仪器分析 课件 第16-18章 激光拉曼光谱分析法、核磁共振波谱分析、质谱分析

2025/11/13第十六章

激光拉曼光谱分析法16.1.1

概述16.1.2

Rayleigh散射和Raman散射16.1.3

Raman光谱16.1.4拉曼光谱选律第一节激光拉曼光谱分析原理LaserRamanspectroscopyPrincipleofRamanspectroscopy2025/11/1316.1.1

概述Rayleigh散射：

弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：

非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；Rayleigh散射Raman散射E0基态，E1振动激发态；E0+h

0，

E1+h

0激发虚态。（1928年印度物理学家Raman发现，获1930年诺贝尔奖，1960年快速发展）。

h

E0E1V=1V=0h

0h

0h

0h

0

+

E1+h

0E0+h

0h(

0

-

)激发虚态2025/11/1316.1.2Raman散射与Raman位移1.Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：

E=h(

0-

)产生stokes线;强；基态分子多。

E=h(

0+

)产生反stokes线；弱。Raman位移：Raman散射光与入射光频率差。ANTI-STOKES

0-

RayleighSTOKES

0+

0h(

0

+

)E0E1V=1V=0E1+h

0E2+h

0

h

h

0h(

0

-

)2025/11/132.Raman位移

(1)对不同物质：

不同。

(2)对同一物质：

与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；分子振-转光谱；与红外光谱互补。

(3)Raman散射的产生：光电场E中，分子产生诱导偶极矩

，即

=E

分子极化率，分子电子云分布改变的难易程度。2025/11/133.红外活性和拉曼活性振动①红外活性振动

ⅰ.永久偶极矩；极性基团。ⅱ.瞬间偶极矩；非对称分子。

红外活性振动—伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带。②拉曼活性振动

诱导偶极矩

=

E非极性基团，对称分子。

拉曼活性振动—伴随有极化率变化的振动。对称分子：对称振动→拉曼活性。不对称振动→红外活性Eeer2025/11/1316.1.3

Raman光谱CCl4的Ramam光谱图

2025/11/131.Raman光谱特点(1)拉曼光谱记录的是stoke线。(2)测量相对单色激发光频率的位移。

把入射光频率位置作为零，频率位移(拉曼位移)的数值正好对应于分子振动或转动能级跃迁的频率。(3)激发光是可见光，在可见光区测分子振动光谱。(4)拉曼光谱中的基团振动频率和红外光谱相同。

酮羰基的伸缩振动在红外光谱中位于1710cm-1附近，而拉曼光谱中总在1710土3cm-1。

2025/11/132.红外与拉曼谱图对比红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定。2025/11/13红外与拉曼谱图对比2025/11/1316.1.4拉曼光谱选律

对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。

1

2

3

4拉曼活性红外活性红外活性拉曼光谱—源于极化率变化红外光谱—源于偶极矩变化2025/11/13内容选择结束16.1拉曼光谱产生的基本原理

16.2拉曼光谱仪

16.3拉曼光谱的应用2025/11/13第十六章

激光拉曼光谱分析法16.2.1仪器与结构流程16.2.2主要部件16.2.3傅里叶变换-拉曼光谱仪第二节

激光拉曼光谱仪LaserRamanspectroscopyLaserRamanspectrometers2025/11/1316.2.1仪器与结构流程激光光源；样品池；单色器；检测器。2025/11/1316.2.2主要部件激光光源：He-Ne激光器，波长632.8nm。

Ar激光器，

波长514.5nm，488.0nm；散射强度1/

4。单色器：

光栅，多单色器。检测器：

光电倍增管，光子计数器。2025/11/1316.2.3

傅里叶变换-拉曼光谱仪光源：Nd-YAG钇铝石榴石激光器（1.064

m）。检测器：高灵敏度的铟镓砷探头。2025/11/13傅立叶变换-拉曼光谱仪特点特点：（1）避免了荧光干扰；（2）精度高；（3）消除了瑞利谱线；（4）测量速度快。2025/11/13内容选择结束16.1拉曼光谱产生的基本原理16.2拉曼光谱仪

16.3拉曼光谱的应用2025/11/13第十六章

激光拉曼光谱分析法16.3.1拉曼与红外光谱比较16.3.2拉曼光谱图特征16.3.3共振拉曼效应第三节激光拉曼光谱分析法的应用LaserRamanspectroscopyApplicationsoflaserRamanspectroscopy2025/11/1316.3.1拉曼光谱与红外光谱分析方法比较2025/11/13拉曼光谱与红外光谱分析方法比较(1)一般说来极性基团的振动和分子非对称振动使分子的偶极矩变化，所以是红外活性的。(2)非极性基团的振动和分子的全对称振动使分子极化率变化，所以是拉曼活性的。(3)拉曼光谱最适用于研究同种原子的非极性健如S－S，

N＝N，C＝C，C≡C等的振动。2025/11/13(4)红外光谱适用于研究不同种原子的极性键如C＝O，C—H，N—H，O－H等的振动。(5)二种光谱方法互相补充，对分子结构的鉴定红外和拉曼是两种相互补充而不能代替的光谱方法。

2025/11/1316.3.2拉曼光谱的谱图特征由拉曼光谱可以获得有机化合物的各种结构信息：2）红外光谱中，由CN，C=S，S-H伸缩振动的谱带较弱或强度可变，而拉曼光谱中则是强谱带。3）强极性基团在拉曼中是弱谱带如极性基因C＝O在红外中是强谱带，而在Raman中是弱谱带。

1）同种原子非极性键S-S，C=C，N=N，CC,强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。2025/11/134）环状化合物的对称呼吸振动常常是最强的拉曼谱带。形成环状骨架的键同时振动。5）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O这类键的对称伸缩振动是强谱带，反之，非对称伸缩振动是弱谱带。红外光谱与此相反。6）C-C伸缩振动在拉曼光谱中强谱带，在红外中弱。2025/11/137）醇和烷烃的拉曼光谱是相似的

I.C-O键与C-C键的力常数或键的强度没有很大差别。

II.

