NMR-Lecture-I

核磁共振波谱讲义 

之一 : 四谱简介 

药学院天然药物教研室 

史清文 

2010-12-2 

1

1. Assigin H a , H b , H c and H d of Aspirin? 

1 

COOH 

OAc 

2 

3 

4 

2

2. How to Distinguish the Following Structures? 

O 

OH 

A 

O 

O 

B 

OH 

3

3. How to Distinguish A and B Using NMR? 

OH 

OH 

CH 3 

COOH 

OH 

OH 

COOH 

O 

O 

CH 3 

(A) 

(B) 

4

4. For each spectrum below, chose between 

the alternative compounds. Give your reasons. 

5

5. How to Determine the Relative 

Configuration of 4-Me 

OH 

OH 

1 

2 

CHO 

1 

2 

CHO 

4 

3 

OH 

4 

3 

OH 

CH 3 

CH 3 

A 

B 

7

6. C 5 H 8 O 2 的 1 

HNMR 谱如下 , 推导其结构 

Fri Apr 14 18:29:58 2000: (untitled) 

W 1: 1H Axis = ppm Scale = 52.82 Hz/ cm 

Fri Apr 14 18:32:04 2000: (untitled) 


7.24 (dd, 1H) 

4.47 (dd, 1H) 

4.77 (dd, 1H) 

1.16 (t, 3H) 

2.36 (q, 2H) 

7.400 7.200 7.000 6.800 6.600 6.400 6.200 6.000 5.800 5.600 5.400 5.200 5.000 4.800 4.600 4.400 

8.000 7.500 7.000 6.500 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 

8

7. C 5 H 8 O 2 两种异构体的 1 

HNMR 谱如 

下 , 确定其结构 

A 图 

Mon Apr 10 22:56:02 2000: (untitled) 




6.800 6.600 6.400 6.200 6.000 5.800 5.600 5.400 5.200 5.000 4.800 

8.500 8.000 7.500 7.000 6.500 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 

9

B 图 

C 5 H 8 O 2 


W 1: 1H Axis = ppm Sc ale = 76.79 H z/ c m 

a 1.87 d 3H 

b 3.71 s 3H 

c 5.83 m 1H 

d 7.03 m 1H 

10.000 9.000 8.000 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 2.000 1.000 0.000 -1.000 -2.000 

10

8. How to Distinguish the Following Structures? 

OH 

Ph 

OMe 

Ph 

H 

1 

H 

1 

6 

2 

CH 3 

6 

2 

CH 3 

H 

5 

4 

3 

H 

H 

5 

4 

3 

H 

OMe 

OH 

A 

B 

11

Introduction 

Spectroscopy is the cornerstone of the 

organic chemistry of the second half of the 

twentieth century. 

Using spectroscopic techniques to solve 

structural problems. 

12

Examples of Structure Elucidation 

HO 

H 

N 

HO 

O 

NCH 3 

H H 

Morphine 

118 Years! 

Robert Robinson 1925 

(1886-1975) 

1952 Total Syn By Gates 

高怡生 

N 

H 

H 

O 

Strychnine H 

127 Years! 

H 

O 

Robert Robinson published 54 

paper for structure elucidation 

And determined it in 1946 and got 

Nobel Prize in 1947. 

Robert B. Woodward 

Total Syn. In 1954. 

13 

曾广方

Azadirachtin 

印苦楝子素 

Isolation and Structure Determination (18 years) 

Total Synthesis (22 years) Total Yield: 0.00015% 

Ley and 40 

Co-workers 

71 Steps (longest linear 

sequence 48 steps) 

Azadirachtin is a C-seco-limonoid isolated as an insect 

anti-feedant from the seeds of Azadirachta indica 

14

The First Complete Structure 

Azadirachtin 

Ley’s Modification 

2 

2 

Nakanishi’s Azadirachtin 

2 

Broughton, H. B.; Ley, S. V. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1986, 46. 

2 

Correct Structure 

15

Azadirachtin sees first total synthesis 

10 August 2007 

A complex natural product has finally succumbed to its 

first total synthesis after 22 years of attempts by eminent 

organic chemists. 

Azadirachtin is an environmentally friendly insecticide. 

Though biodegradable and not very toxic to humans, it 

disrupts the growth cycles of insects and deters them from 

feeding on plants. It was first extracted from the Indian neem 

tree in 1968, but its structure was not correctly determined 

until 1985. 

16

Azadirachtin sees first total synthesis 

10 August 2007 

‘I would rank this as being one of the very toughest 

syntheses so far reported,’ said a jubilant Steven Ley, of 

the University of Cambridge, UK. 

17

The pace of progress 

in structure determination 

‣ Ultraviolet spectroscopy (UV), in 1930s 

‣ Infrared spectroscopy (IR), in 1940 

Functionality 

‣ Mass spectrometry (MS), in 1950s 

Molecular Formula 

‣ Nuclear magnetic resonance spectroscopy 

(NMR), in 1960s 

Molecular Skeleton 

18

一 . 紫外光谱 Ultraviolet Spectrum 

—— 给出共轭双键的信息 

• Ultraviolet and visible spectroscopy gives us 

information about compounds with conjugated 

double bond. 

• Ultraviolet and visible light has just the right 

energy to cause an electronic transition ---- the 

promotion of an electron from one orbital to 

another of higher energy. i.e. From the ground 

state to the excited state. 

19

Ultra-violet Spectroscopy 

This had been used before World War II in studies of 

α,β-unsaturated ketones. From a study of some 40 papers on 

this topic, R. B. Woodward in 1941/2 came out with his 

‘Ketone Rules’, showing that substituents would produce 

strong shifts of absorption maxima and suggesting rules for 

elucidating structure from spectra. UV became a standard 

participant in structural analysis. 

R. B. Woodward 

20

Ultraviolet Spectrometer 

21

Ultraviolet Spectroscopy 

A chromophore is that part of a molecule 

that is responsible for a UV or visible absorption 

spectrum. 

An auxochrome (auxochromic group) is a 

substituent that, when attached to a chromophore, 

alters the λmax and the intensity of the 

absorption, usually increasing both of them. 

(OH and NH 2 are auxochromes) 

22

Ultraviolet Spectroscopy 

A shift to a longer wavelength is called a red shift. 

A shift to shorter wavelength is called a blue shift. 

23

UV 在有机化合物结构研究中的应用 

1. 确定检品是否为已知化合物 

紫外光谱相同 , 但结构不一定完全相同 , 因为 UV 只 

能表达两个化合物的发色团和显色的分子母核。 

2. 推断未知化合物的部分结构 

可用于顺反异构体的区别 , 由于 

立体障碍反式 λmax 大些 

O 

O 

H 

H 

H 

24

UV 在有机化合物结构研究中的应用 

(1) 如果在 200-400 nm 之间无吸收峰 , 则该化合物无共轭双 

键系统 , 或为饱和的有机化合物 ; 

(2) 若在 270-350 nm 有较弱的吸收峰 (ε max =10-100), 并且在 

200 nm 以上无其他吸收 , 该化合物含有带孤对电子的未共轭 

的发色团 , 如 >C=O。 

(3) 化合物的长波吸收峰在 250 nm 以上 , 且 ε max 在 

1000~10000 时 , 该化合物通常具有芳香系统。 

25

小 

结 

一般来说 ,UV 光谱主要用于推测化合物的功能团 , 

判断结构中的共轭体系和估计共轭系统中取代基的位置、 

种类和数目等 , 是测定含有共轭双键、α,β 不饱和羰基 ( 醛、 

酮、酸、酯 ) 结构的化合物及芳香化合物结构的一种重要 

手段。在某些场合下 , 还对测定化合物的精细结构具有一 

定意义 , 如黄酮类化合物 , 测定其 UV 光谱时 , 加入某种诊 

断试剂后 , 可因分子中取代基的类型、数目及排列方式不 

同而发生光谱形状和波长的改变。 

26

红外光谱 

Infrared Spectroscopy 

• 反映分子中键的振动能级的变化情况 , 提供官 

能团的信息。 

27

红外光谱 


有机化合物用不同波长的红外线照射 , 分 

子吸收红外线后引起化学键的振动或转动能级 

跃迁而形成的光谱 , 称为红外吸收光谱。 

28

二 . 红外光谱 


红外谱图由测定仪自动记录下来 , 一般横坐 

标用波数 υ(cm -1 ) 表示 , 纵坐标常用百分透 

光率 T% 表示。由于纵坐标用的是百分透光率而 

不是吸收度 , 所以红外光谱中的吸收峰与紫外 

光谱中的吸收峰是相反的 , 即红外光谱中的吸 

收峰 , 实际是向下的 “ 谷 ”。 

29

Infrared Spectrometer 

30

Nakanishi Koji 

Comprehensive Natural Products Chemistry 1998 

31


The use of infra-red spectra has been useful to 

organic chemists in a different way as it can 

pinpoint certain specific groups in a molecule. In 

1950s Woodward observed that ‘infrared spectra 

have now become an asset of almost incomparable 

value to all chemists interested in structural 

problems in organic chemistry’. 


