核磁共振波谱法

1、核磁共振波谱法第1页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 1945年美国哈佛大学的Purcell与斯坦福大学的Bloch等发现了核磁共振现象，他们二人因此获得了1952年诺贝尔物理学奖。几十年来，核磁共振在理论、技术和应用方面，都有了迅速的发展。核磁共振方法和技术不断完善，已成为化学、生物化学、生命科学和临床医学研究的极为重要手段，是有机结构、构型、构象测定的主要手段。第2页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 强磁场超导核磁共振仪的发展，脉冲傅里叶变换技术(PFT)在核磁共振波谱仪上的广泛应用，NMR的新方法、新技术不断涌现。?Molecular St

2、ructure in SolutionHigh resolution 1D & 2D NMRR. R. Ernst1991 Nobel Prize in Chemistry第3页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 NMR是化学、生物化学、生命科学和临床医学研究的重要手段，是有机结构、构型、构象测定的主要手段。3D Structure of Bio-macromoleculesK. Wuethrich2002 Nobel Prize in Chemistry第4页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四HPLC-NMR / MS第5页，共105页，2022年

3、，5月20日，23点4分，星期四NMR Imaging (MRI)NMR MicroscopyP. Lauterbur P. Mansfield2003 Nobel Prize in Medicine第6页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四核磁共振氢谱(1H-NMR)，又称质子核磁共振谱(proton magnetic resonance spectrum，PMR)。1.通过信号的位置和偶合常数来判别氢原子的类型，即提供了质子类型及质子化学环境的信息；2.从氢谱上的信号强度(峰面积或积分曲线)了解各组氢核的相对比例，即各组氢核的分布；3.从氢谱中信号的分裂及偶合常数来了解

4、各组氢核的关系，如判别甲基与羰基，还是与亚甲基相连。第7页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四1H spectrum of Taxol第8页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四碳-13核磁共振谱(13C-NMR spectrum，13C-NMR)，又称碳谱，它可直接提供分子碳的骨架信息，与氢谱相互补充，是研究有机化合物结构的有力工具。13C spectrum of Taxol第9页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.1 核磁共振波谱的基本原理 原子是由原子核与绕其旋转的核外电子所组成。原子核由中子和质子组成，质子带正电荷，中子不

5、带电荷，因此原子核带正电荷，其电荷数等于质子数第10页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四带正电荷的原子核当发生自旋时，核上的电荷随之运动，绕轴一起旋转，可产生循环电流，就产生了感应磁场，其方向可用右手螺旋定则来确定。 第11页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四在静磁场中，具有核磁矩的原子存在不同能级，运用某一特定频率的电磁波来照射被测样品，并使供给的能量满足于能级之间的能量差，原子核即可进行能级之间的跃迁，这就是核磁共振。第12页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.1.1 原子核的自旋与磁矩不是所有的原子核有自旋现象。原子核

6、的自旋特征可以用自旋量子数(spin quantum number) I来描述。不同的核具有不同的自旋量子数，因而自旋情况也不相同，可分为三种类型。(1) I=0 (2) I为整数(I=1，2，) (3) I为半整数(I=1/2，3/2，5/2，)第13页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(1) I=0，这类核无自旋现象，没有核磁矩，其核的质量数与电荷数(原子序数)皆为偶数，不产生核磁共振信号，如12C、16O等，不能用核磁共振来研究。 (2) I为整数(I=1，2，)，这类核的质量数为偶数，电荷数为奇数，如2H、14N等。这类核的电荷分布不均匀，呈椭球状，称之为电四极矩

7、，其虽有自旋现象，能产生核磁共振信号，但核磁共振吸收复杂，故目前尚待研究。 第14页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(3) I为半整数(I=1/2，3/2，5/2，)，这类核的质量数为奇数，电荷数可为奇数，如1H、19F等；也可为偶数，如13C等。这类核的电荷呈均匀球体分布，并具有陀螺般的进动，形成自旋，可产生循环电流，产生感生场，是目前核磁共振研究与测定的主要对象。第15页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四质量A原子序数Z自旋量子数 I例子奇数奇数或偶数半整数1/2，3/2，5/21H、19F、31P、13C偶数偶数零012C、16O、32S偶数

