分析化学 第12章 波谱分析简介
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第十二章 波谱分析法 简介
§12.1 红外光谱
§12.2 核磁共振波谱
§12.3 有机质谱
§12.4 波谱的综合利用
2014年5月17日11时 6分
§12.1 红外光谱
12.1.1 概述
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
分子能选择性吸收某些波长的红外光，而引起分 子中振动能级和转动能级的跃迁。
(1) 由MS图可知未知物的分子离子质荷比为86，即分 子量为86； (2) 从分子离子(m/z 86)与M＋1同位素离子(m/z 87)的相 对强度比可推测该分子中可能有5C;
•质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。
•以有机化合物为研究对象的质谱法称为有机质谱法。
•它能提供有机物的相对分子质量；
•分子式、所含结构单元及连接次序等信息。
有机物结构分析的最重要工具之一。
2014年5月17日11时6 分
12.3.1 基本原理
进样系统 离子源
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
如碳碳键的力常数按单键、双键、叁键的顺序递增；
(3) 分子中有若干个基团，同一个基团又有若干个不同 频率的振动方式，因此在光谱图出现许多个吸收峰； (4) 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化 学键振动频率——基团特征频率（特征峰）；
(5) 根据吸收峰的位置可以推测基团的类型。
2014年5月17日11时6 分
在外磁场H0的作用下，氢核外电子云产生一个方向 与H0相反，大小与H0成正比的感应磁场。 该感应磁场对原子核起屏蔽作用，使原子核实际所 受到的外磁场强度减小。
2014年5月17日11时6 分
(1) 化学位移
分子中不同位置质子 ( 化学环境不同 ) 的核外电子云 密度有差别，实际受到H0 的作用不同。屏蔽作用大小 可用屏蔽常数(shielding constant) 表示，
2014年5月17日11时6 分
3．确定结构单元
(1) 红外光谱：特征频率→官能团
(2) 核磁共振谱：峰数与裂分数→质子种类与个数 (3) 质谱：碎片离子→稳定结构单元 4. 列出可能结构，并进行验证。
2014年5月17日11时6 分
例：
2014年5月17日11时6 分
解析过程：
1.确定分子量和分子式
对称δ s(CH3)1380㎝-1
2014年5月17日11时6 分
不对称δ
as(CH3)1460㎝
-1
二氧化碳的振 动类型及振动 频率
任何物质都能产生红外吸收吗？
产生红外吸收需要满足什么条件？
2014年5月17日11时6 分
产生红外吸收需要满足的条件：
产生红外吸收需要满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。
2014年5月17日11时6 分
核磁共振波谱仪
1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀。 2 ．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 ．射频信号接受器（检测器）： 在感应线圈中产生毫伏级信号。 4．样品管：外径5mm的玻璃管, 测量过程中旋转, 磁场作用均匀。
2014年5月17日11时6 分
2014年5月17日11时6 分
§12.4 波谱的综合利用
实际工作中，需要通过红外、核磁、质谱三种方法 的综合利用来确定一个未知化合物结构。 一般步骤：
1．确定分子量和分子式 (MS图)
2．计算分子的不饱和度 f 。所谓不饱和度是指分子中 所有的环和双键数目之总和。 f ＝1＋n4＋1/2（n3－n1） n1、n3和n4分别为分子中一价、三价和四价原子的数。
2014年5月17日11时6 分
§12.2 核磁共振波谱
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR
12.2.1 基本原理
1. 核磁共振现象 自旋量子数 I ≠ 0 的原 子核具有自旋现象。
自旋角动量的大小为 p
核磁矩，大小为 。
2014年5wk.baidu.com17日11时6 分
σ 为基团振动频率（cm-1），c为光速（2.998×1010cm· s-1），k 为连接原子的化学键力常数（N· cm-1），为基团中原子的折合 质量（g）。
2014年5月17日11时6 分
讨论：
(1) 影响基团振动频率的直接因素是化学键的强度和基
团的折合质量；
(2) 随着化学键强度增加，基团振动频率将增大；
2014年5月17日11时6 分
m/z 1 16 12 15 13 14 15 16 17 m/z
RA 3.1 1.0 3.9 9.2 85 100 1.1
3. 碎片离子
CH3
<
H3C CH2
< H3C
CH CH3
< H3C
43 57 29 15 71
正癸烷
C CH3 CH3
85
99 113
142 m/z
＝ H 0 1－ 2
核外电子云密度↑， 值↑，核实际受到的外磁场作用↓
