波谱学习教程
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波谱分析教程
波谱分析教程
波谱分析是一种常用的信号处理技术，用于研究信号的频谱特性。
本教程将向您介绍波谱分析的基本概念、方法和应用。
1. 什么是波谱分析？
波谱分析是通过将信号从时域转换为频域，来研究信号频谱特性的过程。
通过波谱分析，我们可以获取信号的频率成分、频谱强度和相位信息。
2. 傅里叶变换
傅里叶变换是用于将时域信号转换为频域信号的重要数学工具。
傅里叶变换将信号表示为一组正弦和余弦函数的叠加，可以将信号的频谱特性展现出来。
3. 离散傅里叶变换（DFT）
离散傅里叶变换是傅里叶变换在离散数据上的应用。
通过对离散信号进行DFT，我们可以得到信号的离散频谱。
4. 快速傅里叶变换（FFT）
快速傅里叶变换是一种高效的计算离散傅里叶变换的算法。
FFT可以大大提高计算速度，使得波谱分析在实时信号处理中得以广泛应用。
5. 波谱估计方法
波谱估计方法是通过有限的信号样本，估计信号的频谱特性。
常用的波谱估计方法包括周期图法、自相关法、最大熵法等。
6. 应用案例
波谱分析在许多领域都有广泛的应用。
例如，在通信领域，波谱分析常用于频谱分配、信号识别和调制识别等方面。
在振动分析中，波谱分析可以用于检测机械故障、分析材料的动态特性等。
在此教程中，我们将详细介绍如何进行波谱分析，包括信号预处理、傅里叶变换、波谱估计和结果解释。
通过学习本教程，您将掌握波谱分析的基本方法，为更深入的研究和应用打下基础。
波谱分析教程(第二版)课件4.IR第一节
对称性分子的对称伸缩振动也没有偶极变化，也不
产生红外吸收峰。而
， C
O
， N C
，H O
NH2 等强极性基团的伸缩振动吸收均为强吸收。
2
诱导效应
使基团极性降低的诱导效应导致基团的吸收
强度减小； 使基团极性升高的诱导效应导致基团的吸收 强度增加。 例如：
C N 为强极性基团，其
C N 吸收带尖
饱和C-H ν频率区 铵盐ν频率区 X-H ν频率区（X=B、P、S、Si）
3350~3000
3000~2700 3100~2250 2650~2000
三键ν频率区
双键ν频率区 饱和C-H 面内δ频率区 不饱和C-H面外δ频率区
2300~1900
1950~1500 1500~1350 1000~650
第三章 红外光谱
教学基本要求：
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点，理解红外 光谱的产生和拉曼位移的产生； 了解红外光谱定量分析的基本依据和定量分析方法； 掌握分子的基本振动形式及影响基本振动频率的因素； 掌握官能团的特征频率极影响频率的因素，利用红外 光谱进行有机结构分析的方法。
引言
红外光谱（infrared spectroscopy, IR）是研
4
（组）合频峰
基频峰之间相互作用，形成频率等于两个基频峰之和或之
差的吸收峰称为合频峰。（当一个光子激发了一个以上的振 动发生能级跃迁时，即可观察到组合频）
5
泛频峰 振动偶合
6
倍频峰和合频峰统称为泛 频峰。形成泛频峰的跃迁 几率较小，故与基频峰相 比，泛频峰通常为弱峰， 常常不能检出。
当相同的两个基团在分子中靠得很近时，其相应的特征 峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象称为振动偶合。
产生红外吸收峰。而
， C
O
， N C
，H O
NH2 等强极性基团的伸缩振动吸收均为强吸收。
2
诱导效应
使基团极性降低的诱导效应导致基团的吸收
强度减小； 使基团极性升高的诱导效应导致基团的吸收 强度增加。 例如：
C N 为强极性基团，其
C N 吸收带尖
饱和C-H ν频率区 铵盐ν频率区 X-H ν频率区（X=B、P、S、Si）
3350~3000
3000~2700 3100~2250 2650~2000
三键ν频率区
双键ν频率区 饱和C-H 面内δ频率区 不饱和C-H面外δ频率区
2300~1900
1950~1500 1500~1350 1000~650
第三章 红外光谱
教学基本要求：
了解红外及拉曼光谱的基本原理及异同点，理解红外 光谱的产生和拉曼位移的产生； 了解红外光谱定量分析的基本依据和定量分析方法； 掌握分子的基本振动形式及影响基本振动频率的因素； 掌握官能团的特征频率极影响频率的因素，利用红外 光谱进行有机结构分析的方法。
引言
红外光谱（infrared spectroscopy, IR）是研
4
（组）合频峰
基频峰之间相互作用，形成频率等于两个基频峰之和或之
差的吸收峰称为合频峰。（当一个光子激发了一个以上的振 动发生能级跃迁时，即可观察到组合频）
5
泛频峰 振动偶合
6
倍频峰和合频峰统称为泛 频峰。形成泛频峰的跃迁 几率较小，故与基频峰相 比，泛频峰通常为弱峰， 常常不能检出。
当相同的两个基团在分子中靠得很近时，其相应的特征 峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象称为振动偶合。
波谱分析教程第二版教学设计
波谱分析教程第二版教学设计前言波谱分析是信号处理领域的一种重要技术，它可以对信号的频谱密度进行分析，从而得到信号的频谱特征。
本教程旨在对波谱分析算法进行深入讲解，包括离散傅里叶变换（DFT）、快速傅里叶变换（FFT）以及功率谱密度估计法等。
