衍射-核磁-质谱.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,质,谱,圆二色,谱,元素分,析,核磁共,振,紫外可见光谱,旋光光,谱,红外和拉曼光谱,X-,射线单晶衍,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,:,粗产品,分离提纯,定性分析,定量分析,除杂质,确定组成元素,质量分析,测定分子量,结构分析,实验式或最简式,分子式,结构式,元素分析,定性分析,有机物的组成元素分析；,定量分析,分子内各元素原子的质量分数,现代元素分析法,数据经处理后即可确定有机物的实验式：,分析方法,:,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,C,、,H,、,O,三,元素,元素定量分析的结果如下,C:79.35%;,H:10.21%,。,O,元素的含量,=(100-79.35-10.21)%=10.44%,三种元素在分子结构中所占比例为,：,C,：,79.35,12=6.61,H:10.21,1=10.21,O:10.44,16=0.65,化合物分子结构中原子个数比为：,6.61:10.21:0.65=10.16:15.58:1,10,：,16,：,1,该化合物实验式为：,C,10,H,16,O,分子式为：,(C,10,H,16,O)n n=1,2,3,.,n,的确定为,:,实验最简式量,相对分子质量,n=,分子量的测定：质谱法（最常用）,进样系统,离子源,质量分析器,检测器,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（,10,-3,10,-5,Pa,）,质量分析器（,10,-6,Pa,）,1,大量氧会烧坏离子源的灯丝；,2,用作加速离子的几千伏高压会引起放电；,3,引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，谱图复杂化。,质谱分析原理,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=H,0,e V,曲率半径：,R,=,（,m,）,/,e H,0,质谱方程式：,m,/,e,=(,H,0,2,R,2,)/2,V,离子在磁场中的轨道半径,R,取决于：,m,/,e,、,H,0,、,V,改变加速电压,V,可以使不同,m,/,e,的离子进入检测器。,质谱分辨率,=,M,/,M,（,分辨率与选定分子质量有关,）,加速后离子的动能,:,(1/2),m,2,=,e V,=(2,V,)/(,m,/,e,),1/2,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,M/Z,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：,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,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：采用电子轰击质谱（,EI-MS,）,测得上述,化合物的分子离子峰为,456,。,那么，,n=456,152=3,结合实验式,C,10,H,16,O,得上述化合物的分子式为：,C,30,H,48,O,3,.,（,C,30,H,48,O,3,代表刺果甘草皂苷元）,分子离子峰的特点,一般质谱图上质荷比最大的峰为分子离子峰；有例外。,形成分子离子需要的能量最低，一般约电子伏特。,质谱图上质荷比最大的峰,一定,为分子离子峰吗？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点后第三位。,例如：,C,8,H,12,N,4,、,C,9,H,12,N,2,O,、,C,10,H,12,O,2,、,C,10,H,16,N,2,四个化合物的分子量同为,164,，但精确质量则并不相同，在高分辨率质谱仪中很容易进行区别。,高分辨率质谱,序号,分子式,精确质量,M,1,C,8,H,12,N,4,164.1063,M,2,C,9,H,12,N,2,O,164.0950,M,3,C,10,H,12,O,2,164.0837,M,4,C,10,H,16,N,2,164.1315,例如：,CH,4,M=16,12,C+,1,H,4=16,M,13,C+,1,H,4=17 M+1,12,C+,2,H+,1,H,3=17 M+1,13,C+,2,H+,1,H,3=18 M+2,同位素峰,分子离子峰,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位的峰；有时还可以观察到,M,+1,M,+2,，,M,+3,。；,组成有机化合物的主要元素,C,、,H,、,O,、,N,等均由相对丰度比一定的同位素所组成。