第四章 光谱技术

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200-400nm的近紫外光。在有机化合物结构测定中应用的紫 外光谱一般是近紫外光谱。
近紫外光容易使有机分子中的电子,特别是共轭体系中的 电子激发而跃迁到较高能级的轨道中去,这些信息有助于对有 机分子共轭体系结构的了解。
紫外及可见光谱是用能产生波长为200-1000nm范围的 光源照射分子,分子对光源产生吸收而得到吸收光谱。
光 密 度
波长/nm
蒽醌(实线)
邻苯二甲酸酐 (虚线)
紫外可见吸收光谱仪
仪器简介:该仪器采用双光路,动态校正系统,具有多 样品池,高速扫描,定波长扫描,积分,多次微分等 特点,波长范围是190nm-1100nm。
例题: 化合物A、B、C分子式为C5H6,在催化剂作用下,均可吸收 3molH2,化合物B,C的IR吸收频率为3300 cm-1,而A在此区域无吸收, 化合物A和B紫外光谱λmax:230nm,化合物C在200nm以上无吸收,试 推导出A、B、C的结构式。
自旋偶合会产生共振峰的分裂,两裂 分峰之间的距离(以Hz为单位)称为 偶合常数,用J表示。
邻碳不等性质子相互偶合所得到的峰 组,其偶合常数是相同的。因此,在复 杂的核磁共振谱图中,通过比较不同峰 组的偶合常数,可以推断这些产生信号 的质子是否在相邻的碳原子上。
补充:质子相邻碳上不同类质子
例1: 化合物Cl2CH-CH2-CHBr2中的-CH2-应分裂成 (1+1)(1+1)=4重峰;
解:(1)根据可吸收3molH2和分子式,可知三化合物不饱和度为3。 (2)根据在3300 cm-1有红外吸收,表明B、C含有炔氢,而A则无。
。。。。。。。。。???
显微红外光谱仪
2、紫外光谱(Ultraviolet Spectra-scopy)
广义的紫外光包括波长为100-200nm的远紫外光和波长为
CH3 O CH2Cl
CH3
O CH3 C OCH3
CH3
对于一个化合物的NMR谱,吸收峰的数目等于分 子中不等性质子的数目,各个吸收峰的面积之比等于 积分曲线高度之比,也等于质子数之比。
吸收峰的裂分
例1: 乙醇的核磁共振谱
自旋偶合和自旋裂分
除了质子核外的电子影响引起化学位移外,还存在同一分子 中相邻氢原子核间的相互作用,这种作用对化学位移不产生 影响,但图谱的性质发生了变化,峰形产生裂分。这种作用 称为自旋偶合,自旋偶合引起的谱线增多现象叫做自旋裂分。
某化合物分子式为C4H8Br2,其核磁共振谱图如下, 试推断其构造式。
CH3CHBrCH2CH2Br
根据光谱数据给出化合物的结构。 化合物A分子式C9H12, δH:7.25(5H,m),2.80(1H,7重峰,J=7HZ),
1.22(6H,d,J=7HZ)
2.80 1.22
CH(CH3)2
7.25
解:(1)根据可吸收3molH2和分子式,可知三化合物不饱和度为3。 (2)根据在3300 cm-1有红外吸收,表明B、C含有炔氢,而A则无。 (3)根据A、B紫外光谱λmax:230nm,说明化合物分子中存在共轭
A为: 为 : C为:
CH2=CHC≡CCH3
CH2 CC CH
CH3 CH2=CHCH2C≡CH
(2)NMR有三组峰,说明有三种不等价的H;其中两组H是
偶合
的,根据裂分峰的数目推测为-CH2-CH3,另一单
峰为-CH3,推测结果为:
CH3-CO-CH2-CH3 2-丁酮
例2: 根据下面的核磁谱图,推测分子式为C4H7Br3的结构.
解:两种不等价质子,比例为4∶3;两个均为单峰,它们 之间不相邻,不偶合;Br是强电负性元素,能导致与其相 连的碳上H的化学位移向低场移动。因此推测该结构为:
自旋偶合通常只在两个相邻碳上的质子之间发生; 当质子相邻碳上有n个同类质子时,吸收峰裂分为n+1个; 不同类质子分裂成(n+1)(n′+1)个; 不相邻的质子之间不发生偶合裂分。
1,1,2-三氯乙烷的核磁共振谱
例如:1,1,2-三溴乙烷
Br Ha C
Br
Br C Hb Hb
偶合常数Jab=Jba
δ=3.35(三重峰,4H) 请写出A、B、C、D的构造式。
A.
