第13章 核磁共振波谱分析.ppt

13 1核磁共振原理 13 2核磁共振波谱仪 13 3化学位移和核磁共振图谱 13 4自旋偶合及自旋裂分 13 5一级谱图的解析 第13章核磁共振波谱分析 NuclearMagneticResonanceSpectroscopy NMR 13 6高级谱图和简化谱图的方法 13 713C核磁共振谱 红外光谱可获得化合物分子中的基团信息 但缺乏分子骨架结构信息 核磁共振波谱也是一种光谱 能量低 无线电波 主要研究的对象是 1H 13C 提供质子 碳骨架结构信息 磁性原子核处于强磁场中时 核自旋能级裂分 无线电波照射时 产生核磁共振现象 据此建立的分析方法称为核磁共振波谱法 简称NMR 射频辐射 原子核 强磁场下能级分裂 吸收 能级跃迁 NMR 布洛赫首先测定了水中质子的共振吸收 珀塞尔第一次测定了固态链烷烃中质子的共振吸收 两人获得了1952年的诺贝尔奖 1950年 奈特发现乙醇中的质子显示三个独立的峰 分别对应于CH3 CH2和OH基团中的质子 与紫外 红外比较 共同点都是吸收光谱不同点 NMR是结构分析的重要工具之一 在化学 生物 医学 临床等研究工作中得到了广泛的应用 1 原子核的自旋 自旋的原子核 产生核磁矩 自旋角动量 核磁子 为磁矩单位 自旋量子数 I 不为零的核都具有磁矩 核磁矩 13 1核磁共振原理 磁矩的方向可用右手定则确定 讨论 1 I 0的原子核 16O 12C 22S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 I 1 2H 14NI 3 2 11B 35Cl 79Br 81BrI 5 2 17O 127I 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 1H 13C 19F 31P原子核可看作核电荷均匀分布的球体 并像陀螺一样自旋 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 2 核磁共振现象 自旋量子数I 1 2的原子核 氢核 可当作电荷均匀分布的球体 绕自旋轴转动时 产生磁场 类似一个小磁铁 当置于外磁场B0中时 相对于外磁场 有 2I 1 种取向 氢核 I 1 2 两种取向 两个能级 1 与外磁场平行 能量低 磁量子数m 1 2 2 与外磁场相反 能量高 磁量子数m 1 2 其实 两种取向不完全与外磁场平行或相反 54 24 和125 36 这样 在外磁场下 核自旋产生的磁场与外磁场发生相互作用 产生进动 拉莫进动 进动频率 0 角速度 0 0 2 0 B0 磁旋比 B0外磁场强度 两种进动取向不同的氢核产生能级裂分 能级差为 E E E2 E1 B0 B0 2 B0 E与核磁矩及外磁场强度成正比 B0越大 能级分裂越大 E越大 核磁共振条件 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 由射频振荡线圈产生电磁波供给 对于氢核 能级差 E 2 B0 磁矩 产生共振需吸收的能量 E 2 B0 h 0 0 光子频率 进动频率由拉莫进动方程 0 2 0 B0 共振条件 0 B0 2 讨论 0 B0 2 对于同一种核 磁旋比 为定值 不同原子核 磁旋比 不同 见表13 2 1 不同原子核 固定B0 改变 扫频 在不同频率处发生共振 也可固定 改变B0 扫场 在不同磁场处发生共振 扫场方式应用较多 2 相同原子核呢 后来的研究发现 质子的共振频率与其结构 化学环境 有关 在高分辨率下 吸收峰产生化学位移和裂分 由有机化合物的核磁共振图 可获得质子所处化学环境的信息 进一步确定化合物结构 能级分布与弛豫过程 