32


1950s Woodward 合成降压药利血平的论文中红 

外光谱达 30 张之多 , 并对红外光谱做了这样的评 

价 ‘ 不管反映所得的化合物纯度多么差 , 可生成预 

期产物的希望多么渺茫 , 如果用常规的红外光谱 

做常规的检测 , 往往对重大的发现提供某些线 

索 , 这是其他方法难以胜任的 ’. 


33

常见的键的振动方式 

• 伸缩振动 Stretching Vibrations 

H 

H 

C 

C 

H 

symmetric stretch 

H 

asymmetric stretch 

34


• 弯曲振动 Bending Vibrations( 面内 ) 

H 

H 

C 

C 

H 

symmetric in-plane 

bend (scissor) 

H 

asymmetric in-plane 

bend (rock) 

35


• 弯曲振动 Bending Vibrations( 面外 ) 

H 

H 

C 

C 

H 

symmetric out-of-plane 

bend (twist) 

H 

asymmetric out-of-plane 

bend (wag) 

36

红外光谱的分区 

• 官能团区 

• 4000~1300 cm -1 是基团伸缩振动出现的区 

域 , 对鉴定基团很有价值 

37

红外光谱的分区 

• 指纹区 (1300~600 cm -1 ) 

• 1300~600 cm -1 是单键振动和因变形振动产生的复杂光 

谱区 , 当分子结构稍有不同时 , 该区的吸收就有细微 

的差异 , 对于区别结构类似的化合物很有帮助。 

• 1300~900 cm -1 单键和某些双键的伸缩振动。 

• 900~600 cm -1 变形振动。 

38

Because each interatomic bond may vibrate in 

several different motions (stretching or bending), 

individual bonds may absorb at more than one IR 

frequency. 

Chemical bonds in different environments will 

absorb varying intensities and at varying 

frequencies. Thus IR spectroscopy involves 

collecting absorption information. 

一个官能团由于有多种振动方式 , 在红外光谱 

中将有一组相应的吸收峰。 

39

IR Usually Is A Group of Absorptions 

Aromatics 

1. 3100-3000: C-H Stretch 

2. 2000-1660: Group of weak bands 

3. 1600, 1580, 1500, 1450: In-plane skeletal vibration 

4. 1300-1000: In-plane CH band 

5. Below 900: Due to in-phase movement of adjacent Hs 

i. e. Isolated H: 870 Weak (so limited diagnostic value) 

40


Upon first inspection, a typical infrared 

spectrum can be visually divided into two regions. 

The left half, above 2000 cm -1 , usually contains 

relatively few peaks, but some very diagnostic 

information can be found here. First, alkane C-H 

stretching absorptions just below 3000 cm -1 

demonstrate the presence of saturated carbons, 

and signals just above 3000 cm -1 demonstrate 

unsaturation. 

41


A very broad peak in the region between 3100 

and 3600 cm -1 indicates the presence of 

exchangeable protons, typically from alcohol, 

amine, amide or carboxylic acid groups. 

The frequencies from 2800 to 2000 cm -1 are 

normally void of other absorptions, so the presence 

of alkyne or nitrile groups can be easily seen here. 

42


In contrast, the right half of the spectrum, 

below 2000 cm -1 , normally contains many peaks of 

varying intensities, many of which are not readily 

identifiable. Two signals which can be seen clearly 

in this area is the carbonyl group C=O, which is a 

very strong peak around 1700 cm -1 , and the C-O 

bond with can be one or two strong peaks around 

1200 cm -1 . 

43


The complex lower region between 1300~650 

cm -1 is also known as the "fingerprint region" 

because almost every organic compound 

produces a unique pattern in this area. 

Therefore identity can often be confirmed by 

comparison of this region to a known spectrum. 

44

红外光谱中的重要区段 

4000~2500 cm -1 氢键区 νO-H νN-H νCH 

2500~2000 cm -1 叁键区 νC≡C νC≡N 

2000~1500 cm -1 双键区 νC=C νC=N νC=O 

1500~1000 cm -1 单键区 νC-C νC-N νC-O 

45

红外光谱中的重要区段 

• 3750~3000 cm -1 νOH νNH 

• 3300~3000 cm -1 νCH( 双键 , 三键 , 苯环 ) 

• 3000~2700 cm -1 νCH( 单键 ) 

• 2400~2100 cm -1 νC≡C νC≡N 

• 1900~1650 cm -1 νC=O 

• 1645~1500 cm -1 νC=C νC=N 

• 1475~1300 cm -1 δC-H 

• 1000~650 cm -1 δC=C-H δAr-H 

46

影响红外吸收谱带位移的因素 

诱导效应与共轭效应 

键应力效应 ( 张力效应 ) 

空间效应 

氢键效应 

振动的偶合与费米共振 

物态变化的影响 

溶剂的影响 

47

诱导效应 : 

O 

O 

O 

H 3 C CH 3 

H 3 C 

Cl 

Cl 

Cl 

1725 cm-1 1780 cm -1 1872 cm -1 

共轭效应 : 类似 1,3- 丁二烯的化合物中 , 共轭体系的 

所有碳原子处在同一平面内 , 因而所形成的分子轨道包含 

所有的碳原子 , 电子离域 , 使碳碳单键有了一定程度的双 

键的性质 , 原来的双键性质有所降低增加了稳定性。 

48

振动的偶合 

如果一个分子的两个基团位置很靠近 , 它 

们的振动频率几乎相同 , 并且有对称性 , 其相 

应的特征吸峰常发生分裂 , 使谱带在一分为 

二 , 原谱带位置的高频和低频的一侧各处现一 

条谱带 . 

49

费米共振 Fermi Resonance 

• 当弱的倍频 ( 或组频 ) 峰位于某强的基频吸收峰 

附时 , 它们的吸收峰强度常常随之增加 , 或发生 

谱峰分裂。这种倍频 ( 或组频 ) 与基频之间的振 

动偶合 , 称为费米共振。 

• 例 :C 4 H 9 -O-CH=CH 2 中 ,=C-H 变形振动 810 cm -1 

的倍频 ( 约 1610 cm -1 ) 与 C = C 伸缩振动 

(1645~1500 cm -1 ) 发生费米共振 , 在 1640 cm -1 与 

1613 cm -1 出现两个强的吸收带 . 

50

Ring Size of Carbonyl Groups 

The classical methods of structure determination, in 

which the elucidation of the structure of Natural Metabolites 

in the 1950’s made use of classical dehydrogenation and 

oxidative degradation accompanied by interpretation of the 

IR spectra. The correlation between ring size and the 

frequency of the Carbonyl absorption in the infrared 

spectrum played an important role in the identification of the 

ring size of ketones, lactones, and cyclic anhydrides. 

51

Ring Size of Carbonyl Groups 

52

IR 指纹区 Fingerprint Region 

H 

R 

C 

C 

H 

H 

C C 

910 /990 cm -1 R 

R 700 cm -1 

H 

H 

H 

R 

C 

C 

R 

H 

R 

H 

970 cm -1 C C 

R 

H 890 cm -1 

R 

R 

C 

C 

815 cm -1 

R 

H 

53

1978 年 , Moore 等从瓦胡岛的 Kahala 海滩浅水 

层的蓝藻门林氏藻属 majuscula 中首次分离得到了 

手性不饱和脂肪酸 (S)-7- 甲氧基 -4E- 十四碳烯酸 [(S)- 

2], 通过红外光谱的数据 (970 cm -1 ) 确定了其双键为 

反式构型。 

Cardellina II, J. H.; Dalietos, D.; Marner, F. J.; Mynderse, J. S.; Moore, R. E. 