羟基和甲基的质量仅相差2单位。III.与C-H和N-H谱带比较，O-H的拉曼谱带较弱。2025/11/13红外与拉曼谱图对比红外光谱：基团；拉曼光谱：分子骨架测定。2025/11/13红外与拉曼谱图对比2025/11/13拉曼光谱图2025/11/13拉曼光谱图2025/11/132941，2927cm-1

cm-1

ASCH22854cm-1

SCH21029cm-1

（C-C）803cm-1环呼吸

1444，1267cm-1

CH22025/11/13拉曼光谱图2025/11/133060cm-1

r-H)1600,1587cm-1

c=c)苯环1000cm-1环呼吸787cm-1环变形1039,1022cm-1单取代拉曼光谱图2025/11/1316.3.3共振拉曼效应

当激发光的频率接近或等于样品的电子吸收谱带的频率时，发生共振拉曼效应。当激发光的频率接近电子吸收谱带的频率时称为准共振拉曼效应。当激发光的频率等于电子吸收谱带的频率时称为严格的共振拉曼效应。2025/11/131.多谱线输出的激光器（或可调谐的激光器）2.样品的浓度必须很低

避免产生热分解作用，通常在10-8

mol·L-1左右。

共振拉曼散射的强度较普通拉曼谱带的强度增加104一106倍，需要的样品浓度很低，故在研究具有发色基团的样品和低浓度的生物样品有很大应用。

测量共振拉曼效应时的注意点：2025/11/13内容选择结束16.1拉曼光谱产生的基本原理

16.2拉曼光谱仪16.3拉曼光谱的应用

第十七章*第十七章

核磁共振波谱分析法17.1.1概述17.1.2原子核的自旋17.1.3核磁共振现象17.1.4核磁共振条件第一节

核磁共振原理Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRPrinciplesofnuclearmagneticresonance

*17.1.1概述（1）红外光谱可获得化合物分子中的基团信息，缺乏分子骨架结构信息。（2）核磁共振波谱也是一种光谱（能量低，无线电波），主要研究的对象是：1H；13C。提供质子、碳骨架结构信息。（3）原子核等位于强磁场中时，自旋能级裂分，无线电波照射时，产生核磁共振现象。*概述（4）布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收，珀塞尔第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收。两人获得了1952年的诺贝尔奖。

（5）1950年，奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的峰，分别对应于CH3、CH2和OH基团中的质子。

利用核磁共振来获得有机物的结构信息在对天然产物结构的阐明中起着极为重要的作用。*17.1.2原子核的自旋

若存在自旋，产生核磁矩：自旋角动量：核磁子

=eh/2Mc；自旋量子数（I）不为零的核都具有磁矩。核磁矩：*讨论:(1)

I=0的原子核：16

O；12C；22S等，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收(2)I=1或I>0的原子核：

I=1：2H，14N

I=3/2：11B，35Cl，79Br，81Br

I=5/2：17O，127I

这类原子核的核电荷分布可看作一个椭圆体，电荷分布不均匀，共振吸收复杂，研究应用较少。(3)Ｉ＝1/2的原子核：

1H，13C，19F，31P

原子核可看作核电荷均匀分布的球体，并像陀螺一样自旋，有磁矩产生，是核磁共振研究的主要对象，C，H也是有机化合物的主要组成元素。*B0m=1/2m=-1/2m=1m=-1m=0m=2m=1m=0m=-1m=-2I=1/2I=1I=2zzz1Prm=-1/2

m=1/2B0HE2=+mB0E=E2－E1=2mB0E1=－mB0*17.1.3核磁共振现象

自旋量子数I=1/2的原子核（氢核），可当作电荷均匀分布的球体，绕自旋轴转动时，产生磁场，类似一个小磁铁。

当置于外磁场B0中时，相对于外磁场，有(2I+1)种取向：氢核(I=1/2)，两种取向(两个能级)：(1)与外磁场平行，能量低，磁量子数m＝＋1/2；(2)与外磁场相反，能量高，磁量子数m

＝－1/2。*(核磁共振现象)

两种取向不完全与外磁场平行，

＝54°24’和125°36’

相互作用，产生进动(拉莫进动)进动频率

0；角速度

0。

0=2

0=

B0

磁旋比；B0外磁场强度。两种进动取向不同的氢核之间的能级差：

E=

2B0（

磁矩）*17.1.4核磁共振条件

在外磁场中，原子核能级产生裂分，由低能级向高能级跃迁，需要吸收能量。能级量子化。射频振荡线圈产生电磁波。对于氢核，能级差：

E=

2B0（

磁矩）产生共振需吸收的能量：E=

2B0=h

0由拉莫进动方程：

0=2

0=

B0;

共振条件：

0=

B0/(2)*共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场，能级裂分(3)照射频率与外磁场的比值

0/B0=

/(2)*能级分布与弛豫过程不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算：磁场强度2.3488T；25C；1H的共振频率与分配比：两能级上核数目差：1.610-5；弛豫(relaxtion)—高能态的核以非辐射的方式回到低能态。饱和(saturated)—低能态的核数目等于高能态的核数目。*讨论:

0=

B0/(2)（1）对于同一种核，磁旋比

为定值，B0变，射频频率

变。（2）不同原子核，磁旋比

不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度B0和射频频率

不同。（3）固定B0，改变

（扫频），不同原子核在不同频率处发生共振（图）。也可固定

，改变B0（扫场）。扫场方式应用较多。氢核（1H）：1.409T共振频率60MHz2.305T共振频率100MHz磁场强度B0的单位：1高斯（Gs）=10-4T（特斯拉）*讨论:在1950年，Proctor等人研究发现：质子的共振频率与其结构（化学环境）有关。在高分辨率下，吸收峰产生化学位移和裂分。由有机化合物的核磁共振图，可获得质子所处化学环境的信息，进一步确定化合物结构。*