不同能级上分布的核数目可由Boltzmann定律计算 磁场强度2 3488T 25 C 1H的共振频率与分配比 两能级上核数目差 1 6 10 5 有净吸收 处于低能级的核数比高能态核数多十万分之一 而NMR信号就是靠这极弱过量的低能态核产生的 若高能态核不能通过有效途径释放能量回到低能态 低能态的核数越来越少 一定时间后 低能态的核数目等于高能态的核数目 这时不再吸收 核磁共振信号消失 这种现象为 饱和 激发到高能态的核必须通过适当的途径将其获得的能量释放到周围环境中去 使核从高能态回到原来的低能态 这一过程为弛豫过程 弛豫过程是核磁共振现象发生后得以保持的必要条件 弛豫过程高能态核低能态核 自发辐射的概率近似为零 通过一些非辐射途径回到 弛豫过程有两种 自旋 晶格弛豫 处于高能态的氢核 把能量转移给周围的分子变成热运动 氢核回到低能态 为纵向弛豫 自旋 自旋弛豫 是进行旋进运动的核接近时相互之间交换自旋而产生的 即高能态的核与低能态的核非常接近时产生自旋交换 一个核的能量被转移到另一个核 这种横向弛豫机制并没有增加低能态核的数目而是缩短了该核处于高能态或低能态的时间 1 仪器发展过程 1 二十世纪60年代出现了高分辨核磁共振波谱仪 连续波 2 二十世纪70年代出现了脉冲傅里叶变换核磁共振波谱仪 3 二十世纪80年代末600MHz的超导谱仪 4 现在磁场强度为1000MHz的超导核磁共振波谱仪也制成 5 计算机技术极大促进了二维核磁共振 2D NMR 方法的发展 用于解决复杂结构问题 13 2核磁共振波谱仪 2 连续波核磁共振波谱仪 CW NMR 主要部件 1 磁体 提供强而稳定 均匀的外磁场 要求不均匀性小于六千万分之一 永久磁铁和电磁铁 磁场强度10T 超导磁体 开始时 大电流一次性励磁后 闭合线圈 产生稳定的磁场 长年保持不变 温度升高 失超 重新励磁 采用双层杜瓦瓶 外层放置液氮 内层放置液氦 以保持低温 日常维护费用高 超导核磁共振波谱仪200 400MHz 600 1000MHz 2 射频发射 振荡 器 线圈垂直于外磁场 发射一定频率的电磁辐射信号 60MHz或100MHz 氢核 固定磁场 扫频 或多采用固定频率 扫场 3 射频 RF 接受器 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 通过放大后记录下来 因此 射频接收器相当于共振吸收信号的检测器 4 探头 探头中有试样管座 发射线圈 接受线圈 预放大器和变温元件等 试样管座处于线圈的中心 用于放置试样管 试样管座还连接有压缩空气管 压缩空气驱动试管快速旋转 以消除任何不均匀性 样品管 外径5mm的玻璃管 5 扫描单元 扫描单元是连接波核磁共振波谱仪特有的一个部件 用于控制扫描速率 扫描范围等参数 CW NMR缺点 扫描速率慢 灵敏度低 3 傅里叶变换核磁共振波谱仪 PFT NMR 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 经过傅里叶变换获得一般核磁共振谱图 PFT NMR 灵敏度大为提高 测量时间大为降低 样品的制备 试样浓度 5 10 需要纯样品15 30mg 傅里叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1mg 标样浓度 四甲基硅烷TMS 1 溶剂 1H谱四氯化碳 二硫化碳 或氯仿 丙酮 苯 二甲基亚砜的氘代物 1 低分辨核磁共振谱由共振条件 0 B0 2 不同的原子核 不同 若固定B0 扫频 不同原子核在不同的 0发生共振 若固定 0 扫场 不同原子核在不同的B0发生共振 见下图 13 3化学位移和核磁共振图谱 低分辨核磁共振波谱仪 每种原子核只出现一个共振峰 而采用高分辨核磁共振波谱仪对有机物研究 