BrH2C BrH2C
C CH3 CH3
1分
B. H3C
Br
CH3
1分
Br
Br
CH3
C.
CH C CH3
1分
D. BrH2C
Br
CH3
CH2Br
2分
4、质谱(MS,Mass Spectrometry)
质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。即以某种
化合物A和B:分子式均为C5H10O,其IR:1715cm-1 强吸收,1HNMR图谱中A为1.5(6H,三重峰),2.47 (4H,四重峰)。B的1HNMR为:1.02(6H, 两重峰), 2.13(3H,单峰), 2.22(1H,多重峰),推出化合物A、 B的结构。
O A CH3CH2CCH2CH3
例2: ClCH2-CH2-CH2Br中间的-CH2-应分裂成 (2+1)(2+1)=9重峰.
例1:某化合物分子式为C4H8O,IR谱显示在1720cm-1处有 强吸收。NMR谱δ1.0三重峰(3H),δ1.9单峰(3H),δ2.7 四重峰(2H)。试推测该化合物的结构。
解:
(1)IR 1720cm-1表明有羰基-CO-
低 场
1-硝基丙烷的1HNMR谱图 3,3-二甲基-1-丁炔的1HNMR谱图
由于化学位移偏差的距离极其微小,约为外磁场强度的百 万分之十。要精确测定绝对值相当困难。
通常采用内标法:以四甲基硅烷(TMS)作基准物(零 点),一般有机物的质子共振峰都出现在小于零的位置上。
δ = ν S ν TMS ν0
常用仪器:60MHZ和100MHZ
核磁共振光谱 (NMR300)
核磁共振谱分析 质子的能级差是一定的,但有机化合物中的质子周围都有 电子,电子对外加电场有屏蔽作用,屏蔽作用的大小与质子周 围电子云密度有关。 各个不同化学环境下的质子其屏蔽作用的大小是不同的。 电子云密度高,屏蔽作用大,该质子的共振信号就在较高的 磁场强度下发生。
× 106 (ppm)
• 越小,对应的磁场强度高
ν0 是核磁共振仪的频率,通常为60MHZ或 100MHZ,300MHZ等.
各类特征质子的化学位移表
质子的化学位移是由质子的电子环境决定的,在同一分 子中,具有相同化学位移的质子称为磁等价质子。如:
H
H
H
H
H
H
HH
H
H
H
H
H
H
HH
O
C
H3C
CH3
下列分子有两组不等价质子,有两组峰。
近红外 (λ=0.78~3μm,σ=12820~3333cm-1) 中红外 (λ=3.0~30μm,σ=3333~333cm-1) 远红外 (λ=30~300μm,σ=333~33cm-1)
一般的红外吸收光谱指的是中红外范围。
当辐射光的能量正好等于电子的较高和较低两个能级 之差时辐射才能被吸收,即分子吸收辐射能是量子化。
(c)有烯、苯存在,解析指纹区(1000~650cm-1)。
烷烃的红外光谱 正辛烷的红外光谱
烯烃的红外光谱
1640cm-1 C=C键的伸缩振动 3080cm-1为=C-H伸缩振动
1-辛烯的红外光谱
炔烃的的红外光谱
1-己炔红外光谱图
3310~3320 cm-1: C≡C-H 2850~2950 cm-1: CH3, CH2
对某一分子来说,它只吸收某些特定频率的辐射。
把某一有机化合物对不同波长的辐射的吸收情况(以透射 率%或吸光度表示)记录下来,就是这一化合物的吸收光谱 (如红外光谱,紫外光谱等)。
吸收光谱与分子结构的关系密切。
烷烃的红外光谱 正辛烷的红外光谱
(2)分子振动
分子吸收了红外线的能量,导致分子内振动能级的跃迁而产生 的记录信号即为红外光谱图。
2200 cm-1的叁键区有振动吸收峰
如何区别1-己炔和2-己炔?