8、奇数整数1,2,32H、14N表14-1 各种核的自旋量子数第16页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四带正电的核发生自旋时可产生磁场，这些原子核象小磁铁一样，一般用核磁矩()表示，的大小与自旋量子数有关。I=1/2的核，核自旋时，核上的电荷随之运动，绕轴一起旋转，可产生循环电流，就产生了感应磁场。I=0的核，核磁距等于0，不能产生核磁共振吸收信号。只有I0，有自旋现象的核，才有核磁距，能够产生核磁信号。第17页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 只有具有自旋角动量P(spin angular momentum)和核磁距的核素才能获得NMR信号 。 角

9、动量P的量值的大小为： 第18页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 核磁矩与自旋角动量P之比，叫做磁旋比(magnetogyric ratio) 1H的为2.67108T-1S-1， 13C的为0.6721108T-1S-1。第19页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四核自旋能级分裂 在无外磁场时，由于核的无序排列，核磁矩的取向是任意的，若将磁性核置于磁场中，根据量子力学，其核磁矩的取向不能任意排列，其不同的空间取向数目可用磁量子数来表示，可取II的任何值，共有2I+1个取向。m的每一个数值表示了核磁矩的一种空间取向。第20页，共105页，2022年，

10、5月20日，23点4分，星期四 1H，m的取值数目为21/21=2个，即m=1/2及1/2，表示在外磁场中1H的核磁矩只有两种取向。 m=1/2时，核磁矩在外磁场方向Z的投影(Z)与外磁场平行，能量较低； m=1/2时，Z与外磁场相反，能量较高。如图所示。第21页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 若I=1时，例如2H，m可有211=3个取值，即m=1、0、1，表明2H核磁矩在外磁场中有三种取向。第22页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四核的自旋角动量在Z轴上的投影PZ为因此，不同取向的核磁矩在磁场方向Z轴上的分量为第23页，共105页，2022年，

11、5月20日，23点4分，星期四14.1.2 核磁共振与共振吸收 进动 具有一定速度的陀螺在旋转时，其自旋轴虽有所倾斜，但在地心引力下并不改变其倾斜度。第24页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 在静磁场中原子核绕其自旋轴旋转，而自旋轴又与静磁场保持某一夹角作旋进运动，使磁矩有趋向于外磁场方向的趋势。这种情形就称为进动(precession)，也称Larmor进动。 自旋核的进动频率(v)称为Larmor频率，它与外磁场强度(H0)、磁旋比()成正比：第25页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四自旋核的能级分裂 自旋核在磁场H0中，其相互作用的能量为：

12、核磁矩在磁场中按不同方向的排列使得磁性核产生了能级分裂。对于I=1/2的1H核，其在磁场中的能量为： 第26页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 1H核在磁场中不同的自旋取向有不同的能量状态。顺场时，m=1/2，能量低；逆场时，m=1/2，能量高，两者的能量差随着磁场强度的增加而增大。 高磁场强度仪器中的E较大，可获得比低磁场强度仪器更清晰的核磁共振谱。 第27页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四共振吸收条件 在H0的垂直方向用频率为v0的交变电磁波照射，则该核可以吸收能量从低能级跃迁到高能级。所吸收电磁波的能量h v0必须等于能级间的能量差E，此时

13、核的进动频率为 因此，只有当核的进动频率v与交变电磁波频率v0相等时，核才能发生自旋能级跃迁。 根据量子力学的选律可知，跃迁只能发生在两个相邻能级间，即m=1。 第28页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四第29页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四饱和与弛豫 根据Boltzmann分布定律，低能态核数(n+)与高能态核数(n)的分布为 在27(300K)、H0=1.4092T(相当于60MHz的射频)时，氢核的n+/n-=1.0000099 。 NMR信号是靠多出的约百万分之十的基态核的净吸收而产生。 跃迁至高能态的核没有其它途径回到低能态，也就没有了

