有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的研究

王曉波 陳盈棟 宋玉臣 田松豪

（赤峰市巴林左旗林東一中 內(nèi)蒙古 赤峰 025450）

有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)的研究是新課程改革下新增設(shè)的內(nèi)容。通過(guò)對(duì)蘇教版《有機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)》“有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)”教學(xué)，結(jié)合新課標(biāo)要求和各地近年來(lái)所命試題，從事高考一線的教師們有必要將此處的知識(shí)點(diǎn)加以歸納、整理和總結(jié)。

現(xiàn)代化學(xué)測(cè)定有機(jī)物結(jié)構(gòu)的分析方法比較多，經(jīng)常采用的是核磁共振（NMR）、紅外光譜（IR）、質(zhì)譜（MS）和紫外光譜（UV）等方法。

一、紅外光譜法（IR）

1.作用：獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信號(hào)。

2.原理：在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動(dòng)的狀態(tài)，其振動(dòng)頻率與紅外光的振動(dòng)頻率相當(dāng)。所以，當(dāng)用紅外線照射有機(jī)物時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生振動(dòng)吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)的吸收頻率不同，在紅外光譜圖上將處于不同位置，從而可以獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。

3.實(shí)例

紅外光譜圖的橫坐標(biāo)是紅外光的波長(zhǎng)或波數(shù)（cm－1），縱坐標(biāo)是透過(guò)率T或吸光度A。從紅外光譜圖的整個(gè)范圍來(lái)看， 可分為 4000－1350cm－1與 1350－650cm－1兩個(gè)區(qū)域。4000－1350cm－1區(qū)域是由伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收帶，稱(chēng)為官能團(tuán)區(qū)域。在這個(gè)區(qū)域，4000－2500cm－1為官能團(tuán)OH、N－H、C－H、S－H 鍵的伸縮振動(dòng)吸收帶；2500－1900cm－1的區(qū)域?yàn)槿I、累積雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收帶；在1900cm－1以下有碳碳雙鍵、碳氧雙鍵、碳氮雙鍵及硝基等的伸縮振動(dòng)和芳環(huán)的骨架振動(dòng)。而在1350－650cm－1區(qū)域，有CO、C－X的伸縮振動(dòng)和C－C的骨架振動(dòng)，還有常數(shù)較小的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生的吸收峰，比較復(fù)雜。具體有機(jī)化合物的化學(xué)鍵、吸收頻率、吸收強(qiáng)度、振動(dòng)方式詳見(jiàn)下表。

下圖是一種分子式為C4H8O2的有機(jī)物的紅外光譜譜圖。

根據(jù)紅外光譜知識(shí)加以分析得知：該譜圖為酯的紅外光譜圖，而且是存在不對(duì)稱(chēng)甲基的酯類(lèi)物質(zhì)。即為乙酸乙酯或丙酸甲酯，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式分別為CH3COOC2H5和C2H5COOCH3。

二、氫核磁共振譜法（1H－NMR）

1.作用：測(cè)定有機(jī)物分子中等效氫原子的類(lèi)型和數(shù)目。

2.原理：氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過(guò)共振吸收電磁波能量，發(fā)生躍遷。用核磁共振儀可以記錄到有關(guān)信號(hào)，處于不同化學(xué)環(huán)境中的氫原子因產(chǎn)生共振時(shí)吸收的頻率不同，在核磁共振譜圖上出現(xiàn)的位置，即化學(xué)位移也不同，且吸收峰的面積與氫原子數(shù)成正比。因此，從核磁共振氫譜圖上可以推知該有機(jī)物有幾種不同類(lèi)型的氫原子及它們的數(shù)目。氫核共振吸收峰的組數(shù)反映等效氫原子的種類(lèi)；等效氫原子的種類(lèi)反映的是分子的對(duì)稱(chēng)性，每組氫核共振吸收峰的峰數(shù)減1反映相鄰原子上氫的個(gè)數(shù)，反過(guò)來(lái)也一樣。

3.實(shí)例

在核磁共振分析法中，最常見(jiàn)的是對(duì)有機(jī)化合物的1H核磁共振譜（1H－NMR）進(jìn)行分析。氫核磁共振譜的特征有二：一是出現(xiàn)幾種信號(hào)峰，它表明氫原子的類(lèi)型，二是共振峰所包含的面積比，它表明不同類(lèi)型氫原子的數(shù)目比。

現(xiàn)就C2H6O和C3H6O的氫核磁共振譜圖對(duì)比，并進(jìn)行詳細(xì)分析。

（1）下圖是C2H6O的氫核磁共振譜圖

首先由有機(jī)化合物C2H6O的不飽和度為0。在該譜圖中有3組吸收峰，說(shuō)明此有機(jī)化合物中有3種不等性氫原子，又根據(jù)此有機(jī)化合物的3組吸收峰積分面積之最簡(jiǎn)比、峰數(shù)，以及氫原子總數(shù)為6，可判斷該有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3CH2OH。

