復習波譜分析教學

1、紫外-可見光譜1 . 介紹紫外-可見光譜(ultraviolet-visible absorption spectra)是分子吸收紫外-可見光區(qū)10-800納米的電磁波而產生的吸收光譜，簡稱紫外光譜。（分子價電子的躍遷 基態(tài)激發(fā)態(tài)）分為三個區(qū)域： 遠紫外區(qū) 10-190nm （真空紫外區(qū)） 近紫外區(qū) 190-400nm 可見區(qū) 400-800nm一般紫外儀包括近紫外區(qū)和可見區(qū)兩部分（200-800nm)不同分子內部能級間的能量差不同，故分子的特定躍遷與分子結構有關。(主要是* 躍遷）此外，還有電荷轉移躍遷和配合物的d-d* 躍遷。紫外光譜（圖）的特點：吸收譜帶少；吸收譜帶寬；通常以譜帶吸收最強

2、的波長表示譜帶位置，稱為最大吸收波長（max) ，是分子的特征常數(shù)，與分子電子結構相關，可推測化合物中生色團類型和共軛大小；吸收強度以最大吸收波長處的摩爾吸光系數(shù)（max）表示，也是分子特征常數(shù)和鑒定化合物的重要依據(jù)。A原子軌道*B原子軌道UV光樣品槽基態(tài)激發(fā)態(tài)E1-E0=hA、B原子軌道形成A-B分子軌道示意圖電子光譜的產生自旋多重性及電子躍遷選擇定則自旋多重性：根據(jù)Pauli原理，處于分子同一軌道的兩個電子自旋方向相反，用+1/2和-1/2表示，其代數(shù)和S=0。自旋多重性(2S+1)=1 ，稱單重態(tài),用S表示。自旋多重性(2S+1)=3 ，為激發(fā)的三重態(tài)，用T表示。第一激發(fā)態(tài)用S1或T1表

3、示。 更高的激發(fā)態(tài)用S2, S3, T2, T3, 表示。以輻射的形式放出能量能量的釋放有兩個過程：以非輻射的形式放出能量碰撞以熱的形式把能量傳給環(huán)境熒光 磷光 激發(fā)態(tài)分子能量的釋放：激發(fā)態(tài)分子在高能態(tài)停留的時間很短， 然后放出能量回到低能態(tài)， 重建Boltzman分布。熒光光譜 激發(fā)態(tài)的分子以非輻射的形式放出部分能量回到S1的最低振動能級后，再以輻射的形式放出剩余的能量回到基態(tài)S0 。如此發(fā)射的光的能量低于吸收光的能量，這種光稱為熒光(Fluorescence,F)。由發(fā)射熒光得到的光譜稱熒光光譜。非輻射的幾率越小，熒光光譜就越強。熒光光譜適用于研究激發(fā)態(tài)分子的結構?；鶓B(tài)S0S1高能態(tài)熒光磷

4、光光譜 激發(fā)態(tài)的分子以非輻射的形式放出部分能量回到S1的最低振動能級，并不直接放出熒光回到基態(tài)S0 ，而是再通過一次非輻射躍遷，轉入到三重激發(fā)態(tài)T1 ，電子在T1稍作停留后，再發(fā)射出剩余的能量(對應于磷光)，回到S0態(tài)。由發(fā)射磷光 (Phosphorescence,P)得到的光譜稱磷光光譜。磷光的能量比熒光的能量還要低?；鶓B(tài)S0S1T1高能態(tài)選擇定則：在電子光譜中，電子躍遷的幾率有高有低，造成譜帶 有強有弱。允許躍遷，躍遷幾率大，吸收強度大； 電子自旋允許躍遷、對稱性允許躍遷禁阻躍遷，躍遷幾率小，吸收強度小，甚至觀測不到。自旋多重性及電子躍遷選擇定則有機分子電子躍遷類型* 飽和烴類化合物 CH

5、4 max 125nm C2H6 max 135nm (150nm) 在遠紫外區(qū)吸收n* 含雜原子的飽和烴 CH3OH max 183nm CH3NH2 max 213nm CH3Cl max 173nm (200nm) 在遠、近紫外交界處吸收 * n* C=C max 162nm C=C-C=O C=C-C=C max 217nm C=C-NO2 苯 (200nm) (200400nm) 在近紫外區(qū)吸收* nE電子躍遷的類型不同，實現(xiàn)躍遷所需的能量不同，躍遷能量越大，則吸收光的波長越短。各種躍遷所需的能量躍遷順序為： *n* n* 有機分子電子躍遷類型雜原子紫外光譜的表示方法物質對電磁輻射的

6、吸收性質用吸收曲線來描述。溶液對單色光的吸收程度遵守Lambert-Beer定律：紫外光譜以波長(nm)為橫坐標，以吸光系數(shù)或log 為縱坐標來表示。A為吸光度 I0為入射光強度 Il為透過光的光強度 為摩爾吸光系數(shù) c為溶液濃度(mol/L) l為樣品槽厚度的大小表示這個分子在吸收峰的波長可以發(fā)生能量轉移(電子從能位低的分子軌道躍遷到能位高的分子軌道)的可能性值大于104：完全允許的躍遷 值小于103：躍遷幾率較低 值小于幾十：躍遷是禁阻的基本術語生色團：產生紫外或可見吸收的不飽和基團，如C=C、C=O、NO2等。 助色團其本身是飽和基團(常含雜原子)，它連到生色團上時，能使后者吸收波長變長

7、或(和)吸收強度增加，如-OH、-NH2、Cl等。藍移(blue shift) 吸收峰向短波長方向移動紅移(red shift) 吸收峰向長波長方向移動增色效應 使吸收強度增加的效應減色效應 使吸收強度減小的效應吸收帶：吸收峰在紫外區(qū)域中的位置； R 帶(基團型）: 主要 n * ， 270nm; K 帶(共軛型): *引起， 104； B 帶(苯型): 專指苯環(huán)*，在230-270 nm形成多重峰； E 帶(乙烯型): 產生于*，可看成苯環(huán)中電子相互作用而導致激發(fā)態(tài)能量裂分得結果。各類化合物的紫外吸收1.飽和的碳氫化合物：唯一可發(fā)生的躍遷為*，能級差很大，紫外吸收的波長很短，屬遠紫外范圍，不

