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1、第十二章核磁共振谱和质谱简介 对有机化合物的结构测定 以前纯粹靠化学方法是很难的事情 就是现在有大量的先进仪器设备的应用 也不谁都能很容易就能解决的问题 对胆固醇结构式的确定从十九世纪末到二十世纪初 许多人为此努力工作 时间跨度前后经历了近四十年 由此确定的结构式获得诺贝尔奖金 后来由于X 射线衍射法在结构上的应用 于1951年证实当年获得诺贝尔奖的胆固醇结构式还有错误 核磁共振谱 NuclearMagneticResonanceSpectroscopy NMR 质谱 MassSpectroscopy MS 第一节电磁波谱的一般概念 波长 一个完整波的长度 单位多数用nm 频率 每秒钟光波的振
2、动次数 单位为Hz 光速 光波的传播速度 单位为3 1010cm s 关系式为 波数 频率的另外一种表示方法 意为在1cm长度内波的数目 单位为 cm 1例如400nm的光的频率为1 400 10 7 25000cm 1 光波的能量 为planck常数意为光波的频率越大 其能量也越大 物质分子的某一能级是固定的 其值为 根据 该分子将能吸收频率为 的光波 从基态发生能级跃迁 跃迁到激发态 当一定波长的光辐射该物质后 其中频率为 的光波被分子吸收 出现分子吸收光谱 物质分子的能级是多种多样的 根据其能级的大小可以分为电子光谱 振动光谱和转动光谱三类 当分子吸收能量较低的长波光波时 只能引起分子转
3、动能级的变化 由此产生的光谱即转动光谱 引起分子转动能级变化的光波波长在远红外及微波区域 这部分光谱对有机化合物结构的测定用处不大 能引起分子振动能级变化的光波波长处于红外光区域 产生的光谱称为振动光谱 在有机化学中用处很大 也就是常称的红外光谱 能引起分子的电子能级的变化的光波波长很短 能量很高 在可见光和紫外光区 由此产生的光谱称为电子光谱 即常说的可见光 紫外光谱 VIS UV 有机化合物分子不饱和度的计算公式 n 1 t m 2 其中n为分子中4价原子的数目 如C Si t为分子中3价原子的数目 如P N m为分子中1价原子的数目 如H F Cl Br I 氧和硫的存在对不饱和度没有影
4、响 第二节核磁共振 NMR 一 概况 二 核磁共振基本原理及核磁共振仪 I 1 2m 1 2E H0 hI 2 Ho 2 vo m 1 2E H0 I II E 2 Ho E 2hvoI I 1 2 E hvo V射 Vo E hvo V射 Vo Ho 2 固定磁场扫频 固定辐射频率扫场 1H氢谱 PMR 提供的结构信息 化学位移 峰的裂分情况与偶合常数 峰面积 积分曲线 三 屏蔽效应和化学位移 1 屏蔽效应 shieldingeffect 核外电子在外磁场作用下绕核环流 产生感应磁场 处于高电子密度区域的核 感受到较外加磁场弱的磁场 必须用较高的外加场使之发生共振 H Ho H感应屏蔽作用使
5、氢核的共振吸收移向高场 处于低电子密度区域的核 使共振发生在较低场 H Ho H感应去屏蔽效应使氢核的共振吸收移向低场 2 化学位移不同化学环境中的氢核 受到的屏蔽或去屏蔽作用不同 它们的共振吸收出现在不同磁场强度下 表示 ppm 标准物质 四甲基硅烷 CH3 4Si TMS 0 单峰 CHCl3 437HZ 106 60MHZ 7 28ppm V样品 V标准 106 V标准 V 106 V标准 增大 减小 H ppm 值小 屏蔽作用大 值大 屏蔽作用小 四 影响化学位移的主要因素 1 诱导效应的影响 电负性大的原子 或基团 与1H邻接时 其吸电子作用使氢核周围电子云密度降低 屏蔽作用减少 共
