波谱分析质谱课件

波谱分析质谱波谱分析质谱波谱分析质谱不饱和度CxHyNzOn=x+1-(y-z)/2奇电子离子：=5-5/2+1/2=4环加双键数为4=7+1-2.5=5.5环加双键数为6偶电子离子：=6+1-2.5=4.5环加双键数为42不饱和度CxHyNzOn

=x+1-(y-z)/2奇电子离子：=5-5/2+1/2=4环加双键数为4=7+1-2.5=5.5环加双键数为6偶电子离子：=6+1-2.5=4.5环加双键数为42利用分子离子区域同位素强度的统计分布确定分子式。

n:离子中某种元素的数目(C，O，N等)；

m:元素的同位素的数目(13C)；

b:同位素(13C，18O)的相对强度值。1个同位素简化：2个同位素3个同位素3由质谱推测分子结构确定分子离子峰。可以使用CI等其它电离技术获得分子量信息；确定或列出其元素组成。用同位素法结合贝农表，猜测元素组成，或用高分辨质谱或同位素丰度分析计算元素组成，从而得到未知物化学式。特征离子；离子系列；失去中性碎片。谱图中的离子丰度。综合由质谱所得到的信息，列出尽可能少的可能结构，再根据裂解规律进行筛选，最后确证4AB1-氯丙烷与苯发生付克反应，有A与B两个同分异构体的产物。它们的质谱图为A与B，请给出A与B的结构。5AB6分别判断质谱图A与B是还是2-戊酮，3-戊酮。并写出主要峰的形成过程。AB7AB82-羟基苯酸脂肪酯，有121，120，93的离子峰；而且当R=CH2CH3，R=CH2CH2CH3和R=CH(CH3)2时，有的离子峰，请给出它们的形成机理。910Homework11电离源的种类以及特点。离子碎裂反应基本类型。烷基失去最多原则；氮数规则；低分辨质谱中同位素求分子量。谱图解析中，以含有明显的特征基团的简单谱图解析为主。如苯环等。重点掌握典型的化合物的碎裂过程。12下列哪种断裂机制是由正电荷引发的（）

A.α-断裂 B.σ-断裂 C.i-断裂 D.麦氏重排简述基质辅助激光解吸电离和电喷雾电离的原理和特点。13试样溶解或悬浮于基质中，激光束辐射到基质和试样分子上。基质吸收激光束能量后汽化，部分试样分子伴随基质的汽化而解吸。基质吸收大部分激光能量，减少了试样分子被激光能量破坏及过度电离成碎片离子。基质辅助激光解吸电离优点：质量范围可达50万。高灵敏度，可测至10-12~10-15摩尔。软电离，没有或很少有碎片离子，可用于分析混合物。缺点：基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。激光解析电离可能导致被分析物分解。14不发生裂解，适合热不稳定的生物大分子。可以用质谱仪的小的质量范围测定大的生物分子，相当于将质谱仪的质量范围放大的n倍。电喷雾电离

电场下的喷雾带电雾滴壳气的作用下溶剂的蒸发电荷的库仑作用带电雾滴的解体15某未知物经测定是只含C、H、O的有机化合物，红外光谱显示在3100～3600cm−1之间无吸收，其质谱如图所示。（1）试推测其结构并说明依据。（2）写出m/z105离子峰的形成过程。（10分）16波谱分析质谱6NuclearMagneticResonanceSpectroscopy(NMR)17基本概念核磁共振（简称为NMR）是指处于外磁场中的物质原子核系统受到相应频率（兆赫数量级的射频）的电磁波作用时，在其磁能级之间发生的共振跃迁现象。检测电磁波被吸收的情况就可以得到核磁共振波谱。因此，就本质而言，核磁共振波谱是物质与电磁波相互作用而产生的，属于吸收光谱（波谱）范畴。根据核磁共振波谱图上共振峰的位置、强度和精细结构可以研究分子结构。18Energy