14、过剩的低能态核，就会产生饱和现象，NMR信号消失。 处于高能态的核(激发核)可通过非辐射的方式损失能量而回到低能态（基态），这个过程称为弛豫 (relaxation)。 第30页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四吸收和弛豫是可逆过程，弛豫是保持核磁信号强度必不可少的过程。在核磁共振中，若无有效的弛豫过程，饱和现象是容易发生的。弛豫是核磁共振信号产生的必要条件。随着H0的增加，低能态核的数目将增大，因而灵敏度增加。 第31页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.1.3 核磁共振波谱的测定 原理 核磁共振的信号很弱，无法通过测定透过光的信号强度变化来获

15、得，只能用共振吸收法测定。所谓共振吸收法是利用原子核在磁场中发生能级跃迁时，核磁矩改变方向而在接收线圈产生的感应电流来测定核磁共振信号。 同时记录接收线圈收到的吸收信号和磁场强度即可得到核磁共振谱图。第32页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四CW-NMR采用辐射频率或磁场强度连续变化扫描的方式进行的核磁共振光谱仪，称为连续波核磁共振仪(continuous wave NMR)，简称CW-NMR。它是由磁铁、探头、射频发生器、射频接收器、扫描发生器、信号放大及记录仪组成。磁场通常是由电磁铁或永久磁铁产生的，在两个磁极中间安装有探头，其正中插入样品管，在其匀速而平稳地旋转，使

16、样品受到均匀的磁场强度。照射线圈R所产生的射频场与磁场方向垂直。接收线圈D与前两者都相互垂直，接收核磁共振时的吸收信号。Helmholtz扫描线圈：改变扫描线圈的电流可改变磁场强度。 第33页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 固定照射频率，连续改变磁场强度的扫描方式称为扫场（field sweep）法。 固定磁场强度，连续改变照射频率的扫描方式称为扫频(frequency sweep)法。第34页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四PFT-NMR简介 原理 首先进行宽频带强脉冲射频发射（包括所测谱范围内全部频率），使样品中各种环境的所有磁核同时吸收脉

17、冲射频中的各个频率而被激发。当脉冲停止发射后，驰豫过程立即开始，接收器开始接收磁核发射的自由感应衰减信号FID(free induction decay)。 FID是时间(t)的函数。FID信号经过滤波、被模/数(A/D)转换器转换成数字信号后被计算机采集，再由计算机进行傅里叶变换计算，使其转变成频率(v)的函数，最后经过数/模(D/A)转换器变换为模拟量，就得到通常的NMR图谱。第35页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四PFT-NMR的特点与应用 测定速速快，便于多次累加，所以其灵敏度很高，使得天然丰度极低的13C的测定得以实现。除可进行核的动态过程、瞬变过程、反应动力

18、学等方面的研究外，还使二维核磁共振谱(2D-NMR)等技术得以实现，使核磁共振谱有了更广泛的应用。 第36页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.2 化学位移14.2.1 化学位移及其表示 分子中的原子核并不是孤立存在,它受到周围环境的影响, 导致相同的原子核却有不同的核磁共振频率。 氢核并非裸核，它的核外电子运动及附近其它原子核核外电子运动都将产生感应磁场，这些感应磁场的方向大小不同，对施加在氢核上的磁场的屏蔽作用也不同，这种现象称为局部抗磁屏蔽(shielding)。 第37页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 由于屏蔽效应的存在，核实受磁场强

19、度( H )应为 H = ( 1 ) H0 式中，称为屏蔽常数(shielding constant)。由于屏蔽效应，Larmor公式修正为 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。第38页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 不同类型和化学环境氢核的共振频率是有差别的，但是差别很小，约为百万分之十左右。如苯丙酮(C6H5CH2COCH3)，甲基氢与亚甲基氢共振频率相差百万分之1.5；亚甲基氢与芳氢相差百万分之3.7。 在有机化合物中，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。第