，核的共振频率↓。因1H所处化学环境不同而造成的共 振频率的变化称为化学位移(chemical shift)。
2014年5月17日11时6 分
(2) 化学位移的表示方法
没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 （TMS）（内标） 位移常数 TMS=0 试样－ 标准物 ＝ 106 标准物
12.1.3 红外光谱仪
两种类型：
色散型 干涉型（傅立叶变换）
2014年5月17日11时6 分
双光束红外分光光度计原理图
光源
试样池
单色器 参比池
光
检测器
楔
记 录 仪
伺服电机
2014年5月17日11时6 分
放大器
傅里叶变换红外光谱仪结构框图
干涉仪 样品室
检测器 显示器 光源 计算机
绘图仪
干涉图
FTS
2014年5月17日11时6 分
2．离子的分离
在离子源中的离子受加速 电压 V 作用，飞离离子源。具 有的动能 :
(1/2)m 2= e V = [(2V)/(m/e)]1/2
在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力； m 2 / R= H0 e V 曲率半径： R= (m ) / e H0 质谱方程式：m /e = (H02 R2) / 2V
核磁共振波谱仪
2014年5月17日11时6 分
傅立叶变换核磁共振波谱仪
不是通过扫场或扫频 产生共振； 恒定磁场，施加全频 脉冲，产生共振，采集产 生的感应电流信号，经过 傅立叶变换获得一般核磁 共振谱图。 （类似于一台多道仪）
2014年5月17日11时6 分
§12.3 有机质谱
(Mass Spectrometry, MS)
12.2.4 核磁共振波谱仪
按产生磁场的方式：永久磁铁、电磁铁和超导磁体； 按磁场强度不同，所用的高频电磁波可分为： 60MHz（相对于磁场强度H0＝1.4092T） 100MHz（H0＝2.3500T） 200MHz（H0＝4.700T）； 按高频电磁波的来源不同，又分为： 连续波和脉冲波傅里叶变换两种仪器。
改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。
2014年5月17日11时6 分
12.3.2 质谱离子的类型及提供的结构信息
1.分子离子峰( M＋·) 分子失去一个价电子后生成的正离子称为分子离子。 (1) 其质荷比等于化合物的相对分子量；
(2) 峰的相对强度表明分子的稳定性程度；
(3) 碎片离子由分子离子裂解产生(可拼接分子结构)；
2014年5月17日11时6 分
常见基团的红外吸收带
=C-H O-H C-H CC C=C
O-H（氢键） S-H
C=O
C-C，C-N，C-O C-X
P-H CN
N-O N-N C-F C=N
N-H
C-H，N-H，O-H 3500
2014年5月17日11时6 分
3000
2500
2000
1500
1000 500
自旋核处于外磁场H0中，外磁场和核磁矩之间的作
用力使原来简并的能级分裂成个 2I + 1 个磁能级。
氢原子核（也称质子，常用1H表示氢核）I =1/2， 则裂分成2个磁能级，它们的能级差为：
h E＝ H 0 2
H0为外磁场强度；
为氢原子核的旋磁比，等于 /p
；h为普朗克常数。
2014年5月17日11时6 分
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
2014年5月17日11时6 分
12.1.2 基本原理
分子中有哪些振动？ 如何振动？ 分子中的两类振动形式：
伸缩振动 和变形振动
例：亚甲基
2014年5月17日11时6 分
甲基：
伸缩振动 对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1 变形振动 不对称 υ as(CH3) 2960㎝-1
红外光谱信息区
基团频率出现的范围：4000 670 cm-1 依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000 2500 cm-1 X—H伸缩振动区(X= O, N, C, S) (2)2500 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区 (3)1900 1200 cm-1 双键伸缩振动区 (4)1200 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区 “指纹区”
2014年5月17日11时6 分
(3) 影响化学位移的因素
相邻基团的电负性、氢键以及 溶剂效应等。
2014年5月17日11时6 分
3.自旋耦合和自旋裂分
磁核之间的相互作用称为自旋 - 自旋耦合 ( spin-spin coupling)，吸收峰产生裂分的现象称为自旋裂分。
H 0 1－ ＋H 2 2＝ H 0 1－ －H 2 1＝
(4) 分子离子一定是质谱图中质荷比最大的离子（除同
位素离子外）； (5) 质荷比最大的离子不一定是分子离子。
2014年5月17日11时6 分
2.同位素离子峰(M+1,M+2)
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M+2，M+3；
例如：CH4 M=16 12C+1H×4=16 M 分子离子峰 13C+1H×4=17 M+1 同 12C+2H+1H×3=17 M+1 位 素 13C+2H+1H×3=18 M+2 峰
