近代分析测试方法.ppt

近代分析测试方法,青岛科技大学高分子学院 刘晨光,高分子材料实用剖析技术,董炎明,中国石化出版社,1997 有机分子结构波谱解析,朱淮武,化学工业出版社,2005 有机分子结构光谱鉴定,赵瑶兴等,科学出版社,2003 聚合物研究方法,张美珍,中国轻工业出版社,2000 材料结构表征及应用，吴刚，化学工业出版社，2004,参考书：,第一部分 核磁共振（NMR）,参考书： 初级读物： 1 核磁共振氢谱 赵天增编著，北京大学出版社， 1983 2 核磁共振碳谱 赵天增编著，河南科学技术出版社， 1993 中级读物： 1 核磁共振波谱 裘祖文、裴奉奎 编著，科学出版社， 1989 2 核磁共振实验新技术及应用，宫泽辰雄、荒田洋治编，彭朴、宋维良、张友吉译，化学工业出版社，1991 高级读物： 一维和二维核磁共振原理， (瑞士)R.R.恩斯特(R.R.Ernst)等著 毛希安译，北京 科学出版社 1997,Why we study NMR?, 阐明（化学）结构 合成有机化学，合成高分子化学，天然产物， 合成化学家选择的分析工具 研究动力学过程 反应动力学，平衡过程（化学或结构） 确定三维空间结构 蛋白质，DNA，蛋白质/DNA复合物，多糖 药物设计 结构与活性之间的关系 医学 - MRI,The Winner of The Nobel Prize in Physics (1952),R. R. Ernst,The Winner of The Nobel Prize in Chemistry (1991),K. Wthrich(维特里希因 ）,E. M. Purcell,F. Bloch,The Winner of The Nobel Prize in Chemistry (2002),核磁共振领域诺贝尔奖获得者,S. P. Mansfield (彼得曼斯菲尔德), University of Nottingham, 英国,P. C. Lauterbur(保罗劳特布尔), University of Illinois, 美国,2003年诺贝尔生理学和医学奖获得者,核磁共振成像技术的发现，医学诊断和生物细胞研究领域的突破性成就。,MRI is used for imaging of all organs in the body., 核磁共振 (NMR) 是非常有效的谱学技术，应用领域非常广泛。 - 高分辨液体核磁共振,一个四聚糖的1D NMR谱,一个16 kD 蛋白质的2D NOESY谱,- 固体核磁共振,- 液晶体系的核磁共振,- 核磁共振成像（MRI),1.核磁共振的产生 自旋运动磁矩与磁场的作用与能量不同能级核磁共振,一 基本原理,自旋角动量：,核的自旋运动 大多数原子核都有围绕某个轴做自旋转运动的现象,I：自旋量子数； h：普朗克常数；,仅仅 I 0 的核能吸收/发射电磁辐射，是核磁研究的对象。 原子量和原子序数均为偶数 I = 0 （ 12C, 16O） 原子量为偶数，原子序数为奇数 I = 整数 (14N, 2H, 10B） 原子量为奇数 I = 半整数 (1H, 13C, 15N, 31P),并非所有同位素的原子核都有自旋运动 1) 中子数、质子数均为偶数，I=0 12C、16O、32S 2) 中子数、质子数其一为偶数，另一为奇数，则I为半整数，如 I=1/2 1H、13C、15N、19F、31P、7Se、113Cd、119Sn、195Pt、199Hg等 I=3/2 7Li、9Be、11B、23Na、33S、35Cl、37Cl、39K、63Cu、65Cu、79Br、81Br等 I5/2 17O、23Mg、27Al、55Mn、67Zn 3）中子数，质子数均为奇数，则I为整数 I=1 2H、6Li、14N I=2 58Co I=3 10B 2）3）是核磁共振可研究的对象,核 磁 矩：,核磁矩的自旋态由磁量子数m (m有2I+1个取向)确定，是量子化的。,磁偶极矩，它决定了每个“核磁”的方向和大小, 和核自旋 I 有关的另一个性质是电四极矩Q。 I = 的核，电荷在核上的分布是球对称的，无电四极矩，可以得到高分辨的NMR 谱，是NMR 的主要研究对象。 对 I 的核，电荷在核上的分布是非球对称的，所以，不仅有核磁矩，还有电四极矩Q ， Q 与 I 的关系： 只有I 的核才有电四极矩。电四极矩会使谱线增宽。