20、39页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.2.1.2 化学位移的表示 由于核磁共振的频率差别很小，大约在106范围内，即百万分之几。核外电子的感应磁场(屏蔽场)与外加磁场成正比，因此产生的屏蔽所引起的化学位移的大小也与外加磁场成正比。不同的磁场强度或照射频率的仪器，用磁场强度或频率表示化学位移，则数值是不同的。 第40页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 通常人们使用相对差值表示化学位移，符号为，单位为ppm。是一个无因次参数。化学位移常采用相对法表示，定义如下：0 Hz15003000450060000 ppm48120 Hz150030004

21、50060000 ppm4812参照样品峰300 MHz500 MHz1 ppm = 300 Hz1 ppm = 500 Hz 用相对法表示化学位移可使测量精度大为提高，又可使化学位移不会因磁场强度不同而不同，同一化学环境类型的质子就有了统一的化学位移值，而与仪器的磁场强度无关。 第41页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四国际纯粹与应用化学学会(IUPAC)规定TMS的值为0，(无论氢谱与碳谱)，TMS峰左值为正，峰右值为负。TMS是常用的标准品，测定以重水为溶剂的样品时，因TMS不溶于水，这时可采用DSS(4,4-二甲基-4-硅代戊磺酸钠)为标准物。 测定NMR一般是将

22、样品溶解在水或有机溶剂中进行的，所用的溶剂不应含有氢质子，以免溶剂中的质子干扰，常用氘代溶剂或不含质子的溶剂，如CCl4 、D2O、CDCl3、CD3COCD3(丙酮- d6) 及CD3SOCD3(DMSO-d6)等。但由于氘代溶剂会存在少量的未被氘代的溶剂而在某以位置出现残存的质子峰，所以在解谱时要注意识别。第42页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.2.2 化学位移的影响因素凡是能使核外电子云密度改变的因素都能影响化学位移。若能使核外电子云密度降低，会使磁屏蔽效应减弱，即去屏蔽效应增大，化学位移增加，核磁共振信号移向低场；反之，核外电子云密度增加，屏蔽效应增加，化

23、学位移降低，核磁共振信号移向高场。电负性磁各向异性氢键第43页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四诱导效应 当氢核附近具有电负性的取代基(如卤素、硝基等)都可降低核外电子云密度，使其化学位移增加。其影响程度与该原子或基团的电负性有关。 F、O、Cl、H和Si的电负性分别为4.0、3.5、3.1、2.1和1.8，其取代烷的化学位移为： CH3F CH3OH CH3Cl CH4 TMS 4.06 3.40 3.05 0.23 0第44页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 取代基的诱导效应可延碳链延伸，相隔3个以上碳则影响可忽略不计 CH3Br CH3CH2

24、Br CH3CH2CH3Br CH3(CH2)5Br 2.68 1.65 1.04 0.9 常见官能团的电负性一般大于氢原子的电负性，取代基对不饱和烃的影响较为复杂，应同时考虑诱导效应与共轭效应对核外电子云密度的影响。碳的电负性比氢大，因此第45页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四第46页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 磁各向异性(magnetic anisotropy) 质子在分子中所处的空间位置不同，其受邻近原子或基团的核外电子所产生的屏蔽效应的影响不同，统称为磁各向异性或称远程屏蔽效应(Long range shielding effect

