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1、会计学1八章现代物理八章现代物理(wl)实验方法的应用实验方法的应用第一页，共48页。化学法测定有机物结构缺陷 样品用量大 工作繁重 分析时间长 准确性差光谱方法的优点样品用量少（g-mg)分析时间短精确度高（误差:质谱法10-9,化学法 5%)第1页/共47页第二页，共48页。近代(jndi)物理方法紫外光谱（uv)红外光谱（IR）核磁共振谱（NMR）质谱（MS）第2页/共47页第三页，共48页。一、光的频率与波长(bchng) 光是电磁波,电磁波包括了一个极广阔的区域。8-1 电磁波的一般(ybn)概念 第3页/共47页第四页，共48页。 波长与频率的关系波长与频率的关系(gun x)(g
2、un x)为：为： = c / = c / = =频率，单位：赫（频率，单位：赫（HZHZ）；）； = =波长，单位：厘米（波长，单位：厘米（cmcm），表示波长的单位很多。），表示波长的单位很多。 如：如：1nm=10-7cm=10-3m =300nm1nm=10-7cm=10-3m =300nm的光，它的频率（的光，它的频率（1HZ=1S-11HZ=1S-1） 频率的另一种表示方法是用波数，即在频率的另一种表示方法是用波数，即在1cm1cm长度内波的数目。如波长长度内波的数目。如波长为为300nm300nm的光的波数为的光的波数为 1/300107=33333/cm-1 1/300107=
3、33333/cm-1。第4页/共47页第五页，共48页。二、光的能量及分子(fnz)吸收光谱 每一种波长的电磁辐射(din c f sh)时都伴随着能量。 E=h=hc/ h-普郎克常数（6.62610-34J.S） (1)电磁波是能量的一种形式，每一波长的电磁波都具有一定的能量，波长愈短、能量愈高。 (2)分子具有不同形式的运动状态。e.g. 分子的转动，价键的振动、原子核的振动、内层电子(dinz)的跃迁都属于分子不同形式的运动状态，不同形式的运动状态需要不同的能量，同种运动状态（e.g. C-H的拉伸振动）也会因分子不同而异。分子吸收电磁 辐射后就得到了能量，并能引起相应的运动。 (3)
4、物质吸收多少波长的电磁波以及吸收的强度都与分子的结构密切相关。2.光谱法测定分子结构的原理第5页/共47页第六页，共48页。分子吸收光谱可分为 (fn wi)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(nngj)的跃迁，转动能级(nngj)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(yuqin)，吸收波长大多位于2.5-16m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100400nm，为紫外光谱。第6页/共47页第七页，共48页。一、光
5、谱法测定分子结构(fn z ji u)的原理：8-2 紫外和可见(kjin)吸收光谱(UV-Vis) 1.电磁波是能量的一种形式，每一波长的电磁波都具有一定的能量，波长愈短、能量愈高。 2分子具有不同形式的运动状态。e.g. 分子的转动，价键的振动、原子核的振动、内层电子的跃迁都属于分子不同形式的运动状态，不同形式的运动状态需要不同的能量，同种运动状态（e.g. C-H的拉伸(l shn)振动）也会因分子不同而异。 3分子吸收电磁辐射后就得到了能量，并能引起相应的运动。物质吸收多少波长的电磁波以及吸收的强度都与分子的结构密切相关。第7页/共47页第八页，共48页。 与电子吸收光谱(gungp)
6、（紫外光谱(gungp)）有关的电子跃迁，在有机化合物中有三种类型，即电子、电子和未成键的n电子。第8页/共47页第九页，共48页。 电子跃迁类型、吸收能量波长范围(fnwi)与有机物关系如下： 可以看出，电子跃迁前后两个能级的能量差值E越大，跃迁所需要的能量也越大，吸收(xshu)光波的波长就越短。第9页/共47页第十页，共48页。三、朗勃特比尔定律(dngl)和紫外光谱图1Lambert-Beer定律(dngl) A：吸光度（吸收度）； c：溶液的摩尔浓度（mol/L）L：液层的厚度；E：吸收系数（消光系数） 若化合物的相对分子量已知，则用摩尔(m r)消光系数=EM来表示吸收强度，上式可
