衍射核磁质谱.ppt
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1、质谱质谱圆二色谱圆二色谱元素分析元素分析核磁共振核磁共振紫外可见光谱紫外可见光谱旋光光谱旋光光谱红外和拉曼光谱红外和拉曼光谱X-X-射线单射线单晶衍射晶衍射化合物组成和结构的确定研究化合物要经过以下几个步骤研究化合物要经过以下几个步骤:粗粗产产品品分离分离提纯提纯定性定性分析分析定量分析定量分析除除杂杂质质确定确定组成组成元素元素质质量量分分析析测测定定分分子子量量结结构构分分析析实验式或最简式实验式或最简式分子式分子式结构结构式式元素分析元素分析定性分析定性分析有机物的组成元素分析;有机物的组成元素分析;定量分析定量分析分子内各元素原子的质量分数分子内各元素原子的质量分数现代元素分析法现代元
2、素分析法数据经处理后即可确定有机物的实验式:数据经处理后即可确定有机物的实验式:分析方法分析方法:例如:从刺果甘草根中分得某白色晶体,元例如:从刺果甘草根中分得某白色晶体,元素定性分析表明该白色晶体只含素定性分析表明该白色晶体只含C C、H H、O O三三元素元素,元素定量分析的结果如下元素定量分析的结果如下,C:79.35%;,C:79.35%;H:10.21%H:10.21%。O O元素的含量元素的含量=(100-79.35-10.21)%=10.44%=(100-79.35-10.21)%=10.44%三种元素在分子结构中所占比例为:三种元素在分子结构中所占比例为:C C:79.3512
3、=6.61 79.3512=6.61 H:10.211=10.21 H:10.211=10.21 O:10.4416=0.65 O:10.4416=0.65 化合物分子结构中原子个数比为:化合物分子结构中原子个数比为:6.61:10.21:0.65=10.16:15.58:1 6.61:10.21:0.65=10.16:15.58:1 10 10:1616:1 1 该化合物实验式为:该化合物实验式为:C C1010H H1616O O 分子式为:分子式为:(C(C1010H H1616O)n n=1,2,3.O)n n=1,2,3.n的确定为的确定为:实验最简式量实验最简式量相对分子质量相对分
4、子质量n=分子量的测定:质谱法(最常用)分子量的测定:质谱法(最常用)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(质谱仪需要在高真空下工作:离子源(1010-3-3 1010-5-5 PaPa )质量分析器(质量分析器(1010-6-6 PaPa )1 1大量氧会烧坏离子源的灯丝;大量氧会烧坏离子源的灯丝;2 2用作加速离子的几千伏高压会引起放电;用作加速离子的几千伏高压会引起放电;3 3引起额外的离子分子反应,改变裂解模型,谱图复杂化。引起额外的离子分子反应,改变裂解模型,
5、谱图复杂化。质谱分析原理质谱分析原理在磁场存在下,带电离子按曲线轨迹飞行;在磁场存在下,带电离子按曲线轨迹飞行;离心力离心力=向心力;向心力;m 2/R=H0 e V曲率半径:曲率半径:R=(m )/e H0 质谱方程式:质谱方程式:m/e=(H02 R2)/2V离子在磁场中的轨道半径离子在磁场中的轨道半径R取决于:取决于:m/e、H0、V改变加速电压改变加速电压V,可以使不同可以使不同m/e 的离子进入检测器。的离子进入检测器。质谱分辨率质谱分辨率=M/M (分辨率与选定分子质量有关(分辨率与选定分子质量有关)加速后离子的动能加速后离子的动能:(1/2)m 2=e V =(2V)/(m/e)
6、1/2质量分析器原理质量分析器原理四极杆质量分离器仪器内部结构联用仪器联用仪器M/Z分子离子峰分子离子峰 分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子电离一个电子形成的离子所产生的峰。分子离子的质量与化合物的分子量相等。分子离子的质量与化合物的分子量相等。化合物分子离子峰的稳定性顺序:化合物分子离子峰的稳定性顺序:芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直芳香化合物共轭链烯烯烃脂环化合物直链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇链烷烃酮胺酯醚酸支链烷烃醇 质谱图是以质荷比(m/z)为横坐标、相对强度为纵坐标构成,一般将原始质谱图上最强的离子峰定为基峰并定为相对强度1O0%,其他离子峰以对基峰的相对百分值表示。例如:采