[eV]10-510-410-310010-2100.11Wavelength

[m]0.110-210-310-810-510-610-4Wavenumber[cm-1]0.111010610310510010410-7X-rayUV-VisElectronicIRVibraionalMicrowaveRotationalRadiowaveNMREAB0转动振动Rotation0Vibration1313电子ElectronEEB13130124012419发展历史1946年美国斯坦福大学的F.Bloch和哈佛大学E.M.Purcell领导的两个研究组首次独立观察到核磁共振信号，由于该重要的科学发现，他们两人共同荣获1952年诺贝尔物理奖。NMR发展最初阶段的应用局限于物理学领域，主要用于测定原子核的磁矩等物理常数。1952年诺贝尔物理学奖：布洛赫(FelixBloch)&珀赛尔(EdwardPurcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现——核磁共振。布洛赫(FelixBloch)珀赛尔(EdwardPurcell)201950年前后W.G.Proctor等发现处在不同化学环境的同种原子核有不同的共振频率，即化学位移。接着又发现因相邻自旋核而引起的多重谱线，即自旋—自旋耦合，这一切开拓了NMR在化学领域中的应用和发展。20世纪60年代，计算机技术的发展使脉冲傅里叶变换核磁共振方法和谱仪得以实现和推广，引起了该领域的革命性进步。随着NMR和计算机的理论与技术不断发展并日趋成熟，NMR无论在广度和深度方面均出现了新的飞跃性进展，具体表现在以下几方面：211.仪器向更高的磁场发展，以获得更高的灵敏度和分辨率，现己有300、400、500、600MHz，甚至1000MHz的超导NMR谱仪；2.利用各种新的脉冲系列，发展了NMR的理论和技术，在应用方面作了重要的开拓；3.提出并实现了二维核磁共振谱以及三维和多维核磁谱、多量子跃迁等NMR测定新技术，在归属复杂分子的谱线方面非常有用。瑞士核磁共振谱学家R.R.Ernst因在这方面所作出的贡献，而获得1991年诺贝尔化学奖，瑞士科学家库尔特·.维特里希也因此获得2002诺贝尔化学奖；221991年诺贝尔化学奖：恩斯特R.R.Ernst（1933－）瑞士物理化学家他的主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括：

一.脉冲傅利叶变换核磁共振谱二.二维核磁共振谱三.核磁共振成像232002诺贝尔化学奖:

瑞士科学家库尔特·.维特里希“forhisdevelopmentofnuclearmagneticresonancespectroscopyfordeterminingthethree-dimensionalstructureofbiologicalmacromoleculesinsolution".他将获得2002年诺贝尔化学奖另一半的奖金。Ifoneknowsallthemeasurementsofahouseonecandrawathree-dimensionalpictureofthathouse.Inthesameway,bymeasuringavastnumberofshortdistancesinaprotein,itispossibletocreateathree-dimensionalpictureofthatprotein.

244.固体高分辨NMR技术、HPLC-NMR联用技术、碳、氢以外核的研究等多种测定技术的实现大大扩展了NMR的应用范围；5.核磁共振成象技术等新的分支学科出现，可无损测定和观察物体以及生物活体内非均匀体系的图象，在许多领域有广泛应用，也成为当今医学诊断的重要手段。美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)因在此方面的杰出贡献而获得2003年诺贝尔医学奖。252003年诺贝尔医学奖:美国科学家保罗·劳特布尔(PaulLauterbur)和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(PeterMansfield)用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象Peter26核磁共振成像技术（NuclearMagneticResonanceImaging，简称NMRI），是获取样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成象，也就是切片扫描方式。核磁共振手段可测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是质子密度分布的图像。现已对生物组织的病变和其含水量分布的关系作过广泛的研究。病变会使组织中的含水量发生变化，所以，通过水含量分布的情况就可以把病变部位找出来。27MRIisusedforimagingofallorgansinthebody.28•化学结构鉴定天然产物化学有机合成化学•动态过程的研究反应动力学研究平衡过程（化学平衡或构象平衡）•三维结构研究蛋白质