6、振吸收在较低场 即质子的化学位移向低场移动 值增大 相反 给电子基团则增加了氢核周围的电子云密度 使屏蔽效应增加 共振吸收在较高场 即质子的化学位移向高场移动 值减小 ppm 试比较下面化合物分子中HaHbHc 值的大小 b a c 电负性较大的原子 可减小H原子受到的屏蔽作用 引起H原子向低场移动 向低场移动的程度正比于原子的电负性和该原子与H之间的距离 2 共轭效应的影响 同上 使氢核周围电子云密度增加 则磁屏蔽增加 共振吸收移向高场 反之 共振吸收移向低场 7 78 6 70 8 58 8 08 7 94 3 磁各向异性效应 具有多重键或共轭多重键分子 在外磁场作用下 电子会沿分子某一方
7、向流动 产生感应磁场 此感应磁场与外加磁场方向在环内相反 抗磁 在环外相同 顺磁 即对分子各部位的磁屏蔽不相同 1 双键与三键化合物的磁各向异性效应 2 芳环的磁各向异性效应 苯环平面上下方 屏蔽区 侧面 去屏蔽区 H 7 26 18 轮烯 内氢 1 8ppm 外氢 8 9ppm 和 键碳原子相连的H 其所受屏蔽作用小于烷基碳原子相连的H原子 值顺序 4 氢键的影响 具有氢键的质子其化学位移比无氢键的质子大 氢键的形成降低了核外电子云密度 随样品浓度的增加 羟基氢信号移向低场 常见有机化合物的化学位移范围 五 偶合常数 1 自旋 自旋偶合与自旋 自旋裂分 偶合即自旋核与自旋核之间的相互作用 裂
8、分即自旋 自旋偶合引起的谱带增多的现象 试判断CH3CHO分子中各组氢分别呈几重峰 2 偶合常数 J 自旋 自旋偶合裂分后 两峰之间的距离 即两峰的频率差 Va Vb 单位 HZ 偶合常数与化学键性质有关 与外加磁场强度无关 数值依赖于偶合氢原子的结构关系 A与B是相互偶合的核 n为A与B之间相隔的化学键数目 相互偶合的两组质子 彼此间作用相同 其偶合常数相同 1 同碳偶合 同一碳原子上的化学环境不同的两个氢的偶合 2JH H 2 邻碳偶合 两个相邻碳上的质子间的偶合 3JH C C H 同种相邻氢不发生偶合 一个单峰 3 远程偶合 间隔四个化学键以上的偶合 通常分子中被 键隔开 偶合常数的大
9、小 表示偶合作用的强弱 它与两个作用核之间的相对位置 核上的电荷密度 键角 原子序以及核的磁旋比等因素有关 一般 间隔四个单键以上 J值趋于零 一些常见的偶合常数 J HZ 六 化学等价 磁等价 化学不等价 1 化学等价 分子中两个相同的原子处于相同的化学环境时称化学等价 化学等价的质子必然化学位移相同 HaHa HbHb 化学等价 对称性判断分子中的质子 HaHb化学位移不等价 2 磁等价 一组化学位移等价的核 对组外任何一个核的偶合常数彼此相同 这组核为磁等价核 Ha与Hb磁等价Ha与Hc磁不等价 3 磁不等价 与手性碳原子连接的 CH2 上的两个质子是磁不等价的 双键同碳上质子磁不等价
10、构象固定的环上 CH2质子不等价 苯环上质子的磁不等价 七 积分曲线与峰面积 有几组峰 则表示样品中有几种不同类型的质子 每一组峰的强度 面积 与质子的数目成正比 各个阶梯的高度比表示不同化学位移的质子数之比 七 1H的一级谱 1 n 1规律 一组化学等价的质子 若只有一组数目为n的邻接质子 则其吸收峰数目为n 1 若有两组数目分别为n n 的邻接质子 那其吸收峰数目为 n 1 n 1 如果邻近不同的核与所研究的核之间有着接近或相同的偶合常数 那么谱线分裂的数目为 n n 1 ICH2 CH2 CH3 2 用分岔法分析质子偶合 裂分 例 CH3CHOab 八 1HNM应用 例 一化合物分子式C
11、9H12O 根据其1HNM谱 下图 试推测该化合物结构 a 7 2 5H s b 4 3 2H s c 3 4 2H q d 1 2 3H t C9H12O 某化合物其核磁共振谱如下 试指出各峰的归属 a b d c 例 已知某化合物分子式C8H9Br 其1HNMR图谱如下 试求其结构 a b c 例 已知某化合物分子式C7H16O3 其1HNMR图谱如下 试求其结构 第三节质谱 MS 简介 一 质谱分析的基本原理和质谱仪 产生离子的方法 电子轰击 EI 化学电离 CI 等 电子轰击离子化法是有机化合物电离的常规方法 化学电离法可得到丰度较高的分子离子或准分子离子峰 1 基本原理 EI法 2