,Q = (2/5)Z(a2 b2),Q = cI(2I - 1),I = 0 I = I 1 I 1 Q = 0 Q = 0 Q 0 Q 0,核的电四极矩,磁场的作用（量子力学理论） 以 I 1/2 核为例 未加外磁场时，所有核自旋是无序的，没有能级分裂（简并状态）,= g h / 2, 因为核自旋具有磁矩，当施加一个强磁场（Bo)后，它们就与外加磁场平行或反平行,Z = hm,=- g h / 2, 在外磁场B0的作用下，平行和反平行于B0的核磁矩之间产生了能级差,Bo = 0,Bo 0,DE = hBo,a,b, 核磁矩在每个能级都有不同的布居数N，它由Boltzmman分布决定, 对在500MHz磁场中的1H核, 两能级的布居数差值远小于IR和UV，所以NMR信号很弱,N / N = e -E / T,kB,E = hBo/2,E = -hBo/2,h = 1.055 10-34 J s H = 26.75 107 rad T-1 s-1 B0 = 11.7433 T kB = 1.38 10-23 J K-1 T = 297 K,能量和频率（量子力学理论）, 因为能量与频率相关，所以我们可以得到下面重要的关系式：,NMR共振频率 或叫共振条件,E = h E = h Bo, 通常磁场条件下(2.35 - 18.6 T), 1H NMR共振频率在100-800 MHz 范围.13C核的共振频率是1H核的1/4。,NMR,o = - Bo / 2 (Hz) o = - Bo (rad s-1), 若在垂直Bo方向施加一个射频场B1,且此射频场频率等于由Bo产生的能级差对应的频率o时（共振条件）,自旋粒子就吸收能量产生能级跃迁,低能级粒子向高能级跃迁,产生核磁共振现象。,进动和自旋陀螺（经典力学理论）,o与什么过程相联系？核具有自旋角动量，所以可粗略认为核是绕其自身z轴不断旋转着的。自旋磁矩 不为零的核可以看成是小的原子磁子。 若自旋磁矩 处于大的外磁场Bo中， 与Bo的相互作用会产生一个扭矩，不论原来取向如何，它都将趋向于沿Bo方向取向。, 现在就有两个力作用于具有自旋磁矩的的核上： I 迫使它沿Bo排列的扭矩 II 保持它不断自旋的自旋角动量 描述进动的最好方式是想像一下在重力作用下的陀螺 绕Bo进动的频率叫拉莫尔（Larmor）频率（ o = - Bo ） 或进动（ precession）频率，与用能量方法给出的结果相同。 有些NMR现象用经典力学无法解释，但可用量子力学方法。,绕 B0旋转（进动）,Bo,wo,m,gravity,宏观磁矩, 我们研究的不是单个自旋。而是包含许多自旋的宏观体系，每个自旋磁矩都可以分解成z方向的分量和xy方向的分量。因为xy分量是随机分布的，各方向的矢量相互抵消，平均结果为零，而z方向的分量加和给出宏观磁化矢量Mo， Mo正比于两个能级布居数的差（N-N)。, 在和Mo之间有一个重要的差别： 是量子化的，仅能取两个状态中的一个 (m = 1/2) 或 (m = -1/2) Mo是连续的，描述了整个自旋分布。,2. 化学位移,根据共振条件: = hBo/2，核的共振频率只决定于旋磁比和Bo。 由于同一种核的相同，若它们都只经受外磁场的作用， 则只能观测到一条频率固定NMR谱线。NMR毫无意义。 产生原因： 原子核处在核外电子氛围中，电子在外加磁场的作用下产生次级磁场，该核受到屏蔽。 处于不同化合物中或同一化合物中不同位置的质子 共振吸收频率不同（化学位移） 测量，比较化学位移 了解分子结构 使核磁方法存在意义, 同种类型的核，如果所处化学环境不同，它们就会感受到不同的局部磁场Bloc，那么核所经受的有效场Beff为： 是核的磁屏蔽常数,与核的化学环境（既原子的电子结构和分子结构）有关,与外磁场无关。它是一个张量,在溶液中,由于分子的快速运动平均为常数。 Bloc的本质是由于电子的轨道运动所产生的屏蔽。,Beff = Bo + Bloc = Bo( 1 ) Bloc = Bo = - Bo(1 )/2,Bloc,Bo Bo Bo Bo,NMR标度（，ppm）, 频率标度随外磁场的改变而改变，应用起来不方便。 使用相对标度，用特殊的化合物作参考信号：,w - wref d = 106 ppm (parts per million) wref, 不随磁场改变，用100 MHz (2.35 T) 磁场测得的与用600 MHz (14.1 T)磁场测得的相同。. TMS (Tetramethyl silane ) 常用参考物质，溶于大部分有机溶剂，惰性，易挥发，有12个等性的1H核和4个等性的13C核。 还有一些其它的参考物质，如用于有机溶剂13C谱的二氧六环，用于水溶液样品1H谱的TSP，残余的溶剂峰等。