第七章 波谱知识基础ppt课件

1、第七章第七章 波谱知识基础波谱知识基础有机物结构的测定一般经以下过程：化合物有机物结构的测定一般经以下过程：化合物的分离提纯的分离提纯 元素定性、定量分析元素定性、定量分析 测测定相对分子质量、确定分子式定相对分子质量、确定分子式 确定化确定化合物可能的结构式合物可能的结构式 化合物的结构表征。化合物的结构表征。获得物质结构信息的途径一般有两种。获得物质结构信息的途径一般有两种。一、化学法一、化学法二、物理法二、物理法波谱是测定有机物结构时最重要的物理方法。波谱是测定有机物结构时最重要的物理方法。常用波谱法有：紫外光谱、红外光谱、核磁常用波谱法有：紫外光谱、红外光谱、核磁共振谱和质谱。共振谱和

2、质谱。电磁波与光谱电磁波与光谱电 磁 波光 谱波长 （频率)激发的种类远紫外线近紫外线可见光线近红外线中红外线 远红外线 无线电波真空紫外光谱近紫外光谱可见光谱近红外光谱中红外光谱 远红外光谱 核磁共振谱100200nm200400nm400800nm0.82.5m2.515m(4000650cm-1)15100m(650100cm-1) (107108Hz)电子跃迁n及电子跃迁n及电子跃迁 共价键振动 分子振动与转动 核自旋l 电磁波能量的吸收公式： E=h= hc/ 。 当某一波长范围的电磁波照射某有机物时，有机物便会吸收一定能量的光子，使分子内发生能级的跃迁，将不同的波长与对应的吸光度作

3、图，即可得吸收光谱图由电子能级跃迁所产生的吸收光谱，主要在近紫外区和可见光区，称为紫外吸收光谱或可见光谱分子振动能级跃迁的吸收光谱主要在红外区，称为红外光谱自旋的原子核在外磁场中可吸收无线电波而引起原子核自旋能级跃迁，由此产生的称为核磁共振 第一节第一节 红外光谱红外光谱一一 基本原理基本原理 化学键的键长、键角不是固定不变的，而是像用弹簧连接起来的一组小球，化学键及整个分子在不停地振动着。红外光可使分子振动能级发生跃迁。如果用不同波长的红外光照射样品，当红外光的频率与分子中某一化学键的振动频率相同时，分子就会吸收红外光，产生吸收峰。二、分子的振动和红外吸收频率二、分子的振动和红外吸收频率分子

4、中的一个化学键可有几种不同的振分子中的一个化学键可有几种不同的振动形式，每种振动形式都可产生红外吸动形式，每种振动形式都可产生红外吸收峰收峰 。化学键的振动形式分为两大类：。化学键的振动形式分为两大类：伸缩振动和弯曲振动伸缩振动和弯曲振动伸缩振动伸缩振动stretching vibration） 对称(ns) 不对称(nas) HHHHsasCHHsymmetric in-plane bend (scissor)CHHasymmetric in-plane bend (rock)CHHsymmetric out-of-plane bend (twist)CHHasymmetric out-of

5、-plane bend (wag)弯曲振动弯曲振动(bending vibration)剪式 面内摇摆扭曲面外摇摆分子中成键原子间的振动可以近似地用经典力分子中成键原子间的振动可以近似地用经典力学来描述。其中最简单的伸缩振动的频率可以学来描述。其中最简单的伸缩振动的频率可以近似地用下式计算。近似地用下式计算。)11(2121mmk k 力常数 成键原子质量越小，力常数越大，该键的振动频率越高三、振动自由度和红外吸收峰三、振动自由度和红外吸收峰 一个化合物在IR谱中吸收峰的数目取决于分子振动自由度 。自由度是指描述有机分子中所有原子(n)在空间位置所需坐标总数(3n)。 设分子由n个原子组成，每