内容选择：17.1核磁共振原理

17.2核磁共振波谱仪

17.3

1H核磁共振波谱

17.413C核磁共振波谱

17.5二维核磁共振波谱结束*第十七章

核磁共振波谱分析法17.2.1仪器发展历程17.2.2核磁共振谱仪17.2.3样品制备17.2.4傅里叶变换核磁共振波谱仪17.2.5超导核磁共振波谱仪第二节

核磁共振波谱仪Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMRNuclearmagneticresonancespectrometer*17.2.1仪器发展过程（1）二十世纪60年代出现了高分辨核磁共振波谱仪。（2）二十世纪70年代出现了脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪。（3）二十世纪80年代末600MHz的超导谱仪。（4）现在磁场强度为800MHz的超导核磁共振波谱仪也已经商品化。（5）计算机技术极大促进了二维核磁共振（2D-NMR）方法的发展。用于解决复杂结构问题。*17.2.2核磁共振波谱仪*核磁共振波谱仪*核磁共振波谱仪主要部件1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀，不均匀性小于六千万分之一。扫场线圈。2．射频振荡器：线圈垂直于外磁场，发射一定频率的电磁辐射信号。60MHz或100MHz。*3．射频信号接受器（检测器）：当质子的进动频率与辐射频率相匹配时，发生能级跃迁，吸收能量，在感应线圈中产生毫伏级信号。

吸收前，在Y轴上的矢量和为零,无信号；吸收后，产生信号。*4．样品管：外径5mm的玻璃管，测量过程中旋转，磁场作用均匀。*17.2.3

样品的制备试样浓度：5%～10%；需要纯样品15～30mg。傅里叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg。标样浓度（四甲基硅烷TMS）：1%。溶剂：1H谱四氯化碳，二硫化碳。氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物。*17.2.4傅里叶变换核磁共振波谱仪

不是通过扫场或扫频产生共振；恒定磁场，施加全频脉冲，产生共振，采集产生的感应电流信号，经过傅里叶变换获得一般核磁共振谱图。（类似于一台多道仪）*17.2.5

超导核磁共振波谱仪永久磁铁和电磁铁：磁场强度<2.5T超导磁体：铌钛或铌锡合金等超导材料制备的超导线圈；在低温4K，处于超导状态；磁场强度>10T开始时，大电流一次性励磁后，闭合线圈，产生稳定的磁场，长年保持不变；温度升高，“失超”；重新励磁。超导核磁共振波谱仪：

200～400MHz，600～800MHz。**

内容选择：结束17.1核磁共振原理17.2核磁共振波谱仪

17.3

1H核磁共振波谱

17.413C核磁共振波谱

17.5二维核磁共振波谱*第十七章

核磁共振波谱分析法17.3.1化学位移及其影响因素17.3.2自旋-自旋偶合与偶合常数17.3.31H核磁共振波谱的应用第三节

质子核磁共振波谱Nuclearmagneticresonancespectroscopy1HNMR*17.3.1化学位移及其影响因素一、屏蔽作用与化学位移1.屏蔽作用

理想化的、裸露的氢核，满足共振条件：

0=

B0/(2)；产生单一的吸收峰。实际上，氢核受周围不断运动着的电子影响。在外磁场作用下，运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场，起到屏蔽作用，使氢核实际受到的外磁场作用减小：

B=（1-

）B0

：屏蔽常数。

越大，屏蔽效应越大。

0=[

/(2)]（1-

）B0屏蔽的存在，共振需更强的外磁场(相对于裸露的氢核)。*2.化学位移

chemicalshift

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），来抵消屏蔽影响。

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）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。*3.化学位移的表示方法(1)位移的标准

没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。相对标准：四甲基硅烷Si(CH3)4（TMS）（内标）

位移常数

TMS=0(2)为什么用TMS作为基准?

a.12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰；

b.屏蔽强烈，位移最大，与有机物中质子峰不重叠；

c.化学惰性，易溶于有机溶剂，沸点低，易回收。*位移的表示方法

与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定

TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。

=[(样-TMS)/

TMS]106

小，屏蔽强，共振需要的磁场强度大，在高场出现，图右侧。

大，屏蔽弱，共振需要的磁场强度小，在低场出现，图左侧。*二、影响化学位移的因素1．电负性—去屏蔽效应与质子相连元素的电负性越强，吸电子作用越强，价电子偏离质子，屏蔽作用减弱，信号峰在低场出现。*电负性对化学位移的影响δ随碳链增长,影响减弱电负性元素越多,影响越大*磁各向异性效应

磁各向异性是指质子在分子中所处的空间位置不同，屏蔽作用不同的现象。*苯环的磁各向异性效应去屏蔽作用。δ值大（7.2），低场。

*双键的磁各向异性效应C=C双键去屏蔽，低场共振，化学位移位大（δ=5.84）C=O去屏蔽，低场共振，化学位移位大δ≈9ppm特征

*三键的磁各向异性效应横，去屏蔽；竖，屏蔽；高场共振，化学位移比双键小些，δ=

2.88应为竖放状态。*单键的磁各向异性效应沿键轴方向为去屏蔽效应。链烃中δCH>δCH2>δCH3

甲基上的氢被碳取代后，去屏蔽效应增大，共振频率移向低场。*2.氢键效应形成氢键后1H核屏蔽作用减少，属于去屏蔽效应，位移大。*3.空间效应*空间效应

Ha=3.92ppm

Hb=3.55ppm

Hc=0.88ppm

Ha=4.68ppm

Hb=2.40ppm

Hc=1.10ppm去屏蔽效应*4.各类有机化合物的化学位移①饱和烃-CH3:

CH3=0.791.10ppm-CH2:

CH2=0.981.54ppm-CH:

CH=CH3+(0.50.6)ppm

H=3.2~4.0ppm

H=2.2~3.2ppm

H=1.8ppm

H=2.1ppm

H=2~3ppm*各类有机化合物的化学位移②烯烃

端烯质子：H=4.8~5.0ppm

内烯质子：H=5.1~5.7ppm与烯基，芳基共轭：H=4~7ppm③芳香烃

芳烃质子：H=6.5~8.0ppm供电子基团取代-OR，-NR2时：

H=6.5~7.0ppm

吸电子基团取代-COCH3，-CN，时：

H=7.2~8.0ppm高场强仪器，单取代出现两组复杂峰。*各类有机化合物的化学位移-COOH：H=10~13ppm-OH：（醇）H=1.0~6.0ppm（酚）H=4~12ppm-NH2：（脂肪）