教学目标1.了解波谱分析的基本概念和理论基础2.掌握波形信号的采样、量化、编码等基本知识3.熟悉离散傅里叶变换(DFT)、快速傅里叶变换(FFT)及功率谱密度估计法等算法的实现原理4.熟练运用Matlab等软件工具对波谱分析算法进行实际应用教学内容第一章：波谱分析基础1.1 信号的采样、量化、编码1.2 时域与频域分析1.3 傅里叶分析基本概念第二章：离散傅里叶变换（DFT）2.1 离散傅里叶变换基本概念2.2 矩阵表示2.3 傅里叶变换的性质2.4 实现方法第三章：快速傅里叶变换（FFT）3.1 快速傅里叶变换基本概念3.2 Cooley-Tukey算法3.3 Radix-2 FFT算法第四章：功率谱密度估计法4.1 周期图法4.2 平均周期图法4.3 Welch法第五章：波谱分析应用5.1 随机信号的波谱分析5.2 信道估计5.3 载波同步教学方法本教程将采用讲解、演示和实践相结合的教学方式，具体表现为：1.讲解：通过PPT等多媒体手段，进行理论知识讲解，重点阐述算法的实现原理和应用场景。
2.演示：通过Matlab等软件平台进行算法演示，展示算法的具体操作流程和输出结果。
3.实践：通过课堂作业等方式进行算法实践，巩固学生对教学中所讲授的内容的掌握程度。
总结本教程旨在帮助学生深入理解波谱分析算法的原理，熟悉算法的应用方法，并通过实践提高学生的分析和解决问题的能力。
波谱分析 研究生2PPT学习教案
要想观察NMR现象，上下能级的粒子数必须不相等， N2与N1微小的差数,正好提供了观察NMR吸收的可能性。
二: 受激跃迁过程 在外磁场的作用下, 粒子发生受激跃迁后, 粒子差数是
按指数规律减小的，如无其它因素影响, 粒子受激跃迁将 使两个能级上的粒子是趋于相等, 这时看不到吸收信号。
第4页/共25页
核磁矩周围的一切粒子）之间的一种相互作用。 这种作用使核矩系统的磁能与晶格的热能互相交
换，并使核矩系统的能量保持某一平衡值。 在热平衡时，同一时间间隔内由上向下和由下向上
跃 迁的粒子数相等。 人们将自旋一品格驰豫时间称为T1：
T1
1 2w
跃迁几率
第7页/共25页
T1
1
2w
跃迁几率
在核磁共振时，有两个过程在起作用 一是受激跃迁——核矩系统吸收电磁波能量，其效果
T２的则与核磁图谱的谱线宽度密切相关
E •T 2 h E :能级宽度
谱线的宽度：
E h
1 T2
即谱线的宽度与T2成反比
第11页/共25页
§1.3 宏观磁化强度矢量与驰豫
B0 z
B0 z
M
y x
y x
具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩.在磁场 中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和 反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁场方向的进动使XY平面 上的投影相互抵消.由于沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一 个沿Z-轴的非零合磁矩矢量.虽然在理论上经常讨论单一原子的情形,但在实 际上,单一原子的核磁信号非常小而无法观测.故此我们定义单位体积内原子 核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量, 其方向与外磁场方向相同.以此矢量来 描述宏观样品的核磁特性.
二: 受激跃迁过程 在外磁场的作用下, 粒子发生受激跃迁后, 粒子差数是
按指数规律减小的，如无其它因素影响, 粒子受激跃迁将 使两个能级上的粒子是趋于相等, 这时看不到吸收信号。
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核磁矩周围的一切粒子）之间的一种相互作用。 这种作用使核矩系统的磁能与晶格的热能互相交
换，并使核矩系统的能量保持某一平衡值。 在热平衡时，同一时间间隔内由上向下和由下向上
跃 迁的粒子数相等。 人们将自旋一品格驰豫时间称为T1：
T1
1 2w
跃迁几率
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T1
1
2w
跃迁几率
在核磁共振时，有两个过程在起作用 一是受激跃迁——核矩系统吸收电磁波能量，其效果
T２的则与核磁图谱的谱线宽度密切相关
E •T 2 h E :能级宽度
谱线的宽度：
E h
1 T2
即谱线的宽度与T2成反比
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§1.3 宏观磁化强度矢量与驰豫
B0 z
B0 z
M
y x
y x
具有非零自旋量子数的原子核具有自旋角动量,因而也就具有磁矩.在磁场 中,原来无规则的磁矩矢量会重新排列而平行于外加的磁场.与外磁场同向和 反向的磁矩矢量符合Boltzmann分布.磁矩矢量沿磁场方向的进动使XY平面 上的投影相互抵消.由于沿磁场方向能量较低,故原子分布较多一些而造成一 个沿Z-轴的非零合磁矩矢量.虽然在理论上经常讨论单一原子的情形,但在实 际上,单一原子的核磁信号非常小而无法观测.故此我们定义单位体积内原子 核磁矩的矢量和为宏观磁化强度矢量, 其方向与外磁场方向相同.以此矢量来 描述宏观样品的核磁特性.