2014年5月17日11时6 分
峰裂分数与峰面积
峰裂分数：n+1 规律； 相邻碳原子上的质子数；
峰面积与同类质子数成 正比。
裂分峰之间的裂距表示磁核之 间相互作用的程度，称作耦合 常数(coupling constant)，用 J 表示。耦合常数是一个重要结 构参数。
2014年5月17日11时6 分
质量分析器
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
质谱仪需要在高真空下工作： 离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ）
2014年5月17日11时6 分
1. 试样的电离
有机分子在离子源中受到电子轰击而电离和裂分。 形成离子流：带正电荷的分子离子、各种碎片离子。
在垂直于 H0 的方向施加频率为射频区 域的电磁波，作用于 1 H，而其能量正好 等于能级差Δ E，1H就能吸收电磁波的能 量，从低能级跃迁到高能级，这就是核
磁共振现象。外加电磁波的频率 为：
h h E H 0 2 1 H 0 2
2014年5月17日11时6 分
2. 化学位移
光谱图
2014年5月17日11时6 分
傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
2014年5月17日11时6 分
12.1.4 红外光谱的应用
有机化合物结构鉴定 已有物质：与标准谱图对照，计算机谱图库 新物质：谱图解析
特征频率峰 官能团
红外光谱
指纹峰 精细结构
分子结构
2014年5月17日11时6 分
2014年5月17日11时6 分
对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，
无红外活性。 如： N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩， 红外活性。 振动频率与哪些因素有关？
2014年5月17日11时6 分
分子振动方程
不同基团有不同的振动频率。由经典力学可导出双 原子分子的分子振动方程式。该式表明了影响伸缩振 动频率的因素。
12.2.3 核磁共振谱图及其提供的信息
（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；
（2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多少个；
（3）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，化合物中位置； （4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数； （5）偶合常数(J)：确定化合物构型。
2014年5月17日11时6 分
§12.1 红外光谱
§12.2 核磁共振波谱
§12.3 有机质谱
§12.4 波谱的综合利用
2014年5月17日11时 6分
§12.1 红外光谱
12.1.1 概述
Infrared Absorption Spectroscopy, IR
分子能选择性吸收某些波长的红外光，而引起分 子中振动能级和转动能级的跃迁。
(1) 由MS图可知未知物的分子离子质荷比为86，即分 子量为86； (2) 从分子离子(m/z 86)与M＋1同位素离子(m/z 87)的相 对强度比可推测该分子中可能有5C;
•质谱法是分离和记录离子化的原子或分子的方法。
•以有机化合物为研究对象的质谱法称为有机质谱法。
•它能提供有机物的相对分子质量；
•分子式、所含结构单元及连接次序等信息。
有机物结构分析的最重要工具之一。
2014年5月17日11时6 分
12.3.1 基本原理
进样系统 离子源
1.电子轰击 2.化学电离 3.场致电离 4.激光
如碳碳键的力常数按单键、双键、叁键的顺序递增；
(3) 分子中有若干个基团，同一个基团又有若干个不同 频率的振动方式，因此在光谱图出现许多个吸收峰； (4) 与一定结构单元相联系的、在一定范围内出现的化 学键振动频率——基团特征频率（特征峰）；
(5) 根据吸收峰的位置可以推测基团的类型。
2014年5月17日11时6 分
在外磁场H0的作用下，氢核外电子云产生一个方向 与H0相反，大小与H0成正比的感应磁场。 该感应磁场对原子核起屏蔽作用，使原子核实际所 受到的外磁场强度减小。
2014年5月17日11时6 分
(1) 化学位移
分子中不同位置质子 ( 化学环境不同 ) 的核外电子云 密度有差别，实际受到H0 的作用不同。屏蔽作用大小 可用屏蔽常数(shielding constant) 表示，
2014年5月17日11时6 分
3．确定结构单元
(1) 红外光谱：特征频率→官能团
(2) 核磁共振谱：峰数与裂分数→质子种类与个数 (3) 质谱：碎片离子→稳定结构单元 4. 列出可能结构，并进行验证。
2014年5月17日11时6 分
例：
2014年5月17日11时6 分
解析过程：
1.确定分子量和分子式
对称δ s(CH3)1380㎝-1
2014年5月17日11时6 分
不对称δ
as(CH3)1460㎝
-1
二氧化碳的振 动类型及振动 频率
任何物质都能产生红外吸收吗？
产生红外吸收需要满足什么条件？