6、个原子在空间都有3个自由度，原子在空间的位置可以用直角坐标中的3个坐标x、y、z表示，因此，n个原子组成的分子总共应有3n个自由度，即3n种运动状态。但在这3n种运动状态中，包括3个整个分子的质心沿x、y、z方向平移运动和3个整个分子绕x、y、z轴的转动运动。这6种运动都不是分子振动，因此，振动形式应有3n-6种。但对于直线型分子，若贯穿所有原子的轴是在x方向，则整个分子只能绕y、z轴转动，因此，直线性分子的振动形式为3n-5种 IR谱中吸收峰的数目往往少于分子的振动自由度，其原因是：1.只有引起分子偶极矩变化的振动，才产生红外吸收，若振动过程不产生瞬间偶极矩变化，就不产生吸收峰。2.频率完全

7、相同的振动所产生的吸收峰，彼此发生简并。3.强而宽的吸收峰往往覆盖与之频率相近的弱而窄的吸收峰。四、红外光谱图四、红外光谱图以波长或波数为横坐标，以透光度 T为纵坐标。吸收峰表现为谷吸收峰强度定性表示为：vs很强 s 强 m 中强 w弱 vw很弱峰型标注：宽broad,br肩shoulder,sho尖sharp,sh可变virable,v）红外光谱吸收峰的两大区域红外光谱吸收峰的两大区域 40001330 cm1：特征谱带区，或称为官能团区functional group region），官能团的特征吸收峰较多，是红外光谱分析的主要依据 。 1330650 cm-1 ：指纹区fingerpri

8、nt region），单键的伸缩振动和弯曲振动所产生的吸收峰，对分子结构的鉴定提供重要信息 。 若用红外光谱确定两个化合物是否相同时，两个谱图不仅在官能团区的吸收峰完全吻合，而且在指纹区范围内亦要完全一致。 五、化学键的特征吸收频率五、化学键的特征吸收频率键键化合物类型化合物类型频率范围频率范围 cm-1C-HC-HC-HC-HC-HC-HC-HC-HC=CC=CC C C CC=C C=C C-OC-OC=OC=OO-HO-HN-HN-HC-NC-NC C N N-NO-NO2 2烷烃烷烃烯烃烯烃芳香烃芳香烃炔烃炔烃烯烃烯烃炔烃炔烃芳香烃芳香烃醇，醚，羧酸，酯醇，醚，羧酸，酯醛，酮，羧酸，酯

9、醛，酮，羧酸，酯游离醇，酚游离醇，酚形成氢键的醇，酚形成氢键的醇，酚羧酸羧酸胺胺胺胺腈腈硝基化合物硝基化合物2850-2960, 1350-14702850-2960, 1350-14703020-30803020-3080（m m），）， 675-1000675-10003000-31003000-3100（m m），）， 675-870675-870330033001640-1680(v)1640-1680(v)2100-2260(v)2100-2260(v)1500, 1600(v)1500, 1600(v)1080-13001080-13001690-17601690-17603610

10、-3640(v)3610-3640(v)3200-3600(3200-3600(宽宽) )2500-3000(2500-3000(宽宽) )3300-35003300-3500（m m）1180-13601180-13602210-2260(v)2210-2260(v)1515-1560, 1345-13851515-1560, 1345-1385六、烷烃、烯烃、炔烃和芳烃的红外光谱六、烷烃、烯烃、炔烃和芳烃的红外光谱（一烷烃C-H伸缩振动 在29602850 cm-1之间一般有强吸收， C-H弯曲振动在14651340 cm-1之间 C-C骨架振动，很弱，1200700cm-1 如：正己烷的

11、红外光谱图（二烯烃（二烯烃C=C伸缩振动 16801620cm-1 =C-H伸缩振动 31003010cm-1 （中 ）=C-H面外弯曲振动 1000800cm-1 1-辛烯的红外光谱辛烯的红外光谱1-癸炔的红外光谱癸炔的红外光谱/cm-1/mT%C C CHCH3(CH2)7C C2.5 3 4 5 6 7 8 9 10 1 2 15 4000 3500 3000 2500 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800100 50 0 （三炔烃（三炔烃三键的伸缩振动吸收在三键的伸缩振动吸收在22002100cm-1; C H伸缩振伸缩振动在动在33103300cm-1(