（2）下圖是C3H6O的氫核磁共振譜圖

在該譜圖有1組吸收峰，說(shuō)明此有機(jī)化合物中只有1種不等性氫原子，即6個(gè)氫原子所處相同的環(huán)境，可能為兩個(gè)甲基，又根據(jù)該有機(jī)化合物的不飽和度為1，可判斷該有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式為CH3COCH3。

三、質(zhì)譜（MS）

1.作用：測(cè)定有機(jī)物分子的質(zhì)荷比，即特征結(jié)構(gòu)的相對(duì)分子質(zhì)量。

2.原理：它用高能電子流等轟擊樣品分子，使該分子失去電子變成帶正電荷的分子離子及其碎片離子。分子離子、碎片離子各自具有不同的相對(duì)質(zhì)量，它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間將因質(zhì)量的不同而先后有別，其結(jié)果被記錄為質(zhì)譜譜圖。

3.實(shí)例

質(zhì)譜是純物質(zhì)鑒定的最有力工具之一，其中包括相對(duì)分子質(zhì)量測(cè)定、化學(xué)式確定及結(jié)構(gòu)鑒定等。以質(zhì)荷比m／z為橫坐標(biāo)，離子強(qiáng)度為縱坐標(biāo)來(lái)表示質(zhì)譜數(shù)據(jù)和譜圖。

以質(zhì)譜中最強(qiáng)峰的高度為100%。最強(qiáng)峰稱(chēng)為基峰，其他離子峰的強(qiáng)度按基峰的百分比表示。在文獻(xiàn)中，質(zhì)譜數(shù)據(jù)也可以用列表的方法表示。質(zhì)譜表是用表格形式表示質(zhì)譜數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確給出m／z值和相對(duì)強(qiáng)度。圖中的豎線稱(chēng)為質(zhì)譜峰，不同的質(zhì)譜峰代表有不同質(zhì)荷比的離子，峰的高低表示產(chǎn)生該峰的離子數(shù)量的多少，分子離子的質(zhì)量與有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量相等，分子離子峰較強(qiáng)，說(shuō)明該樣品分子離子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。圖中m／z＝58的峰即為所有的數(shù)據(jù)中m／z最大的數(shù)值，其可能為分子離子峰，該有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量即為58。對(duì)我們高中生來(lái)說(shuō)，能從譜圖中得知有機(jī)化合物的相對(duì)分子質(zhì)量即可。

結(jié)論：

1.紅外光譜具有高度的特征性，不僅可以用來(lái)研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，還可廣泛地用于表征和鑒別各種化學(xué)物種。根據(jù)紅外光譜，可以初步判斷該有機(jī)物中具有哪些基團(tuán)，即判斷化合物的類(lèi)型。

2.在氫核磁共振譜圖中，有機(jī)分子中的氫原子核，若所處的化學(xué)環(huán)境（即其附近的基團(tuán)）不同，表現(xiàn)出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振譜圖中橫坐標(biāo)的位置（化學(xué)位移，符號(hào)為δ）也就不同，即表現(xiàn)出不同的特征峰；且由特征峰數(shù)目可知分子中氫原子的種類(lèi)；特征峰間強(qiáng)度（即峰的積分面積，簡(jiǎn)稱(chēng)峰度）可知各種氫原子的數(shù)目。

3.從質(zhì)譜中可以獲得化合物的分子量、化學(xué)結(jié)構(gòu)和由單分子裂解成某些離子的相互關(guān)系等信息。由于在相同實(shí)驗(yàn)條件下每種化合物都有其確定的質(zhì)譜圖，因此，將所得譜圖與已知譜圖對(duì)照，就可確定待測(cè)化合物。在中學(xué)只要求作簡(jiǎn)單了解，知曉能由分子離子質(zhì)荷比（質(zhì)荷比（m／e）最大的峰）確定有機(jī)物的相對(duì)式量即可。

4.高中階段，有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究的通常思路為：利用紅外光譜測(cè)試有機(jī)物中存在的官能團(tuán)和基團(tuán)，再根據(jù)質(zhì)譜譜圖測(cè)定該有機(jī)化合物分子的相對(duì)分子質(zhì)量，通過(guò)分析氫核磁共振譜圖，推測(cè)出該有機(jī)物分子的分子式和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)式。

［1］邢其毅，裴偉偉，徐瑞秋等.基礎(chǔ)有機(jī)化學(xué)［M］.北京：高等教育出版社，2005.3：156－237