7、写成: 第10页/共47页第十一页，共48页。2紫外光谱的表示(biosh)方法 应用(yngyng)紫外光谱仪，使紫外光依次照射一定浓度的样品溶液，分别测得消光系数E或。 以摩尔消光系数或Iog为纵坐标。以波长（单位nm）为横坐标作图得紫外光谱吸收曲线，即紫外光谱图。如下图：第11页/共47页第十二页，共48页。四、紫外光谱与有机(yuj)化合物分子结构的关系 1烷径（*）、醇（*，n*）、醚（*，n*）在近紫外区不产生吸收。 2通常将能够发生*或n*的基团，含键的碳碳双键、碳碳叁键、羰基、硝基等，称为发色基团。 3.当有共轭体系存在时，跃迁(yuqin)所需的能量显着减小，吸收向长波方向移
8、动（红移）。 4当共轭体系受到阻碍时，就要减少红移。e.g. 在顺反异构体中，反式异构体吸收的波长较顺式异构体长。 5. 原子的电负性强，对电子控制牢、激发电子需要的能量大，吸收光波长短，反之则相反。第12页/共47页第十三页，共48页。两组例子 (l zi)：第13页/共47页第十四页，共48页。 五、 紫外光谱(gungp)的应用 1.利用紫外光谱法检查化合物的纯度（定性和定量） 紫外光谱灵敏度很高，容易检验出化合物中所含的微量杂质。例如(lr)，检查无醛乙醇中醛的限量，可在270 290nm范围内测其吸光度，如无醛存在，则没有吸收。 2.确定共轭体系是否存在以及共轭体系的长短 3 .确定
9、顺反异构体的构型 反苯二乙烯的吸收波长较顺式的长 第14页/共47页第十五页，共48页。应用(yngyng)实例例（2）：例（1）：第15页/共47页第十六页，共48页。例3： 有一化合物的分子式为C4H6O，其构造式可能(knng)有三十多种，如测得紫外光谱数据max =230 nm （max 5000），则可推测其结构必含有共轭体系，可把异构体范围缩小到共轭醛或共轭酮： 至于究竟是哪一种，需要(xyo)进一步用红外和核磁共谱来测定。第16页/共47页第十七页，共48页。 红外光谱可以确证两个化合物是否相同(xin tn)，也可以确定一个新化合物中某一特殊键或官能团是否存。 用波长（或波数）
10、为横坐标，以表示吸收带的位置，用透射(tu sh)百分率（T%）为纵坐标表示吸收强度。 8-3 红外光谱(gungp) ( I R )正辛烷一、外光谱图的表示方法第17页/共47页第十八页，共48页。二、红外光谱(gungp)的产生原理 红外光谱是由于分子的振动能级的跃迁而产生的，当物质吸收一定波长的红外光的能量时，就发生振动能级的跃迁。研究在不同频率照射下样品吸收的情况就得到红外光谱图。1分子的振动类型(lixng)（1）伸缩振动成键原子沿着键轴的伸长或缩短（键长发生改变，键角不变）。第18页/共47页第十九页，共48页。（2）弯曲振动引起(ynq)键角改变的振动第19页/共47页第二十页，
11、共48页。2振动(zhndng)频率（振动(zhndng)能量） 一个化学键的振动频率与化学键的强度（力常数K）及振动原子的质量(zhling)（m1和m2）有关，它们的关系式为： 可见(kjin)，影响基团振动频率的直接因素是原子的质量和键力常数。 第20页/共47页第二十一页，共48页。三、红外光谱(gungp)与分子结构的关系1. 几条基本规律： （1）由于氢原子的质量最小，所以Y-H键（Y = C、O、N）的伸 缩振动频率(pnl)最高； （2）叁键的力常数大于双键和单键的力常数，因而它的伸缩振 动频率(pnl)仅次于Y-H键；（3）同种价键，伸缩振动频率(pnl)高于弯曲振动频率(p
12、nl)； （4）不对称伸缩振动频率(pnl)高于对称伸缩振动频率(pnl)； （5）-I效应致使吸收波数升高；+I效应致使吸收波数降低；（6）共轭效应的影响 第21页/共47页第二十二页，共48页。2官能团区和指纹(zhwn)区 3800-1400 cm-1区域的吸收峰主要是由价键伸缩振动跃迁产生的，与整个分子的关系不大，因而可用来确定某种特殊的键和官能团是否存在，是红外光谱的主要用途。在该区域中，凡是能用于鉴定有机物各种基团存在的吸收峰叫做特征吸收峰或特征峰。 1400-650cm-1为指纹区。在此区域，主要的吸收是由C-C、N-N和C-O伸缩振动以及各种弯曲振动所引起的，每一个化合物都有它
