《有机结构分析》PPT课件.ppt

有机结构分析,化学与分子科学学院 本科课程,现 代 仪 器 方 法,分离与纯化 定性分析 定量分析 结构分析 形态分析 热、力、电、磁性能,分离与纯化,重结晶 蒸 馏:常压蒸馏,减压蒸馏,柱分馏（又称精馏） 色谱类,薄层色谱（TLC, Thin-Layer Chromatography） 气相色谱 (GC, Gas Chromatography) 液相色谱 ( LC, Liquid Chromatography) 高效液相色谱 (High Performance Liquid Chromatography, HPLC ) 高压液相色谱 (High Pressure Liquid Chromatography)。 毛细管色谱-开管柱色谱 （Capillary Column- Open Tubular Column） 毛细管电泳(Capillary Electrophoresis) 离子色谱 (Ion Chromatography) 凝胶色谱 (Gel Chromatography),定性、定量分析,元素自动分析仪 原子吸收光谱 原子发射光谱 电感偶合等离子体 紫外-可见光谱,结构分析（光谱或波谱分析）,获得分子水平的结构信息 结构分析：结构的推导和验证证实鉴定 结构分析特点：快速，用样量少，不破坏样品 提供丰富的结构信息,结构分析,Mssbauer谱 X-射线衍射仪 电子能谱 紫外-可见光谱 荧光光谱 红外与拉曼光谱 电子顺磁共振谱 核磁共振谱 质谱,形态分析,透射电镜 扫描电镜 比表面分析 粒度分布,热、力、电、磁性能,热分析: 热重法 (TG, DTG) 示差扫描量热法 (DSC),光谱分析原理: 一定波长的电磁波（光波），作用于被研究物质 的分子，引起分子内某种物理量的改变（能级跃迁）.,光波与光谱的关系：,范围 光区 光谱类型 跃迁类型 10-410-2nm -ray Mssbauer谱 核能级跃迁 10-21 nm X-ray X-光电子能谱 核内层电子能级 100400nm 紫外光区 紫外光谱 核外层电子（价 400800nm 可见光区 可见光谱 电子或非键电子) 2.525m 红外光区 红外光谱 分子振动-转动(4000400cm-1) 1 cm 微波区 微波谱 分子转动能级 顺磁共振谱 电子自旋能级 （磁诱导） 50500cm 射频区 核磁共振谱 核自旋能级 (60060MHz, 无线电波区） （磁诱导）,1cm=108=107nm=104m 波长（），频率（）和波数（ 1/cm ）的关系： 相邻两波峰或波谷之间的距离, , nm, m, cm 波数单位时间内通过的周波数(1/ ) c = c =31010 cm/sec E = h = h C/,Mssbauer谱( 10-410-2nm):,对于含C, H, N, O 等元素的有机化合物还难以测试。 例 57Fe (I =1/2) 57Fe (I =3/2) E =14.4 keV 电子能谱: XPS: X-ray Photoelectron Spectrometer UPS: Ultraviolet Photoelectron Spectrometer AES: Auger Electron Spectrometer,UPS: Ultraviolet Photoelectron Spectrometer,1641eV的真空紫外光子照射被测样品，引起原子外层电子，即价电子，价带电子电离（可见分子振动能级）。 用于研究价电子和能带电子结构的特征（受表面状态的影响较大）。 是研究样品表面态的重要工具。 广泛用于研究气体样品的价电子和精细结构，固体样品表面的原子，电子结构。,AES: Auger Electron Spectrometer,入射电子束使原子内层能级电离，产生Auger跃迁，电子能谱仪真空探测。 用于样品的表面分析和深度分析,X-光电子能谱(10-21 nm) X-ray Photoelectric Spectroscopy(XPS),X-ray范围的高能光子作用被测样品，各轨道电子都有可能激发成为光电子，可得到原子内层电子(不参与化学反应）的各级电离势，即电子结合能（Electron Bond, EB). 了解离子的几何构型和轨道特征；了解配合物的配位情况。