,1H，15ppm,13C，220ppm,HO-CH2-CH3,去屏蔽 小的屏蔽常数 大的化学位移 移往低场,正屏蔽 大的屏蔽常数 小的化学位移 移往高场, ppm,影响化学位移的因素,原子的屏蔽（孤立原子的屏蔽）： = 3.1910-5Z4/3 原子序数Z越大，化学位移范围也越宽，如13C、19F、31P的化学位移范围比1H宽12个数量级。,不同核的化学位移范围,15N 13C 31P 19F 1H, 实际上一次实验只能观测一种核。, CH3X化合物甲基的化学位移与X基团电负性的关系： X Si(CH3)4 H CN NH2 I Br Cl OH F Ex 1.74 2.09 2.37 3.08 2.94 3.15 3.32 3.52 3.92 H 0.0 0.23 1.97 2.47 2.16 2.68 3.05 3.38 4.26,分子内的屏蔽其它原子或基团对目标核的磁屏蔽作用（分子结构信息） 诱导效应由于电负性较强基团的拉电子作用导致与之相连的原子(基团)周围的电子密度下降，核磁屏蔽减少，谱线向低场方向移动。, Cl的连续取代对CH4分子1H化学位移的影响,Cl取代基的数目,(1H), 去屏蔽效应随相隔原子个数增加逐渐衰减, 共轭效应由于共轭多重键电子转移导致原子（基团）电子密度和磁屏蔽的改变,p - 共轭（推电子给 位）, - 共轭（从 位拉电子）,p - 共轭（推电子给 位）, - 共轭（从 位拉电子）, 考虑H-Y分子,Y可以是一个原子或基团（如C-C单键,C=C双键,C三C叁键，C=O双键等）,在外磁场作用下,围绕Y的电子就被迫以某种方式运动,产生磁矩Y, 因而形成次级磁场. 次级磁场具有方向性,故对分子各部位的磁屏蔽各不相同,即磁各项异性效应.假设键是圆柱形对称的,则 H核处的屏蔽常数可以表示为 c| 和 c分别为平行于和垂直于化学键的磁化率。 的符号取决于两个因子: (3cos2-1)的符号，当5444时， 0；(| - )的 符号，它依赖于键的特性。C三C的(| - )的符号正好和其它各键的情况相反。因而屏蔽区和去屏蔽区也正好相反。, 磁各项异性效应,r, 若用此式作图,我们会从键的中心开始划分出两个锥形体,锥形体内部与外部屏蔽效果不同. +为屏蔽区, -为去屏蔽区.在54.7,屏蔽效果是零.,+ shielding - deshielding,+,+,+,+,-,-,-,-,环流效应 Benzene,Cyclohexa-1,3-diene,18-annulene, Van der Waals effect, 分子间的屏蔽其它分子中的原子或基团的屏蔽,当两个原子相互靠近时，由于范德华力的作用，电子云互相排斥，导致原子周围的电子密度降低，电子屏蔽减少，谱线向低场移动,氢键效应 使电子云密度平均化，使OH或SH中质子移向低场。 如分子间形成氢键，其化学位移与溶剂特性及浓度有关 如分子内形成氢键，与溶液无关，只与分子本身有关,分子内氢键,分子间氢键,与诱导效应同, 顺磁效应由未配对电子引起 谱线加宽（ 从几个Hz 到 几十甚至几百Hz） 化学位移范围增宽 （(1H)可增大到数十至数百）,(1H)/ppm,溶剂效应 稀溶液；不能与溶质有强烈相互作用 介质磁化率效应 内标（相同介质，相同磁化率）外标（磁化率校正 ）,3.自旋自旋偶合和偶合常数,如果只有化学位移这一效应，则NMR谱都将由一些单峰组成，且峰面积正比等性核的数目。但实验证明， NMR谱都将由一组组多重峰组成。,自旋自旋偶合,产生原因相邻核自旋间相互干扰，能量偶合，使谱线分裂。 偶合方式： 1直接偶合： 核磁矩间直接发生偶合作用。与核间的空间距离和取向有关。溶液中由于分子的快速运动直接偶合被平均为零。 2间接偶合：（J偶合或标量偶合） 核间通过核外电子云间作用产生的偶合作用。,固体NMR谱中两种作用都存在 液晶溶剂中的分子及大分子溶液中两种作用也都存在，但直接偶合只有残余贡献，比固体中小的多。 液体非粘性溶液中，由于分子快速的滚动，这种作用被平均掉。但间接偶合不能被平均掉， 因此， 液体高分辨NMR谱中呈现的多重峰主要是间接偶合作用的结果。,当自旋体系存在自旋自旋J偶合时，导致NMR谱线分裂。由分裂所产生的裂距，反映了相互偶合作用的强弱，称为偶合常数J 。(coupling constant)单位HZ 偶合常数的分类：按偶合核之间相隔化学键的数目分为：1J, 2J, 3J.,H,D,O,H,D,H,H,C,C,1J 0,2J 0,3J 0, Dirac矢量模型, J的符号是定义的。定义J的符号是因为谱线的位置（能量）和J的符号有关。但J是正是负对结构的解析并不重要。 