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现代物理试验方法的应用.doc

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第八章现代物理实验方法的应用
一、教学目的和要求
(1)了解有关电磁波谱的一般知识,着重了解有关核磁共振谱和红外光谱的原理以及和有机化合物的关系。
(2)初步学会辨认一些典型的简单有机化合物的波谱图。
二、教学重点与难点
(1)有关核磁共振谱和红外光谱的原理以及和有机化合物的关系。
会辨认一些典型的简单有机化合物的波谱图。
三、教学方法和教学学时
1、教学方法:以课堂讲授为主,结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多媒体相结合。
2、教学学时:8学时
四、教学内容
第一节电磁波谱的一般概念
电子的激发跃迁方式能量与波长的关系
第二节紫外和可见吸收光谱
紫外光谱及其产生,紫外光谱图,紫外光谱与有机物结构的关系
第三节红外光谱
分子振动的方式质量与吸收频率的关系烃C-H特征吸收峰
第四节核磁共振谱
核磁共振氢谱,电子的屏蔽化学位移自旋偶合,核磁共振碳谱
第五节质谱简介
五、课后作业、思考题研究有机化合物,不论是从天然产物中提取的还是化学方法合成的,都要测定它们的分子结构。如果对某一有机化合物的结构还不太了解,则对其性质和作用的研究是很难深入的,更不用说合成和改进它了,因此,确定有机化合物的结构很自然地变成了研究有机化学的首要任务。经典的化学方法是研究有机结构的基础,在现代有机化学研究中任占有重要地位,但是,经典的化学方法花费时间长,消费样品多,操作手续繁杂。特别是对一些复杂有机物结构的研究,有时要花费有机化学家几年甚至几十年、几代人的精力。而得到的结构还会有某些错误,例如,对胆固醇结构式的确定经三、四十年(1889~1927)的工作获得的结构式(为此曾颁发了诺贝尔奖金,1928年颁发给德国人文道斯)。后经X射线衍射证明还有某些错误。
应用现代物理方法测定有机化合物的结构,只需微量样品,在较短的时间内,经过简便的操作,就可获得正确的结构。现代物理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,常用的有紫外(UV)光谱、红外(IR)光谱、核磁共振(NMR)谱和质谱(MS),简称四谱。本章将对四谱进行初步的了解。
§8—1 电磁波的一般概念
一、光的频率与波长
光是电磁波,有波长和频率两个特征。电磁波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再内(图8—1)
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 /λ
υ=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=10-3μm
λ=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
光的能量
每一种波长的电磁辐射时都伴随着能量。
E=hυ=hc/λ h-普郎克常数(×10-)
分子吸收光谱
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,因此只有光子的能量恰等于两个能级之间的能量差时(即ΔE)才能被吸收。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。
分子吸收光谱可分为三类:
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。
振动光谱
分子所吸收的光能引起震动能级的跃迁,~16μm内(中红外区内),因此称为红外光谱。
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。
§8—2 紫外和可见吸收光谱
一、紫外光谱及其产生

物质分子吸收一定波长的紫外光时,电子发生跃迁所产生的吸收光谱称为紫外光谱。
一般的紫外光谱仪是用来研究近紫外区吸收的。

与电子吸收光谱(紫外光谱)有关的电子跃迁,在有机化合物中有三种类型,即σ电子、π电子和未成键的n电子。电子跃迁的类型与能量关系见图8-2。
电子跃迁类型、吸收能量波长范围、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ΔE越大,跃迁所需要的能量也越大,吸收光波的波长就越短。
二、朗勃特—比尔定律和紫外光谱图

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