是目前表面分析最广泛使用的仪器之一。可测除 H,He 以外的所有元素。,例如：催化剂的表面结构分析 K2PtCl4 PtCl2 L-Pt L=(P)-SCH2CH2SR Pt4f7/2 73.1eV 73.5eV 72.4eV (-0.7 or 1.1eV) L L-Pt S2p 163.2eV 163.5eV(+0.3eV),例: 金属铝表面 可出现Al 2s, Al 2p 两条谱带 氧化或部分氧化, 还可出现 O 1s, C 1s谱带,扩展谱,电子顺磁共振谱 (EPR or ESR) Electron Paramagnetic Resonance, Electron Spin Resonance,在垂直于B0的方向上施加频率为h的电磁波，当满足h =g B0 时，处于两能级间的电子发生受激跃迁，导致部分处于低能级中的电子吸收电磁波的能量跃迁到高能级中，这就是顺磁共振现象. 上式为电子顺磁共振关系式。受激跃迁产生的吸收信号经电子学系统处理可得到EPR吸谱线。 （g 因子， g e =2.0023； 波尔磁子）,EPR和NMR是分别研究电子磁矩和核磁矩在外磁场中重新取向所需的能量。 EPR的共振频率在微波波段，NMR共振频率在射频波段。 EPR的灵敏度比NMR的灵敏度高，EPR检出所需自由基的绝对浓度约在10-8M的数量级。 EPR和NMR仪器结构上的差别，前者是恒定频率，采取扫场法，后者是恒定磁场，采取扫频法。,EPR和NMR都属磁共振谱，主要的区别,电子顺磁共振的研究对象（两大类） 自由基和顺磁性金属离子（大多数过渡金属离子和稀土离子）及其化合物,自由基：分子中含有一个未成对电子的物质，如二苯苦基肼基（DPPH），三苯甲基，都有一个未成对电子 双基（Biradical）或多基（Polyradical）：在一个分子中含有两个或两个以上未成对电子的化合物，但它们的未成对电子相距较远，相互作和较弱。 三重态分子（triplet molecule）：这种化合物的分子轨道中含有两个未成对电子，且相距很近，彼此之间有很强的相互作用。如氧分子，它们可以是基态或激发态。,过渡金属离子和稀土离子：这类分子在原子轨道中出现未成对电子，如常见的过渡金属离子有Ti3+(3d1)，V3+(3d7)等。 固体中的晶格缺陷，一个或多个电子或空穴陷落在缺陷中或其附近，形成了一个具有单电子的物质，如面心、体心等。 具有奇数电子的原子，如氢、氮、碱金属原子。,EPR应用,有机自由基的研究：不但能证明自由基的存在，而且能得到分子结构，化学反应机理和反应动力学方面的重要信息。 催化剂的研究：能获得催化剂表面的性质及反应机理。 生物、医学研究：证明了细胞的代谢过程、酶反应的机理都离不开自由基。除此之外，许多病理的过程如衰老、癌变过程也都离不开自由基。其中很重要的原因就是氧自由基的作用。 物理方面：利用EPR对半导体掺杂的研究，可指导采用不同的掺杂技术获取不同性质的半导体。,1952年, Nobel 物理奖 F. Block and E.M.Purcell 1991年, Nobel 化学奖 R. R. Ernst 磁诱导核自旋能级裂分 E = E2 E1,核磁共振谱(NMR),质谱不属于光谱或波谱范畴, 在结构鉴定或结构分析中, 起着其它谱所其不到的作用.,有机质谱 (Mass Spectra , MS),本课程共分为九章 （54学时）,前 言 2 有机质谱 8 核磁共振氢谱 8 核磁共振碳谱 8 红外与拉曼光谱 6 紫外-可见光谱 3 荧光光谱 3 液相色谱 6 毛细管电泳 6 x-射线衍射 4,基本要求, 了解各谱仪的一般原理及实验方法。 掌握每一谱中各类化合物的谱学信息及影响因素，运用谱学信息，推导并阐明化合物的结构。 在掌握每一谱各类化合物谱学信息的基础上，综合运用谱学信息，解决较复杂的结构问题。