有机化合物结构的研究

王晓波 陈盈栋 宋玉臣 田松豪

（赤峰市巴林左旗林东一中 内蒙古 赤峰 025450）

有机化合物结构的研究是新课程改革下新增设的内容。通过对苏教版《有机化学基础》“有机化合物分子结构”教学，结合新课标要求和各地近年来所命试题，从事高考一线的教师们有必要将此处的知识点加以归纳、整理和总结。

现代化学测定有机物结构的分析方法比较多，经常采用的是核磁共振（NMR）、红外光谱（IR）、质谱（MS）和紫外光谱（UV）等方法。

一、红外光谱法（IR）

1.作用：获得分子中含有何种化学键或官能团的信号。

2.原理：在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，当用红外线照射有机物时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团的吸收频率不同，在红外光谱图上将处于不同位置，从而可以获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

3.实例

红外光谱图的横坐标是红外光的波长或波数（cm－1），纵坐标是透过率T或吸光度A。从红外光谱图的整个范围来看， 可分为 4000－1350cm－1与 1350－650cm－1两个区域。4000－1350cm－1区域是由伸缩振动产生的吸收带，称为官能团区域。在这个区域，4000－2500cm－1为官能团OH、N－H、C－H、S－H 键的伸缩振动吸收带；2500－1900cm－1的区域为三键、累积双键的伸缩振动吸收带；在1900cm－1以下有碳碳双键、碳氧双键、碳氮双键及硝基等的伸缩振动和芳环的骨架振动。而在1350－650cm－1区域，有CO、C－X的伸缩振动和C－C的骨架振动，还有常数较小的弯曲振动产生的吸收峰，比较复杂。具体有机化合物的化学键、吸收频率、吸收强度、振动方式详见下表。

下图是一种分子式为C4H8O2的有机物的红外光谱谱图。

根据红外光谱知识加以分析得知：该谱图为酯的红外光谱图，而且是存在不对称甲基的酯类物质。即为乙酸乙酯或丙酸甲酯，其结构简式分别为CH3COOC2H5和C2H5COOCH3。

二、氢核磁共振谱法（1H－NMR）

1.作用：测定有机物分子中等效氢原子的类型和数目。

2.原理：氢原子核具有磁性，如用电磁波照射氢原子核，它能通过共振吸收电磁波能量，发生跃迁。用核磁共振仪可以记录到有关信号，处于不同化学环境中的氢原子因产生共振时吸收的频率不同，在核磁共振谱图上出现的位置，即化学位移也不同，且吸收峰的面积与氢原子数成正比。因此，从核磁共振氢谱图上可以推知该有机物有几种不同类型的氢原子及它们的数目。氢核共振吸收峰的组数反映等效氢原子的种类；等效氢原子的种类反映的是分子的对称性，每组氢核共振吸收峰的峰数减1反映相邻原子上氢的个数，反过来也一样。

3.实例

在核磁共振分析法中，最常见的是对有机化合物的1H核磁共振谱（1H－NMR）进行分析。氢核磁共振谱的特征有二：一是出现几种信号峰，它表明氢原子的类型，二是共振峰所包含的面积比，它表明不同类型氢原子的数目比。

现就C2H6O和C3H6O的氢核磁共振谱图对比，并进行详细分析。

（1）下图是C2H6O的氢核磁共振谱图

首先由有机化合物C2H6O的不饱和度为0。在该谱图中有3组吸收峰，说明此有机化合物中有3种不等性氢原子，又根据此有机化合物的3组吸收峰积分面积之最简比、峰数，以及氢原子总数为6，可判断该有机化合物的结构简式为CH3CH2OH。

（2）下图是C3H6O的氢核磁共振谱图

在该谱图有1组吸收峰，说明此有机化合物中只有1种不等性氢原子，即6个氢原子所处相同的环境，可能为两个甲基，又根据该有机化合物的不饱和度为1，可判断该有机化合物的结构简式为CH3COCH3。

三、质谱（MS）

1.作用：测定有机物分子的质荷比，即特征结构的相对分子质量。

2.原理：它用高能电子流等轰击样品分子，使该分子失去电子变成带正电荷的分子离子及其碎片离子。分子离子、碎片离子各自具有不同的相对质量，它们在磁场的作用下到达检测器的时间将因质量的不同而先后有别，其结果被记录为质谱谱图。

3.实例

质谱是纯物质鉴定的最有力工具之一，其中包括相对分子质量测定、化学式确定及结构鉴定等。以质荷比m／z为横坐标，离子强度为纵坐标来表示质谱数据和谱图。

以质谱中最强峰的高度为100%。最强峰称为基峰，其他离子峰的强度按基峰的百分比表示。在文献中，质谱数据也可以用列表的方法表示。质谱表是用表格形式表示质谱数据，能准确给出m／z值和相对强度。图中的竖线称为质谱峰，不同的质谱峰代表有不同质荷比的离子，峰的高低表示产生该峰的离子数量的多少，分子离子的质量与有机化合物的相对分子质量相等，分子离子峰较强，说明该样品分子离子结构稳定。图中m／z＝58的峰即为所有的数据中m／z最大的数值，其可能为分子离子峰，该有机化合物的相对分子质量即为58。对我们高中生来说，能从谱图中得知有机化合物的相对分子质量即可。

结论：

1.红外光谱具有高度的特征性，不仅可以用来研究分子的结构和化学键，还可广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。根据红外光谱，可以初步判断该有机物中具有哪些基团，即判断化合物的类型。

2.在氢核磁共振谱图中，有机分子中的氢原子核，若所处的化学环境（即其附近的基团）不同，表现出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振谱图中横坐标的位置（化学位移，符号为δ）也就不同，即表现出不同的特征峰；且由特征峰数目可知分子中氢原子的种类；特征峰间强度（即峰的积分面积，简称峰度）可知各种氢原子的数目。

3.从质谱中可以获得化合物的分子量、化学结构和由单分子裂解成某些离子的相互关系等信息。由于在相同实验条件下每种化合物都有其确定的质谱图，因此，将所得谱图与已知谱图对照，就可确定待测化合物。在中学只要求作简单了解，知晓能由分子离子质荷比（质荷比（m／e）最大的峰）确定有机物的相对式量即可。

4.高中阶段，有机化合物结构研究的通常思路为：利用红外光谱测试有机物中存在的官能团和基团，再根据质谱谱图测定该有机化合物分子的相对分子质量，通过分析氢核磁共振谱图，推测出该有机物分子的分子式和结构简式。

［1］邢其毅，裴伟伟，徐瑞秋等.基础有机化学［M］.北京：高等教育出版社，2005.3：156－237