化学键的振动频率课件

第六章 有机化合物的波谱分析第六章有机化合物的波谱分析1一、有机波谱分析简介一、有机波谱分析简介二、红外吸收光谱二、红外吸收光谱三、核谱共振谱三、核谱共振谱1 1.常见有机波谱常见有机波谱2.2.有机四大谱及其特点有机四大谱及其特点3.3.电磁波谱与有机光谱的对应关系电磁波谱与有机光谱的对应关系1.1.红外吸收光谱的定义红外吸收光谱的定义2.2.分子振动与红外光谱分子振动与红外光谱3.3.有机化合物基团的特征光谱有机化合物基团的特征光谱4.4.红外谱图解析红外谱图解析1.1.核磁共振产生的基本原理核磁共振产生的基本原理2.2.化学位移化学位移3.3.自旋偶合和自旋裂分自旋偶合和自旋裂分4.4.谱图解析谱图解析5.5.1313C C 谱简介谱简介第七章有机化合物的波谱分析一、有机波谱分析简介二、红外吸收21.1.常见有机波谱常见有机波谱常常见见有有机机波波谱谱1.常见有机波谱常见有机波谱32 2、有机四大谱及其特点、有机四大谱及其特点有机四大谱：紫外吸收光谱、红外吸收光谱、有机四大谱：紫外吸收光谱、红外吸收光谱、核磁共振谱、质谱核磁共振谱、质谱0.01-5mg(与天平精度有关）0.1-1mg1-5mg0.001-0.1mg2-10万5-50万100-1000万50-500万2、有机四大谱及其特点有机四大谱：紫外吸收光谱、红外吸收光谱43.3.电磁波谱与有机光谱的对应关系电磁波谱与有机光谱的对应关系/nm/nm/cm/cm-1-13.电磁波谱与有机光谱的对应关系/nm/cm-151.1.红外吸收光谱的定义红外吸收光谱的定义红外吸收光谱是分子中成键原子振动红外吸收光谱是分子中成键原子振动能级跃迁而产生的吸收光谱，只有引起分能级跃迁而产生的吸收光谱，只有引起分子偶极距变化的振动才能产生红外吸收。子偶极距变化的振动才能产生红外吸收。二、红外吸收光谱二、红外吸收光谱1.红外吸收光谱的定义红外吸收光谱是分子中成键原子振动能62.2.分子振动与红外光谱分子振动与红外光谱振动方程式：振动方程式：k:k:力常数，与化学键的强度有关（键长越短，键能力常数，与化学键的强度有关（键长越短，键能越小，越小，k k越大）越大）m m1 1和和m m2 2分别为化学键所连的两个原子的质量，单分别为化学键所连的两个原子的质量，单位为克位为克即：化学键的振动频率（红外吸收峰的频即：化学键的振动频率（红外吸收峰的频率）与键强度成正比，与成键原子质量成率）与键强度成正比，与成键原子质量成反比反比。2.分子振动与红外光谱振动方程式：k:力常数，与化学键的强度7亚甲基的振动模式：亚甲基的振动模式：亚甲基的振动模式：83.3.有机化合物基团的特征频率有机化合物基团的特征频率3.有机化合物基团的特征频率9化学键的振动频率课件10(1)(1)特征频率区：红外光谱中特征频率区：红外光谱中40004000-1-1300cm300cm-1-1的高频的高频区称为特征频率区。主要是区称为特征频率区。主要是X-HX-H、三键、三键()()及双及双键（键（C=C,C=O,C=C)C=C,C=O,C=C)的伸缩振动的伸缩振动。(2)(2)指纹区：红外光谱的指纹区：红外光谱的1000cm1000cm-1-1 650cm 650cm-1-1的低的低频区称为指纹区。频区称为指纹区。主要是各种单键（主要是各种单键（C-N,C-O,C-C)C-N,C-O,C-C)的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收峰。的伸缩振动及各种弯曲振动的吸收峰。(3)(3)相关峰：习惯上把同一官能团的不同振动方式相关峰：习惯上把同一官能团的不同振动方式而产生的红外吸收峰称为相关峰。如甲而产生的红外吸收峰称为相关峰。如甲 基基(-CH(-CH3 3)2960cm2960cm-1-1(asas)，2870cm2870cm-1-1(s s)，1470cm 1470cm-1-1 、1380cm1380cm-1-1 (C-HC-H剪式及面内摇摆剪式及面内摇摆)。A.A.红外谱图解析红外谱图解析基础知识基础知识4.4.