化学品的分离鉴定与仪器分析：第三章 现代仪器分析的基本原理

1、第三章 现代仪器分析的基本原理知识要点： 紫外可见光谱常用术语、分子结构与紫外 可见光谱的关系2.红外谱图的特征区和指纹区、常见特征峰的 归属 3.质谱中有机化合物的裂解过程 4.核磁共振的化学位移、自旋偶合和裂分5.各种谱图的解析2022/9/23一、电磁辐射的基本性质3.1 吸收光谱电磁辐射（电磁波，光） ，具有波粒二象性。2022/9/23750nm1000m原子分子2022/9/23二、分子的能级和吸收光谱1. 分子的能级 分子内部主要的运动包括：电子运动：电子绕原子核作相对运动；原子振动：分子中原子在其平衡位置上作相对振动；分子转动：整个分子绕其重心作旋转运动。 2022/9/23

2、分子中的这三种运动状态都对应有一定的能级。即在分子中存在着电子能级、原子振动能级和分子转动能级。 其中电子能级的每个能级间的能量差最大，振动能级次之，转动能级的间距最小。即： E电子 E原子振动E分子转动 E电子， E振动以及E转动表示各能级差。2022/9/23如图是双原子分子的三种能级跃迁：基态激发态E高2022/9/23跃迁所需能量对应电磁波波长光谱电子 20200Kcal/mol 800200nm紫外可见区原子振动 5Kcal/mol 115m近红外和中红外区分子转动0.10.01Kcal/mol 1010000m远红外区2022/9/232. 吸收光谱吸收光谱的产生： 当用光照射分子

3、时，分子就要选择性吸收某些波长（频率）的光，由较低的能级E跃迁到较高能级E。当所吸收的光能量等于两能级的能量之差时，产生吸收光谱。 E= EE分子对不同波长(能量)光选择性吸收 吸收光谱不同分子吸收光谱：红外光谱、紫外-可见光谱等。2022/9/23 电子能级间跃迁的同时，总伴随有振动和转动能级间的跃迁。含有若干间隔很小的振动和转动谱线，而呈现宽谱带。为何谱图呈现宽谱带？苯的紫外吸收光谱（乙醇中）2022/9/23三、有机化合物的紫外可见吸收光谱(UVVIS)1紫外可见光谱的产生 物质分子吸收一定波长的紫外光或可见光时，电子发生跃迁所产生的吸收光谱称为紫外可见光谱。 一般紫外可见光谱仪是研究2

4、00750nm的紫外可光见辐射。2022/9/232. 紫外可见光谱的分类与紫外可见光谱有关的电子有三种：形成单键的电子； 形成双键的电子；未成键的n电子（孤对电子）。*n*n* * *2022/9/23(1) - * 跃迁 -*的能量差大所需能量高吸收峰 脂环 硫醚、硫酮 共轭烯 直链烷烃 酰胺 酮 醛 胺 脂 醚 支链烃 腈 伯醇 仲醇 叔醇 缩醛2022/9/23碎片离子峰:分子离子裂解，合理的产生各种“碎片”离子所产生的峰。正癸烷2022/9/23三、分析样品的裂解过程用“ ” 或“ ”表示正电荷。.分子离子 M M+ + e.失去一个e 电子将从分子中最容易离子化的部位失去，优先从具

5、有孤对电子的O、N、S或卤素等失去，或从一个不饱和键上失去，最后从 键失去电子。2022/9/23.2022/9/23四、有机化合物简单断裂过程的质谱特征1.-断裂直链烷烃，首先分子离子从一端开裂失去烷基，然后连续失去CH2。饱和烷烃(键发生断裂)2022/9/23+ 正己烷2022/9/231.-断裂支链烷烃，首先分子离子从支链断裂。2022/9/23酯、醛、酮、酸2. -断裂在羰基碳原子和碳原子（杂原子）之间断裂。2022/9/232022/9/23醇、醚、胺、卤化物、3.-断裂与杂原子如氧，氮等相邻的碳和碳原子之间键断裂。含杂原子的化合物容易发生。 不饱和烃、 芳基化合物2022/9/2