Phytochemistry 1978, 17, 2091. 

54

醇 

芳环 

叔醇 

仲醇均饱和 

伯醇 

单取代 

间二取代 

邻二取代 

对二取代 

1150 cm-1 

1100 cm-1 

1050 cm-1 

690 750 cm-1 

690 780 880 cm-1 

750 cm-1 

800-850 cm-1 

55

单取代苯 

CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 

1450 

CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 

56

酸酐 

1822 

1715 1871 

开链酸酐 

高波数的强度大 

1793 

环状酸酐 

低波数的强度大 

57

红外谱带的三个重要特征 

谱带位置 

指某一基团存在的最有用的特征 

谱带的形状 

从谱带的形状也可以获得有关基团的一些信息 

谱带的相对强度 

把光谱中一条谱带的强度和另一条相比 , 可以得出一个 

定量的概念 , 同时也可以指示某特殊基团或元素的存在。 

59

红外谱图解析要点及注意事项 

1) 红外吸收谱的三要素 ( 位置、强度、峰形 ) 

2) 同一基团的几种振动的相关峰是同时存在的 

3) 红外谱图解析顺序 

(1) 由官能团区找出官能团 (COOH, OH, CO) 

(2) 判断苯环取代位置、烯的取代等 

(3) 与标准红外谱图对比 

4) 标准红外谱图的应用 : Sadtler 红外谱图集 

60

在有机化合物分析中的应用 

1. 鉴定是否为已知成分 

由于红外光谱有特征峰和特征指纹区 , 对于 

不同化合物的专属性很强 , 可以用来进行化合 

物的结构对比和鉴定 , 但也有例外 , 如正 22 烷 

和正 23 烷的谱图是一样的。 

61

2. 鉴定未知化合物的官能团 

主要利用特征峰区域推断可能存在的基团。 

由于在特征吸收峰处的可能官能团大多有 2-3 

种 , 所以做未知化合物结构推定时变数较大 , 误 

导性也增加 , 再加上样品的浓度和测定时仪器的 

影响 , 红外光谱现在已基本成为核磁共振结构解 

析的辅助工具 , 只是在未知化合物结构解析出来 

后 , 用红外光谱加以佐证 ( 在合成反应中还常用 )。 

62

所以 , 当我们利用 1D-NMR, 2D-NMR, MS 

推断出未知化合物的结构后 , 还应用紫外、红外 

光谱加以证明。只有从不同侧面论证未知化合物 

的结构 , 才能使我们在鉴定未知化合物的错误率 

降至最低。 

IR should be taken in dilute nonpolar solvent 

for serious discussion CHCl 3 . 

63

红外光谱识谱的一般程序 

1. 将整个红外光谱划分成特征官能团区 (4000~1333 cm -1 ) 和 

指纹区 (1333~667 cm -1 ), 由高频区至低频区依次检查吸收峰存 

在的情况找出相应的化合物所属的可能类型和所含的主要官 

能团。 

2. 确定了化合物的类型和可能的官能团后 , 可以查表 , 并遵照 

影响特征频率移动的规则及相关峰 , 进一步研究结构细节。 

3. 按照上述两步确定了化合物可能的结构后 , 在与标准图谱 

或与标样在同一条件下测定的红外光谱对照 , 同时确证。结 

合核磁共振 , 质谱 , 紫外光谱及元素分析等结果作出最后的 

确证。 

64


65

图谱的解析 : C 9 H10O 

67

解 : 

(1) 不饱和度 :Ω= 5 

(2)C=O:1700 cm -1 无吸收带 , 无 ( 否定比肯定更可靠 ) 

(3)O-H:3400 cm -1 、1050 cm-1 强而宽 

(4) 苯环 :1600、1500、1450 cm-1 尖锐吸收带 

共轭 :1500 cm-1 强于 1600cm-1 吸收带 , 且 1600 cm-1 

分裂为两个带 , 说明有苯环与 π 体系的共轭 

(5) 取代 :700、750 cm-1 两吸收带说明为单取代 

(6) 甲基 :1380 cm-1 无 , 没有 

综上所述 , 此化合物结构式为 : 

Ar-CH=CH-CH 2 -OH 

68

图谱解析步骤 

1. 计算不饱和度 :Ω=1+n4+(n3-n1)/2 

2. 苯环 :1600、1500、1450 cm -1 尖锐吸收带 

共轭 :1500cm-1 强于 1600 cm-1 吸收带 ,1600 cm -1 带分裂 

成 1600 及 1580 cm -1 两吸收带 

取代 : 单取代 2 个吸收带 750、690 cm -1 

邻二取代 1 个吸收带 750 cm -1 

间二取代 3 个吸收带 860、780、710 cm -1 

对二取代 1 个吸收带 800 cm -1 

69

3. 有 O 

醇 : 

O-H 伸缩振动 3550~3200 cm-1 之间强而宽 

C-O 伸缩振动 1260~1000 cm-1 之间强度大 

( 伯醇 1050 、仲醇 1100、叔醇 1150 cm-1 附近 ) 

C=O: 伸缩振动 1700 cm-1 附近 

醛 : 在 2700、2800cm-1 附近有两个强吸收带 

羧酸 :O-H 伸缩振动 3000 cm-1 附近强而宽 

C-O 伸缩振动 1440~1395 cm-1 强带 

酯 : C-O-C 不对称伸缩 1300~1000 cm-1 有两吸收带 

70

4. CH3 和 CH2 

CH3: 对称变形振动 1380 cm-1 附近 . 

CH2: 剪式振动 148O~1440 cm-1 区 , 强度中等 . 

-(CH2)n-:n 至少为 4, 720~750 cm-1 区有吸收 

5. 烯烃 

-CH=CH2 面外振动 990,910 cm-1 两个很强谱带 

C=C 伸缩振动 1680~1620 cm-1 

6. 炔烃 : 

C≡C 伸缩振动 2140~2100 cm-1( 末端 ) 

2260~2190 cm-1( 中间 ) 

71

练习 : 某化合物的化学式为 C 9 H 10 O, 试推断其结构式 

72

Infrared Spectroscopy Questions 

1. 产生红外吸收的条件是什么 ? 是否所有的分子振动都会 

产生红外吸收光谱 ? 为什么 ? 

答 : 条件 : 激发能与分子的振动能级差相匹配 , 同时有偶极矩 

的变化 . 并非所有的分子振动都会产生红外吸收光谱 , 具有 

红外吸收活性 , 只有发生偶极矩变化时才会产生红外光谱 . 

2. 何谓基团频率 ? 它有什么重要用途 ? 

解 : 与一定结构单元相联系的振动频率称为基团频率 , 基团 

频率大多集中在 4000-1350 cm -1 , 称为基团频率区 , 基团频 

率可用于鉴定官能团 . 

73

3. 红外光谱定性分析的基本依据是什么 ? 简要叙 

述红外定性分析的过程 . 

解 : 基本依据 : 红外对有机化合物的定性具有鲜明 

的特征性 , 因为每一化合物都有特征的红外光谱 , 

光谱带的数目、位置、形状、强度均随化合物及其 

聚集态的不同而不同。 

定性分析的过程如下 :(1) 试样的分离和精制 ;(2) 

了解试样有关的资料 ;(3) 谱图解析 ;(4) 与标准谱 

图对照 ; (5) 联机检索。 

74

4. 何谓指纹区 ? 它有什么特点和用途 ? 

解 : 在 IR 光谱中 , 频率位于 1350-650 cm -1 的低频区 

称为指纹区 . 指纹区的主要价值在于表示整个分子 

的特征 , 因而适用于与标准谱图或已知物谱图的对 

照 , 以得出未知物与已知物是否相同的准确结论 , 

任何两个化合物的指纹区特征都是不相同的。 

75

5. 什么叫做 Fermi 共振 ? 