12、较强较强) C H弯曲振动在弯曲振动在700600cm-1（四芳烃（四芳烃芳环芳环nC-H在在30003100 cm-1m）；）；C-C键的伸缩振动键的伸缩振动nC=C在在15001600 cm-1，芳烃的骨架振动一般在，芳烃的骨架振动一般在1500 cm-1和和1600 cm-1处，最多可能出现强度不等的处，最多可能出现强度不等的4个个峰，这是区别于烯烃峰，这是区别于烯烃nC=C的重要特征；的重要特征；芳烃芳烃CH键的面外弯曲在键的面外弯曲在680880 cm-1 甲苯的红外光谱甲苯的红外光谱 4000 3000 2500 2000 1500 1300 1100 1000 900 800 7

13、00100 50 0T%/cm-1ABC七、红外图谱的应用简介七、红外图谱的应用简介广泛应用于有机定性分析、定量分析和有机分子结构的测定。定性分析常用方法：标准品对照法、标准图谱查对法。 红外光谱解析程序红外光谱解析程序 先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后 细找；先否定，后肯定细找；先否定，后肯定;寻找有关一组相关峰寻找有关一组相关峰佐佐证证先识别特征区的第一强峰，找出其相关峰，并进行先识别特征区的第一强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属峰归属再识别特征区的第二强峰，找出其相关峰，并进行再识别特征区的第二强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属峰归

14、属C4H8OC4H8O的红外光谱如图，推测其可能的结构的红外光谱如图，推测其可能的结构解：1.从分子式可知，为不饱和醇或不饱和醚，或是饱和的醛或酮。2.在17501700cm-1区有强吸收峰，羰基的特征吸收峰。在2900cm-1处有醛基C-H伸缩振动双峰，在950cm-1处有面外弯曲振动吸收峰，可能是正丁醛或2-甲基丙醛。在740730cm-1处找到一吸收峰，可能是-CH2-的弯曲振动。推断化合物为正丁醛CH3CH2CH2CHO）第二节第二节 核磁共振谱核磁共振谱NMR） 是由具有磁矩的原子核受电磁波辐射而跃迁是由具有磁矩的原子核受电磁波辐射而跃迁所形成的吸收光谱。所形成的吸收光谱。以氢核磁共

15、振谱以氢核磁共振谱1H-NMR1H-NMR和碳核磁共振谱和碳核磁共振谱13C-NMR13C-NMR的应用最为广泛。的应用最为广泛。一、基本原理一、基本原理 氢核同电子一样是有自旋的。它在外加磁场中有两个自旋取向。 H0ab与外磁场同向的为低能级与外磁场同向的为低能级a） 与外磁场反向的为高能级与外磁场反向的为高能级b）E = Eb - Ea = rhH0/2E = Eb - Ea = rhH0/2 可见可见EE与外加磁场强度成正比。与外加磁场强度成正比。 不同磁场强度时氢核两种自旋的能差不同磁场强度时氢核两种自旋的能差EHH1H2E1E2当外界提供的能量等于当外界提供的能量等于E时，则核就从低

16、能时，则核就从低能级自旋状态跃迁到高能级，即发生核磁共振级自旋状态跃迁到高能级，即发生核磁共振NMR）。在核磁共振仪中，这种能量由电磁）。在核磁共振仪中，这种能量由电磁辐射产生的无线电波照射核来提供。辐射产生的无线电波照射核来提供。质子发生共振时所需的能量为两种自旋取向的质子发生共振时所需的能量为两种自旋取向的能级差，当照射核的无线电波的能量与它相等能级差，当照射核的无线电波的能量与它相等时，就会发生核自旋能级的跃迁共振），把时，就会发生核自旋能级的跃迁共振），把这种吸收信号记录下来，就得到质子核磁共振这种吸收信号记录下来，就得到质子核磁共振谱谱.固定外加磁场，用连续变换频率的电磁波照射固定外

17、加磁场，用连续变换频率的电磁波照射样品以达到共振样品以达到共振扫频。扫频。固定电磁波的频率，连续不断的改变外加磁场固定电磁波的频率，连续不断的改变外加磁场强度以达到共振强度以达到共振扫场。扫场。扫场最为常用。扫场最为常用。二、化学位移二、化学位移 （chemical shift chemical shift ）定义：因质子所处的环境不同，即核外电子定义：因质子所处的环境不同，即核外电子云密度不一样，所受的屏蔽作用的强弱不同云密度不一样，所受的屏蔽作用的强弱不同而引起质子在核磁共振谱中吸收信号位置的而引起质子在核磁共振谱中吸收信号位置的移动，叫化学位移。移动，叫化学位移。 表达：准确测定化学位移