8、能用一般的紫外分光光度計進行測定。 2.含飽和雜原子的化合物：含飽和雜原子的基團一般為助色團。這樣的化合物有n*躍遷，但一般在近紫外區(qū)仍無明顯吸收。一般的飽和有機化合物在近紫外區(qū)無明顯吸收，不能用于紫外光譜鑒定，它們在近紫外區(qū)對紫外線是透明的，故?？捎米髯贤鉁y定的良好溶劑。飽和的有機化合物這些化合物都含有電子，可以發(fā)*的躍遷，但若無助色團的作用。在近紫外區(qū)仍無明顯吸收。 含非共軛烯、炔基團的化合物這些化合物的n*躍遷(R 吸收帶)在紫外區(qū)，但n*躍遷為禁阻躍遷，吸收強度低，在紫外鑒定中有一定的作用。含OH，NH2和不飽和基等基團的化合物(1) 共軛雙烯 一般把共軛體系的*吸收帶稱為K帶。K帶對

9、近紫外吸收是重要的，因其出現(xiàn)在近紫外范圍，且摩爾吸光系數(shù)也高一般max10000。 共軛體系越長，其最大吸收越移往長波方向，甚至到可見光部分。隨著吸收移向長波方向，吸收強度也增大。含共軛體系的分子母體基本值 max /nm開鏈共軛雙烯 217異環(huán)共軛雙烯 214同環(huán)共軛雙烯 253官能團對max的影響共軛體系每增加一個雙鍵 30 共軛體系每增加一個環(huán)外雙鍵 5 Woodwards 規(guī)則*共軛體系每增加一個烷基R 5 助色團 -Cl, -Br 5 -OR 6 -SR 30 -NR2 60 -OCOR 0 溶劑校正 0(2) 共軛醛、酮 有n*和*躍遷，即具有兩個吸收峰，二者波長范圍均在紫外區(qū)內。

10、K帶 * max=237nm =104 R帶 n* max=325nm =102 母體基本值 max /nm 醛類 207 五元環(huán)烯酮 202 開鏈或大于五元環(huán)烯酮 215 羧酸或酯類 193 或位單烷基取代 208 ， 或， 位雙烷基取代 217 ， 位三烷基取代 225Woodwards 規(guī)則官能團對max的影響 /nm 同環(huán)共軛雙烯 39 擴展共軛雙烯 30 環(huán)外雙鍵 5 取代基 烷基 10 12 以上， 18 -OH 35 30 以上， 50Woodwards 規(guī)則官能團對max的影響 /nm -OR 35 30 17 31 -SR 85 -OAC 、 、 6 -NRR， 95 -Cl

11、 15 12 -Br 25 30(1)苯 苯環(huán)顯示三個吸收帶，它們均起源于苯環(huán)*躍遷。 吸收帶編號吸收帶位置184204256600007900250吸收帶命名E1帶 ethylenic band second primary -E2帶 ethylenic band first primary KB帶 Benzenoid bands Secondary B芳香族化合物(2)烷基苯 烷基無孤對電子，但它的超共軛效應使苯環(huán)B吸收帶略有紅移，對E帶效應不明顯。 苯環(huán)上有-CH2OH等取代時，助色團被一個或多個CH2與苯環(huán)隔離開了，因些它們的紫外吸收光譜與甲苯相近。 苯環(huán)上有-CH2CHO等取代時，生

12、色團被CH2與苯環(huán)隔離開，不能和苯環(huán)形成共軛體系，因此紫外吸收不能往長波移動，其紫外吸收是苯環(huán)與另外的生色團吸收的疊加。 一個分子中的兩個發(fā)色團A、B被一個或更多個隔離原子(如CH2)分開，這個分子的吸收光譜很近似于A、B生色團紫外吸收光譜之加合，稱加合原則。 由加合原則可知，一個化合物紫外吸收為該分子中幾個相互不共軛部分的結構單元的紫外吸收的加合。加合原則3.助色團在苯環(huán)上取代的衍生物 助色團有孤對電子，它能與苯環(huán)電子共軛，所以助色團在苯環(huán)上的取代使B帶、E帶均向長波方向移動，B帶被強化，同時精細結構常消失。若按對E2帶深色位移的大小，助色團排列的順序為 N(CH3)2NHCOCH3O-NH

13、2OCH3BrClCH3 上述助色團都是苯環(huán)的鄰、對位定位基。苯酚加堿后，非共用電子增加使n-共軛加強，發(fā)生紅移多取代苯環(huán) 1)對位取代 當兩個取代基相同類型時，雙取代的最長吸收波長近似為兩者單取代時的最長波長。當兩取代基類型不同時，兩個取代所產生的深色位移大于單個取代基產生的深色位移之和。 2)鄰位或間位取代 兩個取代基產生的深色位移近似等于單個取代基產生的深色位移之和 雜芳環(huán)化合物 五員雜芳環(huán)按照呋喃、吡咯、噻吩的順序增強芳香性，其紫外吸收也沿此順序逐漸接近于苯的吸收。 吡啶的共軛體系和苯環(huán)相類似，故吡啶的紫外吸收類似于苯的吸收，吡啶在251nm處的吸收強，=2000，也顯示精細結構。溶劑

14、效應極性溶劑使n*吸收帶(R帶)藍移*吸收帶(K帶)紅移溶劑與羰基形成氫鍵n*吸收帶(R帶)藍移影響紫外光譜吸收峰位置的因素*nEEpC=OC=O+-極性低的溶劑極性高的溶劑Ep E 吸收帶(R帶)藍移n*躍遷的溶劑效應第二章 紅外光譜引言紅外光譜的發(fā)展兩者得到的信息可以互補。 紅外光譜：當分子受到紅外區(qū)域的電磁輻射后，吸收一部分紅外光，使分子中原子的振動與轉動能級躍遷所產生的分子吸收光譜。（波長0.5 1000 m)分為三個區(qū)域： 遠紅外區(qū)：25 1000 m 中紅外區(qū)：2 - 25 m 近紅外區(qū)：0.5 2 m 應用最廣的是2.5 15.4 m的中紅外區(qū)，相應波數(shù)位4000到650cm-1