共振当倍频或合频与某基频相近时 , 由于相互作用也可以 

发生共振偶合使谱带分裂 , 并且原来强度很弱的倍频或合频谱 

带的强度显著地增加 , 这种特殊的偶合作用叫做 Fermi 共振。 

76

参考书 

• 谢晶曦 

红外光谱在有机化学和药物 

化学中的应用 

科学出版社 , 北京 ,1987 

77

三 . 质 

谱 

Mass Spectrum 

78

Mass Spectrometry 

Although the mass spectrograph dates to 1919 (Aston), 

mass spectrometry was first applied to organic chemistry 

in the 1950s by Djerassi, Biemann and others. It was 

initially used to determine molecular weights, and its 

application to natural and synthetic products was very 

successful. From the late 1970s a variety of techniques 

appeared for involatile or thermally labile products such 

as chemical ionisation and fast atom bombardment. By 

1989 the advances in mass spectrometry were described as 

‘rapid and staggering’ . 

Annu. Rep. Prog. Chem., Sect. B, 2004, 100, 3–31. 

79

质 

谱 

Mass Spectroscopy 

• 确定分子量 MW (Low Resolution) 

• 确定分子式 MF (High Resolution) 

• 了解分子内原子连接的详细情况 

Unsaturation Number (UN) 

Hydrogen Deficiency Index (HDI) 

80


Mass spectrometry (MS) has become an 

indispensable tool to the modern natural product 

scientist by providing investigators with 

molecular formulas, isotopic profiles and 

fragmentation data that are especially useful for 

dereplication and structure elucidation. 

81


• Mass spectrometers are very useful tools for 

田中耕一 

identifying molecules because they determine the masses of 

molecules and the masses of fragments of molecules. Fifteen 

years ago these measurements were limited to compounds 

of low molecular weight that could be easily placed in the 

gas phase. Since then, two new techniques have been 

developed that allow mass spectrometry to analyze larger, 

non-volatile molecules such as peptides and proteins. Half 

of the 2002 Nobel Prize in Chemistry was awarded for using 

these techniques with proteins. 

82

Organic Mass Spectroscopy 

优点 : 

1. 分析范围广 ( 气体、液体、固体 ) 

2. 测定分子量 , 确定分子式 

3. 分析速度快 , 灵敏度高 

4. 各种联用技术 (GC-MS, LC-MS, HPLC-MS) 

5. 新的电离、检测技术 (EI, FAB, FD) 

83

特点 : 

◆ 质谱不属波谱范围。 

◆ 质谱与电磁波的波长和分子内某种物理量的改变无关。 

◆ 分析范围宽 , 可对气体、液体、固体等进行分析。 

◆ 质谱是分子离子及碎片离子的质量与其相对丰度的谱 , 

谱图与分子结构有关。 

◆ 质谱法进样量少 , 灵敏度高 , 分析速度快。 

◆ 质谱是唯一可以给出分子量 , 确定分子式的方法 , 而 

分子式的确定对化合物的结构鉴定是至关重要的。特 

别是对于判断是否含有杂原子 , 判断化合物环的个数。 

◆ 质谱仪器较为精密 , 价格较贵 , 工作环境要求较高 , 

给普及带来一定的限制。 

84

质谱发展史 

1898 W. Wien 发现带正电荷的离子束在磁场中发生偏转。 

1911 J. J. Thomson 使用简单的电场 - 磁场组合装置 , 获得了抛 

物线族的质谱 , 证明了 

20 

Ne, 22 Ne 两种同位 

素的存在。 

1918 A. J. Dempster 采用电子轰击技术使分子离子化。 

1919 F. W. Aston 制得了第一台速度聚焦质谱仪。提出每种同 

位素的质子和中子在结合成原子核时 , 具有 

特定的质量亏损 ( 并非整数值 )。 

1942 商品 MS 出现 , 用于石油精炼和橡胶工业。 

80 年代快原子轰击电离 (FAB-MS, 1981) 应用 , 较好 

地解决了易分解的化合物的质谱测定 

85

Mass Spectrometer 

86

Mass Spectrometer 

87

质谱仪框图 

Output 

真空系统 

加速区 

进样系统 

离子源 

质量分析器 

Sample Inlet 

Ionisation 

source 

Ion separation 

计算机数据 

处理系统 

检测器 

Detector 

88

质谱的表示方法 

质谱图中横坐标表示正离子的质荷比 , 纵坐标表示各离 

子峰的强度。 

在应用时 , 一般都将图简化成条图形式。简化的方法 

是 : 首先选择一个强度最大的离子峰 , 把它的强度作为 

100%, 并把这个峰称为基峰 (base peak)。将其它离子峰 

的强度与基峰作比较 , 求出它们的相对强度 , 称为相对丰 

度 (relative( 

abundance). 

用 M /z 作为横坐标 , 相对丰度作 

为纵坐标 , 即可绘出条图。 

89

有机质谱中的各种离子 

1) 分子离子 (Molecular ion) 

样品分子失去一个电子而电离所产生的离子 , 记为 M + 。 

2) 准分子离子 (Quasi-molecular ion) 

准分子离子常由软电离 (FAB-MS) 产生 , 一般为 M+H + 、 

M-H + ,M+Na + , M+NH 3+ , M+K + , M+Cu + 。 

3) 碎片离子 (Fragment ion) 

泛指由分子离子破裂而产生的一切离子。狭义的碎片离子指由简单断裂 

产生的离子。 

90

m/z =189 

AcO 

AcO OAc 

OAc 

18 19 

11 9 7 

17 

13 

15 

1 

3 5 O 

H OAc 20 

OAc 

O 

2' 

OAc 

3' 

FAB-MS 

C 43 H 52 O 16 

Exact Mass: 824.33 

Quasi-molecular Ion 

M + [M+Na] + [M+K] + 

91


4) 重排离子 (Rearrangement ion) 

经重排反应产生的离子 , 其结构不是原分子结构单元。 

5) 母离子 (Parent ion) 与子离子 (Daughter ion) 

任何一离子进一步产生某离子 , 前者称为母离子 

后者称为子离子。 

6) 亚稳离子 (Meta-stable ion) 

是从离子源出口到检测器之间产生的离子。 

92


7) 奇电子与偶电子离子 (Odd- and even-electron ion) 具 

有未配对电子的离子称为奇电子离子 , 不具有未配对电子 

的离子称为偶电子离子。 

8) 多电荷离子 (Multiply-charged ion) 

失掉两个以上电子的离子称为多电荷离子。 

9) 同位素离子 (Isotopic ion) 

当元素具有非单一的同位素组成时 , 产生同位素离子。 

93

有机质谱中的同位素离子峰 

分子离子一般指由天然丰度最高的的同位素组合的 

离子。相应地由相同元素的其他同位素组成的离子称为同 

位素离子 , 在质谱图中称为同位素峰。 

同位素峰相对于分子离子峰的丰度取决于分子中所含 

某种同位素的数目及其天然丰度。 

具有丰度较高的同位素的元素在分子中的存在与数量 

的确定比较方便 , 如氯、溴等。 

94

氯、溴元素的识别和数量的确定 

35 

Cl 自然丰度为 75.77% 

37 

Cl 自然丰度为 24.23% 

79 

Br 自然丰度为 50.54% 

3 : 1 

1: 1 

81 

Br 自然丰度为 49.46% 

含 1 个 Cl 原子时 , 应出现 M:(M+2) = 3:1 二个峰 

含 2 个 Cl 原子时 , 应出现 M:(M+2) :(M+4) 1:0.6:0.1 

三个峰 

+. 