2014年5月17日11时6 分
产生红外吸收需要满足的条件：
产生红外吸收需要满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。
2014年5月17日11时6 分
核磁共振波谱仪
1．永久磁铁：提供外磁场，要求稳定性好，均匀。 2 ．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 ．射频信号接受器（检测器）： 在感应线圈中产生毫伏级信号。 4．样品管：外径5mm的玻璃管, 测量过程中旋转, 磁场作用均匀。
2014年5月17日11时6 分
2014年5月17日11时6 分
§12.4 波谱的综合利用
实际工作中，需要通过红外、核磁、质谱三种方法 的综合利用来确定一个未知化合物结构。 一般步骤：
1．确定分子量和分子式 (MS图)
2．计算分子的不饱和度 f 。所谓不饱和度是指分子中 所有的环和双键数目之总和。 f ＝1＋n4＋1/2（n3－n1） n1、n3和n4分别为分子中一价、三价和四价原子的数。
2014年5月17日11时6 分
§12.2 核磁共振波谱
Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, NMR
12.2.1 基本原理
1. 核磁共振现象 自旋量子数 I ≠ 0 的原 子核具有自旋现象。
自旋角动量的大小为 p
核磁矩，大小为 。
2014年5wk.baidu.com17日11时6 分
σ 为基团振动频率（cm-1），c为光速（2.998×1010cm· s-1），k 为连接原子的化学键力常数（N· cm-1），为基团中原子的折合 质量（g）。
2014年5月17日11时6 分
讨论：
(1) 影响基团振动频率的直接因素是化学键的强度和基
团的折合质量；
(2) 随着化学键强度增加，基团振动频率将增大；
2014年5月17日11时6 分
m/z 1 16 12 15 13 14 15 16 17 m/z
RA 3.1 1.0 3.9 9.2 85 100 1.1
3. 碎片离子
CH3
<
H3C CH2
< H3C
CH CH3
< H3C
43 57 29 15 71
正癸烷
C CH3 CH3
85
99 113
142 m/z
＝ H 0 1－ 2
核外电子云密度↑， 值↑，核实际受到的外磁场作用↓
，核的共振频率↓。因1H所处化学环境不同而造成的共 振频率的变化称为化学位移(chemical shift)。
2014年5月17日11时6 分
(2) 化学位移的表示方法
没有完全裸露的氢核，没有绝对的标准。 相对标准：四甲基硅烷 Si(CH3)4 （TMS）（内标） 位移常数 TMS=0 试样－ 标准物 ＝ 106 标准物
12.1.3 红外光谱仪
两种类型：
色散型 干涉型（傅立叶变换）
2014年5月17日11时6 分
双光束红外分光光度计原理图
光源
试样池
单色器 参比池
光
检测器
楔
记 录 仪
伺服电机
2014年5月17日11时6 分
放大器
傅里叶变换红外光谱仪结构框图
干涉仪 样品室
检测器 显示器 光源 计算机
绘图仪
干涉图
FTS
2014年5月17日11时6 分
2．离子的分离
在离子源中的离子受加速 电压 V 作用，飞离离子源。具 有的动能 :
(1/2)m 2= e V = [(2V)/(m/e)]1/2
在磁场存在下，带电离子按曲线轨迹飞行； 离心力 =向心力； m 2 / R= H0 e V 曲率半径： R= (m ) / e H0 质谱方程式：m /e = (H02 R2) / 2V
核磁共振波谱仪
2014年5月17日11时6 分
傅立叶变换核磁共振波谱仪
不是通过扫场或扫频 产生共振； 恒定磁场，施加全频 脉冲，产生共振，采集产 生的感应电流信号，经过 傅立叶变换获得一般核磁 共振谱图。 （类似于一台多道仪）
2014年5月17日11时6 分
§12.3 有机质谱
(Mass Spectrometry, MS)
12.2.4 核磁共振波谱仪
按产生磁场的方式：永久磁铁、电磁铁和超导磁体； 按磁场强度不同，所用的高频电磁波可分为： 60MHz（相对于磁场强度H0＝1.4092T） 100MHz（H0＝2.3500T） 200MHz（H0＝4.700T）； 按高频电磁波的来源不同，又分为： 连续波和脉冲波傅里叶变换两种仪器。
改变加速电压V, 可以使不同m/e 的离子进入检测器。
2014年5月17日11时6 分
12.3.2 质谱离子的类型及提供的结构信息
1.分子离子峰( M＋·) 分子失去一个价电子后生成的正离子称为分子离子。 (1) 其质荷比等于化合物的相对分子量；
(2) 峰的相对强度表明分子的稳定性程度；
(3) 碎片离子由分子离子裂解产生(可拼接分子结构)；
2014年5月17日11时6 分
常见基团的红外吸收带
=C-H O-H C-H CC C=C
O-H（氢键） S-H
C=O
C-C，C-N，C-O C-X
P-H CN
N-O N-N C-F C=N
N-H
C-H，N-H，O-H 3500
2014年5月17日11时6 分
3000
2500
2000
1500
1000 500
自旋核处于外磁场H0中，外磁场和核磁矩之间的作
用力使原来简并的能级分裂成个 2I + 1 个磁能级。
氢原子核（也称质子，常用1H表示氢核）I =1/2， 则裂分成2个磁能级，它们的能级差为：