波谱分析教程_第2章_红外光谱(IR)改
红外光谱在化学领域中主要用于分 子结构的基础研究、化合物的鉴定以及 化学组成的定量、定性分析: 1、根据光谱中吸收峰的位置和形状可以推 断未知物的化学结构； 2、根据特征吸收峰的强度可以测定混合物 中各组分的含量； 3、应用红外光谱可以测定分子的键长、键 角，从而推断分子的立体构型，判断化 学键的强弱等。 其中应用最广泛的还是化合物的鉴定
m X mD m X mD m X mH mD 2(m X 1) m X mH m X mD mH mX 2 m X mH
将（mX+1）/（mX+2）近似为1，则上式可简化为：
X H 2 X D
电子效应
诱导效应、中介效应、和共轭效应
• 诱导效应
诱导效应
讨论：
• 稀溶液中测得的红外光谱，其谱带的吸光度 (A)可遵守Beer-Lambert定律： A＝ εlc • 红外光谱的吸收强度受狭缝宽度、温度、溶 剂等因素的影响，强度不易精确测定。 • 红外光谱的吸收强度与分子振动偶极矩() 变化有关，偶极矩()变化幅度越大，吸收 强度越大。（基团极性、电效应、振动偶合、 氢键作用等） Ｐ３４
红外光谱的吸收强度
红外吸收强度及其表示符号
摩尔消光系数（ε） 强度 符号
＞200
75~200 25~75 5~25 0~5
很强
强 中等 弱 很弱
VS
S M W VW
• T % 愈低，吸光度就愈强，谱带强度就愈大。根 据T ％，谱带强度大致分为：很强吸收带(vs，T ％ ＜ 10)；强吸收带(s，10＜T ％＜40)，中强吸 收带(m，40 ＜ T ％＜90)，弱吸收带(w，T ％ ＞ 90)，宽吸收带用b表示。
2、多原子分子振动 P33
927621-波谱分析教程-红外光谱 (2)
红外光谱与分子结构
常见术语 红外光谱的基团频率 影响基团频率位移的因素 影响红外光谱吸收强度的因素 各种有机化合物的红外光谱
常见术语
基频峰分子吸收红外辐射后，由基态振动能级 （=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所产生 的吸收峰称为基频峰
倍频峰在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能 官能 级由基态（ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第 =O
4.5 5.6
4.5m
6.0 m
7.0 m
化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折 合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出 现在高波数区。
例题: 由表中查知C=C键的K=9.5 9.9 ,令 其为9.6, 计算波数值。
1 1 k 1307 k 1307 9.6 1650cm1
（2）饱和碳原子上的—C—H
—CH3 —CH2— —C-H
2960 cm-1 反对称伸缩振动
2870 cm-1 对称伸缩振动
2930 cm-1
反对称伸缩振动
3000 cm-1 以下
2850 cm-1 对称伸缩振动
2890 cm-1 弱吸收
（3）不饱和碳原子上的=C—H（ C—H ）
苯环上的 C—H =C—H
一、概述
分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构 近红外区 14000-4000cm-1 中红外区 4000-400cm-1
远红外区 400-10cm-1
物质分子吸收红外线（中红外区、即基本振动转动区）产生吸收光谱,主要是由于振动和转动能级 跃迁引起的，因此红外吸收光谱又称振转光谱。
例１水分子 （非对称分子）
2. 峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极 矩变化时，无红外吸收。
927624-波谱分析教程-绪论(BP)
这一个组份合有某种元素。
元素定性分析的方法
氧化法： 湿法（浓硝酸溶）、干法（氧瓶燃烧） 还原法：钠熔法 灼烧法：分析金属元素
灼烧实验：灼烧试验的目的是观察样品在受热时的 变化和燃烧时的现象，通过灼烧试验可以得到对鉴 定未知物种类很有用的线索，灼烧试验可以判断化 合物的类型，如多硝基化合物容易爆炸，多卤化合 物不易燃烧，淀粉无熔点，盐类难熔化，萘易升华。
要求：
首先必须了解UV、IR、NMR、MS各种方法 的基本原理、操作要点、掌握谱图解析的方法和特 点，进而培养应用多种谱图综合解析未知物的能力。
推荐参考书：
1.宁永成编著，《有机化合物结构鉴定与有机波谱 学》，科学出版社，2001
2. 谢晶曦编著，《红外光谱在有机化学和药物化学 中的应用》，科学出版社，1987
例如：
鸦片中吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究， 直至1952年才完全阐明，历时147年。
OH O HO
N C H3 吗啡碱
现代有机分析方法
现在的有机物结构测定，则采用现代有机分析法， 其优点是：省时、省力、省钱、快速、准确，试剂耗量 是微克级的，甚至更少。它不仅可以研究分子的结构， 而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的 状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是 极其重要的。
10个碳以下的羧酸、酸酐 氨基酸、多硝基酚 卤代酸、卤代酚 磺酸、亚磺酸、磺酰氯
A2组 (弱酸性 化合物)
B组 （碱性 化合物）
M组
N组
只含C、H、O 含N 含卤素 含S
含N 含S 含卤素
I组
高碳羧酸、酸酐、酚、烯醇 氨基酸、硝基酚、酰胺、醌脲、伯仲硝 基烷 卤代酚 硫醇、硫酚、氨基磺酸、醌酰、伯胺 胺(负性基取代芳胺及二芳基三芳基除 外)芳肼，N—二烷基酰胺
元素定性分析的方法
氧化法： 湿法（浓硝酸溶）、干法（氧瓶燃烧） 还原法：钠熔法 灼烧法：分析金属元素
灼烧实验：灼烧试验的目的是观察样品在受热时的 变化和燃烧时的现象，通过灼烧试验可以得到对鉴 定未知物种类很有用的线索，灼烧试验可以判断化 合物的类型，如多硝基化合物容易爆炸，多卤化合 物不易燃烧，淀粉无熔点，盐类难熔化，萘易升华。
要求：
首先必须了解UV、IR、NMR、MS各种方法 的基本原理、操作要点、掌握谱图解析的方法和特 点，进而培养应用多种谱图综合解析未知物的能力。
推荐参考书：
1.宁永成编著，《有机化合物结构鉴定与有机波谱 学》，科学出版社，2001
2. 谢晶曦编著，《红外光谱在有机化学和药物化学 中的应用》，科学出版社，1987
例如：
鸦片中吗啡碱结构的测定，从1805年开始研究， 直至1952年才完全阐明，历时147年。
OH O HO
N C H3 吗啡碱
现代有机分析方法
现在的有机物结构测定，则采用现代有机分析法， 其优点是：省时、省力、省钱、快速、准确，试剂耗量 是微克级的，甚至更少。它不仅可以研究分子的结构， 而且还能探索到分子间各种集聚态的结构构型和构象的 状况，对人类所面临的生命科学、材料科学的发展，是 极其重要的。