6、3455773292022/9/23五、伴有重排反应的断裂过程1. Mclafferty重排重排条件：含有C=O，C=N，C=S 及 C=C双键；与之相连的碳有H原子。重排历程：氢转移到杂原子上，同时在、原子间发生断裂，生成一个中性分子和一个自由基阳离子.2022/9/23Mclafferty重排2022/9/23Mclafferty重排举例m/e=42m/e=94m/e=922022/9/23碎片离子常进一步断裂2022/9/232. 逆Diels-Alder断裂具有环己烯结构类型的化合物可发生此类裂解，一般形成一个共轭二烯自由基正离子和一个烯烃中性分子：2022/9/23柠檬烯质谱图m/z

7、=682022/9/233. 脱水断裂重排常发生于脂肪醇化合物，生成一个自由基阳离子和一个水分子。2022/9/232022/9/234. 环状体系的开裂某些环状体系由两个键开裂生成一个中性分子和一个Me为偶数的自由基正离子。+m/e56.2022/9/232022/9/23六、同位素对化合物质谱的影响M+1、M+2峰？同位素峰12C71H8（M92）13C71H8（M93）13C72H8（M94）2022/9/23同位素峰C 98.89% (12C) 1.11% (13C) H 99.99% (1H) 0.01% (2H)O 99.76% (16O) 0.04% (17O) 0.20% (1

8、8O)N 99.64% (14N) 0.36% (15N)Cl 75.53% (35Cl) 24.47 %(37Cl)Br 50.52 %(79Br) 49.48% (81Br)S 95.0 % (32S) 4.22 %(34S)有机化合物中常见同位素的天然丰度2022/9/23同位素天然丰度 M,M+1,M+2 峰相对强度 设某一元素有两种同位素，则M,M+1,M+2 各峰的相对强度可用二项式 (a+b)n 展开的各项进行计算：式中 a：为轻同位素的相对丰度； b：为重同位素的相对丰度； n：为化合物中该同位素的原子个数。 2022/9/23例如：计算CH3CH3的M、M1、M2峰的相对强度

9、。（只考虑碳原子丰度）。(a+b)n a2 + 2ab + b2 M M1 M212CH312CH312CH313CH313CH313CH3相对强度98.892 ：298.891.11 ：1.11297.8 ：2.2 ：0.012022/9/23例如：计算CH3CH2Br的M、M2峰的相对强度。（只考虑溴原子丰度）。(a+b)1 a + b M M2相对强度50.52 ：49.48CH3CH279BrCH3CH281Br2022/9/23根据同位素峰（M+1) 相对丰度/M相对丰度的数值，结合元素分析推测化合物的分子式。同位素峰的用处：根据同位素峰（M+2)/M的相对丰度，判断分子中是否含Cl

10、、Br、S元素。2022/9/23(a) 2-氯丙烷M 78M+2 80(M+2)/M 1:3(b) 2-溴丁烷M 136M+2 138(M+2)/M 1:12022/9/23例如：根据丁酸乙酯的质谱图，写出质荷比m/e分别43、71、88的碎片离子峰的裂解过程。七、质谱图的解析2022/9/23习题：根据甲基异丁基酮的质谱图，写出质荷比m/e分别 为43、58、85的碎片离子峰的裂解过程。2022/9/233.4 现代分析仪器装置一、紫外与可见光谱分析仪器 基本装置（由五个单元组成）光源单色器吸收池检测器显示紫外可见分光光度计结构方框图2022/9/23光源氘灯紫外光源 185400nm碘钨

