有机化学 第18章 光谱法在有机化学中的应用

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1、.紫外光谱紫外光谱0. 电磁波谱的一般概念电磁波谱的一般概念.红外光谱红外光谱.核磁共振谱核磁共振谱光谱法在有机化学中的应用光谱法在有机化学中的应用 有机化合物分子结构的测定是研究有机化合物的重要组成部分。有机化合物分子结构的测定是研究有机化合物的重要组成部分。长期以来，确定一个有机化合物的结构主要依靠化学方法（即从有长期以来，确定一个有机化合物的结构主要依靠化学方法（即从有机化合物的化学性质和合成来获得对结构的认识）。机化合物的化学性质和合成来获得对结构的认识）。化学方法测定有化学方法测定有机机 化合化合 物物 结结 构构 样品用量大样品用量大 工作繁重工作繁重 分析时间长分析时间长 准确性

2、差准确性差如：如：化学方法化学方法测定测定胆固醇胆固醇，其结构的确定用了，其结构的确定用了38年的时间（年的时间（1889 1927年）年）分子式：分子式： C27H45OH引言引言 近三、四十年来，由于科学技术的飞速发展，运用物理方法，如近三、四十年来，由于科学技术的飞速发展，运用物理方法，如X衍射衍射、红外光谱红外光谱、紫外光谱紫外光谱、核磁共振谱核磁共振谱和和质谱质谱等来测定有机化合等来测定有机化合物的结构已成为常规的工作手段。物的结构已成为常规的工作手段。物理方法的优点物理方法的优点 样品用量小（样品用量小（g-mg) 分析时间短分析时间短 精确度高（精确度高（质谱法质谱法误差误差10

3、-9，而，而化学法化学法 5%) 近代物理方法弥补了化学近代物理方法弥补了化学方法的不足，大大丰富了鉴定方法的不足，大大丰富了鉴定有机化合物的手段，明显地提有机化合物的手段，明显地提高了确定结构的水平高了确定结构的水平.近代物理方法近代物理方法紫外光谱紫外光谱（uv)红外光谱红外光谱（IR）核磁共振谱核磁共振谱（NMR）质谱质谱（MS）引言引言光光是一定波长范围的是一定波长范围的电磁波电磁波 电磁波的区域范围很广，根据波长不同，电磁波可分为电磁波的区域范围很广，根据波长不同，电磁波可分为若干个区域：若干个区域：一般概念一般概念1.电磁波的区域划分电磁波的区域划分1. 波动性波动性光或电磁波具有

4、两性：光或电磁波具有两性：波动性、微粒性波动性、微粒性 光的传播服从波动的规律性，即光的传播服从波动的规律性，即. = c 波长，光波移动一周的距离。波长，光波移动一周的距离。 频率，每秒钟出现的周数，频率，每秒钟出现的周数， 单位：单位：赫赫(Hz) 或或周周 / 秒秒式中：式中：c 光速，即光速，即31010cm/s; 1nm = 10-3m = 10-7cm = 10-9m = 10A。一般概念一般概念2.波长与频率波长与频率2. 微粒性微粒性光光由具有一定由具有一定能量能量的微观粒子的微观粒子光量子光量子组成组成h 普朗克普朗克(Planck)常数常数h= 6.6310-34 J S

5、(焦焦秒秒)光量子光量子的能量的能量( (E) )与光的频率及波长之间的关系为：与光的频率及波长之间的关系为：E=h = h = h c c 一般概念一般概念2.波长与频率波长与频率1. 吸收光谱的产生吸收光谱的产生 各种不同的分子对能量吸收是有选择性的。当分子各种不同的分子对能量吸收是有选择性的。当分子受光照射，吸收光的能量后，只有当光子的能量恰好等受光照射，吸收光的能量后，只有当光子的能量恰好等于分子中两个能级之间的能量差即于分子中两个能级之间的能量差即( E = h = E2E1 )时才能被吸收。时才能被吸收。 分子吸收电磁波所形成的光谱分子吸收电磁波所形成的光谱叫叫 吸收光谱吸收光谱。