25、)。磁各向异性具有方向性，其大小与它们之间的间距有关。(1) 芳环 (2) 双键(CO及CC) (3) 叁键 第47页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(1) 芳环： 苯和其它芳香结构的大键在外加磁场诱导下，易形成电子环流，产生次级磁场。 在芳环中心及平面的上下方，次级磁场的磁力线与外磁场的磁力线方向相反，为正屏蔽区，以“+”表示。处于正屏蔽区的质子的值减少(峰右移)。 在平行于芳环平面四周的区域，为去屏蔽区或负屏蔽区，以“”表示。处于负屏蔽区的质子的值增大(峰左移)。苯环上氢原子正好处于负屏蔽区，强大的顺磁屏蔽效应使这些氢原子的值达到7.27ppm。第48页，共105页

26、，2022年，5月20日，23点4分，星期四- 4.25+4n+2p第49页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(2) 双键(CO及CC)： 与芳环相似，双键化合物也具有屏蔽和去屏蔽区。双键的电子云分布于成键平面的上下方，形成结面(nodal plane)，结面电子在外加磁场诱导下形成电子环流，产生次级磁场。平面内为去屏蔽区，故值较大，出现在较低场。如乙烯氢的值为5.25ppm，乙醛氢的值为9.69ppm。第50页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四5.25+-7.857.4010.15 8.06第51页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，

27、星期四(3) 叁键： 叁键的电子以键轴为中心呈对称分布(共四块电子云)，在外磁场中，其电子绕碳碳键形成环流，产生的次级磁场。由于炔氢处于正屏蔽区，其实受的磁场强度降低，虽然炔氢受叁键的诱导效应，但由于炔氢处于正屏蔽区，因此使炔氢的值较小。由于双键烯氢既有双键的诱导效应又有负屏蔽区的去屏蔽作用，故烯氢的值远大于炔氢，如乙炔氢值为2.88ppm，而乙烯氢5.25ppm。第52页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四-+3.092.88第53页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四氢键的去屏蔽效应 氢键对质子的化学位移影响是非常敏感的。氢键的产生降低了质子周围的电

28、子云密度，使质子的化学位移增加，氢键的程度越大，其化学位移越高。例如羟基氢在极稀溶液中不形成氢键时为0.51.0 ppm；而在浓溶液中形成氢键，则为45 ppm。随浓度减少，氢键作用减弱，羟基峰向高场位移。与其他杂原子相连的活泼氢都有类似性质，由于氢键的形成与温度、浓度及溶剂极性有关，因而这类质子呈现较宽范围变动的化学位移。第54页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四0.5 -4.0 1 - 44 7.56 - 1410 - 14X-H-YX = N,O,CI,Br,第55页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.2.3 不同类型结构的质子化学位移范围

29、 1H-NMR谱中的各种基团上质子的化学位移与其化学位移有一定关系。近年来，已经积累了许多经验，文献中有各种表格形式，查阅方便，某些典型质子的化学位移还可由经验公式计算，从官能团可以推断其化学位移，根据化学位移又可推测官能团的结构。 常见质子化学位移的一般规律归纳如下(以值为序)：第56页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四第57页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.3 自旋偶合和自旋系统在1H-NMR谱上，共振峰并不总表现为一个单峰，如氯乙烷的甲基峰为三重峰，亚甲基(CH2)为四重峰，是甲基与亚甲基相互干扰的结果，如图所示。这种情况叫做峰的分裂现

30、象。吸收峰之所以发生分裂是由于相邻两个(组)磁性核自旋产生的次生场相互干扰所引起，这种磁性核间的相互干扰称为自旋-自旋偶合(spin-spin coupling)，简称自旋偶合。 第58页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四氯乙烷的核磁共振谱 第59页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.3.1.1 自旋偶合与自旋分裂 相邻两个(组)磁性核自旋产生的次生场相互干扰可引起磁性核间的相互干扰(自旋偶合)，由此引起的分裂现象称为自旋-自旋分裂(spin-spin splitting)，又称为自旋分裂。CHJCHCHJCH原始频率v-J/2v+J/2JCHv

