第八章现代物理方法的应用

第八章现代物理方法的应用学习要求：1掌握红外光谱、紫外光谱、质谱和核磁共振谱的原理；2识别常见有机化合物的谱图。在科研中，分离得到的天然有机物或经化学反应合成的新有机化合物，都需要测定它的分子结构，因此，确定有机化合物的结构很自然变成了研究有机化学的首要任务。过去用化学方法测定有机化合物的结构是一项非常繁杂、费时的事情，甚至是很难完成的工作，因为要鉴定的“未知物”需要通过多种化学反应使它变成已知结构的有机化合物才能推导出它的可能结构。在把“未知物”变成“已知物”的过程中，往往发生结构重排或某些出乎意料之外有反应，容易得到错误的结论。例如，对胆固醇结构式的确定经三、四十年（1889-1927）的工作，获得的结构式，后经X-射线衍射法证明还有某些错误。现代物理实验方法可弥补化学方法的不足，物理实验方法可用微量样品，如质谱通常只用几微克，甚至更少的样品（10-10g）便可给出一张满意的质谱图，在较短时间内，正确的检定有机化合物的结构。现在现代物理实验方法已成为研究有机化学不可缺少的工具，应用化学反应来确定分子结构，已沦为辅助手段。本章主要对紫外光谱（UltravioletSpectroscopy,简称UV）,红外光谱(InfraredSpectroscopy,简称IR)，核磁共振谱(NuclearMagneticResonanceSpectroscopy,简称NMR)和质谱(MassSpectroscopy,简称MS)作一介绍。8-1电磁波谱的一般概念电磁波谱包括了一个极广阔的区域。从波长只有千万分之一纳米的宇宙线到波长用米,甚至千米计的无线电波都包括在内。所有这些波都有相同的速度（３*1010cm/s），根据公式：1.频率：ν＝c/λν:频率，单位Hz；λ：波长，单位cm；c：速度，３＊１０10cm/s波长愈短，频率愈高．光波波长的单位很多，其换算关系为：1nm=10-7cm=10-3μm频率的表示法：⑴一种表示法为Hz,如波长为３００nm的光，它的频率为ν＝c/λ=(3*1010cm/s)/(300*10-7cm)=1015s-1⑵一种表示法是用波数．就是在１cm长度内波的数目．如用波数表示，则在１cm内波长为３００nm的光的波数为：１／（３００＊１０－７）＝３３３３３cm-1就是３００nm波长的光的波数为３３３３３cm-1.2.电磁辐射能电磁辐射是一种能量，当分子吸收辐射，就获得能量．获得多少能量决定于辐射的频率．△E＝hνΔE＝获得的能量；h＝planck常数，6.626*10-34J.S频率愈高，获得的能量愈大。3.分子吸收光谱的分类分子中有原子与电子。原子、电子都是运动着的物质，都具有能量。在一定的条件下，整个分子有一定的运动状态，具有一定的能量，即是电子运动、原子间的振动、分子转动能量的总和。E分子=E电子+E振动+E转动（或E总=Ee+Ev+Er）当分子吸收一个具有一定能量的光子时，分子就由较低的能级E1跃迁到较高的能级E2，被吸收光子的能量必须与分子跃迁前后的能级差恰好相等，否则不能被吸收，它们是量子化的。ΔE分子=E２-E１=E光子=hν上述分子中这三种能级，以转动能级差最小（约在０．0５－１０－４ev）分子的振动能差约在１－０．０５ev之间，分子外层电子跃迁的能级差约为２０－１ev。⑴转动光谱在转动光谱中，分子所吸收的光能只引起分子转动能级的变化，即使分子从较低的转动能级激发到较高的转动能级。转动光谱是由彼此分开的谱线所组成的。由于分子转动能级之间的能量差很小，所以转动光谱位于电磁波谱中长波部分，即在远红外线及微波区域内。根据简单分子的转动光谱可以测定，键长和键角。⑵振动光谱在振动光谱中分子所吸收的光能引起振动能级的变化。分子中振动能级之间能量要比同一振动能级中转动能级之间能量差大１００倍左右。振动能级的变化常常伴随转动能级的变化，所以，振动光谱是由一些谱带组成的，它们大多在红外区域内，因此，叫红外光谱。