95

重要的重排开裂 

重排开裂是两个化学键发生断裂 , 脱去一个 

中性小分子并同时发生重排的开裂。由于脱去的 

是中性分子 ( 含偶数电子 ), 所以 , 经重排开裂 

生成的子离子与母离子在带电子的奇偶性和质量 

的奇偶性上成一致的关系。 

96

麦氏重排 (McLafferty Rearrangement) 

结构中有双键 , 且在 γ 位上有 H 原子的正离子都能发 

生麦氏重排。在开裂中 , γ 位上的 H 通过六元环的迁移转 

移到电离的双键碳或杂原子上 , 同时烯丙键断裂 , 生成 

中性分子和碎片离子。麦氏重排的规律性很强 , 故对解 

析质谱很有帮助。 

97

重排裂解 ( Rearrangement cleavage) 

麦氏重排 (Mclafferty rearrangement) 

R 4 

CH 

H 

Z 

R 4 

CH 

H 

Z 

α 

R 4 ZH 

CH 

HC C 

R 3 

CH 

CH 

C 

R 2 

R 1 

R 3 

CH 

CH 

C 

R 2 

R 1 

R 3 

CH 

R 1 

R 2 

电荷保留 

R 4 

CH 

H 

Z 

i 

R 4 ZH 

CH 

HC C 

R 3 

CH 

CH 

C 

R 2 

R 1 

R 3 

CH 

R 2 

R 1 

电荷转移 

98

麦氏重排条件 : 

• 含有不饱和基团 , 如 C=O、C=N、C=S 及碳碳双键 

• 与双键相连的链上有 γ 碳 , 并在 γ 碳有 H 原子 (γ 氢 ) 

• 六元环过度 ,H γ 转移到杂原子上 , 同时 β 键发生断 

裂 , 生成一个中性分子和一个自由基阳离子 

100

逆狄尔斯一阿尔德开裂 

(Retro Diels-Alder Fragmentation, , 简称 RDA) 

RDA 

H 2 C CH 2 

RDA 

101

有些邻位二取代的芳香化合物也会发生类似于 

RDA 的重排开裂。 

102

The discovery of the Diels-Alder reaction in 1928, a 

reaction for which the namesakes would receive the Nobel 

Prize in Chemistry in 1950: Diels the professor, Alder the 

student. 

Diels, O.; Alder, K. Justus Liebigs Ann. Chem. 1928, 460, 98. 

103

Triterpenoids 

·+ 

COOH 

RDA 

HO 

和 / 或 

COOH 

HO 

m/e 456 m/e 208 (10%) m/e 248 (100%) 

104

Flavonoids 

O 

RDA 

O 

+ / 或 

+ 

· 

C O 

O 

m/e 120 m/e 104 

105

分子量、分子式的确定 

• Molecular ion ---- the m/z value of the molecular ion 

gives the molecular weight of the compound 

• Base peak ---- is the one with the greatest intensity. 

( it is assigned a relative intensity of 100% ) 

• M+1 peak or M+2 peak ---- often occurs because 

there are naturally isotopes of carbon, or other 

atoms 

106

HR-MS 

• High-Resolution Mass Spectrometry can 

determine the exact molecular mass of a 

fragment with a precision of 0.0001 amu.. 

• e. g. 

Some compounds with a nominal molecular 

mass of 122 amu and their exact molecular masses 

C9H14 C7H10N2 C8H10O C7H6O2 C4H10O4 C4H10S2 

122.1096 122.0845 122.0732 122.0368 122.0579 122.0225 

107

HR-FAB-MS 

H N 

U = C + 1 

2 

Cal. 847.3153 

U =18 

Cal. 189.0552 

AcO 

OAc 

OAc 

m/z = 824 m/z =189 

O 

AcO 

O 

H 

OAc 

O 

OAc 

OAc 

OAc 

108

LOLITA, QS-1162-2(695),HCCinn 

m938 1 (3.008) AM (Cen,5, 80.00, Ht,14000.0,0.00,2.00); Sb (1,80.00 ); Sm (SG, 2x3.00) 

100 

24-Apr-2003 

696.3748 

x10 

1: TOF MS LD+ 

749 

N 

O 

NH 

HO 

134.0985 

C 9 H 12 N + 

Calculated Mass: 134,0970 

C 11 H 16 NO 2 

+ 


Claculated values for 

C39H53NO10 +H 

696.3747 

C39H53NO10Na 

718.3567 

C39H53NO10K 

734.3307 

% 

718.3547 

636.3531 

734.3304 

0 

172.0396 

263.1783 

261.1297 

281.1890 

305.1557 

321.1306 

441.0148 

516.3113 

194.1174 

323.2004 

443.0145 576.3318 

419.3154 

736.3329 

127.1512 

861.0693877.0446 

79.0629 

379.0934 465.2244 

737.3308 878.3107 

841.4354 

923.3710 

925.3757 

m/z 

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 

594.3425 

637.3569 

735.3339 

109

分子离子峰 M + 的判别 

• 1) 最大质量数的峰可能是分子离子峰。当最大质量 

端存在同位素峰簇时 , 应按有关原则寻找。 

• 2) 和低质量离子的关系 : 

(1) 合理的中性碎片 ( 小分子或自由基 ) 的丢失。 

M-3 到 M-13、M-20 到 M-25 之内不可能有峰。 

(2) 分子离子应具有最完全的元素组成。 

(3) 多电荷离子按电荷修正后所得到的质量数应小 

于或等于分子离子质量数。 

110

分子离子峰 M + 的判别 

• 3) 应用氮规则 

当化合物不含氮或含偶数个氮时 , 其分子量为偶数 ; 

当化合物含奇数个氮时 , 其分子量为奇数。 

• 4) 分子离子峰的强度和化合物的结构类型密切相关。 

(1) 芳香化合物 > 共轭多烯 > 脂环化合物 > 短直链烷烃 > 某 

些含硫化合物。通常给出较强的分子离子峰。 

(2) 直链的酮、酯、醛、酰胺、醚、卤化物等通常显 

示分子离子峰。 

(3) 脂肪族且分子量较大的醇、胺、亚硝酸酯、硝酸 

酯等化合物及高分支链的化合物通常没有分子离子峰。 

111

采用 EI: 

大约 20% 的分子离子峰弱或不出现 , 其大致规律如下 : 

♦ 芳香族化合物 > 共轭多烯 > 脂环化合物 > 

低分子链烃 , 

某些含硫化合物 

♦ 羰基化合物 ( 醛 , 酮 , 酸 , 酯 , 酰氯 , 酰胺 ) 分子 

离子峰不出现或弱。 

♦ 脂肪族醇类 , 胺类 , 硝基化合物等分子离子往 

往不出现。 

112

分子离子峰不出现怎么办 ? 

降低电离电压到 7~14 ev, 减少分子离子裂解。 

降低样品的气化温度。 

提高灵敏度 , 加大进样量 , 改用 CI、FI、FD、 

FAB、ESI 测定方法。 

制备衍生物 , 提高挥发性 , 并根据增加的质量数 , 

核对原来确定的分子量。常衍生成醚或酯类化合物。 

113

提高分子离子峰强度的方法 

• 1 化学电离法 CI(chemical ionization ) 

• 采用化学电力法得到的分子离子峰不是 M 峰而是 M+1 

或 M-1 峰 , 且相对离子强度很大。 

• 优点 : 对不稳定的化合物可以得到分子离子峰 , 有利 

于分子量的确定。 

• 缺点 : 碎片离子峰较少 , 可以提供的结构方面的信息 

很少。 

• 定义 : 将样品气体和反应气体混合送入电离室用 

50 ev 的电子轰击 , 使反应气体首先电离 , 随后样品与 

分子离子进行分子离子反应 , 使样品分子电离。 

114


• 2. 场致电离 Field Ionization FI 

• 3. 场解析电离 Field Desorption FD 

• 4. 快速原子轰击质谱 Fast-Atom 

Bombardment FAB 

• 5. SI-MS Second Ion Mass Spectrometry 

• 6. 基质辅助激光解析电离 Martrix- 

Assisted Laser Desorption Ionization 

MALDI 

115


• 7. 电喷雾质谱技术 Electrospray Ionization MS, ESI-MS 

• 它是在毛细管的出口处施加一高电压 , 所产生的高电场使 

从毛细管流出的液体雾化成细小的带电液滴 , 随着溶剂蒸 

发 , 液滴表面的电荷强度逐渐增大 , 最后液滴崩解为大量 

带一个或多个电荷的离子 , 致使分析物以单电荷或多电荷 

离子的形式进入气相。 

• 电喷雾离子化的特点是产生高电荷离子而不是碎片离子 , 

使质量电荷比 (m/z) 降低到多数质量分析仪器都可以检测 

的范围 , 因而大大扩展了分子量的分析范围 , 离子的真实 

分子质量也可以根据质荷比及电行数算出。 

116

计算不饱和度 Unsaturation Index 

(Double Bond Equivalent, 

Indices of Hydrogen Deficiency) 

不饱和单位 ( 或称不饱和度 , 以 Ω 表示 ) 表示分 

子中存在的双键或环的数目 , 是解析化合物结构 

的一个重要参数。计算不饱和单位的方法如下 : 