,有 机 质 谱,Mass Spectrum, MS Organic Mass Spectra , OMS,质 谱 计,各类有机化合物的质谱,质谱解析及应用,了解质谱计构造 离子化的方法 不同质谱计的特点 掌握及应用质谱基本知识，质谱术语 掌握分子离子峰的识别及分子式的推导 掌握有机化合物的一般裂解规律 运用一般裂解规律，解析未知物的质谱，推导其结构,练振琼: 有机质谱解析 四川大学出版社 1990,丛浦珠:质谱学在天然有机化学中的应用 科学出版社 1987,主要参考书：,发展史：,质谱不属波谱范围,质谱图与电磁波的波长和分子内某种物理量 的改变无关,质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对 强度的谱, 谱图与分子结构有关,质谱法进样量少, 灵敏度高, 分析速度快,质谱是唯一可以给出分子量, 确定分子式的 方法, 而分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。,特点：,计算机数据 处理系统,真空系统,加速区,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,质谱计框图,真空系统: 为避免离子与气体分子的碰撞，离子源和质量分 析器的压力在104 - 105 Pa 和 105 - 106 Pa。,质谱计构造,进样系统,在不破坏真空度的情况下，使样品进入离子源,气体可通过储气器进入离子源,易挥发的液体，在进样系统内汽化后进入离子源,难挥发的液体或固体样品，通过探针直接插入离子源。,离子源,分子失去电子，生成带正电荷的分子离子,分子离子可进一步裂解，生成质量更小的碎片离子,离子源与高真空系统连接小分子，中性碎片，自由基被抽出. 在离子源的出口，对离子施加一个加速电压(1000 - 8000eV), 加速后的通过狭缝，直线射入质量分析器。离子加速电压值因质量分析器不同而不同。离子化的方法下面进一步介绍。,质量分析器,质量分析器是质谱计的核心。,不同类型的质量分析器构成不同类型的质谱计。,不同类型的质谱计其功能，应用范围，原理， 实验方法均有所不同。,下面进一步介绍。,检测记录系统,质量分析器分离并加以聚焦的离子束， 按m/z 的大小依次通过狭缝，到达收集器。 经接收放大后被记录。,离子化的方法,电子轰击电离 Electron Impact Ionization, EI 化学离子化 Chemical Ionization, CI 场电离，场解吸 Field Ionization FD, Field Desorption FD 快原子轰击 Fast Atom Bombardment, FAB 基质辅助激光解析电离 Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI 电喷雾电离 Electrospray Ionization, ESI 大气压化学电离 Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI,电子轰击电离 EI,电子轰击电离又称为电子轰击，或电子电离。是 应用最普遍，发展最成熟的电离方法。,轰击电压 50-70eV, 有机分子的电离电位一般为 7-15eV。可提供丰富的结构信息。,有些化合物的分子离子不出现或很弱,化学电离 CI,小分子如 CH4 , (CH3)2CH 等。 以CH4为例,CH4 + e CH4+ + 2e (46%),CH3+ (39%),CH2+(7%),初级离子: CH4+, CH3+ , CH2+,准分子离子QM +,M + CH5+ MH + + CH4,M + C2H5+ MH + + C2H4,M + C2H5+ MH + +C2H6,场电离 FI,当样品蒸汽接近或接触带高正电位的金属针时， 在强电场的作用下发生电离。要求样品分子处于气 态，灵敏度不高，应用逐渐减少。,场解吸 FD,样品不需汽化, 预先附在处理好的场离子发射 体上, 送入离子源, 然后通以微弱电流, 使样品分 子从发射体上解吸下来, 并扩散至高场强的场发射 区, 进行离子化。,适用于难汽化, 热不稳定的样品. 如: 糖类， 肽类，金属有机化合物，聚合物等。,快原子轰击（FAB）,惰性气体Ar或Xe的原子首先被电离并被加速， 使之具有高的动能，在原子枪(atom gun)内进行电荷交换反应：,Ar+(高动能的)+ Ar(热运动的)Ar(高动能的)+ Ar+(热运动的),高动能的Ar或Xe原子束再轰击样品分子使其离子化,FAB是目前广泛使用的软电离技术，适用于难汽化,极性强的大分子。样品用基质调节后黏附在靶物上。,常用的基质有甘油，硫代甘油，3-硝基苄醇，三乙醇胺等。