发现有机物中氢核的共振谱线有许多条 且存在许多精细结构 这与氢核所处的化学环境密切相关 为什么同一种核会得到不同的共振峰呢 2 化学位移的产生 1 屏蔽作用理想化的 裸露的氢核 满足共振条件 0 B0 2 产生单一的吸收峰 实际上 氢核受周围不断运动着的电子影响 在外磁场作用下 运动着的电子产生相对于外磁场方向的感应磁场 起到屏蔽作用 使氢核实际受到的外磁场作用减小 B 1 B0 屏蔽常数 越大 屏蔽效应越大 0 2 1 B0屏蔽的存在 共振需要更强的外磁场 相对于裸露的氢核 2 化学位移chemicalshift 0 2 1 B0由于屏蔽作用的存在 氢核产生共振需要更大的外磁场强度 相对于裸露的氢核 来抵消屏蔽影响 在有机化合物中 各种氢核周围的电子云密度不同 其共振频率有差异 这种由屏蔽作用所引起的共振时外磁场或共振频率的移动现象称为化学位移 3 化学位移的表示方法 1 位移的标准没有完全裸露的氢核作为基准 即没有绝对的标准 相对标准 四甲基硅烷Si CH3 4 TMS 作基准 规定其化学位移 TMS 0 2 为什么用TMS作为基准 a 12个氢处于完全相同的化学环境 只产生一个尖峰 b 屏蔽强烈 位移最大 与有机物中质子峰不重叠 c 化学惰性 易溶于有机溶剂 沸点低 易回收 即人为的找一个标准 每个物质都与它比较 低场 高场 0 TMS CH3OCH3 TMS 化学位移 四甲基硅烷 CH3 4Si TMS 位移的表示方法 规定TMS的 TMS 0 其他种类氢核的位移为负值 负号不加 定义为正值 BTMS B试样 BTMS 106 试样 TMS TMS 106 得到正值 氢核的 数量级为百万分之几至十几 为取整数 乘以106 小 屏蔽强 共振需要的磁场强度大 在高场出现 图右侧 大 屏蔽弱 共振需要的磁场强度小 在低场出现 图左侧 常见结构单元化学位移范围 一些常见结构单元的化学位移范围 ppm 4 影响化学位移的因素 1 电负性 去屏蔽效应与质子相连元素的电负性越强 吸电子作用越强 屏蔽作用减弱 信号峰在低场出现 电负性对化学位移的影响 2 磁各向异性效应 磁各向异性是指质子在分子中所处的空间位置不同 屏蔽作用不同的现象 苯环的磁各向异性效应 去屏蔽作用 值大 7 2 低场 双键的磁各向异性效应 C C双键去屏蔽 低场共振 化学位移位大 5 84 C O去屏蔽 低场共振 化学位移位大 9ppm特征 三键的磁各向异性效应 横去屏蔽 有观点认为横向没有感应 竖屏蔽 高场共振 化学位移比双键小些 2 88 3 其它因素的影响 形成氢键后1H核屏蔽作用减少 属于去屏蔽效应 形成氢键倾向越强烈 质子受到的屏蔽效应就越小 范德华效应当两原子靠近时 由于范德华力作用 电子云相互排斥 导致原子核周围的电子云密度降低 屏蔽减少 谱线向低场移动 范德华效应与两原子距离有关 氢键 同一试样在不同溶剂中由于受到不同溶剂分子的作用 化学位移发生变化 称为溶剂效应 因此 在核磁共振波谱分析中 一定要注明是在什么溶剂下的 此外 温度和pH也会影响化学位移 溶剂效应 5 积分线 如下图可见 由左至右呈阶梯形的曲线 为积分线 其高度代表各组共振峰面积的积分值的大小 各组共振峰积分线的高度与该组质子的数目成正比 2组峰质子的数目比为3 1 裂分的原因 有什么规律 如何表征 对结构解析有何作用 每类氢核不总表现为单峰 有时多重峰 13 4自旋偶合及自旋裂分 1 自旋偶合与自旋裂分 峰的裂分 峰的裂分原因 自旋偶合 即相邻两个氢核之间的自旋偶合 自旋干扰 偶合常数 J 多重峰的峰间距 用来衡量偶合作用的大小 因此 由于自旋偶合导致了自旋峰的裂分 自旋偶合 自旋偶合 峰裂分数与峰面积 峰裂分数 n 1规律 n为相邻碳原子上的质子数 裂分峰强度比符合二项式 