核磁共振波谱

1、1,Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR),核磁共振波谱,人脑纵切面的核磁共振成像,通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部,2,乙醚核磁共振波谱图,3,核磁共振波谱与紫外-可见光谱及红外光谱的区别,照射频率不同而引起的跃迁类型不同,4,美国科学家布洛赫 (Felix Bloch ) 和 珀赛尔 (Edward Purcell)各自独立观察到核磁共振现象，1952年获得诺贝尔物理奖。,布洛赫 (Felix Bloch ),珀赛尔 (Edward Purcell),5,瑞士物理化学家恩斯特 (R.R.Ern

2、st)由于在PFT-NMR及2DNMR二方面的贡献而获得1991年诺贝尔化学奖。,恩斯特 (R.R.Ernst),脉冲傅利叶变换核磁共振谱 二维核磁共振谱 核磁共振成像,6,瑞士的库尔特维特里希 (Kurt Wthrich)首先将2D-NMR的方法用于蛋白质，发展了将2D-NMR和距离几何结合得到蛋白质在溶液中的空间结构的方法，第一个用NMR方法解析出蛋白质的空间结构，获得2002年诺贝尔化学奖。,库尔特维特里希 (Kurt Wthrich),7,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 ) 关于核磁共振成像（Nuc

3、lear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI，也称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI），技术方面的研究获得2003年诺贝尔医学奖。,保罗劳特布尔 (Paul Lauterbur),彼得曼斯菲尔德 (Peter Mansfield ),8,一、基本原理：,1. 原子核的自旋,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.,凡是自旋量子数不等于零的原子核，都可发生核磁共振。常用1HNMR和13CNMR。,9,（1） I=0 的原子核 16O；12C；22S

4、等 ，无自旋，没有磁矩，不产生共振吸收； （2） I=1，2，3 . 的原子核：2H，14N，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）1/2，3/2，5/2.的原子核: 1H，13C，19F，31P，原子核的电荷均匀分布，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。,10,有机化合物的基本元素13C、1H、15N、19F、31P等都有核磁共振信号，且自旋量子数均为1/2，核磁共振信号相对简单，已广泛用于有机化合物的结构测定 然而，核磁共振信号的强弱是与被测磁性核的天然丰度和旋磁比的立方成正比的，

5、如1H的天然丰度为99.985%，19F和31P的丰度均为100%，因此，它们的共振信号较强，容易测定，而13C的天然丰度只有1.1%，很有用的15N和17O核的丰度也在1%以下，它们的共振信号都很弱，必须在傅里叶变换核磁共振波谱仪上经过多次扫描才能得到有用的信息。,11,1. 质子类型（-CH3、-CH2-、 、=CH2、 、Ar-H、-OH、-CHO）及质子化学环境；,按原子核种类可分为1H、13C、19F、31P等核磁共振谱。,但不能给出不含氢基团的共振信号。,碳谱 可给出丰富碳骨架的信息，但其峰面积与碳数一般不成比例关系。因而氢谱和碳谱可互为补充。,19F和31P谱 只能用于含F含P的

6、化合物，应用范围较窄。,氢谱 主要是给出三方面的结构信息：,2. 氢分布；,3. 核间关系。,12,质子是自旋的。有自旋量子数+1/2和-1/2 两个自旋态，在外磁场 H0 作用下，两个自旋态能量不再相等，两种自旋态的能量差E随着外磁场强度增加而变大。,13,2. 核磁共振的条件：,质子受到电磁波（无线电波）幅射，只要电磁波的频率能满足两个相邻自旋态能级间的能量差E，质子就由低自旋态跃迁到高自旋态，发生核磁共振。,14,15,16,3. 核磁共振仪 ： A. 连续波核磁共振仪 (1)固定外磁场强度 H0 不变，改变电磁波频率 ，称为扫频。 (2)固定电磁波频率 不变，改变磁场强度 H0 ，称为

7、扫场。 两种方式的共振仪得到的谱图相同，实验室多数采用后一种，如60 MHz，100 MHz，400 MHz就是指电磁波频率。,17,B. 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；采用射频脉冲激发在一定范围内所有的欲观测的核，通过傅立叶变换得到NMR谱图。 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）,18,1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

