有机化学--第七章 有机化合物的波谱分析.ppt

第七章有机化合物的波谱分析 有机化学中应用最广泛的是紫外光谱 UV 红外光谱 IR 核磁共振波谱 NMR 和质谱 MS 7 1有机化合物的结构和吸收光谱 一定波长的光与原子或分子相互作用 并被原子或分子所吸收 而产生吸收光谱 分子吸收电磁波从较低能级激发到较高能级时 其吸收光的频率与吸收能量之间的关系如下 E h 7 1 式中 E代表光子的能量 单位为J h代表Planck常量 其量值为6 63 10 34J s 代表频率 单位为Hz 频率与波长及波数的关系为 式中c代表光速 其量值为3 10l0cm s 1 代表波长 单位为cm 常用单位nm 1nm 10 7cm 代表波数 表示1cm长度中波的数目 单位为cm 1 分子的能量 电子状态能 振动能 转动能 电磁波谱区域及其相应的波谱分析方法见表7 1 本章讨论的红外光谱和核磁共振谱为吸收光谱 质谱是化合物分子经电子流轰击形成正电荷离子 在电场 磁场的作用下按质量大小排列而成的图谱 不是吸收光谱 7 2红外吸收光谱 用红外光照射试样分子 引起分子中化学键振动能级的跃迁所测得的吸收光谱为红外吸收光谱 简称红外光谱 InfraredSpectroscopy 缩写为IR 红外光谱是以波长 或波数 为横坐标 表示吸收峰的峰位 以透射比T 以百分数表示 为纵坐标 表示吸收强度 7 2 1分子化学键的振动和红外光谱 1 振动方程式 式中 为折合质量 ml和m2分别为化学键所连的两个原子的质量 单位为g 是为化学键的力常数 单位为N cm 1 牛顿 厘米 1 其含义是两个原子由平衡位置伸长0 1nm后的恢复力 可把双原子分子的振动近似地看成用弹簧连接着的两个小球的简谐振动 根据Hooke定律可得其振动频率为 一些化学键伸缩振动的力常数如下 2 分子化学键的振动能级跃迁和红外吸收峰位 分子化学键的振动是量子化的 其能级为 式中 为振动量子数 0 1 2 h为Planck常量 振为化学键的振动频率 分子由基态 0跃迁到激发态 1时吸收光的能量为 分子振动频率习惯以 表示 由 7 2 式 7 3 式和 7 5 式得 红外吸收峰的峰位 取决于键的力常数 以及键两端所连原子的质量m1和m2 即取决于化合物分子的结构 这是红外光谱用来测定化合物结构的理论依据 基团的精确振动频率还要受分子内部结构因素 诱导效应 共轭效应 氢键效应 空间效应等 以及分子外部环境因素 物态 溶剂性质等 的影响 因此 可以根据基团吸收峰位移的方向 程度以及强度的变化来推断分子结构 3 分子的振动方式 分子中化学键的振动方式有两种 伸缩振动和弯曲振动 伸缩振动是原子沿键轴方向振动 键长发生变化 键角不变 弯曲振动为原子垂直于化学键的振动 键角发生变化 键长不变 以亚甲基为例 几种振动方式如图7 1所示 图中 和 号表示与纸面垂直但方向相反的运动 分子的振动方式很多 但不是所有的振动都引起红外吸收 只有偶极矩发生变化的振动 才能在红外光谱中出现相应的吸收峰 无偶极矩变化的振动 为红外非活性振动 在红外光谱中不出现吸收峰 如对称炔烃 RC CR 的C C伸缩振动无偶极矩变化 不引起红外吸收 偶极矩变化大的振动 吸收峰强 如C O伸缩振动 综上所述 产生红外光谱的两个必要条件是 红外 振动 振动过程中有偶极矩变化 7 2 2有机化合物基团的特征频率 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 其吸收最大值对应的频率为基团的特征频率 表7 2中列出了各类有机化合物基团的特征频率 7 3红外谱图解析 1 红外光谱的八个重要区段 参考表7 2可推测某一化合物可能具有的红外特征吸收 或根据某一化合物的红外谱图 