有机化合物的结构鉴定

有机化合物的结构鉴定方法,泛谷科技公司刘恩桂,目录,核磁共振,红外光谱,质谱,紫外光谱,紫外光谱,紫外吸收光谱的波长范围是100-400nm（纳米），其中：100-200nm:为远紫外区，在该波长范围内，空气中的N2、O2、CO2、H2O等都有吸收，因此只有在真空中进行研究，又称真空紫外；200-400nm:为近紫外区，一般的紫外光谱是指近紫外区；400-800nm:为可见光区波长。常见的分光光度计包括紫外和可见两部分，称紫外-可见分光光度计。,1.1紫外光谱的产生,紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的。,一、基本原理,电子能级的跃迁所需能量最大，约120eV之间，根据E=hhc/，需要吸收光的波长范围在2001000nm之间，恰好落在紫外可见光区域。因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也称之为电子光谱,当吸收光的波长位于400800nm可见光区内，物质呈现颜色，所显示的颜色是吸收光的补色。如吸收光（补色）：400465/紫（黄绿），465480/兰（黄），480550/绿（红紫），550580/黄（兰），580600/橙（兰带绿），600800/红（兰绿）,有机分子主要有三种价电子：形成单键的电子、形成双键的电子和未成键的孤对电子（n电子）,各种跃迁所需能量的大小顺序为：*n*n*,各种电子跃迁的相对能量,1.2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。,紫外光谱图是由横坐标、纵坐标和吸收曲线组成的。,横坐标表示吸收光的波长，用nm（纳米）为单位。纵坐标表示吸收光的吸收强度，可以用A（吸光度）T%（透射比或透光率或透过率）、（1-T）%（吸收率）、（吸收系数）、（摩尔消光系数）中的任何一个来表示。吸收曲线表示化合物的紫外吸收情况。曲线最大吸收峰的横坐标为该吸收峰的位置max，纵坐标为它的吸收强度。,二、紫外光谱图的组成,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）,2.1朗勃特比尔定律和紫外光谱图,max,T%,50,100,0,280,360,log,max,0,1.0,2.0,3.0,280,360,乙酸苯酯的紫外光谱图,三、各类化合物的紫外光谱,只有部分饱和有机化合物（如C-Br、C-I、C-NH2）的n*跃迁有紫外吸收。CH3Cl/172nm(弱)，CH3OH/183nm（150），CH3Br/204nm（200），CH3NH2/215nm(600)，CH3I/258nm(365),3.1饱和烃,C=C双键可以发生*跃迁，其电子跃迁所需的能量比电子小，因此其跃迁几率大，在5000100000左右。一个C=C双键的电子跃迁出现在170200nm处，在近紫外区，一般检测不到，单个CC和CN三键的电子跃迁也小于200nm,乙烯max185nm(10000)；1，3-丁二烯max217nm(21000)；1，3，5己三烯max258nm(35000)；癸五烯max335nm(118000)，淡黄色；二氢胡萝卜素（8个双键）max415nm(210000)，橙黄；番茄红素max470nm(185000)，红色,3.2不饱和脂肪族化合物,芳香族有机化合物都具有环状的共轭体系，一般来讲，它们都有三个吸收带。最重要的芳香化合物苯的吸收带为：I、max=184nm(=47000）II、max=204nm(=6900）III、max=255nm(=230）,3.3芳香族有机化合物,该公式为：max=母体二烯烃（或C=C-C=O）+环内双烯+环外双键+延伸双键+共轭体系上取代烷基+共轭体系上取代的助色基,实例,max=217nm（母体二烯烃）+35nm（环外双键）+30nm（延伸双键）+55nm(共轭体系上取代烷基）=287nm,应用伍德沃德和费塞尔规则来估算化合物紫外吸收max的位置。,四、max与化学结构的关系,生色基：能在某一段光波内产生吸收的基团，称为这一段波长的生色团或生色基。常见的生色团有CC-C=C，C=O，COOH，C=C，Ph，NO2，CONH2，COCl，COOR等;助色基：当具有非键电子的原子或基团连在双键或共轭体系上时，会形成非键电子与电子的共轭（p-共轭），从而使电子的活动范围增大，吸收向长波方向位移，颜色加深，这种效应称为助色效应。能产生助色效应的原子或原子团称为助色基。如：X，OH，OR，NH2，NR2，SR.等。,五、吸收位置及影响因素,红移现象：,蓝移现象：,增色效应：,由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向长波方向移动的现象称为红移现象。,由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向短波方向移动的现象称为蓝移现象。,使值增加的效应称为增色效应。,使值减少的效应称为减色效应。