H=0.4~3.5ppm（芳香）

H=2.9~4.8ppm（酰胺）

H=9.0~10.2ppm-CHO：H=9~10ppm*常见结构单元化学位移范围*一些常见结构单元的化学位移范围

（ppm）

*17.3.2自旋-自旋偶合与偶合常数一、自旋偶合与自旋裂分裂分的原因？有什么规律？如何表征？对结构解析有何作用？

每类氢核不总表现为单峰，有时多重峰。*峰的裂分峰的裂分原因：自旋偶合相邻两个氢核之间的自旋偶合（自旋干扰）；偶合常数（J）：多重峰的峰间距，用来衡量偶合作用的大小。*自旋偶合*自旋偶合*二、峰裂分数与峰面积

峰裂分数：n+1规律；相邻碳原子上的质子数。裂分峰强度比符合二项式的展开式系数。

峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。*峰裂分数*峰裂分数1:11:3:3:11:11:2:1*峰裂分数1H核与n个不等价1H核相邻时，裂分峰数：（n1+1)(n2´+1)……个；(nb+1)(nc+1)(nd+1)=2×2×2=8Ha裂分为8重峰1:3:3:11:2:11:11:6:15:20:15:6:1*峰裂分数Ha裂分为多少重峰？01234JcaJbaJca

JbaHa裂分峰:(3+1)(2+1)=12实际Ha裂分峰:(5+1)=6强度比近似为：1:5:10:10:5:1*三、偶合常数

裂分峰的间距称为偶合常数，用J表示(单位Hz)，结构解析的重要信息。特征：（1）J值是核自旋之间的相互作用，与外磁场强度无关。（2）J值的大小与a、b两组氢核之间偶合的强弱有关。（3）J值受溶剂影响较小，一般不变化，通常氢核之间的偶合常数为0～30Hz。（4）相互偶合的1H核峰间距是相等的，即J相等。若两组1H核的峰间距相等(J相等)，则这两组1H核是互相偶合的。*偶合峰的判断（1）偶合常数（J值）相等；（2）峰形；通常两组相互偶合的峰都是相应“内侧”峰偏高，而“外侧”峰偏低，在偶合信号的强峰上画一对相应的斜线，形成屋顶形状。*四、化学等价与磁等价1.化学等价（化学位移等价）若分子中两个相同原子（或两个相同基团）处于相同的化学环境，其化学位移相同，它们是化学等价的。化学不等价例子：

⑴对映异构体

在手性溶剂中：两个CH3化学不等价。在非手性溶剂中：两个CH3化学等价。*⑵固定在环上CH2的两个氢化学不等价。⑶单键不能快速旋转，则连于同一原子上的两个相同基化学不等价。⑷与手性碳相连的CH2的两个氢化学不等价。

*

分子中相同种类的核（或相同基团），不仅化学位移相同，而且还以相同的偶合常数与分子中其他的核相偶合，只表现一个偶合常数，这类核称为磁等价的核。三个H核化学等同磁等同H核、F核化学等同，磁等同甲基六个H核化学等同，磁等同2.磁等价磁等价一定是化学等价的，但化学等价的核不一定磁等价！

*两核（或基团）磁等价条件：①化学等价（化学位移相同）；②对组外任一个核具有相同的偶合常数；Ha，Hb化学等价，磁不等价。J

HaFa≠J

HbFaFa，Fb化学等价，磁不等价。磁不同等例子：

*17.3.3

1H核磁共振波谱的应用（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；（2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多少个；（3）峰的位移(

)：每类质子所处的化学环境，位置；（4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数；（5）偶合常数(J)：确定化合物构型。不足之处：仅能确定质子(氢谱)。

一、谱图(1H谱)中化合物的结构信息*一级谱的特点:裂分峰数符合n+1规律，相邻的核为磁等价即只有一个偶合常数J；若相邻n个核，n1个核偶合常数为J1，n2个核偶合常数为J2，n=n1+n2则裂分峰数为（n1+1)(n2+1)；峰组内各裂分峰强度比(a+1)n的展开系数；从谱图中可直接读出

和J，

在裂分峰的对称中心，裂分峰之间的距离（Hz）为偶合常数J。*非一级谱(二级谱)的特点:一般情况下，谱峰数目超过n+1规律所计算的数目组内各峰之间强度关系复杂一般情况下，

和J不能从谱图中可直接读出*常见复杂谱图78*二、简化谱图的方法

羟基（-OH）及氨基(-NH2)，含活泼氢，易形成氢键；

值变化范围较大，峰的形状改变，不易确认。活泼氢交换：（1）先作出一张NMR谱图之后。（2）试样中加入几滴D2O，摇荡片刻，样品中的-OH或-NH2基中的1H被重氢D交换。（3）谱图中相应的蜂（-OH和-NH2质子的峰）消失。因而可以推知原来试样中该基团的存在。1.活泼氢D2O交换反应*2.位移试剂(shiftreagents)稀土元素的离子与孤对电子配位后，相邻元素上质子的化学位移发生显著移动。常用：Eu(DMP)3

[三（2,2,6,6-四甲基-3,5庚二酮）]铕OHOH*3.去偶法（双照射）第二射频场H2υ2Xn（共振）AmXn系统消除了Xn对的Am偶合照射

Ha照射

Hb*4.核欧佛豪斯效应

（NuclearOerhauserEffect,简称NOE)

在核磁共振中饱和某一个自旋核，和它相邻近的另一个核（两个核不一定存在相互偶合）的共振信号的强度增强，即核的欧佛豪斯效应。

-OCH3与-Ha之间离得较近但没有偶合，若以OCH3中1H核的频率进行双照射，Ha的峰强度增强，其增强的程度与距离的立方成反比。

*5.采用高场强仪器60MHz100MHz200MHzHCHBHA*三、谱图解析谱图解析步骤由分子式求不饱和度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团首先解析：再解析：