初步推断分子中可能存在的官能团 2 特征频率区 指纹区 相关峰 特征频率区 红外光谱中4000 1300cm 1的高频区称为基团的特征频率区 简称特征区 该区域主要出现含氢原子的单键 各种三键 双键的伸缩振动的吸收峰 含X H键的官能团折合质量小 含重键 C C C N C O C C等 的官能团力常数大 它们的伸缩振动频率高 且受分子其余部分的影响小 因而具有较高的特征性 指纹区 1300 650cm 1的低频区称为指纹区 该区域内主要出现各种单键 C C C O C N等 的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收 分子结构稍有不同 此区吸收就会有明显的差异 如同人的指纹 故称指纹区 除对映异构体外 每个化合物都有自身特有的指纹光谱 这对用已知物鉴别未知物非常重要 相关峰 每个官能团都有几种振动方式 每种红外活性振动一般产生一个相应的吸收峰 习惯上把这种相互依存又可相互佐证的吸收峰 称为相关峰 例如 CH3的相关峰为C H不对称伸缩振动吸收峰 2960cm 1 C H对称伸缩振动吸收峰 2870cm 1 C H面内弯曲振动吸收峰 1470cm 1和1380cm 1 3 鉴定已知化合物 用被测物的标准试样与被测物在相同条件下测定红外光谱 若吸收峰位置 强度和形状完全相同 可认为是同一种物质 对映异构体除外 若无标准试样而有标准谱图 可查阅标准谱图 查阅时应注意被测物与标准谱图所用试样的状态 制样方法 所用仪器的分辨率等是否相同 4 测定未知物结构 结构简单的化合物 可根据分子式和红外光谱推测其结构 结构比较复杂的化合物 红外光谱主要只是提供官能团的信息 还须配化学分析 MS NMR UV和其它理化数据综合解析 1 预备性工作 了解试样的来源 纯度 要求98 以上 以及熔点 沸点等性质 由元素分析确定实验式 有条件时应由MS谱测定相对分子质量 确定分子式 由分子式计算不饱和度 计算不饱和度的经验公式为 式中 为不饱和度 n1 n3和n4分别代表分子中一价 三价和四价原子的数目 饱和烃 为0 双键和饱和环状结构的 为1 三键为2 苯环为4 含氧化合物中氧的个数不参与饱和度的计算 但并不表示含氧官能团上没有重键 不饱和度的计算 C5H10O C3H7ClO C3H7NO2 C3H7NO2 例1化合物的分子式为C6H14 红外光谱如下 推导其结构 2 谱图解析 n 4在725 720处有吸收 解 由分子式C6H14计算不饱和度 0 故为饱和烃 参阅表7 2 首先观察4000 1300cm 1特征区 3000 2800cm 1处强吸收为饱和 C H吸收 1461cm 1和1380cm 1处强吸收为 CH3和 CH2 的面内弯曲振动吸收 1380cm 1处吸收峰无裂分 表示 C CH3 2和 C CH3 3存在 在指纹区域的775cm 1处峰为的面内摇摆振动吸收 表明n 4 综合以上分析 分子中无异丙基 叔丁基 无 n 4 的长链烷基存在 故化合物的结构为 例2化合物的分子式为C6H10 红外光谱如图7 3所示 试推测该化合物的可能结构 解 由分子式计算不饱和度 2 可能存在C C 环或C C 观察4000 1300cm 1区域光谱 3030cm 1处有强不饱和C H伸缩振动吸收 与1658cm 1处的弱C C伸缩振动吸收对应 表明有烯键存在 且对称性强 1380cm 1处无吸收 表明不存在甲基 1300cm 1以下区域的光谱 715cm 1处的面外弯曲振动吸收 表明烯烃为顺式构型 综合以上分析 有双键吸收 无三键及甲基吸收 另一不饱和度为环 故该化合物可能的结构为 7 3核磁共振谱 NMR 7 3 1核磁共振的产生 核磁共振是无线电波与处于磁场中的分子内自旋核相互作用 