J的大小与外磁场无关， J的单位是Hz。 随着相隔化学键数目的增加，J偶合常数将迅速减小，一般来说1J 2J 3J 4J，nJ（n 4）很难观测到。,质子与质子之间的相互关系： 1）化学等价：同一分子中化学位移相同的质子。化学等价质子具有相同的化学环境。 2）磁等价：如果有一组化学等价质子，当它与组外的任一磁核偶合时，其偶合常数相等，该组质子称为磁等价质子。 3）二者间关系：化学等价，不一定磁等价；但磁等价的一定是化学等价的。, OR-CH2-CH3 ，由于C-C单键的自由旋转导致CH3上的叁个1H核的化学环境得到平均，其化学位移相等。CH2的两个1H化学位移也相等。由于1H环境的交换，也导致CH2上的任一质子与CH3上的任一质子的偶合常数 3JHH 相同。所以不论CH2还是CH3上的1H核不仅化学等性，而且磁等性。, 磁等性核CH2 （或CH3）的2JHH偶合常数在NMR谱上反映不出来，因为这些CH2（或CH3）质子有相同的能量。, 二氟乙烯CH2=CF2，两个H和两个F是化学等性的，即 Ha = Hb ， Fa = Fb，但磁不等性，JHaFa JHbFa，JHaFb JHbFb。, 由于偶合常数不同，所以Ha和Hb核能量不同，2JHH 0。,影响偶合常数的因素 （1）原子核的磁性（旋磁比） A、B两核之间的偶合常数与旋磁比的乘积成正比。 1JAB（Hz）与 A B的关系,2）偶合常数与分子结构的关系： 质子质子偶合常数 a) 同碳质子J：相隔两个化学键，J最大，但由于各质子性质完全一致，所以只观察到一个单峰。 b) 邻碳质子：相隔三个化学键，J较大，是立体分子结构分析最为重要的偶合分裂。下图是邻碳质子的Karplus曲线。从中可见，不同位置上的核，相互之间的偶合常数不同，其大小与它们各自所在的平面的夹角有关。 = 180时3J最大， 90 3J最小 乙烯 3J顺11.6Hz, 3J反19.1Hz c) 远程偶合：核之间的作用较小，很少观察到分裂。, 双键体系中反式偶合常数3Jtrans总是大于顺式偶合常数3Jcis，数值大小与取代基的电负性相关。, 对于自由旋转的化合物，取代基电负性越大， 3JHH越小，但取代基对3JHH影响不如对双键化合物影响大。 对于类似H-C-X-H途径传递的偶合（X可以是O, N, S, Se），3JHH除杂原子X的诱导效应外，也有类似Karplus的关系，例如：,3JH1H3 = 13.1 Hz 3JH1H2 = 2.9 Hz,3JH1H3 = 14.1 Hz 3JH1H2 = 2.3 Hz,质子碳偶合常数, 单键偶合常数1JCH 与碳原子杂化轨道性质有关，s成份越多， 1JCH越大。, 1JCH与环的大小有关。环越小，碳原子杂化轨道中s成份越多， 1JCH越大。, 1JCH 偶合常数与取代基诱导效应有关。, 2JCH, 3JCH, 4JCH比1JCH小很多，通常小于10Hz。但在结构分析中重要。 3JCH偶合常数也服从类似的二面角关系。,3JCH(trans) = 14.1 Hz 3JCH(cis) = 7.6 Hz,C*OOH,H2N,H,H,R,H*,3JCH(旁式) = 0.5 Hz,C*OOH,H2N,H,H*,H,R,3JCH(反式) = 12 Hz, 在芳烃中，由于3JCH全是反式，因此比2JCH大。例如苯分子： 3JCH = 7.4 Hz 2JCH = 1.0 Hz,3）偶合常数与电子结构： 核周围电子密度越大，传递偶合的能力也越强 *原子序数：随着原子序数的增加，核周围电子密度也增加，因而传递偶合的能力也增加，偶合常数增大。 H3P 182Hz ; PF3 1410Hz *化学键电子云分布（键长的影响） JC-CJC=CJCC,1H一级近似谱耦合分裂规律, 各组峰的中心分别为各基团质子的化学位移值。 谱线的分裂数服从（n 1）规则，n为邻近基团的质子数。 谱线的裂距等于偶合常数J。 谱线的强度比服从宝塔式规则。 如果一种核a同时与不同的邻近核发生不同的J偶合，a核谱线分裂数目N = (n+1)(n+1);若类似则N= (n+n+1). 各组峰的面积比等于相应基团质子数之比。 磁全同质子之间没有偶合分裂（ClCH2CH2Cl),只有单峰。 ps： n+1 规律是一种近似的规律，实际分裂的峰强度比并不完全按上述规律分配。 通常是形成的两组峰都是内侧峰高、外侧峰低,CH3,ppm,1.22,3.70,5.0,4.