6、 吸收光波的波长，可以通过样品池的光线，在鉴定吸收光波的波长，可以通过样品池的光线，在鉴定器上予以鉴定，所得的图谱就叫器上予以鉴定，所得的图谱就叫 吸收光谱图吸收光谱图。一般概念一般概念 3.吸收光谱的概念吸收光谱的概念 转动光谱转动光谱 分子吸收光能后只引起转动能级的变化。分子吸收光能后只引起转动能级的变化。光谱出现在远红外区和微波区光谱出现在远红外区和微波区,可用来测定原子之间的键长和键角。可用来测定原子之间的键长和键角。一般概念一般概念 3.吸收光谱的分类吸收光谱的分类 电子光谱电子光谱分子吸收光能后，某些电子由低能级跃迁分子吸收光能后，某些电子由低能级跃迁 到高能级。到高能级。 ( (

7、 可见紫外光谱可见紫外光谱 ) ) 振动光谱振动光谱分子吸收光能后引起振动能级的跃迁而产分子吸收光能后引起振动能级的跃迁而产 生的光谱。生的光谱。 ( ( 红外光谱红外光谱 ) ) 红外光谱红外光谱是测定有机化合物的重要物理方法之一。它可用于分是测定有机化合物的重要物理方法之一。它可用于分子中所含子中所含官能团的鉴定官能团的鉴定，亦可进行组分纯度分析及某些理论研究，亦可进行组分纯度分析及某些理论研究，还可与其它手段配合推断未知物分子的结构。还可与其它手段配合推断未知物分子的结构。 红外光谱红外光谱是以连续波长的红外光照射样品，由于分子吸收是以连续波长的红外光照射样品，由于分子吸收了红外线的能量

8、，引起分子内振动能级的跃迁而产生。了红外线的能量，引起分子内振动能级的跃迁而产生。.红外光谱（红外光谱（IR）振动方式分两大类振动方式分两大类伸缩振动伸缩振动()弯曲振动弯曲振动()2. 振动频率与吸收带的位置振动频率与吸收带的位置 分子是由原子组成分子是由原子组成, ,原原子与原子之间有电子云形子与原子之间有电子云形成化学键。为了简化讨论，成化学键。为了简化讨论，可把原子模拟为不同质量可把原子模拟为不同质量（m1、m2）的小球；把化）的小球；把化学键模拟为不同强度、力学键模拟为不同强度、力常数为（常数为（K）的弹簧。）的弹簧。K1. 分子的振动形式分子的振动形式 分子中的原子是通过化学键连接

9、起来分子中的原子是通过化学键连接起来,它们它们不是静止的不是静止的,而是在它的平衡位置周围振动而是在它的平衡位置周围振动.红外光谱红外光谱基本原理基本原理 基基频区频区40001400cm-1 (多为伸缩振动多为伸缩振动)高频区高频区40002000cm-1低频区低频区20001400cm-1 指纹区指纹区: 1400650cm-1 （主要为化学键的弯曲振动）（主要为化学键的弯曲振动）（指（指 纹纹 区）区）高高 频频 区区4000 3000 2000 1400 650 400 cm-120406080T%低低 频频 区区（ 基基 团团 频频 率率 区区 ）.红外光谱红外光谱 1. 基频区与指

10、纹区基频区与指纹区低低频频区区高高 频频 区区指纹区指纹区.红外光谱红外光谱 1. 基频区与指纹区基频区与指纹区T%（指（指 纹纹 区）区）高高 频频 区区4000 2500 2000 1400 900 650 cm-120406080低低 频频 区区（ 基基 团团 频频 率率 区区 ）O-H( (3100310030003000) ) =C-H( (33003300) )=C-H( (3100310030003000) ) -C-H( (2998299828002800) )Ar-H( (3100310030003000) )COO-H( (3100310030003000) ) N-H(

11、(3500350031003100) )C = CC = N C=O( (1870187016001600) ) C=C( (1780178016001600) )( (1650165015001500) ) N-H芳烃芳烃C C( (1600 ,15001600 ,1500) ) -(CH2)n-n 4芳烃取芳烃取代情况代情况 双键取双键取代构型代构型 C-C C-O C-N.红外光谱红外光谱 1. 基频区与指纹区基频区与指纹区 烷烃烷烃CH：29602850cm-1 24 峰峰 CH：14751380cm-1 多为双峰多为双峰 另外：另外：(CH2)n n4 720 cm-1 139513