红外谱图解析红外谱图解析(1)特征频率区：红外光谱中4000-1300cm-1的11(4)(4)已知物的鉴定：若被测物的已知物的鉴定：若被测物的IRIR与已知物的谱与已知物的谱峰位置和相对强度完全一致，则可确认为一种物峰位置和相对强度完全一致，则可确认为一种物质（注意仪器的灵敏度及质（注意仪器的灵敏度及H H2 2O O的干扰）的干扰）。(5)(5)未知物的鉴定：可推断简单化合物的结构。未知物的鉴定：可推断简单化合物的结构。对复杂的化合物，需要对复杂的化合物，需要UVUV、NMRNMR、MSMS的数据的数据(4)已知物的鉴定：若被测物的IR与已知物的谱峰位置和相对强125、红外光谱图(IR)官能团区：40001400cm-1,伸缩振动引起，谱带比较简单，特征性强。3700-2500cm-12500-1900cm-11900-1400cm-1C-H-CC-C=CN-H-CNC=OO-H-C=C=OC=NS-H-N=C=O5、红外光谱图(IR)官能团区：40001413指纹区：1400600cm-1,由C-C,C-O,C-X伸缩振动及力常数小的弯曲振动引起，光谱复杂。1）红外谱带的影响因素：成键原子杂化方式电子效应指纹区：1400600cm-1,由C-C,14氢键作用：一般使谱带移向低波数，且变宽。氢键作用：一般使谱带移向低波数，且变宽。152）、红外谱图中的基团特征（吸收）谱带l烷烃：CH伸缩振动2940cm-1和2860cm-1CH面内弯曲1460（不对称）和1380（对称）-(CH2)n-(n=4)一般在720cm-1处有特征峰（弱）2）、红外谱图中的基团特征（吸收）谱带l烷烃：CH伸16l烯烃：=CH伸缩振动3100-3000cm-1C=C伸缩振动1650cm-1(强度与分子对称性有关)=CH面外弯折1000-600cm-1(强，位置与分子对称性有关）l烯烃：=CH伸缩振动3100-3000cm-117化学键的振动频率课件18炔烃：CH伸缩振动3300cm-1（尖锐峰）CC伸缩振动2300-2100cm-1(强度与分子对称性有关)CH面外弯曲振动700-600cm-1炔烃：19化学键的振动频率课件20芳香结构：CH伸缩振动3100-3000cm-1单 核 芳 环 骨 架 C=C伸 缩 振 动 1600、1580、1500、1450cm-1(强度与分子对称性有关)CH面外弯折900-690cm-1及起其倍频峰(形状、位置与取代基位置有关)芳香结构：21化学键的振动频率课件22醇、醚OH伸缩振动：固态、液膜3300-3400cm-1,宽带。非极性溶剂稀溶液：3600cm-1，有时伴随缔合峰。醚类COC伸缩：1100-1250cm-1,不易辨识。醇、醚OH伸缩振动：固态、液膜3300-3400cm-123胺、铵盐：胺的NH伸缩振动：3300-3500cm-1，一般呈双峰（as和s），芳胺吸收强度较大。其它振动（C-N伸缩，N-H弯折）不易判别。胺、铵盐：胺的NH伸缩振动：3300-3500cm-1，24羰基化合物：C=O伸缩振动1620-1850cm-1，强度大。羰基化合物：C=O伸缩振动1620-1850cm-1，强度大25化学键的振动频率课件26A.A.正辛烷正辛烷6、红外光谱解析举例：A.正辛烷6、红外光谱解析举例：27B B、2-2-甲基庚烷甲基庚烷B、2-甲基庚烷282,2-2,2-二甲基己烷二甲基己烷2,2-二甲基己烷29(E)-2-(E)-2-己烯己烯(E)-2-己烯301-1-己烯己烯1-己烯31(Z)-3-(Z)-3-己烯己烯(Z)-3-己烯322-2-甲基甲基-1-1-丙烯丙烯2-甲基-1-丙烯331-己炔己炔1-己炔342-己炔己炔2-己炔35三、核磁共振谱(NuclearMagneticResonance,NMR)1、基本原理原子核的自旋，自旋量子数I偶数偶数0无奇数偶数整数有原子序数质量数INMR信号奇数或偶数奇数1/2,3/2,5/2有三、核磁共振谱(NuclearMagneticReson36核磁共振现象核自旋磁矩=P=hI/2（其中，P为自旋角动量，为自旋角动量，是磁旋比，h为普朗克常数）自旋核进动角速度自旋核进动角速度 0=20=H0（式中，H0为外磁场强度，为外磁场强度，0 0为进动频率）为进动频率）自旋磁量子数自旋磁量子数m=I,I-1,I-2.