13、自已的特点。在未知物的红外光谱图中，如指纹区与某一标准样品相同，就可以(ky)判断它和标准样品是同一化合物，因此可以(ky)用于有机化合物的鉴定。在指纹区内，各个化合物在结构上的微小差别均可得到反映。 第22页/共47页第二十三页，共48页。3. 相关(xinggun)峰 一种基团可以有数种振动形式，每种振动形式都产生一个相应的吸收峰，通常把这些互相依存而又互相可以佐证的吸收峰称为相关峰。 确定有机(yuj)化合物中是否有某种基团，要先看特征峰，再看有无相关峰来确定。4.影响特征吸收频率（基团(j tun)吸收位置）的因素1） 外界因素，如，状态、溶剂极性等第23页/共47页第二十四页，共48
14、页。2） 分子(fnz)内部结构的影响a 电子效应的影响 吸电子基使吸收(xshu)峰向高频区域移动，供电子基使吸收(xshu)峰向低频区域移动。第24页/共47页第二十五页，共48页。b. 氢键缔合的影响 能形成氢键的基团吸收频率(pnl)向低频方向移动，且谱带变宽。例如：伯醇-OH的伸缩振动吸收频率(pnl)c 张力效应(xioyng)（张力越大，吸收频率越高）。第25页/共47页第二十六页，共48页。8-4 核磁共振(h c n zhn)谱(NMR)一、基本知识1.核的自旋与磁性 由于氢原子是带电体，当自旋时，可产生一个磁场，因此，我们可以把一个自旋的原子核看作一块(y kui)小磁铁。
15、2核磁共振现象 原子的磁矩在无外磁场影响下，取向是紊乱的，在外磁场中，它的取向是量子化的，只有两种可能的取向。 当ms= +1/2时，如果取向方向与外磁场方向平行，为低能级（低能态） 。 当ms= - 1/2 时，如果取向方向与外磁场方向相反，则为高能级（高能态）。第26页/共47页第二十七页，共48页。两个(lin )能级之差为E： r为旋核比，一个(y )核常数，h为Planck常数，6.62610-34 E与磁场强度（Ho）成正比。给处于外磁场的质子辐射一定频率的电磁波，当辐射所提供的能量恰好等于质子两种取向的能量差（E）时，质子就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级，这种现象称为(
16、chn wi)核磁共振。第27页/共47页第二十八页，共48页。3核磁共振(h c n zhn)谱仪及核磁共振(h c n zhn)谱的表示方法(1)核磁共振(h c n zhn)谱仪基本原理示意图第28页/共47页第二十九页，共48页。( 2)核磁共振谱图的表示(biosh)方法收强度吸磁场强度（ ）H o高场低场信号若固定 ，改变 ，叫扫频固定 ，改变 ，叫扫场现多用扫场方法得到谱图H oH o第29页/共47页第三十页，共48页。二、屏蔽效应和化学(huxu)位移1化学位移 分子中各种不同环境下的氢，在不同Ho下发生核磁共振，给出不同的吸收信号。例如(lr)，对乙醇进行扫场则出现三种吸收
17、信号，在谱图上就是三个吸收峰。 这种由于氢原子在分子中的化学环境(hunjng)不同，因而在不同磁场强度下产生吸收峰,峰与峰之间的差距称为化学位移。第30页/共47页第三十一页，共48页。2屏蔽效应化学(huxu)位移产生的原因 由于电子产生(chnshng)的感应磁场对外加磁场的抵消作用称为屏蔽效应。第31页/共47页第三十二页，共48页。3化学(huxu)位移值 化学位移值的大小，可采用一个标准化合物为原点，测出峰与原点的距离，就是该峰的化学位移值，一般采用四甲基硅烷（TMS）为标准物。 化学位移是依赖于磁场强度的。不同频率的仪器测出的化学位移值是不同的， 为了使在不同频率的核磁共振仪上测
18、得的化学位移值相同（不依赖于测定时的条件(tiojin)），通常用来表示，的定义为： 标准(biozhn)化合物TMS的值为0。 第32页/共47页第三十三页，共48页。4影响(yngxing)化学位移的因素（1）诱导效应 a. 值随着邻近原子或原子团的电负性的增加而增加。 b. 值随着H原子与电负性基团距离的增大而减小。 c. 烷烃中H的值按伯、仲、叔次序依次增加。（2） 电子环流效应（次级磁场的屏蔽作用） 烯烃、醛、芳环等中，电子在外加磁场作用下产生(chnshng)环流，使氢原子周围产生(chnshng)感应磁场，其方向与外加磁场相同，即增加了外加磁场，所以在外加磁场还没有达到Ho时，就