引起核自旋能级的跃迁而产生的 1 原子核的自旋 不同原于核自旋运动状况不同 可用自旋量子数I表示 自旋量子数与原子的质量数和原子序数的关系见表7 3 核磁共振谱 NuclearMageneticResonance 核自旋量子数为1 2的核 最宜于核磁共振检测 是目前研究的主要对象 2 核磁共振 带电荷的质点自旋会产生磁场 磁场具有方向性 可用磁矩表示 原子核作为带电荷的质点 它的自旋可以产生磁矩 氢核 质子 带正电荷 自旋会产生磁矩 在没有外磁场时 自旋磁矩取向是混乱的 图 a 但在外磁场中 它的取向分为两种 一种与外磁场平行 另一种则与外磁场方向相反 图 b 原子核作为带电荷的质点 它的自旋可以产生磁矩 但并非所有原子核自旋都具有磁矩 实验证明 只有那些自旋量子数I 0的原子核才具有磁矩 另外 自旋量子数为I的原子核在外磁场作用下 会发生能级分裂 有2I 1个自旋取向 每个取向都代表核在该磁场中的一种能量状态 可用磁量子数 m来表示 m I I 1 I 1H的自旋量子数I为1 2 它在磁场中有两种取向 与磁场方向相同的 用 1 2表示 为低能级 与磁场方向相反的 用 1 2表示 为高能级 两个能级之差为 E 见图7 4 E与外加磁场强度 H0 成正比 其关系式如下 式中 称为磁旋比 是物质的特征常数 对于质子其量值为2 675 108A m2 J 1 s 1 h为Plank常量 为无线电波的频率 有机化学经常研究的是1H和13C的核磁共振谱 下面主要介绍1H核磁共振谱 质子核磁共振谱 3 核磁共振仪和核磁共振谱图 目前使用的核磁共振仪 按工作方式可分为连续波核磁共振仪和脉冲傅里叶核磁共振仪两大类 核磁共振谱是在磁场中的吸收光谱 所以核磁共振仪需备有磁场及电磁波装置 如图7 5所示 其电磁波照射频率与1H发生共振的外加磁场关系如下 注 T为特斯拉 单位 测量核磁共振谱时 可以固定磁场改变频率 也可以固定频率改变磁场 一般常用后者 若以通过电流所表现的吸收能量为纵坐标 磁场强度为横坐标 则可得到如图7 6所示的NMR谱 一张核磁共振谱图 通常可以给出四种重要的结构信息 化学位移 自旋裂分 偶合常数和峰面积 积分线 如图7 7所示 峰面积大小与质子数成正比 可由阶梯式积分曲线求出 峰面积 积分线高度 之比为质子个数之比 图中积分线高度比为1 2 3 等于质子个数之比 OH CH2 CH3 7 3 2化学位移 1 化学位移的由来 化学位移是由核外电子的屏蔽效应而引起的 根据 7 7 式 质子的共振磁场强度只与质子的磁旋比及电磁波照射频率有关 符合共振条件时 试样中全部1H都发生共振 只产生一个单峰 这样对测定有机化合物结构毫无意义 但实验证明 在相同频率照射下 化学环境不同的质子在不同的磁场强度处出现吸收峰 质子在分子中不是完全裸露的 而是被价电子所包围 在外加磁场作用下 核外电子在垂直于外加磁场的平面内绕核旋转 产生与外加磁场方向相反的感应磁场H 使质子实际所感受到的磁场强度为 式中 为屏蔽常数 核外电子在外加磁场作用下 使质子实际所感受到的磁场强度与外加磁场不同 核外电子对质子产生的这种作用称为屏蔽效应 也称抗磁屏蔽效应 H 质子周围电子云密度越大 屏蔽效应越大 只有增加磁场强度才能使其发生共振吸收 反之 若感应磁场与外加磁场方向相同 质子实际所感受到的磁场为外加磁场和感应磁场之和 这种作用为去屏蔽效应 亦称顺磁屏蔽效应 只有减小外加磁场强度 才能使质子发生共振吸收 因而 质子核磁共振的条件应为 不同化学环境的氢核 受到不同程度的屏蔽效应 因而在核磁共振谱的不同位置上出现吸收峰 这种位置上的差异称为化学位移 因此化学位移可以用来鉴别或测定有机化合物的结构 影响质子化学位移的屏蔽效应主要有两种 质子核外成键电子的电子云密度对质子产生的屏蔽作用 