11、灯可见光源 3401200nm用于提供足够强度和稳定的连续光谱。单色器 将光源发射的复合光分解成单色光, 从中选出任一波长单色光的光学系统。2022/9/23其核心部分是色散元件，起分光的作用。 能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。 单色器 入射狭缝 准直 透镜棱镜聚焦透镜出射狭缝白光红紫12800 600 500400棱镜单色器示意图2022/9/23吸收池（比色皿） 放置样品。吸收池主要有石英池和玻璃池两种。在紫外区须采用石英池，可见区一般用玻璃池。 检测器 用于检测光信号，利用光电效应将透过吸收池的光信号变成可测的电信号。常用的有光电池、光电管等。显示系统 数字显示、微机进行结果处理

12、。2022/9/23试样制备 二、红外吸收光谱的仪器气体试样 采用气体测量池固体样品 研糊法（液体石腊法）；KBr压片法；薄膜法液体样品 KBr片涂膜后进行测定Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR 仪器种类 色散型红外分光光度计和 傅里叶变换红外分光光度计2022/9/23质谱分析仪示意图三、质谱分析仪器2022/9/23 3.5 核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR） 核磁共振波谱是物质选择性吸收适当频率的电磁波，引起自旋的原子核在外磁场作用下发生磁能级的跃迁，从而产生信号。1 H NMR（重点介绍） 13 C

13、 NMR 15 N NMR 19 F NMR31 P NMR一、基础知识2022/9/23原子核的自旋情况可以用自旋量子数（I）表征： 质量数 原子序数 自旋量子数I 原子核偶数 偶数 0 12 C6, 16 O8, 32 S16偶数 奇数 1，2，3. 2 H1, 14 N7奇数 奇或偶 1/2；3/2；5/2. 1 H1, 13 C6, 19 F9, 31 P15, 17 O8, 33 S16为什么1H1，13C6，19F9，31P15是主要研究对象？2022/9/23讨论:1 I=0 的原子核 12 C6, 16 O8等 ，无自旋，没有磁矩(磁矩衡量磁场强弱)，不产生共振吸收。2 I 0

14、 且I 1/2 的原子核 I=1 ：2H1，14N7 I=5/2：17O8 ，33S16 这类原子核有自旋,有磁矩,但电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少。3I1/2的原子核 1H1，13C6，19F9，31P15 这类原子核有自旋,有磁矩, 谱线较窄，是核磁共振研究的主要对象。2022/9/23二、核磁共振的机制 自旋原子核置于外加磁场中，核有不同的自旋方向（2I+1个）。 1H核 I=1/2，在外加磁场B0中，有两个自旋方向m = +1/2 和 m = -1/2。2022/9/23无磁场B0外加磁场m= +1/2m= -1/2由低能级向高能级跃迁，所需能量为 这两种取向的能量是不同的

15、，用两个能级来表示。 自旋原子核在外界磁场作用下，简并磁能级会分裂。2022/9/23产生核磁共振光谱的条件因为(1) 核有自旋(磁性原子核)；(2)外磁场（磁能级裂分）;(3) 1H受到一定频率（v）的电磁辐射，且与外加磁场的比值 / B0 = / 2 。2022/9/23共振条件： = B0 / 2 方式: 固定 ，改变B0（扫场）扫场方式应用较多。 通过连续改变外加磁场的强度，即由低场至高 场扫描(图） ，而使分子中所有H核都能发生共 振吸收。1H： 共振频率 60 MHz、100 MHz等 讨论：2022/9/23连续波波谱仪有：60兆，100兆，250兆， 300兆赫兹 三、核磁共振

16、仪频率越高，灵敏度越高，分辨率越高。2022/9/231. 仪器主要部件永久磁铁 提供外磁场，要求稳定性好均匀。 射频振荡器 线圈垂直于外磁场，能发射一定 频率的电磁辐射信号（60MHz或 100MHz ）。射频信号接受器（检测器) 原子核发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫 伏级信号。样品管 外径5mm的玻璃管，测量过程中旋转，使磁场作用均匀。 试样用氘代试剂溶解后，进行测定。2022/9/23用于结构分析的主要参数有：化学位移信号强度(峰面积)自旋偶合常数等等2022/9/23四、化学位移化学位移的起源： 核磁共振满足条件 0 = B0 / 2 （理想化、裸露核） 同一种核 ，是否所