(代表不同的取向或能级，只能代表不同的取向或能级，只能有有2I+1个能级）l1H的核磁共振在磁场中，核的能量E=-(m/I)H0 对于对于1H核核，I=1/2,m=1/2，在磁场在磁场H0中有两个不同能中有两个不同能级，其能量差级，其能量差 E=2 H0=h 01H核发生共振的条件核发生共振的条件 射射=0=H0/2（射射为外加电磁波的频率）核磁共振现象核自旋磁矩=P=hI37化学键的振动频率课件38其它I=1/2的自旋核的共振1H99.981.0013C1.1080.01615N0.3650.0010419F1000.834核天然丰度(%)在同一磁场中的相对灵敏度31P1000.066其它I=1/2的自旋核的共振1H99.981.001339核磁共振波谱仪：连续波扫描NMR和FT-NMR核磁共振波谱仪：连续波扫描NMR和FT-NMR40二、质子的化学位移1、化学位移的起因化学位移源于核外电子在磁场中运动产生的感应磁场的屏蔽或去屏蔽效应。质子发生核磁共振的真正条件应为：射射=H有效有效/2 其中其中：H有效有效=H0(1-s s)=H0-H感应感应二、质子的化学位移1、化学位移的起因化学位移源于核外电子41化学位移的表示方法：相对数值(/ppm)化学位移的表示方法：相对数值(d/ppm)422、影响化学位移的因素：诱导效应和各向异性效应诱导效应：电负性大的原子或基团，吸电子能力强，使邻近1H的质子峰移向低场（左侧），反之移向高场（右侧）。各向异性效应：烯、炔、芳香化合物。2、影响化学位移的因素：诱导效应和各向异性效应诱导效应：电43化学键的振动频率课件44氢键、：去屏蔽作用，醇、酸、b-二酮、酰胺等。氢键、：去屏蔽作用，醇、酸、b-二酮、酰胺等。45活泼质子交换：一般导致峰加宽、活泼质子化学位移不定活泼质子交换：一般导致峰加宽、活泼质子化学位移不定46温度及溶剂温度及溶剂473、积分强度：用于确定分子中各种不同质子的数目4、自旋裂分及自旋偶合化学等价：分子中两个相同的质子处于相同的化学环境时，两者被称为化学等价。化学等价的质子具有相同的化学位移。3、积分强度：用于确定分子中各种不同质子的数目4、自旋裂分48与不对称碳相连的CH2的两个质子化学不等价；有些质子等价与否受条件限制。与不对称碳相连的CH2的两个质子化学不等价；有些质子等价与否49相邻质子间在外磁场存在下的相互作用称为自旋偶合。因自旋偶合引起的谱线裂分或增多称为自旋裂分。相邻质子间在外磁场存在下的相互作用称为自旋偶合。因自旋偶合引50l自旋偶合的起因：外磁场作用下邻近质子自旋取向（磁偶极子）不同而产生的加强或削弱外磁场的效果。自旋偶合通过成键电子传递，一般传递距离不超过3个s键（p体系除外）。l自旋偶合的起因：外磁场作用下邻近质子自旋取向（51偶合常数(J)：表示自旋偶合作用的强弱，与外磁场的强度无关，单位Hz。两个相互偶合的质子间的偶合常数相同，即Jab=Jba。自旋裂分的规律：n+1规则（一级图谱），n 为邻近等性质子的数目，各峰强度基本满足二项式各向系数比(二重峰1:1，三重峰1:2:1，四重峰1:3:3:1，五重峰1:4:6:4:1，七重峰1:6:15:20:15:6:1)。偶合常数(J)：表示自旋偶合作用的强弱，与外磁场的强度无关，52化学键的振动频率课件53化学键的振动频率课件54n+1规则的扩展：被裂分质子附近有两组不同的质子时，理论上裂分峰数为(n+1)(n+1)（与偶合常数大小有关）。n+1规则的扩展：被裂分质子附近有两组不同的质子时，理论55 三、三、1H-NMR谱的解析及应用l根据分子式计算，不饱和度=(2+2n4+n3-n1)/2。l检查谱图，排除杂质峰（溶剂峰）、旋转边带等。根据积分曲线计算各组峰的质子数，参考化学位移和裂分情况判断各基团类型及相互连接方式。三、1H-NMR谱的解析及应用56化学键的振动频率课件57