DNA

多糖•药物设计

NMR研究构效关系（SAR）•医学核磁共振成像（MRI）NMR的应用领域29NMR基本原理---原子核的基本属性原子核的质量和所带电荷:原子核由质子和中子组成，其中质子数目决定了原子核所带电荷数，质子与中子数之和是原子核的质量。原子核的质量和所带电荷是原子核最基本的属性。原子核一般的表示方法是在元素符号的左上角标出原子核的质量数，左下角标出其所带电荷数（有时也标在元素符号右边，一般较少标出）。如：11H,21D,126C等。由于同位素之间有相同的质子数，而中子数不同，即它们所带电荷数相同而质量数不同，所以原子核的表示方法可简化为只在元素符号左上角标出质量数，如1H、2D（或2H）、12C等。30原子核的自旋和自旋角动量原子核有自旋运动，与宏观物体旋转时产生角动量（或称为动力矩）一样，原子核在自旋时也产生角动量P。而与宏观物体不同，在量子力学中用自旋量子数I描述原子核的自旋状态。角动量P的大小与自旋量子数I有以下关系：（1）31原子核的磁性和磁矩带正电荷的原子核作自旋运动，就好比是一个通电的线圈，可产生磁场。因此自旋核相当于一个小的磁体，其磁性可用核磁矩μ来描述。32μ也是一个矢量，其方向与P的方向重合，大小由下式决定：gn称为g因子或朗德因子，是一个与核种类有关的因数，可由实验测得；e为核所带的电荷数；mp为核的质量；μn=eh/2mp称作核磁子，是一个物理常数，常作为核磁矩的单位。（2）33原子核的旋磁比根据式（1）和（2），原子核磁矩u和自旋角动量P之比为一常数：γ称为磁旋比，与核的质量、所带电荷以及朗德因子有关。γ是原子核的基本属性之一，它在核磁共振研究中特别有用。不同的原子核的γ值不同，例如，1H的γ=26.752*107T-1·s-1（T：特斯拉，磁场强度的单位；s：秒）；13C的γ=6.728*107T-1·s-1。核的旋磁比γ越大，核的磁性越强，在核磁共振中越容易被检测。（1）（2）γ=μ/P=e×gn/2mP(3)34从式（1）和（2）可知自旋量子数I=0的核，自旋角动量P=0，磁矩u=0，是没有自旋，也没有磁矩的核，它们不会产生核磁共振现象。I≠0的核，因为有自旋，有核磁矩，就能产生核磁共振信号。自旋量子数（1）（2）35自旋量子数I的值又与核的质量数和所带电荷数有关，即与核中的质子数和中子数有关。1、原子的质量和原子序数均为偶数的原子核：I=0，无自旋现象。如：126C，168O，3216S等。2、原子质量数为偶数，原子序数为奇数核：I=1、3……等正整数。例如：147N，21H：I=1；105B，I=3。

3、原子质量为奇数，原子序数为奇数或偶数的核，自旋量子数为半整数。例：11H，136C，157N，199F，3115P等核，I=1/2；115B,3517Cl,3717Cl等核，I=3/2；178O等，I=5/2。3611H，

136C，157N，199F，3115P等核，I=1/2是核磁共振研究的主要对象。abca:I=0无自旋，无磁矩。b:I=1/2自旋过程中核外电子云呈均匀的球形分布。核磁共振谱线较窄，适于检测。c:I﹥1/2自旋过程中核外电子云呈非均匀分布。核磁共振信号复杂。37核磁共振信号的强弱与被测磁性核的天然丰度与旋磁比的立方成正比。38磁性核在外磁场（B0）中的行为如果I≠0的磁性核处于外磁场B0中，B0作用于磁核将产生以下现象：原子核的进动当磁核处于一个均匀的外磁场B0中，核因受到B0产生的磁场力作用围绕着外磁场方向作旋转运动，同时仍然保持本身的自旋。这种运动方式称为进动或拉摩进动（Larmorprocess），它与陀螺在地球引力作用下的运动方式相似。B0z自旋质子核磁矩进动轨道39

