1、四大谱图基本原理及图谱解析一.质谱1.基本原理：用来测量质谱的仪器称为质谱仪，可以分成三个部分：离子化器、质量分析器与侦测器。其基本原理是使试样中的成分在离子化器中发生电离，生成不同荷质比的带正电荷离子，经加速电场的作用，形成离子束，进入质量分析器。在质量分析器中，再利用电场或磁场使不同质荷比的离子在空间上或时间上分离，或是透过过滤的方式，将它们分别聚焦到侦测器而得到质谱图，从而获得质量与浓度(或分压) 相关的图谱。在质谱计的离子源中有机化合物的分子被离子化。丢失一个电子形成带一个正电荷的奇电子离子(M+) 叫分子离子。它还会发生一些化学键的断裂生成各种碎片离子。带正电荷离子的运动轨迹： 经整
2、理可写成： 式中：me 为质荷比是离子质量与所带电荷数之比；近年来常用mz 表示质荷比；z 表示带一个至多个电荷。由于大多数离子只带一个电荷，故 mz 就可以看作离子的质量数。质谱的基本公式表明：（1）当磁场强度(H) 和加速电压 (V)一定时，离子的质荷比与其在磁场中运动半径的平方成正比(mz r2m) ，质荷比(mz) 越大的离子在磁场中运动的轨道半径(rm)也越大。这就是磁场的重要作用，即对不同质荷比离子的色散作用。（2）当加速电压(V) 一定以及离子运动的轨道半径(即收集器的位置)一定时，离子的质荷比(mz)与磁场强度的平方成正比 (mz H2)改变 H 即所谓的磁场扫描，磁场由小到大
3、改变，则由小质荷比到大质荷比的离子依次通过收集狭缝，分别被收集、检出和记录下来。（3）若磁场强度(H) 和离子的轨道半径 (rm)一定时，离子的质荷比 (mz)与加速电压(V) 成反比(mz 1V)，表明加速电压越高，仪器所能测量的质量范围越小。就测量的质量范围而言，希望质量范围大一些，这就必须降低加速电压。从提高灵敏度和分辨率来讲，需要提高加速电压。这是一对矛盾，解决的办法是在质量范围够用的情况下尽量提高加速电压，高分辨质谱计加速电压为 8kV，中分辨为 43kV。2.解析方法：质谱的表示方法有质谱图和质谱表两种，最常用的为质谱图。质谱图的横座标是离子的质荷比(mz) 。当离子所带的电荷 z
4、=l 时，质荷比就是离子的质量质谱的纵坐标表示相对强度或相对丰度。以质谱图中最强峰的强度为100，称为基峰。质谱中的分子离子(M+)和碎片离子(A+) 都是由天然丰度最大的轻同位素组成的。比分子离子(M+)或碎片离子(A+) 峰高 13 质量数处可观察到一些小峰，它们来自重同位素的贡献，称为同位素峰。由于各种元素同位素的天然丰度不同，它们同位素峰的强度也不相同，同位素峰的强度不仅与重同位素天然丰度有关，还与分子所含元素的数目有关。所以，由质谱确定相对分子质量、分子式比其他方法准确度高，测定速度快、样品量少。分子离子峰的质荷比(mz)就是该化合物的相对分子质量，再根据同位素峰的相对强度就可以确定
5、分子式。3.实例解析：根据图谱，该化合物分子量应为 129，且其相对丰度较低及稳定性较差，114 处应该是发生 -断裂裂解一个甲基，再根据氮律，可推测其为胺类化合物。因为仲、叔胺发生 -断裂后能形成带正电荷的碎片离子，常进一步发生 H 重排，及进一步裂解。根据谱图的质荷比可推测其发生的裂解如下（数字表示质荷比）：N NN HN HN129 1486 458所以其结构应该为 N-甲基-N-异丙基-1- 丁胺。二.核磁共振谱1.基本原理：根据量子力学原理，与电子一样，原子核也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数 I 决定，原子核的自旋量子数 I 由如下法则确定：（1）中子数和
6、质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为 0；（2）中子数加质子数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数（如，1/2, 3/2, 5/2)；（3）中子数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数（如，1, 2, 3） 。由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会产生一个磁矩。这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一定的频率。进动频率又称 Larmor 频率：=B/2为磁旋比，B 是外加磁场的强度。磁旋比 是一个基本