(低场信号)

最后解析：芳烃质子和其他质子。活泼氢D2O交换，解析消失的信号；由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析；参考IR，UV，MS和其他数据推断结构；得出结论，验证结构。*6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。1.谱图分析（1）*谱图分析（2）质子a与质子b所处的化学环境不同，两个单峰。单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无质子）。质子b直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对与质子a）出现。质子b也受其影响，峰也向低场位移。*谱图分析（3）裂分与位移*谱图分析（4）苯环上的质子在低场出现。为什么？为什么1H比6H的化学位移大？*对比*2.谱图解析与结构确定5223（1）化合物C10H12O2876543210*谱图解析与结构确定步骤正确结构：u

=1+10+1/2(-12)=5δ2.1单峰三个氢，—CH3峰，结构中有氧原子，可能具有：；δ7.3芳环上氢，单峰烷基单取代。δ3.0δ4.30δ2.1

δ3.0和δ4.30三重峰和三重峰，

O—CH2CH2—相互偶合峰；

*(2)

化合物C10H12O2，推断结构（分子式与前相同）。δ7.3δ5.21δ1.2δ2.35H2H2H3H*结构(2)确定过程分子式：C10H12O2，u=1+10+1/2(-12)=5a.δ2.32和δ1.2—CH2CH3相互偶合峰b.δ7.3芳环上氢，单峰烷基单取代c.δ5.21—CH2上氢，低场与电负性基团相连哪个正确?正确：B为什么?*（3）化合物C7H16O39δ5.30δ3.38δ1.37推断其结构61*结构(3)确定过程C7H16O3，

u

=1+7+1/2(-16)=0a.δ3.38和δ1.37四重峰和三重峰；

—CH2CH3相互偶合峰；

b.δ3.38含有—O—CH2—结构，结构中有三个氧原子，可能具有(—O—CH2—)3；c.δ5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连。正确结构：*(4)化合物C8H8O2推断其结构987654310*结构(4)确定过程化合物C8H8O2，u=1+8+1/2(-8)=5δ=7～8芳环上氢，四个峰对位取代；δ=9.87—醛基上氢，；低δ=3.87CH3上氢，低场移动，与电负性强的元素相连：—O—CH3正确结构：*四、联合谱图解析（1）C6H12O

1700cm-1,C=Ｏ,

醛,酮<3000cm-1,-C-H

饱和烃两种质子1：3或3：9-CH3：-C(CH3)3无裂分，无相邻质子*谱图解析（2）C8H14O4

1700cm-1,C=0,

醛,酮，排除羧酸，醇，酚<3000cm-1,-C-H

饱和烃，无芳环。

1．三种质子4：4：６２．裂分，有相邻质子；３．

=1.3(6H)两个CH3裂分为3,相邻C有2H;CH3-CH2-4.

=2.5(4H),单峰,

CO-CH2CH2-CO-5.

=4.1(4H)低场(吸电子),两个-O-CH2-*谱图解析（3）C5H7O2N

=1+5+1/2（1-7）=3可能含有C＝O、C≡N。2988cm-1，2938cm-1

-C-H伸缩2266cm-1,

C≡N特征峰；1749cm-1,C=O特征峰；1469cm-1，1373cm-1-C-H变形1200cm-1，1029cm-1,C-O-C,1.33三重峰;4.27四重峰2:3-CH2-CH3

低场位移:和电负性基团相连，O-CH2-CH3。3.48:2个氢，单峰，CH2峰，-CH2*-C≡N*谱图解析（4）C4H10O

u=1+4+1/2（0-10）=0;醚或醇3347cm-1，醇2968cm-1，-C-H；伸缩1471cm-1，-CH2-变形1389，1367cm-1，CH3的对称变形振动（异丙基特征）；1042cm-1,C-O伸缩振动(伯醇特征)δ

0.90,6H，2个CH3，双重峰，CH(CH3*)2结构;δ1.75,1H，1个CH，7重峰，CH2-CH*(CH3)2;δ3.38,2H,双重峰O-CH*2-CH;δ

3.92,1H,单峰,-OH峰*

内容选择：结束17.1核磁共振原理

17.2核磁共振波谱仪17.3

1H核磁共振波谱

17.4

13C核磁共振波谱

17.5二维核磁共振波谱2025/11/13第十七章

核磁共振波谱分析法17.4.1

13C谱的特点17.4.2脉冲傅里叶变换技术17.4.313C谱标识技术17.4.413C谱的化学位移17.4.513C的应用第四节

13C核磁共振波谱Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR

13CNMR2025/11/1317.4.113C谱的特点

PFT-NMR(1970年)，实用化技术。13C谱特点：（1）研究C骨架，结构信息丰富；（2）化学位移范围大；0～250；（3）13C-13C偶合的几率很小，13C天然丰度1.1%；（4）可直接获得C=O、CN、季碳原子等信息；（5）13C-H偶合可消除，谱图简化；（6）信号强度与碳原子数不存在严格线性关系。核磁矩：

1H=2.79270;

13C=0.70216磁旋比为质子的1/4；相对灵敏度为质子的1/5600；H0EI=I=

HsplittingC

splitting2025/11/1317.4.2脉冲傅里叶变换技术（1）将含某一频率范围的脉冲快速（1s）作用于样品；（2）样品所有13C同时共振，产生信号，t2达到最大。照射中断后，13C边弛豫边发射信号，自由感应衰减信号（FID）。2025/11/13（3）一个脉冲包含了所有信息（干涉图），记录一次FID仅需约1s，多脉冲，多次累加。（4）干涉图正常图，傅里叶变换，即将时域函数转变为频域函数。转换时间1s。2025/11/13傅里叶变换2025/11/13PFT-NMRR.F.transmitterMAGNETR-FreceiveranddetectorRecorderSweepgeneratorMAGNET2025/11/13PFT