15、。( 大多數(shù)有機物的化學鍵振動落在此區(qū)域，在振動能級躍遷時，也伴隨著轉動能級的躍遷） 紅外光譜之優(yōu)點： 1, 樣品存在的狀態(tài)不影響測定； 2，幾乎所有的化合物均有紅外吸收； 3，儀器價格較低廉，便于普及； 4，加樣量少（可達微克級）； 5，可采用多種測量技術，如光聲光譜（DAS)等紅外光譜圖：波數(shù)（cm-1，每厘米振動的次數(shù)）為橫坐標，透過率為縱坐標；波數(shù)與波長的換算：波數(shù) = 1 / = / c2，紅外光譜的原理：2.1 紅外吸收光譜產生的條件：a. 符合E 紅外光= E 分子振動, 即電磁波的能量與分子能級差相等，也即紅外光=分子振動；b. 紅外光與分子之間有偶合作用，即分子偶極矩發(fā)生變化

16、 0。 偶極矩是分子中正負電荷中心的距離 （r）與正負中心所帶電荷（）的乘積，是極性大小的表示方法：= *r只有發(fā)生偶極矩變化的振動才能紅外吸收譜帶，該振動稱為紅外活性（infrared active），反之為非紅外活性。CO2對稱伸縮振動紅外非活性化學鍵的振動與頻率 雙原子分子中化學鍵的振動可按諧振子處理。 = K為鍵力常數(shù); 為折合質量; 用虎克定律來表示振動頻率、原子質量和鍵力常數(shù)之間的關系： 波數(shù) 例如CO2分子是N=3的直線型分子，有3N-5個基本振動，即33-5=4個振動?；瘜W鍵的力常數(shù)鍵分子K（105dyn/cm）鍵分子K（105dyn/cm）H-FHF9.7H-CCH2=CH2

17、5.1H-ClHCl4.8H-CCHCH5.9H-BrHBr4.1C-C4.5-5.6H-IHI3.2C=C9.5-9.9H-OH2O7.8CC15-17H-O游離7.12C-O5.0-5.8H-SH2S4.3C=O12-13H-NNH36.5C-ClCH3Cl3.4H-CCH3X4.7-5.0CN16-18 分子的振動分為伸縮振動和變形振動兩類。 伸縮振動是沿原子核之間的軸線作振動，鍵長有變化而鍵角不變，用字母來表示。 變形振動是鍵長不變而鍵角改變的振動方式，用字母表示。 躍遷時能級變化的大小為： 。 能級變化大的出峰在高頻區(qū)，即波數(shù)值大；能級變化小的出峰在低頻區(qū)，即波數(shù)值小。 譜帶的位置(

18、波數(shù))由能級變化的大小確定。 譜帶的位置(波數(shù))也就是振動時吸收紅外線的波數(shù)。 一是躍遷的幾率，躍遷的幾率大，吸收峰也就強。 二是振動中偶極矩變化的程度。瞬間偶極矩變化越大，吸收峰越強。 躍遷的幾率與振動方式有關: 基頻(V0V1)躍遷幾率大，所以吸收較強； 倍頻(V0V2)雖然偶極矩變化大，但躍率幾率很低，使峰強反而很弱。譜帶的強度主要由兩個因素決定：偶極矩變化的大小與以下四個因素有關： （1）化學鍵兩端原子的電負性差越大，引起的紅外吸收 越強。故吸收峰強度為OHC-HC-C。 (2）振動方式。相同基團的振動方式不同，分子的電 荷分布也不同，偶極矩變化也不同。 反對稱伸縮振動比對稱伸縮振動的

19、吸收強度大； 伸縮振動的吸收強度比變形振動的吸收強度大。（4）其他因素: (a)氫鍵的形成使有關的吸收峰變寬變強。 (b)與極性基團共軛使吸收峰增強。如C=C、CC等基團的伸縮振動吸收很弱。但是，如果它們與 C=O或CN共軛，吸收強度會大大增強。 （3）分子的對稱性。 結構為中心對稱的分子，若其振動也中心對稱，則此振動的偶極矩變化為零。如CO2的對稱伸縮振動沒有紅外活性。 對稱性差的振動偶極矩變化大，吸收峰強。 (c)費米共振: 紅外吸收有基頻和倍頻，還有組合頻。 組合頻為基頻及倍頻的和或差。 即1+2、21+2、1-2等。 費米共振：當一個振動的倍頻或組合頻與某一個強的基頻有接近的頻率時，這

20、兩個振動相互作用發(fā)生偶合，弱的倍頻或組合頻被強化，振動偶合后出現(xiàn)兩個譜帶。 兩譜帶中均含有基頻和倍頻的成份，倍頻和組合頻明顯被加強，這種現(xiàn)象叫費米共振。紅外光譜的峰強可以用摩爾吸收系數(shù)表示: = Lg （4） 式中：為摩爾吸收系數(shù)； C為樣品濃度，mol/L； L為吸收池厚度，cm； T0為入射光強度；T為出射光強度。 當l00時，峰很強，用Vs表示。 在20100，為強峰，用S表示。 在l020，為中強峰，用m表示。 在ll0，為弱峰，用w表示。 另外，用b表示寬峰，用Sh表示大峰邊的小肩峰。液體樣品的制樣法（1）溶液法： （2）液膜法：在兩個窗片之間，滴上12滴液體試樣，形成一層薄的液膜用

21、于測定。此方法只適用于高沸點液體化合物。2.4.4氣體樣品： 氣體樣品一般使用氣體池進行測定。影響基團吸收頻率的因素 某一基團的特征吸收頻率，同時還要受到分子結構和外界條件的影響。 同一種基團，由于其周圍的化學環(huán)境不同，其特征吸收頻率會有所位移，不是在同一個位置出峰。 基團的吸收不是固定在某一個頻率上，而是在一個范圍內波動。外部條件對吸收位置的影響物態(tài)效應：同一個化合物固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的紅外光 譜會有較大的差異。如丙酮的C=O,汽態(tài)時在1742cm-1，液態(tài)時1718cm-1，而且強度也有變化。(2)晶體狀態(tài)的影響：固體樣品如果晶形不同或粒子大小不同都會產生譜圖的差異。(3)溶劑效應： 用溶液

