Спектр как часть олимпиадного условия
Что измеряет каждый метод
В олимпиадной задаче спектр — такое же условие, как масса осадка или объём газа. Важно различать, что физически измерено и какой вывод о строении это позволяет сделать.
| Метод | Что происходит | Что узнаём |
|---|---|---|
| ИК-спектроскопия | поглощение квантов, возбуждающих колебания связей | функциональные группы |
| ¹H ЯМР | переходы спинов протонов в сильном магнитном поле (радиочастоты) | окружение атомов H, их число и соседей |
| масс-спектрометрия | не поглощение: ионы разделяются по отношению массы к заряду \(m/z\) | молярную массу, изотопы, фрагменты |
| УФ- и видимая | переходы электронов | сопряжение, концентрацию (закон Бера) |
Характерные полосы ИК-спектра (см⁻¹): O–H спиртов 3200–3550 (широкая); O–H кислот 2500–3300 (очень широкая); N–H 3300–3500; C–H 2850–3100; C≡N около 2250; C≡C 2100–2260; C=O 1650–1750 (сильная); C=C 1620–1680; C–O 1000–1300.
Первое, что стоит сделать с формулой, — найти степень ненасыщенности, число колец и π-связей:
где \(X\) — число атомов галогенов; кислород не входит. Бензольное кольцо даёт 4, двойная связь — 1, тройная — 2.
infoИз истории
Степень ненасыщенности бензола \(\ce{C6H6}\) — 4: кольцо и три двойные связи. Как их расположить, придумал Август Кекуле (1865); по его рассказу, идея кольца пришла к нему в полудрёме у камина — ему привиделась змея, кусающая себя за хвост. Сегодня структуру проверили бы за минуту по ЯМР-спектру: у бензола один сигнал при 7,3 м. д. — все шесть протонов одинаковы.
ЯМР и масс-спектр
¹H ЯМР. Протоны в магнитном поле поглощают радиоволны, и частота поглощения чуть зависит от окружения. Сдвиг сигнала относительно эталона (тетраметилсилана) называют химическим сдвигом \(\delta\) (миллионные доли, м. д.). Чем сильнее соседние атомы оттягивают электронную плотность, тем больше \(\delta\): \(\ce{CH3-C}\) около 0,9; \(\ce{CH3-C=O}\) около 2,1; \(\ce{CH-O}\) 3,3–4,0; \(\ce{=CH}\) 4,5–6,5; ароматические H 6,5–8; альдегидный H 9–10; H карбоксильной группы 10–13 м. д.
- Интеграл (площадь сигнала) пропорционален числу протонов.
- Расщепление: \(n\) эквивалентных протонов у соседнего атома углерода расщепляют сигнал на \(n + 1\) линий (синглет, дублет, триплет, квартет). Этильная группа — триплет \(\ce{CH3}\) и квартет \(\ce{CH2}\). Протон OH обычно даёт синглет: он быстро обменивается.
Масс-спектр. Молекулярный ион \(\ce{M+}\) даёт молярную массу. Изотопы видны сразу: хлор (\(^{35}\)Cl : \(^{37}\)Cl ≈ 3 : 1) даёт пики M и M+2 в отношении 3 : 1, бром (\(^{79}\)Br : \(^{81}\)Br ≈ 1 : 1) — 1 : 1. Правило азота: нечётная молярная масса у вещества из C, H, O, N, галогенов означает нечётное число атомов азота.
lightbulbПорядок разбора
Формула → степень ненасыщенности → ИК (какие группы) → ЯМР (какие фрагменты и кто с кем соседствует) → сборка структуры → проверка всех данных, включая те, что не использовали при сборке.
infoИз истории
Ядерный магнитный резонанс в веществе открыли в 1946 году независимо Феликс Блох и Эдвард Пёрселл (Нобелевская премия по физике 1952 года). В медицине на том же явлении работает магнитно-резонансная томография: картируются протоны воды в тканях (Нобелевская премия 2003 года — Полу Лотербуру и Питеру Мэнсфилду). Слово «ядерный» из названия метода убрали, чтобы не пугать пациентов, — никакой радиоактивности в нём нет.
push_pinГлавное
ИК-спектр — колебания связей, по нему узнают функциональные группы (C=O около 1700, O–H 3200–3550 см⁻¹). ¹H ЯМР — окружение протонов: химический сдвиг, интеграл (число H), расщепление на \(n + 1\) линий от \(n\) соседей. Масс-спектр — масса иона: молярная масса, изотопы Cl (3 : 1) и Br (1 : 1), правило азота. Степень ненасыщенности \(C - (H + X)/2 + N/2 + 1\). Порядок разбора: формула → ненасыщенность → группы → фрагменты → сборка → проверка всех данных.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.