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有机化学的波谱方法

* 按照波长范围红外光可分为三个区域: 近红外区(0.8-2.5mm) 中红外区(2.5-25 mm) 远红外区(25-100 mm) 能够被有机物分子吸收而引起分子中振动能级和转动能级跃迁的能量在中红外区,波数范围为4000-400cm-1。所以我们讨论的红外光谱都局限在中红外区域 * 我们首先通过观察甲苯的红外光谱对红外光谱分析法建立一个感性认识。 1.样品的制备 有机化合物的红外光谱可在液态、固态或溶液中测定。一般固体样品或是与KBr粉末混合后压成薄片,或使分散在石蜡油中。甲苯是液体物质,它可以直接涂抹在KBr晶体片上进行分析测试。 2.扫描 用连续改变波长的红外光源来照射甲苯样品时,当某一波长的红外光的能量恰好与甲苯中某一化学键的振动频率相同,就会产生吸收。把样品的吸收情况记录下来,就得到它的红外光谱。 3.红外谱图 红外光谱图是以波长l或波数n为横坐标表示吸收峰位置,以透射百分率T%为纵坐标表示吸收强度。吸收曲线反映一个化合物在不同波长光谱区域内吸收能力的分布情况。吸收度越大,透射率就越小。所以在红外光谱图中吸收峰实际表现为向下的谷。甲苯的红外光谱图如图所示。 * 红外光谱为有机分子吸收中红外区的辐射后导致的分子振动能级跃迁所产生的的吸收光谱。研究红外光谱的机理,应首先研究分子的振动类型。 我们知道,有机分子中的原子是通过化学键相互连接的。原子间的化学键的键长、键角不是固定不变的,而是像用弹簧连接起来的一组小球,整个分子在不停地振动着。所谓分子振动是指分子中化学键的振动。分子振动能级的跃迁,可由红外光辐射提供能量。 分子中的化学键就如同两端连小球的弹簧,其振动形式可分为伸缩振动和弯曲振动两大类。 * 伸缩振动指沿键轴方向的键的伸长或缩短的振动,主要是键长的改变。它包括对称和不对称伸缩振动,分别用符号s和as表示。 对称伸缩振动涉及到的两根化学键的伸与缩是同步的。 而不对称伸缩振动涉及到的两根化学键中一根键的伸与另一根键的缩是同步进行的。 * 弯曲振动指垂直于键轴方向的振动,使键角发生变化或基团对其余部分的相对运动。它包括面内弯曲振动和面外弯曲振动两种方式。面内弯曲振动又可分为剪式和平面摇摆振动;面外弯曲又分为非平面摇摆和扭曲振动。 不同的振动形式所需能量的高低一般为: * 一个原子可以在三度空间运动,即有三个运动数,每一运动称为一个自由度,由n个原子组成的分子,就有3n个自由度,其中三个自由度属于整个分子向三度空间的三个方向平移运动,还有三个自由度属于分子的转动运动,即围绕分子不同的轴转动,如围绕分子价键的轴转动或围绕一通过分子重心并垂直于价键的轴转动。对于线型分子,由于围绕分子价键的轴转动时,原子的位置没有变化,因此只有两个转动自由度。 除了平移运动与转动运动的自由度外,其余的自由度均为分子内由价键连接的两个原子之间的振动自由度,故n个原子的分子有(3n-6)个或对线型分子来说有(3n-5)个振动自由度,例如甲烷有 5个原子组成,就有 3 x 5—6=9个振动自由度。 分子中原子越多,振动自由度也就越多。从理论上讲,每一个振动自由度,相当于红外区的一个吸收带。但实际上一个化合物IR谱中的吸收峰数目少于分子的振动自由度。其原因是多方面的:有些振动自由度,不伴随着偶极矩的变化,没有红外吸收带(因为只有振动着的偶极才能和红外的电磁场彼此发生作用,从它吸收能量,当光的频率恰好等于特征频率时,振动得到加强,因为只有这样才可以吸收那些和分子某一个键的振动频率发生共振时波长的光波);有些基团有相同的振动频率,红外吸收重叠等等。因此实际的红外吸收峰数,常少于振动自由度的数目。 * 红外吸收峰在谱中的位置取决于各化学键的振动频率。键的振动频率与组成化学键的原子的质量和化学键的性质有关。组成键的原子的质量越小,键能越高,键长越短,振动所需能量越大,吸收峰所在的波数就越高。例如,H的质量很小,O—H、N—H和C—H的伸缩振动吸收峰都出现在较高波数范围内。又如,C=O的键能比C—O键能高,键长也较短,故C=O键的伸缩振动吸收峰的位置与C—0相比,必然出现在较高波数处。 * 指纹区出现的吸收峰,既有伸缩振动引起的,又有弯曲振动引起的,一般比较复杂,它反映了分子的结构特征,两个化合物结构上的细微差别,在指纹区就会有明显的差别 所以指纹区的吸收峰对鉴别烯烃类型和苯环上的取代情况可以提供有用的信息。 * 1700cm-1强吸收峰表明分子中含有羰基;3020cm-1处有一中强吸收峰(不饱和烃nC-H>3000cm-1 ),可排除B的可能;所以该化合物为A。 * * 能够引起偶极矩变化的振动才能产生吸收。这种变化越大,吸收也越强。通常峰强可用缩写符号表示 * 通常从高波数移向低波数,先在4O00~1300cm-1的官能

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