17、有核都在同一个B0发生共振呢？非！ 核的共振磁场强度与它的化学环境有关，所受到的屏蔽作用不同。2022/9/23 实际上，氢核受周围不断运动的电子影响。在外磁场中,运动着的电子产生与外磁场方向相反的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小。 B有效=B0 - B0= B0(1- ） ：屏蔽常数 B0 :感应磁场强度2022/9/23 0 = / (2 ) （1- ）B0 由于屏蔽作用的存在，氢核产生共振需要更大的外磁场强度（相对于裸露的氢核），才可产生共振信号。 在有机化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振B0有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化

18、学位移。1.化学位移2022/9/23乙醇出现三种吸收信号2022/9/23由于化学环境不同引起各种氢核化学位移差值很小，只有百万分之几左右，要精确测量其绝对值较困难，故采用相对化学位移来表示。实际用一种参考物质作标准。 相对化学位移 :以ppm为单位，数值与仪器无关。2022/9/23化学位移的标准：四甲基硅烷 (CH3)4Si ,TMS（内标） TMS=0CH3OCH3TMS化学位移TMS=02022/9/232化学位移的表示方法大多数质子峰 在112之间。2022/9/233常见结构单元1H NMR化学位移范围 6.68.02022/9/234. 峰面积与氢原子数目各峰面积 (积分高度)

19、之比各峰的H数目之比C6H5：CH2：CH3 = 5：2：3乙苯的1H NMR谱注意仅能确定各类质子之间的相对比例。2022/9/235.共振吸收峰（信号）的数目 一个化合物究竟有几组吸收峰，取决于分子中H核的化学环境。 有几种不同类型的H核，就有几组吸收峰。 2022/9/23五、影响1H化学位移的因素(自学)基本概念：屏蔽效应和去屏蔽效应 在外加磁场作用下，由于H核外电子在垂直于外加磁场的平面绕核旋转，从而产生与外加磁场方向相反或相同的感应磁场，使原子核的实受磁场降低或升高。 2022/9/23 核外电子产生的感应磁场使外磁场对H核作用削弱的作用，称为屏蔽效应；附加磁场使外磁场增强的情况称

20、为去屏蔽效应。 核外电子云密度越大，屏蔽效应越强，要发共振吸收就势必增加外加磁场强度，共振信号将移向高场区；反之，共振信号将移向低场区。2022/9/23式中：vx为试样的共振频率; vs为标准物质TMS的共振频率; v0为仪器所采用的照射频率.零点123456789TMS低场高场2022/9/231. 诱导效应电负性的影响与质子相连元素的电负性，吸电子作用越强，使H核的核外电子云密度，屏蔽效应，产生共振所需磁场强度小（低场），化学位移值 。-O-H， -C-H， 较大 较小较低场 较高场-CH3 ，高场， =1.62.0；-CH2I，低场, =3.0 3.5。2022/9/23元素的电负性2

21、022/9/232. 共轭效应：使电子云密度平均化，可使吸收峰向高场或低场移动；与 C2H4 比：a)图：氧孤对电子与C2H4双键 形成 p- 共轭，由于OCH3供电子基团，CH2上质子电子云密度增加，移向高场。b)图：羰基双键与 C2H4 形成 -共轭，由于OC吸电子基团，CH2上质子电子云密度降低，移向低场。2022/9/233. 化学键的磁各向异性的影响在外磁场的作用下，分子中处于某一化学键（单键 , 双键, 三键和大 键）的不同空间位置的氢核，受到不同的屏蔽作用，在某些位置上氢核受到屏蔽效应，而在另一些位置上的氢核受到去屏蔽效应，这种的现象称为化学键的磁各向异性效应。2022/9/23