7、的核常数。可见，原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在已知强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，自旋量子数为 I 的核在外加磁场中有 2I+1 个不同的取向，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。这些能级的能量为：E= -hmB/2式中，h 是 Planck 常数（普朗克常数） （6.626x10-34） ；m 是磁量子数，取值范围从-I 到 +I，即 m= -I, -I+1, I-1, I。当原
8、子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。根据选择定则，能级的跃迁只能发生在 m=1 之间，即在相邻的两个能级间跃迁。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。根据量子力学，跃迁所需要的能量变化：E=hB/2为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，即入射光子的频率与 Larmor 频率 相符时，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提
9、供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。2.解析方法：H NMR 是目前研究得最充分的波谱，已得到许多规律用于研究分子结构。从 1H NMR 谱中可以得到四方面的结构信息： 从峰的数目判断分子中氢的种类；从化学位移判断分子中存在基团的类型；从积分线（峰面积）计算每种基团中氢的相对数目；从偶合裂分关系（峰形状）判断各基团是如何连接起来的。在核磁共振谱中，共振峰下面的面积与产生峰的质子数成正比，因此，峰面积比即为不同类型质子数目的相对比值。n+1 规律 ：由于相邻核的偶合而产生的谱带裂分数遵循 2nI+1 规律。对于1H、13C 等原子核，I=1/2 则变成 n+1 规律。如在氯乙烷的例子中，CH
10、3 相邻的 CH2 有二个氢核，裂分成 2+1=3 重峰。CH3 则使 CH2 裂分成 3+1=4 重峰。图谱分析步骤：（1） 标识杂质峰，最主要的杂质峰是溶剂峰。（2） 根据峰(组峰) 的数目确定氢核的种类。（3） 根据峰的化学位移确定它们的归属。（4） 根据积分曲线计算各组峰的相应氢核数（现在的图谱上已标出） 。（5） 根据峰的形状和偶合常数确定基团之间的互相关系。（6） 采用重水交换的方法识别-OH、-NH2、-COOH 上的活泼氢。（7） 综合各种分析，推断分子的结构并对结论进行核对。3.实例解析：3，7-二氯 -8-羧基喹啉的环上有 4 个 H，结构式为其中相邻的 H5 和 H6 可
11、看作 AB 系统， 四条谱带的共振频率分别为711.96 ，703.07 ， 685.30 和 676.41Hz ，J=711.96-703.07=685.30-676.41=8.89HzA=（703.07+685.30 ）/（ 2*89.55）+ 0.28/2=7.89cm 对应 H5B=（703.07+685.30 ）/（2*89.55）- 0.28/2=7.61cm 对应 H6H2 和 H4 互为间位偶合，化学位移分别为 8.34 和 8.84ppm由此可见下图所标 H 从左往右分别为 H4，H2，H5，H 6三.紫外光谱1.基本原理：紫外- 可见吸收光谱(UV-Vis) 的范围是 10