,注意：FAB质谱图中会出现基质分子产生的相应的峰及基质分子与样品分子的结合峰。,例如：3-硝基苄醇作为基质时，会出现 m/z154(MH), 136（MHH2O）, 289(MMHH2O) 的峰。,MALDI可使热敏感或不挥发的化合物由固相直接得到 离子。,待测物质的溶液与基质的溶液混合后蒸发，使分析物 与基质成为晶体或半晶体，用一定波长的脉冲式激光进行 照射时，基质分子能有效的吸收激光的能量，使基质分子 和样品分子进入气相并得到电离。,MALDI适用于生物大分子，如肽类，核酸类化合物。可得到分子离子峰，无明显碎片峰。此电离方式特别适合于飞行时间质谱计。,基质辅助激光解析电离 (MALDI),脉冲式激光,电喷雾电离（ESI）和 大气压化学电离（APCI）,HPLC,样品溶液,氮气雾化,通过加热 管被汽化,雾化管端 施加高电压,加热管端 尖端放电,溶剂分子电离 样品分子电离,单电荷或多 电荷离子,抽真空,质量分析器,磁分析器, 静电分析器 磁分析器- 单聚焦质谱计,只有一扇形磁场的质量分析器又称为磁分析器。,加速后离子具有一定的动能: （ ）， 该动能是由离子在加速电场获得的电势能（zV）转化的。,加速后的离子进入磁场， 其运动方向( I )和磁力线的方向(B)相互垂直。,离子受到一个与其运动方向和磁力线的方向都垂直的力(F)的作用，三者的关系可用左手定则确定。,离子沿着I和B合力的方向运动，即受到磁场的偏转作弧形运动。,当仪器的狭缝固定(R=常数)，B由小到大改变（扫场）， 则离子按m/z由小到大通过狭缝，到达检测器，被收集并记 录下各质荷比的离子的相对强度。,相同m/z的离子，速度相同，色散角不同，经磁场偏转 后，会重新聚在一点上。即静磁场具有方向聚焦，称之单聚焦。,离子作弧形运动的离心力（ ）和受磁场作用的向心力( Bzv ) 大小相等。,静电分析器 + 磁分析器- 双聚焦质谱计,静电分析器由两个同心圆板组成，两圆板之间保持一定的电位差(E)。,静电分析器加在磁分析器之前。加速后的离子在静电分析器中, 受到外斥内吸的电场力(zE)的作用, 迫使离子作弧形运动。,静电分析器只允许具有特定能量的离子通过,达到能量聚焦,提高仪器分辨率。,结合,， 导出,四极质量分析器 四极质谱计,四极质量分析器因其由四根平行的棒状电极而得名,相对的一对电极是等电位的,两对电极之间的电位是相反的,离子源出来的离子到达四极质量分析器的中心，沿z轴飞行，靠质核比把离子分开，到达检测器。,四极质谱结构简单，价廉，体积小，易操作，无磁滞现象，扫描速度快，适合于GC-MS, LC-MS。分辩率不高。,离子漂移管-飞行时间质谱计 （Time of Fligh MS, TOFMS）,TOFMS的核心部分是一个无场的离子漂移管,加速后的离子具有相同的动能, m/z小的离子，漂移运动的速度快，最先通过漂移管，到达检测器。, m/z大的离子，漂移运动的速度慢，最后通过漂移 管，到达检测器。,检测通过漂移管的时间( t )及其相应的信号强度， 可得到质谱图，t为 或s数量级。,适合于生物大分子，灵敏度高，扫描速度快，结 构简单，分辨率随m/z的增大而降低。,傅立叶变换质谱计,Fourier Transform Mass Spectrometer, FT-MS,傅立叶变换质谱计应该是傅立叶变换离子回旋共振质谱计，是受FT-NMR的启迪。利用不同m/z的离子， 在磁场B的作用下，各自产生不同的回旋频率。若施加一射频场，使其频率等于某一 m/z离子的回旋频率，则离子就会吸收能量而激发。,离子从射频场吸收能量，称之离子的回旋共振。,激发的离子运动速度( v ) 增大，运动轨道半径( r ) 增大，称之离子的回旋运动的激发。,如果磁场强度（B）一定，改变射频场的频率（） 即可激发不同m/z的离子而得到质谱。, FT-MS的核心为分析室，分析室由三对平行的极 板构成。磁力线沿z轴方向，离子的回旋运动垂直于z轴， 在与x轴方向垂直的两极板上施加激发射频，在与y轴方 向垂直的两极板上检测信号。, FT-MS分辨率极高，目前可得到精确度最高的精确 质量。, FT-MS灵密度高，质量范围宽，速度快，性能可靠。,质谱计的主要技术指标,质量范围： 指质谱计所检测的单电荷离子的质核比范围.,分辨率（R）：分辨率是质谱计分开相邻两离子质量的能力。