18、的绝对值是很困难表达：准确测定化学位移的绝对值是很困难的，所以一般用它们的相对值。所用的参照的，所以一般用它们的相对值。所用的参照物是四甲基硅烷物是四甲基硅烷TMS）,其优点是：其优点是：12个个H只产生一个信号，并通常在最高场。以参照只产生一个信号，并通常在最高场。以参照物的信号为标准，将样品各信号的位置与此物的信号为标准，将样品各信号的位置与此标准比较，两者的差距即为化学位移的相对标准比较，两者的差距即为化学位移的相对值。值。 化学位移值用化学位移值用表示的定义：表示的定义： =（样样 - TMS- TMS）/共振仪共振仪 * *106 106 （ppmppm） 用用表示时，表示时，TMS

19、TMS的的值为值为0 0，一般的化学位移值，一般的化学位移值在在114114范围内。范围内。1ppm1ppm表示：表示： = = * * 共振仪共振仪即：当仪器频率为即：当仪器频率为60MHZ60MHZ时，时，1ppm1ppm表示表示60HZ60HZ；当仪器频率为当仪器频率为400MHZ400MHZ时，时，1ppm1ppm表示表示400HZ400HZ。阐明：同样的阐明：同样的1ppm1ppm在不同频率的仪器上所代表的在不同频率的仪器上所代表的是不同的。是不同的。的的HZHZ数值越大，表示两个数值越大，表示两个不同信号间的距离就拉得越大，分辨率就越高。不同信号间的距离就拉得越大，分辨率就越高。

20、10 9 8 7 6 5 4 3 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 ppm2 1 0 ppm 左 右屏蔽作用： 小 大固定射频： 低场 高场固定磁场： 高频 低频核磁共振氢谱化学位移核磁共振氢谱化学位移 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 RCH2-O=C-CH2-C=C-CH2-CCCH2-CH2-CH2-X-CH2-O-CH2-NO2C=C-HAr-HRCHORCOOH有机化合物中各种质子的化学位移值有机化合物中各种质子的化学位移值（二影响化学位移的主要因素（二影响化学位移的主要因素 1、电负性的影响：、电负性的影响： 邻近原子的电负性越强，则降低了

21、核外的电邻近原子的电负性越强，则降低了核外的电子云密度，减少了屏蔽作用，结果使质子的子云密度，减少了屏蔽作用，结果使质子的信号出现在较低磁场，即信号出现在较低磁场，即值增大。值增大。 2 2、各向异性效应、各向异性效应 在分子中，质子与某一官能团的空间关系在分子中，质子与某一官能团的空间关系有时会影响质子的化学位移，这种效应有时会影响质子的化学位移，这种效应叫各向异性效应。叫各向异性效应。 （1苯环的感应磁场苯环的感应磁场苯环上的质子刚好处在去屏蔽区，苯环上的质子刚好处在去屏蔽区，值在值在7左右。左右。反磁或抗磁（屏蔽区） 顺磁（去屏蔽区）（2双键的各向异性效应双键的各向异性效应双键平面上下方

22、的质子处于屏蔽区，而在双双键平面上下方的质子处于屏蔽区，而在双键平面内的质子处于去屏蔽区。键平面内的质子处于去屏蔽区。 因此双键上因此双键上的质子的的质子的值在值在5左右。左右。CC（3三键的各向异性效应三键的各向异性效应三键中质子正好处在屏蔽区，所以，三键所连的质三键中质子正好处在屏蔽区，所以，三键所连的质子的子的值值2.003.00小于双键上的质子。小于双键上的质子。三、自旋偶合和自旋裂分三、自旋偶合和自旋裂分在在CHCl2CH2ClCHCl2CH2Cl中有两种不同类型的质子，因此中有两种不同类型的质子，因此有两个不同位置的吸收峰；然而，在高分辨有两个不同位置的吸收峰；然而，在高分辨NMR