即局部屏蔽效应 分子中其它原子或基团的核外电子对所研究的质子产生的屏蔽作用 即远程屏蔽效应 7 3 2化学位移的表示方法 核外电子产生的感应磁场H 非常小 只有外加磁场的百万分之几 要精确测定其数值相当困难 而精确测量待测质子和标准物质 通常是四甲基硅烷 TMS 的吸收频率却比较方便 化学位移用 来表示 单位为ppm 其定义为 式中 试样及 TMS分别为试样及TMS的共振频率 0为操作仪器选用的频率 ppm 选用TMS为标准物主要因为它是单峰 而且屏蔽效应很高 一般化合物质子的吸收峰都在它的左边 按IUPAC的建议将TMS的 值定为零 因此其它化合物的 值应为负值 但文献上为方便起见将负号省略 改为正值 值愈大出现在低场 而 值愈小出现在高场 待测试样一般制成溶液 所用溶剂不含质子 如CDCl3 CCl4 CS2等 7 3 3影响化学位移的因素 化学位移来源于核外电子对核产生的屏蔽效应 因而影响电子云密度的因素都将影响化学位移 影响最大的是诱导效应和磁各向异性效应 1 电负性的影响 电负性大的基团吸电子能力强 通过诱导效应使邻近的质子核外电子云密度降低 屏蔽效应随之降低 使质子的共振频率移向低场 供电子基团使质子核外电子云密度增加 屏蔽效应增强 质子的化学位移向高场位移 例如 CH3X中的质子化学位移随X电负性增加而向低场位移 2 磁各向异性效应 构成化学键的电子 在外加磁场作用下 产生一个各向异性的磁场 使处于化学键不同空间位置上的质子受到不同的屏蔽作用 即磁各向异性 处于屏蔽区域的质子的 移向高场 处于去屏蔽区域的质子的 移向低场 双键碳上的质子 电子体系在外加磁场的影响下 产生环电流 如图7 8所示 因为烯烃双键碳上的质子位于 键的环电流 感应电流 产生的磁场与外加磁场方向一致的区域 这个区域一般称为去屏蔽区 存在去屏蔽效应 故烯烃双键碳上的质子的 值位于稍低的磁场处 4 5 5 7 羰基碳上的质子 与碳碳双键相似 在外加磁场的条件下 羰基平面的上下形成环电流 产生感应磁场 如图7 9所示 羰基碳上的质子处于去屏蔽区 存在去屏蔽效应 同时由于氧原子电负性较大的影响 所以的 值较大 9 4 10 在低场 三键碳上的质子 由于碳碳三键是直线构型 电子云围绕碳碳 键键轴呈筒形分布 形成筒形环电流 其产生的感应磁场与外加磁场方向相反 三键碳上的质子正处于轴线上 在屏蔽区 如图7 10所示 所以其屏蔽效应较强 虽然炔氢是与电负性较强的sp杂化碳相连 但其 值却比双键碳上的质子的 值低 C H的 值为2 3 在高场出现质子峰 苯环上的质子 大 电子体系在外加磁场的影响下 产生环电流 如图所示 因为苯环上的质子位于大 键的环电流 感应电流 产生的磁场与外加磁场方向一致的区域 这个区域一般称为去屏蔽区 存在去屏蔽效应 故苯环上的质子的 值位于稍低的磁场处 6 5 8 0 7 3 3自旋偶合和自旋裂分 1 自旋偶合的起因 用高分辨核磁共振谱仪测定CH3CH2OH或CH3CH2Cl 见图7 7 图7 11 时 CH3 和 CH2 的共振峰都不是单蜂 而为多重峰 实际上CH3 为三重峰 CH2 为四重峰 这种现象是由于CH3 和 CH2 上的氢原子核之间的相互于扰引起的 这种原子核之间的相互干扰叫自旋偶合 由自旋偶合引起的谱线增多的现象叫自旋裂分 偶合表示核的相互作用 裂分表示谱线增多的现象 现以为例 讨论自旋偶合的起因 若Ha邻近无Hb存在 依 7 9 式Ha的共振频率为 共振吸收为单峰 Ha邻近有Hb存在时 Hb在磁场中的两种自旋取向通过成键电子传递到Ha处 产生相应的两种磁场 使Ha的共振频率由 变为 1和 2 因而由于Hb的偶合作用 Ha的吸收峰被裂分为2 因而由于Hb的偶合作用 Ha的吸收峰被裂分为2 一个 两个和三个Hb对