12、质谱仪 1 离子源2 质量分析系统3 离子收集 检定系统 二 质谱图 横坐标 m e 质荷比 纵坐标 相对强度 最强的峰为基峰 规定其强度为100 峰的强度与该离子出现的几率有关 丰度最高的阳离子是最稳定的阳离子 大多数阳离子带电荷 1 故其峰的m e值为阳离子的质量 m e值最大的是母体分子的分子量 除非母体离子发生裂解等 质谱表 三 离子的主要类型 形成及其应用 1 分子离子 化合物分子通过某种电离方式 失去一个外层电子而形成的带正电荷的离子 对于一般有机物电子失去的程度 n 失去一个n电子形成的分子离子 失去一个 电子形成的分子离子 失去一个 电子形成的分子离子 当正电荷位置不确定时用表
13、示 分子离子峰主要用于分子量的测定 氮规则 当分子中含有偶数个氮原子或不含氮原子时 分子量应为偶数 当分子中含有奇数个氮原子时 分子量应为奇数 试判断下列化合物的分子离子峰的质荷比是偶数还是奇数 2 同位素离子 含有同位素的离子称同位素离子 同位素离子峰一般出现在相应分子离子峰或碎片离子峰的右侧附近 m e用M 1 M 2等表示 同位素峰间的强度比与同位素的天然丰度比相当 同位素峰的相对强度与分子中所含元素的原子数目及各元素的天然同位素丰度有关 同位素离子峰的强度比为 a b n展开后的各项数值比 a 轻同位素丰度 b 重同位素丰度 n 该元素在分子中的个数 通过分子离子峰与同位素离子峰的相对
14、强度比导出化合物的分子式 即利用同位素确定分子式 例 某化合物的质谱数据 M 181 PM 100 P M 1 14 68 P M 2 0 97 查 贝诺表 根据 氮规则 M 181 化合物分子式为 2 利用高分辨质谱仪给出精确分子量 以推出分子式 如 高分辨质谱仪测定精确质量为166 0630 0 006 MW 166 0570 166 0690 同位素离子峰鉴定分子中氯 溴 硫原子 如 CH3CH2Br天然丰度 79Br50 537 81Br49 463 相对强度 M 100 M 297 87 峰强度比 1 1 问题 1 烃类化合物的分子离子的m e值可能为奇数吗 2 如果分子离子只含C
15、H和O原子 其m e值是否既可以是奇数 也可以是偶数 3 如果分子离子只含C H和N原子 其m e值是否既可以是奇数 也可以是偶数 3 碎片离子和重排离子 裂解方式 均裂 异裂 半异裂 裂解 裂解 半裂解 离子化 键的裂解 1 产生氧正离子 氮正离子 卤正离子的裂解a 醛酮等化合物的 裂解 带电荷的有机官能团与相连的 碳原子之间的裂解 b 醇 醚 胺和卤代烷等化合物的 裂解 与带电荷的有机官能团相连的 碳原子与 碳原子之间的裂解 2 产生碳正离子的裂解a 烯烃类化合物的裂解 b 烷基芳烃类化合物的裂解 c 烷烃类化合物的裂解 己烷 2 甲基丁烷 新戊烷 3 脱去中性分子的裂解 RDA反应 Mc
16、laffertyrearrangement 麦氏重排 分子中有不饱和基团和 氢原子的化合物能发生麦氏重排 氢原子重排到不饱和基团上 通过六元环状过渡态 同时伴随 原子间的键断裂 1 某胺类化合物其质谱图上于m e30处有一强峰 试问其结构可能为下列化合物中的哪一个 2 3 甲基 2 戊酮在m e72处有一吸收峰 该峰是Mclafferty重排裂解产生的碎片离子峰 试写出其裂解过程 五 利用质谱和其它谱确定化合物结构 1 分子式为C6H12O的酮 A 酮 B 它们的质谱图如下 试确定酮 A 与酮 B 的结构 2 某酮分子式C10H12O 其质谱图给出如下m e值 15 43 57 91 105 148 试写出此化合物的结构 感谢亲观看此幻灯片 此课件部分内容来源于网络 如有侵权请及时联系我们删除 谢谢配合