31、第60页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 在氯乙烷的氢谱中，甲基上的质子受相邻亚甲基上二个氢的核磁矩的微扰使其分裂为三重峰。同样，氯乙烷的亚甲基也受甲基三个氢核的干扰，形成四重峰.第61页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.3.1.2 n+1规律 某类质子分裂的峰数目取决于邻近磁核所能给出不同磁矩的自旋方式结合的数目，即某氢核与n个相邻氢偶合时将被分裂为n+1重峰，而与该基团本身的氢数无关，此规律称为n+1规律。 第62页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四简单偶合的特征服从n+1律。偶合分裂的多重峰强度之比:其峰高比大致为

32、二项式。(a+b)n展开式的系数之比。多重峰质子的化学位移位于它们精细结构的中心处，简单偶合的二重峰(d)峰高比为1:1，三重峰(t) 峰高比为1:2:1，四重峰(quartet)峰高比为1:3:3:1，五重峰(quintet) 峰高比为l:4:6:4:1，六重峰(sextet) 峰高比为1:5:10:10:5:1。“向心法则”:氯乙烷中甲基三重峰左侧峰高于右侧峰，亚甲基四重峰的右侧峰高于左侧峰。这可用于判断偶合关系。第63页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 上述分裂规律即nl律实际上是2nIl规律的特殊形式。若I=1，如在一氘碘甲烷中(CIH2D)，氢核受一个氘核的干

33、扰，则分裂为三重峰，服从2nIl律。而氘核受二个氢核的干扰，也分裂为三重峰，但服从n1律。 以上规律只适用于偶合干扰作用比较小的简单偶合(v/J10)，而不适用于高级偶合(v/J10为界(过去以6为界)，峰分裂服从n +1规律。同理，若偶合核之间的偶合作用较强，即v/J10)，那么这些值不等的核即可用同组内的不同字母表示。4.如果v/J10。 (2) 相互偶合的两类磁核，每类磁核均为磁等价核。主要特征 等价磁核尽管相互偶合，但不分裂，呈单峰。等价核偶合分裂数目服从n +1规律。 等价核分裂的峰高比为二项式展开式的各项系数比。 多重峰的中间位置是该组等价磁核的化学位移。 多重峰的裂矩是与相邻核偶

34、合的偶合常数。 偶合分裂时对应的两组分裂峰总是构成中间高两边低的向心外形，即所谓的向心法则。第74页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四由于大多数化合物的结构复杂，简单的一级图谱并不多见，经常呈现高级偶合。高级偶合的图谱复杂，解析困难。采用高磁场的仪器可使一些复杂的高级偶合简化成一级偶合。各类去偶技术与方法、二维核磁共振波谱(2D-NMR) 大大提高了所能解决高级偶合图谱的难度，增加了解决问题的途径和多样性。第75页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四峰面积 峰面积与同类质子数成正比，仅能确定各类质子之间的相对比例。峰面积由谱图上的积分线给出。化合物 C

35、10H12O25223第76页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.4 核磁共振氢谱的解析方法与示例14.4.1 样品的制备 纯度：应98。 用量：CW-NMR仪器一般样品需30mg/0.4ml(约10)左右，否则信号弱，不易获得正常图谱。但对于FT-NMR仪器，样品量由累加次数确定(只需要几个毫克即可)。 溶剂：应有较低的粘度，应采用氘代试剂。 对低、中极性的样品，最常采用氘代氯仿作溶剂，因其价格远低于其它氘代试剂。极性大的化合物可采用氘代丙酮、重水等。 第77页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.4.2 解析的一般程序(1) 计算不饱和度(

36、U) 。(2) 计算氢分布 由积分曲线或峰面积，参考分子式或孤立甲基峰等，算出各组氢核的数目-氢分布。(3) 确定甲基类型 根据孤立的甲基峰的化学位移，初步确定孤立的甲基类型，如CH3O及CH3Ar等。(4) 确定低场氢核的化学环境 根据低场氢核的化学位移初步确立各组氢核的化学环境，醛基氢10 ppm、酚羟基氢 9.515 ppm、羧基氢 1112 ppm及烯醇氢1416 ppm。第78页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(5) 明确偶合系统 由v/J确定图谱中的简单偶合和高级偶合部分。解析图谱中的简单偶合，确定各峰归属。(6) 解析图谱中高级偶合部分 若7.2 ppm附