弛豫过程,当电磁波量子的能量恰好等于样品分子的某种能级差时，样品可吸收电磁波量子从低能级跃迁到高能级，由于波尔兹曼分布，低能级粒子数应多于高能级粒子数，所以应存在某种过程使高能级的原子核能够回到低能级，这个过程就叫弛豫过程(relaxation) 由于弛豫现象的发生，使得处于低能态的核数目总是维持多数，从而保证共振信号不会中止。弛豫越易发生，消除“磁饱和”能力越强。,纵向弛豫（自旋晶格弛豫 Spin-Lattice Relaxation）:体系与环境交换能量。处于高能级的核将其能及时转移给周围分子骨架中的其它核，从而使自己返回到低能态的现象。 横向弛豫（自旋自旋弛豫 Spin-Spin Relaxation）：核磁矩之间的相互作用。两个相邻的核处于不同能级，进动频率相同，高能级核与低能级核通过自旋状态而实现能量转移所发生的弛豫现象。 弛豫时间:从高能态恢复到低能态所需时间,重要参数,固体核磁谱。而弛豫时间长，核磁共振信号窄；反之，谱线宽。,谱图中化合物的结构信息,（1）峰的数目： 分子中磁不等价质子的种类，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。,磁不等价核：有机分子中磁不等价性普遍存在，对推断结构很有用。,例1：双键同碳质子磁不等价,例2：单健带有双键性质时，会产生不等价质子。,例3：单键不能自由旋转时，也会产生磁不等价质子 BrCH2CH(CH3)2有三个构象。在室温下，分子绕CC轴快速旋转，使两个氢核Ha与Hb处于一个平均的环境，因此Ha与Hb等价。而低温下，这个化合物大部分由I、II两个构象组成，只有少量的III，于是Ha与Hb因所处环境有差别而成为不等价了。,例4：与不对称碳原子连接的CH2质子是不等价的。 C*为不对称碳原子，在i的分子中，不管R-CH2-的旋转速度有多快，CH2-的两个质子所处的化学环境总是不相同，所以-CH2-磁不等价，见ii、iii、 iiii的Newman投影图。,例5：构象固定的环上CH2质子是不等价的。 在室温下环已烷的两种构象转化速度快，因此直立氢Ha与平伏He的化学位移被平均化，结果环已烷的信号为单一尖峰1.43ppm。 而甾族化合物（环戊烷并全氢菲类化合物的总称）的稠环构象是固定的，因此Ha和He的化学位移不相同为不等价核，所以甾族化合物在0.8-2.5ppm之间有复杂的信号。,谱图解析步骤,由分子式求不饱合度 由积分曲线求1H核的相对数目 以化学位移解析各基团 首 先解析：,再解析：,( 低场信号 ),最后解析：芳烃质子和其它质子 活泼氢D2O交换，解析消失的信号 由化学位移，偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考 IR，UV，MS和其它数据推断解构 得出结论，验证解构,常见结构单元化学位移范围,6个质子处于完全相同的化学环境，单峰。 没有直接与吸电子基团（或元素）相连，在高场出现。,1. 谱图解析,质子a与质子b所处的化学环境不同，两个单峰。 单峰：没有相邻碳原子（或相邻碳原子无质子）,质子b直接与吸电子元素相连，产生去屏蔽效应，峰在低场（相对与质子a ）出现。 质子a也受其影响，峰也向低场位移。,裂分与位移,苯环上的质子在低场出现。为什么？ 为什么1H比6H的化学位移大？,c,a,b,谱图解析与结构确定,5,2,2,3,化合物 C10H12O2,8 7 6 5 4 3 2 1 0, 2.1, 3.0, 4.30, 7.3,正确结构：,u=1+10+1/2(-12)=5, 2.1单峰三个氢，CH3峰 结构中有氧原子，可能具有：, 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代,3.0, 4.30,2.1, 3.0和 4.30三重峰和三重峰 OCH2CH2相互偶合峰,9, 5.30, 3.38, 1.37,C7H16O3，推断其结构,6,1,C7H16O3， u=1+7+1/2(-16)=0,a. 3.38和 1.37 四重峰和三重峰 CH2CH3相互偶合峰,b. 3.38含有OCH2结构 结构中有三个氧原子，可能具有(OCH2)3,c. 5.3CH上氢吸收峰，低场与电负性基团相连,正确结构：,化合物 C10H12O2，推断结构,7.3,5.21,1.2,2.3,5H,2H,2H,3H,化合物 C10H12O2，,u=1+10+1/2(-12)=5,1) 2.32和 1.2CH2CH3相互偶合峰 2) 7.3芳环上氢，单峰烷基单取代 3) 5.21CH2上氢，低场与电负性基团相连,哪个正确?,为什么?,化合物 C8H8O2，推断其结构,9,8,7,6,5,4,3,10, 9.87, 