22、法測定光譜時，使用的溶劑種類、濃度不同對圖譜會有影響。分子結構對基團吸收譜帶位置的影響（1）誘導效應（I效應）：基團鄰近有不同電負性的取代基時，由于誘導效應引起分子中電子云分布的變化，從而引起鍵力常數(shù)的改變，使基團吸收頻率變化。 吸電子基團（-I效應）使鄰近基團吸收波數(shù)升高，給電子基團（I效應）使波數(shù)降低。 CH3-CO-CH3 CH2Cl-CO-CH3 CI-CO-CH3 Cl-COCl F-CO-F C=O 1715 1724 1806 1828 1928(2)共軛效應（C效應）： 共軛效應要求共軛體系有共平面性。 共軛效應使共軛體系的電子云密度平均化，鍵長也平均化，雙鍵略有伸長，單鍵略有

23、縮短。 共軛體系容易傳遞靜電效應，常顯著地影響基團的吸收位置及強度。 共軛體系有“-”共軛和“P-”共軛。 基團與吸電子基團共軛（受到-C效應），使吸收頻率升高；與給電子基團共軛（受到+C效應）使基團吸收頻率降低。 共軛的結果總是使吸收強度增加。 當一個基團鄰近同時存在誘導效應和共軛效應的基團或存在一個既有誘導效應又有共軛效應的基團時，若兩種作用一致，則兩個作用互相加強；若兩個作用不一致，則總的影響取決于作用強的作用。（3）偶極場效應：偶極場效應是互相靠近的基團之間通過空間起作用的。例如：13-二氯丙酮有三種異構形式存在，其液態(tài)時光譜中出現(xiàn)了三個C=O吸收。其原因是氯原子空間位置不同，對羰基的

24、影響也不同。 C=O ( cm-1) 1755 1742 1728 羰基的位上有鹵素 ，因鹵素相對位置(空間構型)不同而引起C=O的位移作用叫“鹵代酮”規(guī)律。（4）張力效應：環(huán)外雙鍵(烯鍵、羰基)的伸縮振動頻率，環(huán)越小張力越大，其頻率越高。 環(huán)內雙鍵，張力越大，伸縮振動頻率越低，但是環(huán)丙烯例外。詳細情況參見烯和酮的特征吸收部份。（5）氫鍵的影響：氫鍵的形成，往往使伸縮振動頻率移向低波數(shù)，吸收強度增強，并變寬；形成分子內氫鍵時影響很顯著。 C=O ( cm-1) 1676，1673； 1675，1622 (6) 位阻效應：共軛效應會使基團吸收頻率移動。若分子結構中存在空間阻礙，共軛受到限制，基團

25、吸收接近正常值。 C=O(cm1) 1663 1686 1693 (7)振動偶合效應：鄰近的兩個基團同時具有大約相等的頻率就會偶合產生兩個吸收帶，這叫振動偶合。 (a)一個碳上含有二個或三個甲基，則在13851350cm-1出現(xiàn)兩個吸收峰 。( c）二元酸的兩個羧基之間只有12個碳原子時，會出現(xiàn)兩個C=O，相隔三個碳原子則沒有這種偶合。HOOCCH2COOH HOOC(CH2)2COOH HOOC(CH2)nCOOHC=O 1740,1710 1780,1700 n3時 一個C=O(b)酸酐上兩個羰基接在同一個氧原子上，互相偶合產生兩個吸收帶，見前面基團特征吸收部份。(d)具有RNH2和RCO

26、NH2結構的化合物，有兩個N-H，也是由于偶合產生。 (e)酰胺中由于NH與C-N偶合產生酰胺和帶。 (f)費米共振：當一個倍頻或者組合頻靠近另一個基頻時，發(fā)生偶合產生兩個吸收帶。其中一個頻率比基頻高，而另一個則要低。這叫費米共振 如醛基質子在26502880有由CH與CH的倍頻的費米共振產生的兩個吸收。（CH2）n 結構中亞甲基面內搖擺振動 結構 譜帶 (cm-1) 結構 譜帶 (cm-1)C- CH2-CH3 770 C- CH2-C 810C-( CH2)2-CH3 750-740 C-( CH2)2-C 754C-( CH2)3-CH3 740-730 C-( CH2)3-C 740C

27、-( CH2)4-CH3 730-725 C-( CH2)4-C 725C-(CH2)n-CH3(n4) 722 C-(CH2)n-C(n4) 722烯烴（1）烯烴有三個特征吸 區(qū) (a)31003000cm-1 ， =CH (b)16801620cm-1 ， C=C (a) 、(b)用于判斷烯鍵的存在與否。 (c)l000650cm-1，烯碳上質子的面外搖擺振動=CH，用于判斷烯碳上取代類型及順反異構。不同類型烯烴特征頻率表(cm-1)取代烯烴RCH=CH2 3095 2975 3040 1645 915 995 1840 3075 3010 1640 905(s) 985 1805(w)R

28、1R2C=CH2 3095 2975 / 1660 895 / 1800 3050 1640 885(s) 1780(w)R1R2C=CR3H 3040 1690 830 3020 1670 810(s)R1HC=CR2H 3040 1665 730（順式） 3010 1635 665(s)R1HC=CR2H（反式） 3040 1675 980 3010 1665 960(s)R1R2C=CR3R4 w或無（2）一般情況下，只用IR來判別醚是困難的。因其他一些含氧化合物，如醇、羧酸、酯類都會在11001250cm-1范圍有強的C-O吸收。酰胺的特征吸收帶酰胺吸收帶游離態(tài)（cm-1）締合態(tài)（cm

29、-1）R-CO-NH2NH二個吸收帶3540338033603180C=O酰胺帶1690167016651630NH酰胺帶1620159016551610R-CO-NHRNH一個或多個吸收帶3500340033303060（多個帶）C=O酰胺帶1680167016551630NH與C-N 酰胺帶偶合產生 酰胺帶1550151015701515129013351200R-CO-NRR”C=O1680163016801630第一章 有機質譜Organic Mass Spectroscopy優(yōu)點：1. 靈敏度高2. 測定分子量，確定分子式3. 分析范圍廣（氣體、液體、固體）4. 各種聯(lián)用技術5. 新