式中 n 为碳原子数目 

117

质谱图解析的方法和步骤 

1. 解析分子离子峰区域 

1) 分子离子峰的确定 : 

按判断分子离子峰的原则确认分子离子峰 , 定出样品的分 

子量 , 并注意分子离子峰的强度 , 由此可以了解分子离子的 

稳定性。一般芳香类化合物、共轭多烯类化合物以及环状化 

合物的分子离子峰较强 , 有时是基峰 ; 而分支较多的脂肪族 

化合物、脂肪醇类化合物以及脂肪酸类化合物的分子离子峰 

较弱 , 有时在质谱中不出现。 

118

(2) 注意样品分子量的奇偶性 , 如为奇数 , 则样品分子 

肯定含奇数个氮原子 ; 如为偶数 , 还需根据其它信息判断样 

品分子中是否含有氮原子。 

(3) 根据同位素离子峰的强度 , 初步推测样品的分子式。 

含氯、溴以及硫元素的样品可以很容易地根据 (Μ+2) 峰的强 

度加以确认。 

(4) 可能的话 , 使用高分辨质谱仪 , 精确测出样品分子 

离子的质量 , 推出分子式。 

(5) 根据分子式 , 计算出样品的不饱和度。 

119

2. 解析碎片离子峰区域 

(1) 找出主要碎片离子峰 , 并根据碎片离子的质荷 

比 , 确定碎片离子的组成。注意碎片离子质荷比的奇偶 

性 , 判断生成碎片离子的开裂类型 , 由此可了解样品的 

官能团及结构信息。 

(2) 注意分子离子有何重要碎片脱去 , 由此也可了 

解到样品结构方面的信息。M-32 Artemisinin 

(3) 可能的话 , 使用高分辨质谱仪 , 精确测出重要的 

碎片离子的质量 , 确定碎片离子的元素组成。 

120

3. 列出部分结构单元 

(1) 根据分子离子脱去的碎片 , 以及一些主要的大碎片 

离子 , 列出样品结构中可能存在的部分结构单元。如芳环 

的判断 ( m/e 39、51、65、77 ) 

脂肪基团的系列峰 

(2) 根据分子式以及可能的部分结构单元 , 计算出剩 

余碎片的组成及不饱和度。 

(3) 推测剩余碎片的结构。 

121

4. 推出样品可能的结构式 

(1) 按可能的方式连接所推出的结构单元以及 

剩余碎片 , 组成可能的结构式。 

(2) 根据质谱或其它信息排除不合理的结构 , 

最后确定样品的结构式。 

122

质谱在天然产物结构测定中的应用 

---- 黄酮类二氢黄酮类 

O 

RDA 

B 

A 

O 

M · 

+ m/e 222 

RDA + H 转移 

O 

C O 

·+ ·+ 

+ C or 

CH 

+ + 

A 1 · 

B 1 · 

m/e 120 m/e 102 

CO 

O 

+ 

C O H 

m/e 121 m/e 92 

C 

O 

·+ 

A1 + B1 = M 

123

途径 II 

O 

B 

+ 

·· + 

O C CH+ O 

C 

B 

M + 

O 

m/e 76 m/e 105 

m/e 222 

CO 

CO 

· 

O + 

M-28 

m/e 194 

m/e 77 

124

芹菜素的 MS 

100 

80 

A1 + B1 = M 

120 + 102 = 222 

HO 

A 

OH 

O 

O 

B 

OH 

270( M + . ) 

60 

40 

20 

0 

B1 

121 

118 

124 

82 

A1 

153 

152 

100 150 200 250 300 

213 

242(M-28) 

125

二氢黄酮 

100 

80 

60 

40 

120-CO 

B1 

92 104 

A1 

120 

M C 6 H 5 

147 

O 

O 

221 

224 

20 

0 

77 

207 

131 

50 100 150 200 250 

126

A1+H 

B1 

M-B 

127

B1 

A1+H 

128

香豆素类 

香豆素类为核部分的主要开裂是连续脱去 CO, 

再失去 H 和 CH≡CH。主要裂解途径如下 : 

-CO 

O O O 

-CO 

C 7 H 6 

m/z 146 m/z 118 m/z 90 

129

香豆素类 

M + 

M + -Me-CO 

M + -Me 

M + -Me-2CO 

M + -CO 

130

蒽醌类 

主要裂解途径也是 M-CO-CO-C 2 H 2 , 这些离子都 

有双电荷离子 , 即 m/z 104, 90, 76 和 63 

M + -2CO 

M + -CO 

M + 

131

甾体皂苷元 

该类化合物的质谱中 , 常出现基峰 m/z 139, 它来 

自 E 环的裂解 , 为这类化合物的典型特征离子 

132

甾体皂苷元 

133

三萜类 

134

三萜类 

135

R 1 = H, R 2 = H 

Me 

N 

H 

+ 

HO 

Me 

O NH 2 

m/z 120.0813 C 8 H 10 N + m/z 180.1025 C 10 H 14 NO 2 

+ 

AcO 

AcO 

H 

OAc OAc 

H 

OH 

O 

Me R 1 

O N 

R 2 

R 1 = Me, R 2 = OH 

Me 

N 

Me 

+ 

Me 

O NH 

HO 

OH 

Me 

m/z 134.0970 m/z 210.1130 

C 9 H 12 N + + 

C 11 H 16 NO 3 

R 1 = Me, R 2 = H 

Me 

N 

Me 

+ 

HO 

Me 

O NH 

Me 

m/z 134.0970 C 9 H 12 N + m/z 194.1181C 11 H 16 NO 2 

+ 

136

LOLITA, QS-1010-2(653),HCCinn 

m682 1 (3.005) AM (Cen,5, 80.00, Ht,14000.0,0.00,2.00); Sb (1,80.00 ); Sm (SG, 2x3.00) 