12、0 到 800nm。所有的有机化合物均在这一区域有吸收带。100200nm 称为远紫外或真空紫外区，由于大气中的氧、氮、二氧化碳、水等在这一区域有吸收，因此在测定这一范围的光谱时，必须将光学系统抽成真空，然后充以一些惰性气体，如氦、氖、氩等。鉴于真空紫外吸收光谱的研究需要昂贵的真空紫外分光光度计，故在实际应用中受到一定的限制。200400nm 范围称为近紫外区，许多化合物在这一区域产生特征吸收。400800nm 为可见光区，有些较大的共轭体系的吸收延伸至该区。我们通常所说的紫外- 可见光谱，实际上是指近紫外和可见光区，这些吸收带的位置和强度能够提供有用的结构信息。分子内部的运动有转动、振动和电
13、子运动，相应状态的能量（状态的本征值）是量子化的，因此分子具有转动能级、振动能级和电子能级。通常，分子处于低能量的基态，从外界吸收能量后，能引起分子能级的跃迁。电子能级的跃迁所需能量最大，大致在 120 eV(电子伏特）之间。根据量子理论，相邻能级间的能量差 E、电磁辐射的频率 、波长 符合下面的关系式 E=h=hc/ 式中 h 是普朗克常量，为 6.62410-34Js=4.13610-15 eVs；c 是光速，为 2. 9981010 cm/s。应用该公式可以计算出电子跃迁时吸收光的波长。许多有机分子中的价电子跃迁，须吸收波长在 2001000 nm 范围内的光，恰好落在紫外-可见光区域。
14、因此，紫外吸收光谱是由于分子中价电子的跃迁而产生的，也可以称它为电子光谱。2.解析方法：根据图谱的信息来判断可能存在的生色团，助色团，同时要考虑红移蓝移现象以及增色减色效应。同时紫外吸收带通常是宽带，影响吸收带形状的因素有：被测化合物的结构、测定的状态、测定的温度、溶剂的极性等。 电子共轭体系增大，max 红移，max 增大。空间阻碍使共轭体系破坏，max 蓝移，max 减小。另外，不同性质的溶剂与样品分子的作用可能改变有关分子轨道的能级，因而改变最大吸收波长。溶剂极性增大，*跃迁吸收带红移n*跃迁吸收带蓝移。3.实例解析：分子式 C5H4O2 nm透光度共轭双键的吸收峰在 217，羰基属于
15、n*跃迁，应该在 270-300 之间，其中可能有共轭双键和羰基之间存在共轭，致使双键吸收峰发生红移 217228.而 278 那个是醛基的吸收峰。所以该样品应该为糠醛。四.红外光谱1.基本原理：物质分子运动近似可分为平动、转动、振动和分子内电子相对于原子核的运动。与产生红外光谱有关的运动方式是原子的振动和分子的转动。用红外光照射化合物分子，分子吸收红外光的能量使其振动能级和转动能级产生跃迁。分子吸收能量后在振动运动状态发生改变的同时必然伴随着若干转动能量的变化，故红外光谱亦称为振-转光谱。只有当外来电磁辐射的能量恰好等于基态与某一激发态的能量之差时(=h) ，这个能量才能被分子吸收产生红外光
16、谱，或者说只有当外来电磁辐射的频率恰好等于从基态跃迁到某一激发态的频率时，则产生共振吸收产生红外光谱。2.解析方法：40001500cm-1 范围称为特征区，为基团和化学键的特征频率(基频)，特征区的信息对结构鉴定是很重要的。1500400cm-1 范围称为指纹区，主要是单键伸缩振动和 X-H 的变形振动频率。各种单键的特征峰和 X-H 变形振动的特征峰互相重叠干扰，因此 1500400cm-1 范围内出现的吸收谱带是不特征的。但它对分子结构的变化十分敏感，就像人的指纹一样，两个化合物的指纹区光谱不会完全相同。两个结构相近的化合物特征区的光谱可能大同小异。但只要结构上有细微的差异，就会引起指纹
17、区光谱的显著改变。所以指纹区的信息对结构鉴定也同样重要。首先要了解样品来源和制备方法，其次计算其不饱和度，再做几张不同浓度下的红外光谱从而确定所含的基团和化学键。3.实例解析：该样品分子式为 C3H7NO，可知其不饱和度为 13300cm-1 强峰可有三种归属，但此处应当为仲胺基团3100cm-1 峰可有两种归属，u=1 ，可以否定芳环结构，应当是仲胺基团NHl560cm-1 的倍频峰30002800cm-1 是饱和 C-H 伸缩振动，表明分子中碳链不 长1670cm-1 强峰是 C=O，根据上述应该是酰胺羰基1560cm-1 是仲胺 N-H 的 NH720cm-1 有一个中等强度的宽峰，这是 NH 基团的面外变形振动1370cm-1 是 CH3-C-O 结构中甲基的 CH3综上所述其结构应当是