37、近有共振吸收峰，则可按分裂图形确定自旋系统及取代位置。 若含有其它难解析的高级偶合系统，则可应用各种去偶技术或二维图谱等技术来解决，也可采用更高强度的磁场仪器使图谱简化。(7) 对于含有活泼氢的化合物，对比重水交换前后的图谱，确定活泼氢的峰位及类型。第79页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(8) 写出可能的结构单元，根据化学结构的合理性推出一种或几种可能的结构。(9) 查表或按经验式计算各基团氢核的化学位移，与实测值对照，验证结构是否正确，也可通过参考IR、UV及MS等图谱进行综合波谱解析。已发表的化合物，可查标准光谱核对。第80页，共105页，2022年，5月20日，

38、23点4分，星期四14.4.3 解析示例例14-1 某两异构体的分子式为C4H8O2，二者在IR光谱l735 cm-1处均有强吸收，它们的核磁共振谱如图所示，试推断它们的结构。 A. 分子式C4H8O2的核磁共振谱图 第81页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四解：此二异构体在IR光谱1735 cm-1处均有强吸收，说明此二化合物中均有羰基C=O，且为酯羰基。B. 分子式C4H8O2的核磁共振谱图 第82页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四A化合物(1) 4.2，四重峰，2H：为CH2，旁邻CH3和O，归属结构CH3CH2O；(2) 2.0，单峰，3H

39、：为CH3，旁邻C=O，归属结构；(3) 2.4，四重峰，2H：为CH2，旁邻CH3，归属结构CH3CH2(4) 1.3，三重峰，3H：为CH3，旁邻CH2-，归属结构CH3CH2。因此A化合物的结构为： 第83页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四B化合物(1) 3.7，单峰，3H：是CH3，旁邻O，归属结构CH3O；(2) 2.4，四重峰，2H：是CH2，旁邻CH3，归属结构CH3CH2(3) 1.2，三重峰，3H：是CH3，旁邻CH2，归属结构CH3CH2。因此B化合物的结构为 第84页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.5 核磁共振技术的进

40、展14.5.1 核磁共振碳谱简介 13C-NMR的原理和1H-NMR原理基本相同，但13C的天然丰度较低，仅为12C的1.1%，而且其磁旋比也仅是1H的1/4，这使得测定13C核磁共振信号的灵敏度仅为1H-NMR的1/5700，因此采用传统的CW-NMR测定13C核磁共振信号是十分困难的。直到70年代，FT-NMR技术及各种去偶技术的发展，才使得13C-NMR谱的应用成为可能。 13C-NM简称为碳谱，亦可表示为CMR，它可直接提供有关分子碳“骨架”结构信息，与1H-NMR相互补充，已成为研究有机化合物分子结构不可缺少的工具。第85页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四13

41、C-NM谱的特点 (1) 13C-NMR分辨率高于1H-NMR 化学位移范围宽，可达250ppm以上，而氢谱的化学位移一般在020ppm，且氢谱与碳谱的平均谱峰宽度，均在同一数量级，因而碳谱比氢谱分辨率高510倍，谱峰很少重叠，基本上每一个不等价碳原子都能得到清晰的谱峰。(2) 13C-NMR的灵敏度低 碳谱的灵敏度远低于氢谱，仅为氢谱的1/5800。只有具有累加功能的FT-NMR才能获得实用的碳谱。第86页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(3) 13C图谱的简化 13C图谱的偶合裂分相当严重，且相互交叉，使峰强度大大减弱，信噪比(S/N)降低，给图谱解析带来困难，因此

