4._有机化合物的结构表征
有机化合物的结构特点
有机化合物的结构特点有机化合物是由碳和氢以及其他一些元素（如氧、氮、硫等）组成的化合物。
它们具有以下几个结构特点。
1.碳的四价性：碳原子有四个价电子，可以与其他原子形成共价键。
这使得碳原子能够以多种方式和其他原子形成化合物，从而构建出非常多样化的有机分子。
2.分支链和环结构：由于碳原子可以与其他碳原子形成共价键，有机化合物可以形成分支链和环结构。
分支链是由一个主链上的碳原子之外的碳原子构成的侧链。
环结构是由若干个碳原子构成的平面环状结构，称为环状碳骨架。
3.含氧官能团：许多有机化合物中含有氧元素，形成了各种各样的含氧官能团，如羟基（-OH）、羰基（C=O）、醇基（-R-OH）等。
这些官能团赋予了有机化合物特定的化学和物理性质。
4.含氮官能团：有机化合物中也常常含有氮元素，形成了各种各样的含氮官能团，如胺基（-NH2）、腈基（C≡N）等。
这些官能团赋予了有机化合物特定的结构和性质。
5.立体化学：有机化合物中的碳原子可以形成手性中心，这意味着它们可以存在两个非对称的立体异构体。
这种分子的手性性质对于它们的活性和生物活性非常关键。
6.官能团的位置和取代：有机化合物中，官能团的位置和取代方式对其性质和化学反应起着重要的影响。
不同位置和取代方式的官能团可以导致化合物具有不同的性质和反应。
7.范德华力：有机化合物中的分子间作用力主要是范德华力，它是由于分子间的短暂的电荷不均引起的吸引力。
范德华力的强弱决定了有机化合物的物理性质，如沸点、溶解度等。
以上是有机化合物的一些主要结构特点。
有机化合物的结构特点丰富多样，这使得它们具有广泛的应用领域，包括药物、合成材料、农药等。
有机化合物的谱图解析
05
在分子光谱中，根据电磁波的波长（λ）划分为几个
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不同的区域，如下图所示：
微粒性：可用光量子的能量来描述：
分子的总能量由以下几种能量组成：
红外光谱的表示方法 红外光谱
一般指中红外（振动能级跃迁）。
纵坐标：透过率（T %），表示吸收强度。T↓，表明吸收的 越好，故曲线低谷表示是一个好的吸收带。 表示透过光的强度； I0：表示入射光的强度。
在没有纯净的标准物质时，可用标准谱图比较。许多国家 都编制出版了标准谱图集，如萨特勒IR谱图集，汇集有十 余万张纯化合物的标准红外光谱图。
①了解与试样性质有关的其他资料 了解来源 元素分析的结果 相对分子质量 熔点、沸点等物理性质和有关的化学性质 由元素分析结果和相对分子质量推算出分子式 计算不饱和度：
力常数k：与键长、键能有关：键能↑（大），键长↓（短），k↑。
化学键
键长（nm）
键能（Kj.mol-1）
力常数 k（N.cm-1）
波数范围（cm-1）
C―C
0.154
347.3
4.5
700～1200
C＝C
0.134
610.9
9.6
规定：双键(C=C、C=O)、饱和环状结构：Ω=1； 叁键(C≡C)：Ω=2；苯环： Ω=4。
n1－1价原子数目 n3－3价原子数目 n4－4价原子数目
例： 计算甲苯C7H8的不饱和度。
答：甲苯的不饱和度为4。 甲苯的不饱和度为4，是因为苯可看作3个双键和1个环。
②试样的制备和红外光谱的制作 ☆被分析的试样应该是纯物质 ☆纯物质可以通过对试祥进行分离和精制的方法(如分馏、萃取、重结晶、层析等)得到 ☆根据试样的性质，按照试验条件制作红外光谱图
有机化合物的表征
• 分子及组成它的原子、电子在不断运动，各种运动状态都有一定的能 级，有电子能级、振动和转动能级、原子核自旋能级。分子中不同运 动方式的能级跃迁需要不同频率或波长的电磁辐射提供能量。如无线
• 电磁辐射，又称电磁波，具有波、粒二象性。电磁辐射的波长l(单位 cm 或nm)越短，频率v(单位Hz)越高，光子能量E(单位kJ·mol-1) 也越大。它们之间的关系是
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15.1 红外光谱法
• 式中 c为光速，是常数3×1010cm／s；犺为普朗克常数， 6.626×10-34J·s；犾为波长。电磁波的频率也常以波数σ表示，σ 是指每厘米所含有波长的数目，单位为cm-1。
• 组成分子的原子不停地振动，振动方式很多，在红外光谱中一般可以 分为伸缩振动和弯曲振动两种类型。