-NMR2025/11/1317.4.3

13C的谱标识技术13C-13C偶合的几率很小(13C丰度1.1%)；13C-1H偶合；偶合常数1JCH：100～250Hz；峰裂分；谱图复杂。(1)质子噪声去偶或宽带去偶宽频带照射，使1H饱和；去偶使峰合并，强度增加。(2)质子偏共振去偶弛豫：13C的弛豫比1H慢，达数分钟；PFT-NMR可测定，提供空间位阻、各向异性、分子大小、形状等信息。(3)选择去偶选择某一个1H核的频率作为第二射频场，与该1H核偶合的13C，的1JCH＝0，为单峰，而其他裂分峰变为峰簇。2025/11/132025/11/13偏共振去偶（OFR）和宽带去偶（PND）2025/11/13邻溴苯胺的偏共振去偶(OFR)和宽带去偶(PND)

13C谱图

2025/11/1317.4.4

13C的化学位移化学位移范围：0～250；核对周围化学环境敏感，重叠少。氢谱与碳谱有较多共同点。碳谱化学位移规律：(1)高场低场碳谱：饱和烃碳、炔烃碳、烯烃碳、羧基碳原子。氢谱：饱和烃氢、炔氢、烯氢、醛基氢。(2)与电负性基团相连，化学位移向低场移动2025/11/13化学位移规律：烷烃取代烷烃:H3CCH2CH2CH2CH334.722.813.9碳数n>4端甲基，

C=13～14

C>

CH>

CH2

>

CH3邻碳上取代基增多，

C越大。2025/11/13化学位移规律：烯烃

C=100～150（成对出现）端碳

=CH2

110；邻碳上取代基增多

C越大：2025/11/13化学位移规律：炔烃

C=65～902025/11/13化学位移表12025/11/13化学位移表22025/11/13氢谱与碳谱

化学位移

对比2025/11/13碳谱与氢谱的对比谱图去偶作用对比2025/11/13碳谱与氢谱的对比2025/11/13谱图去偶作用对比2025/11/13谱图去偶作用对比2025/11/13

17.4.513C谱的应用例1化合物C5H10O2

u=12025/11/132025/11/13例2化合物C8H8O2u=52025/11/132025/11/13例3化合物C7H14Ou=12025/11/132025/11/13

13CNMR谱2030405060qdqst例4.化合物C12H26，根据13CNMR谱图推断其结构。2025/11/13

13CNMR谱2025/11/13内容选择结束17.1核磁共振原理

17.2核磁共振波谱仪

17.3

1H核磁共振波谱17.413C核磁共振波谱

17.5二维核磁共振波谱2025/11/13第十七章

核磁共振波谱分析法17.5.1概述17.5.2

2DNMR谱第五节二维核磁共振波谱简介Nuclearmagneticresonancespectroscopy;NMR2DNMR2025/11/1317.5.1概述（1）二维核磁共振波谱：二个时间变量，二次傅里叶变换，二个独立的频率信号，横坐标和纵坐标均为频率信号，而第三维则为强度信号。（2）两坐标代表的化学位移具有相关性，表明所有质子发生自旋-自旋偶合的信息。（3）可以是1H-1H，

1H-13C相关谱；可提供邻近偶合、远程偶合信息。（4）不出现一维谱图中的多重峰重叠现象。2025/11/13

2DNMR谱图2025/11/13脉冲序列

在X轴施加不同脉冲角度的射频宏观磁化强度矢量M的变化情况。2025/11/13自旋回波的脉冲序列

自旋回波的脉冲序列为90x°—DE—180x°—DE，AQT。DE表示某一固定的时间间隔（delay）；AQT表示测定信号的采样时间。2025/11/131DNMR的脉冲序列和原理示意图2025/11/13傅里叶变换2025/11/132D

NMR

通过记录一系列的1DNMR谱图获得的，每个1DNMR实验的差别仅在于在脉冲序列引入时间增量Δt（t1=t+Δt）。2025/11/1317.5.22DNMR相关谱1.1H-1H相关谱(1～4)2025/11/131H-1H

相关谱

(6.8～8.6）2025/11/132DNMR

相关谱间二硝基苯1H-1H

相关谱2025/11/131H-13C相关谱2025/11/13薄荷醇1H-13C相关谱2025/11/13内容选择结束17.1核磁共振原理

17.2核磁共振波谱仪

17.3

1H核磁共振波谱

17.4

13C核磁共振波谱17.5二维核磁共振波谱

第十八章*第十八章

质谱分析18.1.1概述18.1.2质谱仪与质谱分析原理18.1.3进样系统18.1.4离子源18.1.5质量分析器18.1.6检测器第一节基本原理与质谱仪结构massspectrometry，MSBaseprincipleandstructureofmassspectrometer18.1.1概述

相对分子质量精确测定与化合物结构分析的重要工具；第一台质谱仪：1912年；早期应用：相对原子质量、同位素等的测量；现代：有机化合物结构鉴定的重要工具；特殊性：联用技术，相对分子质量测定。M+(M-R2)+(M-R3)+(M-R1)+发展过程：

20世纪40年代：高分辨率质谱仪出现，有机化合物结构分析；

20世纪60年代末：色谱-质谱联用仪出现，有机混合物分离分析；促进天然有机化合物结构分析的发展；

20世纪90年代：基质辅助激光解吸电离源、电喷雾电离源、大气压化学电离源，开创了质谱技术研究生物大分子的新领域。

2002年由于“发明了用于生物大分子的电喷雾离子化和基质辅助激光解吸离子化质谱分析法”，美国科学家约翰·芬恩与日本科学家田中耕一共享该年度诺贝尔化学奖。

18.1.2质谱仪与质谱分析原理进样系统离子源质量分析器检测器1.气体扩散2.直接进样3.气相色谱1.电子轰击2.化学电离3.场致电离4.激光

1.单聚焦2.双聚焦3.飞行时间4.四极杆

质谱仪需要在高真空下工作：离子源（10-310-5Pa

）

质量分析器（10-6Pa

）(1)大量氧会烧坏离子源的灯丝；(2)用作加速离子的几千伏高压会引起放电；(3)引起额外的离子－分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。原理与结构仪器原理图进样系统离子源质量分析器检测器真空系统18.1.3进样装置气体扩散；插入式直接进样杆：适用于有一定挥发性的固体或高沸点液体样品；色谱作为进样装置。18.1.4离子源离子源的功能是提供能量将待分析样品电离，组成由不同质荷比（m/z）离子组成的离子束。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+各种离子源18.1.5质量分析器