8、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。,核磁共振仪的构造及操作：,19,400 MHz Avance System,Unix computer,electronic controls,super- conducting magnet,400 MHz NMR Spectrometer,20,21,仪器名称：400MHz核磁共振波谱仪 生产厂商：瑞士Brucker Biospin公司 仪器型号： AVANCE 400MHz,22,扫描线圈,23,5060周/s旋转,24,样品放在两块大电磁铁中间，用固定的无线电波

9、照射，在扫描线圈中通直流电，产生微小的磁场，使总的外磁场逐渐增加。当磁场达到H0时，试样的一种质子发生共振。信号经放大记录，并绘制出核磁共振谱图。,25,4. 样品的制备：,试样浓度：5-10%；需要纯样品15-30 mg； 傅立叶变换核磁共振波谱仪需要纯样品1 mg ； 标样浓度（四甲基硅烷, TMS） ： 1%； 溶剂：1H谱 四氯化碳，二硫化碳；氘代溶剂：氯仿，丙酮、苯、二甲基亚砜的氘代物；,26,二、H-NMR的化学位移,由于化学环境不同，即各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置），引起分子中的H核磁共振信号位置的变化称为化学位移，用 表示。,屏蔽效应：,分子中的H周围有电子（

10、化学环境），电子在磁场中运动产生与外磁场方向相反的诱导磁场，抵消了一部分外磁场，若使H发生了核磁共振，必须增大外磁场强度，这种现象称为电子的屏蔽作用或屏蔽效应。,27,理想化的、裸露的氢核；满足共振条件： 0 = H0 / (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： H=（1- ）H0 ：屏蔽常数。 越大，屏蔽效应越大。,28,0 = / (2 ) （1- ）H0 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

11、化合物中，各种氢核 周围的电子云密度不同（结构中不同位置）共振频率有差异，即引起共振吸收峰的位移，这种现象称为化学位移。,29,1. 化学位移表示方法：,位移的标准,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=0,30,为什么用TMS作为基准?,12个氢处于完全相同的化学环境，只产生一个尖峰； 屏蔽强烈，位移最大。与有机化合物中的质子峰不重迭； 化学惰性；易溶于有机溶剂；沸点低，易回收。,31,是以百万分之一（ppm）为单位的参数，化学位移为一个无因次的数，并以多少个ppm来表示。,32,例：在60MHz的仪器上，测得氯仿

12、与TMS间吸收频率差为437Hz，用 表示氢的化学位移为：,TMS的 = 0，一般有机化合物中H的化学位移出现在其左边，低磁场强度一边。屏蔽效应越小，离TMS的 值越远，规定取正值。,33,在60MH仪器上测得的1H-NMR谱上，某化合物的CH3氢核峰位与TMS峰相差134Hz，而CH2氢核峰位与TMS相差240Hz，故两者的化学位移值分别为： （CH3）=（1340）/60106106 = 2.23 （CH2）=（2400）/60106106 = 4.00,34,但同一化合物在100MHz仪器测得的1H-NMR谱上，两者化学位移值（）虽无改变，但它们与TMS峰的间隔以及两者之间的间隔（v）却

13、明显增大了。CH3基为223Hz，CH2基则为400Hz。由此可见，随着照射用电磁辐射频率的增大，共振峰频率及NMR谱中横坐标的幅度也相应增大，但化学位移值并无改变。,35,位移的表示方法,与裸露的氢核相比，TMS的化学位移最大，但规定 TMS=0，其他种类氢核的位移为负值，负号不加。, = （ 样 - TMS) / o 106 (ppm),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；,36,2. 影响化学位移的因素:,（1） 电负性： 与H原子相连的C上连的原子或基团的电负性越大，H的化学位移值越大。,37,38,典型的吸电子

