有机化学第11章测定有机化合物结构的物理方法

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λmax=256nm(CH3OH)
OH
ε=200
ε=1450
λmax=270nm(CH3OH)
NH2
λmax=280nm(CH3OH)
ε=1430
三、紫外-可见光谱的应用

用来推测分子中是否存在发色团和共轭体系 只要分子中含有相同的发色团和共轭结构,就有相似的光谱。 用来测定某些顺反异构体的构型。
指纹区



在红外光谱中1400-650cm-1范围为指纹区 此范围内的吸收峰十分密集,它们是各种弯曲振动及 C-X(X=C、N、O等)单键的伸缩振动产生,各个化合 物在结构上的微小差异都会在此范围的谱图上反映出 来,因而称为指纹区。 如未知物的红外光谱中的指纹区与Sadlter光谱集中的 某一标准样品的图谱完全相同,就可以断定它和标准 样品是同一化合物。
π*
π4*
hν π
基态 激发态
π3* π2 π1
乙烯
1,3-丁二烯有吸收λmax=217nm
1,3-丁二烯分子中 的最高已占轨道和 最低未占轨道的能 级差比孤立的双烯 的能级差小,使π 电子跃迁所需的能 量就小,所以有吸 收

共轭双键数目增加,吸收带进一步向长波方向移动。
CH2
CH CH
CH2 CH
三、基团的特征吸收频率与指纹区


红外光谱的吸收峰是由键的振动引起的,同一类型的 化学键的振动频率非常相似,总是出现在某一固定的 范围内,因此有机化合物中的各类官能团和一些基团 具有特征的吸收峰。 在红外光谱中1500-3700cm-1范围为官能团区。 官能团的伸缩振动吸收峰彼此之间极少重叠可以推测 未知化合物中所含的官能团。 例如在2100-2600cm-1处没有吸收峰,就可以肯定该化 合物不含有炔键和氰基。
二、制样的方法
1 .气体样品
气态样品可在玻璃气槽内进行测定,它的两端粘有红外透光的NaCl 或KBr窗片。先将气槽抽真空,再将试样注入。
2 . 液体和溶液试样
(1)液体池法 沸点较低,挥发性较大的试样,可注入封闭液体池中,液层厚 度一般为0.01~1mm。 (2)液膜法 沸点较高的试样,直接直接滴在两片盐片之间,形成液膜。对 于一些吸收很强的液体,当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱 图时,可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。一些固体也可以溶液 的形式进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有 强烈的吸收,不侵蚀盐窗,对试样没有强烈的溶剂化效应等。
2.
3.
红外光谱的表示

红外光谱图。红外光谱图横坐标为频率(常用波数表 示)或波长,横坐标表示吸收峰的位置,纵坐标为百 分通过率或吸光度,它们表示峰的强度。百分透过率 定义为:
T% I ×100% I0
I 透射光强度 I0 入射光强度

有机化合物的红外光谱一般在液态、固态或溶液中测 定,固体样品常用与KBr粉末混合压成薄片,或分散 于石蜡油中进行,样品的状态和溶液的浓度对吸收峰 的位置有影响,因此必须说明。
§11.1 紫外光谱


与红外光相比,紫外光的波长短,频率高,因而具有 较高的能量。 有机分子吸收紫外光后,发生电子能级的跃迁,所测 得的吸收光谱叫紫外光谱(UV)。一般的紫外光谱 仪所用的波长的范围为200-800nm,即包括可见光区, 所以也叫紫外-可见光谱。 表示:横坐标波长(nm),纵坐标为吸光度A。吸光 度与测定时溶液的浓度c和光通过的溶液的厚度l有关。 I ε c l A lg 0 I ε为摩尔消光系数,纵坐标也可用ε或lgε表示。

2.振动能级和产生红外光谱的条件

分子振动是量子化的,具有一定的振动能级,其能量为: E=(υ +1/2)hν0。 υ是振动量子数,υ=0、1、2……。 ν0为 基本频率。两个能级之间的能级差ΔE=h ν0 ,
简谐振动 双原子分 子的振动 红外光谱中的吸收带是由分子吸收一定频 率的红外光,发生振动能级的跃迁而产生 的,但并不是所有的跃迁均产生吸收。 首先振动能级的跃迁一般只在相邻的两个 能级之间发生,同时通常大多数分子处于 最低振动能级,即振动基态,因而当吸收 的红外光的频率等于分子振动的基本频率 时,分子由基态跃迁到第一激发态,这叫 振动的基本跃迁,基本跃迁在红外光谱上 出现的吸收峰叫做基频峰。