,大多数,MS,图中，如能见到稳定的分子离子峰,M,+,，则在高出其,1-2,个质荷比处可见到,M+1,+,与,M+2,+,的同位素峰。,对于一定的化合物，分子离子峰与其同位素峰的相对强度为一确定值。,同位素丰度比法,同位素,原子质量,丰度比（,%,）,1,H,1.007825,99.9855,2,H,2.01410,0.0145,12,C,12.000000,98.8292,13,C,13.00335,1.1080,14,N,14.00307,99.635,15,N,15.00011,0.0365,碎片离子峰,一般有机化合物的电离能为,7,13,电子伏特，质谱中常用的电离电压为,70,电子伏特，使结构裂解，产生各种,“,碎片,”,离子。,正己烷,碎片离子峰,正癸烷,直链烷烃,饱合烃的质谱图,支链烷烃,环烷烃,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,磁共振,(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,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,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,：,布洛赫,(,Felix Bloch,)&,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,核磁共振。,布洛赫,(Felix Block),珀赛尔,(Edward Purcell),Related Nobel Prize,12,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,1952,年,E.M.Purcell,1955,年,W.E.Lamb,1955,年,P.Kusch,1964,年,C.H.Townes,1966,年,A.Kastler,1977,年,J.H.Van Vleck,1981,年,N.Bloembergen,1983,年,H.Taube,1989,年,N.F.Ramsey,1991,年,R.R.Ernst,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,B,z,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；,3,1/2,的原子核,1,H,，,13,C,，,19,F,，,31,P,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,=,H,0,（,磁矩）,产生共振需吸收的能量：,E,=,H,0,=,h,0,由拉莫进动方程：,0,=2,0,=,H,0,;,共振条件：,0,=,H,0,/(2),共振条件,(1),核有自旋,(,磁性核,),(2),外磁场,能级裂分,;,(3),照射频率与外磁场的比值,0,/,H,0,=,/(2),I=0,无,自旋现象,I,0,有自旋现象。,核磁共振基本原理,原子核的自旋与磁距,=,（,h/2,),I,（,I,）,自旋核在,H,0,中的自旋取向：,2I+1,1,H,：,I=1/2,m=+1/2,（,顺磁排列）,E=-H,0,（,低能态）,m=-1/2,（,反磁排列）,E=+H,0,（,高能态）,两者能量差：,E=2H,0,N,S,B,o,B,1,Detector,Frequency,Generator,Recorder,Magnet,核磁共振原理图,核磁共振仪,1,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,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）：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,：,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,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,所谓核磁共振波谱，实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）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,:,核外电子在外磁场作用下,在与外磁场垂直的平面上绕,核环流,形成环电流同时产生与外加磁场相对抗的感应磁,场,.,感应磁场减弱外磁场对磁核的作用。,1,H,有效,=H,0,(1-,)=H,0,-H,0,=H,0,-H,感应,处于不同化学环境的质子,核外电子云分布不同,值不同。