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15.1 红外光谱法
• 1)伸缩振动 • 键合原子沿键轴方向伸展和收缩，键长改变而键角不变。可以分为对
称伸缩振动和不对称伸缩振动。 • 2)弯曲振动 • 键合原子在键轴上下左右弯曲振动，键角改变而键长基本不变。可以
• 3. 紫外光谱法 • 4. 质谱法 • 有机化合物的结构表征可以分为三种方法：物理常数测定法、化学法
和近代物理方法。在每种方法中又可以分为不同的方法。但一般情况
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15.1 红外光谱法
• 下，没有只用一种方法就能够准确无误地给出化合物的构造，实际工 作中往往是几种方法联合使用、互相补充，才能够得到确切的构造式。 其中近代物理方法是应用近代物理实验技术建立的一系列仪器分析方 法。测定有机化合物的各种波谱，确定有机化合物的结构，现已构成 了有机化合物的波谱学。这种方法的特点是试样用样量少、测试时间 短、结果精确等。尤其与计算机联用后，其优越性更加突出。有机化 合物的波谱是记录有机化合物分子的微观性质，能够揭示微观粒子的 运动状态和相互之间的关系，是研究表征分子结构的最有利的手段和 方法。
有机化合物的四谱解析
例: 计算C3H4Cl2的 M:M+2:M+4 的相对强度 解:氯的同位素比值为3:1,则用二项式计算: (3+1)2 = 9 + 6 + 1
所以 C3H4Cl2 中氯元素在质谱中峰的强度比是: 9:6:1
9:6:1
23
3. 官能团和化合物类型
质谱中各种碎片离子峰可以提供一些重要的官能团信息。 a) 重要的低质量端离子。如m/z29可能是C2H5或CHO。 b) 高质量离子的研究。通常研究分子离子与高质量碎片离子
M+
解：最大荷质比m/z为102，下一个荷质比的峰m/z为87，相差 15 ， 对 应 一 个 -CH3 ， 中 性 碎 片 丢 失 合 理 ， 所 以 可 以 确 定 m/z(102)为分子离子峰，分子量为102。
17
2. 化学式
同位素离子峰可以帮助确定分子组成。对于有机分子，总 有一些M+1、M+2、M+3等峰伴随着分子离子峰M出现，即 以同位素峰簇存在。
化合物： C10H11BrO2
21
含Cl, Br原子的分子，其强度比符合二项式(a + b)n的展开 式, 其中：a – 常见元素的丰度；b – 同位素的丰度； n - 该元 素的个数。 如： CHCl3: (3 + 1)3 = 27 + 27 + 9 + 1
∴ 同位素丰度为 M:(M+2):(M+4):(M+6) =27:27:9:1
的质量差，由此得到有明确解释的结构信息。如[M-1]+表 示分子离子失去一个H，一个强的[M-1]+暗示存在一个活泼 H和缺乏其它活泼基团，又如[M-15]+, [M-18]+, [M-20]+等总 是表示分子离子失去CH3, H2O, HF。 c) 特征离子。少数特征基团在质谱上对应某些特征峰。如苯 基 的 m/z77 ， 苄 基 的 m/z91 ， 苯 酰 基 的 m/z105 ， 伯 胺 基 的 m/z30，伯醇的m/z31等。
化合物的结构鉴定与表征
DEPT谱中，CH3显正峰，CH2显负峰，CH显正峰。通过谱图编辑，我们可以很容 易辨认碳的级数。
O 7 2 3 4 16 5 8范围
δ（ppm） 类型 SP3杂化碳 （饱和碳） -CH3 -CH2 -CH -C-O-CHn(n=0-3) -N-CHn(n=0-3) 8-30 15-55 20-60 35-70 在上列数据基础之上+15-30 在上列数据基础之上+10-25 65-85 100-150 110-160 160-210
3已知化合物的结构推断在实际工作中并不需要测定完一个化合物的所有波谱数据才能判断化合物的结构有些化合物特别是已知化合物在化合物结构类型初步判断的基础之上结合文献调研通过与标准品的理化常数性质及薄层对照检查或一些简单的波谱如红外光谱紫外光谱数据对照比较即可作出判断
化合物的结构鉴定与表征
(硕士研究生学位课)
SP杂化碳（炔碳） ≡CH SP2杂化碳 烯碳 芳环及芳杂环碳 羰基碳 =CH C6H6 C=O
5、二维核磁共振谱