100 

17-Mar-2003 

654.3659 

x2 

1: TOF MS LD+ 

1.98e3 

134.0974 

CALCULATED VALUES 

C37H51NO9 + H 

654.3642 

C37H51NO9Na 

676.3462 

C37H51NO9K 

692.3201 

N 

O 

NH 

% 

HO 

C 9 H 12 N + 


C 11 H 16 NO 2 

+ 


655.3681 

616.3262 

281.1898 

676.3441 

594.3431 

692.3204 

861.0693 

194.1184 261.1314 

135.1004 

326.3789 

556.3035 

862.0707 

693.3228 

118.0665 

195.1199 

341.2115 

534.3218 

845.0921 

172.0402 

423.2155 

694.3230 

878.0457 

107.0502 

342.2140 474.3011 

787.4505 839.0891 

903.3422 976.4933 

0 

m/z 

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 

137

138 

HO 

O 

N 

Me 

Me 

H 

O 

N 

Me 

Me 

N 

Me 

Me 

HO 

O 

H 

AcO 

H 

OH 

AcO 

AcO 

O 

O 

H 

N 

Me 

Me 

H 

AcO 

H 

OH 

AcO 

O 

O 

H 

N 

Me 

Me 

H 

AcO 

H 

OH 

HO 

O 

O 

H 

N 

Me 

Me 

H 

AcO 

H 

OH 

O 

O 

N 

Me 

Me 

H 

H 

OH 

O 

O 

N 

Me 

Me 

H 

HO 

H 

OH 

O 

O 

N 

Me 

Me 

H 

H 

O 

O 

N 

Me 

Me 

H 

AcO 

194.12 

176.11 134.10 

149.06 

654.36 

594.34 

552.33 

534.32 

534.32 

492.31 

516.31 

H 

O 

O 

N 

Me 

Me 

456.29 

AcO 

H 

OH 

HO 

H 

5359.22 

AcO 

H 

OH 

AcO 

H 

401.23 

AcO 

H 

OH 

341.21 

H 

H 

H 

H 

OH 

281.19 

H 

HO 

H 

OH 

299.20 

H 

H 253.20 

H 

H 263.18 

H 

AcO 

H 

313.20 

H 

106

习题 1: 由质谱推测相应化合物的结构 

139

Br 

CH H 2 

C 

COOH 

Br 

CH 

m/z 169/171 

α- 

rH, i 

H H 2 

C C α- COO-CO 

H 

C CH2 

-HBr 

2 

α- 

m/z 104 

Br 

CH CH 2 

i 

-Br 

i 

m/z 183/185 

m/z 77 

H 

C 

H 2 

C 

COOH 

rd 

H 

C 

OH 

-CH 2 CO 

m/z 107 

140

Some Common Losses From Molecular Ions 

Ion Possibly lost groups Possible inference 

M-15 CH 3 

M-16 O Ar-NO 2 

, > N + -O - , Sulphoxide 

M-16 NH ArSO 2 2 NH 2 , -CONH 2 

M-17 OH 

M-17 NH 3 

M-18 H 2 

O Alcohol, Aldehyde, Ketone, etc 

M-19 F Fluorides 

M-20 HF Fluorides 

M-26 C 2 

H 2 

Aromatic hydrocarbon 

M-27 HCN Aromatic nitriles, Nitrogen heterocycles 

M-28 CO Quinones 

M-28 C 2 

H 4 

Aromatic ethyl ethers, Ethyl esters, n-Propyl ketones 

M-29 CHO 

M-29 C 2 

H 5 

Ethyl ketones, Ar-n-C 3 

H 7 

M-30 C 2 

H 6 

M-30 CH 2 

O Aromatic methyl ether 

M-30 NO ArNO 2 

M-31 OCH 3 

Methyl ester 

M-32 CH 3 

OH Methyl ester 

M-32 S 

141 

M-33 H 2 

O + CH 3

Some Common Losses From Molecular Ions (continued) 

Ion Possibly lost Groups Possible inference 

M-33 HS Thiols 

M-34 H 2 

S Thiols 

M-41 C 3 

H 5 

Propyl ester 

M-42 CH 2 

CO Methyl ketone, Aromatic acetate, ArNHCOCH 3 

M-42 C 3 

H 6 

Butyl ketone, Aromatic propyl ether, Ar-n-C 4 

H 9 

M-43 C 3 

H 7 

Propyl ketone, Ar-n-C 3 

H 7 

M-43 CH 3 

CO Methyl ketone 

M-44 CO 2 

Ester, Anhydride 

M-44 C 3 

H 8 

M-45 CO 2 

H Carboxylic acid 

M-45 OC 2 

H 5 

Ethyl ester 

M-46 C 2 

H 5 

OH Ethyl ester 

M-46 NO 2 

Ar- NO 2 

M-48 SO Aromatic sulphoxide 

M-55 C 4 

H 7 

Butyl ester 

M-56 C 4 

H 8 

Pentyl ketone, Ar-C 5 

H 11 

, ArO-C 4 

H 9 

M-57 C 4 

H 9 

Butyl ketone 

M-57 C 2 

H 5 

CO Ethyl ketone 

M-58 C 4 

H 10 

M-60 CH 3 

COOH Acetate 

142

质谱图的解析 

质谱图解析的方法和步骤 

1) 分子离子峰的确定 

2) 分子式的确定 

3) 质谱图的总体判断 

芳环的判断 ( m/e 39、51、65、77 ) 

脂肪基团的系列峰 

4) 研究重要离子 

高质量端的离子 

重排离子 

亚稳离子 

重要的特征性离子 ( 强峰 ) 

5) 推测结构单元和分子结构 

6) 对质谱的核对、指认 

143

主要参考书 

E.D Hoffmam, J.Charette, V.Stroobant, Mass Spectrometry, 

Prenciples and Applications,John Wiley & Sons,1996. 

F.W. McLafferty: The Wileg/NBS, Registryof Mass 

Spectral Data, vol 1-7, 1989 

陈耀祖 , 涂亚平 : 有机质谱原理及应用科学出版社 2001 

赵瑶兴 , 孙祥玉 : 有机分子结构光谱鉴定科学出版社 2003 

丛浦珠 : 质谱学在天然有机化学中的应用科学出版社 1987 

讨论了 7150 个天然化合物的质谱离子和相对丰度 

宁永成 , 有机化合物结构鉴定与有机波谱学 2001 

144

四 . 核磁共振氢谱 

Nuclear Magnetic Resonance 

(NMR) 

145

TWO DIFFERENT STRUCTURES 

TWO DIFFERENT STRUCTURES 

BUT, SAME NMR DATA! 

pyrostatin B 

C 6 H 10 N 2 O 2 

J. Enzyme Inhibition 1995, 8, 223. 

ectoine 

C 6 H 10 N 2 O 2 

Eur. J. Biochem. 1993, 214, 897. 

177.0 (C)/ 161.5 (C)/ 53.6 (CH), 4.06 dd, 5.4, 5.4 / 38.0 (CH 2 ), 3.28 

ddd, 13.5, 8.4, 4.8/ 23.6 (CH 2 ), 2.11 m/ 19.1 (CH 3 ), 2.22 s 

146


核磁场共振 (NMR) 被誉为有机物的 

指纹 , 它使有机物的鉴定和结构测定 

进入了一个新的阶段。 

NMR is the only viable method for determining 

conformations of complex molecules in solutions. 

147


没有 NMR 前要搞清楚复杂结构只有降解一途。所谓降解就 

是切断所研究分子的键转化成另一化合物或分解成两个或多 

个较小的分子 , 在阐明后者的结构基础上逐步导出母体化合 

物的结构。这项异常艰巨的研究在维兰德 (H. O. Wieland 

[ 德 ], 胆酸 ) 和温道斯 (A. Windaus[ 德 ], 胆固醇 ) 的通力合 

作下经历了差不多 30 年 , 先后在 1927 年和 1928 年被授予诺贝 

尔奖。应当指出 , 他们在诺贝尔讲演中报告的甾体结构式并 

非完全正确。整个降解过程读来有如一本侦探小说 , 其复杂 

程度在有机结构研究中确是空前的。由于衍射分析和核磁共 

振技术的出现 , 这样的降解研究当然也就 “ 绝后 ” 

148

Heinrich Otto Wieland 1927 

1935 年汪猷赴德国慕尼黑大学化学研究所 , 在著名化学 

家、诺贝尔奖获得者维兰德指导下当研究生。1937 年冬 , 汪 

猷获慕尼黑大学最优科学博士学位。1938 年秋 , 他又去海德 

堡威廉皇家科学院医学研究院化学研究所任客籍研究员 , 在 

著名化学家、诺贝尔奖金获得者库恩指导下进行藏红素化学 

的研究。 

汪猷 

Richard Kuhn 1938 

1900.12.3-1967.8.1 

149


NMR spectroscopy was developed in the late 1950s 

following the discovery of nuclear magnetic resonance by 

Bloch and Purcell in 1946. Through the 1960s 13 C NMR 

became increasingly important and from 1972 was aided by 

a method known as the Fourier-transform technique. 

Another variation known as CIDNP (chemically induced 

dynamic nuclear polarization) appeared in about 1972 and 

was a valuable probe for free radical reactions of all kinds. 

150


Through the 1970s NMR was successfully applied to a 

vast range of problems in conformational analysis, and in 

due course extended to biological molecules. The coming 

of 3D NMR in the late 1980s made these studies much 

more practical for structural analysis of proteins, nucleic 

acids and other complex molecules. NMR studies are now 

so ubiquitous that it is hard to imagine chemistry without 

them. Their impact on structure determination has been 

immense. 

151

Brief History of NMR 

• 1945 Detection of NMR signals 

• 1949 Discovery of Chemical Shift 

• 1951 Discovery of Spin-Spin Coupling 

• 1952 First NMR Spectrometer (Varian 30 MHz) 

• 1952 Bloch & Purcell Received the First 

Nobel Prize (Stanford & Harvard) 

• 1953 Overhauser Effect 

• 1959 Vicinal J Dependence on Dihedral Angle 

(Karplus 1963) 

152


• 1962 First Superconducting Magnet 

NMR Spectrometer (Varian 220 MHz) 

• 1965 Nuclear Overhauser Ehancements (NOE) 

Used in Conformational Studies 

• 1965 Fourier Transform (FT) Techniques Introduced 

• 1969 First FT NMR (Bruker 90 MHz) 

• 1970-75 13 C Studies Become Routine 

• 1971 2D-NMR Concept Suggested 

• 1974 2D-NMR Technique Developed 

• 1979 Detection of HMQC 

153


• 1979 500 MHz Superconducting Spectrometer 

• 1981 NMR Used to Diagnose a Medical Condition 

• 1987 600 MHz Superconducting Spectrometer 

• 1991 Ernst Obtained Second NP (2D-NMR) 

• 1992 750 MHz Spectrometer 

• 2000 900 MHz Spectrometer (Varian, Oxford 

Instruments, 2001 Installed in Lab.) 

