有機化合物結構的研究

王曉波 陳盈棟 宋玉臣 田松豪

（赤峰市巴林左旗林東一中 內蒙古 赤峰 025450）

有機化合物結構的研究是新課程改革下新增設的內容。通過對蘇教版《有機化學基礎》“有機化合物分子結構”教學，結合新課標要求和各地近年來所命試題，從事高考一線的教師們有必要將此處的知識點加以歸納、整理和總結。

現代化學測定有機物結構的分析方法比較多，經常采用的是核磁共振（NMR）、紅外光譜（IR）、質譜（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鍵或官能團的信號。

2.原理：在有機物分子中，組成化學鍵或官能團的原子處于不斷振動的狀態，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當。所以，當用紅外線照射有機物時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團的吸收頻率不同，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鍵或官能團的信息。

3.實例

紅外光譜圖的橫坐標是紅外光的波長或波數（cm－1），縱坐標是透過率T或吸光度A。從紅外光譜圖的整個范圍來看， 可分為 4000－1350cm－1與 1350－650cm－1兩個區域。4000－1350cm－1區域是由伸縮振動產生的吸收帶，稱為官能團區域。在這個區域，4000－2500cm－1為官能團OH、N－H、C－H、S－H 鍵的伸縮振動吸收帶；2500－1900cm－1的區域為三鍵、累積雙鍵的伸縮振動吸收帶；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和芳環的骨架振動。而在1350－650cm－1區域，有CO、C－X的伸縮振動和C－C的骨架振動，還有常數較小的彎曲振動產生的吸收峰，比較復雜。具體有機化合物的化學鍵、吸收頻率、吸收強度、振動方式詳見下表。

下圖是一種分子式為C4H8O2的有機物的紅外光譜譜圖。

根據紅外光譜知識加以分析得知：該譜圖為酯的紅外光譜圖，而且是存在不對稱甲基的酯類物質。即為乙酸乙酯或丙酸甲酯，其結構簡式分別為CH3COOC2H5和C2H5COOCH3。

二、氫核磁共振譜法（1H－NMR）

1.作用：測定有機物分子中等效氫原子的類型和數目。

2.原理：氫原子核具有磁性，如用電磁波照射氫原子核，它能通過共振吸收電磁波能量，發生躍遷。用核磁共振儀可以記錄到有關信號，處于不同化學環境中的氫原子因產生共振時吸收的頻率不同，在核磁共振譜圖上出現的位置，即化學位移也不同，且吸收峰的面積與氫原子數成正比。因此，從核磁共振氫譜圖上可以推知該有機物有幾種不同類型的氫原子及它們的數目。氫核共振吸收峰的組數反映等效氫原子的種類；等效氫原子的種類反映的是分子的對稱性，每組氫核共振吸收峰的峰數減1反映相鄰原子上氫的個數，反過來也一樣。

3.實例

在核磁共振分析法中，最常見的是對有機化合物的1H核磁共振譜（1H－NMR）進行分析。氫核磁共振譜的特征有二：一是出現幾種信號峰，它表明氫原子的類型，二是共振峰所包含的面積比，它表明不同類型氫原子的數目比。

現就C2H6O和C3H6O的氫核磁共振譜圖對比，并進行詳細分析。

（1）下圖是C2H6O的氫核磁共振譜圖

首先由有機化合物C2H6O的不飽和度為0。在該譜圖中有3組吸收峰，說明此有機化合物中有3種不等性氫原子，又根據此有機化合物的3組吸收峰積分面積之最簡比、峰數，以及氫原子總數為6，可判斷該有機化合物的結構簡式為CH3CH2OH。

（2）下圖是C3H6O的氫核磁共振譜圖

在該譜圖有1組吸收峰，說明此有機化合物中只有1種不等性氫原子，即6個氫原子所處相同的環境，可能為兩個甲基，又根據該有機化合物的不飽和度為1，可判斷該有機化合物的結構簡式為CH3COCH3。

三、質譜（MS）

1.作用：測定有機物分子的質荷比，即特征結構的相對分子質量。

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質量，它們在磁場的作用下到達檢測器的時間將因質量的不同而先后有別，其結果被記錄為質譜譜圖。

3.實例

質譜是純物質鑒定的最有力工具之一，其中包括相對分子質量測定、化學式確定及結構鑒定等。以質荷比m／z為橫坐標，離子強度為縱坐標來表示質譜數據和譜圖。

以質譜中最強峰的高度為100%。最強峰稱為基峰，其他離子峰的強度按基峰的百分比表示。在文獻中，質譜數據也可以用列表的方法表示。質譜表是用表格形式表示質譜數據，能準確給出m／z值和相對強度。圖中的豎線稱為質譜峰，不同的質譜峰代表有不同質荷比的離子，峰的高低表示產生該峰的離子數量的多少，分子離子的質量與有機化合物的相對分子質量相等，分子離子峰較強，說明該樣品分子離子結構穩定。圖中m／z＝58的峰即為所有的數據中m／z最大的數值，其可能為分子離子峰，該有機化合物的相對分子質量即為58。對我們高中生來說，能從譜圖中得知有機化合物的相對分子質量即可。

結論：

1.紅外光譜具有高度的特征性，不僅可以用來研究分子的結構和化學鍵，還可廣泛地用于表征和鑒別各種化學物種。根據紅外光譜，可以初步判斷該有機物中具有哪些基團，即判斷化合物的類型。

2.在氫核磁共振譜圖中，有機分子中的氫原子核，若所處的化學環境（即其附近的基團）不同，表現出的核磁性就不同，代表核磁性特征的峰在核磁共振譜圖中橫坐標的位置（化學位移，符號為δ）也就不同，即表現出不同的特征峰；且由特征峰數目可知分子中氫原子的種類；特征峰間強度（即峰的積分面積，簡稱峰度）可知各種氫原子的數目。

3.從質譜中可以獲得化合物的分子量、化學結構和由單分子裂解成某些離子的相互關系等信息。由于在相同實驗條件下每種化合物都有其確定的質譜圖，因此，將所得譜圖與已知譜圖對照，就可確定待測化合物。在中學只要求作簡單了解，知曉能由分子離子質荷比（質荷比（m／e）最大的峰）確定有機物的相對式量即可。

4.高中階段，有機化合物結構研究的通常思路為：利用紅外光譜測試有機物中存在的官能團和基團，再根據質譜譜圖測定該有機化合物分子的相對分子質量，通過分析氫核磁共振譜圖，推測出該有機物分子的分子式和結構簡式。

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