7、用电子轰击质谱(例如:采用电子轰击质谱(EI-MSEI-MS)测得上述)测得上述化合物的分子离子峰为化合物的分子离子峰为456456。那么,那么,n=456152=3n=456152=3 结合实验式结合实验式 C C1010HH1616O O 得上述化合物的分子式为:得上述化合物的分子式为:C C3030HH4848O O3 3.(C C3030HH4848OO3 3 代表刺果甘草皂苷元)代表刺果甘草皂苷元)分子离子峰的特点分子离子峰的特点 一般质谱图上一般质谱图上质荷比最大的峰为质荷比最大的峰为分子离子峰;有例分子离子峰;有例外。外。形成分子离子形成分子离子需要的能量最低,需要的能量最低,一
8、般约电子伏一般约电子伏特。特。质谱图上质荷比最大的峰质谱图上质荷比最大的峰一定为分子离子峰一定为分子离子峰吗?如何确定分子离子峰?吗?如何确定分子离子峰?高分辨率质谱仪可将物质的质量精确到小数高分辨率质谱仪可将物质的质量精确到小数点后第三位。点后第三位。例如:例如:C C8 8HH1212N N4 4、C C9 9HH1212N N2 2OO、C C1010H H1212O O2 2、C C1010H H1616N N2 2 四个化合物的分子量同为四个化合物的分子量同为164164,但精,但精确质量则并不相同,在高分辨率质谱仪中很容确质量则并不相同,在高分辨率质谱仪中很容易进行区别。易进行区别
9、。高分辨率质谱高分辨率质谱序号序号分子式分子式 精确质量精确质量 MM1 1C C8 8HH1212N N4 4 164.1063 164.1063 MM2 2C C9 9HH1212N N2 2O O 164.0950 164.0950 MM3 3C C1010HH1212OO2 2 164.0837 164.0837 MM4 4C C1010HH1616N N2 2 164.1315 164.1315 例如:例如:CH4 M=1612C+1H4=164=16 M13C+1H4=17 M+14=17 M+112C+2H+1H3=17 M+13=17 M+113C+2H+1H3=18 M+23
10、=18 M+2同同位位素素峰峰分子离子峰分子离子峰同位素离子峰同位素离子峰由于同位素的存在,可以看到比分子离子峰大一个质量单由于同位素的存在,可以看到比分子离子峰大一个质量单位的峰;有时还可以观察到位的峰;有时还可以观察到M+1,M+2,M+3。;。;组组成成有有机机化化合合物物的的主主要要元元素素C C、H H、O O、N N等均由相对丰度比一定的同位素所组成。等均由相对丰度比一定的同位素所组成。大大多多数数MSMS图图中中,如如能能见见到到稳稳定定的的分分子子离离子子峰峰MM+,则则在在高高出出其其1-21-2个个质质荷荷比比处处可可见见到到M+1M+1+与与M+2M+2+的同位素峰。的同
11、位素峰。对对于于一一定定的的化化合合物物,分分子子离离子子峰峰与与其其同同位位素素峰的相对强度为一确定值。峰的相对强度为一确定值。同位素丰度比法同位素丰度比法同位素同位素原子质量原子质量丰度比(丰度比(%)1 1HH1.0078251.00782599.985599.98552 2HH2.014102.014100.01450.01451212C C12.00000012.00000098.829298.82921313C C13.0033513.003351.10801.10801414N N14.0030714.0030799.63599.6351515N N15.0001115.0001
12、10.03650.0365碎片离子峰碎片离子峰 一般有机化合物的电离能为一般有机化合物的电离能为713电子伏特,质电子伏特,质谱中常用的电离电压为谱中常用的电离电压为70电子伏特,使结构裂解,产电子伏特,使结构裂解,产生各种生各种“碎片碎片”离子。离子。正正己己烷烷碎片离子峰碎片离子峰正癸烷正癸烷直链烷烃直链烷烃饱合烃的质谱图饱合烃的质谱图支链烷烃支链烷烃环烷烃环烷烃醚的质谱图醚的质谱图光谱区与能量相关图1924年泡利提出核自旋的假设-实验证实。1932年,发现中子后,认识到:核自旋是质子自旋与中子自旋之和。核磁矩:质子数和中子数两者或其一为奇数时,核才有非零的核磁矩产生核磁共振.核核磁共振磁
13、共振(nuclear magnetic resonance,NMR)是指自旋磁矩不为零的原子核,在外磁场中,其核能级将发生分裂。若再有一定频率的电磁波作用于它,分裂后的核能级之间将发生共振跃迁的现象。核磁共振核磁共振 核磁共振核磁共振是1946年由美国斯坦福大学布洛赫(F.Block)和哈佛大学珀赛尔(E.M.Purcell)各自独立发现的,两人因此获得1952年诺贝尔物理学奖。50多年来,核磁共振已形成为一门有完整理论的新学科。核磁共振的方法与技术核磁共振的方法与技术作为分析物质的手段,由于其可深入物质内部而不破坏样品,并具有迅速、准确、分辨率高等优点而得以迅速发展和广泛应用,已经从物理学渗