14、取代基：,39,40,41,（2） 磁各向异性效应：,42,价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,43,价电子产生诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,44,苯环上的6个电子产生较强的诱导磁场，质子位于其磁力线上，与外磁场方向一致，去屏蔽。,45,46,（3） 氢键的影响,氢键是起去屏蔽作用，形成氢键的H的化学位移比没有形成氢键的H的化学位移大，出现在低场。,醇分子中OH基上的H形成氢键时， =3.55.5 酸分子中OH基上的H形成氢键时， =1013,47,PhOH中酚羟基质子的化学位移与浓度的关系：,48,（4） 其他因素影响：,范德华效应

15、、温度、质子交换、溶液浓度、溶剂都要影响化学位移。,49,3. 常见的各种 H 的化学位移值：,50,51,52,三、磁等性质子和磁不等性质子：,1. 磁等性质子：在有机分子中，化学环境相同的一组质子称为磁等性质子。例如：四甲基硅烷、苯、环戊烷、甲烷、丙酮中的质子都是磁等性质子。 磁等性质子的化学位移相等。,53,2. 磁不等性质子：在有机分子中，化学环境不相同的质子称为磁不等性质子。例如：氯乙烷分子中甲基上的氢与亚甲基上的氢是不等性质子。2-氯丙烯中双键上的两个质子也是磁不等性质子。 磁不等性质子的化学位移值不相等。,54,四、积分曲线与质子的数目：,在核磁共振谱图上，有一条从低场向高场的阶

16、梯式曲线，称为积分曲线。,55,积分曲线每个阶梯的高度与其相应的一组吸收峰的面积成比例，而峰面积与该组磁等性质子的数目成比例。因此积分曲线高度比等于相应磁等性质子的数目比。积分曲线的总高度与分子中质子总数目成比例。,56,57,58,五、自旋偶合与自旋裂分,1. 自旋偶合：分子中相邻的磁不等性质子之间自旋相互作用称自旋-自旋偶合，简称自旋偶合。,2. 自旋裂分：自旋偶合作用使互相偶合的质子共振吸收峰分裂成多重峰的现象称为自旋裂分。,59,60,3. 裂分规律：,（n+1）规律：一组磁等性质子与相邻的一组n个磁等性质子相偶合，此组磁等性质子吸收峰裂分成（n+1）重峰，称为（n+1）规律。,61,

17、62,b,a,63,64,65,相互偶合的两组峰的外形特点是“中间高，两边”；,磁等价质子间不发生峰的裂分。,如：CH3CH3的NMR只有一个单峰， ClCH2CH2Cl的NMR也只有一个单峰。,每组裂分峰的化学位移，由这组裂分峰的化学位移中点决定。,66,4. 偶合常数,互相偶合的两组峰a和b，每组峰中各峰间的距离称为偶合常数，用Jab表示，单位Hz，下标a、b表示a、b两组磁等性质子互相偶合。 互相偶合的两组峰的偶合常数相等。,67,Jab=03.5 Hz,Jab=514 Hz,Jab=1218 Hz,C,C,Ha,Hb,C,Ha,C,Hb,C,Ha,C,Hb,68,5. 一级谱图,一级谱

18、图：满足（(/J)6）条件的谱图。 化学位移之差； J 偶合常数。,特点： 裂分峰呈现n+1规律。 裂分峰强度比符合二项式展开式系数之比。 一组峰的中心位置即为。 峰间距即为J,69,二项式展开系数比，可由巴斯卡三角形求得,70,singlet doublet triplet quartet pentet 1:1 1:2:1 1:3:3:1 1:4:6:4:1,Common Splitting Patterns,71,六、1H-NMR谱图的解析,1. 由图上吸收峰的组数，可以知道分子结构中磁等性质子组数目。 2. 由峰的强度（积分曲线）可以知道分子中磁不 等性质子的比例。 3. 由峰的裂分数可知相邻磁等性质子数目。 4. 由峰的化学位移（ 值）可以判断各种磁等性 质子的归属。 5. 由裂分峰的外观或偶合常数，可知哪些磁等性 质子是相邻的。,72,解析实例 ：例1：,73,例2：下列谱图是否 的NMR？,所以，该图是2,3,4-三氯苯甲醚的NMR。,3.9(单峰) -OCH3,6.77.3 苯环氢 (两组二重峰),