质量分析器的作用是将离子源产生的离子按m/z顺序分离，相当与光谱仪器上的单色器。

用于有机质谱仪的质量分析器有双聚焦分析器，四极杆分析器，离子阱分析器，飞行时间分析器，回旋共振分析器等。

质量分析器特点对比18.1.6检测器（1）电子倍增管15～18级；可测出10-17A微弱电流；（2）渠道式电子倍增器阵列

内容选择：结束18.1基本原理与质谱仪结构

18.2离子源类型与离子形成过程

18.3质量分析器的类型与原理

18.4质谱联用技术

18.5质谱中的各种离子

18.6有机化合物质谱图

18.7

EI质谱图解析*第十八章

质谱分析18.2.1电子轰击电离源18.2.2化学电离源18.2.3快原子轰击源18.2.4电喷雾离子源18.2.5大气压化学电离源18.2.6激光解吸源18.2.7场电离源第二节离子源类型与离子形成过程Massspectrometry，MSTypesofionizationandprocessofionsformed

*18.2.1电子轰击离子源ElectronIonization(EI)源应用最广，标准谱图。++++:R1:R2:R3:R4:e+M+(M-R2)+(M-R3)+MassSpectrum(M-R1)+**EI源的特点：电离效率高，灵敏度高；应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的；稳定，操作方便，电子流强度可精密控制；结构简单，控温方便。EI源：可变的离子化能量

(10～240eV)。

对于易电离的物质降低电子能量，而对于难电离的物质则加大电子能量（常用70eV）。电子能量

电子能量

分子离子增加碎片离子增加*18.2.2化学电离源（ChemicalIonization，CI）

离子室内的反应气（甲烷等；10～100Pa，样品的103～105倍），电子（100～240eV）轰击，产生离子，再与试样分子碰撞，产生准分子离子。特点：最强峰为准分子离子；谱图简单；不适用难挥发试样；得到的是非标准谱图。++气体分子试样分子+准分子离子电子(M+1)+;(M+17)+;(M+29)+;*化学电离源反应过程：

CH4+e→CH4+·+2eCH4+·→CH3++H·

CH4+·和CH3+很快与大量存在的CH4分子起反应，即

CH4+·+CH4→CH5++CH3·CH3++CH4→C2H5++H2

CH5+和C2H5+不与中性甲烷进一步反应，与试样分子(XH)

CH5++XH→XH·CH5+→XH2+

·CH4M+17C2H5+＋XH→XH·C2H5+→X+

·C2H6M+29化学电离法可以大大简化质谱，若采用酸性比CH5+更弱的C4H9+（异丁烷）、NH4+（氨）的试剂离子，则可更进一步简化。

*化学电离源（CI）与电子轰击电离源(EI)质谱图对比*18.2.3

快原子电离源（FAB）a.氩气

离子，加速、碰撞，电荷和能量转移

高能原子束。b.高能粒子打在置于涂有非挥发性底物靶上样品分子使其电离。

不加热气化，特别适合于分子量大、难挥发或热稳定性差的样品分析，例如肽类、低聚糖、天然抗生素。有较强的准分子离子峰和较丰富的碎片离子信息。

*快原子电离源（FAB）质谱图*18.2.4电喷雾电离源（ESI）软电离方式，易形成多电荷离子[M+nH]n+。

特别适合于分析极性强、热稳定性差的大分子，如蛋白质、肽、糖等。液相色谱-质谱联用接口。*电喷雾电离源（ESI）：LC-MS结构流程*电喷雾电离电喷雾产生多电荷离子，相对分子质量M计算：选相邻峰，电荷n，n+1m1=(M+n)/2m2=(M+n+1)/(n+1)计算结果如表。不适用于非极性化合物*大分子蛋白质的质谱图

相对分子质量量为10000的分子若带有10个电荷，则其质荷比只有1000，在一般质谱仪可以分析的范围之内。

**电喷雾电离-多电荷离子*18.2.5

大气压化学电离源（APCI）

APCI是ESI的补充。APCI主要产生单电荷离子，分析的化合物相对分子质量一般小于1000。碎片离子很少，主要是准分子离子。

针电极高压放电，空气中某些中性分子电离，产生H3O+，N2+，O2+

和O+

等，离子与样品分子发生离子-分子反应，使样品分子离子化。应用于液相色谱-质谱联用。*18.2.6激光解吸电离源（LD）得到的主要是分子离子，准分子离子。碎片离子和多电荷离子较少。常用的基质：2,5—二羟基苯甲酸、芥子酸、烟酸、α-氰基-4-羟基肉桂酸等。

分析样品置于涂有基质的样品靶上；基质分子吸收激光能，与样品分子一起蒸发并使样品分子电离。属于软电离技术，用于分析生物大分子，如肽、蛋白质、核酸等。

*18.2.7场电离源（FI）与场解吸源（FD）电压：7～10kV；d<1mm；强电场将分子中拉出一个电子；分子离子峰强；碎片离子峰少；不适合化合物结构鉴定。阳极+++++++++++++阴极d<1mm*场电离源（FI）与电子轰击电离源(EI)质谱图对比*场解吸源(FD)化学电离源(CI)电子轰击电离源(EI)质谱图对比*主要离子源特点对比*

内容选择：结束18.1基本原理与质谱仪结构18.2离子源类型与离子形成过程

18.3质量分析器的类型与原理

18.4质谱联用技术

18.5质谱中的各种离子

18.6有机化合物质谱图

18.7

EI质谱图解析*第十八章

质谱分析18.3.1基本原理18.3.2单聚焦分析器18.3.3双聚焦分析器18.3.4四极杆分析器18.3.5飞行时间18.3.6离子阱分析器18.3.7傅里叶变换离子回旋共振质量分析器第三节