19、发生能级的跃迁，因而它们的很大（12）。第33页/共47页第三十四页，共48页。 氢原子位于产生的感应磁场与外加磁场相同方向的去屏蔽区， 所以在外加磁场强度还未达到Ho时，就发生能级的跃迁(yuqin)。故吸收峰移向低场，值增大。第34页/共47页第三十五页，共48页。 乙炔也有电子环流,但炔氢的位置不同，处在屏蔽区（处在感应磁场(cchng)与外加磁场(cchng)对抗区），所以炔氢的值较小。第35页/共47页第三十六页，共48页。三、峰面积(min j)与氢原子数目 在核磁共振谱图中，每一组吸收(xshu)峰都代表一种氢，每种共振峰所包含的面积是不同的，其面积之比恰好是各种氢原子数之比。如
20、乙醇中有三种氢其谱图为： 第36页/共47页第三十七页，共48页。四、峰的裂分和自旋(z xun)偶合1峰的裂分 应用高分辨率的核磁共振仪时，得到等性质子的吸收峰不是一个单峰而是一组峰的信息(xnx)。这种使吸收峰分裂增多的现象称为峰的裂分。 例如：乙醚的裂分图示如下。第37页/共47页第三十八页，共48页。2自旋(z xun)自旋(z xun)偶合 （1）自旋偶合的产生 吸收峰发生裂分是由于质子间的自旋发生相互作用而引起的结果(ji gu)，质子与其它质子间的自旋相互作用称为自旋自旋偶合 。（以溴乙烷为例）第38页/共47页第三十九页，共48页。Ha在外磁场中自旋(z xun)，产生两种方向
21、的感应小磁场H第39页/共47页第四十页，共48页。当两个(lin )Ha的自旋磁场作用于H b时，其偶合情况为：第40页/共47页第四十一页，共48页。（2）偶合(u h)常数 偶合使得(sh de)吸收信号裂分为多重峰，多重峰中相邻两个峰之间的距离称为偶合常数（J），单位为赫（Hz）。 J的数值大小表示两个质子间相互偶合（干扰）的大小。 当Ha和H b化学位移之差（）与偶合常数（Jab）之比大于6与上时，可用上述方法来分析自旋裂分的信号(xnho)，当接近或小于Jab时，则出现复杂的多重峰。等性氢之间不产生信号(xnho)的自旋裂分。第41页/共47页第四十二页，共48页。（3）自旋(z
22、xun)偶合的限度（条件）1磁等性质子之间不发生偶合(u h)。2两个磁不等性质子相隔三个键以上时，则不发生偶合(u h)。3同碳上的磁不等性质(xngzh)子可偶合裂分。第42页/共47页第四十三页，共48页。3裂分峰数的计算(j sun) 裂分峰数用n + 1规则来计算(j sun)（n邻近等性质子个数；n + 1裂分峰数）例如：当邻近(ln jn)氢原子有几种磁不等性氢时，裂分峰数为（n + 1）（n+ 1）（n+ 1）第43页/共47页第四十四页，共48页。五、核磁共振(h c n zhn)谱的解析及应用 核磁共振谱图主要可以得到如下信息：（1）由吸收峰数可知分子中氢原子的种类(zhn
23、gli)。（2）由化学位移可了解各类氢的化学环境。（3）由裂分峰数目大致可知各种氢的数目。（4）由各种峰的面积比即知各种氢的数目。1应用(yngyng)第44页/共47页第四十五页，共48页。2谱图解析(ji x) (1)确定有几组峰； (2)根据积分曲线确定各组峰的质子比（不一定(ydng)是质子目； (3)根据化学位移、裂分数目及其它光谱数据、不饱和程度及化学试验确定分子结构。第45页/共47页第四十六页，共48页。 例 : 某分子式为C5H12O的化合物，含有五组不等性质子，从NMR谱图中见到： a 在处有一个二重峰(6H) b 在处有一个多重峰(1H) (6+1) (1+1) = 14
24、重峰 c 在处有一个八重峰(1H) (3+1) (1+1) = 8重峰 d 在处有一个单峰(1H) e 在处有一个三重峰(3H) 解析(ji x)得其结构为：第46页/共47页第四十七页，共48页。内容(nirng)总结会计学。2.5-16m内(中红外区内),因此称为红外光谱。以摩尔消光系数或Iog为纵坐标。e.g. 在顺反异构体中，反式异构体吸收的波长较顺式异构体长。2.确定共轭体系是否存在以及共轭体系的长短。结构必含有共轭体系，可把异构体范围缩小到共轭醛或共轭酮：。2官能团区和指纹区。2屏蔽效应化学位移产生的原因。（3）由裂分峰数目(shm)大致可知各种氢的数目(shm)。(2)根据积分曲线确定各组峰的质子比（不一定是质子目第四十八页，共48页。