⑶电子光谱在电子光谱中分子所吸收的光能使电子激发到较高的电子能级，使电子能级发生变化所需的能量约为使振动能级发生变化所需能量的10-100倍。电子能级发生变化时常常同时发生振动和转动能级的变化。因此从一个电子能级转变到另一个电子能级时，产生的谱线不是一条，而是无数条。实际上观测到的是一些互相重叠的谱带。在一般情况下，也很难决定电子能级的变化究竟相当于哪一个波长，一般是把吸收带中吸收强度最大的波长λmax（最大吸收峰的波长）表出，电子光谱在可见及紫外区域内出现。8-2紫外和可见光吸收光谱1.紫外光谱及其产生⑴紫外光的波长范围紫外光的波长范围为4-400nm。200-400为近紫外区，4-200nm为远紫外区。由于波长很短的紫外光会被空气中氧和二氧化碳吸收，研究远紫外区的吸收光谱很困难，一般的紫外光谱仅仅是用来研究近紫外区的吸收。⑵紫外光谱当把一束光通过有机化合物时，某一波长的光可能吸收很强，而对其他波长的光可能吸收很弱，或者根本不吸收。当化合物吸收一定波长的紫外光时，电子发生跃迁，所产生的吸收光谱叫做紫外吸收光谱，简称紫外光谱。⑶电子跃迁的种类在有机化合物分子中，由于化合物的价电子有三种类型，即σ键电子、π键电子和未成键的n电子，在电子吸收光谱中，电子跃迁主要是经下三种。①σ-σ*跃迁σ电子是结合得最牢固的价电子，在基态下，电子在成键轨道中，能级最低，而σ*态是最高能级。σ-σ*跃迁需要相当高的辐射能量。在一般情况下，仅在200nm以下约～150nm才能观察到，即在一般紫外光谱仪工作范围之外，只能用真空紫外光谱仪才可观察出来（在无氧和二氧化碳的情况下）。所以测紫外光谱时，常常用烷烃作溶剂。②n电子的跃迁n电子是指象N，S，O，X等原子上未共用的电子。它的跃迁有两种方式。第一种方式：n-π*跃迁未共用电子激发跃入π*轨道，产生吸收带，称为R带（基团型的，Radikalartig德文），由n-π*引起的，在200nm以上。如：醛酮分子中羰基在275-295nm处有吸收带，为C=O中n-π*跃迁吸收带。第二种方式是n→σ*跃迁，这种跃迁所需的能量大于n-π*，故醇醚均在远紫外区才出现吸收带。~200nm。如甲醇λmax183nm。③π→π*跃迁乙烯分子中π电子吸收光能量，跃迁到π*轨道。吸收带在远紫外区。当双键上氢逐个被烯基取代后，由于共轭作用，π→π*能级减小。吸收带向长波递增。由共轭双键产生的吸收带称为K带，其特征是摩尔消光系数大于104。在近紫外区吸收，CH2=CH2λmax162nm,CH2=CH-CH=CH2λmax217nm。2.Lambert-Beer定律和紫外光谱图⑴Lambert-Beer（朗勃特-比尔）定律当我们把一束单色光（Io）照射溶液时，一部分光（I）通过溶液，而另一部分先被溶液吸收了。这种吸收是与溶液中物质的浓度（c）和液层的厚度成正比的。这就是Lambert-Beer定律。透射光强度（I）和入射光强度（I0）之比，即I/I0为透射比。LogI/I0为透光率，A=-LogI/I0为吸光度（吸收度）；c：溶液的摩尔浓度（mol/L）L:液层的厚度，单位cm;ε：摩尔消光系数。从理论上说，ε的大小表示这个分子在吸收峰的波长可以发生能量转移（电子从能位低的分子轨道跃迁到能位高的分子轨道）的可能性。ε值大于104是完全允许的跃迁，而小于103跃迁几率较低，若跃进迁是禁阻的，ε值小于几十。当c为百分浓度时，ε为百分消光系数，以表示。⑵紫外光谱图以吸光度或消光系数（ε或logε）为纵坐标，以波长（单位nm）为横坐标作图得到的紫外光吸收曲线，即紫外光谱图（纵坐标常常用ε或logε）。（1）处有一个最大吸收峰，位于波长280nm，用λmax280nm表示。最大吸收峰为化合物的特征数值。在一般文献中，紫外吸收光谱的数据，多报导它的最大吸收峰的波长位置和摩尔消光系数。如：表示样品在甲醇溶液中，在252nm处有最大吸收峰，这个吸收峰的摩尔消光系数为12300。当消光系数很大时，一般用logE或logε表示。