10个碳以下的羧酸、酸酐 氨基酸、多硝基酚 卤代酸、卤代酚 磺酸、亚磺酸、磺酰氯
A2组 (弱酸性 化合物)
B组 （碱性 化合物）
M组
N组
只含C、H、O 含N 含卤素 含S
含N 含S 含卤素
I组
高碳羧酸、酸酐、酚、烯醇 氨基酸、硝基酚、酰胺、醌脲、伯仲硝 基烷 卤代酚 硫醇、硫酚、氨基磺酸、醌酰、伯胺 胺(负性基取代芳胺及二芳基三芳基除 外)芳肼，N—二烷基酰胺
波谱分析教程 第六章 多谱综合解析
第六章多谱综合解析一综合解析谱图的一般程序1．确定样品的纯度。
2．确定分子式。
确定分子式的方法有：(1) 质谱法或冰点下降法等测定未知物的分子量，结合元素分析结果可以计算出化合物的分子式。
(2) 根据高分辨质谱给出的分子离子的精确质量数，查Beynon表或Lederberg表计算得出，也可根据低分辨质谱中的分子离子峰和M+1，M+2同位素峰的相对丰度比，查Beynon 表来推算分子式。
(3) 由核磁共振13CNMR宽带去偶谱的峰数和峰的强度估算碳原子数，结合分子量，判断分子对称性。
由偏共振去偶谱或DEPT谱得到与各碳相连的氢原子数，由1HNMR的积分曲线高度比也可认别各基团含氢数目比，确定化合物分子式。
可通过元素定性分析确定分子中是否含有杂原子，如含有N、S、X（卤素）等元素，还需测定其含量。
分子是否含氧，可从红外光谱含氧基团（OH、C=O、C-O等）的吸收峰判断。
3．计算化合物的不饱和度。
计算不饱和度对判断化合物类型很有必要。
如不饱和度在1～3之间，分子中可能含有C=C、C=O或环，如不饱和度≥4，分子中可能有苯环。
4．结构单元的确定。
5．可能结构式的推导。
6．化合物的确定。
二、不同化合物的谱图特征1．取代苯环氢谱：6.5~8.0有峰,除对位取代外,峰形复杂碳谱: 110~165有峰,一般有取代的碳原子化学位移明显移向低场质谱: 存在39,51,65,77序列;常可见91,92. 分析离子峰强红外: ~3030,~1600,~1500cm-1, 苯环取代区670-910cm-1有峰紫外: 吸收波长大于250nm2. 正构长链烷基无紫外吸收氢谱碳谱:处于高场质谱: 29,43,57——系列，各峰顶形成光滑曲线红外：2920，2850 强吸收，1470吸收，723弱吸收3．醇和酚羟基可用重水交换，氧存在使碳谱中碳原子化学位移移向低场质谱：醇通常不显示分子离子峰，但可见M－18，伯醇显示强31，仲，叔醇显示强31＋14n峰红外：3300cm-1 处的羟基强宽峰，1050－1200cm-1C-O振动吸收，酚比醇高波数。
《波谱原理及解析》第一章 绪论
1927年Heitler、London创立量子化学，建立共价键的价键方法 1928年Mulliken的分子轨道理论
Pauling的价键理论和杂化轨道理论 Hückel的简化分子轨道理论 －－－多原子分子结构的构型和键的离域 20世纪50年代起Woodward-Hoffman的轨道对称守恒原理
Fukui-Hoffman的前线轨道理论 －－－协同反应中化学反应的方向、产物的立体
M +热 M + 荧光或磷光
E = E2 - E1= h
不同能量的光 作用于分子 ，引 起分子内部不同的运动,得到 不同 的谱图，从而对分子结构、组分含 量及基团化学环境作出判断。
辐射
X射线 真空紫外
紫外 可见 红外 微波 无线电波
电磁波与光谱
波长
0.1～10nm 10～200nm 200～400nm 400～800nm 0.8～1000 m 0.1～100cm 1～1000cm
分类试验
衍生物制备
降解与合成
例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研 究，直至1952年才完全阐明，历时149年。
OH O HO
NCH3 吗啡碱
1803年从鸦片中离析得到纯品；
1881年从吗啡的锌粉蒸馏得到菲；
1925 年 Gulland 和 Robinson 提 出 吗啡 分子的结构式；
非典的冠状病毒的测定
对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是： 紫外光谱(ultraviolet spectroscopy 缩写为UV) 红外光谱(infrared spectroscopy 缩写为IR) 核磁共振谱(nuclear mag？netic resonance 缩写为NMR) 质谱(mass spectroscopy 缩写为MS)
Pauling的价键理论和杂化轨道理论 Hückel的简化分子轨道理论 －－－多原子分子结构的构型和键的离域 20世纪50年代起Woodward-Hoffman的轨道对称守恒原理
Fukui-Hoffman的前线轨道理论 －－－协同反应中化学反应的方向、产物的立体
M +热 M + 荧光或磷光
E = E2 - E1= h
不同能量的光 作用于分子 ，引 起分子内部不同的运动,得到 不同 的谱图，从而对分子结构、组分含 量及基团化学环境作出判断。
辐射
X射线 真空紫外
紫外 可见 红外 微波 无线电波
电磁波与光谱
波长
0.1～10nm 10～200nm 200～400nm 400～800nm 0.8～1000 m 0.1～100cm 1～1000cm
分类试验
衍生物制备
降解与合成
例如：鸦片中吗啡碱结构的测定，从1803年开始研 究，直至1952年才完全阐明，历时149年。
OH O HO
NCH3 吗啡碱
1803年从鸦片中离析得到纯品；
1881年从吗啡的锌粉蒸馏得到菲；
1925 年 Gulland 和 Robinson 提 出 吗啡 分子的结构式；
非典的冠状病毒的测定
对有机化合物的结构表征应用最为广泛的是： 紫外光谱(ultraviolet spectroscopy 缩写为UV) 红外光谱(infrared spectroscopy 缩写为IR) 核磁共振谱(nuclear mag？netic resonance 缩写为NMR) 质谱(mass spectroscopy 缩写为MS)
《波谱分析教程》第6章 波谱综合解析 ppt课件
关系 （4）判断活泼H——加D2O
5. 13C NMR
宽带去偶谱：不同类型C原子的个数 选择性去偶谱：每个C原子上所带的氢
原子个数 DEPT谱：C、CH、CH2、CH3
6.2 波谱综合解析步骤
1. 确定分子式 2. 计算不饱和度 3. 官能团和结构单元的确定 4. 结构单元的相应关系 5. 推定分子结构 6. 确定分子结构的光谱归属
(C)
10 4 3
96
8 7
5
2
1
11
(C)
3
4
5
11 2
1
3410 4 3源自9688 97
5
21
11
11
5 89
2
1
34
8 9 2 11 5
1
10 4 3 96
8 7
52
1
1
11
11 2 9 58
4 3
34
10
6
7
10 96
4
3
87 5 11
21
11 1 9 852
34
5 892 11 1
find what we expect to find. In particular,