1．二维J分解谱（2D J-resolved Spectroscopy, 2DJ） 2．二维化学位移相关谱（Two-Dimesional Chemical Shift Correlation Spectroscopy）
1H,1H化学位移相关谱（1H,1H COSY） Heteronuclear multiple-quantum correlation (HMQC)
Heteronuclear multibond correlations: HMBC
2D NMR – homonuclear through space correlations: ROESY, NOESY
1. 图谱提供的信息
有机化合物波谱分析
化学键伸缩振动频率只与化学键有关，是化学键的一个特征常数；
化学键的伸缩振动是在不停进行的，有三个显著特点：
伸缩振动能是量子化的，不连续的，因此就形成了 不同的能级。
单击此处添加大标题内容
伸缩振动的能级差 ，相当于红外光的能量 因此，用红外光照射有机样品时，化学键就会吸收一份能 量，实现振动能级的要跃迁。即： ν＝ν。 即意味着：化学键以多大的频率振动就吸收多大频率的光， 在此频率处就形成一个吸收峰（表现为吸收带）。
4000-1400cm-1区域又叫官能团区. 该区域出现的吸 收峰，较为稀疏，容易辨认. 1400-400cm-1区域又叫指纹区. 这一区域主要是： C－C、C－N、C－O 等单键和各种弯曲振动的 吸收峰，其特点是谱带密集、难以辨认。(p299页表8-2)
1000 700 500 Y Y O单键 H面内弯曲振动 H弯曲振动
8.1 分子吸收光谱和分子结构
微粒性：可用光量子的能量来描述：
按量子力学，其关系为：
1
与E，v 成反比，即 ↓，v↑(每秒的振动次数↑)，E↑。
3
2
在分子光谱中，根据电磁波的波长 ()划分为几个不同的区域，如下图所示：
上式表明：分子吸收电磁波，从低能级跃迁到高能级，其吸收光的频率与吸收能量的关系。
注意：
只有偶极矩(μ)发生变化的，才能有红外吸收。 如：H2、O2、N2 电荷分布均匀，振动不能引起红外吸收。 H―C≡C―H、R―C≡C―R，其C≡C（三键）振动 也不能引起红外吸收。 化学键极性越强,振动时偶极矩变化越大,吸收峰越强.
分子的振动方式
1
伸缩振动：
2
伸缩振动的特征及规律
吸收峰
有机化合物的结构分析方法
有机化合物的结构分析方法有机化合物是由碳和氢以及其他元素组成的化合物，具有多样的结构和性质。
为了准确地确定有机化合物的结构，化学家们开发了多种结构分析方法。
本文将介绍几种常用的有机化合物结构分析方法，包括质谱法、核磁共振法和红外光谱法。
质谱法是一种基于分子的质量和分子荷电比的测定原理的结构分析方法。
通过将有机化合物转化为气态或溶液态，并使用质谱仪对其进行分析，可以得到有机化合物分子的相对分子质量以及分子离子的荷电比。
这些数据可以用来推断分子的分子式和结构。
质谱法的优势在于其高灵敏度和分析速度，但缺点是需要样品量较大，且实验操作较为复杂。
核磁共振法是一种基于核磁共振现象的无损结构分析方法。
有机化合物中的核自旋会在磁场中发生共振吸收，通过测定共振频率和强度，可以获得有机化合物的结构信息。
核磁共振法具有高分辨率、非破坏性和对样品要求不高的特点，广泛应用于有机化学领域。
通过核磁共振法，可以确定有机化合物分子中碳、氢等原子的数量和相互连接的方式，进而推断出分子的结构。
红外光谱法是一种基于物质对红外光吸收的结构分析方法。
有机化合物中的化学键振动和官能团引起的特定谱带可以通过红外光谱仪测定。
红外光谱法可用于鉴别不同官能团以及确定有机化合物官能团的位置和取代基的类型。
红外光谱法具有快速、简单和非破坏性的特点，常用于有机物质的初步鉴定和结构表征。
此外，有机化合物的结构分析还可以借助于元素分析、气相色谱法、液相色谱法等方法。
元素分析用于确定有机化合物中元素的相对含量，从而推断分子的分子式和结构。
气相色谱法和液相色谱法可以通过分离和检测化合物的不同组分，进一步揭示有机化合物的结构。
综上所述，有机化合物的结构分析是有机化学研究的重要一环。
通过各种结构分析方法的综合应用，可以准确地确定有机化合物的结构，为进一步研究其性质和应用奠定基础。
不同结构分析方法的选择要根据具体问题和实验条件来确定，以确保分析结果的准确性和可靠性。
有机化合物的结构、及其表示方法
碳原子成键规律小结：