30、的電離、檢測技術1.1.1 質譜儀的組成Components of any Mass Spectrometer真空系統(tǒng)Vacuum System進樣系統(tǒng)Sample Inlet檢測器Detector數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)Data System質量分析器Mass Analyser離子源Ionization Source1.1.2 質譜儀的主要性能指標1. 質量范圍（mass range） 質譜儀所能測定的離子質荷比的范圍。 四極質譜： 1000以內 離子阱質譜： 6000 飛行時間質譜： 無上限2. 分辨率（resolution）分辨率R是指質荷比相鄰的兩質譜峰的分辨能力。若近似等強度的質量分別為M1及M

31、2的兩個相鄰峰正好分開，則質譜儀的分辨率定義為：R = ; 式中 M =(M1+M2)/2 ; M = M2 -M1M/M 國際上：1）R10%：兩峰間的峰谷高度為峰高的10%時的測定值；2）一般難以找到兩個質量峰等高，且重疊的谷高正好等于峰高的10%，則定義：MMb aR = ; 式中 a為其中一峰的峰高5%處的峰寬; b為相鄰兩峰的中心距離低分辨率質譜儀： R 501）的分子離子峰所需的樣品量。1.1.3 質譜圖橫坐標：質荷比 (m/z)縱坐標：相對豐度(最強峰的強度定為100%) 苯乙酮的質譜圖 苯乙酮的質譜圖 1.2 離子源（Ionization Source）電子轟擊電離（elect

32、ron impact ionization, EI）化學電離（chemical ionization, CI）場電離（field ionization, FI）場解吸（field desorption, FD）快原子轟擊（fast atom bombardment, FAB）基質輔助激光解吸電離（matrix-assisted laser desportion ionization, MALDI）電噴霧電離（electrospray ionization, ESI）大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization, APCI）1.2.1 電子轟擊

33、電離（electron impact ionization, EI）質譜中最常用的離子源，一般為70eV的電子束，遠大于大多數(shù)有機化合物的電離電位（715eV），會使相當多的分子離子進一步裂解，產生廣義的碎片離子。 優(yōu)點：1）穩(wěn)定, 質譜圖再現(xiàn)性好，便于計算機檢索及比較；2）離子碎片多，可提供較多的分子結構信息。缺點：1）樣品必須易于氣化；2）當樣品分子穩(wěn)定性不高時，分子離子峰的強度低，甚至不存在分子離子峰。1.2.2 化學電離（chemical ionization, CI）化學電離是通過離子-分子反應來完成的。反應氣體一般是甲烷、異丁烷、氨等, 生成(M+H)+, (M-H)+, (M+N

34、H4)+ 的準分子離子。優(yōu)點：準分子離子峰強度高，便于推算分子量；缺點：1）只適用于易揮發(fā)、受熱不分解的樣品；2）碎片離子峰少，強度低。1.2.3 場電離（field ionization, FI）和場解吸（field desorption, FD）場電離：是一種軟電離技術。當樣品蒸汽鄰近或接觸到帶高正電位的金屬針時，由于高曲率的針端產生很強的電位梯度，樣品分子可被電離。優(yōu)點：電離快速，適合于和氣相色譜聯(lián)機；缺點：要求樣品汽化，靈敏度低。場解吸：原理與FI相同，但樣品是被沉積在電極上。FD適用于難汽化的、熱不穩(wěn)定樣品。FD的準分子離子峰比FI的強，質譜圖比FI的還要簡單。1.2.4 快原子轟擊

35、（fast atom bombardment, FAB）FAB：是一種廣泛應用的軟電離技術?？煸愚Z擊利用的重原子一般為 He 或 Ar。Ar+(高動能的) + Ar(熱運動的) Ar(高動能的) + Ar+(熱運動的)FAB可完成連FD都有困難的、高極性、難汽化的化合物的電離。樣品多調勻于基質（一般為甘油等）中?；|應具有流動性、低蒸氣壓、化學惰性、電解質性和好的溶解性。FAB得到的是準分子離子峰(M+H)+;當分析極性樣品（糖類），常加入NaCl水溶液，得到(M+Na)+離子峰。1.2.5 基質輔助激光解吸電離（matrix-assisted laser desportion ioniza

36、tion, MALDI） 在一個微小的區(qū)域內，在極短的時間間隔，激光可對靶物提供高的能量，對它們進行極快的加熱，可以避免熱敏感的化合物加熱分解。優(yōu)點：1）使一些難于電離的樣品電離，且無明顯的碎裂，從而得到完整的被分析化合物分子的電離產物；2）特別適用于與飛行時間質譜相配（MALDI-TOFMS）。1.2.6 電噴霧電離（electrospray ionization, ESI）主要應用于高效液相色譜HPLC與質譜儀的聯(lián)用。從霧化器套管的毛細管端噴出的帶電液滴，隨著溶劑的不斷快速蒸發(fā)，液滴迅速變小，表面電荷密度不斷增大。由于電荷間的排斥作用，就會排出溶劑分子，得到樣品的準分子離子。通常小分子得到

37、帶單電荷的準分子離子，而大分子則得到多種多電荷離子。檢測質量可提高幾十倍。ESI是很軟的電離方法，通常無碎片離子峰，只有整體分子的峰，十分有利于生物大分子的質譜測定。 1.2.7 大氣壓化學電離（atmospheric pressure chemical ionization, APCI） ： 是由ESI源派生出來的，常壓下電暈放電。 噴出的液滴先汽化，隨后溶劑分子被電離，發(fā)生化學電離的過程。 要樣品汽化，適用于弱極性的小分子化合物(M 共軛軌道 獨立軌道 軌道3） 離子正電荷位置的表示均裂（homolytic bond cleavage）：(2) 異裂（heterolytic bond cl