核磁矩受外磁场扭力的作用下，进行定向排列，共有2I+1个取向。每个取向可由一个磁量子数（m）表示，m=I,I-1,I-2,……-I。磁核在外磁场的作用下原来简并的能级分裂为（2I+1）个能级，其能量为：E=(h/2π)mγB0

。原子核在磁场下的能级B0m=-1/2m=1/2I=1/2B0m=-1m=1m=0I=140自旋量子数为I的磁核在外磁场的作用下原来简并的能级分裂为（2I+1）个能级，其能量为：E=(h/2π)mγB0

。由于核磁能级跃迁的选律为Δm=±1（m是磁量子数），所以相邻能级间的能量差为：ΔE=(h/2π)γB0当E外=ΔE时，核就能吸收电磁波的能量从较低能级跃迁到较高能级，这种跃迁称为核磁共振，被吸收的电磁波频率为：hν=ΔE=h/2πγB0ν=ΔE/h=(1/2π)γB0

若B0=2.3500T时，1H的吸收频率为：ν=26.753×107T-1S-1×2.35T/2π=100MHz13C的吸收频率为：ν=6.728×107T-1S-1×2.35T/2π=25.2MHz通常核磁仪用1H的吸收频率表示。核磁共振产生的条件41弛豫

所有的吸收光谱（波谱）具有共性，即外界电磁波的能量hν等于分子中某种能级的能量差ΔE时，分子吸收电磁波从较低能级跃迁到较高能级，相应频率的电磁波强度减弱。与此同时还存在另一个相反的过程，即在电磁波作用下，处于高能级的粒子回到低能级，发出频率为ν的电磁波，因此电磁波强度增强，这种现象称为受激发射。吸收和发射具有相同的几率。如果高低能级上的粒子数相等，电磁波的吸收和发射正好相互抵销，观察不到净吸收信号.事实上Boltzmann分布表明，在平衡状态下，高低能级上的粒子数分布：

NL/NH=eΔE/KT42由此可见，低能级上的粒子数总是多于高能级上的粒子数，所以在波谱分析中总是能检测到净吸收信号。为了要持续接收到吸收信号，必须保持低能级上粒子数始终多于高能级。这在红外和紫外吸收光谱中并不成问题，因为处于高能级上的粒子可以通过自发辐射回到低能态。自发辐射的几率与能级差ΔE成正比，在紫外和红外吸收光谱中，电子能级和振动能级的能级差很大，自发辐射的过程足以保证低能级上的粒子数始终占优势。在核磁共振波谱中，因外磁场作用造成能级分裂的能量差比电子能级和振动能级差小4-8个数量级，自发辐射几乎为零。因此，若要在一定的时间间隔内持续检测到核磁共振信号，必须有某种过程存在，它能使处于高能级的原子核回到低能级，以保持低能级上的粒子数始终多于高能级。这种从激发状态回复到Boltzmann平衡的过程就是弛豫（relaxation）过程。43弛豫过程对于核磁共振信号的观察非常重要，因为根据Boltzmann分布，在核磁共振条件下，处于低能级的原子核数只占极微的优势。下面以1H核为例作一计算。设外磁场强度B0为1.4092T（相当于60MHz的核磁共振谱仪），温度为27（300K）时，两个能级上的氢核数目之比为：

NL/NH=eΔE/KT=eh/2π*γ*B0/KT=1.0000099即在设定的条件下，每一百万个1H中处于低能级的1H数目仅比高能级多十个左右。如果没有弛豫过程，在电磁波持续作用下1H吸收能量不断由低能级跃迁到高能级，这个微弱的多数很快会消失，最后导致观察不到NMR信号，这种现象称为饱和。在核磁共振中若无有效的弛豫过程，饱和现象是很容易发生的。弛豫过程一般分为两类：自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。44自旋-晶格弛豫（spinlatticerelaxation）自旋核与周围分子（固体的晶格，液体则是周围的同类分子或溶剂分子）交换能量的过程称为自旋-晶格弛豫，又称为纵向弛豫。核周围的分子相当于许多小磁体，这些小磁体快速运动产生瞬息万变的小磁场———波动磁场。这是许多不同频率的交替磁场之和。若其中