22、（1）叁键碳碳三键是直线构型，电子云呈筒型分布，形成环电流，它所产生的感应磁场与外加磁场方向相反，故三键上的H质子处于屏蔽区，使三键上H质子的共振信号移向较高的磁场区，其= 23。 2022/9/23（2）双键烯烃双键碳上的质子位于键环流电子产生的感生磁场与外加磁场方向一致的区域（称为去屏蔽区），使烯烃双键碳上的质子的共振信号向稍低的磁场区，其 = 4.55.7。 2022/9/23（2）双键 同理，羰基碳上的H质子也是处于去屏蔽区，又因氧原子电负性的影响较大，所以，羰基碳上的H质子的共振信号出现在更低的磁场区，其=9.410。 2022/9/23（3）芳环体系芳环平面上下区域为屏蔽区“+”,

23、而芳环平面各侧区域为去屏蔽区 “”。例如，苯环的氢核处于去屏蔽区，共振信号向低场区移动，其化学位移值为7.25。+2022/9/23（4）单键电子产生的各向异性较小键的各向异性化合物 化学位移化合物 化学位移CH3R0.850.95R CHRR1.401.65R CH2R1.201.48随着甲基中氢被烷基取代，去屏蔽效应增大。2022/9/23氢键质子由于在该电子云的去屏蔽区，在较低场发生共振，故OH或NH中质子化学位移值变大。分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及浓度有关; 分子内形成氢键则与溶剂浓度无关，只与分子本身结构有关。分子间氢键的化学位移范围宽。如在极稀的甲醇中，形成氢键倾向小，故

24、OH中质子的化学位移0.51.0；而在浓溶液中形成氢键倾向大,化学位移值大,4.05.0。4. 氢键和溶剂的影响 重水可以确认活泼氢OH峰消失2022/9/23同一试样在不同溶剂中由于受到不同溶剂分子的作用，化学位移发生变化，称为溶剂效应。在核磁共振波谱分析中,一定要注明是在什么溶剂下的 。一般在惰性溶剂的稀溶液中，化学位移变化不大 . CCl4、CDCl3 溶液浓度0.050.5molL-12022/9/23 小结： 去屏蔽效应，至低场屏蔽效应，至高场2022/9/23六、自旋偶合与裂分1峰的裂分 吸收峰分裂成多重峰的现象称为峰的裂分。原因：相邻两个氢核之间的自旋偶合。每类氢核不总表现为单峰

25、，有时出现多重峰。为什么？ 2022/9/232.自旋偶合(1)定义自旋偶合裂分:由相邻近磁不等性H核自旋的相互作用。 自旋偶合不影响化学位移，但会使吸收峰发生裂分，使谱线增多。2022/9/23 （2）自旋偶合的规律当相隔单键数3时，可以发生自旋偶合，相隔三个以上单键，即不发生偶合。 Ha-Hb、Hb-Hc之间有自旋偶合（峰裂分）Ha-Hc之间自旋偶合可忽略同碳上的自旋偶合最大2022/9/23（1）化学环境完全相同的原子，虽然它们有很强的偶 合作用，但无裂分现象。 例：-CH3不发生裂分 核的等价性（教材P82）（2） 磁不等价核之间才能发生自旋偶合裂分。 如下情况是磁不等价 氢核： A：

26、化学环境不相同的氢核；B：不对称取代的烯烃、芳烃，会产生磁不等价 氢核。2022/9/23如下情况是磁不等价 氢核： C：与不对称碳原子相连的-CH2上的氢核；D：单键带有双键性质时，连于同一原子上的两个相同原子或基团化学不等价。2022/9/23如下情况是磁不等价 氢核：E：固定在环上的-CH2中的氢核；2022/9/23（3）自旋旋偶合的机制（1）分析Hb：Ha在外磁场中自旋，产生两种方向的感应磁场H。Ha的两个自旋方向Hb分裂为双重峰H为Hb实受的磁场强度 2022/9/23 H为Ha实受的磁场强度（2）分析Ha：当两个Hb的自旋磁场作用于Ha时，其偶合情况为：两个Hb的自旋方向Ha分裂