38、eavage）：分子離子（M+）裂解的三種方式：(3) 半異裂（hemiheterolytic bond cleavage）：(1) 均裂（homolytic bond cleavage）：自由基引發(fā)（ 斷裂）反應的動力來自自由基強烈的電子配對傾向。例 含飽和雜原子的化合物： 含不飽和雜原子的化合物： 含碳-碳不飽和鍵的化合物：+(2) 異裂（heterolytic bond cleavage）：電荷引發(fā)（誘導效應，i 斷裂）進行 i 斷裂時，一對電子發(fā)生轉移。OE+型EE+型(3) 半異裂（hemiheterolytic bond cleavage）：當化合物不含O、N等雜原子，也沒有 鍵時

39、，只能發(fā)生 斷裂：1.6.2 有機化合物的一般裂解規(guī)律 1.偶電子規(guī)律: 偶電子離子電離只能產生偶電子離子； 奇電子離子電離既能產生奇電子離子，也能產生偶電子離子。奇電子離子偶電子離子2. 碎片離子的穩(wěn)定性不飽和烴類化合物烷基苯化合物（主要）（次要）3. Stevenson規(guī)則 奇電子離子裂解過程中，自由基留在電離電位（IP）較高的碎片上，而正電荷留在IP較低的碎片上。甲基正丁基醚的裂解： 4. 最大烷基丟失規(guī)律Some Common Losses From Molecular Ions Ion Possibly lost groups Possible inferenceM-15 CH3M-

40、16 O Ar-NO2, N+-O-, SulphoxideM-16 NH2 ArSO2NH2, -CONH2M-17 OHM-17 NH3M-18 H2O Alcohol, Aldehyde, Ketone, etcM-19 F Fluorides M-20 HF FluoridesM-26 C2H2 Aromatic hydrocarbonM-27 HCN Aromatic nitriles, Nitrogen heterocyclesM-28 CO QuinonesM-28 C2H4 Aromatic ethyl ethers, Ethyl esters, n-Propyl ketone

41、sM-29 CHO M-29 C2H5 Ethyl ketones, Ar-n-C3H7 M-30 C2H6 M-30 CH2O Aromatic methyl ether M-30 NO ArNO2 M-31 OCH3 Methyl ester M-32 CH3OH Methyl esterM-32 S M-33 H2O + CH3 1.6.3 簡單裂解 發(fā)生簡單斷裂時僅一根化學鍵斷開。 包括： 斷裂、 i 斷裂、 斷裂。1. 飽和烴類化合物的裂解2. 不飽和烴和芳香烴的裂解3. 含雜原子的化合物的裂解醇、胺、醚、硫醇、硫醚、鹵代物 斷裂:i 斷裂: 斷裂:羰基化合物 斷裂i 斷裂（次要）1

42、.7 有機化合物的質譜1.7.1 烷烴1. 直鏈烷烴（1） 直鏈烷烴顯示弱的分子離子峰。（2） 直鏈烷烴的質譜由一系列峰簇（CnH2n+1 ，CnH2n-1, CnH2n）組成，峰簇之間差14個質量單位。峰簇中CnH2n+1為最高峰，m/z 29,43,57,71,85等離子峰。 （3）各峰簇的頂端形成一平滑曲線，最高點在C3或C4。支鏈烷烴（1）支鏈烷烴的分子離子峰較直鏈烷烴降低。（2）在支鏈處易斷裂，優(yōu)先失去大基團，正電荷留在多支鏈的碳上，產生CnH2n+1離子。（3） 在支鏈處的斷裂，伴隨有失去單個氫的傾向，產生較強的CnH2n離子，有時可強于相應的CnH2n+1離子。3. 環(huán)烷烴（1）

43、 由于環(huán)的存在，分子離子峰的強度相對增加。（2）通常在環(huán)的支鏈處斷開，給出CnH2n-1峰，也常伴隨氫原子的失去，有較強的CnH2n-2峰。（3）環(huán)的碎化特征是失去C2H4（也可能失去C2H5）。1.7.2 烯烴（1）雙鍵的引入，可增加分子離子峰的強度。（2）烯丙基分裂是最主要的裂解方式， 仍形成間隔14質量單位的一系列峰簇，但峰簇內最高峰為CnH2n-1，m/z 41,55,69,83等離子峰。（3）分子中雙鍵可發(fā)生位置遷移，烯烴的異構體的質譜很類似。（4）當相對雙鍵 -C原子上有氫時，可發(fā)生McLafferty重排。（5）可發(fā)生RDA反應。1.7.3 炔烴（1）分子離子峰較強。（2）類似烯

44、烴的炔丙基分裂，炔的a-斷裂產生m/z39的偶電子離子。（3）端位炔易脫去H，形成很強的M-1峰。1.7.4 芳香族化合物1. 烷基取代苯（1）分子離子峰較強（2）簡單斷裂生成芐基離子C7H7+，m/z 91的峰一般都較強。（3）當相對苯環(huán)存在 氫時，易發(fā)生McLafferty重排，m/z 92的峰有相當強度。（4）苯環(huán)碎片離子依此失去C2H2，化合物含苯環(huán)時，一般可見 m/z 39、51、65、77等峰。2. 雜原子取代的芳香族化合物（1）鹵代芳烴 a. 分子離子峰較強 b. 氯、溴、碘取代的芳烴易發(fā)生i-斷裂，形成Ar+離子。c. 氟代苯的C-F很穩(wěn)定，不易發(fā)生i-斷裂，只能發(fā)生丟失乙炔的

45、反應。（2）氧、氮取代芳烴 雜原子直接連在苯環(huán)上，最經常發(fā)生的質譜反應是脫掉小分子，多為重排反應。苯環(huán)衍生物重排反應丟失的中性碎片和自由基取代基丟失的中性碎片取代基丟失的中性碎片NO2NO, COFC2H2NH2HCNOCH3CH2O, CHONHCOCH3C2H2O, HCNOHCHO, COCNHCN SHCS, CHS1.7.5 醇類化合物 特點： （1）分子離子峰很弱或不出現(xiàn)。 （2）易發(fā)生a-斷裂，優(yōu)先失去較大的R基團，生成m/z(31+14n)峰。小分子醇也出現(xiàn)M-1峰。 （3）a-斷裂生成的EE+可通過氫重排裂解。 （4）經氫重排脫水，生成M-18峰。 （5）脂肪醇或叔醇可丟失O

