第十四章 核磁共振波谱法与质谱简介

1第十四章核磁共振波谱法和质谱法简介

◆学习目的◆知识要求◆能力要求2学习目的通过学习核磁共振波谱法和质谱法了解核磁共振波谱法和质谱法产生的原理和在分析检测中的应用。3知识要求1.了解核磁共振波谱法和质谱法的各自特点和用途。2.了解核磁共振波谱和质谱产生的原理。3.理解共振吸收、化学位移、质谱图等的含义4

案例导入在1946年，哈佛大学的Purcell与斯坦福大学的Bloch等人首次发现并证实核磁共振现象，并因此获得1952年诺贝尔奖。

目前NMR波谱是分子科学、材料科学和医学中研究不同物质结构、动态和物性的最有效工具之一。哈佛大学教授珀塞尔斯坦福大学教授布洛赫5第一节核磁共振波谱法简介核磁共振（NMR）指原子核放入磁场中，用适宜频率的电磁波照射，吸收能量后，发生原子核能级的跃迁的现象。核磁共振光谱（NMRspectrum）是核磁共振信号的强度随照射波频率或外磁场磁感强度而改变的曲线。

NMR的研究对象

磁性核与电磁波的相互作用6第一节核磁共振波谱法简介一、核磁共振的基本原理

原子核荷带正电，当其绕轴旋转时产生电流，周围形成磁场，使得原子核存在磁距μ。 磁距μ与自旋角动量P成正比，比例常数为

：

=P

称为磁旋比，是原子核的重要属性。7第一节核磁共振波谱法简介磁性核和非磁性核磁矩

（一）原子核的自旋但是，不是所有的原子核都有磁性。8第一节核磁共振波谱法简介原子核为带电粒子。原子核自旋的特征用自旋量子数I来描述，根据I值的不同，原子核分为三类：①I=0，它们的质子数和质量数均为偶数，在磁场中不产生核磁共振信号，如12C、16O、32S等。②I=整数，它们的质子数为奇数，而质量数为偶数，如2H、14N等。这类核有自旋和核磁距现象，但因较复杂，目前研究得较少。③I=半整数，它们是质量数为奇数的核，如1H、13C、19F、31P和15N等，这类核在磁场中能产生核磁共振信号，且其波谱较简单。其中碳谱（13C—NMR），尤其是氢谱（1H-NMR），是有机物结构分析的强有力工具之一。9第一节核磁共振波谱法简介（二）原子核的进动与核磁共振

(a)地球重力场中陀螺的进动(b)磁场中磁性核的进动磁性核：109种元素所有的核均带电荷，具有有磁性的核具有角动量，即其电荷可以绕自旋轴自转(似带电的陀螺)10第一节核磁共振波谱法简介图示：磁性核在外加磁场中的行为此图说明：无外加磁场时，样品中的磁性核任意取向；放入磁场中，核的磁角动量取向统一，与磁场方向平行或反平行11第一节核磁共振波谱法简介图说明：(1)无外加磁场时，磁性核的能量相等。(2)放入磁场中，有与磁场平行（低能量）和反平行（高能量）两种，出现能量差

E=h

。12第一节核磁共振波谱法简介NNSSSNNS用能量等于

E的电磁波照射磁场中的磁性核，则低能级上的某些核会被激发到高能级上去(或核自旋由与磁场平行方向转为反平行)，同时高能级上的某些核会放出能量返回低能级，产生能级间的能量转移，此即共振。NMR

利用磁场中的磁性原子核吸收电磁波时产生的能级分裂与共振现象。13第一节核磁共振波谱法简介例如：1H核的自旋量子数为1/2。在外加磁场中，它只能有两种取向：一种与外磁场平行，为低能级E1，以磁量子数m=+1/2表征；一种与外磁场逆平行，为高能级E2，以磁量子数m=-1/2表征。两能级之差△E为：

其进动频率为：

其意义为，当用一定频率电磁波照射1H核时，若电磁辐射所提供的能量恰好等于其核能级差的能量（△E）时，1H核就吸收电磁辐射的能量，从低能级跃迁至高能级，从而产生核磁共振吸收。可以通过改变照射电磁波的频率υ（扫频），或外磁场的强度H0（扫场）来满足核的共振条件。一般情况下是采用改变外磁场的强度H0，实现核共振。

=

H0/2

14第一节核磁共振波谱法简介二、波谱图与分子结构化学位移原子核在一定强度的磁场中，由于共振吸收的缘故，要吸收一定频率的电磁辐射，并在核磁共振谱中的一定位置上出现吸收峰。由于原子核的性质不同，吸收电磁辐射的频率不同，而出现吸收峰的位置也不同。由于核外电子对原子核有一定的屏蔽作用，因此，原子核受核外电子屏蔽作用的影响，使吸收峰在核磁共振图谱中的位置（峰位）发生移动。

15第一节核磁共振波谱法简介把一种原子核由于受化学环境的影响，其实际观察到的核磁共振频率与完全没有核外电子时的核磁共振频率的差值，称为化学位移。

化学位移定义或特定质子的吸收位置与标准质子的吸收位置之差，称为该质子的化学位移，用

(ppm)表示。16第一节核磁共振波谱法简介化学位移的绝对值也不易测得，所以，习惯上用核磁共振频率的相对值来表示化学位移，符号为δ。通常以TMS（四甲基硅烷）作为内标，因为TMS（四甲基硅烷）发生共振时，所要求的磁场强度H0最高，因此，把它的化学位移（δ）规定为零，一般有机物中氢核的δ都是负值。为了方便起见，一般不写负号，凡是δ较大的氢核，就称为低场，位于图谱的左侧；凡是δ较小的氢核，就称为高场，位于图谱的右侧。为了应用方便，δ一般都用相对值来表示，无量纲。