⑶紫外光谱图中常见的几种吸收带及常用光谱术语。R吸收带（来自德文Radikalartig(基团））：为n→π*跃迁引起的吸收带如C=O,-NO2,-CHO.其特点εmax100(logε2),λmax一般在270nm以上。K吸收带（来自德文Konjugierte(共轭))：为π→π*跃迁引起的吸收带，如共轭双键。该带的特点εmax10000。共轭双键增加，εmax向长波方向移动，εmax随之增加。B吸收带(来自Benzenoid一词（苯系））：为苯的π→π*跃迁引起的特征吸收带，其波长在230-270nm之间，中心在254nm，ε约为204左右，E吸收带（Ethylenic(乙烯型）)：也属于π→π*跃迁。可分为E1和E2带，二者可以分别看成是苯环中的乙烯及共轭乙烯键所引起的。苯的E1为180nm,εmax10000；E2为200nm，2000εmax14000。生色基（发色团）：共价键不饱和原子基团，能引起电子光谱特征吸收，一般为带π电子的基团。如：C=C、C=O、C=N、NO、NO2等。助色基（助色团）饱和原子基团，本身在200nm以上没有吸收，但当它与发色基团连接时，可使发色团的最大吸收峰向长波方向移动，并且使强度增加，这样的基团叫助色团，如：--OH、–NH2、–Cl、-SH等。一般为带p电子的原子或原子团。3.紫外光谱与有机化合物分子结构的关系一般紫外光谱是指200-400nm的近紫外区，只有π→π*n→π*跃迁才有实际意义，也就是说紫外光谱适用于分子中具有不饱和结构的，特别是共轭结构的化合物。⑴共轭体系增长，吸收峰的波长向长波方向移动。如：⑵共轭链的一端引入含有未共用电子的基团（如：－NH2,-OH)和烷基时，可以产生p-π,σ-π超共轭，使λmax向长波方向移动。4.紫外光谱的应用⑴推断官能团（确定不饱和化合物的结构骨架）如在200～250nm有强吸收带（ε10000),可能含有双键的共轭单位；在250～300nm有弱吸收（ε100)表示可能有羰基存在。⑵检查化合物的纯度第三节红外光谱在有机化合物的结构鉴定中，红外光谱法是一种重要得手段。用它可以确定两个化合物是否相同，若两个化合物的红外光谱完全相同，则一般他们为同一化合物（旋光对映体除外）。也可以确定一个新化合物中某些特殊键或官能团是否存在。一、红外光谱图的表示方法红外光谱以波长（或波数）为横坐标，以表示吸收带的位置。以透射百分率（Transmittance%,符号T%)为纵坐标，表示吸收强度，吸收带为向下的谷。二红外光谱的产生，与有机化合物分子结构的关系1.分子振动的分类：⑴伸缩振动（ν）：原子沿着建轴伸长和缩短，振动时键长有变化，键角不变。⑵弯曲振动（δ）：组成化学键的原子离开键轴而上下左右的弯曲。弯曲振动时，键长不变，但键角有变化。①：面内弯曲：②：面外弯曲2.红外光谱的产生当分子吸收红外光子，从低的振动能级向高的振动能级跃迁时，而产生红外吸收光谱。振动能：Evib=(V+1/2)hνV=0,1,2,3...称为振动量子数。ν＝振动频率h=普朗克常数（6.36×10-34焦耳.秒）△E=hν在分子中发生振动能级跃迁所需要的能量大于转动能级跃迁所需要的能量，所以发生振动能级跃迁的同时，必然伴随转动能级的跃迁。因此，红外光谱也成为振转光谱。只有偶极矩大小或方向有一定改变的振动才能吸收红外光，发生振动能级跃迁，产生红外光谱。不引起偶极变化的振动，无红外光谱吸收带。3.原理对于分子的振动，为了便于理解可以用经典力学来说明。用不同质量的小球代表原子，用不同硬度的弹簧代表各种化学键。根据胡克（Hooke)定律，两个原子的伸展振动视为一种简谐振动，其频率可依下公式近似估计：ν＝1/2π(k/μ)-1/2k:力常数,μ:折合质量＝m1m2/(m1+m2),m1和m2分别为二个振动质点的质量。π和c为常数，吸收频率随键的强度的增加而增加，随键连原子的质量增加而减少。化学键的力常数越大，原子折合质量越小，则振动频率越高，吸收峰