46、H，生成M-17峰。（6）含多官能團的醇可發(fā)生骨架重排反應。1.7.6 醚類化合物特點：（1）脂肪醚分子離子峰很弱。 （2）易發(fā)生a-斷裂，優(yōu)先失去較大的R基團，生成m/z(31+14n) 31，45，59，偶電子離子峰。 （3）也發(fā)生i-斷裂，生成一系列m/z 29, 43, 57, 碎片離子。 （4） a-斷裂生成的EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂。 （5）芳香醚的分子離子峰很強，裂解行為和脂肪醚相似，同時具有芳環(huán)碎裂的特征。（6）當用CI源時，醚易質子化生成M+1峰， 生產偶電子離子EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂。1.7.7 胺類化合物 特點： （1）脂肪胺分子離子峰很弱，

47、芳香胺的分子離子峰相對較強。 （2）易發(fā)生a-斷裂，生成m/z(30+14n) 30，44，58，72，偶電子離子峰。 （3） a-斷裂生成的EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解或i-斷裂。 （4）長鏈的一級胺可發(fā)生取代重排反應，生成m/z58，72，86，100系列峰。而長鏈醇則不發(fā)生取代重排反應。（5）當用CI源時，胺易質子化生成M+1峰， 生產偶電子離子EE+可發(fā)生四元環(huán)氫重排裂解。1.7.8 鹵代烴 特點： （1）發(fā)生a-斷裂的難易次序是FClBrI，CH2=F+的峰較強，CH2=I+的峰較弱。 （2）可發(fā)生i-斷裂，C-F(Cl)斷裂時，正電荷留在烴基上；C-Br(I)斷裂時，正電荷留在Br

48、+或I+上。 （3） 消除HX，氟（氯）代烴易消除HX。 （4）長鏈的鹵代烴可發(fā)生取代重排反應，生成五元環(huán)或六元環(huán)偶電子離子。1.7.9 羰基化合物 特點： （1）分子離子峰一般可見。 （2）主要發(fā)生a-斷裂，繼而發(fā)生誘導斷裂。 （3）常發(fā)生McLafferty重排反應。 醛 （1）M-1和M-29是常見碎片。 （2）發(fā)生g-H重排時，生產m/z(44+14n)峰。 （3）M-43和M-44是常見峰。 （4）與酮區(qū)別是能發(fā)生脫水反應，生成M-18峰。2. 酮 （1）分子離子峰一般較強。 （2）主要發(fā)生a-斷裂，優(yōu)先丟失大基團。 （3）常發(fā)生g-H的McLafferty重排。3. 羧酸和酯 （1

49、）分子離子峰一般較強。 （2）常發(fā)生g-H的McLafferty重排。一元羧酸產生強的m/z60峰，甲酯產生m/z74峰，乙酯產生m/z88峰。 （3）發(fā)生a-斷裂。4. 酰胺 （1）分子離子峰一般較強。 （2）常發(fā)生g-H的McLafferty重排，產生強的m/z59峰。也發(fā)生取代重排生成m/z86峰。 （3）發(fā)生a-斷裂。1.7.10 腈類 特點： （1）分子離子峰很弱，M-1峰明顯。 （2）常發(fā)生McLafferty重排反應， m/z41峰很強。（3）發(fā)生a-斷裂或取代重排生成m/z40, 54, 68, 82等離子峰, m/z 110的峰較強。（4）常鏈腈六元環(huán)重排產生很強的m/z97

50、離子峰。1.7.11 硫醇和硫醚 特點： （1）分子離子峰一般可見，M+2峰識別硫原子。 （2）發(fā)生a-斷裂生成m/z47, 61, 75, 89等離子峰。（3）經氫重排脫H2S，并進一步丟失乙烯，生成M-62峰。（4）即可發(fā)生a-斷裂，也可發(fā)生i-斷裂。 a-斷裂后生成的偶電子離子可進一步發(fā)生氫重排裂解。（5）可發(fā)生s-斷裂，生成m/z47, 61, 75, 89等離子峰。1.10 質譜圖的解析質譜圖解析的方法和步驟1）分子離子峰的確定2）分子式的確定3）質譜圖的總體判斷 芳環(huán)的判斷（ m/e 39、51、65、77 ） 脂肪基團的系列峰（m/e 29 、43、57、71） 含氮化合物（m/

51、e 30 、44、58、72） 醇和醚（m/e 31、45、59、73）4）研究重要離子 高質量端的離子 重排離子 亞穩(wěn)離子 重要的特征性離子（強峰）5）推測結構單元和分子結構6）對質譜的核對、指認1.8 亞穩(wěn)離子m1+m2+ + N在質量分析器的無場區(qū)內發(fā)生碎片離子的進一步裂解時，可觀測亞穩(wěn)離子峰。到由亞穩(wěn)離子峰可得到碎片離子之間的重要信息，對于推測結構有重大幫助。式中 m1+ ：母離子 m2+ ：子離子 N： 中性碎片，其質量為m1-m2亞穩(wěn)離子：m* = m22m12. 時間上的串聯(lián)質譜（tandem-in-time） 只有一個質量分析器,只有離子阱或FTICR質譜計才可實現(xiàn)這種串聯(lián)技術

52、。 離子阱完成串聯(lián)質譜實驗的步驟為：（1）在適當?shù)臈l件下，可選出某一質荷比的離子貯存在離子阱中。（2）進行碰撞誘導斷裂(CID)。 （3）通過掃描電壓V，進行質量掃描，得到產物離子的質譜。 FTICR/MS做時間上的串聯(lián)質譜實驗的過程：（1）選出某種質荷比的離子，逐出所有其他的離子。 （2）用選定質荷比離子的回旋頻率激發(fā)該離子，由于FTICR是在高真空下操作，為進行CID，需用脈沖閥導入碰撞氣體。完成CID，抽走碰撞氣體，恢復原高真空體系。（3）對產物離子激發(fā)，進入檢測器，得到產物離子的質譜。 第二章 核磁共振氫譜(Nuclear Magnetic Resonance) 核磁共振的研究對象是具

