现代物理方法在有机物结构分析中的应用

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1、第七章现代物理方法在有机物结构分析中的应用 有机化学是用结构式来描述的一门学科。有机化合物、有机反应、反应机理、合成方法等都能用结构式来描述，从结构式可以推断出该化合物的性质。化合物的结构式最早是用化学法测定。用化学法测定化合物的结构往往是十分繁琐复杂的工作，而且在化学变化中往往会发生意想不到的变化，从而给结构的测定带来困难。如吗啡（C15H15O3N）从1803年第一次被提纯，至1952年弄清楚其结构，其间经过了150年；胆固醇（C27H47O）结构的测定经历了40年，而所得结果经X－射线衍射发现还有某些错误。测定有机物结构的波谱法，是20世纪五、六十年代发展起来的现代物理实验方法。波谱法的

2、应用使有机物结构测定、纯度分析等既快速准确，又用量极少，一般只需1～100mg，甚至10-9g也能给出化合物的结构信息，并且在较短的时间内，经过简便的操作，就可获得正确的结构。应用波谱法可弥补化学方法之不足。现在，化学方法基本上被物理实验方法所取代，现代的教科书、文献、论文中化合物的结构均以波谱数据为依据，正如熔点、沸点、折光率等作为每个化合物的重要物理常数一样的普遍，而且更加重要。波谱法实验方法的应用推动了有机化学的飞速发展，已成为研究有机化学不可缺少的工具。测定有机化合物结构的现代物理方法有多种，波谱法已成为研究有机物结构的一种重要的和主要的手段，通过谱图能将分子结构清楚地表达出来。很多物

3、质，如从动植物中分离出的微量生物物质（如昆虫激素）、不稳定分子、反应中间体等，只能用波谱法测定它们的结构。有机物的结构测定常用到四大谱图：紫外光谱（UV，UltravioletSpectrum）；红外光谱（IR，InfraredSpectrum）；核磁共振谱（NMR，NuclearMagneticResonance）和质谱（MS，MassSpectrum）。UV、IR、NMR谱都是由一定频率的电磁波与分子或原子中某些能级间的相互作用而产生的。因此，波谱学是研究光与物质相互作用的科学。光与物质相互作用产生电子光谱（UV）、分子的振转光谱（IR）及原子核的磁共振谱（NMR）。本章将对四谱进行初步的

4、了解。 §7.1电磁波的一般概念一、电磁波谱的一般概念光是一种电磁波，具有波粒二象性。波动性表现为光的运动特征，用波长λ、频率υ、光速c等参数描述；其粒子性表现为光具有一定的能量E。各参数之间的关系为：E=hυ，υ＝c/λ电磁波谱是一个极广阔的区域，从波长只有千万分之一纳米的宇宙射线到以米、千米计的无线电波都包括在内。有机物测定的波谱范围通常为：光区波长λ波数cm-1紫外光区4～400nm近紫外4～200nm2.5×106～5×104远紫外200～400nm5×104～2.5×104可见光区 400～800nm2.5×104～1.25×104红外光区800nm～200μm近红外800～2500

5、nm1.25×104～4000中红外2.5～25μm4000～400远红外25～200μm400～50 每种波长的光的频率不一样，但光速都一样即3×1010cm/s。波长与频率的关系为：υ=c/λυ=频率，单位：赫（HZ）；λ=波长，单位：厘米（cm），表示波长的单位很多。如：1nm=10-7cm=10-3μmλ=300nm的光，它的频率为（1HZ=1S-1）  频率的另一种表示方法是用波数，即在1cm长度内波的数目。如波长为300nm的光的波数为1/300×10-7=33333/cm-1。二、光的能量及分子吸收光谱1.光的能量每一种波长的电磁辐射时都伴随着能量。E=hυ=hc/λh-普郎克常

6、数（6.626×10-34J.S）2.分子吸收光谱化合物的分子也具有各种不同能量的能级，如平移能Et，转动能Er，电子跃迁能Ee等。分子的总能量为所有这些能量的总和。从吸收光谱考虑，分子的总能量只考虑电子跃迁能、振动能和转动能。这些能量是不连续的。分子吸收幅射，就获得能量，分子获得能量后，可以增加原子的转动或振动，或激发电子到较高的能级。但它们是量子化的，只有当光子的能量恰好等于二个能级之间的能级差时，分子才吸收能量产生能级跃迁，得到的光谱为吸收光谱。所以对于某一分子来说，只能吸收某一特定频率的辐射，从而引起分子转动或振动能级的变化，或使电子激发到较高的能级，产生特征的分子光谱。分子吸收光谱可

7、分为三类：（1）转动光谱分子所吸收的光能只能引起分子转动能级的跃迁，转动能级之间的能量差很小，位于远红外及微波区内，在有机化学中用处不大。（2）振动光谱分子所吸收的光能引起震动能级的跃迁，吸收波长大多位于2.5~16μm内(中红外区内),因此称为红外光谱。（3）电子光谱分子所吸收的光能使电子激发到较高能级（电子能级的跃迁）吸收波长在100—400nm，为紫外光谱。能级差的大小为△E电子>△E振动>