2-丁醇的红外光谱谱图
苯乙醚的红外光谱谱图
2-丁醇的红外光谱谱图 苯乙醚的红外光谱谱图
例题: 化合物A、B、C分子式为C5H6,在催化剂作用下,均可吸收 3molH2,化合物B,C的IR吸收频率为3300 cm-1,而A在此区域无吸收, 化合物A和B紫外光谱λmax:230nm,化合物C在200nm以上无吸收,试 推导出A、B、C的结构式。
O B CH3CCHCH3
CH3
分子式为C5H10Br2的同分异构体的核磁共振谱的数据如下: A:δ=1.0(单峰,6H) δ=3.4(单峰,4H) B:δ=1.0(三重峰,6H) δ=2.4(四重峰,4H) C:δ=1.0(单峰,9H) δ=5.3(单蜂,1H) D:δ=1.3(多重峰,2H) δ=1.85(多重峰,4H)
宇 宙 线
X γ
射 线
源自文库
紫 可红 射 外 见外 线 线 光光
微 波
波长/m 10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2
无 线 电 波 100 102
红外光谱是以连续波长的红外线为照射源,提供了 分子振动的信息(分子振动能级的跃迁)。
红外光波长范围 0.7~500μm,可分为三部分:
第4章 现代光谱技术
确定有机化合物组成和结构通常可采用:化学方 法和光谱分析方法。
化学分析方法:鉴定需要较多的原料;较长的周期。 光谱分析方法:鉴定只需要微量的原料;能快速、准
确地给出化合物的组成和结构信息。
1、红外光谱 IR(Infrared Spectroscopy)
(1)电磁波:也称作电磁辐射,其波长范围很广。
核磁共振是原子核在外磁场中吸收电磁波后从一个 自旋能级跃迁到另一个自旋能级而产生的波谱。
核磁共振仪在操作中,可以把物质放在恒定强度的磁场中, 逐渐改变辐射频率来进行测定,当频率恰好等于能级差时, 即可发生共振吸收,记录仪把吸收信号记录下来。由于磁场 强度与共振频率成正比,所以也可以在固定辐射频率的基础 上,改变磁场强度,当磁场达到一定强度时,即可发生共振。
分子式为C H O异构体,推测其结构。 78
NMR谱δ3.7单峰(1H),,δ4.5单峰(2H), δ7.3单峰(5H) 。
用红外光谱法或1H NMR法鉴别下列化合物。
1H NMR法: 己烷化学位移在1左右; 1-己烯的双键H化学位移在 5~6; 1-己炔的端基H化学位移在1.8左右。 红外光谱: 己烷的碳氢伸缩振动峰在2800~3000cm-1; 1-己烯的 碳氢伸缩振动峰比己烷略高,在1620~1680 cm-1有C=C伸缩振动 峰; 1-己炔在2200 cm-1的叁键区有振动吸收峰。
BrCH2
CH3
C
BrCH2
Br
例3:分子式为C7H14O,1HNMR谱δ1.1单峰(9H),δ2.1单 峰(3H),δ2.5单峰(2H)。推测其结构。
思考题:化合物分子式为C3H7Cl,NMR谱有两个三重峰,一 个在0.9,另一个在低场。后者的强度是前者的2/3,另外, 在这两个三重峰之间又有一个多重峰,试写出其结构。
或CH3CH=CHC CH
3、核磁共振谱(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)
自50年代中期核磁共振技术开始应用于有机化学,至 今已发展成为研究有机化学最重要的光谱工具之一,它 最主要的用途就是确证有机化合物的结构。
核磁共振的主要研究对象是H1;C13近年来已引起注意, 我们主要学习1HNMR
指纹区(1500~650cm-1)
常见官能团的特征伸缩振动频率
(3)图谱解析 解析红外光谱的一般步骤: (a)根据有机化合物的分子式计算不饱和度。
不饱和度=C原子数+1-H原子数/2-卤原子数/2+ 三价氮原子数/2
(b)分析官能团区(4000~1500cm-1)的吸收峰, 推断分子中可能存在的官能团。
三原子分子的可能振动方式为:
对称伸缩振动 不对称伸缩振动
由于有机化合物为多原子分子,其红外光谱图必定 非常复杂,我们不可能对谱图上的每一个吸收峰都 作出解析,只要找出它们各自官能团中最典型的吸 收峰就可以了。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。
红外光谱可分为两个区域:
官能团区(4000~1500cm-1)
答案: ClCH2-CH2-CH3 ClCH2-CH2-CH3
•A样品核磁共振谱 •B样品核磁共振谱
分子式为C10H14异构体,推测其结构。
1. NMR谱δ0.8二重峰(6H),δ1.8多重峰(1H), δ2.5二重峰(2H), δ7.2单峰(5H) 。 2. NMR谱δ1.3单峰(9H), δ7.3单峰(5H) 。
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