,1,H,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,),1.,屏蔽效应,(shielding effect),=10,6,=10,6,2.,化学位移,高电子密度区域的核,屏蔽效应增强,:,H=H,o,+H,感应,低电子密度区域的核,屏蔽效应降低,:,H=H,o,-H,感应,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,。,样品,-,标准,仪器,(H,Z,),仪器,(MH,Z,),核磁共振技术应用,核磁共振方法适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（,1D,）,发展到如今的二维（,2D,）、,三维（,3D,）,甚至四维（,4D,）,谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。,在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词。而且它在化工、石油、建材、食品、冶金、地质、国防、环保及其它工业部门用途日益广泛。,在我国，其主要应用在基础研究，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。,（增大,）,标准物,:,四甲基硅烷,(CH,3,),4,Si,，,TMS,=0,（,单峰）,CHCl,3,：,=437Hz/60MHz 10,6,=7.28,ppm,（减,小）,电负性大的原子（或基团）与,1,H,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，共振吸收,在较低场，即质子的化学位移向低场移动，,值增大；,H,/,ppm,值小，屏蔽作用大；值大，屏蔽作用小；,影响化学位移的主要因素,:,1.,诱导效应的影响,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,/,ppm,试比较下面化合物分子中,H,a,H,b,H,c,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,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。,7.78,3.,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,沿分子某一方向流动，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,=-1.8,ppm,外氢,=8.9,ppm,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。,分子内氢键,其化学位移变化与溶液浓度无关,取决于分子,本身结构。,高温使,OH,、,NH,、,SH,等氢键程度降低,信号的共振位置移,向较高场。,识别活泼氢可采用重水交换。,活泼氢的,值与样品的浓度温度及所用溶剂的化学性质有关。,偶合常数,:,1.,自旋,-,自旋偶合与自旋,-,自旋裂分,自旋核与自旋核之间的相互作用,.,自旋,-,自旋偶合引起谱,带增多,。,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),。,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。,例：一化合物分子式,C,9,H,12,O,，,根据其,1,HNM,谱,(,下图,),，试推测,该化合物结构。,7.2(5 H,s),4.3(2 H,s),3.4(2 H,q),1.2(3 H,t),MRI is used for imaging of all organs in the body.,人体各组织含水比例不同（,%,）,肝,(71),肾,(81),心,(80),脾,(79),肺,(81),脑白,(72),肌肉,(79),人体不同组织水的弛豫时间,T,1,和,T,2,常见有机化合物的化学位移范围,NaCl,晶体的三维空间点阵,X,射线的应用,单晶,:,基本由同一空间点阵所贯穿形成的晶块,.,多晶,:,由许多很小的单晶体按不同取向聚集而成的晶块,.,微晶,:,只有几百个或几千个晶胞并置而成的微小晶粒,(,粉末,).,晶体,X,射 线,原子或离子中的电子,受迫振动。,振动着的电子成为次生,X,射线的波源，,向外辐射与入射,X,射线同频率的电磁波，称为,散射波,。,这规定了,X,衍射分析的下限：,对于一定波长的,X,射线而言，晶体中能产生衍射的晶面数是有限的。,对于一定晶体而言，在不同波长的,X,射线下，能产生衍射的晶面数是不同的。