depending on the hybridization of carbon
and other factors, some of the two-bond correlations (2JCH) or three-bond (3JCH) correlations are occasionally absent. To
HMQC spectrum
2.某化合物B，分子式C8H6O3，其谱图如 下，请确定其结构。
5. 13C NMR
宽带去偶谱：不同类型C原子的个数 选择性去偶谱：每个C原子上所带的氢
原子个数 DEPT谱：C、CH、CH2、CH3
6.2 波谱综合解析步骤
1. 确定分子式 2. 计算不饱和度 3. 官能团和结构单元的确定 4. 结构单元的相应关系 5. 推定分子结构 6. 确定分子结构的光谱归属
(C)
10 4 3
96
8 7
5
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11
(C)
3
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5
11 2
1
3410 4 3源自9688 97
5
21
11
11
5 89
2
1
34
8 9 2 11 5
1
10 4 3 96
8 7
52
1
1
11
11 2 9 58
4 3
34
10
6
7
10 96
4
3
87 5 11
21
11 1 9 852
34
5 892 11 1
find what we expect to find. In particular,
depending on the hybridization of carbon
and other factors, some of the two-bond correlations (2JCH) or three-bond (3JCH) correlations are occasionally absent. To
HMQC spectrum
2.某化合物B，分子式C8H6O3，其谱图如 下，请确定其结构。
《波谱分析教程》第5章 有机质谱 ppt课件
1. 电子轰击电离 (Electron Impact Ionization, EI) 源 2. 化学电离 (Chemical Ionization, CI) 源 3. 场电离 (Field Ionization, FI) 源 4. 场解吸电离 (Field Desorption, FD) 源 5. 快原子轰击电离 (Fast Atom Bombardment, FAB) 源 6. 基质辅助激光解吸电离 (Matrix-Assisted Laser
缺点： 分辨率随质荷比的增加而降低。
31
傅立叶变换离子回旋共振分析器
傅立叶变换离子回旋共振(Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR)
同时激发分析所有质荷比的离子，通过不同质 荷比的离子在回旋池中具有不同回旋运动频率 的性质分离离子，通过对检测信号进行傅立叶 变换得到质谱图。
28
离子阱(ion trap)
离子阱与四极质量分析器的原理类似，因此也称为四极离子 阱（quadrupole ion trap）；或因其储存离子的性质而称为 四极离子储存器（quadrupole ion storage, QUISTOR）。
优点： 1）单一的离子阱可实现多极“时间上”的串联质谱； 2）结构简单、价格便宜，性能价格比高； 3）灵敏度高，较四极质量分析器高达10~10000倍； 4）质量范围大，可达6000。
缺点： ➢基质背景易干扰质量数1000Da以内的物质分析。 ➢激光解析电离可能导致被分析物分解。
蛋白质组分析。
17
电喷雾电离 (Electrospray ionizatin, ESI)
样品
质量分析器
+++
波谱分析教程 第5章 质谱[1]
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在电离室生成的质量为m、电荷为z的正电荷
离子经加速电压V的加速，离子的速度为， 其动能为：m2/2＝zV 离子受到的磁场作用力Bz(沿半径指向圆心) 与离子运动的离心力m2/r大小相等，方向相 反 : m2/r ＝Bz m/z ＝ B2r2/2V
r=1/B(2mV/z) 1/2
见 P194（图5-1） ¨ 质谱是化合物分子在真空条件下受电子 流的“轰击”或强电场等其它方法的作用， 电离成离子，同时发生某些化学键的有规律 的断裂，生成具有不同质量的带正电荷的离 子，这些离子按质荷比，m／z(离子质量m与 其所带电荷数z之比)的大小被收集并记录的 谱。质谱图记录了它电离后被收集到的各种 不同质荷比的离子及其相对丰度(或强度)。
1、灵敏度；标志仪器对样品在量的方面的检测 检测能力。与仪器的电离效率、检测效率、 被检测的样品等多种因素有关。 2、分辨率：仪器对质量非常接近的两种离子 的分离能力。 R=m1（或m2）/△m R-分辨率 △m= m2— m1（两种相邻离子的质量差） 3、质量范围：质谱仪所能测量的最大m/Z值。
5.1.3
质谱图
2. 质谱术语
质荷比（mass-to-charge ratio , m/z ）： 通常情况下，z =1
峰的强度或相对丰度（Relative Abundance）：
相对于最强峰的强度
基峰：base peak 质谱图中的最强峰， RA=100
四、质谱的离子类型
EI质谱中的离子包括分子离子、碎片
离子、同位素离子、亚稳离子、重排 离子和多电荷离子等
1、分子离子
化合物失去一个或多个电子形成的离子
在裂解反应式中，分子离子中自由基或电荷中心的 形成与分子化学键电子的电离能有关。 电离能（I）越低的键电子越易被电子束逐出：
有机化学波普方法
(3) C3H6
H2 C CH2
常见氢核的化学位移值
氢核类型 饱和碳上的氢（RCH3，R2CH2，R3CH） 双键碳上的氢（=CH-） 苯环上的氢（ArH） 醛基上的氢（-CHO） 羧基上的氢（-COOH） 相邻有吸电子基的氢 A-CH （A：O，Cl，N，CO 等） δ(ppm) 0.8-1.5 4.9-5.9 6.0-8.0 9.4-10.4 10-12 2-5
Ω = 3+1-6/2 = 1，1720cm-1——νC=O ，含羰基。 相关峰：2840，2760cm-1——ν O=C-H ，为醛。 1380cm-1——δ-CH3 ，含-CH3结构。 2960cm-1——ν饱和C-H 。 结构为： 结构为：CH3CH2CHO 丙醛
问题6-2 例2. 问题
苯环νC-H
常用结构 分析方法
波谱法
紫外光谱 UV 吸收光谱 红外光谱 IR 核磁共振谱 NMR 非吸收光谱 质谱 MS
√ √
第一节 吸收光谱的一般原理
一、波长（λ）、频率（ν）和波数（σ） 波长（ 频率（ 和波数（
光的性质 λν = c E ＝ hν ν σ = 1/ λ (cm-1) λ)与能量(E)成反比。 λ) E = hc/λ ——波长(λ) ——波动性 ——粒子性
例1.