1、当一个碳原子与其他4个原子连接时，这个碳原 子将采取四面体取向与之成键。
2、当碳原子之间或碳原子与其他原子之间形成双 键时，形成双键的原子以及与之直接相连的原子处 于同一平面上。
3、当碳原子之间或碳原子与其他原子之间形成叁 键时，形成叁键的原子以及与之直接相连的原子处 于同一直线上。
H C
H
H CC HH
H CH H
CH2 CH CH2 CH3
CH2CHCH2CH3 CH2 CH CH2 CH3
2、碳碳双键、碳碳三键中的“=” “≡” 不能省略
HO HCC O H
H
O CH3 C
OH
CH3 COOH
3、醛基、羧基的结构简式有特有的写法
下列有机物分子的结构简式书写正确吗？
1、乙烷：H3C-CH3 2、乙醇：CH2CH3OH 3、丙酸：COOHCH2CH3 4、丁炔：CHCCH2CH3
优点：完整地表示出有机化合物分子中每个
原子的成键情况
不足：对于复杂的分子表示比较繁
H H H HH
结构式：H C C C C C H
H H H HH
结构简式:
C H3 C H2 C H2 C H2 C H3
C H3 C H2C H2C H2C H3
C H3 (C H2)3 C H3
可以省略简化的部分： 1、碳碳单键、碳氢单键
[思考1]下列物质分子式只表示一种物质
A、C3H6 B、C3H6O2 C、CH2Cl2 D、C2H6O
讨论： (2)产生同分异构现象的本质原因是什么?
碳原子的连接顺序和成键方式不同。
同分异构类型
异构 类型
碳链 异构
位置 异构
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第四章 有机化合物的结构表征
1．用IR谱区别下列各组化合物：
(1) (
2)
(3) (
4)
2．下列化合物中红色的 H 是否为磁等性质子？
(1) (
2)
(3) (
4)
3．A、B两个化合物的分子式均为C3H6Cl2，测得其H-NMR谱的数据如下，推测A,B的构
造：
A：五重峰 δ=2.2 2H； 三重峰 δ=3.7 4H；
B: 单 峰 δ=2.4 6H；
4．用H-NMR谱区别下列化合物
(1) C(CH3)4与(CH3)2CHCH2CH3
(2) BrCH2CH2Br与Br2CH-CH3
5．化合物A的分子式为C4H8O，在IR谱的1715cm-1处有强的吸收峰；H-NMR谱上有一单
峰，相当于3H ，有一四重峰相当于2H，有一三重峰相当于3H 。试写出该化合物的构造
式。
6．概括说明由(a)UV,(b)IR,(C)H-NMR,(d)13C-NMR和(e)Ms谱图给出分子结构的什么信息?
7．从H-NMR谱数据推导下列化合物的结构。
1)C6H14： δ=0.8 二重峰 12H； δ=1.4 七重峰 2H
2)C3H7ClO： δ=2.0 五重峰 2H； δ=2.8 单峰 1H； δ=3.7 三重峰 2H；δ=3.8 三重峰 2H
3)C3H5Cl3： δ=2.20 单峰 3H； δ=4.02 单峰 2H
4)C4H9Br： δ=1.04 二重峰 6H； δ=1.95 多峰 1H； δ=3.33 二重峰 2H
5)C3H5ClF2： δ=1.75 三重峰 3H； δ=3.63 四重峰 2H
8．指出下列化合物在IR谱官能团区中吸收峰的大致位置：
1）CH3CH2CH3
2）CH3CH=CH2
3）CH3C≡CH
4）CH3CH2OH
5）CH3CONH
6）C6H5CH2COOH
9．化合物A为饱和烷烃，分子离子峰 m/z =86，最高的峰 m/z =43；有m/z=71；m/z=57；
m/z=29；m/z=15等碎片峰，推测A的结构。
10．化合物A分子式C9H10O，IR谱上 1705cm-1强吸收峰；H-NMR谱上：δ=2.0 (3H)单峰；
δ=3.5 (2H)单峰；δ=7.1 (5H)多重峰，推导A的结构。
11．某化合物的分子式为C4H6O，其光谱性质为：
UV谱：在230nm附近有吸收峰，k>5000；
H-NMR谱： δ=2.03 双峰 3H； δ=6.13 多重峰 1H； δ=6.87 多重峰 1H；δ=9.48 双
峰 1H；
IR谱：在1720cm-1、2720cm-1有吸收峰。试推测该化合物的构造式。
12．化合物分子式为C4H6O2，其13C-NMR谱如下，推断其可能的构造式：
δ
c=169 δc=152 δc=98 δc
=20