,分辨率（ R ）是两峰间的峰谷为峰高的10%时的测定值，即两峰各以5%的高度重叠。,质谱术语,基峰: RI 100 , RA 100,质荷比: m / z , z = 1, z = 2;,m的计算：组成离子的各元素同位素的质子和中子之和。,精确质量: 精确质量的计算基于天然丰度最大的同位素 的精确原子量，如： 1H 1.007825 、 12C 12.000000、 14N 14.003074 、 16O 15.994915 精确度与质谱计的分辨率有关。,质谱图 横坐标为离子的质核比，纵坐标为离子相对强度或相对丰度。 乙醇的质谱图如下：,分子离子: M+ , M - e M+ ,z=1时， 其m/z等于天然丰度最大的同位素的原子量之和。,碎片离子：广义上指除分子离子以外的所有离子。,重排离子：经过重排，断裂一个以上化学键所生成的离子。,母离子与子离子：任何一个离子进一步裂解为质荷比较小 的离子，前者是后者的母离子或前体离 子，后者是前者的子离子。,质谱中的离子,偶电子离子EE+： 带双电荷的离子，如 B+, D+ , E+,多电荷离子： 如 z =2的离子，存在于稳定的结构中。,准分子离子： MH+, M-H+,同位素离子： 非单一同位素的元素在电离过程中产生同 位素离子，同位素离子构成同位素峰簇。,亚稳离子,离子在离子源的运动时间106s数量级, 寿命105s，足以到达检测器。,寿命106-105 s的离子，从离子源出口到达检测器之 前裂解并被记录的离子称亚稳离子，以m*表示. m*=m22/m1,亚稳离子的峰有不同程度的扩散，达2-3质量单位，这 是因为m1+ 裂解时，部分内能转化为动能。,在质谱解析中，m*可提供前体离子和子离子之间的关系。,分子离子或准分子离子峰,质谱中分子离子峰的识别及分子式的确定是至关重要的.,分子离子峰的识别,假定分子离子峰: 高质荷比区,RI 较大的峰(注意：同位素峰),判断其是否合理: 与相邻碎片离子(m/z较小者)之间关系是否 合理,判断其是否符合N律,不含N或含偶数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为 偶数。含奇数N的有机分子, 其分子离子峰的m/z为奇数。,使用CI电离时，可能出现 M+H, MH, M+C2H5, M+C3H5,使用FAB时，可出现 M+H, MH, M+Na, M+K,较高分子量的化合物，可能同时生成 M+H, M+2H, M+3H等,分子离子峰的相对强度(RI ),不同的电离方式, 其分子离子的RI不等。,不稳定的分子, 大分子, 其分子离子的RI较弱。,稳定的分子, 大共轭分子, 其分子离子的RI较强。, 羰基化合物(醛, 酮, 酸, 酯, 酰氯, 酰胺)分子离子峰不出现或弱, 脂肪族醇类, 胺类, 硝基化合物等 分子离子往往不出现,分子离子峰不出现怎么办?,改用其它离解方式, 如: CI, FAB等,分子式的推导, 利用低分辨质谱数据，推导分子式,同位素峰簇及其相对丰度,对于C, H, N, O组成的化合物， 其通式：CxHyNzOw, 含硫的样品 32S : 33S : 34S = 100 : 0.8 :4.4, 含Si的化合物 28 Si : 29Si : 30Si = 100 : 5.1 : 3.4, 含重同位素（如 Cl, Br）的样品,35Cl : 37Cl = 100 : 32.5 3 : 1; 79Br : 81Br = 100 : 981 : 1,分子中含1 Cl， (a+b)1, M : M+23 : 1,分子中含2 Cl， (a+b)2, M : M+2 : M+49 : 6 :1,分子中含1 Br， (a+b)1, M : M+21 : 1,分子中含2 Br， (a+b)2, M : M+2 : M+41 : 2 :1,分子中含1Cl 和1Br (a+b) (c+d), M : M+2 : M+43 : 4 : 1,利用同位素峰簇的相对丰度推导化合物的分子式,例：化合物的质谱图如下，推导其分子式,设： 分子离子峰：72 7258=14 ？,73 7358 = 15 合理,(1.9/37) 100 = 1.1x+0.37z,z=1, x=5, y=731460= 1 ?,z=1, x=4, y=731448=11 合理,分