a b n的展开式系数 峰面积与同类质子数成正比 可确定各类质子之间的相对比例 化学等价核 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 磁等价核 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 1CH3CH2X中 CH3上的三个质子是化学等价的 也是磁等价的 2二氟乙烯中Ha和Hb是化学等价的 但因JHF 顺式 JHF 反式 所以Ha和Hb不是磁等价质子 3对 硝基氟苯中 Ha与Hb为化学等价 但不是磁等价 3Jac 5Jbc 注意 化学等价 不一定磁等价 但磁等价的一定是化学等价的 2 核的等价性 3 偶合作用的一般规则 较简单的有机分子在较强外磁场下出现的偶合现象 一级图谱 有以下几个一般规则 1 偶合裂分峰数目应用n 1规则 一组相同的磁性核所具有裂分峰的数目 是由邻近磁核的数目n来决定 即裂分数目 2nI 1 对质子而言 I 1 2 故裂分峰数目等于n 1 如果某组核既与n个磁等价的核偶合 又与另一组m个磁等价的核偶合 则裂分峰数目为 n 1 m 1 若有着相同的偶合常数 这时谱线裂分数目为n m 1 峰裂分数 1 1 1 3 3 1 1 1 1 2 1 峰裂分数 Ha裂分为多少重峰 Ha裂分峰 3 1 2 1 12 实际Ha裂分峰 5 1 6 强度比近似为 1 5 10 10 5 1 2 峰组内各裂分峰强度比可用 a 1 n的展开系数表示 如二重峰1 1 三重峰1 2 1 3 J值反映了核自旋之间的相互作用 与外磁场强度无关 而与相互作用的两核相隔的距离有关 当质子间相隔3个键时 这种相互作用力比较显著 但一般不超过20HZ 若相隔4个单键或4个以上单键 相互间作用力已很小 为1左右或0 根据相互偶合的氢核之间相隔键数 可将偶合作用分为 同碳偶合 2键 2J 邻碳偶合 3键 3J 和远程偶合 4键以上 4 由于偶合是质子之间彼此作用的 因此相互偶合的两组质子 其偶合常数J值相等 5 磁等价质子之间也有偶合 但不裂分 谱线仍是单一尖峰 6 裂分峰组的中心位置是该组磁核的化学位移值 裂分峰之间的裂距反映偶合常数的大小 符合上述规则的为一级谱图 J 6 较为简单 易于解释 高级谱图 J 6 则较为复杂 磁核间偶合不符合上述规则 偶合峰的判断 1 偶合常数 J值 相等 2 峰形 通常两组相互偶合的峰都是相应 内侧 峰偏高 而 外侧 峰偏低 在偶合信号的强峰上画一对相应的斜线 形成屋顶形状 1 峰的数目 标志分子中磁不等价质子的种类 多少种 2 峰的强度 积分线 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 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 不足之处 仅能确定质子 氢谱 1 一级谱图 1H谱 的结构信息 13 5一级谱图的解析 2 谱图解析 由分子式求不饱和度由积分曲线求1H核的相对数目解析各基团首先解析 再解析 低场信号 最后解析 芳烃质子和其他质子 由化学位移 偶合常数和峰数目用一级谱解析 参考IR UV MS和其他数据推断结构 得出结论 验证结构 孤立信号 解析步骤 谱图解析 1 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 5 2 2 3 化合物C10H12O2 谱图解析 2 u 1 10 1 2 12 5 谱图解析与结构确定步骤 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和 4 30三重峰和三重峰 O CH2CH2 相互偶合峰 分子式 