3.87,化合物 C8H8O2，,u=1+8+1/2(-8)=5,7-8芳环上氢，四个峰对位取代 9.87醛基上上氢，低场,正确结构：, 3.87 CH3峰，向低场位移,与电负性基团相连,1700cm-1, C=0, 醛,酮 3000 cm-1, -C-H 饱和烃,两种质子 1：3或3：9 -CH3 ：-C(CH3)3 无裂分，无相邻质子,联合解谱,C8H14O4,1700cm-1, C=0, 醛,酮，排除羧酸，醇，酚 3000 cm-1, -C-H 饱和烃，无芳环,( 1) 三种质子 4：4： (2) 裂分，有相邻质子； (3) =1.3(6H) 两个 CH3 裂分 为3,相邻C有2H; CH3-CH2- (4) =2.5(4H) ,单峰, CO-CH2CH2-CO- (5) =4.1(4H) 低场(吸电子), 两个 -O-CH2-,(ppm) 9.594 8.360 7.684 7.532 7.384 6.870,1#,2#,3#,4#,5#, 10.55 8.05 7.46 6.96 2.17,简化谱图的方法,1. 采用高场强仪器,2. 活泼氢D2O交换反应 3. 介质效应,交换速度OHNHSH,4. 去偶法（双照射）,第二射频场 H2,2,Xn（共振）,AmXn系统,消除了Xn对的Am偶合,照射 Ha,照射 Hb,5. 位移试剂 (shift reagents),稀土元素的离子与孤对电子配位后，相邻元素上质子的化学位移发生显著移动。,常用：Eu（DPM）3 三（2,2,6,6四甲基）庚二酮3,5铕,OH,OH,1H NMR谱图实例,单体氢谱中化学位移归属：,一、 概述,核磁矩：1H=2.79270; 13C=0.70216 磁旋比为质子的1/4； 相对灵敏度为质子的1/5600； 碳与氢的偶合不仅使13C谱复杂，且使13C的信号更弱。 PFT-NMR(1970年)，实用化技术；,核磁共振碳谱,13C谱特点： （1）研究C骨架，结构信息丰富；能给出不与氢相连的碳的共振吸收峰。 （2）化学位移范围大；0250ppm； ( 19F：300ppm； 31P：700ppm；) （3）13C-13C偶合的几率很小；13C天然丰度1.1%； （4）13C-1H偶合可消除，谱图简化。 （5）弛豫时间长,PFT-NMR,R.F.transmitter,MAGNET,R-F receiver and detector,Recorder,Sweep generator,MAGNET,二、化学位移 chemical shift,化学位移范围：0250ppm；核对周围化学环境敏感，重叠少 氢谱与碳谱有较多共同点； 碳谱化学位移规律： (1) 高场低场 碳谱：饱和烃碳原子、炔烃碳原子、烯烃碳原子、羧基碳原子 氢谱：饱和烃氢、炔氢、烯氢、醛基氢； (2) 与电负性基团相邻，化学位移向低场移动；,化学位移规律：烷烃,取代烷烃:,脂肪链碳数n 4 端甲基 C=13-14 邻碳上取代基增多C 越大,取代烷基越大C 越大 CCH CH2 CH3 C=10-50,化学位移规律：炔烃,C=65-90 与炔烃邻sp3碳受影响大 烷基取代基对炔影响大，把邻炔碳拉向低场,化学位移规律：烯烃,C=100-150（成对出现）,端碳=CH2 110；取代基增多C越大 烯键对分子中sp3碳的C影响较小,化学位移表1 chemical shift table,化学位移表2 chemical shift table,三、去 偶,氢谱中，13C对1H偶合峰可忽略 碳谱中，1H对13C偶合复杂，影响谱图解析 去偶方法： (1)质子噪声去偶或宽带去偶(proton noise decoupling or boradband decoupling) ： 双共振；采用宽频带照射，使氢质子饱和； 去掉13C与1H的偶合,每个碳原子一条谱线 去偶使峰合并，强度增加 有NOE增强，不能定量,(2)质子偏共振去偶（off-resonance decoupling 用一频率范围小，频率略高于待测样品所有氢核的共振吸收位置，使其在一定程度上去偶 不便识别伯仲叔季不同类型的碳 降低13C和1H之间的偶合.避免谱线间重叠,保留与碳 直接相连质子的偶合信息; 13C分裂为n重峰，表明它与（n-1）个质子相连。,(3).质子选择性去偶（偏共振去偶的特例 ） 调节去偶频率正好等于某种氢的共振频率，达到碳谱的指认。这个碳完全去偶，为单峰。,(4).门控去偶（gated decoupling） 发射门：控制射频1的发射时间 接受门：控制接受器的工作时间 用发射门和接收门控去偶时间很短，NOE刚产生就中止。