H过程 麦克拉夫悌重排裂解 Mclafferty 具有 H氢原子的側链苯 烯烃 环氧化合物 醛 酮等经过六元环状过渡态使 H转移到带有正电荷的原子上 同时在 原子间发生裂解 这种重排称为麦克拉夫悌重排裂解 麦克拉夫悌重排裂解失去一个稳定的中性小分子烯烃 有的分子离子裂解也会