,减色效应：,6.1一般规律：如在200800nm无吸收，1，则标明分子中不含直链和环状的共轭体系，无CHO,RBr,RI，可能是脂肪烃、脂肪胺、醚、羧酸、氟代烷、氯代烷等。如在210250nm有吸收，则可能是碳链较长的羧酸、酰胺、醇、硫醇、硫醚等低共轭体系。如在250300nm有弱吸收，则表明有C=O，中等吸收是苯核的特征。如化合物有颜色，则分子中所含共轭的生色、助色基的总数将大于5，（例外：偶氮，亚硝基，乙二醛、碘仿等）。如一个光谱示有许多吸收谱带，其中一些甚至出现在可见光区，可推知该化合物可能含有一个长链共轭发色团和一个多环芳核发色团。,六、紫外图谱解析,6.2关于值：一个值在1000020000之间的吸收峰表明分子中有，不饱和酮基或共轭双烯。值在10001000之间的谱带一般表明有苯环存在，当芳环上有能增长发色团的基团取代时，光谱中将出现10000的谱带，同时伴随某些小于10000的谱带（*）。100的谱带表明有n*跃迁,红外谱图基本知识红外吸收强度一般用强弱表示：很强（verystrong,vs;200）强（strong,s;=75200）中（medium,m;=2575）弱（weak,w;=525）很弱（veryweak,vw;5）变化（variable,v）（：摩尔吸光系数）,红外光谱,红外光谱原理：双原子分子的红外吸收频率：1.经典力学处理：,k：化学键的力常数：折合质量,2.量子力学处理：,为基频,多原子分子的红外吸收频率：多原子分子有多种振动模式：非线性分子的振动：3n-6个自由度（基本振动）线性分子的振动：3n-5个自由度（基本振动）,伸缩振动(stretching)：沿键轴方向伸、缩的振动，其吸收频率相对在高波数区。弯曲振动(bending)：除伸缩振动以外的其它振动，其吸收频率相对在低波数区。,红外吸收强度：红外吸收强度由振动时偶极矩变化的大小决定。分子中含有杂原子时，其红外谱峰一般都较强。,红外谱图解析红外吸收波段：4000-2500cm-1X-H（X=C、N、O、S）伸缩振动区2500-2000cm-1三键和累积双键伸缩振动区2000-1500cm-1双键伸缩振动区1500-1300cm-1部分伸缩振动，C-H弯曲振动1300-910cm-1分子骨架伸缩、弯曲振动910cm-1以下苯指纹区（C-H弯曲振动），烯的C-H弯曲振,红外谱图解析要点及注意事项:红外吸收谱的三要素（位置、强度、峰形）同一基团的几种振动的相关峰是同时存在的红外谱图解析顺序（1）由官能团区找出官能团（2）判断苯环取代位置、烯的取代等（3）与标准红外谱图对比标准红外谱图的应用Sadtler红外谱图集,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。,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。,一、质谱的基本原理,用质谱法测定化合物的分子量和分子式是目前最快速而准确的方法。质谱的另一个主要用途就是解析分子结构。,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。,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。,定义：具有磁矩的原子核处于强磁场中因电磁波照射发生跃迁而产生的吸收光谱为核磁共振谱。核磁共振是有磁矩的原子核（如1H、13C等）在磁场中受电磁波的辐射，产生能级跃迁而获得的共振信号。核磁共振谱与红外光谱相辅相成，为确定中药有效成分的分子结构提供强有力的依据，使成分结构鉴定更容易。常用的核磁共振波谱有氢核磁共振谱，简称氢谱（1H-NMR）。碳核磁共振谱，简称碳谱（13C-NMR）。氢谱和碳谱互相补充，已成为化合物结构研究中不可缺少的工具。,核磁共振,一、核磁共振基本原理,核自旋与原子核的质子数、中子数、质量数有关：,二、化学位移,定义：化学位移是分子中不同类型的氢核由于电子屏蔽效应的不同，其共振吸收峰出现在NMR谱中的位置的差异。通常以（CH3)4Si（TMS）作为标准物质，以其出现在高磁场的信号为原点，其他氢核的共振信号与原点之间的相对距离即化学位移值。,核磁共振氢谱化学位移,常见氢核的化学位移表,活泼H(-OH、-NH2、-COOH)遇到D2O，信号消失。,甲苯的核磁共振谱,三、峰面积,在NMR谱中，共振吸收峰的面积与产生此吸收的氢核数目成正比，因此可利用共振吸收峰的面积判断产生此吸收的氢核的数目。,四、自旋偶合与偶合常数,分子中位置相近的质子之间自旋的相互影响称为自旋偶合。自旋偶合使共振信号分裂为多重峰(呈杨辉三角)。相邻的裂分小峰之间的距离称偶合常数（J），偶合常数单位为Hz。,裂分规律：,五、核磁共振谱的解析,根据核磁共振谱提供的重要信息化学位移d值、积分值和自旋偶合裂分，可以分析未知物分子中氢核的分布情况。并结合紫外光谱、红外光谱、质谱所得到的数据，以及被分析物质的基本理化性质，就能够确定未知物的结构式。,NMR谱的解析要点：,从信号的数目可知分子中有多少种不同类型的质子