增加累积次数，耗时长，增加谱线强度 反门控去偶(定量碳谱) 加长脉冲间隔，增加延迟时间，无NOE增强，使谱线强度可以代表碳数，可以定量分析. 前几种都损失偶合信息，信号强弱与所代表碳原子数不成比例。为测真正偶合常数或定量分析，需如上方法去掉13C与1H的偶合.,(5) DEPT 季碳不出峰 脉冲技术 较复杂的有机分子或生物高分子,谱图去偶作用 对比,谱图去偶作用对比,碳谱与氢谱的对比,碳谱与氢谱的对比谱图去偶作用对比,一维13C谱分析一般步骤, 由化合物分子式CmHnOqNrXs（X = 卤素）定出不饱和数：,F = 2 m + 2 - ( n - r + s ) / 2 F = （双键数+环数）, 由13C去偶谱得出谱线数l，若l = m，则分子无对称性，若l m，则分子中可能有对称因素（或偶然化学等性）。 由DEPT谱定出碳的类型（伯，仲，叔，季）（q,t,d,s)，必要时用反门控去偶谱中的峰高或积分强度定出各峰碳数。 根据化学位移和碳的类型推测可能存在的基团，并结合氢谱分析结果排列出各种可能的结构要素。 根据结构要素排列出各种可能的结构，分析各种信息, 排除不正确的结构。,四、13C NMR谱图,例3.化合物C12H26，根据13C NMR谱图推断其结构。,13C-NMR谱图：,13C -NMR谱图中有13个吸收峰，对应于单体双酚上的13个碳，其中122126和130131ppm的两组四重峰归因于碳同侧基上的氟的2JCF和3JCF偶合。,19F NMR谱图：,唯一的一个峰在63.20ppm处对应CF3的氟原子,NMR的三个方向：,液体高分辨核磁共振 生物大分子 固体高分辨核磁共振 材料 核磁共振成象（MRI） 医学,固体NMR中的一些基本问题,1.为什么要做固体NMR？ a. 样品不溶解 b. 样品溶解，但是结构改变 c. 了解从液体到固体的结构变化 liquid NMR Solid state NMR d. 作为x-ray的重要补充 x-ray long-rang ordering ss NMR short-rang ordering 2. 应用领域 a. 无机材料（分子筛、玻璃、陶瓷等） b. 有机固体（高分子、膜蛋白等）,3. 液体NMR与固体NMR的区别,(1) 谱线：固体谱线宽 液体谱线窄 H2O 液体 线宽 1000Hz 液体分子快速运动把使谱线增宽的各种内部相互作用平均为零 (2)硬件： a. High power (1000W) short pulse width (激发SW大） low power (100 W) large pulse width (激发SW小） b. 魔角旋转（MAS）探头 (3)差别在减小 HR-MAS probe、 Nano-probe 凝胶、生物组织样品 介于固体与液体之间 微克级的液体样品,固体中核所感受的各向异性作用往往包含许多重要的信息。 高分子材料的许多功能是在固态时才有的，固体NMR是研究其相关的分子结构及分子运动的最有效工具之一 宽线核磁共振谱 液体NMR有非常尖锐的谱线，因而可观察到非常小的化学位移变化，但失掉了各向异性的信息，这些各向异性的作用就是NMR谱线增宽的来源，通常称为“宽线NMR”. 高分辨固体核磁共振 使固体NMR谱线变窄，可得固体高分辨谱，它能显示出化学位移和多重结构得固体NMR谱。,高分辨固体核磁共振,固体高分辨核磁共振的新技术 1）高功率质子去偶 (HPD-High power Proton Decoupling): 2）魔角旋转magnic angle sipnning 3）交叉极化cross polarization,获得高分辨固体NMR的方法,1 高功率质子去偶 高分辨13C谱图去除1H对13C的偶合作用，几千HZ的直接偶极偶合 2 样品绕魔角快速旋转 采用魔角旋转(MAS)方法可消除核自旋之间的直接偶极相互作用和化学位移的各向异性的影响。 魔角旋转：样品的旋转轴与磁场方向的夹角等于5444 ，这对两磁场的相互作用便消失了。 当5444时，3cos21.2-1=0 即使两个磁核之间的连线不是恰好与外磁场成5444，但是当整个样品围绕5444的轴旋转时，从时间平均的效果来看是等同与它本身以这个轴旋转。,3 交叉极化技术(cross polarization-cp) 丰度低同位素增加灵敏度。 现代脉冲傅立叶变换，很短脉冲激发样品，多次重复，获得信号通过计算机同步叠加，提高信噪比。 液体中T1相对较小，几秒钟，分子运动提供弛豫途径。 固体中，分子运动受限制，使得T1长达几分钟甚至更长，脉冲重复时间间隔加长，试验费时，也难长时间内保持仪器稳定性。