23、NMR中，这两种质子都出现了更多的峰，这表中，这两种质子都出现了更多的峰，这表明它们发生了分裂。如图：明它们发生了分裂。如图：上述化合物中的上述化合物中的HA和和HX的共振吸收峰被分裂的共振吸收峰被分裂是由于它们受邻近氢核自旋的干扰引起的。是由于它们受邻近氢核自旋的干扰引起的。这种干扰称自旋偶合这种干扰称自旋偶合spin-spin coupling).自旋偶合产生的裂分称自旋裂分。通常以偶合自旋偶合产生的裂分称自旋裂分。通常以偶合常数常数J来表示其强度的大小，单位为来表示其强度的大小，单位为HZ。一般来说，当氢核相邻碳上有一般来说，当氢核相邻碳上有n个同类氢核时，个同类氢核时，吸收峰的裂分为吸

24、收峰的裂分为n+1个，即个，即n+1规律。规律。有下列情况时一般不发生自旋偶合：有下列情况时一般不发生自旋偶合：（1有同种化学环境的相邻氢核又称化学等价质有同种化学环境的相邻氢核又称化学等价质子），如子），如1,1,2,2-四溴乙烷中的两个氢原子是化学四溴乙烷中的两个氢原子是化学等价的。等价的。（2两个氢核不在相邻的两个碳原子上。如在两个氢核不在相邻的两个碳原子上。如在CHCl2Cl2CH2Cl中有两种不同类型的中有两种不同类型的H，但这两，但这两种种H不在相邻的碳上，它们之间也就没有自旋偶合。不在相邻的碳上，它们之间也就没有自旋偶合。例例1： CH3-O-CH3 6个等价质子个等价质子, 一

25、组一组NMR 信号信号6H，单峰），单峰） 例例2： CH3-CH2-Br 二组二组NMR信号信号3H，三重峰，三重峰; 2H，四重峰），四重峰）例例3：(CH3)2CHCH(CH3)2 二组二组NMR 信号信号12H，二重峰；，二重峰；2H，七重峰），七重峰） 例例4：CH3-CH2COO-CH3 三组三组NMR 信号（信号（ 3H，三重峰，三重峰; 2H，四重峰；，四重峰；3H，单峰），单峰）四、峰面积四、峰面积- - 积分曲线积分曲线各类质子的数目与其产生的信号强度有关。各类质子的数目与其产生的信号强度有关。吸收峰的面积与产生信号的质子数成正比。吸收峰的面积与产生信号的质子数成正比。目前

26、的核磁共振仪都有自动积分仪，各峰的目前的核磁共振仪都有自动积分仪，各峰的面积与积分高度成正比，即积分曲线高度之面积与积分高度成正比，即积分曲线高度之比等于相应质子数目之比。比等于相应质子数目之比。 对叔丁基甲苯的H-NMR谱高度比高度比a:b:c=8.8 : 2.9 : 3.8，由分子式，由分子式C11H16可计算出各峰所可计算出各峰所代表的氢的数目。代表的氢的数目。HH03. 18 . 39 . 28 . 816a=1.03H8.8=9.1;类推，类推，b=3.0;c=3.9五、核磁共振氢谱在有机物结构测定中的应用五、核磁共振氢谱在有机物结构测定中的应用优点：信号量丰富，图谱无多余信号，测定

27、技术多样，不破坏样品。解谱顺序：1.根据样品的分子式，确定所含有的氢核数。2.根据积分曲线高度和氢核总数，计算出各族信号所代表的氢核数。3.根据信号的值，判断氢核类型。4.根据吸收峰的裂分数和J值找出相互耦合的信号，进而一一确定邻接碳原子上的氢核数和相互关联的结构片段。5.对于已知物，可将样品图谱与标准图谱核对后加以确证。例：已知化合物例：已知化合物A的分子式为的分子式为C8H10O,试根据试根据 其其1H-NMR推测其结构。推测其结构。解：除TMS信号外，共有五组信号，从低场到高场积分曲线高度比为2：2：1：2：3。由分子式共有10个氢可推知各组峰代表的氢核数分别为2H、2H、1H、2H、3