,入射线波长与面间距关系,所以要产生衍射，必须有,d,/2,采用单晶体,特征,x,射线,.,回转法的摄取情况如下图所示,.,回转法,l,=0,l,H,l,转动,单晶,R,l,x,射线,底片,图中,R,为相机的半径,H,l,为,l,层线与中央层线的距离,由图可得,故有,同样,若使晶体分别绕,a,或,b,轴旋转,则有,l,=0,l,H,l,转动,R,l,x,射线,底片,分别求得,晶胞参数,a,b,c,后,便可计算,晶胞的体积,普遍的计算公式为,在此基础上可进一步计算晶胞中所含,原子或“分子”,数,式中,为密度,M,为分子量,N,0,为 阿弗加得罗常数,.,目前使用最为广泛的方法是,CCD,面探法,.,测定物质结构最为有效的方法是生长出单晶,测定其结构,.CCD,面探法在数小时内可测出晶体结构（四圆衍射法可能需要数天完成,而更早时期的照相法可能需要数年才能完成的工作）,.,应特别指出的是,X,射线衍射不能定出化合物中,H,原子的位置,.,因,H,的核外只有一个电子,对,X,射线的衍射非常微弱,.H,原子的位置要用中子,电子等衍射来确定,.,CCD,面探法,(,或四圆衍射法,),多晶粉末,;,使用特征,X,射线,;,测定时使晶体保持转动,单晶,(a),和多晶,(b),产生衍射情况,多晶衍射法（也称多晶粉末,衍射,法）,2,x,2,x,2,(a),(b),当用照相法时,粉末法原理示意图,衍射仪主要由,X,射线机、测角仪、,X,射线探测器、信息记录与处理装置组成。,X,射线,样品台,探测器,2,测角仪,样品转过,角，其某组晶面满足,Bragg,条件，探测器必须转动,2,才能感受到衍射线，所以两者转动角速度之比为,1:2,X,射线管发出单色,X,射线照射在样品上，所产生的衍射由探测器测定衍强度，由测角仪确定角度,2,，得到衍射强度随,2,变化的图形。,强度,111,200,220,311,222,400,331,420,422,511,333,440,531,600,442,20 30 40 50 60 70 80 90 100 110,2,NaCl,的粉末衍射图,定性分析,-,材料种类、晶型的确定,每种物质都有特定的晶格类型和晶胞尺寸，而这些又都与衍射角和衍射强度有着对应关系，所以可以象根据指纹来鉴别人一样用衍射图像来鉴别晶体物质，即将未知物相的衍射花样与已知物相的衍射花样相比较。,如样品为几种物相的混合物，则其衍射图形为这几种晶体的衍射线的加和。一般各物相衍射线的强度与其含量成正比。,强度,111,200,220,311,222,400,331,420,422,311,333,440,531,600,442,20 30 40 50 60 70 80 90 100 110,2,平面偏振光,(Plane polarized light),E,M,平面偏振光,振动方向保持不变,振幅发生周期性变化,Polarizer,E vectors,旋光色散,(Optical,rotatory,dispersion),一束,平面偏振光通过光学活性分子后，,由于左、右圆偏振光的折射率不同,，偏振面将旋转一定的角度，这种现象称为,旋光,(Optical rotation),，,偏振面旋转的角度称为,旋光度,。,朝光源看，偏振面按顺时针方向旋转的，称为,右旋,，用“,+,”,号表示；偏振面按逆时针方向旋转的，称为,左旋,，用“,-,”,号表示,旋光度,=,lc,是旋光物质的比旋光率，单位是度厘米,2,10,克,-1,对同一物质，,值与波长有关,旋光率与波长的关系称为,旋光色散,(Optical,rotatory,dispersion,ORD),旋光色散,旋光色散常用摩尔比旋,表示。,=*M/100M,为旋光介质的分子量,.,旋光光谱（,ORD,）,用不同波长的偏振光照射光学活性化合物，并用波长对比旋,10,-2,或分子比旋,10,-2,作图，得到的曲线即为旋光光谱。,圆偏振光,(Circular polarized light),振幅保持不变，而方向周期变化，,电场矢量绕传播方向螺旋前进,圆偏振光,朝光源看，,电场矢量方向按顺时针方向旋转的，称为,右圆偏振光,；,电场矢量方向按逆时针方向旋转的，称为,左圆偏振光,。,圆二色,性,(circular,dichroism,CD),光学活性分子对左、右圆偏振光的吸收也不同，使左、右圆偏振光透过后变成椭圆偏振光，这种现象称为圆二色性。,圆二色性的表示,吸收,(,率,),差,=,L,-,R,A=A,L,A,R,椭圆度,，摩尔,椭圆度,=2.303(A,L,A,R,)/4,=3298(,L,-,R,)3300(,L,-,R,),在蛋白质研究中，常用平均残基摩尔,椭圆度,叠加原理,一束,自然光,可以分解或看作两束相互垂直而没有相位关系的,平面偏振光,的加和。,平面偏振光,可以分解成两束相位相等而旋转方向相反的,圆偏振光,的加和。,当振幅相等，并同步的左、右,圆偏振光,相加，则产生,平面偏振光,；如果这两束,圆偏振光,的振幅不等则产生,椭圆偏振光,(elliptically polarized light),两束相互垂直而相位相差,1/4,波长的,平面偏振光,可以加和成一束,圆偏振光,CD signal of a protein depends on its 2,ndary,structure,chymotrypsin,(,all,b,),lysozyme,(,a,+,b,),triosephosphate,isomerase(,a,/,b,),myoglobin,(,all,a,),