文档介绍：第八章现代物理实验方法的应用
为什么要学习和发展现代物理实验方法?
现代物理实验方法鉴定有机物结构的优势
新有机化合物(天然有机物或合成有机物),都需要测定它的分子结构。
过去用化学方法测定有机化合物的结构,需要通过繁杂、费时多种化学反应把“未知物”变成“已知物”,才能推导出它的可能结构。遇到出乎意料之外有反应,容易得到错误的结论。
而且,化学方法必须破坏原来的结构,需要耗费大量样品。
采用化学法确定结构:鸦片中吗啡碱结构的测定,从1805年开始研究直至1952年才完全阐明,历时147年。
胆固醇结构式的确定经三、四十年(1889 -1927) 的工作,后经X-射线衍射法证明还有某些错误。
现代物理方法省时、省力、省钱、快速、准确,样品消耗量是微克级的。如质谱通常只用几微克样品,并在较短时间内,正确的检定有机化合物的结构,已成为研究有机化学不可缺少的工具。
本章主要内容和学习要求
内容:介绍“四谱”基本知识
紫外光谱(Ultraviolet Spectroscopy,简称UV),
红外光谱(Infrared Spectroscopy,简称IR),
核磁共振谱(Nuclear ic Resonance Spectroscopy,简称NMR)
质谱(Mass Spectroscopy,简称MS)
本章学习要求
了解各种光谱的一般原理,及其在鉴定有机化合物分子结构中的作用。
了解鉴定有机化合物分子结构分析步骤。
必须掌握的内容:能解析简单分子的红外光谱和核磁共振谱图。
8-1电磁波谱的一般概念
具有波粒二相性,有波长和频率两个特征。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。
(波动性)
所有电磁波都有相同的速度(3*1010cm/s) , ν(频率)=c(电磁波速度) /λ(波长, cm)
λ,ν成反比,波长λ愈短,频率ν愈高.
光波波长的单位换算:1nm=10-7cm=10-3μm
频率的表示法:
⑴一种表示法为赫兹Hz(1Hz=1S-1)
如波长为300nm的光,它的频率为ν=c/λ= (3*1010cm/s)/(300*10-7cm)=1015 s-1
⑵一种表示法是用波数 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。
(粒子性)
电磁辐射照射化合物分子,分子吸收辐射获得能量,与辐射频率相关. △E=hν(ΔE=获得的能量;h=planck常数,*10-); 频率ν愈高,获得的能量愈大。
分子中原子与电子都在运动,都具有能量。整个分子的能量,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。
Δ E分子= E2- E1 = E光子= hν
能级差:转动能级差(-10-4ev)
振动能差在1-,
电子跃迁的能级差约为20-1ev。
能量及分子吸收光谱
8-1 紫外(UV)和可见吸收光谱
1. 紫外光谱的基本原理
1) 紫外光谱的产生(电子跃迁):物质分子吸收一定波长的紫外光时,电子由基态跃迁到激发态所产生的吸收光谱称为紫外光谱。< 200nm 远紫外区;200 ~ 400nm 近紫外区
2) 电子跃迁的类型:价电子有三种类型(σ键电子、π键电子和未成键的 n 电子),常见的电子跃迁:* > n* > * > n*
* * n* n*
大小顺序:
*
*
n*
n*
*
*
n
* 和 n* 跃迁,吸收波长:< 200nm (远紫外区);
* 和 n* 跃迁,吸收波长: 200~400nm (近紫外区);
电子跃迁类型、吸收能量波长范围、与有机物关系如下:
二、朗勃特—比尔定律和紫外光谱图
-Beer定律
当我们把一束单色光(I0)照射溶液时,被溶液吸收一部分光与溶液中物质的浓度和液层的厚度成正比。用数学式表式为:
: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,则用摩尔消光系数ε=E×M来表示吸收强度,可写成。