由于电子发生能级跃迁时,伴随发生振动和转动能级 的变化,因而紫外-可见光谱的吸收带比较宽。报道 数据时,一般指出吸光度极大处的波长λmax及相应的 摩尔消光系数ε,溶剂对吸收带的位置有一定的影响, 因此必须注明测定时所用的溶剂。 如λmax =252nm(CH3OH),ε =12300。 有机分子吸收一定波长的紫外-可见光后,发生价电 子的跃迁,这时所吸收的光量子的能量等于两个电子 能级之间的能量差(ΔE=h· ν) 电子跃迁的类型: ζ→ζ*、n→ζ* 、 π→π* 和n→π*
二、电子跃迁



各类跃迁时所需能量大小的一般顺序: ζ→ζ* >n→ζ* >π→π* >n→π* ζ* π*
ζ→ζ* n→ζ* π→π*
各种电子跃迁所需能量大小示意图
n
n→π*
π ζ
1. ζ→ζ* 跃迁

有机分子中ζ电子结合的很牢固,成键和反键轨道之 间的能量差很大,要使电子跃迁需要较高的能量,通 常需要波长在150nm以下的光,因此,只含有ζ键的 化合物如烷烃,在紫外-可见区没有吸收。
紫外 可见
200 400
近红外 红外 远红外 微波 无线电波
800 2500 2.5 4000 25000 25 400
600
60
例如分子吸收了紫外可见光,能引起价电子跃迁到较高的能级,产 生紫外-可见光谱。 分子吸收了红外光,能引起分子中振动能级的跃迁,产生红外光谱。 吸收无线电波引起分子中某些原子核的自旋跃迁,产生核磁共振。
迁类型
CH3CH=O 甲醛 CH3CH=CHCH=O 2-丁烯醛
n→π* λmax=293nm ε=17 π→π* λmax=170nm ε=10000 n→π3* λmax=320nm ε=19 π→π3* λmax=218nm ε=18000

ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在光谱术语中,把能够吸收紫外-可见光的孤立官能团叫做 发色团,发色团是具有π→π* 和n→π* 跃迁的基团,如碳碳 叁键,C=C、C=N、C=O、-N=N-、-NO2、-NO 等。 有些官能团在紫外-可见区无吸收带,但它们与发色团连接 在一起时能使吸收带向长波的方向移动,并使吸收的程度 增加,这种官能团叫做助色团。助色团是含有未共用电子 对的杂原子的饱和基团。常见的助色团有-OH、- OR、—NH2、-NHR、-X等。



电磁波的粒子性:E=hν=hc/λ 有机分子吸收了一定波长的电磁波便获得了某种量子化 的能量,从而导致分子中相应能级的跃迁,产生特征的 光谱。
紫外可见光谱 红外光谱 核磁共振 5.0×108 5.0 ×109
远紫外
波长 (nm) 100 (μm) 波数 (cm-1) 频率(MHz)

醇羟基上有未共用电子对,它们占据非键轨道( n轨 道),其能级比ζ轨道高,吸收光能可以使非键电子 跃迁到反键轨道( n→ζ* )。但n→ζ*跃迁需要波长 200nm以下的光,所以也无紫外-可见吸收。
2 . n→ζ*跃迁

3.π→π*跃迁

烯烃分子中的π轨道能级比ζ轨道高,而π*反键轨道比ζ*轨道低, 所以吸收光可以使π电子跃迁到π*轨道( π→π* )。但含有孤立 的烯烃的吸收带也在200nm以下,如乙烯165nm。
3 . 固体试样

(1)压片法 将1~2mg试样与200mg纯KBr研细均匀,置于模具中,用5~10MPa 压力在油压机上压成透明薄片,即可用于测定。试样和KBr都应经 干燥处理,研磨到粒度小于2微米,以免散射光影响。 (2)石蜡糊法 将干燥处理后的试样研细,与液体石蜡或全氟代烃混合,调成糊状, 夹在盐片中测定。 (3)薄膜法 主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融制或压制成 膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中,涂在盐片上,待溶 剂挥发后成膜测定。
ν 1 k 2π √ μ
1 k 2π c √ μ
因为
ν
ν c
m1 m2 m1 + m2
所以
ν
1303