42、实际测定时均使用去偶技术，使图谱简化便于解析。常见的碳谱即为采用了质子宽带去偶谱技术获得的失去了CH间偶合的简化图谱，使每一个不等价碳原子都能得没有裂分的单谱。(4) 13C-NMR弛豫时间较长 弛豫时间T1与13C核所处的化学环境密切相关，因此可以利用其提供更多的13C核在分子中的结构信息。(5) 13C-NMR谱峰强度不与碳原子数成正比 13C核信号强度顺序为CH3CH2CH1C。第87页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.5.1.2 影响化学位移的因素与1H-NMR谱一样，13C化学位移的大小，也决定于屏蔽效应，不同的核屏蔽常数不同，故共振频率不同，化学位移值也

43、不同影响的因素也就是影响的因素，主要有：碳的杂化类型碳核上电子云密度立体效应第88页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(1) 碳的杂化类型 13C化学位移受杂化的影响很大，它的大小、顺序与氢谱基本平行。不同杂化的碳原子的顺序为： sp310 ppm 100 ppmsp2CCH120 ppm 160 ppmspCCH270 ppm 130 ppmsp2150220 ppm第89页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(2) 碳核上电子云密度 核外电子云密度增大，屏蔽效应增强，值移降低。反之，值增大。诱导效应、共轭效应及碳核上的电子贫富程度等对都有影响。例如

44、：羰基共轭后由于电子云向碳原子端移动，C的电子云密度增大，因此羰基C屏蔽增加，值减小10ppm。 在取代苯中，若供电子基团取代，能使其邻对位碳的电子云密度增加，对应碳的值减小；而吸电子基团取代，则使其邻对位碳的电子云密度降低，对应碳的值增加；取代对其间位碳的电子云密度影响不大，故间位碳的化学位移变化较小。第90页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(3) 立体效应 主要是指-邻位交叉效应，即分子内几何因素的影响，例如：在环己烷或其类似物中，间隔两根键的碳，可因相近取代基的空间排斥作用，而使其上电子云密度增加，从而向高场(低频)移动。(4) 其他影响 如氢键影响、pH影响、溶

45、剂的影响等基本与氢谱基本相同。 第91页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.5.1.3 化学位移与分子结构 与氢谱类似，各类有机化合物的13C化学位移都有一定的范围，如图所示。另外在进行图谱解析时，也常采用一些经验的计算方法来预测或验证结构。 第92页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四14.5.1.4 碳谱的种类 由于13C与直接相连的1H和邻近的1H可产生1JC-H及2JC-H、3JC-H的偶合，使13C-NMR分裂成多重峰，裂分峰相互交叉，重叠的十分复杂，使图谱剂很难解析，所以在13C-NMR谱的测定中，常使用一些质子去偶技术，使图谱简单，便

46、于解析。(1) 完全去偶谱 (2) 质子偏共振去偶 (3) 选择氢核去偶谱 (4) 无畸变极化转移技术 第93页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(1) 完全去偶谱 亦称质子宽带去偶谱、噪音去偶谱、全氢去偶(简称COM)或13C宽带去偶(简称BBD)。 用一个高动率的能够覆盖全部质子共振频率的去偶射频场，使样品中全部氢同时发生共振饱和，从而消除了全部的13C-1H偶合裂分。这种质子去偶的13C谱由一个分辨很好的单峰组成，每个不等价的碳都只出现一个共振峰，称为质子宽带去偶谱或完全去偶谱。 质子宽带去偶谱具有分离度好，强度高的优点，常用于确定分子中不等价碳的数目，以及测定各碳的化学位移值，但是宽带去偶消除了全部13C-1H偶合，同时也失去了13C-1H关联的结构信息，因而不能区别伯、仲、叔碳。第94页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四 14 2 3第95页，共105页，2022年，5月20日，23点4分，星期四(2) 质子偏共振去偶、偏共振去偶谱(简称OFR) 当照射1H核用的电磁辐射偏离所有1H核的共振频率一定距离时，测得的13C-NMR 谱中将不能完全消除直接相连