14、透到化学、生物、地质、医疗以及材料等学科,在科研和生产中发挥了巨大作用。1952年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖:布洛赫布洛赫(Felix Bloch)&珀赛尔珀赛尔(Edward Purcell)因发展了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现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。核磁共振。布洛赫布洛赫(Felix Block)珀赛尔珀赛尔(Edward Purcell)Related Nobel Prize12位因对核磁共振做出贡献而获得诺贝尔奖的科学家 1944年 I.Rabi 1952年 F.Block 1955年 P.Kusch 1966年 A.Kastler 1977年
15、 J.H.Van Vleck 1981年 N.Bloembergen 1983年 H.Taube 原子核的自旋原子核的自旋 若原子核存在自旋,产生核磁矩:自旋角动量:I:自旋量子数;h:普朗克常数;核磁子=eh/2M c;自旋量子数(I)不为零的核都具有磁矩,原子的自旋情况可以用(I)表征:质量数 原子序数 自旋量子数I偶数 偶数 0 偶数 奇数 1,2,3.奇数 奇数或偶数 1/2;3/2;5/2.核 磁 矩:核磁矩核磁矩:I:核自旋量子数、因子、:核的玻尔磁子(常数)在外磁场Bz下:宏观物质:体磁化强度1 I=0 的原子核 O(16);C(12);S(22)等,无自旋,没有磁矩,不产生共振
16、吸收。2 I=1 或 I 1的原子核 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;31/2的原子核 1H,13C,19F,31P 原子核可看作核电荷均匀分布的球体,并象陀螺一样自旋,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。核磁矩 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=H0 (磁矩)产生共振需吸收的能量:E=H0=h 0由拉莫进动方程:0=2 0=H0 ;共振条件:0=H0/(2)共振条件共振条件(1)核有自旋(磁性核)(2)外磁场,能
17、级裂分;(3)照射频率与外磁场的比值0/H0=/(2)I=0 无自旋现象无自旋现象 I 0 有自旋现象。有自旋现象。核磁共振基本原理核磁共振基本原理 原子核的自旋与磁距原子核的自旋与磁距=(h/2h/2)I I(I I)自旋核在自旋核在H0中的自旋取向:中的自旋取向:2I+1 1H:I=1/2 m=+1/2m=+1/2(顺磁排列)(顺磁排列)E=-HE=-H0 0(低能态)(低能态)m=-1/2m=-1/2(反磁排列)(反磁排列)E=+HE=+H0 0(高能态)(高能态)两者能量差:两者能量差:E=2HE=2H0 0NSBoB1DetectorFrequencyGeneratorRecorde
18、rMagnet核磁共振原理图核磁共振仪核磁共振仪1 1永久磁铁永久磁铁: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 2 射频振荡器射频振荡器:线圈垂直于外磁场,发射一定频率的电磁辐射信号。3 3 射频信号接受器射频信号接受器(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。4样品管样品管:外径5mm的玻璃管,测量过程中旋转,磁场作用均匀。观察共振现象通常有两种方法:一:调频二:调场聚四氟乙烯样品的共振曲线聚四氟乙烯样品的共振曲线水样品的共振曲线水样品的共振曲线扫描过程中的共振吸收图:核磁共振波谱核磁共振波谱所谓核磁共
19、振所谓核磁共振波谱,实际上波谱,实际上是吸收率(纵是吸收率(纵坐标)对化学坐标)对化学位移(横坐标)位移(横坐标)的关系曲线。的关系曲线。乙醇中三个核磁共振吸收谱 屏蔽效应和化学位移屏蔽效应和化学位移:核外电子在外磁场作用下核外电子在外磁场作用下,在与外磁场垂直的平面上绕在与外磁场垂直的平面上绕 核环流核环流,形成环电流同时产生与外加磁场相对抗的感应磁形成环电流同时产生与外加磁场相对抗的感应磁 场场.感应磁场减弱外磁场对磁核的作用。感应磁场减弱外磁场对磁核的作用。1H有效有效=H0(1-)=H0-H0=H0-H感应感应 处于不同化学环境的质子处于不同化学环境的质子,核外电子云分布不同核外电子云
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