k μ
μ
折合质量
1.
由上式可知: 原子的原子量越小,振动的频率或波数越高。组成 O-H、N-H、C-H等键的原子中一个是原子量小的氢, 它们的折合质量μ比别的键如C-O、C-N、C-C等小 的多,而单键的力常数都在4-6之间,所以O-H、 N-H、C-H等键的伸缩振动吸收峰在高波数区域出现。 键的力常数越大,振动频率或波数越高, C 、 C C C C C 的力常数分别为12-18、8-12、4-6,所以在红 外上伸缩振动出现的波数区域逐渐降低,依次分别 为2100-2260cm-1、1620-1680cm-1 、700-1200cm-1 。 弯曲振动不改变键长,键常数较小(k<1),所以产生 的吸收峰在低波数区域出现。
ν3 ν1 ν2
ν0


其次,红外光的能量从外界到有机分子的转移是通过分 子偶极矩的变化来实现的,因而只有伴随有偶极矩变化 的振动才能吸收红外光产生红外光谱。 3. 影响振动频率的因素 有机分子中的各个化学键可以近似的看作双原子分子, 双原子分子化学键的振动又可以近似的按谐振运动来处 理,所以键的振动频率与振动原子的质量及键的强度 (键的力常数)有关。
第十一章
测定有机化合物结构的物理方法
测定有机化合物结构重要手段

红外光谱,紫外光谱,核磁共振谱及质谱 优点:快速、样品用量少、准确度高。
§11.1电磁波谱的基本概念
电磁辐射是光量子波,具有波动性和粒子性 ν=c/λ ν:电磁波振动频率,单位赫兹(Hz)和兆赫兹(MHz) 常用波长的倒数(1/ λ),即波数ν表示,单位cm-1。 λ:波长,常用单位微米和纳米 按波长或频率的不同,可将电磁波谱分为若干区域。
一、红外光谱法对试样的要求

红外光谱的试样可以是液体、固体或气体,一般 应要求:
(1)试样应该是单一组份的纯物质,纯度应>98%或符合 商业规格才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组份试 样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进 行分离提纯,否则各组份光谱相互重叠,难于判断。 (2)试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收,会严重 干扰样品谱,而且会侵蚀吸收池的盐窗。 (3)试样的浓度和测试厚度应选择适当,以使光谱图中的 大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。



羰基化合物的种类较多,羰基所处的环境不同,它们 的伸缩振动频率也会有一定的差异,主要几类饱和脂 肪族羰基化合物的羰基振动吸收频率(cm-1)为: -1810 -1760 -1800 -1735 -1725 -1715 -1710 -1690 酰酐 酰卤 酯 醛 酮 羧酸 酰胺 如果羰基和一个双键或苯环共轭,振动频率会降低30 cm-1左右。

顺反异构体的紫外-可见光谱有显著的差异,通常E构型的λmax 和ε值大于Z构型。在E构型中,烯键和苯环在同一平面内,形 成稳定的共轭体系,而在Z构型中由于立体障碍,苯环偏离烯 键所在的平面,共轭程度减小,λmax和ε值减小
§11.1红外光谱
一、红外光谱的原理
用连续的红外光为光源照射样品,分子发生键振动能级的跃迁, 所测得的吸收光谱叫红外光谱,Infrared Spectra(IR)。通常 的波数4000-400cm-1。 1. 分子的振动类型 (1)伸缩振动。沿着键轴伸长或缩短的振动 特点:键长变,键角不变,分为对称和不对称伸缩。 (2)弯曲振动。相邻原子键的原子离开键轴方向上下左右的振动。 特点:键角变,键长不变,分为面内弯曲和面外弯曲振动。
CH2
ε=35000
1,3,5-已三烯
λmax=265nm
β-胡萝卜素
λmax=487nm
ε=130000
4. n→π*跃迁


羰基化合物,如丙酮,其羰基氧原子上有未共用电子对, 吸收光能时,电子可能发生如下跃迁: ζ→ζ* ,n→ζ* , π→π* (λmax=188nm), n→π* (λmax=279nm) 。其中 n→π* 跃迁产生的吸收带在200nm以上,所以在紫外-可见光 谱图上,在275-297nm有弱的吸收带,一般可以认为是醛 或酮。 在α,β-不饱和醛酮中,碳碳双键与碳氧双键组成共轭体系, 其吸收带也向增加波长的方向移动。如: 确认峰的跃
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