h E＝ H 0 2
H0为外磁场强度；
为氢原子核的旋磁比，等于 /p
；h为普朗克常数。
2014年5月17日11时6 分
辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构
2014年5月17日11时6 分
12.1.2 基本原理
分子中有哪些振动？ 如何振动？ 分子中的两类振动形式：
伸缩振动 和变形振动
例：亚甲基
2014年5月17日11时6 分
甲基：
伸缩振动 对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1 变形振动 不对称 υ as(CH3) 2960㎝-1
红外光谱信息区
基团频率出现的范围：4000 670 cm-1 依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000 2500 cm-1 X—H伸缩振动区(X= O, N, C, S) (2)2500 1900 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区 (3)1900 1200 cm-1 双键伸缩振动区 (4)1200 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区 “指纹区”
2014年5月17日11时6 分
(3) 影响化学位移的因素
相邻基团的电负性、氢键以及 溶剂效应等。
2014年5月17日11时6 分
3.自旋耦合和自旋裂分
磁核之间的相互作用称为自旋 - 自旋耦合 ( spin-spin coupling)，吸收峰产生裂分的现象称为自旋裂分。
H 0 1－ ＋H 2 2＝ H 0 1－ －H 2 1＝
(4) 分子离子一定是质谱图中质荷比最大的离子（除同
位素离子外）； (5) 质荷比最大的离子不一定是分子离子。
2014年5月17日11时6 分
2.同位素离子峰(M+1,M+2)
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M+2，M+3；
例如：CH4 M=16 12C+1H×4=16 M 分子离子峰 13C+1H×4=17 M+1 同 12C+2H+1H×3=17 M+1 位 素 13C+2H+1H×3=18 M+2 峰
2014年5月17日11时6 分
峰裂分数与峰面积
峰裂分数：n+1 规律； 相邻碳原子上的质子数；
峰面积与同类质子数成 正比。
裂分峰之间的裂距表示磁核之 间相互作用的程度，称作耦合 常数(coupling constant)，用 J 表示。耦合常数是一个重要结 构参数。
2014年5月17日11时6 分
质量分析器
1.单聚焦 2.双聚焦 3.飞行时间 4.四极杆
检测器
1.气体扩散 2.直接进样 3.气相色谱
质谱仪需要在高真空下工作： 离子源（10-3 10 -5 Pa ） 质量分析器（10 -6 Pa ）
2014年5月17日11时6 分
1. 试样的电离
有机分子在离子源中受到电子轰击而电离和裂分。 形成离子流：带正电荷的分子离子、各种碎片离子。
在垂直于 H0 的方向施加频率为射频区 域的电磁波，作用于 1 H，而其能量正好 等于能级差Δ E，1H就能吸收电磁波的能 量，从低能级跃迁到高能级，这就是核
磁共振现象。外加电磁波的频率 为：
h h E H 0 2 1 H 0 2
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2. 化学位移
光谱图
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傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
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12.1.4 红外光谱的应用
有机化合物结构鉴定 已有物质：与标准谱图对照，计算机谱图库 新物质：谱图解析
特征频率峰 官能团
红外光谱
指纹峰 精细结构
分子结构
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对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，
无红外活性。 如： N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩， 红外活性。 振动频率与哪些因素有关？
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分子振动方程
不同基团有不同的振动频率。由经典力学可导出双 原子分子的分子振动方程式。该式表明了影响伸缩振 动频率的因素。
12.2.3 核磁共振谱图及其提供的信息
（1）峰的数目：标志分子中磁不等性质子的种类，多少种；
（2）峰的强度(面积)：每类质子的数目(相对)，多少个；
（3）峰的位移( )：每类质子所处的化学环境，化合物中位置； （4）峰的裂分数：相邻碳原子上质子数； （5）偶合常数(J)：确定化合物构型。
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