C10H12O2 u 1 10 1 2 12 5 a 2 32和 1 2 CH2CH3相互偶合峰b 7 3芳环上氢 单峰烷基单取代c 5 21 CH2上氢 低场与电负性基团相连 哪个正确 正确 B为什么 谱图解析 3 自学 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 O CH2 结构 结构中有三个氧原子 可能具有 O CH2 3 c 5 3CH上氢吸收峰 低场与电负性基团相连 正确结构 谱图解析 4 自学 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 醛基上氢 低 3 87CH3上氢 低场移动 与电负性强的元素相连 O CH3 正确结构 谱图解析 5 自学 谱图解析 6 C5H7O2N u 1 5 1 2 1 7 3可能含有C O C N 2988cm 1 2938cm 1 C H伸缩2266cm 1 C N特征峰 1749cm 1 C O特征峰 1469cm 1 1373cm 1 C H变形1200cm 1 1029cm 1 C O C 1 33三重峰 4 27四重峰2 3 CH2 CH3低场位移 和电负性基团相连 O CH2 CH3 3 48 2个氢 单峰 CH2峰 CH2 C N 自学 13 6高级谱图和简化谱图的方法 有机化合物的NMR多数并非简单的一级谱图 而是复杂的高级谱图 偶合核的相互作用强 化学位移又相差不大 使得共振峰拥挤在一起 难于解析 量子力学有一套较为完整的解析方法 但计算繁杂 现一般从技术上采取措施 使高级谱图简化为近似的一级谱图 以便解析 1 使用强磁场谱仪 使用强磁场谱仪测定 可增大 J值 从而有可能使某些高级谱转变为一级谱 J 6 2 双照射法 又称双共振法 辅助振荡器 2 HX 共振 AmHX系统 2强烈照射下 消除了HX的偶合 照射Ha 照射Hb 3 核奥佛好塞效应 NuclearOerhauserEffect 简称NOE 在核磁共振中饱和某一个自旋核 和它相邻近的另一个核 两个核不一定存在相互偶合 的共振信号的强度增强 即核的奥佛好塞效应 OCH3与 Ha之间离得较近但没有偶合 若以OCH3中1H核的频率进行双照射 Ha的峰强度增强 其增强的程度与距离的立方成反比 4 位移试剂 shiftreagents 稀土元素的离子与孤对电子配位后 与具有孤对电子的原子相邻近的质子 其化学位移发生显著移动 常用 Eu DMP 3 三 2 2 6 6 四甲基 3 5庚二酮 铕 OH OH 1 13C谱的特点 获取13C谱的最好方法是进行累加 PFT NMR 1970年 的应用 使13C谱实用化 由于13C谱良好的应用特点 预计将超过1H谱而成为核磁共振的主要方面 原理与1H谱基本相同 给出的是13C I 1 2 核的信息 核磁矩 1H 2 79270 13C 0 70216磁旋比为质子的1 4 且13C的天然丰度仅为1 1 因此使13C谱的灵敏度低得多 相对灵敏度为质子的1 5600 13 713C核磁共振谱 碳谱与氢谱的对比 图13 21胆固醇的NMR谱 13C谱特点 1 研究C骨架 结构信息丰富 包括弛豫时间 2 化学位移范围大 0 250 分辨率高 3 可直接获得C O C N 季碳原子等信息 4 13C 13C偶合的几率很小 13C天然丰度1 1 5 13C 1H偶合可消除 谱图简化 6 信号强度与碳原子数不存在严格线性关系 2 化学位移 化学位移范围 0 250 谱图中峰的重叠少 如图13 21含27个碳的胆固醇 得到26条谱线 几乎每个碳原子给出一条谱线 氢谱与碳谱有较多共同点 包括一些基团的化学位移顺序和影响化学位移的因素均有相同 1 高场 低场碳谱 饱和烃碳 炔烃碳