28、H。由分子中碳与氢的比值初步推断值为6.8，7.1处应为苯环上的质子信号。从其峰形可推测此苯环应是对位取代，且为不同的基团。=5.5处峰形低且宽，通常为OH(=0.55.5); =2.7处四重峰2H），应是与甲基相连的CH2； =1.23H处的三重峰，提示其邻接碳上有两个氢，即分子中有片段-CH2CH3；同时在=89处无峰，可排除-CHO的存在。综上分析，应为对乙基苯酚六、碳谱简介13C-NMR图谱，简称碳谱。原理同13H-NMR,但是13C同位素在自然界的丰度只有1.1%,因此灵敏度很低，只有1H核的1/6000。直到20世纪70年代，核磁共振中采用了同去偶方法相结合的脉冲傅立叶PFT技术，

29、提高了灵敏度，碳谱才有迅速发展。（一）（一） 13C-NMR的化学位移的化学位移（二）（二） 13C-NMR的谱图的谱图第三节第三节 质谱质谱质谱MS不是吸收光谱，而是基于把样品裂解成结构碎片后按质量大小顺序排列而得的谱。MS的突出优点是：凭借极少量样品，即可获得有关相对分子质量、分子结构的大量信息。一、一、 基本原理基本原理将物质分子转化为离子，按质荷比差异进行分离和测定，将物质分子转化为离子，按质荷比差异进行分离和测定，实现成分和结构分析的方法。实现成分和结构分析的方法。样品导样品导入系统入系统离子源离子源产生离子流产生离子流 质量质量 分析器分析器质量扫描质量扫描检测器检测器放大器放大器

30、记录器记录器m/zH0质谱仪包括三大部分质谱仪包括三大部分离子源、磁分析器、离子捕集器及记录仪 二、质谱图：棒图二、质谱图：棒图（一质谱图的表示（一质谱图的表示 纵坐标：离子的相对强度纵坐标：离子的相对强度 横坐标：质荷横坐标：质荷比比 m/z, （二分子离子峰（二分子离子峰由分子离子产生的峰叫分子离子峰。根据分子离子峰的m/z，可获得最为准确的分子质量，故正确识别分子离子峰至关重要。通常MS图最右端的较强峰为分子离子峰。判断分子离子峰时应注意：1.质量数的判断2.m/z差值的合理性3.M+1或M-1值的存在（三同位素离子峰（三同位素离子峰在质谱图最右端，除了在质谱图最右端，除了M+1(H)以

31、外，还有以外，还有m/z大于分子离大于分子离子的、相对丰度较小除子的、相对丰度较小除Br外的外的M+1峰、峰、M+2峰等。这峰等。这是由于同位素存在引起的，称同位素离子峰。是由于同位素存在引起的，称同位素离子峰。（四碎片离子峰（四碎片离子峰在质谱断裂过程中，除了生成分子离子外，最大量的还是断裂分子离子结构中不稳定键生成的碎片离子，有些碎片离子还能进一步发生键的断裂，不同碎片离子的相对丰度与分子结构有密切的关系。高丰度的碎片离子峰代表分子离子中易于裂解的部分；反之亦然。如果有n个主要的碎片峰，并且代表着分子中不同的部分，则由这些碎片峰就可以粗略地把分子骨架拼凑起来。三、烃类的质谱特征三、烃类的质

32、谱特征（一烷烃和环烷烃直链烷烃的 峰较弱，支链烷烃则更弱，环烷烃的 峰中等。正烷烃中所有的C-C键的键能相同，分子离子可在任何一个C-C键断裂。m/z=15，29, 43, 57, 71 支链烷烃，分支处先裂解 C2H5+ 29, C3H7+ 43, C4H9+ 57, C5H11+ 71, C6H13+ 85单环烷烃：m/z=27,41,55,69MM（二烯烃和炔烃烯烃的 峰强度中等，炔烃的 峰较弱，端炔烃经常没有 峰。m/z=27,41,55,69.(三)芳烃 峰强度较大，常为基峰。 MMMM四、质谱图解析四、质谱图解析分子离子峰的确定推导分子式、计算不饱和度碎片离子峰分析综合以上的全部信息，结合分子式和不饱和度推出分子结构。用各种裂解机理，对质谱图中的主要峰合理分析。例：如图为己烷的质谱图。其中m/z86和57分别为己烷的分子离子峰和基峰，主要MS峰为：相对丰度相对丰度/%己烷的质谱图己烷的质谱图第四节第四节 紫外紫外-可见光谱可见光谱是电子光谱，