要获固体高分辨13CNMR谱图非常困难。 CP使稀核与丰核间热接触，稀核极化增强，提高探测灵敏度。大大降低13C核有效弛豫时间，解决费时。 CP试验适用于1H核与另一种含量较少的核13C、31P、15N、29Si等核所构成的体系。,不饱和度（degree of unsaturation）：当一个化合物衍变为相应烃后，与其同碳的饱和开环链烃相比较，每缺少二个氢为一个不饱和度。 一个双键1，一个叁键2，一个脂环（不论大小）为1，一个苯环4 化合物的不饱和度U指其中双键、叁键、脂环和苯环不饱和度之和，且不能加以区分。 经验公式如下： U=1+2n6+n4+1/2(3n5+n3-n1) 若化合物中不含V价以上元素，可以简化： U=1+n4+1/2(n3-n1),： 计算不饱和度时，二价元素，如氧等不参加计算 元素化合价应按其在化合物中实际提供成价电子数计算 例：氮原子已成三价（共价），另外又提供一孤对电子为配位键时，氮化合价以计 一个化合物中，当有多个同一元素原子，且它们提供成键电子不同时，则应分别按各自实际提供成价电子数计算。 元素化合价不分正负，也不论何种元素，只按分类计算 例：价元素不只包括氢，还有价碱金属和价卤素 对于含变价元素，如氮、磷、硫等，可对每种可能化合价做一次不饱和度计算，然后据光谱进行取舍 例：计算不饱和度 按三价算： 按五价算：,化学位移H,除了可以利用各种化学位移表直接查询之外，还可以用某些经验公式计算而得。 1）亚甲基和次甲基 =CH2 =, 三CH =,2）烯烃质子 C=C-H = 5.25+Z同+Z顺+Z反 3）芳烃质子 H = 7.26+Z Z（IS）取代基常数, = （ 样 - TMS) / TMS 106 (ppm),各类氢的化学位移,饱和烃,-CH3: CH3=0.791.10ppm -CH2: CH2 =0.981.54ppm -CH: CH= CH3 +(0.5 0.6)ppm,H=3.24.0ppm H=2.23.2ppm H=1.8ppm H=2.1ppm H=23ppm,烯烃,端烯质子：H=4.85.0ppm,内烯质子：H=5.15.7ppm,与烯基，芳基共轭：H=47ppm,芳香烃,芳烃质子：H=6.58.0ppm,供电子基团取代-OR，-NR2 时：H=6.57.0ppm,吸电子基团取代-COCH3，-CN，-NO2 时：H=7.28.0ppm,-COOH：H=1013ppm,-OH： （醇）H=1.06.0ppm （酚）H=412ppm,-NH2：（脂肪）H=0.43.5ppm （芳香）H=2.94.8ppm （酰胺）H=9.010.2ppm,-CHO：H=910ppm,芳环取代谱峰型,常见的几种复杂谱图,取代苯环 1）单取代苯环 第一类取代基团：-CH3，-CH2-，-CH=，-Cl， -Br，-CH=CHR，-C三CR 对苯环邻，间，对位氢H的位移幅度不大，总是一个中间高，两边低的大峰,第二类取代基团：-OH，-OR，-NH2，-NHR， -NRR 使苯环活化，使邻、对位电子云密度增加， H移向高场，间位氢H向高场移动较少。 谱峰分为两组，邻、对位的氢（3个）在相对高场，间位氢两侧都有邻碳氢，为三重峰,第三类取代基团：-CHO，-COR，-COOR， -COOH，-CONHR，-NO2，-N=N-Ar，=C=NH（R），-SO3H 使苯环钝化，电子云密度降低，因而H值移向低场。邻位氢位移较大，处在最低场，间对位3个谱线往低场位移较小。邻位氢为双峰。,2）对位二取代苯环 相同基团对位取代，整个分子高度对称。 不同基团对位取代，谱图左右对称，最易识别。,3）邻位二取代苯环 相同基团取代，谱线左右对称 不同基团邻位取代，谱线最复杂 4）间位二取代苯环 两个取代基团中间的隔离氢无可偶合，为粗略单峰。,Bruker Avance 500MHz谱仪,1.材料定性鉴别 聚烯烃鉴别,高分辨核磁分析高聚物的结构,尼龙鉴别,2. 共聚物组成的测定,3. 几何异构体的测定 聚异戊二烯加成,双键碳上H：1，4加成 =5.08 3，4（1，2） =4.67 甲基上H：顺1，4 =1.67 反1，4 =1.60 沿高分子链的几何异构单元分布： 顺1，4：c 反1，4：t 提供几何异构体序列分布信息,4. 高聚物立体规整性的鉴定 PMMA,PMMA所有不等价质子都被三个以上链分开，这就完全排除质子的自旋-自旋偶合作用，因此在PMMA的H-NMR光谱中可观测到的分裂只可能由于大分子构型或立构规整性不同而导致大分子空间构象差别。,5.大分子链的