质量分析器的类型与原理Massspectrometry，MSTypeandprincipleofmassanalyzer*18.3.1质量分析器原理在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行；

离心力=向心力；m

2/R=B0zV曲率半径：

R=（m

）/zB0质谱方程式：m/z=(B02R2)/2V离子在磁场中的轨道半径R取决于：m/z、B0

、V改变加速电压V，可以使不同m/z

的离子进入检测器。加速后离子的动能：(1/2)m

2=zV

=[(2V)/(m/z)]1/2*18.3.2单聚焦磁场分析器方向聚焦：相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；分辨率不高缺少能量聚焦。*18.3.3双聚焦分析器方向聚焦：

相同质荷比，入射方向不同的离子会聚；能量聚焦：

相同质荷比，速度(能量)不同的离子会聚；

质量相同，能量不同的离子通过电场和磁场时，均产生能量色散；两种作用大小相等，方向相反时互补实现双聚焦。*双聚焦分析器*18.3.4

四极杆质量分析器离子在场的作用下产生振动，如果质量为m，电荷为z的离子进入四极场，运动方程是：

保持Vdc/Vrf不变(直流电压/射频电压振幅)，改变Vrf值。对应于一个Vrf值，四极场只允许一种质荷比的离子通过。特点：分辨率较高；分析速度极快（适合联用仪器）；缺点：准确度和精密度低于双聚焦型。*四极杆质量分析器*四极杆质量分析器*18.3.5

飞行时间质量分析器离子以速度v进入自由空间（漂移区），假定离子在漂移区飞行的时间为t，漂移区长度为L，则：特点：质量范围宽，扫描速度快，不需电场和磁场。分辨率低：原因在于离子进入漂移管前的时间分散、空间分散和能量分散。能量相同，质量越大，达到接收器的时间越长。t=L(m/2zV)1/2

*18.3.6

离子阱质量分析器环电极和上下两端盖电极，均为绕Z轴旋转的双曲面，并满足：r20=2Z20

r0为环形电极的最小半径，Z0为两个端盖电极间的最短距离。直流电压U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间。在稳定区内的离子，轨道振幅一定，可以长时间留在阱内。一定质量的离子，在一定的U和Vrf下，可以处在稳定区。如果在引出电极上加负电压，可以将离子从阱内引出，U和射频电压Vrf加在环电极和端盖电极之间。*离子阱质量分析器*18.3.7

傅立叶变换离子回旋共振质量分析器（Fouriertransformioncyclotronresonanceanalyzer,FTICR）三对相互垂直的平行板电极组成，置于高真空和由超导磁体产生的强磁场中。

第一对电极：捕集极，与磁场方向垂直，加有适当正电压，其目的是延长离子在室内滞留时间；

第二对电极：发射极，用于发射射频脉冲；

第三对电极：接收极，用来接收离子产生的信号。

*傅立叶变换离子回旋共振质量分析器离子(m/z)进入磁感应强度为B的磁场中，作圆周运动，离心力和磁场力相平衡，即：或离子的回旋频率

c与离子的m/z成线性关系。B固定后，测得

c，可获得离子的质量。

得：

外加一射频辐射，当频率等于离子共振频率，离子吸收能量而改变圆周运动的轨道，沿阿基米德螺线加速。射频辐射消失，出现图（C）运动，在上下极板之间产生感应电流信号(复合信号)，需傅立叶转换。*傅立叶变换离子回旋共振质量分析器特点FT-MS的优点：（1）仪器的分辨率极高，可超过1×106；（2）而且在高分辨率下不影响灵敏度（双聚焦分析器为提高分辨率必须降低灵敏度）；（3）FT-MS的测量精度非常好，能达到百万分之几；（4）具有多级质谱功能，可以和任何离子源相联，扩宽了仪器功能。扫描速度快，性能稳定可靠，质量范围宽等优点。需要很高的超导磁场，需要液氦，售价和运行费用较高。

*质量分析器特点对比*

内容选择：结束18.1基本原理与质谱仪结构

18.2离子源类型与离子形成过程

18.3质量分析器的类型与原理

18.4质谱联用技术

18.5质谱中的各种离子

18.6有机化合物质谱图

18.7

EI质谱图解析*第十八章

质谱分析18.4.1概述18.4.2GC-MS18.4.3LC-MS18.4.4CE-MS18.4.5ICP-MS18.4.6MS-MS18.4.7质谱仪性能指标第四节

质谱联用技术Massspectrometry，MSHyphenatedtechnologyofMS*18.4.1概述质谱：纯物质的结构分析色谱：化合物分离色谱-质谱联用：共同优点类型：GC-MS；GC-IR；LC-MS；CZE-MS（毛细管电泳-质谱）困难点：载气(或流动液)的分离；出峰时间监测；仪器小型化；关键点：接口技术。*18.4.2GC-MS联用仪器SampleSample

58901.0DEG/MINHEWLETTPACKARDHEWLETTPACKARD5972AMassSelectiveDetectorDCBA

ABCDGasChromatograph(GC)MassSpectrometerSeparationIdentificationBACDADBCMS*GC-MS中的分子分离器填充柱色谱需要分子分离器分离载气,浓缩试样分子。毛细管色谱柱可直接与质谱联结。

分子分离器类型：

微孔玻璃式、半透膜式和喷射式三种。喷射式分子分离器：

由一对同轴收缩型喷嘴构成，喷嘴被封在一真空室中。可做成多级。*仪器结构色谱-四极杆质谱仪结构示意图*仪器与结构*色谱-飞行时间质谱联用仪*18.4.3LC-MS联用仪器发展比GC-MS晚，80年代中期实用化。主要问题：溶剂去除。LC流速：0.5～数mL。

真空泵抽气速度100

L。

热不稳定，挥发度低，生物分子电离。关键：特殊接口与电离源技术（提出有27种）。实际应用：热喷雾，80年代较多应用，后被APCI取代。