R
5H——苯H 3H——CH3 (连CO) 2H——CH2(连O)
O
Ω = 9+1-10/2 = 5
结构式为：
CH2
O
C
CH3
已知分子式C 例2. 已知分子式 9H12O，根据δ值，推断结构 ，根据δ ）；4.5（ ， ）； ）；3.5 δ ppm ：7.2（5H，s）； （2H，s）； （ ， ）； ）；1.2（ ， ）。 （2H，q）； （3H，t）。 ， ）；
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O CH 3CH 2 C OCH2CH 3
思考！ H> H
各向异性效应的影响：
CH2
= 4.5-5.9 = 7.2
H
CH
= 2.8
CH
= 2.8
2.5.2 信号的裂分:偶合常数 表示法： J
mJ n
单位：Hz
m：表示两个偶合核之 间间隔键的数目
n： 其它信息
1）偶合的产生：自旋－自旋偶合
CH4
CH3CH3
CH3aCH2bCH3a
CH3aCH2bCH2cCl
O CH3 CH2 C CH 2CH 3
原则2：不等价的质子化学位移不同
影响化学位移的因素：
原子核外电子云的分布：电负性 原子核所受的额外磁场：各向异性效应
△E = hH有效/2
电负性的影响：
邻近基团电负性 质子上电子云密度 H感应
2.6
13C-NMR(核磁共振碳谱)
1、信息
（）、J（ 一般 ）、积分曲线（ ）
2、化学位移
H 0－10 ppm ± 5 ppm
其它注意事项 提示1：测试NMR谱图时采用什么溶剂？
氘代试剂 D: I=0 注意未完全氘代的溶剂峰
1H
Chemical
Solvent
Shift
(multiplicity) 11.65 2.04 2.05 1 5 5
JHD
HOD in
13C
Chemical
(Hz)
-2.2 2.2
solvent
(approx.)
H被三个等价的H裂 分为四重峰，四重峰 的峰强比为1:3:3:1
如果一组化学等价的质子被两组数目分别为n和n’的 等价质子裂分时，那么其吸收峰数目为(n+1)(n’+1)，
H2 BrH2C C CH3
H被裂分为： (2+1)(3+1)重峰
注：s: 单重峰
d: 二重峰
t: 叁重峰
q: 四重峰 m: 多重峰
Chemical HOD in Shift JHD (Hz) solvent (multiplicity) (approx.) 4.80 (DSS) 8.03 2.92 2.75 2.50
1H
13C
Chemical Shift (multiplicity)
JCD (Hz)
B.P. M.P. (oC) o ( C)
第二部分 核磁共振谱(NMR)
Nuclear Magnetic Resonance
2.4 核磁共振的基本原理 2.5 1H-NMR(核磁共振氢谱)
2.6
13C-NMR(核磁共振碳谱)
2.4
核磁共振的基本原理
NMR仪器的基本组成
外界施加两种影响： 磁场 电磁波
原子核的磁矩和磁共振
原子核的自旋运动和自旋量子数 I 相关。 核自旋量子数：I 原子核置于磁场中，将有：2I ＋ 1 个取向
＝/c
波数，单位：cm-1
K值越大，或值越小， 值越 大
1350
官能团区
指纹区
与H结合的官能团 伸缩振动： O-H,N-H,C-H,S-H 力常数较大的键： 力常数大的键的伸缩振动： -CC-,-C N,-C=C=C-,-C=C=O, -N=C=O C=C,C=O,C=N,N=O
常见基团的红外吸收带
tricyclo[3.3.1.1(3,7)]decane-1-carboxylic acid
1H-NMR
spectra for BS2PEP and re-oxidized BS2PEP recorded in 100% (v/v) [methyl-2H]methanol The spectra for BS2PEP oxidized in methanol (A) and BS2PEP reduced and oxidized in aqueous solution (B) are identical, indicating that both have the same structure and hence the same disulphide connectivity.