27、为三重峰2022/9/233裂分峰数的计算和峰强度氢核邻近只有一组偶合程度相同的H 核时，则该氢核自旋裂分峰数目用n + 1规则来计算： n + 1裂分峰数 n相邻碳原子上连接氢原子的个数（1）裂分峰数的计算例如：CH3CH2OH 三 四 单峰2022/9/23二组峰Ha：9110重峰(多重峰) Hb：112重峰二组峰Ha：213重峰 Hb：415重峰(多重峰) 2022/9/23（1）裂分峰数的计算b.氢核与两组不等价氢核相邻时，裂分峰数符合(n+1)(n+1) 规律，n，n分别代表相邻两组不等价氢核的质子个数。例如： a b c CH2ClCH2CHBr2 三组峰 三 六 三重峰Hb：(2

28、1)(1+1)6 重峰2022/9/23注意：（1）n+1规律和(n+1)(n+1) 规律是一种近似的规律。（2）如果活泼H（ ），在一般情况下， H只有单峰。如 CH3OH中OH的H是单峰。（3）苯环上氢的核磁裂分情况比较复杂。（4）一组多重峰的中点，就是该质子的化学位移值。3裂分峰数的计算和峰强度2022/9/23裂分峰的峰强度之比等于二项式（a+b）n展开式各项系数之比，n为相邻氢核数。n=1 （a+b）1 11n=2 （a+b）2 12 1n=3 （a+b）3 133 1 五重峰(1:4:6:4:1) （2）裂分峰的峰强度2022/9/234. 偶合常数 每组吸收峰内各峰之间的距离，称

29、为偶合常数。以Jab表示，下标ab表示相互偶合的磁不等性H核的种类，如 JHH。单位为赫兹（Hz）。 偶合常数的大小代表了偶合程度的大小，偶合常数大，表示偶合强。 偶合常数的大小与外加磁场强度无关，只与分子的结构有关。2022/9/236. 谱图解析的步骤（3）根据峰的裂分数，确定相邻碳原子上的氢原子数 目，决定相邻的基团。（1）根据峰的强度(面积)，确定每组峰的氢原子数目；（2）根据峰的化学位移( )，确定基团的类型；（4）合理组合成最可能的结构式。2022/9/23本 章 结 束2022/9/23A（ 6.57.5, 四重峰，4H）B（ 5.56.5, 多重峰，2H）C（ 3.75, 单峰

30、，3H）D（ 1.83, 双峰，3H）例题：根据核磁数据推测C10H12O的分子结构式。积分面积之比为A:B:C:D=4：2：3：32022/9/23解：A:B:C:D=4：2：3：3（H数之比） A（ 6.57.5, 四重峰，4H），B（ 5.56.5, 多重峰，2H），C（ 3.75, 单峰，3H），D（ 1.83, 双峰，3H），结构式为：（1）看积分线有四组峰（2）看峰的化学位移和裂分数为苯环二取代。为CH=CH。为CH3 O。为CH3 且另一端连有CH 。2022/9/23习题：5. （1）CH3OCH2CH3有几组NMR信号？其面积比是多 少？其中亚甲基质子峰是几重峰？ （2）CH3CH2OH有几组NMR信号？其面积比是多 少？其中甲基质子峰是几重峰？1.排列下列化合物在紫外光区吸收带波长的顺序 (2分) 乙烯、1,3,5己三烯、1,3丁二 烯。 4. 在质谱分析中，较常遇到的离子断裂方式有哪三种?(2分) 2紫外可见吸收光谱定性和定量分析的依据是什么？(2分)3.简述特征区和指纹区的特点