53、有磁矩的原子核。量子力學理論和實驗證明某些原子核的基本性質是具有核自旋現(xiàn)象，自旋的核都有一定的自旋角動量（P）： 2.1 核磁共振基本原理 2.1.1 核的自旋1）質量數(shù)和原子序數(shù)均為偶數(shù)（質子數(shù)、中子數(shù)均為偶數(shù)），則 I = 0 （如12C6、16O8、32S16）2）質量數(shù)為奇數(shù)（質子數(shù)與中子數(shù)其一為偶數(shù)，另一為奇數(shù)），則 I = 1/2 （如1H1、13C6、15N7、19F9、 31P15 ） I = 3/2 （如 7Li3、11B5、23Na11、33S16、35Cl17、37Cl17），3）質量數(shù)為偶數(shù)，原子序數(shù)為奇數(shù)（質子數(shù)、中子數(shù)均為奇數(shù)），則 I = 1 （如 2H1、14N

54、7） I = 2 （如58Co27) I = 3 （如10B5)，核的分類:自旋量子數(shù) I 1/2，具有核四極矩。Q = 2Z(b2-a2)/5Z - 球體所帶電荷a、b - 橢球橫向和縱向半徑I = 0 I = 1/2 I = 1, 3/2, 2, 沒有自旋 自旋球體 自旋橢圓體 核四極矩（quadruple）:自旋量子數(shù)I 0的核，置于恒定的外磁場Bo中，自旋核的行為就象一個陀螺繞磁場方向發(fā)生回旋運動，稱為Larmor進動或核的進動，如圖所示 2.1.2 核的進動和核磁能級分裂磁矩m = gP：磁旋比（magnetogyric ratio）g1H=26753; g13C=6721 具有自旋

55、量子數(shù)I的核置于靜磁場Bo中，產生Larmor進動，并使核磁矩出現(xiàn)2I+1個取向，每一個取向由一個磁量子數(shù)m表示。 原子核不同能級間的能量差E為：核的Larmor進動頻率n0與外磁場強度B0成正比： （a） I = 1/2的原子核兩種自旋取向能級示意圖 （b） 兩種自旋取向能級差與外磁場B0的關系2.1.3 核磁共振的產生如用某一特定頻率n的電磁波與原子核的Larmor進動頻率一致時，核就會從射頻交變磁場中吸收能量，由低能態(tài)向高能態(tài)發(fā)生躍遷，產生的吸收信號被NMR譜儀記錄下來。圖2-5 核磁能量吸收和躍遷過程 2.1.4 弛豫和弛豫機制自旋核在磁場B0中平衡時，處于不同能級的核服從Boltzm

56、ann分布：當B0=60MHz，T=300K時，N+/N-=1.0000099弛豫：高能級的核通過非輻射的方式回到低能級的過程。2. 橫向弛豫：自旋-自旋弛豫（T2） 自旋核與自旋核能量交換的過程。 T2與核磁共振峰的寬度成反比。T2越短，譜線越寬。 固體的T2很短，液體、氣體的T2較長?？v向弛豫：自旋-晶格弛豫（T1) 自旋核與周圍分子進行能量交換。 T1與核磁共振峰的強度成反比。T1越短，信號越強。 固體的T1很長，液體、氣體的T1很短。2.2 脈沖傅立葉變換核磁共振譜儀PFT-NMR （Pulsed Fourier Transform NMR)連續(xù)波（CW）儀器：永久磁鐵或電磁鐵PFT-

57、NMR：超導磁鐵 同時激發(fā)所需頻率范圍內的所有核的共振，各種核通過各種方式弛豫，產生一個隨時間逐步衰減的信號（Free Induced Decay FID），通過傅立葉變換的數(shù)學方法轉變成核磁共振信號。PFT-NMR（高頻）的優(yōu)點：省時，省樣;高靈敏度，高S/N;高分辨率;CW法所無法實現(xiàn)的新的測試方法（各種脈沖序列的應用，與其他分析儀器聯(lián)用等）二維FT-NMR可提供復雜自旋體系的豐富信息2.3 化學位移（Chemical Shift）低場(downfield)高頻(high frequency)去屏蔽(deshielded)高場(upfield)低頻(low frequency)屏蔽(shi

58、elded)核磁共振氫譜：化學位移圖2-10 乙酸乙酯氫譜（60MHz）2.3.3 溶劑氘代溶劑氘代溶劑中殘余質子H(ppm)水在氘代溶劑中的(ppm)CDCl37.271.5C6D67.160.4CD3COCD32.052.75DMF-d78.03，2.92，2.753.0DMSO-d62.503.35甲苯-d87.09，7.00，6.98，2.090.2甲醇-d44.87，3.394.9吡啶-d58.74，7.58，7.225.0乙腈-d31.952.1乙酸-d411.65，2.0411.5三氟乙酸-d111.3011.5D2O4.754.75（HDO）氘代溶劑峰以及水峰2.1.1 氫譜中

59、影響化學位移的因素 核外電子云密度升高，峰向高場移動，d減小，屏蔽作用。 核外電子云密度降低，峰向低場移動，d增大，去屏蔽作用。1. 取代基的電子效應（electronegativity）誘導效應（Inductive Effects） 取代基電負性越強， 移向低場XX的電負性（ppm）Si（CH3）31.900H2.200.13I2.652.16NH23.052.36Br2.952.68Cl3.153.05OH3.503.38F3.904.26 CH3X取代基（X）電負性與化學位移 的關系 取代基的誘導效應隨C-鏈的延伸減弱：取代基的數(shù)目越多，對d的影響越顯著：不飽和體系中共軛效應對d的影響：

60、場效應對d的影響：2. 碳原子的雜化方式 相連碳原子的s-p雜化軌道的s成分越多， 越移向低場（1）sp3雜化 環(huán)丙烷 0 ppm CH3 1 ppm CH2 1.2-1.4 ppm CH 1.4-1.7 ppm（2）sp2雜化 -C=C-H 4.5-7 ppm 芳香烴 7-8 ppm H-C=O 9-10 ppm（3）sp雜化 -CC-H 1.7-2.7 ppm3. 磁的各向異性效應分子中氫核與某一基團在空間的相互關系不同，在外磁場作用下造成的磁場不均勻性稱為磁的各向異性效應。4. 范德華（van der Waals）效應當氫核和附近的原子間距小于范德華半徑之和，核外電子相互排斥，氫核周圍電