2006 950 MHz Spectrometer (Bruker) 

154

第一阶段 

45 ~ 46 年 :F. Bloch 和 E. M. Purcell 

两个小组几乎同时发现 NMR 现象 

50 年代初 :NMR 首次应用于有机化学 

60 年代初 :Varian Associates A60 Spectrometer 

问世 ,NMR 开始广泛应用 

155

第二阶段 

70 年代 :Fourier Transform 的应用 

13 

C-NMR 技术 ( 碳骨架 ) 

(GC,TLC,HPLC 技术的发展 ) 

第三阶段 

80 年代 :Two-dimensional (2D) NMR 诞生 

(COSY, 碳骨架连接顺序 , 非键原 

子间距离 , 生物大分子结构 ,……) 

156

Three Waves of NMR 

1. 1960s, the advent of the Varian Associates A-60 

spectrometer 

proton- 1 H NMR 

2. 1970s, the development of the FT instrument 

carbon- 13 C-NMR 

3. 1980s, ‘two-dimensional’ (2D-NMR), a daughter 

of the computer revolution 

157

对 NMR 作过贡献的 15 位 Nobel 奖得主 

1. 1944: I. Rabi 

2. 1952: F. Bloch 

3. 1952: E. M. Purcell 

4. 1955: W. E. Lamb 

5. 1955: P. Kusch 

6. 1964: C. H. Townes 

7. 1966: A. Kastler 

8. 1977: J. H. Van Vleck 

9. 1981: N. Bloembergen 

10. 1983: H. Taube 

11. 1989: N. F. Ramsey 

12. 1991: R. R. Ernst 

13. 2003: Paul Lauterbur and Peter Mansfield 

158

Applications: 

核磁共振已在众多领域中有了广泛的应用 . 从技术手段上讲 , 

核磁共振的应用主要有两个方面 : 

Ⅰ 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 

Ⅱ 核磁共振成象 (MRI):(1) 点成像法 

(2) 弛豫时间成像法 

159

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 

160

Related Nobel Prize 

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 Bloch ) 

珀赛尔 (Edward Purcell) 

161

1991 年诺贝尔化学奖 :R.R. Ernst (1933-) 瑞士物理化学家 

主要成就在于他在发展高分辨核磁共振波 

谱学方面的杰出贡献。这些贡献包括 : 

一 . 脉冲傅利叶变换核磁共振谱 

二 . 二维核磁共振谱 

三 . 核磁共振成像 

162

2002 诺贝尔化学奖 : 

瑞士科学家库尔特 ·. 维特里希 “for his development of nuclear 

magnetic resonance spectroscopy for determining the threedimensional 

structure of biological macromolecules in solution". 

他将获得 2002 年诺贝尔化学奖另一半的奖金。 

If one knows all the measurements 

of a house one can draw a threedimensional 

picture of that house. In 

the same way, by measuring a vast 

number of short distances in a protein, 

it is possible to create a threedimensional 

picture of that protein. 

163

Peter 

2003 年诺贝尔医学奖 : 美国科学家保罗 · 劳特布尔 (Paul 

Lauterbur) 和英国科学家彼得 · 曼斯菲尔德 (Peter Mansfield ) 

用核磁共振层析 “ 拍摄 ” 的脑截面图象 

164

MRI is used for imaging of all organs in the body 

165

梁曉天 

中国核磁共振技術的開拓者 

《核磁共振光谱解释简编》 

《核磁共振高分辨氢谱的解析和应用》 

1923.7-2009.9 

一葉秋鹼、川楝素、鹤草粉、鹰爪甲素及 

乙素、创新霉素、亮菌甲素、芍药新苷、 

海南粗榧、杜鹃素以及一些二萜生物碱等 

数十个天然产物的结构鉴定。 

166

一葉秋鹼 

鹰爪甲素 

OH 

O 

O 

H 

N 

O 

O 

OH 

Securinine 

Yingzhaosu A 

167

“ 五二三项目 ” 

• 1967 年 5 月 23 日 , 在毛泽东主席和周恩来总理 

的指示下一个旨在援外备战的紧急军事项目下达。 

• 1971 年 10 月 4 日屠呦呦用乙醚在摄氏 60 度的温度下制取青蒿提取物 , 

她在实验室中观察到这种提取物对疟原虫的抑制率达到了 100%。 

• 1973 年 3 月 , 中国中医研究院中药研究所的同志找到上海有机所周维 

善研究结构。 

• 1976 年结构测定的工作基本结束了 , 因为卫生部保密的要求 , 论文 

《青蒿素的结构和反应》 1979 年 5 月才发表在《化学学报》上 , 但 

没有申请专利。 

H 3 C 

H 

O 

O 

O 

H 

O O 

H 

CH 3 

CH 3 

168

Modern NMR Books 

1. Derome, A. 1987. Modern NMR Techniques for 

Chemistry Research. Pergamon Press Press, 

Oxford. 

2. Ernst RR., Bodenhausen G., and Wokaun A.. 1987. 

Principles of Nuclear Magnetic Resonance in One and 

Two Dimensions. Clarendon Press, Oxford. 

169

NMR spectra are acquired on a special 

instrument called an NMR Spectrometer 

170

Varian 600 MHz 

NMR Spectrometer 

171

Bruker 500 MHz 

NMR Spectrometer 

172

Liquid Helium-cooled Magnet 

173

The box houses the source of the radiofrequency radiation 

174

175

176

177

178

179

180

Varian 300 MHz NMR instrument 

The technique is challenging to learn but wonderfully powerful 

for the determination of organic and biochemical structure. 

181

900 MHz 

NMR 

Spectrometer 

Yokohama Uni. 

182

Theoretically, one may obtain complete 2D NMR datasets 

on, say, ca. 1 mg of a natural product of MW ca. 1000 (1 nmol) 

if several days of acquisition time are available, but few can 

afford this luxury. A more important limitation for a natural 

products chemist working with small-molecular mass samples 

is dynamic range – the ability to detect weak signals of a dilute 

solution of a natural product from strong background signal 

(e.g. residual NMR solvent signals or even impurities within 

the NMR solvent). Dynamic range limitations are ameliorated 

by the use of low-volume probes in which relatively high 

sample concentrations can be maintained. 

183

Fig. 1 Relative NMR sample tube 

diameter (OD) and sample 

volumes. From left to right, 

5 mm (600 uL), 

1.7 mm (35 uL) and 

1 mm tubes (7 uL). 

Right, a gas-tight sample syringe 

fitted with an extra long needle. 

Image credit: D. S. Dalisay. 

Tadeusz F. Molinski. NMR of natural products at the 

‘nanomole-scale’. Nat. Prod. Rep., 2010, 27, 184 321-329.

Fig. 1 Approximate time-line and qualitative comparison of recent milestone 

NMR probe innovations.Mass sensitivity (Sm, linear ‘y’ scale) for 1H NMR of 

a hypothetical fixed-mass sample as a function of probe fill volume (Vf, note 

the logarithmic ‘x’ scale) for room temperature probes (red line) and 

cryoprobes (blue line) at fixed field, Bo. See text for key references. 185 

Nanoprobe TM is a trademark of Varian Inc.

核磁共振波谱分析法的特点及应用范围 

(1)NMR 是化合物分子结构分析的最重要方法之一。尤其 

适用于不能获得单晶的化合物或液体 ( 包括溶液中 ) 的化 

合物的构型、构象的结构分析。大量地应用于有机结构分 

析 , 包括生物分子 ( 如蛋白质分子等。 

(2) 灵敏度比较低。一般要用 mg 以上的试样作测试 , 很少 

作定性分析。定量分析精确度、准确度较差。 

(3) 在化学反应动力学方面有独特的应用。可用于研究分 

子内部基团的运动 ( 内旋转 ), 测定反应速度常数 , 也可 

以监视一些化学反应的进行过程。 

186

1 

H NMR 

Integrate, Enlarge and Print 

187

13 

C NMR 

188

1 

H- 1 H COSY 

189

NMR-Lecture-I

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