O R N H R R
O X R
+δ
X
-δ
O +δ R N -δ H
R-COCl υC=O 1800cm-1
R-COF υC=O 1920cm-1
共轭效应 共轭效应使吸收峰的波数减小，向低波数方向移动 约30cm-1。
O O O O
1715 cm-1
1685 cm-1
1685 cm-1
1660 cm-1
=C-H C-H C≡C C=C
O-H
O-H 氢键
C=O C-C, C-N, C-X P-H C≡N
S-H N-H
N-O N-N C=N
C-F
C-X
C-H, N-H, O-H
3500
3000
2500 官能团区
2000
1500
1000 指纹区
500
2.3 红外光谱与分子结构
1、碳－碳伸缩振动
C≡C
C－C，C＝C，C≡C 等峰较弱
对称的结构单元不出峰
极性变化大的振动方式，出峰较强
伸缩振动峰较强，弯曲振动峰较弱
峰强的表示方法
vs-很强 s-强 m-中 w-弱 v-可变
定量分析
A=cl
信号的位置：
简 谐 振 动
+x
-x
Hooke 定律
1 m 2 k
m1m2 m1 m2
约合质量 振动频率
Modern Spectrometry
第七章 现代仪器分析方法及应用
Content
引言
第一部分 红外光谱法(IR)
第二部分
第三部分 第四部分
核磁共振谱(NMR)
紫外－可见光谱法(UV-Vis) 质谱法(MS)
引
言
2.1 引言
分析未知化合物的步骤
?
C, H, O, …
C% H% O% , …
CmHnOy
利用其各种化学反应性质推测可能结构
分子的不同层次运动
Different motion
Translation Rotation Vibration Motion of the electron Motion of the nuclear far-infrared infrared ultraviolet & visible microwave
CH3c Hd
具有沿共价键的意味
n + 1 规律
J ab ≠ Jad
Ha Hb
n + 1 规律：一组化学等价的质子被一组数目为n的 等价质子裂分时，那么其吸收峰数目为 n+1，峰强比例符合二项式。
H
H H H C C H H
H
1
2
1 1 3 3 1
外磁场方向
H被两个等价的H 裂分为叁重峰， 叁重峰的峰强比 为1:2:1
HA R1 CA R2 CB R3 HB R4 HA HB
+1/2
-1/2
R1
CA
R2
CB
R3
R4
去屏蔽 B与外磁场平行
屏蔽 B与外磁场反平行
B不存在时，A的化学位移
偶合常数
2）裂分规律
相隔三根单键以上，一般J ≈ 0
O CH3CH2
C
CH3
等价质子（磁等价）互不裂分 CH4 CH3CH3 CH3CH2Cl
各种光谱分析方法
X ray
Ultraviolet
Visual
Infrared
Micro Radio wave wave
RFID
Electron Spectroscopy Ultraviolet 200~400 nm
Visual
Infrared 2.5μ~15μ
NMR 1n~5n
400~800 nm
1
1 5 5 5
--1.9 1.9 1.9
4.8
-163.15 34.89 29.76 39.51
-3 7 7 7
-29.4 21.0 21.1 21.0
101.4
3.8
3.5
153
-61
3.3
189
18
p-Dioxane-d6 Ethanol-d6
3.53
5.29 3.56 1.11 4.87 3.31
空间效应 场效应；空间位阻；环张力
4、氢键的影响：(分子内、分子间氢键)对峰位，峰强产 生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向 移动，峰变宽、变强。
分子间氢键对—OH伸缩吸收 峰影响： 游离伯醇： 3640 cm-1 双分子缔合： 3550-3450 cm-1 多分子缔合： 3400-3200 cm-1
short
wavelength
long
第一部分 红外光谱法(IR) Infrared Spectroscopy 2.2 红外光谱的基本原理 与谱图总论 2.3 红外光谱与分子结构
2.2
红外光谱的基本原理与谱图总论
对应某一根键的某一种振动方式
信号的强度： 极性键出峰较强
C＝O，O－H，C－H 等峰较强
2260-2100
>
C＝C
1680-1600
>
C－C
于指纹区
2、碳－氢伸缩振动
C
sp－H
>
C
sp2－H
>
C
sp3－H
3320-3310
3090-3010
3000-2800
3、影响峰位变化的因素 诱导效应： 吸电子基团使吸收峰向高波数方向移动（蓝 移）, 反之向低波数方向移动（红移）
思考！ H> H
各向异性效应的影响：
CH2
= 4.5-5.9 = 7.2
H
CH
= 2.8
CH
= 2.8
2.5.2 信号的裂分:偶合常数 表示法： J
mJ n
单位：Hz
m：表示两个偶合核之 间间隔键的数目
n： 其它信息
1）偶合的产生：自旋－自旋偶合
CH4
CH3CH3
CH3aCH2bCH3a
CH3aCH2bCH2cCl
O CH3 CH2 C CH 2CH 3
原则2：不等价的质子化学位移不同
影响化学位移的因素：
原子核外电子云的分布：电负性 原子核所受的额外磁场：各向异性效应
△E = hH有效/2
电负性的影响：
邻近基团电负性 质子上电子云密度 H感应
2.6
13C-NMR(核磁共振碳谱)
1、信息
（）、J（ 一般 ）、积分曲线（ ）
2、化学位移
H 0－10 ppm ± 5 ppm
其它注意事项 提示1：测试NMR谱图时采用什么溶剂？
氘代试剂 D: I=0 注意未完全氘代的溶剂峰
1H
Chemical
Solvent
Shift
(multiplicity) 11.65 2.04 2.05 1 5 5
JHD
HOD in
13C
Chemical
(Hz)
-2.2 2.2
solvent
(approx.)