化学位移计算公式若固定照射频率υ0扫场，为：17第一节核磁共振波谱法简介（二）TMS的优点1）单峰：TMS中所有质子等同，只有一个吸收峰2）TMS的屏蔽系数几乎比所有其他物质的都大(电子云密度大)，处在高场位置，化学位移定为零，则其他化合物H核的共振频率都在左侧3）一个分子中有12个等价H和4个等价C，故加入低含量如1-5%v/v的TMS可得到足够强的尖峰。4）TMS稳定，在大多数有机液体中的溶解性好，沸点低(b.p.=27

C)，蒸汽压高，可挥发除去，便于回收样品。5）TMS不溶于水，对于水溶液，有DDS和TSP-d4等钠盐替代品。它们的甲基H在几乎与TMS相同的位置出峰，亚甲基H出一系列小峰，市售亚甲基H均为氘代产品。18第一节核磁共振波谱法简介化学位移是核磁共振波谱的定性参数。以化学位移δ值作横坐标的CH3OCH2COOH的1H核磁共振谱如图，19第一节核磁共振波谱法简介三、核磁共振波谱仪核磁共振波谱仪的主要部件有磁铁、射频发生器、扫描发生器、信号接收器、样品管和记录系统等。20第一节核磁共振波谱法简介NMR仪器的基本构成外加磁场探头高频电磁波发生器及接受器数据处理及记录21第一节核磁共振波谱法简介点滴积累1．核磁共振产生的原因处于外磁场B0中的磁性核，当被射频照射时，射频的频率正好与核的两个能级差的能量相同时，自旋核便会吸收射频能量，跃迁到高能态，产生核磁共振。2．化学位移δ是实际观察到的核磁共振频率与完全没有核外电子时的核磁共振频率的差值，δ是核磁共振波谱用于结构分析的主要参数之一。3．核磁共振波谱仪按扫描方式不同分为连续波核磁共振仪和脉冲傅立叶变换核磁共振仪。22第二节质谱法简介第二节质谱法简介

质谱法是通过将样品转化为运动的气态离子并按质荷比（m/z）大小进行分离记录的分析方法。所获得结果即为质谱图（亦称质谱）。根据质谱图提供的信息可以进行多种有机物及无机物的定性和定量分析、复杂化合物的结构分析、样品中各种同位素比的测定及固体表面的结构和组成分析等。质谱仪早期主要用于原子量的测定和定量测定某些复杂碳氢混合物中的各组分等。1960年以后，才开始用于复杂化合物的鉴定和结构分析。实验证明，质谱法是研究有机化合物结构的有力工具。23第二节质谱法简介一、质谱法的基本概念（一）质谱图与质谱表质谱法的主要应用是鉴定复杂分子并阐述其结构，确定元素的同位素及分布等。一般的质谱给出的数据有两种形式：一是棒图即质谱图，另一个为表格即质谱表。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为基峰并定为相对强度为100%，其它离子峰以对基峰的相对百分值表示。质谱表是用表格形式表示的质谱数据。质谱表中有两项即质荷比和相对强度。从质谱图上可以直观地观察整个分子的质谱全貌，而质谱表则可以准确地给出精确的m/z值及相对强度值，有助于进一步分析24第二节质谱法简介二、质谱图是以质荷比作横坐标，离子的相对强度为纵坐标，以摄谱方式获得的质谱图。利用质谱图中质谱峰的位置和峰高比可以进行定性分析，利用质谱峰的离子强度可以进行定量分析，利用质谱提供的综合信息可以进行物质结构分析和分子量测定。25第一节质谱法简介（二）离子峰分子在离子源中可以产生各种电离，即同一种分子可以产生多种离子峰，主要的有分子离子峰、碎片离子峰、亚稳离子峰和同位素离子峰等。1.分子离子峰试样分子在高能电子撞击下产生正离子，即；

M+e

M++2e式中M为待测分子，M+为分子离子或母体离子。26第一节质谱法简介2．基峰质谱图中的最高峰，由相对最稳定的离子产生，注意：基峰不一定为分子离子峰。质谱图中常以基峰高度作相对基准，即以最稳定离子的相对强度作100％，其他离子峰的高度占基峰高度的百分数就是该种离子的相对丰度。3．碎片离子

分子离子发生键的断裂和重排所产生的各种离子均称为碎片离子，其相对丰度随其稳定性的增强而增大。27第一节质谱法简介4.亚稳离子峰若质量为m1的离子在离开离子源受电场加速后，在进入质量分析器之前，由于碰撞等原因很容易进一步分裂失去中性碎片而形成质量m2的离子，即：m1m2+△m由于一部分能量被中性碎片带走，此时的m2离子比在离子源中形成的m2离子能量小故将在磁场中产生更大的偏转，观察到的m/z较小。这种峰称为亚稳离子峰，用m*表示。它的表观质量m*与m1、m2的关系是即：m*=（m2）2/m1式中m1为母离子的质量，m2为子离子的质量。

28第一节质谱法简介亚稳离子峰，由于其具有离子峰宽大（约2~5个质量单位）、相对强度低、m/z不为整数等特点，很容易从质谱图中观察。

通过亚稳离子峰可以获得有关裂解信息，通过对m*峰观察和测量，可找到相关母离子的质量与子离子的质量m