H被三个等价的H裂 分为四重峰，四重峰 的峰强比为1:3:3:1
如果一组化学等价的质子被两组数目分别为n和n’的 等价质子裂分时，那么其吸收峰数目为(n+1)(n’+1)，
H2 BrH2C C CH3
H被裂分为： (2+1)(3+1)重峰
注：s: 单重峰
d: 二重峰
t: 叁重峰
q: 四重峰 m: 多重峰
Chemical HOD in Shift JHD (Hz) solvent (multiplicity) (approx.) 4.80 (DSS) 8.03 2.92 2.75 2.50
1H
13C
Chemical Shift (multiplicity)
JCD (Hz)
B.P. M.P. (oC) o ( C)
第二部分 核磁共振谱(NMR)
Nuclear Magnetic Resonance
2.4 核磁共振的基本原理 2.5 1H-NMR(核磁共振氢谱)
2.6
13C-NMR(核磁共振碳谱)
2.4
核磁共振的基本原理
NMR仪器的基本组成
外界施加两种影响： 磁场 电磁波
原子核的磁矩和磁共振
原子核的自旋运动和自旋量子数 I 相关。 核自旋量子数：I 原子核置于磁场中，将有：2I ＋ 1 个取向
＝/c
波数，单位：cm-1
K值越大，或值越小， 值越 大
1350
官能团区
指纹区
与H结合的官能团 伸缩振动： O-H,N-H,C-H,S-H 力常数较大的键： 力常数大的键的伸缩振动： -CC-,-C N,-C=C=C-,-C=C=O, -N=C=O C=C,C=O,C=N,N=O
常见基团的红外吸收带
tricyclo[3.3.1.1(3,7)]decane-1-carboxylic acid
1H-NMR
spectra for BS2PEP and re-oxidized BS2PEP recorded in 100% (v/v) [methyl-2H]methanol The spectra for BS2PEP oxidized in methanol (A) and BS2PEP reduced and oxidized in aqueous solution (B) are identical, indicating that both have the same structure and hence the same disulphide connectivity.
O R N H R R
O X R
+δ
X
-δ
O +δ R N -δ H
R-COCl υC=O 1800cm-1
R-COF υC=O 1920cm-1
共轭效应 共轭效应使吸收峰的波数减小，向低波数方向移动 约30cm-1。
O O O O
1715 cm-1
1685 cm-1
1685 cm-1
1660 cm-1
=C-H C-H C≡C C=C
O-H
O-H 氢键
C=O C-C, C-N, C-X P-H C≡N
S-H N-H
N-O N-N C=N
C-F
C-X
C-H, N-H, O-H
3500
3000
2500 官能团区
2000
1500
1000 指纹区
500
2.3 红外光谱与分子结构
1、碳－碳伸缩振动
C≡C
C－C，C＝C，C≡C 等峰较弱
对称的结构单元不出峰
极性变化大的振动方式，出峰较强
伸缩振动峰较强，弯曲振动峰较弱
峰强的表示方法
vs-很强 s-强 m-中 w-弱 v-可变
定量分析
A=cl
信号的位置：
简 谐 振 动
+x
-x
Hooke 定律
1 m 2 k
m1m2 m1 m2
约合质量 振动频率
Modern Spectrometry
第七章 现代仪器分析方法及应用
Content
引言
第一部分 红外光谱法(IR)
第二部分
第三部分 第四部分
核磁共振谱(NMR)
紫外－可见光谱法(UV-Vis) 质谱法(MS)
引
言
2.1 引言
分析未知化合物的步骤
?
C, H, O, …
C% H% O% , …
CmHnOy
利用其各种化学反应性质推测可能结构
分子的不同层次运动
Different motion
Translation Rotation Vibration Motion of the electron Motion of the nuclear far-infrared infrared ultraviolet & visible microwave
CH3c Hd
具有沿共价键的意味
n + 1 规律
J ab ≠ Jad
Ha Hb
n + 1 规律：一组化学等价的质子被一组数目为n的 等价质子裂分时，那么其吸收峰数目为 n+1，峰强比例符合二项式。
H
H H H C C H H
H
1
2
1 1 3 3 1
外磁场方向
H被两个等价的H 裂分为叁重峰， 叁重峰的峰强比 为1:2:1
HA R1 CA R2 CB R3 HB R4 HA HB
+1/2
-1/2
R1
CA
R2
CB
R3
R4
去屏蔽 B与外磁场平行
屏蔽 B与外磁场反平行
B不存在时，A的化学位移
偶合常数
2）裂分规律
相隔三根单键以上，一般J ≈ 0
O CH3CH2
C
CH3
等价质子（磁等价）互不裂分 CH4 CH3CH3 CH3CH2Cl
各种光谱分析方法
X ray
Ultraviolet
Visual
Infrared
Micro Radio wave wave
RFID
Electron Spectroscopy Ultraviolet 200~400 nm
Visual
Infrared 2.5μ~15μ
NMR 1n~5n
400~800 nm
1
1 5 5 5
--1.9 1.9 1.9
4.8
-163.15 34.89 29.76 39.51
-3 7 7 7
-29.4 21.0 21.1 21.0
101.4
3.8
3.5
153
-61
3.3
189
18
p-Dioxane-d6 Ethanol-d6
3.53
5.29 3.56 1.11 4.87 3.31
空间效应 场效应；空间位阻；环张力
4、氢键的影响：(分子内、分子间氢键)对峰位，峰强产 生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向 移动，峰变宽、变强。
分子间氢键对—OH伸缩吸收 峰影响： 游离伯醇： 3640 cm-1 双分子缔合： 3550-3450 cm-1 多分子缔合： 3400-3200 cm-1
short
wavelength
long
第一部分 红外光谱法(IR) Infrared Spectroscopy 2.2 红外光谱的基本原理 与谱图总论 2.3 红外光谱与分子结构
2.2
红外光谱的基本原理与谱图总论
对应某一根键的某一种振动方式
信号的强度： 极性键出峰较强
C＝O，O－H，C－H 等峰较强
2260-2100
>
C＝C
1680-1600
>
C－C
于指纹区
2、碳－氢伸缩振动
C
sp－H
>
C
sp2－H
>
C
sp3－H
3320-3310
3090-3010
3000-2800
3、影响峰位变化的因素 诱导效应： 吸电子基团使吸收峰向高波数方向移动（蓝 移）, 反之向低波数方向移动（红移）